HSK工具系统的屈曲响应计算和分析

HSK工具系统检测方法作者：王琦来源：《中国新技术新产品》2015年第21期摘要：为保证HSK工具系统加工质量的稳定，最大限度地减少对HSK工具系统性能的影响，采用合理的检测技术及手段更加重要，我国已具备了HSK刀柄精密加工的批量化生产能力，并研制了HSK工具系统系列测量工具。

关键词：HSK工具系统；锥柄；检测中图分类号：TG506 文献标识码：A随着高速加工机床及新型刀具的开发取得重大进展，刀具/主轴联结系统已成为高速加工系统中最薄弱的环节之一。

HSK（德文Hohl Schaft Kegel缩写）工具系统作为一种新型的工具系统，在高速、精密加工中得到广泛的应用。

如何保证HSK工具锥柄的制造精度，如何保持HSK工具锥柄加工质量的稳定，最大限度地减少对HSK工具系统性能的影响，成为了HSK工具系统生产制造过程中的关键问题。

为此，在采用合理的工艺路线、性能数据分析、检测技术及手段更加重要。

目前已研制成功用于HSK锥柄加工的系列测量工具，例如：带千分表的专用环规、HSK 标准样锥、HSK内拉紧斜面测量检具、HSK锥柄1∶10锥度检查仪、HSK安装孔检具（带表塞规）、气动锥度塞规、电感锥度塞规、HSK刀柄自动检测仪等等。

其中自动检测仪是综合型测量检测仪器，检测效率高。

下面介绍几种常用的HSK工具系统检测方法。

1 带千分表的专用环规相关测量工具示意图如图1所示。

两个测量环规可用标准锥度塞规进行对零，进行比较检测，通过千分表可读出被测数值。

2 电子测量锥柄相关示意图如图2所示。

测量环带有4个电感传导器，用于基准锥体直径d2到基准锥体距离12和抽点检测d3和抽点检测距离13的微分测量。

与校准的锥柄塞规的偏差同时显示在仪表两个显示柱上，进行锥柄的检测。

3 气动测量锥孔示意图如图3所示。

主要用于锥孔锥度的检测。

采用喷嘴进行无接触测量，测量精度高，并且内置百分表增加了可测范围，可在加工锥孔前使用。

4 HSK刀柄夹紧内孔30°锥面检具。

HSK 刀柄主轴结合面接触特性及其影响分析刘雪梅;李爱平;谭顺利【摘要】This paper was undertaken to analytically investigate the performance of the HSK tool-holder-spindle connection and spindle system with FEM.The analysis results show that spindle speed has become the major influence factor on the contact area at high rotational speed,and that the contact area decreases with increasing spindle speed.The results also show that the contact stress is signifi-cantly affected by clamping force,and that increasing clamping force causes the contact stress to in-crease and the contact stress distribution to change in case of constant spindle rotational speed and in-terference magnitude.It is also observed that spindle-holder interface dynamics mainly affects the vi-bration mode and harmonic response.The inherent frequency decreases and the amplitude increases after considering the effects of the toolholder-spindle interface on spindle system.%以 HSK 刀柄主轴为研究对象，采用有限元方法对HSK-A63型刀柄主轴结合面接触特性及主轴系统动态特性进行了仿真分析。

BT与HSK工具系统高速加工性能比较分析陈世平;李青锋【摘要】On the basis of the structural characteristics and simulation and digital analysis for BT and HSK tool systems, it is demonstrated in theory that HSK tool systems are superior than BT tool systems for highspeed cutting performance. The performances of dynamic and static for BT and HSK tool systems are compared through experiments.%通过对BT工具系统和HSK工具系统的结构特点和数字模拟分析比较,从理论上论证了HSK工具系统的高速加工性能优于BT工具系统,并通过实验比较了两者的静、动态性能.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2012(000)004【总页数】3页(P157-159)【关键词】BT;工具系统;HSK工具系统;高速加工;性能比较【作者】陈世平;李青锋【作者单位】重庆理工大学汽车学院,重庆 400054;重庆理工大学汽车学院,重庆400054【正文语种】中文【中图分类】TG710.3高速切削加工刀具技术是高速切削加工的一个关键技术，它包括高速切削刀具材料和工具系统两个方面。

