基于磁流变阻尼器的滚珠丝杠进给系统主动抑振研究

针对滚珠丝杠进给系统轴向振动影响工件的加工质量和精度保持性的问题,将磁流变阻尼器应用于机床滚珠丝杠进给系统轴向抑振。设计磁流变阻尼器,进行磁流变阻尼器阻尼特性试验,采用最小二乘法和BP神经网络对阻尼力进行了辨识。建立带有磁流变阻尼器的机床滚珠丝杠进给系统单自由度振动模型,基于Runge-Kutta法计算了系统的动态响应。通过数值计算发现:阻尼器输入电流由零逐渐增大时,系统能够快速趋向于稳定;由幅频曲线可以看出,磁流变阻尼器抑制滚珠丝杠进给系统的振动是可行的。最后试验验证了磁流变阻尼器能够很好地抑制滚珠丝杠进给系统的振动。

数控车床主轴热变形检测及回转精度评定

针对主轴回转热误差包含的多种误差分量,采用双向正交法测量了不同转速温度场下数控车床主轴热变形所引起的回转误差。以复向量描述主轴回转精度理论为基础,利用FFT误差分离方法,从传感器测得的信号中分离并去除检棒的安装偏心及热变形导致的回转中心的偏移量,从而得到精确的主轴回转热误差信息,进而评定数控机床主轴热变形对加工精度的影响。

TIG电弧增材制造5356铝合金微观组织与拉伸性能

针对TIG电弧增材制造5356铝合金试样不同区域微观组织及性能变化开展研究.结果表明,试样结合层与沉积层水平交替呈现,底部区域沉积层宽度最大(~2.4 mm),中间稳定区最小(~1.6 mm);沉积层组织均以等轴晶为主,在灰色基体上弥散分布黑色β-Al3Mg2第二相,并伴有少量Mg2Si和(FeMn)Al6金属间化合物,结合层存在大量气孔及缩孔等缺陷;底部区域沉积层晶粒尺度最小,而结合层缺陷最多.不同区域水平方向强塑性无明显差异(R m=274 MPa,A=32.3%),垂直方向强度与水平方向近似相等,但断后伸长率下降到26%,两个方向拉伸断口均以等轴韧窝为主.3个区域沉积层硬度值稳定,底部沉积层硬度值略高于其余区域,而结合层硬度值波动明显.

立式数控平面研磨机力/位控制方法及试验研究

针对平面研磨的加工特点及现实要求,提出了一种扭矩限制与定尺寸控制相结合的立式数控平面研磨机力/位控制方法。将压力控制等效为扭矩控制,通过理论分析和试验找出了Z轴电机输出扭矩与研磨压力之间的函数关系,在速度模式下通过限制电机输出扭矩实现了研磨压力的调节。同时,利用伺服电机速度模式下的扭矩限制有效避免了加工中出现压力过大灼伤加工面的情况。设计了定尺寸机构实现最终负载端外环位置检测,直接控制工件加工尺寸,避免了中间环节的误差。试验结果表明该力/位控制方法研磨效果良好,压力控制稳定性和定位精度均能够满足研磨加工的工艺要求。与传统立式研磨机的控制方法相比,该方法不仅提高了研磨质量,且省去了液压或气压机构,避免了停机人工测量,提高了加工效率。

