機床主軸銑削系統(tǒng)穩(wěn)定性研究.pdf

1、高速數(shù)控機床作為裝備制造業(yè)的核心,其高速加工性能直接影響國家制造業(yè)的水平。而高速電主軸系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性是影響機床高速加工性能的關(guān)鍵因素之一,其研究具有重要的理論價值及現(xiàn)實意義。本論文在國家973項目的支持下,開展了如下研究并取得以下成果:
　　 系統(tǒng)研究主軸結(jié)構(gòu)及前后軸承剛度對主軸模態(tài)、進而對銑削穩(wěn)定性的影響。如果加工工件為模具或其他鑄件,主軸通常要使用懸臂伸出較長的刀具。隨著刀具伸出端的增大,主軸端部就成了銑削系統(tǒng)中的一個強度特

2、別弱的點,容易導(dǎo)致銑削加工中顫振的產(chǎn)生。采用基于Timoshenko梁理論的變截面連續(xù)梁模型,獲得主軸在刀具端部的幅頻響應(yīng)函數(shù),將主軸的頻響函數(shù)運用到顫振穩(wěn)定性模型中,通過改變其主軸軸端懸臂伸長量、軸承跨距及前后軸承剛度等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)來進行主軸系統(tǒng)振動穩(wěn)定性的研究。結(jié)果表明,軸端懸臂伸長量、軸承跨距及前軸承剛度通過改變主軸系統(tǒng)的低階模態(tài)來改變其運動穩(wěn)定性,并成為影響主軸模態(tài)的最關(guān)鍵的因素之一,主軸端部的固有頻率及響應(yīng)幅值的優(yōu)化可以通過改

3、變這幾個結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)來實現(xiàn)。
　　 研究當(dāng)軸承間隙由大逐漸減小時,系統(tǒng)非線性振動響應(yīng)的變化趨勢。由于低摩擦特性及能承受軸向及徑向的外力,現(xiàn)代高速機床主軸通常采用角接觸球軸承支撐。由球軸承支撐的系統(tǒng)常常呈現(xiàn)出非常復(fù)雜的非線性動態(tài)特性。軸承系統(tǒng)初步安裝時,通常會留有間隙,但隨著轉(zhuǎn)速的提高,受到溫升及離心效應(yīng)的影響,軸承的間隙會消失,甚至變成負數(shù)。因此,提出6自由度系統(tǒng)模型,并采用Floquet理論來研究系統(tǒng)周期解的穩(wěn)定性和分岔

4、現(xiàn)象。結(jié)果表明,當(dāng)軸承間隙逐漸減小時,主軸系統(tǒng)振動響應(yīng)特性會發(fā)生改變,從復(fù)雜非線性振動響應(yīng)變?yōu)橹芷诮狻?br>　　 研究非線性非光滑滾動軸承Hertz支撐條件下的銑削系統(tǒng)數(shù)值計算方法。由滾動軸承支撐的主軸系統(tǒng)的振動響應(yīng)非常復(fù)雜,若將軸端時滯銑削力應(yīng)用到主軸系統(tǒng)振動模型中,必然會發(fā)現(xiàn)以前從未注意到的新銑削現(xiàn)象。機床主軸動態(tài)特性研究中,使用Timoshenko梁單元來建立主軸轉(zhuǎn)子有限元模型通常能取得比較好的效果,但采用Timoshenko

5、梁有限單元離散方法,會導(dǎo)致主軸系統(tǒng)的自由度過高。若模型中考慮軸承的非線性非光滑邊界動態(tài)支承條件時,不得不采用的數(shù)值方法要花費大量的時間來計算。因此,需要使用模態(tài)縮減法來對主軸有限單元模型進行簡化。課題建立10自由度模態(tài)縮減模型,研究軸承非線性非光滑Hertz接觸剛度作用下,系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性。通過研究證明,模態(tài)縮減模型可以代替系統(tǒng)原模型來進行軸承非線性非光滑支承系統(tǒng)的銑削穩(wěn)定性研究。
　　 研究非線性非光滑軸承動態(tài)剛度支承條件下,

6、銑削加工穩(wěn)定圖上穩(wěn)定及非穩(wěn)定銑削孤立島及銑削半島現(xiàn)象及動態(tài)響應(yīng)?？紤]到軸承非線性非光滑接觸特性,采用10自由度模態(tài)縮減模型進行主軸銑削系統(tǒng)的穩(wěn)定性及振動分岔的數(shù)值研究,計算結(jié)果包括銑削系統(tǒng)在加工中的振動分岔、相軌跡、Poincare映射及球軸承接觸力等。研究結(jié)果證明,在某些銑削加工條件下,由于球軸承Hertz接觸剛度的影響,銑削系統(tǒng)存在穩(wěn)定或非穩(wěn)定的銑削孤立島或銑削半島。不同銑削加工條件下,順銑加工、逆銑加工及刀具徑向銑削深度條件,銑削