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。     

主轴—刀柄结合面刚度建模方法

为建立高速旋转状态下的主轴—刀柄结合面刚度模型,提出了经典弹性理论和吉村允孝积分法相结合的半解析方法,求解在高速旋转状态下的主轴一刀柄结合面刚度.采用文献[2]的实验数据验证了该方法的有效性.在此基础上建立了在高速旋转状态下的主轴—刀具耦合系统的动力学模型.采用基于Riccati变换的整体传递矩阵法,对主轴—刀具耦合系统的动态特性进行了分析.考察了主轴转速软化结合面刚度因素对系统动态特性的影响.通过对比说明,高速旋转产生的离心力对主轴—刀具耦合系统的动态特性有较大影响;所提的计算模型和方法可以实现高速旋转状态下的主轴刀柄结合面刚度的求解.     

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。     

高速刀柄—主轴联接疲劳强度可靠性研究

采用机械零件的可靠性设计方法,综合了影响高速刀柄的应力疲劳强度因素,对HSK刀柄装卸时的疲劳强度可靠性进行了定量分析,建立了高速刀柄—主轴疲劳强度可靠性模型,并给出了可靠度计算公式。通过有限元分析软件Workbench平台下的6σ模块,运用蒙特卡洛法模拟了HSK刀柄疲劳强度可靠度,并且分析了不同夹紧力下,过盈量的变化对高速刀柄—主轴疲劳强度可靠性的影响,为实际生产加工中更科学合理地定量选择夹紧力和过盈量提供了参考。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑结合面法向刚度的拉杆转子轴向振动特性

针对接触刚度解析模型参数确定困难、精度难以保证等问题,提出了根据弹塑性粗糙表面微体单元受力变形的有限元分析结果确定轮盘结合面法向刚度的方法;为准确获取拉杆转子的轴向振动特性,建立了考虑轮盘结合面法向刚度的集中质量动力学模型;运用上述方法和模型计算了某型实验转子轴向振动的固有频率,并将结果与实测数据进行对比,误差低于5%,证明了该方法的有效性;改变拉杆预紧力,进一步研究预紧力对拉杆转子动力学行为的影响,结果表明：拉杆预紧力对转子的作用效果存在一个饱和区域,可为拉杆预紧力数值的确定提供重要的设计依据。     

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。     

高速主轴系统非线性动力学建模与数值仿真

为了深入分析主轴-刀柄系统的非线性动力学特性,以高速切削机床的主轴-刀柄系统为研究对象,综合考虑主轴-刀柄结合面及角接触球轴承非线性接触力,基于铁木辛柯梁理论建立了包含转动惯量、剪切变形及偏心质量影响的主轴-刀柄系统有限元动力学模型。对该模型进行数值计算的结果表明,由于主轴-刀柄结合面及支承轴承处非线性接触力的存在,主轴-刀柄振动系统具有非常复杂的周期运动、倍周期运动和混沌运动,倍周期分岔是主轴-刀柄系统通向混沌的主要道路。系统在某些偏心量下经历几次倍周期分岔最终会产生混沌运动,应在实际设计过程中尽量避开该参数区域。     

拉杆转子临界转速随拉紧力变化规律试验

为了研究拉杆转子临界转速随拧紧力的变化规律,搭建了拉紧力测量试验台,测量拉杆拉紧力随拧紧力矩的变化。设计并加工了模化拉杆转子,搭建了拉杆转子转动试验台,测量在不同拉紧力下拉杆转子的动力学响应。根据5组不同拧紧力矩下的动力学响应得到了拉杆转子前两阶临界转速,分析了临界转速随拉紧力的变化规律,并与理论计算结果进行了对比分析。结果表明,随着拉紧力的增加,拉杆转子在升速和降速过程中的前两阶临界转速随着拉紧力的增加而增加。与理论计算结果对比发现,理论模型计算的前两阶临界转速与试验结果比较接近,但仍需要进一步改进以更好地反映拉杆拉紧力对临界转速的影响。     

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。
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高速高精度数控车床主轴内外转子耦合系统的动力学建模方法研究

利用整体传递矩阵法对机床主轴内外转子耦合系统的动力学建模方法进行了详细研究,并在此基础上计算出主轴系统的动力特性。与Prhol传递矩阵法相比,该法考虑了主轴和拉杆间的连接刚度,因此所建动力学模型更符合主轴系统实际情况,计算结果更可靠。计算过程同时表明该法计算简单、精度高且易于编程。文中还利用有限元法有效地解决了主轴双转子耦合刚度的计算问题。