考虑刀柄接触状态的高速主轴双转子系统动态特性仿真

为揭示刀柄—主轴结合面接触状况对高速主轴系统动态特性的影响,在考虑其接触应力和刚度动态变化的基础上,基于阻抗子结构耦合法建立了主轴—拉杆双转子动力学模型,并对拉杆拉力和动态夹紧力分别对结合面刚度特性的影响,以及对应的刚度变化对双转子系统频率特性的改变进行了仿真。结果表明,初始拉紧力和动态夹紧力都能提高结合面刚度,且动态夹紧力的提升程度更大,但高速时的刚度特性却由刀柄和主轴的相对离心膨胀量之差决定,呈下降趋势;考虑拉杆时主轴系统的频率显著降低,说明拉杆为一薄弱点;小幅变化的拉紧力对系统频率特性影响不大,说明该数量级的拉紧力已足够高,且主轴频率对刀柄—主轴结合面的刚度变化并不敏感。     

考虑结合面和轴向力的主轴系统动力学特性

汽车覆盖件淬硬钢模具由于硬度高,在铣削过程中动态铣削力大,易发生颤振,而主轴系统动力学特性直接影响铣削稳定性。为了准确建立主轴系统动力学模型,考虑主轴系统铣削状态下产生的轴向铣削力和离心力对主轴结合面接触刚度的影响。通过分析得到,轴向铣削力对主轴结合面接触刚度有强化作用,使主轴系统固有频率有微小的增加;而离心力对结合面接触刚度有软化作用,随着主轴转速升高,系统的固有频率减小,尤其高转速时主轴系统的动力学特性偏差较大,对比而言离心力的软化作用多于轴向铣削力的强化作用,故主轴系统在铣削过程中动力学特性相比静止无载状态下仍是软化现象;分析结合面预紧力、刀具参数等因素对主轴系统动力学特性的影响规律,为准确分析主轴系统动力学特性和预测铣削稳定性提供理论参考。     

高速主轴/刀柄接口联结特性

高速数控机床主轴/刀柄接口的联结特性对机床精度和加工稳定性具有重要影响。以HSK-E63为研究对象,利用非线性有限元法分析高速数控机床主轴/刀柄的联结特性,系统地揭示出过盈量、夹紧力、转速对锥面接触应力及间隙的影响及其变化规律。研究结果为高速主轴/刀柄接口的设计和优化提供了理论依据。     

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.     

高速主轴/刀柄联结的可靠性分析

高速主轴/刀柄的联结性能对加工精度和机床可靠性具有重要影响。采用机械零件可靠性设计的方法,对高速主轴/刀柄联结的可靠性进行了分析,建立了高速主轴/刀柄联结强度和传递扭矩的可靠性模型,并给出了可靠度的通用计算公式,利用ANSYS有限元分析软件,计算出不同转速、过盈量、夹紧力作用下的高速主轴/刀柄联结的接触应力,系统地揭示出不同夹紧力作用下,过盈量、转速对高速主轴/刀柄联结强度和传递扭矩的可靠性的影响,研究结果为实际使用过程中夹紧力、过盈量、转速大小的选用提供了参考。     

数控机床HSK刀柄和主轴在高速旋转下的连接性能分析

刀柄与主轴连接性能对数控机床的加工精度以及工作安全性影响显著。针对HSK刀柄在高速旋转过程中发生刀柄和主轴连接失效这一主要失效形式,应用弹性力学理论建立了任一转速下刀柄与主轴连接锥面的接触应力模型,且有限元分析结果与该理论模型有较好的一致性。在此基础上,综合考虑夹紧力以及刀柄、主轴配合过盈量的影响,建立了基于HSK刀柄与主轴连接的临界转速计算模型以及连接可靠性模型。根据临界转速模型可以从理论上计算出一定过盈量和夹紧力下的临界转速,分析夹紧力和过盈量对临界转速的影响。根据连接可靠性模型可以求解任一转速下刀柄和主轴连接的可靠度,并得到可靠度随转速的变化规律。这两个模型的建立对防止HSK刀柄、主轴连接的失效,保证高速切削加工的精度以及工作的安全性有重要意义,同时也为正确使用HSK刀柄以及刀柄尺寸结构进一步优化和可靠性设计提供了理论基础。
     

高速加工用KM刀柄/主轴的联结特性及数值模拟

本研究以KM4030刀柄为研究对象,通过改变过盈量、夹紧力,利用非线性有限元方法系统研究了不同参数对刀柄/主轴联性能的影响。借助有限元软件ANSYS,深入揭示了夹紧力、过盈量对KM刀柄/主轴联结系统的径向变形、接触应力及接触间隙的影响,为高速加工用新型刀柄及其工具系统的开发提供一定的理论依据和技术支撑。     

考虑主轴-刀柄结合面特性的机器人铣削系统刀尖频响预测研究

针对机器人铣削系统刀尖频响具有位姿依赖特性,导致机器人变位姿加工时稳定性难以准确预测、加工颤振难以有效控制的问题,提出一种考虑主轴-刀柄结合面接触刚度的机器人铣削系统刀尖频响预测方法。基于欧拉-拉格朗日法与吉村允孝单位面积法,分别构建了机器人本体动力学模型与主轴-刀柄结合面接触刚度模型,进而基于有限元主副自由度理论将机器人本体动力学模型与主轴-刀柄结合面接触刚度模型结合,构建了机器人铣削加工系统刀尖频响预测模型。开展了机器人不同位姿下刀尖频响预测验证实验,结果表明,仿真与实验得到的刀尖频响函数相比,固有频率最大误差为6.63%,对应幅值最大误差为9.80%,验证了所提出的预测模型的准确性,证明了该模型能够实现机器人任意位姿下的频响函数准确预测。     