永磁同步型磨削电主轴偏心振动分析及实验

电主轴是将旋转主轴与电机转子集成为一体的主轴单元,结构复杂,由于加工或装配误差等原因,电主轴转子会存在着一定的偏心量,为探求由于电主轴偏心所导致的转子振动特性,建立了电主轴转子偏心模型,采用Maxwell应力张量法计算了偏心造成的不平衡磁拉力(UMP),将UMP解析式代入Jeffcott转子模型,得到了转子偏心振动方程。以某磨床的永磁同步电主轴为研究对象,利用有限元方法分析了UMP,发现作用于转子的UMP始终指向气隙最小的方向,研究了不同转速下转子在质量偏心离心力和UMP作用下的振动响应。研究结果表明,电主轴在低速运行时,UMP为转子振动的主要来源;随着转速的增加,质量偏心离心力对转子振动的影响更加明显,而UMP大小保持不变,其频率随转速增加而增大,对转子振动的作用随之减弱。对某机床厂所研发永磁同步型磨削电主轴在试运行时产生的振动问题进行了实验,对主轴振动频谱分析后判断实验电主轴存在静态偏心,测得主轴轴心轨迹对前述分析进行了验证。

ER5356铝合金焊丝TIG增材制造弧光强度及电弧形态分析

采用ER5356铝合金焊丝进行交流钨极氩弧焊(TIG)堆焊,高速摄像采集系统记录堆焊过程电弧形态,研究热输入及电流方式对成形件堆焊过程弧光强度、电弧形态及成形件宏观形貌的影响。结果表明,焊接线能量对电弧形态、弧光强度、成形件层宽、表面光洁度,以及起弧端凸起和熄弧端塌陷等均有显著影响。电流方式能有效调控起弧、稳态和熄弧阶段电弧形态、弧光强度及成形件形貌,并进一步对电弧形态及成形件形貌变化机制进行深入探讨。以上分析结果表明,采用低频交流脉冲调制堆焊工艺可获得较佳堆焊结构件,为实际工程应用提供理论依据及技术支撑。

基于磁流变阻尼器的机床液体静压导轨主动抑振方法研究

针对液体静压导轨在高速启停及变速瞬间切向振动的问题,将磁流变阻尼器应用于机床静压导轨切向运动方向的抑振。建立了系统单自由度振动模型,基于增量谐波平衡算法,以弧长作为控制增量研究了系统的动态响应。通过数值计算发现:磁流变阻尼器抑制静压导轨的振动是可行的;阻尼器控制电流由零逐渐增大时,振动系统幅频响应由硬特性向软特性转变,出现滞后区变窄、消失及二次跳跃现象;不同频率时,系统振幅与阻尼器控制电流关系曲线差别较大,频率较小时,振幅随阻尼器电流的增大而单调减小,而频率较大时,曲线复杂,出现跳跃现象。最后实验验证了磁流变阻尼器能够很好的抑制静压导轨的振动。

超磁致伸缩超声换能器的磁路优化设计

为了改善磁路环境,最大限度地降低超磁致伸缩超声换能器的发热,将磁路间隙作为研究对象,采用Maxwell有限元软件对磁路间隙与超磁致伸缩材料(GMM)棒的磁场强度的关系进行了分析,并通过实验对超声换能器的阻抗和振幅,以及GMM棒的温度进行了测量。结果表明:随着磁路间隙的增大,GMM棒的磁场强度和磁场均匀度减小;随着导磁圆筒槽宽的增大,超声换能器的谐振频率基本一致,GMM棒的温度减小。当导磁圆筒的槽宽约为6 mm时,该GMM棒的磁场均匀度最高,机械品质因数最大,这对超磁致伸缩超声换能器的优化设计具有重要的意义。

切向载荷下螺栓结合部静特性分析及试验

为了准确理解螺栓结合部静态特性,基于结合面基础特性建立了螺栓单元结合面解析数学模型,提出了一种等效分步载荷解析算法,可以实现在结合部承受切向载荷时,无需考虑载荷间耦合关系就能对结合部力平衡非线性隐含积分方程组进行快速准确求解。采用自行设计的螺栓结合部切向加载装置进行了结合部扭转和剪切加载试验。试验与解析结果均表明,在切向载荷不超过最大静摩擦力的情况下,螺栓结合面切向变形与外载荷成线性关系。解析与试验结果的一致性验证了模型的正确性,为机械结合面静态特性分析提供了理论和试验支持,求解算法可方便地将结合面研究成果应用于工程实践。

