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。     

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。     

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...     

Reliability estimation for cutting tools based on logistic regression model using vibration signals

As an important part of CNC machine, the reliability of cutting tools influences the whole manufacturing effectiveness and stability of equipment. The present study proposes a novel reliability estimation approach to the cutting tools based on logistic regression model by using vibration signals. The operation condition information of the CNC machine is incorporated into reliability analysis to reflect the product time-varying characteristics. The proposed approach is superior to other degradation estimation methods in that it does not necessitate any assumption about degradation paths and probability density functions of condition parameters. The three steps of new reliability estimation approach for cutting tools are as follows. First, on-line vibration signals of cutting tools are measured during the manufacturing process. Second, wavelet packet (WP) transform is employed to decompose the original signals and correlation analysis is employed to find out the feature frequency bands which indicate tool wear. Third, correlation analysis is also used to select the salient feature parameters which are composed of feature band energy, energy entropy and time-domain features. Finally, reliability estimation is carried out based on logistic regression model. The approach has been validated on a NC lathe. Under different failure threshold, the reliability and failure time of the cutting tools are all estimated accurately. The positive results show the plausibility and effectiveness of the proposed approach, which can facilitate machine performance and reliability estimation.     

先进切削加工技术综述

从机床、刀具、工艺参数等方面综合介绍了几种先进切削加工技术 (包括高速切削、干切削、硬切削、精密切削和虚拟切削 )的主要研究内容及关键技术     

复杂刀具磨削工艺数据库系统的研究与开发

针对复杂刀具的磨削效率与磨削烧伤之间的矛盾开展研究,采用虚拟加工优化复杂刀具制造的加工工艺和正交试验优选磨削用量参数,实现避免磨削烧伤和提高磨削效率的目的,同时建立了复杂刀具磨削工艺数据库系统,并开发了相应的应用程序.该数据库系统为复杂刀具的磨削制造提供了实用的磨削数据支持,满足了企业的生产制造要求.     

陶瓷刀具与难加工材料的匹配研究

综述了陶瓷刀具主要特性，对适宜于陶瓷刀具加工的难加工材料的性能、切削特性进行了阐述，在分析刀具与加工材料匹配性能指标的基础上，进一步对陶瓷刀具与难加工材料的合理匹配进行了探讨，并对新型陶瓷刀具材料的研发前景作了展望。     

无涂层硬质合金刀具车削钛合金Ti-6Al-4V实验研究

钛合金是航空航天工业中应用广泛的一种难加工材料。本文研究了无涂层硬质合金刀具干切削钛合金Ti-6Al-4V时切削力、表面粗糙度的变化规律，得到了切削深度、进给量、切削速度对切削力和表面粗糙度的影响规律。对切削力实验结果进行了回归分析得到了切削力的指数公式，并运用校正R^2拟合判定系数、累积概率图和残差图对回归模型进行了检验，检验结果表明：切削力的3个回归方程较好的拟合了实验所测的数据，钛合金切削过程中切削力近似满足指数关系。     

The effect of a thin coating of insulating material on the performance of cutting tools

The thermal properties of cutting tools have a dominant effect on metal cutting because of their influence on the length of the contact between the tool and the chip and on chip curvature. Low thermal conductivity of the tool is generally considered desirable.Experiments show that tools made from materials of high thermal conductivity but coated with layers of material of low conductivity have a cutting performance similar to that obtained when the whole tool is made from the material of low thermal conductivity even when the thickness of the coating is of the order of 5–10μm.A theoretical explanation of this behavior based on a discrete (i.e. non-continuum) model of the tool surface and on transient heat conduction considerations is presented.     

难加工材料切削数据库系统的研究与开发

在用户需求分析的基础上,针对航空难加工材料的车、铣、钻、镗切削方式,建立了基于B／S结构的难加工材料切削数据库系统,并开发了相应的应用程序。该系统可为工艺技术人员和加工操作人员合理选择难加工材料切削刀具、切削用量等提供指导和技术信息。