基于等效结合部的立铣刀具模态分析

模态分析对于刀具、机床的整体分析非常重要,而结合部又在其中扮演关键角色。就结合部的处理采用等效材料模型的方法来分析整个立铣刀具的模态,创新应用ANSYS的优化模块反求等效材料特性参数。通过对含单层结合部的参数识别进而分析整体含多层结合部的模态,并利用各阶固有频率来验证方法的有效性。     

基于等效横观各向同性虚拟材料的固定结合部建模方法

为提高固定结合部的建模精度以及通用性,考虑固定结合部在法向和切向的不同特性,提出利用横观各向同性虚拟材料等效的固定结合部动力学参数化建模方法,将固定结合部两接触面的微观接触部分等效为一种等截面的横观各向同性虚拟材料,等效虚拟材料与两侧零件均为固定连接。基于接触分形理论和固定结合部接触刚度分形模型,根据横观各向同性材料弹性常数的定义,理论推导了等效虚拟材料弹性常数以及密度的理论计算模型。在此基础上,对具有固定结合部的试验模型进行了有限元建模与模态分析,进而将理论分析模态与试验模态进行比较,结果表明:试验模型的理论模态与实验模态的前6阶振型完全一致,相应固有频率的相对误差的绝对值在10%以内,说明了建模方法的正确有效性,为数控机床固定结合部动力学建模提供了一种新的方法,实现了固定结合部动力学建模与有限元分析软件的无缝衔接集成。     

全钢载重子午线轮胎等效模型研究

以11.00R20 18RP全钢载重子午线轮胎为研究对象,基于线性材料提出了单一实体单元结构和实体单元+梁单元混合结构的两种轮胎等效模型。借助Ansys软件,研究了各层材料不同弹性模量对两种等效模型静态刚度的影响,并在此基础上进行了材料弹性模量参数最优匹配分析。基于匹配结果,分别研究了两种等效模型的模态性能,并与试验结果对比,分析了等效模型的有效范围。研究结果表明:基于线性材料的实体单元+梁单元混合结构的轮胎等效模型能较好的模拟轮胎的静态刚度、切向模态和轴向模态,但是径向模态频率整体偏低;在进行车-路耦合仿真等只需要关注径向性能的研究中,可以通过减小带束层材料密度的方式来提高其径向模态频率,使等效模型更加有效。     

基于虚拟材料层的滑动结合部动态特性建模方法

由于弹簧阻尼单元模拟结合部动态特性的方法存在的缺陷,提出采用虚拟材料层和多点约束技术对滑动导轨系统建立有限元模型,并在ANSYS中完成模态分析。通过分析虚拟材料层的材料属性参数(弹性模量、泊松比、密度)和结构参数(虚拟材料层厚度)对滑动结合部动态特性的影响,得到可供工程应用的3个优化设计变量,并将优化结果与试验模态分析结果进行了比较。研究表明,有限元模态计算的固有频率与试验结果误差低于8%,为实际工程应用提供了一种可靠的建模方法。     

不同预紧力下栓接结合部切向等效特性

由于栓接结合部对整体结构的动态特性影响很大,因此如何建立准确的等效动力学模型是必须解决的首要问题。根据整体结构的边界条件和连接条件,利用结构的对称性,将设计的模型等效为栓接结合部和一端带集中质量的匀质Timoshenko梁,考虑端部转动惯量效应和第2阶模态振型的特征,建立整体结构的栓接结合部切向等效动力学力学模型。根据Timoshenko梁的振型特征,利用不同预紧力下的模态实验获得整体结构的第2阶固有频率和阻尼比,辨识出栓接结合部切向刚度与阻尼参数随预紧力的变化规律。将辨识结果耦合到整体结构中,用获得整体结构的第2阶固有频率与实验进行比较,最大误差仅为1.05%,这说明辨识出的栓接结合部切向等效动力学参数是正确的。     

