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.     

HSK主轴/刀柄接口扭转刚度特性

主轴/刀柄接口性能直接影响零件的加工质量,HSK主轴/刀柄接口克服了传统7/24锥度工具接口在高速切削加工中存在的弊端。HSK工具系统接口的扭转刚度高于同规格的BT工具系统,而高速刀柄和主轴接口在工作中的扭转变形直接影响工具系统的使用性能。运用有限元方法分析了锥面接触和端面接触对接口扭转刚度以及过盈量、夹紧力、转速对扭转刚度的影响。研究结果为高速加工工具系统的设计与合理使用提供了依据。     

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。     

新型大柔度锥面高速刀柄的设计

设计了一种新型结构高速刀柄,刀柄的结构特征为实心短锥双面定位,并在锥面上开环形沟槽形成分锥体。由分锥体组合而成的大柔度锥面允许刀柄与主轴锥孔以较大过盈量配合联接,同时刀柄分锥体高速旋转时能够产生较大的离心膨胀与主轴锥孔膨胀相匹配,提高了刀柄与主轴接口的极限转速和联接刚度。对刀柄结构进行了设计,利用有限元分析对刀柄的主要几何参数、过盈量以及极限转速进行了确定。研究结果证明,与常用的HSK刀柄相比,所设计的新型高速刀柄能够显著提高刀柄的极限转速。     

Big-Plus主轴/刀柄接口径向刚度分析

Big-Plus工具系统不仅与BT工具系统兼容,而且锥面和端面同时定位和夹紧,为高速数控机床重要通用部件之一。Big-Plus主轴/刀柄接口的精度、刚度、可靠性等直接影响被加工零件的质量和加工效率,主轴/刀柄在工况下的径向变形是影响整个工具系统刚度及其性能的重要指标。基于UG/Nastran软件,采用有限元分析方法分别分析了过盈量、夹紧力和转速对接口径向刚度的影响。     

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。     

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。     

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。     

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。     

采用超声方法的主轴-刀柄连接组件固有频率评估方法

精密机床主轴-刀柄组件的动力学特性对于精密加工具有重要影响,预测组件的固有频率对评估和改善加工性能具有重要意义,而其中的难点之一是准确确定主轴-刀柄界面的接触刚度.为此,本文采用超声波对7/24主轴-刀柄界面的接触刚度进行了实验测量,并建立了动力学模型确定了主轴刀柄组件的固有频率.在接触刚度的超声测量中,首先测量来自接触界面的超声反射信号,通过将其与参考界面的信号进行比较来计算反射系数,随后通过预先建立的接触压强-反射系数校正曲线得到接触界面的接触压力分布,最终使用接触压强-接触刚度经验方程式估算界面的接触刚度.将上述测得的接触刚度代入7/24主轴-刀柄组件的三维有限元动力学模型中,以实现其固有频率预测.通过将预测的固有频率与传统锤击法的测量结果进行了对比,结果表明用该方法测得的界面刚度动力学模型能够准确地预测装配体的固有频率.     

超声切削过程冲击接触特性的研究

超声切削过程中刀具与工件产生动力冲击,接触过程是非线性的.针对这种非线性冲击接触现象,分析超声振动切削动态冲击接触特征,从理论上推导出这个过程的动态接触力和位移模型.基于该模型提出动态和稳态位移、力的概念,由此分析动态位移、力和稳态位移、力对工件作用的不同效果.根据接触过程不同能量对工件作用的不同,揭示超声切削提高刚度和降低切削力的工艺实质.针对金属材料,利用标准机夹刀具在恒进给状态下,进行切削加工实验.实验结果表明理论模型与实际结果一致,证明超声切削过程存在静态和动态力两种作用.     

