高弹性锥体高速刀柄的性能研究

设计一种具有高弹性锥体的双面定位新型高速刀柄,在实心刀柄锥体上开有直、环交错槽,形成多个独立小锥面,增加刀柄锥体的弹性.高弹性锥体能够增大刀柄与主轴的配合过盈量,补偿主轴的高速离心膨胀,提高刀柄的极限转速.借助ANSYS Workbench有限元软件对该高速刀柄的静态和高速性能进行分析,具体研究刀柄锥面与端面的压力分布特点、主轴的膨胀变形规律以及刀柄-主轴联接的径向刚度.结果表明,新型高速刀柄具有较高的极限转速,在高转速下具有可靠的定位精度和联接刚度,特别适合于高速加工.     

高弹性锥体高速刀柄的设计

设计一种具有高弹性锥体的新型高速刀柄,即在双面定位实心短锥高速刀柄的锥体上开有直、环交错槽,形成多个独立小锥面,增加了刀柄锥体的弹性。刀柄锥体的高弹性使得刀柄与主轴能够采用更大的配合过盈量,补偿主轴的高速离心膨胀,提高刀柄的极限转速。借助ANSYS Workbench有限元软件对刀柄与主轴的配合压力与变形进行模拟分析,并参照HSK刀柄的性能参数,确定所设计刀柄的结构尺寸、配合过盈量和极限转速。结果表明,与HSK刀柄相比,在相同连接刚度条件下所设计刀柄具有更高的极限转速,适合高速加工。     

离心力驱动液压膨胀式高速刀柄设计

针对高速刀柄与主轴锥孔离心膨胀不匹配的问题,设计了一种新型高速刀柄。刀柄采用实心短锥、双面定位结构。刀柄上安装有离心力驱动液压弹性膨胀系统,用以补偿刀柄与主轴锥孔的离心膨胀差。阐述了新型高速刀柄的结构原理,对刀柄几何参数和配合过盈量进行了设计;利用ANSYS有限元软件分析了刀柄的极限转速及与主轴的径向连接刚度。研究结果表明,新型刀柄与同规格的HSK高速刀柄相比,极限转速提高了约38%,且径向连接刚度也有所提高,适合用于高速加工。     

新型大柔度锥面高速刀柄的性能研究

设计了具有分锥体结构的新型大柔度锥面高速刀柄.利用有限元软件对该高速刀柄的静态和高速性能进行了分析,具体研究了刀柄锥面与端面的压力分布特点以及主轴的膨胀变形规律.研究结果表明,大柔度锥面高速刀柄比常用的HSK刀柄具有更高的极限转速,在高转速下能够保证良好的定位精度和连接刚度,特别适合于高速加工.     

锥面分段开孔高速刀柄的设计方法

根据高速刀柄在不同过盈量下的联接性能分析结果与不同转速下的锥面接触应力分布规律,提出了一种锥面分段开孔高速刀柄的设计方法,即对刀柄定位锥面按照锥体素线长度均等分成前、中、后三段,并在各段的中等分处周向均布一组盲孔,通过调控盲孔的数量与尺寸使刀柄锥面达到一定的柔度。文章阐述了盲孔开设参数对锥面接触应力、柔度的影响规律和参数确定原则,给出了以HSK-E50为原型的锥面分段开孔设计案例,采用有限元分析其极限转速和锥面接触应力分布情况。结果表明,锥面分段开孔刀柄与原型刀柄相比,极限转速提高了约10.79%,锥面接触应力分布显著均匀。     

高速主轴-刀柄接口离心膨胀动态补偿系统的研究

为解决高速主轴-刀柄接口因离心膨胀导致极限转速偏低及定位精度下降的问题,设计了一种新型离心膨胀动态补偿系统,并对其性能进行了分析。利用ANSYS有限元软件分析了主轴-刀柄接口的锥面接触应力,确定了主轴-刀柄接口的极限转速,计算了主轴-刀柄接口的径向刚度。通过与常规主轴-刀柄接口进行对比,验证了补偿系统的补偿效果。带补偿系统的主轴-刀柄接口锥面接触应力满足径向定位要求,接口极限转速提高43.8%,接口径向刚度随转速与载荷的变化关系更符合高速加工实际要求。     

新型离心膨胀动态补偿高速刀柄的静态性能分析

设计了一种新型离心膨胀动态补偿高速刀柄,该刀柄以离心力作为驱动力、液压油作为力传递介质,使膨胀套产生弹性变形对刀柄/主轴接口锥面的离心膨胀进行动态补偿。利用Ansys Workbench分析得到刀柄/主轴接口的接触压力分布规律,确定了刀柄的极限转速;计算了刀柄/主轴接口的径向刚度,确定了接口的名义径向刚度和许用弯矩。结果表明:与HSK-A63高速刀柄相比,新型高速刀柄的极限转速提高了40%、接口名义径向刚度相当、许用弯矩提高约33%。新型高速刀柄适于更高速加工。     