TIG增材成形5356铝合金温度场数值模拟分析

用Abaqus软件结合单元生死法,建立钨极惰性气体(tungsten inert gas,TIG)增材成形5356铝合金有限元模型,探讨层间冷却时间、增材方向及预热对温度场的影响规律,并通过实测温度验证仿真结果。结果表明:随层间冷却时间递增,第1层表面中点温度循环曲线的峰值与谷值下降;随层数增加,峰值温度先快速下降,后缓慢下降;谷值温度先快速增加,后缓慢增加。往复式增材成形可有效改善同向增材在熄弧端因热量积累导致的成形缺陷,有利于提升表面平整度。在合理温度范围内的基板预热可使温度分布更均匀。

直驱泵控电液伺服泄露补偿保压方法研究

为解决传统阀控或变量泵保压系统在工程应用中因温升高、结构复杂而带来的对油液污染敏感、保压精度差、效率低等问题,在分析永磁同步交流伺服电机调速性能和效率的基础上,结合齿轮泵结构简单、可靠性高的特点,提出了一种直驱泵控电液伺服泄漏补偿保压方法。系统保压时,根据流量连续性方程,使齿轮泵输出流量仅补偿回转液压缸泄漏量。该系统较传统保压系统结构简单、可靠性高且实现了节能。通过齿轮泵实际流量实验以及回转液压缸泄漏实验得到齿轮泵转速和系统保压压力之间的数学关系,建立系统保压数学模型,通过系统阶跃响应实验分析了该系统的动态性能。实验结果表明,该系统的输出能很好地跟随输入,满足系统保压性能要求。

永磁同步型磨削电主轴运动精度分析

随着高档数控机床对主轴的运动精度的要求不断提高,研究永磁同步型磨削电主轴运行精度问题是十分必要的。在基于主轴振动误差和热分析的基础上,分别建立了径向误差运动、倾角误差运动和轴向误差运动数学模型。应用最小二乘法近似算法拟合主轴径向误差运动轨迹,然后对倾角运动误差进行建模,得到主轴回转轴线的倾斜角度。结合时域和频域信号分析方法,对轴向运动误差轨迹展开分析。为了实现一次测量主轴径向和轴向误差位移,并且获得主轴热误差,采用了典型的双标准球5-DOF测量主轴误差装置。通过国产某机床厂所研发永磁同步型磨削电主轴在试运行时主轴回转误差问题进行了实验。研究结果表明:当转速升高到最高转速,径向误差和轴向误差升高,离心力对主轴精度作用更加明显;当存在主轴偏心时,径向误差运动轨迹为逐渐由近似圆过渡到花瓣状态;双标准球五点法测试方法不仅可以判断电主轴制造存在的制造、装配等问题,并且该实验方法可应用于电主轴误差运动的实验,同时满足倾角误差、轴向误差运动和主轴温度变形的测试。

高速电主轴转子轴承系统动力学特性分析

为了预测高速电主轴转子轴承系统的动力学行为,本文以150MD25Z7.5高速电主轴转子轴承系统为研究对象,考虑质量偏心及“负刚度”效应,建立转子轴承系统动力学模型。运用Runge-Kutta法及稳定性理论,分析了系统动力学响应及不动点处的局部稳定性。结果表明:①转速的增加,系统振幅逐渐增大,且系统表现出复杂的动力学行为。②轴承刚度的增加,系统振幅呈现下降的趋势,且系统始终处于周期运动。③根据稳定性理论,系统在固定点(±1,0)附近,是失稳的,在固定点(0,0)附近,是渐近稳定的。