紧凑型高速电主轴拉刀机构静动态特性分析与优化

介绍了紧凑型高速电主轴的结构设计,建立了主轴-拉刀机构双转子系统模型,研究了电主轴拉刀机构的静动态特性,得到了工作状态下电主轴的静态位移、振型、固有频率以及关键点的响应位移。对主轴-拉刀材料、轴承预紧力、轴承组跨距、主轴-拉刀接触刚度以及主轴-刀柄接触刚度等参数进行优化设计。结果表明优化后电主轴的静动刚度均满足要求、固有频率提高、电主轴安全工作频率区间增大。电主轴模态测试结果证明了以上结果的可靠性。该研究为紧凑型高速电主轴的设计提供了理论基础。     

接触刚度对高速列车轮轨接触动力学时变特性的影响及其机制

以CRH3型高速列车头车与标准CHN60型轨道为研究对象,利用动力学软件RecurDyn建立车辆-轨道耦合动力学模型;采用弹簧阻尼模型定义轮轨接触关系,跟踪检测服役列车不同运行里程下的车轮粗糙度,根据相关文献的轮轨接触刚度计算结果,对高速轮轨滚动接触动力学性能进行研究,并取该头车的后转向架二位轮对处结果进行数据分析。计算结果表明:随着高速列车运行里程的增加,车轮表面粗糙度减小,使得轮轨接触刚度增大;轮轨横向力随着运行里程的增加先减小后增大,其频率主要分布在10 Hz以下的低频段;轮轨垂向力随着运行里程的增加而增加,并在5、10、28 Hz附近有比较明显的主频率段;轮轨纵向力主要由切向蠕滑力的纵向分量构成,与轮轨垂向力在时域分布和频域分布上均非常相似。     

轮轴弯曲刚度对轮轨垂向动态载荷影响分析

以国内某型地铁车辆为例,研究轮轴弯曲刚度对轮轨垂向动态载荷和轮对垂向振动的影响。在常规多刚体动力学模型的基础上,结合BM3000轮对和北京地铁轮对两种不同的弹性轮对模型,对比分别采用刚性轮对模型和弹性轮对模型时的轮对垂向振动加速度和轮轨垂向力。结果表明,对BM3000弹性轮对模型来说,由于其弯曲刚度相对较小,随着运行速度的增大,轮对垂向振动加速度和轮轨力与刚性轮对的差距不断加大,而对于轮轴弯曲刚度较大的北京地铁轮对来说,其弹性轮对模型和刚性轮对模型的结果比较接近,在计算的速度下轮对的振动峰值及频率均有明显的降低。因而,通过加大轮轴弯曲刚度可明显改善轮对的垂向振动和轮轨垂向力,实现改善轮轨动态接触状态的目的。     

轴承非线性特性对摆线针轮减速器传动效率的影响分析与参数确定

为构建考虑轴承接触弹性的摆线针轮传动效率理论计算方法，并揭示轴承非线性刚度的影响机制，提出一种耦合摆线轮设计参数、接触载荷及轴承参数的传动效率理论模型。该模型考虑了输入轴与摆线轮的轴承弹性，并引入非线性的轴承刚度。采用牛顿法建立摆线轮受轴承弹性力、惯性力及接触载荷时的动力学微分方程，求解该方程得到轴承弹性位移，并将其与轴承刚度参数纳入传动效率计算模型。通过对比分析不同轴承刚度参数和运行工况下的理论传动效率，并利用理论计算效率与实验测定值的差异，对理论模型加以修正并迭代计算，从而拟定轴承参数。分析表明：轴承刚度指数较小时传动效率受运行速度和负载影响很小，轴承刚度指数较大时传动效率随着负载增大而提高；拟定刚度模型具有合成效应且给定合理参数下所得传动效率与测试值大致相符，可为摆线针轮传动效率评估提供高效且准确的理论方法。     

考虑基体变形的混合润滑结合面接触特性

为研究混合润滑状态下粗糙表面基体变形对结合面接触特性的影响,建立了考虑基体变形的结合面接触刚度模型。首先,通过单微凸体-基体系统模型分别求解微凸体和基体的接触刚度,利用不动点迭代法获得微凸体真实变形量;其次,基于分形理论建立结合面固体接触刚度模型,通过固体接触刚度获得液体介质的接触刚度。根据仿真结果分析了基体变形、粗糙表面形貌以及润滑介质对结合面接触特性的影响规律。结果表明:当真实接触面积一定时,通过新模型计算的法向载荷小于忽略基体变形的模型;在接触前期,结合面的接触刚度主要由液体介质接触刚度主导,随着真实接触面积的增加,液体接触刚度占总刚度的比率越来越小,最后转变为固体的接触刚度主导结合面的接触刚度。该模型为研究混合润滑状态下结合面的接触特性提供了理论基础。     