HSK-A63刀柄与主轴锥孔过盈量的研究

基于对HSK-A63刀柄与主轴锥孔接触状态的理论分析,利用CATIA软件的有限元模块,对HSK-A63刀柄与机床主轴联接系统在不同转速下的膨胀变形进行了仿真分析。结果表明,随着机床主轴转速的提高,主轴/刀柄联接系统的膨胀间隙将增大。通过适当提高轴向预紧力和联接面间的过盈量,可有效改善联接性能和提高加工精度。为增加联接可靠性,HSK-A63刀具系统的过盈量应为20-25μm。     

高速加工HSK工具系统动态特性的研究

在对HSK刀柄与机床主轴接触状况进行深入分析的基础上，利用有限元法建立了高速加工HSK工具系统动刚度模型，并对其刚度特性和抗弯曲能力等进行了系统的研究和数值解析。结果表明：随着机床转速提高，HSK工具系统刚度基本不变，但其对弯矩的承载能力呈指数级数增大；刀柄锥面过盈量对HSK工具系统有重要影响，可以用锥面丧失定位作用时的转速作为HSK刀柄的许用极限转速。研究结果为改进和设计高速加工机床提供了理论依据。     

7:24主轴/刀柄联接非均匀应力场的有限元分析

针对 7:2 4主轴 /刀柄联接设计中常用的拉美公式计算误差大的问题 ,采用有限元法分析了 7:2 4主轴 /刀柄联接的非均匀应力场 ,研究了联接过盈量对主轴 /刀柄接触压力、刀柄在主轴锥孔内轴向位置的影响 ,为主轴 /刀柄联接的设计和结构优化提供了理论依据     

HSK刀柄和主轴在高速旋转下连接性能可靠性分析

空心短锥刀柄在数控机床上起到连接主轴与切削刀具并传递力矩的作用。刀柄与主轴连接性能的可靠性对机床的加工精度及工作安全性有重要影响。由于加工和装配等误差、实际过盈量和实际夹紧力等结构和性能参数具有不确定性,考虑到HSK工具系统中这些参数的不确定性,利用区间模型描述这种不确定性,建立了HSK刀柄与主轴连接接触面区间接触应力模型,提出了HSK刀柄与主轴连接性能的非概率可靠性模型,给出了可靠临界转速的概念。通过对HSK-A63刀柄性能的分析与计算,说明了该方法的合理性与可行性,为防止HSK刀柄与主轴的连接失效,保证数控机床的加工精度和使用的可靠性提供了理论基础。     

HSK主轴/刀具的联结性能分析

利用SolidWorks建模软件建立HSK刀柄模型,再使用有限元方法,对HSK-100A型主轴/刀柄联结特性进行分析和模拟,研究了在夹紧力、过盈量、刀柄几何尺寸等条件下对联结锥面上间隙的影响,分析得出各参数的变化对锥面间隙的区域分布和大小有一定的影响。这可以对刀柄的几何参数优化提供理论依据。     

并联机床电主轴干涉校验

具有空间复杂曲面加工能力的六轴联动的并联机床 ,动平台倾斜角一般应在左右 ,甚至更大。在动平台中心安装上电主轴后 ,由于动平台倾斜角的原因 ,在并联机床理论工作空间内 ,电主轴与 6根变长驱动杆之间可能会发生干涉 ,而且电主轴尺寸的不同 ,干涉发生范围也不同。本文讨论了电主轴与 6根驱动杆之间干涉计算问题 ,给出了干涉校验计算方法和公式 ,并用MATL AB5 .2软件设计了运行程序 ,这对已制造的并联机床 ,可作干涉校验 ,确定工作空间内电主轴的结构尺寸 ,或根据新的电主轴尺寸重新确定机床工作空间 ;对新的设计 ,先选定电主轴后 ,其尺寸参数 ,可作为干涉约束条件 ,可计算得到无电主轴干涉的并联机床设计参数     

一种新型实用的牵引驱动增速刀柄

研制了一种由特制的牵引剂进行驱动、用于回转机床的增速刀柄，该刀柄能使刀具增速8倍而不改变原机床的任何结构和主轴转速。刀具增速后达到磨削速度，可实现模具型腔的复杂空间曲面的精加工。使普通NC铣床代替磨床，并解决了工件在一次装夹中实现从粗加工到精加工的全过程。该刀柄体积小、结构紧凑、传动平稳、无噪声。     

