基于频响函数的主轴-刀柄结合部参数辨识方法

主轴-刀柄结合部是主轴系统中的薄弱环节,直接影响机床的加工效率与工件表面质量,主轴-刀柄结合部的特征参数是评价主轴-刀柄系统连接性能的关键环节.基于频响函数的子结构耦合法是辨识主轴-刀柄结合部特征参数的有效辨识方法,以BT40型主轴-刀柄系统为研究对象,进行结合部特征参数的识别,采用最小二乘法对辨识模型进行求解,获得了不同拉刀力下刀柄-主轴结合部上不同位置的刚度,并对辨识结果进行了验证,研究结果将为刀柄系统的优化设计提供理论依据.

主轴-刀柄联结性能有限元接触分析

主轴-刀柄联接系统是机床中最薄弱的环节之一,其联结性能是影响切削加工稳定性的关键因素。基于接触理论,考虑结合面间的法向作用和切向作用,建立了主轴-刀柄联结性能分析模型。分析了不同转速下刀柄锥面与主轴孔锥面的接触分离情况、刀柄锥面承受的接触压力和刀柄锥面的应力分布情况,得出了转速对主轴-刀柄结合面联接性能的影响规律。低转速时其联接性能稳定,而高转速时刀柄锥面与主轴孔锥面发生明显分离,刀柄接触压力下降到静止时的一半,刀柄应力显著增大,此时已无法保证两锥面紧密接触,主轴-刀柄联接性能丧失。最后通过高转速下主轴-刀柄系统径向加载试验验证了有限元接触分析的有效性与可行性,从而为进一步分析主轴-刀柄连接性能打下基础。

基于结合部的HSK主轴-刀柄系统动态特性分析

建立了HSK主轴-刀柄结合部的有限元模型(FEM),利用弹性理论和黏性阻尼理论辨识结合部内各位置的刚度和阻尼参数。提出将HSK主轴刀柄系统分为HSK主轴、主轴刀柄结合部和刀柄三部分:HSK主轴与刀柄简化为多段Timoshenko梁,并使用响应耦合法来计算其频响函数;主轴刀柄结合部简化为多点弹簧阻尼模型,采用多点响应耦合法来计算其频响函数;将各个部件的频响函数进行刚性耦合,进而获得基于结合部的HSK主轴-刀柄系统频响函数。分别假定HSK主轴刀柄结合部为刚性连接、5点弹性连接和7点弹性连接,计算其频响函数,并与实验结果相比较得到相应的结论。

高速主轴-刀柄接口离心膨胀动态补偿系统的研究

为解决高速主轴-刀柄接口因离心膨胀导致极限转速偏低及定位精度下降的问题,设计了一种新型离心膨胀动态补偿系统,并对其性能进行了分析。利用ANSYS有限元软件分析了主轴-刀柄接口的锥面接触应力,确定了主轴-刀柄接口的极限转速,计算了主轴-刀柄接口的径向刚度。通过与常规主轴-刀柄接口进行对比,验证了补偿系统的补偿效果。带补偿系统的主轴-刀柄接口锥面接触应力满足径向定位要求,接口极限转速提高43.8%,接口径向刚度随转速与载荷的变化关系更符合高速加工实际要求。

基于有限差分法的主轴-刀柄结合部刚度辨识

针对传统结合部参数辨识普遍存在缺失转角自由度的空间不完备问题,利用有限差分法估算转角自由度频响,从而建立了完备空间自由度的结合部参数辨识模型;基于残差补偿理论重构频响函数试验数据,降低了模态截断引起的测试误差,以避免辨识计算过程中试验测试噪声对辨识结果的影响,提高辨识精度。以主轴-刀柄系统结合部为对象,通过锤击试验获得各子结构及结合部的频响函数,利用子结构耦合法辨识出结合部等效动力学刚度,通过有限元法进行动力学建模与分析,验证辨识结果。对比试验与仿真结果验证了方法的可行性。

基于解析法的HSK主轴-刀柄结合部参数辨识

辨识HSK主轴-刀柄结合部参数,是准确预测主轴系统动态特性及保证切削稳定性的基础条件。将HSK主轴-刀柄结合部简化为弹簧-阻尼模型。再根据HSK主轴-热装刀柄系统的频率响应矩阵,推导出HSK主轴-刀柄结合部的刚度矩阵。并基于耦合响应法计算热装刀柄两端的频响矩阵,利用有限差分法与实验测量相结合的方式,分别获得HSK主轴端点和HSK主轴-热装刀柄系统端点的频响矩阵。基于推导出的结合部刚度矩阵,分别辨识出HSK主轴-刀柄结合部的4个刚度参数kyf、kθf、kym和kθm,以及4个阻尼参数cyf、cθf、cym和cθm.使用耦合响应法计算出HSK主轴-热装刀柄端点的频响函数,并与实验测量的各阶频率相比较,理论频率与实验结果最大差值为7.9%,进而验证辨识参数的准确性和辨识方法的合理性。

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。

7:24锥柄和端面同时接触的“Big-plus”机床主轴-刀柄接口

针对HSK刀柄的不足,日本大昭和精机公司开发了一种称为"Big-plus"的主轴-刀柄接口,实现了刀具装夹的最佳化.该系统仍采用7:24锥柄,可与现有的7:24刀柄完全兼容,不会增加额外的刀具成本."Big-plus"系统消除了传统7:24刀柄连接在主轴端面与刀具法兰之间的间隙,而将此间隙量分配给主轴和刀柄各一半,分别加长主轴和加厚刀柄法兰的尺寸,实现主轴端面与刀具法兰的同时接触.

高转速下主轴-刀柄结合部接触刚度分析

提出一种宏微观相结合的方法建立高转速下主轴-刀柄系统结合部接触刚度模型.宏观上假设主轴-刀柄结合面为理想圆锥面,通过有限元方法获得不同转速下锥形表面的接触压强分布;微观上假设接触表面由微凸体构成,并基于接触压强采用考虑域拓展因子影响的三维分形模型计算锥形结合部的接触刚度.以BT40刀柄为研究对象,其无转速工况下主轴-刀柄系统理论预测与实验频响函数一致性较好,在此基础上分析转速及拉刀力对结合部刚度影响规律,确定了转速极限值为1.5×10^4 r/min,拉刀力合理取值范围为[8,12]kN,研究结果为主轴-刀柄系统的结构优化及应用提供理论基础.

采用超声方法的主轴-刀柄连接组件固有频率评估方法

精密机床主轴-刀柄组件的动力学特性对于精密加工具有重要影响,预测组件的固有频率对评估和改善加工性能具有重要意义,而其中的难点之一是准确确定主轴-刀柄界面的接触刚度。为此,本文采用超声波对7/24主轴-刀柄界面的接触刚度进行了实验测量,并建立了动力学模型确定了主轴刀柄组件的固有频率。在接触刚度的超声测量中,首先测量来自接触界面的超声反射信号,通过将其与参考界面的信号进行比较来计算反射系数,随后通过预先建立的接触压强-反射系数校正曲线得到接触界面的接触压力分布,最终使用接触压强-接触刚度经验方程式估算界面的接触刚度。将上述测得的接触刚度代入7/24主轴-刀柄组件的三维有限元动力学模型中,以实现其固有频率预测。通过将预测的固有频率与传统锤击法的测量结果进行了对比,结果表明用该方法测得的界面刚度动力学模型能够准确地预测装配体的固有频率。

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。

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。