高速加工工具系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性及應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、高速加工是集制造技術(shù)、材料科學(xué)、信息科學(xué)和控制理論為一體的綜合高新技術(shù),在汽車、模具、航空航天等制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。高速加工工具系統(tǒng)是高速精密數(shù)控機(jī)床的重要組成部分,其結(jié)構(gòu)特性、動(dòng)態(tài)性能和動(dòng)平衡性等直接影響和制約著高速加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率,因此,系統(tǒng)開展工具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性及基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù)的研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景。本文采用理論分析、數(shù)值計(jì)算、振動(dòng)測試和切削加工實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,以高速加工工具系統(tǒng)為研究對

2、象,在建立其動(dòng)力學(xué)理論模型的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)、全面地分析了高速加工工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)、工況振動(dòng)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的變化規(guī)律,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化,主要工作及創(chuàng)新成果為:
　　 1.基于FEM和EMA相結(jié)合,首次構(gòu)建了高速加工工具系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)實(shí)體模型基于線彈性理論,采用有限元模態(tài)分析(簡稱FEM)和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析(簡稱EMA)相結(jié)合的方法,構(gòu)建了高速加工工具系統(tǒng)在自由狀態(tài)、工況約束條件下的動(dòng)力學(xué)實(shí)體模型,計(jì)算出系統(tǒng)的各階固有頻率

3、和振型,通過實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法驗(yàn)證了有限元模型構(gòu)建過程和計(jì)算結(jié)果的合理性,在此有限元模型的基礎(chǔ)上,分析了刀桿直徑、刀桿長度、聯(lián)接過盈量等結(jié)構(gòu)因素對工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律,分析了主軸和刀柄聯(lián)接過盈量和接觸效果對主軸-工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的影響程度。
　　 2.系統(tǒng)揭示出工具系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及其變化規(guī)律在構(gòu)建工具系統(tǒng)有限元?jiǎng)恿W(xué)模型和分析工具系統(tǒng)所受動(dòng)態(tài)激勵(lì)類型的基礎(chǔ)上,計(jì)算和分析了工具系統(tǒng)承受不平衡量和動(dòng)態(tài)切削

4、力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及變化規(guī)律。通過機(jī)床升速空運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)測試,比較了主軸系統(tǒng)空運(yùn)轉(zhuǎn)和主軸-工具系統(tǒng)空運(yùn)轉(zhuǎn)各自的振動(dòng)特性。測試了不同平衡量大小的工具系統(tǒng)在空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)特性,揭示了工具系統(tǒng)承受強(qiáng)迫振動(dòng)的頻響結(jié)構(gòu),為有效降低整個(gè)加工系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)提供了理論依據(jù)。
　　 3.基于不平衡量系統(tǒng)分析了工具系統(tǒng)的振動(dòng)特性設(shè)計(jì)了不平衡量大小可調(diào)的工具系統(tǒng)和采用多因素正交切削試驗(yàn),全面分析了不平衡量和切削用量對主軸振動(dòng)、加工工件振動(dòng)、三向動(dòng)態(tài)切削力和加工

5、表面粗糙度的影響程度、主次關(guān)系和變化規(guī)律,驗(yàn)證了工具系統(tǒng)不平衡量動(dòng)態(tài)響應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果,同時(shí)為高速切削選用合理的切削用量提供了重要參考。
　　 4.首次實(shí)現(xiàn)了刀柄和主軸接觸疲勞壽命的預(yù)測預(yù)報(bào)在構(gòu)建工具系統(tǒng)屈曲響應(yīng)模型的基礎(chǔ)上,計(jì)算和分析了工具系統(tǒng)在工況條件下屈曲響應(yīng)的主要的影響因素及變化規(guī)律。進(jìn)一步構(gòu)建了主軸-工具系統(tǒng)接觸的有限元模型,借助專用疲勞分析軟件的基礎(chǔ)上,評估了各個(gè)接觸區(qū)域的疲勞應(yīng)力因子和疲勞安全因子,預(yù)測了各個(gè)區(qū)域的

6、疲勞壽命,為深入研究主軸／刀柄聯(lián)接錐面疲勞失效機(jī)理提供理論參考。
　　 5.基于工具系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提出了開發(fā)新型工具系統(tǒng)的一種新方法在構(gòu)建工具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有限元模型的基礎(chǔ)上,以其工況固有頻率為優(yōu)化目標(biāo),根據(jù)工況要求對其模態(tài)參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化,使其在工作狀況下的動(dòng)態(tài)性能到達(dá)了最佳化,為開發(fā)新型工具系統(tǒng)能夠在高速工況發(fā)揮其最佳動(dòng)態(tài)性能提供了一種新的方法。
　　 系統(tǒng)地開展高速加工工具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的基礎(chǔ)理論、振