HSK热装工具系统的动力学模型及动态特性研究

HSK热装工具系统包括轴承、HSK主轴、热装刀柄和刀具等部件,并通过轴承—主轴结合部、主轴—刀柄结合部和刀柄—刀具结合部弹性连接而成。根据HSK热装工具系统的工作原理,将各部件简化为多段Timoshenko梁,结合部简化为弹簧—阻尼模型,以此建立HSK热装工具系统的动力学模型;使用耦合响应法,考虑结合部的动态参数,分析HSK热装工具系统的动态特性;进行HSK热装工具系统动态特性的实验研究,比较理论与实验模态,验证HSK热装工具系统动力学模型的准确性。     

高速HSK热装工具系统结合部的参数辨识

HSK工具系统的动态特性直接影响机床的加工效率与质量,获得准确的工具系统结合部参数又是精确预测HSK工具系统动态特性的基础。将热装刀柄-刀具结合部简化为弹簧-阻尼模型,基于Timoshenko梁理论建立了HSK热装刀柄-刀具结合部的有限元模型,采用弹塑性理论辨识结合部的刚度和阻尼,获得了HSK热装刀柄-刀具结合部内沿轴向不同位置的刚度和阻尼。进而建立了HSK热装工具系统的有限元动力学模型,分析工具系统刀尖点的频响函数。最后进行了HSK热装工具系统频响函数的实验测量,与理论频响函数相比较,验证了将结合部等效为弹簧-阻尼的辨识方法的合理性和有效性。     

基于结合部的HSK主轴-刀柄系统动态特性分析

建立了HSK主轴-刀柄结合部的有限元模型(FEM),利用弹性理论和黏性阻尼理论辨识结合部内各位置的刚度和阻尼参数。提出将HSK主轴-刀柄系统分为HSK主轴、主轴-刀柄结合部和刀柄三部分:HSK主轴与刀柄简化为多段Timoshenko梁,并使用响应耦合法来计算其频响函数;主轴-刀柄结合部简化为多点弹簧-阻尼模型,采用多点响应耦合法来计算其频响函数;将各个部件的频响函数进行刚性耦合,进而获得基于结合部的HSK主轴-刀柄系统频响函数。分别假定HSK主轴-刀柄结合部为刚性连接、5点弹性连接和7点弹性连接,计算其频响函数,并与实验结果相比较得到相应的结论。     

HSK主轴—刀柄结合部参数辨识及影响因素分析

HSK主轴—刀柄结合部简化为并联均布的弹簧—阻尼模型,根据HSK主轴—刀柄系统的结构,在ANSYS软件中构建HSK主轴—刀柄结合部的有限元模型。基于有限元分析结果,使用弹性理论辨识HSK主轴—刀柄结合部内各位置的刚度参数;采用粘性阻尼理论辨识HSK主轴—刀柄结合部内各位置的阻尼参数。确定影响HSK主轴—刀柄结合部参数的主要因素为过盈量和拉紧力,分别探究过盈量和拉紧力对HSK主轴—刀柄结合部参数的影响规律。     

HSK薄盘类工具系统的试验模态分析

基于模态分析理论,用振动测试的方法对HSK刀柄联结薄盘类刀具的工具系统进行了自由模态和工况模态试验,得到了HSK薄盘类工具系统的模态参数(固有频率、阻尼和模态振型),并与有限元数值计算得出的模态参数进行比较,验证了有限元模型构建的合理性,为进一步探究HSK工具系统的动态特性和进行结构优化、充分发挥高速加工中HSK刀柄的应用潜能提供技术依据。     

主轴转子系统动力学解析建模方法

传统上主轴转子系统动力学模型中的结合部接触刚度和阻尼系数常通过试验识别的方法来获取,针时该方法通用性差的特点,提出一种可以考虑刀具-夹套、夹套-刀柄以及刀柄-主轴结合部接触特性的主轴转子系统动力学解析建模方法。通过对各联接部件的受力分析,建立结合面接触刚度与各结合部夹紧力和几何参数间的影响关系;考虑到转子系统的轴向、径向和弯曲变形,采用均布2节点6自由度的弹簧-阻尼单元来建立结合部动力学模型;通过综合系统各部件和结合部的动力学方程参数,建立起主轴转子系统的动力学模型。以刀具-BT40刀柄-主轴为对象,进行模态测试。试验结果表明,结合部刚性处理时,系统的前三阶固有频率与试验值最大误差为21.7%;而结合部柔性处理时,系统前三阶固有频率与试验值最大误差降为4.8%,并且根据模型计算得出的刀尖点频响函数与试验测试能更好地吻合,验证了该建模方法的准确性。     