在工具系统方面，传统的BT工具系统采用7∶24锥度实心长刀柄结构已不能满足高速切削加工的要求，必须研发各种新型结构的工具系统，如现采用较多的HSK工具系统、KM工具系统等。

BT工具系统与HSK工具系统由于结构不同，其高速切削加工性能相差甚远，BT工具系统几乎不能用于高速切削加工。

1 BT与HSK工具系统的结构特点BT刀柄为7∶24锥度实心长刀柄结构，如图1所示。

屈曲（失稳）征值屈曲分析与非线性屈曲分析：很多现有的ANSYS资料都对特征值屈曲分析进行了较为详细的解释，特征值屈曲分析属于线性分析，它对结构临界失稳力的预测往往要高于结构实际的临界失稳力，因此在实际的工程结构分析时一般不用特征值屈曲分析。

但特征值屈曲分析作为非线性屈曲分析的初步评估作用是非常有用的。

以下是我经过多次计算得出的一些分析经验，欢迎批评。

1.  非线性屈曲分析的第一步最好进行特征值屈曲分析，特征值屈曲分析能够预测临界失稳力的大致所在，因此在做非线性屈曲分析时所加力的大小便有了依据。

特征值屈曲分析想必大家都熟练的不行了，所以小弟不再罗嗦。

小弟只说明一点，特征值屈曲分析所预测的结果我们只取最小的第一阶，所以你所得出的特征值临界失稳力的大小应为F＝实际施加力*第一价频率。

2.  由于非线性屈曲分析要求结构是不“完善”的，比如一个细长杆，一端固定，一端施加轴向压力。

若次细长杆在初始时没有发生轻微的侧向弯曲，或者侧向施加一微小力使其发生轻微的侧向挠动。

那么非线性屈曲分析是没有办法完成的，为了使结构变得不完善，你可以在侧向施加一微小力。

这里由于前面做了特征值屈曲分析，所以你可以取第一阶振型的变形结果，并作一下变形缩放，不使初始变形过于严重，这步可以在Main Menu> Preprocessor> Modeling> Update Geom中完成。

3.  上步完成后，加载计算所得的临界失稳力，打开大变形选项开关，采用弧长法计算，设置好子步数，计算。

4.  后处理，主要是看节点位移和节点反作用力（力矩）的变化关系，找出节点位移突变时反作用力的大小，然后进行必要的分析处理。

屈曲的特征理解：当结构轴向（梁，板，壳）承受压缩载荷作用时，若压缩载荷在临界载荷以内，给结构一个横向干扰，结构就会发生挠曲，但当这个横向载荷消除时，结构还会恢复到原有的平衡状态，此时杆的直的形式的弹性平衡是稳定的。

屈曲分析（稳定性）简介屈曲分析简介字数 635预计阅读时间 5min1、破坏形式一个结构或构件要保证能正常进行工作，必须使其满足强度、刚度和稳定性三方面的要求。

结构构件发生的破坏形式可能有多种：比如，在拉力作用下的杆件或受压短杆,当应力达到屈服点（屈服极限）时，将发生塑性变形或断裂，这种破坏是由于强度不足而引起的。

但是，实际工程中有些细长杆件承受压力，这类细长杆在压力作用下，杆件可能突然变弯而丧失承受压力，这种破坏是由于失稳而引起的，可能是灾难性的。

2、弹性弯曲屈曲过程屈曲分析包括线性屈曲和非线性屈曲分析。

线弹性失稳分析又称特征值屈曲分析，线性屈曲分析可以考虑固定的预载荷。

非线性屈曲分析包括几何非线性失稳分析，弹塑性失稳分析，非线性后屈曲分析。

下图可以看出，长细杆处于轴压的三个状态，即稳定平衡、随遇平衡和临界状态。

3、线性弹性屈曲—压杆稳定（欧拉临界应力）线弹性屈曲的必要前提：①线弹性状态②②细长杆（λ≥λp，Q235的λp≈100）4、轴心受压构件的计算长度系数5、计算例题某构件的受力可以简化成如图所示模型，细长杆件承受压力，两端铰支。