基于汽车座椅导轨试验模态的结合部刚度优化

汽车座椅导轨结合部的刚度决定着导轨的主要动态特性。以某型号汽车座椅导轨为研究对象,运用有限元分析和模态试验方法对导轨结合部刚度进行优化。在导轨有限元模型中,用刚度阻尼单元模拟钢珠与导轨内外轨之间的接触。以试验模态固有频率作为目标,弹簧刚度作为设计变量,运用优化软件OptiStruct优化接触部的等效刚度。用优化后的等效刚度参数对导轨进行重新建模,结果表明该方法能够提高有限元动力学模型的建模精度,较好地解决了结合部建模时动力学参数的获取问题。     

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。     

涂层刀具扩散层的形成及其热传导分析

在涂层刀具的热传导分析中提出基于扩散层的热传导分析模型,综合运用Maxwll-Eucken1模型计算方法、Series model模型计算方法及多层材料的等效热导率计算方法得出涂层和扩散层的等效热导率计算公式,并计算涂层刀具的扩散层的等效热导率,在不考虑涂层和考虑刀具扩散层两种情况下用有限元仿真刀具前刀面的温度.结果表明,采用扩散层模型仿真的结果与实际测量的涂层刀具的温度更接近.运用此方法可以为切削加工中涂层刀具材料的选择和设计提供比较准确的理论依据.     

转子轴承系统结合部等效刚度识别

针对转子轴承结合面刚度难于确定的问题,提出一种有限元模态分析、试验模态分析与BP神经网络相结合的等效刚度识别方法。采用Abaqus有限元分析软件建立转子轴承系统的有限元分析模型并得到其固有频率;并对转子轴承系统进行试验模态分析,得到前四阶弯曲固有频率;最后通过BP神经网络对等效刚度和固有频率进行训练与识别。研究结果表明,转子轴承系统的径向等效刚度识别最大相对误差为1.75%,轴向等效刚度识别最大相对误差为5.43%。方法为机械结构结合部的参数识别提供了参考。     

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。     

预紧载荷下螺栓结合部静特性分析

结合面的接触变形与构件变形存在耦合关系,为提高整机分析结果的准确性,提出了建立分析模型时在构件间增加虚拟材料层反映结合部非线性特性的假设。基于结合面基础特性参数获得了虚拟材料物理参数,建立了包含结合部特性的分析模型。对预紧力作用下的螺栓结合部进行了一系列不同材料、预紧力及构件厚度的静特性试验。结合分析和试验结果,将结合面变形从整体形变中分离出来,与理论计算比较,验证了本文所提出的建模理论和试验方法的准确性和有效性。     

面向加工特征的刀具和切削参数计算机辅助选择系统

切削刀具制造商面临围绕大量工件材料和加工特征为客户提供合理刀具和切削参数的现状,切削工艺规划的核心步骤也是刀具和切削参数的确定。确定刀具和切削参数一般多从零件材料角度出发,可能导致工件与刀具不匹配。文中提出面向加工特征的刀具和切削参数计算机辅助选择系统的开发。系统包括车削特征、铣削特征、钻削和镗削加工特征,系统利用特征图形作为用户交互式接口,采用关系数据库结合数据驱动和规则推理逻辑来选择刀具和切削参数,利用数学模型计算过程参数包括单工步加工工时、切削功率、最大粗糙度等,并辅助制定工序。以车刀和车削参数选择为例,介绍该系统的实现方法。该系统可以辅助设计师及工艺人员选择合理的刀具和切削参数。     

基于模型修正的螺栓结合部虚拟材料参数识别及应用

针对螺栓结合部虚拟材料模型建模及参数识别问题,基于结合部显著影响整体结构动力学性能这一特性,提出基于模型修正的虚拟材料动力学模型参数识别方法。针对参数识别中修正方程的病态问题,根据虚拟材料相关参数及结构各阶模态频率相互之间的影响度,构造修正方程的左右加权函数以减轻其病态程度,并通过仿真算例验证参数识别方法的有效性。探讨平板螺栓连接及哑铃状结构用于虚拟材料参数识别的有效性及抗噪性,加工哑铃结构的实验零件,辨识螺栓结合部虚拟材料模型的参数。基于机床螺栓结构的常用工况,建立虚拟材料模型参数库,并在CKX5680数控机床上验证参数库的有效性。结果表明：采用模型修正技术可以准确地识别无噪声时的虚拟材料参数;采用哑铃结构实验试件在有噪声情况下,螺栓结合部虚拟材料参数识别误差小于8%;采用虚拟材料模型模拟螺栓结合部的建模误差小于5.6%。     