基于绝对节点坐标法的钢索-滑轮系统动力学模型与响应迟滞特性

钢索-滑轮系统间的非线性接触特性严重影响了长距离软式传动系统变形及动态响应迟滞效应的准确计算。基于绝对节点坐标法建立了三维高阶钢索单元模型。在此基础上,建立了钢索-滑轮系统的动态接触模型,应用Hunt-Crossley接触模型计算法向接触力,采用LuGre微变模型计算较低相对运动速度下的切向接触力,准确描述了钢索与滑轮接触由动摩擦向静摩擦的转变过程。仿真结果与准静态实验结果的对比验证了模型的准确性,分析了钢索材料参数和末端载荷对钢索-滑轮系统动态响应以及钢索末端位移的影响。结果表明,钢索-滑轮系统的动态响应延迟时间由钢索材料特性及末端载荷决定;钢索末端位移主要受钢索刚度及末端载荷影响。相同条件下采用小比重钢索材料,适当增加末端载荷以增大钢索结构刚度,可减小系统传动中钢索的末端位移,有效提高钢索-滑轮传动系统的传动性能。     

Centrifugal force induced dynamics of a motorized high-speed spindle

Trend of the high-speed and high efficiency machining has pushed the continuous demand of higher spindle speed and power for the machining center application. Because the extremely high speed produces significant centrifugal force, it creates a need to predict the spindle dynamical characteristics at dynamic states. This work presents analysis results of the spindle dynamic of a motorized high speed spindle with angular ball contact bearings. For a machining center, two major subsystems determining the overall spindle stiffness are the shaft/bearing subsystem and the draw bar mechanism subsystem. Shaft/bearing stiffness as well as the natural frequency decreased at high speeds due to the bearing softening and gyroscopic effect. The bearing softening is the major reason of the reduced spindle stiffness, while the gyroscopic effect plays the secondary effect. Angular contact ball bearing softening at high speed is due to the reduced contact load and increased contact angle at the ball/inner-raceway contact interface caused by the centrifugal force. For the draw bar mechanism, analysis results show that the dynamic draw force at high speeds is significantly increased from that designed at the static state. Because the toolholder/spindle interface stiffness is proportional to the draw force, centrifugal force theoretically contributes a plus to the spindle stiffness at dynamic state. The dynamic draw force, however, is dependent on the friction loss inside the draw bar mechanism. Because of the low friction coefficient, the ball-type mechanism is superior to the wedge type mechanism.     

Characteristics analysis of aero-engine whole vibration response with rolling bearing radial clearance

For the influence of rolling bearing radial clearance on the whole vibration in the aero-engine whole system, a real engine rotorbearing- casing whole model is established. The rotor and casing systems are modeled by means of FEM; the support systems are modeled by lumped-mass model; rolling bearing radial clearance and strong-nonlinearity of Hertz contact force at four different supports are considered. The coupled system response is obtained by the numerical integral method. The characteristics of the whole vibration response are analyzed. For rolling bearing at a typical support, the rotor, outer ring of rolling bearing and casing response characteristics at different rotating speeds are analyzed. The changing law of contact forces for each ball and the global contact forces at different speeds are analyzed. The influence of the radical clearance on the contact forces on the whole vibration is analyzed. The results show that the contact forces will be larger and the acceleration amplitude jumps obviously when the radial clearance is increased, and due to the variable stiffness of the rolling bearing, the natural frequency will appear when the stiffness changes fiercely, that is frequency-locked phenomenon. When the radical clearance is larger and the rotating speed is between two critical speeds, the rotor squeezes the outer ring now and then. Reducing the radical clearance can reduce the whole vibration and increase the rotor’s stability.