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。     

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。     

高转速下主轴-双面锁紧刀柄接触特性预估

采用有限元方法获得不同转速下端面和锥面的接触压强,基于该压强采用三维分形和赫兹接触理论计算双面锁紧刀柄与主轴的接触刚度,建立高转速下主轴-双面锁紧刀柄系统仿真模型。分析不同参数对主轴-双面锁紧刀柄(BTF40)系统锥面接触率及结合部接触刚度的影响规律,确定了该新型刀柄的极限转速、拉刀力、碟簧刚度和碟簧预紧力的合理取值区间,研究结果为双面锁紧刀柄的设计与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。     

耗材摩擦焊中的耗材过渡与成形机理研究

以 1 Cr1 8Ni9Ti为耗材在低碳钢母材表面进行了摩擦焊敷试验。观察测量了不同工艺参数匹配下耗材金属的过渡行为和真实接触面的大小 ,阐明了耗材金属的过渡机理和真实接触面的变化规律及影响因素 ;以特征流线为依据 ,建立了过渡金属形成初始焊敷层的物理模型并分析了摩擦碾压作用对焊敷层最终成形和界面连接过程的影响。研究表明 ,耗材金属是通过真实接触面过渡到母材表面的 ,真实接触面位于旋转界面的中心区域 ,其大小随耗材转速和摩擦压力的增大而减小 ;真实接触面两侧不对称的温度分布是推动耗材金属过渡的驱动力 ;摩擦碾压作用是焊敷层最终成形和界面形成可靠连接的决定因素。     

加工中心主轴转子临界转速分析

文章运用传递矩阵法对精密高速加工中心主轴动态特性进行了分析,用Matlab工具开发了一套具有自主知识产权的动态计算分析软件,并以某款精密高速加工中心主轴为对象,分析了主轴结构参数对主轴动态特性的影响。分析结果表明,该款主轴动态设计软件运行可靠、操作简便,可应用于加工中心主轴的动态设计与快速开发。     

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。     

Friction behavior at minimally invasive grasper/liver tissue interface

Preliminary simulations of tissue clamping and dragging operations in MIS were made by using compression and friction testing under different clamping forces and dragging speeds. Results showed that the injury degree of the liver gradually increased with increasing clamping force. The maximum static friction force increased with increasing clamping force and dragging speed, and dragging displacement before sliding increased with increasing clamping force and decreasing dragging speed, which indicated that low clamping force and high dragging speed may be more likely to cause slipping at the jaw-liver interface. There exists a safe operation zone, in which there was neither liver damage nor slipping at the jaw-liver interface. The results can provide safe thresholds for doctors during grasping task in MIS.     

Influence of energy induced from processing parameters on the mechanical properties of friction stir welded lap joint of aluminum to coated steel sheet

Friction stir welding has been attempted to evaluate joint strength of lap joint between aluminum sheet (AA6063) and zinc-coated steel (HIF-GA) sheet under different combination of rotational speed and traverse speed. The shear strength decreases significantly when rotational speed increases from 700 to 1,500 rpm at a traverse speed of 30 mm/min. At traverse speed of 50 mm/min, increasing rotational speed from 700 to 1,500 rpm, shear strength remains more or less the same. However, at a traverse speed of 100 mm/min, the shear strength increases significantly with increasing rotational speed from 700 to 1,500 rpm. Essentially, higher fracture load of the lap joint is obtained within a certain range of energy. The results have been correlated with the microstructural characteristics at the bond interface using energy dispersive X-ray spectroscopy, electron probe micro analyzer, and X-ray diffraction. The results show that characteristics of intermetallic compound formed at the interface derived from energy input takes predominating role towards lap joint of Al and coated steel. Furthermore, force and torque responses influenced by the processing parameters can be utilized as weld quality check.     

永磁同步型磨削电主轴偏心振动分析及实验*

电主轴是将旋转主轴与电机转子集成为一体的主轴单元,结构复杂,由于加工或装配误差等原因,电主轴转子会存在着一定的偏心量,为探求由于电主轴偏心所导致的转子振动特性,建立了电主轴转子偏心模型,采用Maxwell应力张量法计算了偏心造成的不平衡磁拉力(UMP),将UMP解析式代入Jeffcott转子模型,得到了转子偏心振动方程。以某磨床的永磁同步电主轴为研究对象,利用有限元方法分析了UMP,发现作用于转子的UMP始终指向气隙最小的方向,研究了不同转速下转子在质量偏心离心力和UMP作用下的振动响应。研究结果表明,电主轴在低速运行时,UMP为转子振动的主要来源;随着转速的增加,质量偏心离心力对转子振动的影响更加明显,而UMP大小保持不变,其频率随转速增加而增大,对转子振动的作用随之减弱。对某机床厂所研发永磁同步型磨削电主轴在试运行时产生的振动问题进行了实验,对主轴振动频谱分析后判断实验电主轴存在静态偏心,测得主轴轴心轨迹对前述分析进行了验证。