考虑主轴—刀柄—刀具结合面的高速主轴系统动力学特性有限元建模

高速主轴系统主轴—刀柄—刀具结合面动力学性能是影响主轴切削效率、加工质量以及加工性能的重要因素之一,而结合面的建模又是研究主轴系统动力学特性的基础。将主轴—刀柄—刀具结合面简化为分布弹簧,并基于并联转子的建模思想,采用有限元法完成了主轴系统的有限元建模。在明确分布弹簧的布置方式以及弹簧刚度的确定方法的基础上,提出考虑主轴—刀柄—刀具结合面的高速主轴系统动力学特性有限元建模流程。以安装BT系列刀柄的某立式加工中心主轴系统为例,利用所提出的方法进行有限元建模并求解刀尖点的频响函数,与实际测试的对比说明,该建模方法能够更好地模拟该主轴系统的动力学特性。     

HSK刀柄／主轴联接性能分析

利用弹性力学和有限元方法,对HSK63-A型刀柄主轴联接性能动态特性进行研究和数值模拟.分析了在过盈量、夹紧力、转速改变下对刀柄主轴配合面的接触应力影响.研究为合理使用高速加工刀具提供了理论依据.     

于频响函数分析的主轴-刀柄-刀具结合面轴向分布参数辨识

针对主轴-刀柄-刀具结合面轴向分布参数的精确辨识问题,提出了一种基于频响函数分析的主轴-刀柄、刀柄-刀具结合面建模及参数辨识的方法。该方法根据主轴系统中各零部件之间的连接关系,将轴承-主轴结合面简化为集中的弹性支撑,建立主轴-刀柄、刀柄-刀具结合面参数沿主轴轴向呈离散分布的结合面模型,并通过Cuckoo search算法辨识结合面参数,确定其在轴向上的分布情况。以4刃铣刀为例,基于所辨识的结合面参数,在ANSYS中建立主轴系统的动力学模型,计算刀尖点频响函数,并与实测值进行比较。结果表明：主轴-刀柄、刀柄-刀具结合面参数在轴向上呈现非线性分布,由其确定的刀尖点频响函数计算值和实测值之间的相对误差在4%以内,达到了较高的建模精度。     

主轴-切削交互过程建模与高速铣削参数优化

高速切削参数的合理选择是困扰企业的一个难题,过于保守的切削用量限制了高速机床性能的发挥和生产效率的提高.以高速铣削加工为对象,考虑高速旋转主轴的离心力和陀螺力矩效应,基于Timoshenko梁单元和Jones轴承模型建立高速主轴-刀具系统动力学模型.将主轴-刀具动态特性与高速铣削过程耦合,研究高速主轴-刀具系统动力学特性与切削过程之间交互机理,推导闭环动态铣削系统的特征方程.基于上述理论分析,提出基于主轴-切削交互过程模型的高速铣削切削参数优化方法,并应用于某型直升机的铝合金变速箱端盖加工中,通过选用最佳切削深度和主轴转速,使变速箱盖前端面内侧壁的加工效率提高了275％.     

多约束状态下重载机械式主轴有限元建模及模态分析

重载机械式主轴是重型数控(Computer numerical control,CNC)机床摆角铣头的关键功能部件,具有大功率、大扭矩特点,用于加工大型复杂曲面零件。其有限元建模及模态分析的准确性是主轴进一步动力学分析的基础。基于Timoshenko梁理论建立重载机械式主轴的运动方程,采用有限元法得到主轴的矩阵形式的动力学方程;在有限元软件中分别以实体单元和梁单元对主轴进行有限元建模,对轴承以Combin14弹簧单元建模,并以自由模态和实际工况约束条件下进行重载机械式主轴的模态分析;根据轴承型号计算轴承的径向刚度,作为重载主轴模态分析中弹簧单元的刚度参数;进行主轴锤击模态试验,验证重载机械式主轴多约束状态下模态分析建模及仿真结果的正确性。研究表明,把主轴考虑为Timoshenko梁单元和Beam188梁单元进行主轴有限元建模和模态分析时,结果更为准确,弹簧约束梁方式更符合实际情况。研究结果为重载机械主轴系统的进一步优化设计和精度控制提供依据。     