已知杆的横截面形状为矩形，截面高度h 和宽度b 均为0.03m，杆的长度l=2m，使用材料为Q235，弹性模量E=2x1011 Pa，则杆件的临界压力P cr可如下方法计算。

杆横截面的惯性矩杆横截面的面积杆横截面的最小惯性半径杆的柔度式中μ为受压杆的长度系数，本例中取μ=1。

可以利用欧拉公式计算其临界压力。

在MidasCivil、Midas Gen中如施加1N的力，则模型的屈曲临界荷载系数应为34309。

屈曲分析屈曲分析是一种在工程力学中常见的分析方法，用于研究杆件在受力作用下的屈曲性能。

屈曲指的是杆件在受到压力作用时，由于材料的强度不足或几何形状的不合理，导致杆件发生弯曲或破坏的现象。

屈曲分析的目的是确定杆件的屈曲载荷和屈曲形态，以保证结构的安全可靠性。

屈曲分析主要涉及材料力学、结构力学和数值计算等方面的知识。

首先，我们需要了解材料的力学性能，包括材料的弹性模量、屈服强度和断裂韧性等。

这些参数将决定杆件是否具备抵抗屈曲的能力。

其次，结构力学的知识是进行屈曲分析的基础。

我们需要掌握静力学的基本原理，了解杆件在受力作用下的受力分布和相应的应力状态。

最后，数值计算方法可以帮助我们通过计算机模拟杆件的受力情况，得出屈曲载荷和屈曲形态。

在进行屈曲分析时，我们可以采用不同的理论模型，例如欧拉理论、托列密理论和von Mises理论等。

欧拉理论是最常用的屈曲分析方法之一，适用于长、细杆件的屈曲分析。

托列密理论则适用于短、粗杆件的屈曲分析。

von Mises理论是一种较为通用的屈曲分析方法，考虑了材料的屈服特性，适用于多种类型的杆件。

在进行屈曲分析时，我们需要首先确定杆件的几何形状和边界条件。

然后，在已知杆件的几何参数、材料参数和加载条件的情况下，可以利用力学理论和数值计算方法求解杆件的屈曲载荷和屈曲形态。

在求解过程中，需要进行数值模型的建立、边界条件的施加和求解方法的选择。

通过合理的假设和较为准确的计算，可以得到较为可靠的屈曲分析结果。

屈曲分析在工程设计中具有重要的意义。

通过屈曲分析，我们可以评估杆件的屈曲性能，确定结构的安全使用范围。

在设计过程中，我们可以调整材料的选择、几何形状的设计和支撑结构的设置等，以提高结构的屈曲承载能力。

此外，屈曲分析还可以为结构优化设计提供参考，以实现结构的轻量化和高效化。

总之，屈曲分析是研究杆件受力情况的重要方法之一。

通过屈曲分析，我们可以了解杆件的屈曲载荷和屈曲形态，为结构的设计和使用提供参考。

Workbench的屈曲计算主要包括以下几个基本原理和方法：
1. 欧拉公式：欧拉公式是屈曲计算的基本公式，它描述了杆件或板件的临界屈曲载荷与其几何形状和边
界条件的关系。

