建模方式对机床主轴-刀具耦合系统动力学特性的影响

机床主轴系统的建模方式多为梁、管单元建模,系统结合面有主轴-刀柄、刀柄-刀具两部分,这些结合面多采用刚性连接或自定义刚度矩阵的方法进行模拟,主轴系统也可以采用实体单元的方式进行建模,同时在接触位置建立接触对。采用梁单元、实体单元对某立式加工中心主轴系统建模,通过计算结果,分析了不同单元类型建模对系统固有频率及刀尖点频响函数的影响。结果表明,实体单元建模的固有频率大于梁单元建模的固有频率,且振型更为丰富;随着激振频率的增大,实体单元建模方式下的幅频响应曲线震荡更加剧烈,说明该方式可以捕捉更多的激振频率。研究结果可为科学研究主轴系统的动力学特性提供理论参考。

基于子结构耦合法的机床主轴-刀具系统频响函数研究

数控加工过程的稳定性与由频响函数确定的机床主轴-刀具系统的动态特性密切相关,通常,需要进行模态实验以获取数控机床主轴-刀具系统的频率响应函数,为了避免因更换刀具时获取其频响函数的模态实验的重复性,文章研究利用响应耦合法(RCSA)预测主轴-刀具系统刀尖点的频率响应函数,主轴-刀柄基座的频响函数利用实验以及反向RCSA方法获得,并用Timoshenko梁理论计算外伸刀柄和刀具的频响函数,然后将3个子结构的频响函数进行耦合,得到整个系统刀尖点的频响函数,然后利用加入禁忌搜索的粒子群算法识别刀柄和刀具结合面的参数,将预测得到的系统刀尖点的频响函数与实测的频响函数进行对比研究,并通过实验验证了该研究方法的有效性。

考虑主轴-刀柄-刀具接触特性的高速电主轴静动态特性分析

文中考虑主轴-刀柄-刀具结合面的接触刚度,基于ANSYS软件建立了高速电主轴的静动态特性分析有限元模型。由静力学分析、模态分析与谐响应分析得到电主轴的静态位移、振型、固有频率、关键点的响应位移,以及静刚度和动刚度。文中的研究为高速电主轴的设计提供了良好的理论参考。

高速主轴系统切削稳定性预测及影响因素分析

高速主轴系统切削稳定性直接影响产品的表面加工精度和切削系统的使用寿命,是评价高速主轴系统性能优劣的重要因素,而研究影响切削稳定性的因素并制定提高稳定性的合理途径同样也受到关注。提出从稳定性评价准则及系统频响函数的不同求解方法入手,分析无条件稳定区和有条件稳定区的影响因素,总结出系统所受激励、主轴转速及系统结构是影响切削稳定性的重要因素。以德国GMN高速主轴系统为例,在采用5自由度轴承受力与变形关系模型模拟角接触球轴承和分布式弹簧模型模拟主轴-刀柄-刀具结合部的基础上,建立完整高速主轴系统通用有限元模型;利用三维稳定性叶瓣图、极限切削深度和叶瓣交点随参数的变化曲线表征切削力幅值、转速及阻尼比等参数对切削稳定性的影响规律,为优化加工工艺、提高系统切削稳定性提供理论依据。

薄壁件铣削系统加工稳定性分析

为了对整体薄壁件铣削系统加工稳定性进行分析,建立主轴-刀具-工件整体系统连续梁模型,从中提取刀具与薄壁工件端部的等效质量和等效刚度特性,分析工件尺寸对系统铣削稳定性的影响。结果发现,薄壁工件横截面宽度与高度尺寸对铣削稳定性都有影响,其中高度尺寸的影响更大。当高度值很小时,系统的临界铣削深度非常小,随着工件横截面高度的增加,系统的临界铣削深度有明显提高。当工件的第一阶固有频率接近甚至大于主轴-刀具的第一阶固有频率时,工件外形尺寸则不会再对铣削系统的稳定性有明显的改变。该结果可为薄壁件的稳定性加工提供理论基础。