The mathematical models of the basic entities of multi-axis serial orthogonal machine tools using a modified Denavit–Hartenberg notation

The use of virtual techniques as a means of training operators and familiarizing them with the machine tools on which they work has become increasingly widespread throughout the manufacturing industry in recent years. To support the development and implementation of virtual machine tools, this paper constructs the generic mathematical models of the basic building links, joint types, and cutting tools of multi-axis serial orthogonal machine tools. The modeling methodology can support the synthesis of various machine tools with different configurations but similar functions and facilitates the processes of error analysis, numerical control data generation, parameter measurement, and cutting kinematics analysis. The validity of the modeling approach is demonstrated using a six-axis serial orthogonal machine tool for illustration purposes.     

陶瓷刀具切削数据库管理系统的建立

为实现对陶瓷刀具各种信息的查询及管理，以PowerBuilder8．0为平台，运用Microsoft SQL Server2000数据库管理系统，建立了陶瓷刀具切削数据库管理系统，可快速查询陶瓷刀具的各种加工信息，如切削用量、刀具几何参数，给现场人员提供必要的咨询。使用该数据库可方便实现陶瓷刀具管理，实现了陶瓷刀具加工不同工件时相关信息管理的规范化、科学化。     

基于结合面基础特性参数的机床导轨结合部动态特性解析方法

导轨是机床的最重要功能部件之一,由于其具有滑动特性,因此也是机床整机动态特性中最有影响的结合部之一.本文以结合面的基础特性参数为基础,研究了机床导轨结合部的动态建模解析方法,并将其应用于机床整机动态特性解析,为机床整机动态特性解析中结合部参数的确定提供了一种方法,并为机床图样设计阶段预测整机动态特性开辟了道路.     

聚晶金刚石刀具的断屑槽尺寸参数设计

为解决聚晶金刚石(PCD)刀具在铝合金材料切削过程中的切屑缠绕问题,在PCD刀具的前刀面上设计了断屑槽.通过对切屑受力过程和断屑槽断屑机理的分析、切削几何关系的推导和有限元切削仿真实验,提取了5个PCD刀具断屑槽参数,即棱带宽度、倾角、反屑角、槽宽和反屑面转角.建立了PCD刀具断屑槽棱带宽度和反屑角的计算公式;改进了槽...     

Damage of physical vapor deposition coatings of cutting tools during alloy 718 turning

Ni-based superalloys are typically difficult-to-cut materials. Therefore, the lifespan of cutting tools used to cut these materials is shorter than that of tools used on other materials. This study develops a new coating for cutting tools that has properties required for the turning of Ni-based superalloys. This study examined the cutting performance of TiN-coated cutting tools deposited by arc ion plating according to the damage of the coating and determination of the required properties of the coatings. To evaluate cutting tool damage, many analysis methods were used at each step of damage accumulation. Plastic deformation of the coating was observed at rake and flank face edges by scanning ion microscopy and transmission electron microscopy (TEM). Furthermore, the fracture of the coating near the surface defects (e.g., droplets, voids) was due to the interaction between the work material and surface defects. Moreover, using electron probe microanalysis, scanning auger microscopy, and TEM, the work material was confirmed to adhere to the cutting edge physically or mechanically, not chemically. This means that oxidation and diffusion did not occur in the interface between the adhesive material and coating after cutting. Finally, the effectiveness of different coating types, varying in both composition and deposition method, was verified by evaluating the effect of damage reduction. Using coatings with greater stability at high temperatures and fewer defects can reduce damage of the coated cutting tools, increasing tool lifespan.     

基于虚拟材料的滚珠丝杠进给系统建模及其时变特性研究

为了建立准确的滚珠丝杠进给系统的动力学模型并对其时变特性进行分析,提出了单独获取法和整体获取法两种基于多目标优化方法获取结合部虚拟材料模型的参数,从而构建精确的结合部虚拟材料模型,并通过实验对此两种参数获取方法进行了验证.结果表明:基于多目标优化方法整体获取全部结合部虚拟材料模型参数的获取方法计算量大,但操作简单且获取...