HSK刀柄与主轴联结性能的有限元分析

利用有限元方法,以HSK-63A型刀柄为研究对象,通过改变过盈量、预紧力、旋转速度、刀柄几何尺寸,研究了不同参数对主轴/刀柄联结性能的影响。为HSK刀柄的实际应用及几何参数优化提供一定的依据及指导。     

A comparative study on the dynamics of high speed spindles with respect to different preload mechanisms

This paper presents the effects of bearing preload mechanisms on the dynamic performance of high speed spindles. The comparisons of two main types of bearing preload????constant?? and ??rigid????mechanisms are provided using a mathematical model as well as experiments. Based on the Timoshenko beam element theory coupled with a nonlinear model of angular contact ball bearings, the dynamics of the spindle shaft, housing, and bearings system is modeled as a nonlinear function of preload mechanism and amplitude, spindle speed, and external cutting loads. The mathematical model of the spindle is experimentally validated by comparing the predicted and measured static displacements, mode shapes, frequency response functions, and natural frequencies under different conditions. The performance of spindles under rigid and constant force preload is investigated systematically using a mathematical model under various conditions. It is shown, among other things, that at high speeds and under cutting loads the rigid preload mechanism is more efficient in maintaining the dynamic stiffness of spindles than constant preload.     

基于能量分布的机床整机动态特性优化方法

基于机床结构中的能量分布,在准确建立立式加工中心整机有限元模型的基础上提出一种整机动态性能优化方法。采用弹簧阻尼系统等效结合部的接触特性,基于辨识的结合部等效刚度和阻尼值在Ansys中建立了立式加工中心整机有限元模型,对整机进行模态分析和谐响应分析。通过整机模态试验验证了该有限元模型的准确性,并根据有限元分析与试验结果确定整机的薄弱模态。计算薄弱模态下整机、结合部的弹性能以及结合部在整机中的弹性能分布率,以分布率较高的结合部作为薄弱结合部。基于薄弱结合部的等效接触刚度提出优化方案,优化后薄弱结合部的弹性能分布率明显降低,主轴轴端的动态响应幅值降低,从而使整机动态性能得到改善,验证了该优化方法的可行性。     

HSK刀柄-主轴结合面接触特性及其影响分析

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。分析结果表明：高转速条件下,转速对接触面积影响较大,接触面积随转速增大而减小。夹紧力对接触应力影响较大,在转速和过盈量一定时,接触应力随夹紧力增大而增大,且接触应力的分布情况会发生变化。刀柄-主轴结合面对主轴系统固有频率、振动幅值影响显著,考虑结合面影响后,主轴系统的固有频率降低,振动幅值增大。     

RESEARCH ON MODELING AND CHARACTERISTICS OF THE SPINDLE DYNAMIC COUPLING ABSORBERING SYSTEM OF A SUPER－PRECISION SURFACE GRINDING MACHINE

The bearing is described by constrain matrix, and the spindle system of a NC surface grinding machine is simplified as elastic-coupling beam, then modal synthesis method is used to establish the dynamic model of beam. Moreover, the response of the end of rotor is analyzed, and the natural frequency, principle mode and other dynamic characteristics of the coupling system are studied, the law of bearing stiffness to coupling frequency and amplitude of rotor is also found. Finally, according to the actual condition, a dynamic absorber is designed. The simulation and experimental results show that the amplitude of spindle can be declined effectively when the dynamic absorber is attached.     

数控铣床主轴结合部参数识别及动态特性分析

在阻尼模态分析理论的基础上,采用了有限元分析软件ANSYS 8.0参数化建模和优化设计模块进行计算,与实验相结合对主轴结合部参数进行识别,达到了满意的效果.并利用了其识别的结果,进行主轴的动态特性分析,利用动态分析结果来指导以后主轴部件的主轴设计.