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数控机床高速液压动力卡盘的研究

周城

  高档数控机床的高速高精度发展趋势,对数控机床的功能部件提出了更高的速度与精度要求,液压动力卡盘作为数控车床和车铣复合加工中心的重要功能部件,向着高转速和高夹持精度方向发展。然而,高速液压动力卡盘的发展相对落后于电主轴和切削刀具等其它功能部件,缺乏高速、安全的液压动力卡盘已成为高速车削技术未能在批量生产中得到广泛应用的一个重要原因;我国的液压动力卡盘技术落后于欧洲和日本,高档液压动力卡盘全部进口。本学位论文研究高速液压动力卡盘的高速回转密封和夹紧力损失补偿等关键技术,目的在于提高液压动力卡盘的转速性能,并为液压动力卡盘的结构设计和优化提供理论参考,为其性能检测提供手段,具有重要的工程意义和学术研究价值。 本文创建了回转液压缸多段微米级密封缝隙的液固气三相热耦合流动数值模型,该模型考虑了液压油液的粘温特性、油液与固体壁面和空气之间的热传递、以及三个密封缝隙之间的相互传热,因此对油液温度的预测效果比经典的缝隙流动理论更加准确,而且还能预测固体圆环的壁面温度,计算与实验结果对比表明,该模型计算的油液温度误差小于5%内,可为高速回转液压缸回转密封的设计提供理论基础。提出了高速动力卡盘的夹紧力损失分段模型,该模型考虑了动力卡盘传动机构在低速阶段与高速阶段的变形差异、卡盘传动机构的摩擦力、回转液压缸中液压油液的压缩性等因素,更深入地揭示了高速动力卡盘的夹紧力损失机理,与实验结果对比表明,该模型计算的夹紧力损失尤其是夹紧力损失系数,比已有的夹紧力损失模型具有更高的精度。据此研制的外径250mm和160mm两种规格的离心力补偿型高速动力卡盘样机,填补了国内空白。样机的大量试验结果表明,外径250规格的动力卡盘在6000rpm时的剩余夹紧力是初始夹紧力的82.9%,外径160规格的动力卡盘在7500rpm时的剩余夹紧力是初始夹紧力的71.5%,远高于行业标准规定的33%,剩余夹紧力和转速达到目前国际量产动力卡盘的最好指标。发明了一种高转速拉压力传感器,该传感器将应变式拉压力测量技术与非接触式供电和信号传输技术结合为一体,能够在高转速时测量回转液压缸的输出推拉力,解决了高转速工况下回转液压缸的保压性能检测难题,为回转液压缸及其液压锁的性能改进提供了有效的检测手段。 论文主要结构如下: 第一章,介绍液压动力卡盘的发展历程、关键技术问题和国内外研究现状,论述了本文的研究目的、意义和主要研究内容。 第二章,建立了回转液压缸全周口密封缝隙流动和温升的理论模型,以及三段微米级密封缝隙的液固气三相热耦合流动的数值模型,并开展了实验研究;分析了全周口缝隙流动的温升、热传递和泄漏量等特性,提出了降低缝隙流动温升的措施;开展了非全周口密封缝隙流动的温升、泄漏量和转矩的实验研究。 第三章,建立了楔式动力卡盘的静态夹紧力模型,分析了楔式动力卡盘的传动效率;建立了楔式动力卡盘的夹紧力损失分段模型,并分析了摩擦力、刚度和结构尺寸对夹紧力损失的影响。 第四章,建立了杠杆式补偿型动力卡盘的夹紧力损失模型,并提出了夹紧力损失的优化设计方法,研制了杠杆式补偿型动力卡盘样机;提出了基于电液比例压力控制和压力多级控制的夹紧力控制方法。 第五章,介绍了高转速拉压力传感器的工作原理,分析了离心力对传感器测量精度的影响,提出了膨胀变形引起的测量误差的补偿方法。论述了高转速拉压力传感器在液压动力卡盘中的应用。 第六章,总结本文的研究工作,归纳了主要的研究结论,指出论文的创新点,并对今后的研究工作进行展望。……   
[关键词]:数控车床;高速车削;回转液压缸;动力卡盘;缝隙密封;液压锁;推拉力;夹紧力损失;夹紧力补偿
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:浙江大学2011年
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