高速主轴过盈联结特性研究

高速主轴是高速切削技术的核心部件，其与电动机转子间的过盈量的大小是影响主轴的几何精度、运动精度、加工精度的关键因素。高速主轴与转子间的联结特性不仅受到初始装配公差的影响．还受到离心力的影响，且随着转速的提高。离心力的影响也越来越大。因此．设计过盈联结时．必须综合考虑接触应力、扭矩和转速对联结特性的影响。文章研究了高速主轴过盈联结的特性，分别推导出了高速主轴在静态和动态条件下过盈量和接触应力的理论公式。上述公式的推导有助于高速主轴过盈联结的设计。提高主轴的运动特性和加工特性。     

高速主轴系统切削稳定性预测及影响因素分析

高速主轴系统切削稳定性直接影响产品的表面加工精度和切削系统的使用寿命,是评价高速主轴系统性能优劣的重要因素,而研究影响切削稳定性的因素并制定提高稳定性的合理途径同样也受到关注。提出从稳定性评价准则及系统频响函数的不同求解方法入手,分析无条件稳定区和有条件稳定区的影响因素,总结出系统所受激励、主轴转速及系统结构是影响切削稳定性的重要因素。以德国GMN高速主轴系统为例,在采用5自由度轴承受力与变形关系模型模拟角接触球轴承和分布式弹簧模型模拟主轴-刀柄-刀具结合部的基础上,建立完整高速主轴系统通用有限元模型;利用三维稳定性叶瓣图、极限切削深度和叶瓣交点随参数的变化曲线表征切削力幅值、转速及阻尼比等参数对切削稳定性的影响规律,为优化加工工艺、提高系统切削稳定性提供理论依据。     

Experimental investigation of tool vibration and surface roughness in the precision end-milling process using the singular spectrum analysis

The vibrations on the cutting tool have a momentous influence for the surface quality of workpiece with respect to surface profile and roughness during the precision end-milling process. Singular spectrum analysis (SSA) is a new non-parametric technique of time series analysis and forecasting. The significant features of the cutting tool vibration signals from the sensors are extracted and transformed from the SSA-processed vibration signals. In the present study, SSA is applied to extract and transform the raw signals of the vibrations on the cutting tool for investigating the relationship between tool vibration and surface roughness in the precision end-milling process of hardened steel SCM440. In this experimental investigation, the spindle speed, feed rate, and cutting depth were chosen as the numerical factor; the cutting feed direction and holder type were regarded as the categorical factor. An experimental plan consisting of five-factor (three numerical plus two categorical) d-optimal design based on the response surface methodology was employed to carry out the experimental study. A micro-cutting test was conducted to visualize the effect of vibration of tooltip on the performance of surface roughness. With the experimental values up to 95% confidence interval, it is fairly well for the experimental results to present the mathematical models of the tool vibration and surface roughness. Results show that the effects of feed rate and cutting depth provide the reinforcement on the overall vibration to cause the unstable cutting process and exhibit the result of the worst machined surface. The amplitude of vibration signals along the cutting feed direction is generally larger than that along other direction. The spindle speed and tool holder type affect the stability of cutting tooltip during the cutting process.     

高速加工热缩加长刀杆与刀具配合径向夹持刚度分析

建立热缩加长刀杆与刀具配合的有限元模型,给出一种合理确定模型中接触刚度系数的有效方法.随后对不同过盈量、夹持长度及主轴转速对热缩加长刀杆与刀具配合的径向夹持刚度的影响进行分析.最后在建立径向夹持刚度测量方法的基础上,对有限元分析结果进行验证.结果表明,合理的接触刚度系数是正确建立热缩加长刀杆与刀具配合有限元模型的关键;热缩加长刀杆与刀具配合间存在有合理的配合过盈量与夹持长度,以保证配合间夹持均衡而具有很好的夹持刚度,又不至使刀杆强度超过其屈服条件而降低刀杆的使用寿命和精度;当转速超过一定范围时,应考虑离心力对热缩加长刀杆与刀具配合径向夹持刚度的削弱作用.     

Dynamic modeling and parameters identification of a spindle–holder taper joint

Dynamic behavior of spindle–holder taper joint is critical in the spindle system of machine tool, related to the machining process. The parameters of the holder joint are significant for the spindle–holder system. This paper developed a new approach to investigate the dynamic behavior of the taper joint in modeling and parameters identification. Firstly, dynamic model is illustrated in both radial and axial directions based on the pairs of spring and damping. And frequency response function is used to identify the unknown modal parameters of frequencies and damping ratios. Secondly, a platform is designed and manufactured to establish the testing system in order to investigate the taper joint. Furthermore, taper joint of a BT50 holder is investigated, and the pre-force at the end of holder is the main consideration during the testing. The results show that the dynamic stiffness increases with the increasing of pre-force at the end of the holder. In addition, the paper discusses the phenomenon in microstructure based on peak-hollows model and the joint parameters are proved to be workable through simulation. The joint parameters are instructive to the design and manufacturing of the spindle.