2. 边界条件的选择：边界条件的选择对于屈曲计算结果的准确性和可靠性至关重要。

不同的边界条件会
对杆件或板件的屈曲载荷产生影响，并决定了其失稳形态。

3. 数值计算方法：数值计算方法是实际进行workbench屈曲计算的常用手段。

常见的数值计算方法包括
有限元方法、薄壁理论等。

在进行Workbench屈曲计算时，应特别注意失稳结果的分析，以及后屈曲过程的处理，例如，如果结构后屈曲过程极其不稳定，需要进行特殊的设置以控制计算的收敛。

在进行重启动计算时，尽量避免在计算发散的时间点重启动计算，例如，选择在第十个子步设置nonlinear stabilization并启动计算。

此外，在查看屈曲因子时，应了解屈曲因子是一个无量纲参数，表示物体的屈曲能力。

通常情况下，屈曲因子越小，物体的屈曲能力就越强。

在Workbench中，可以在结果文件中查看屈曲因子的值。

屈曲分析流程Bending analysis is a crucial process in the engineering and design of various structures and components. It is essential for determining the structural integrity, safety, and performance of materials under different loading conditions. 屈曲分析是工程和设计中的一个至关重要的过程，对于确定材料在不同载荷条件下的结构完整性、安全性和性能至关重要。

The process of bending analysis involves the evaluation of the stress and strain distribution in the material, as well as the determination of critical points where failure may occur. 屈曲分析的过程涉及材料中应力和应变分布的评估，以及确定可能发生失效的关键点。

By understanding the behavior of materials under bending, engineers are able to optimize the design of various structures, ensuring that they can withstand the required loads and perform effectively in their intended applications. 通过了解材料在弯曲下的行为，工程师能够优化各种结构的设计，确保它们能够承受所需的载荷并在其预期的应用中有效地发挥作用。

One of the primary aspects of bending analysis is the determination of the maximum bending moment and the corresponding stress distribution along the length of the material. 屈曲分析的一个主要方面是确定最大弯曲力矩以及材料长度沿线的相应应力分布。

Workbe nch屈曲分析1、基础概念结构在载荷作用下由于材料弹性性能发生变形，若变形后结构上的载荷保持平衡，这种状态称为弹性平衡。

如果结构在平衡状态时，受到扰动而偏离平衡位置，当扰动消除后仍能恢复原来平衡状态，这种平衡状态称为稳定平衡状态，反之，如果受到扰动而偏离平衡位置，即使扰动消除，结构仍不能恢复原来的平衡状态，而结构在新的状态下平衡，则原来的平衡状态就成为不稳定平衡状态。

当结构所受载荷达到某一值时，若增加一微小的增量，则结构平衡状态将发生很大的改变，这种现象叫做结构失稳或结构屈曲。

根据失稳的性质，结构稳定问题可分为以下三类：第一类失稳是理想化情况，即达到某个载荷时，除结构原来的平衡状态存在外，出现第二个平衡状态，故又叫做平衡分叉失稳，数学上就是求解特征值问题，又叫做特征值屈曲分析。

第二类失稳是结构失稳，变形将大大发展，而不会出现新的变形形式，即平衡状态不发生质变，也叫极顶失稳，结构失稳时，相应载荷叫做极限载荷，理想结构或完善结构不存在，总是存在这样那样的缺陷，大多数问题属于第二类失稳问题。

第三类失稳是当在和达到某值时，结构平衡状态发生一明显跳跃，突然过渡到非临近的另一具有较大位移的平衡状态，称为跳跃失稳，跳跃失稳没有平衡分叉点，也没有极值点，如坦拱、扁壳、二力杆的失稳都属于此类。

结构弹性稳定分析属于第一类失稳对应workbench的线性特征值分析(Eigenvalue Buckling)，考虑缺陷，非线性影响的第二类结构属于workbe nch的非线性特征值分析( Eige nvalue Buckling)，第三类的失稳对应workbench的Static Structural，无论前屈曲平衡状态或后屈曲平衡状态均可一次计算求出，即全过程分析。

1.1屈曲分析基础理论在平衡状态，考虑到轴向力或中面内力对弯曲变形的影响，根据势能驻值原理得到结构平衡方程为kJ K G〕U—p：式中K E 1为结构弹性刚度矩阵，K G I为结构几何刚度矩阵，也称为初应力刚度矩阵，<U '为节点位移向量；"P*为节点载荷向量，上式也为几何非线性分析平衡方程。