凹坑-树状分叉微细通道换热特性的数值研究

通过求解三维雷诺时均N-S方程和SSG雷诺应力模型,数值研究了透平叶片内部树状分叉微细通道中的流动和换热特性,着重分析了壁面凹坑结构对通道强化换热特性的影响。研究表明:在本文研究结构下,通道分叉引起的纵向涡二次流和凹坑引起的分离涡二次流是通道换热得到强化的主要原因。蒸汽和空气在通道中的二次流涡旋流动特性相似,但热物性的差异使得蒸汽的平均努塞尔数比空气的高约48%～67%。在不同的凹坑流向间距下,蒸汽冷却的摩擦系数比均随着雷诺数的增加先减小后增大,努塞尔数比和强化换热因子则均随着雷诺数的增加而减小。当凹坑流向间距为3时,通道中蒸汽冷却的强化换热性能最佳。

激光金属成形缺陷在线检测方法及热场仿真

针对激光金属沉积(LMD)增材制造过程中易产生微裂纹等冶金缺陷,严重影响制件疲劳力学性能的问题,提出了LMD增材制造冶金缺陷在线红外扫描检测的方法。为验证该检测方法的可行性,进行了LMD钛合金试件人工裂纹缺陷热场仿真分析与红外测温扫描检测实验研究。通过缺陷热场仿真分析揭示了红外测温特征峰峰高与裂纹宽度、深度的关系规律。人工裂纹检测实验表明,红外测温仪探头扫过各人工裂纹上方时,测温波形会出现明显增高的特征峰。通过仿真拟合关系式计算的裂纹宽度温升幅度曲线与实验数据曲线的比较验证了仿真分析结果的正确性。

介观尺度切削无氧铜本构模型建立与仿真

微细加工会产生介观尺度下的尺度效应,应用基于位错机制的应变梯度塑性理论,考虑材料的微观结构特性,建立介观尺度下的材料本构模型,可解释微细加工中产生的尺度效应现象。对理论推导出来的介观尺度下的材料本构模型进行分析研究,得到不同切削条件下的应力-应变曲线及仿真结果。研究表明,随着切削厚度的不断增加,材料的应力-应变曲线会逐渐趋向于宏观切削时的应力-应变曲线。当刀具的前角不断增大,材料的应力会随之增加,即材料所表现的尺度效应会更加明显。刀具的前角对于切屑的形成也会产生很大的影响,当刀具前角较小时会更有利材料在前刀面堆积而形成切屑。刀具切削刃半径是微细加工中最小切削厚度现象产生的根本原因。随着刀具切削刃半径的减小,材料所表现的尺度效应也更加明显。

液体静压导轨初始液阻比的最优设计分析

液体静压导轨刚度是衡量导轨性能的关键指标之一。以采用固定液阻的液体静压导轨为研究对象,通过理论推导得出液体静压导轨刚度s与油膜位移率ε(t)、初始液阻比λ_0的数学方程,研究发现随着初始液阻比λ_0的增加,导轨出现明显的刚度峰值s_(max),该峰值随液阻比λ_0的增加而增大,且同时向曲线右侧偏移,但随着刚度峰值的增加s_(max),导轨承载能力下降,系统溢流损失增大。提出了一种以导轨受载工况时的刚度需求,确定最优初始液阻比的方法,为液体静压导轨的综合性能的提升提供了依据。

联合载荷下高速角接触球轴承动刚度分析

考虑惯性载荷,建立高速角接触球轴承拟静力学分析模型,计算轴承动刚度。以B7008C角接触球轴承为例,分析不同载荷及转速对轴承的接触状态及动刚度的影响,结果表明:较大的径向载荷,较小的轴向载荷及过高的转速会使部分球与沟道分离,接触球数量减少,对轴承轴向刚度影响较小,但会导致轴承径向刚度发生突变。

考虑节流形式的液体静压导轨油膜动刚度建模研究

液体静压导轨的动刚度性能直接影响着机床的加工精度。为分析不同节流形式下液体静压导轨的动刚度变化趋势,分别选取固定液阻、可变液阻与无液阻节流,建立液体静压导轨的承载力与动刚度模型。当导轨使用固定液阻或可变液阻节流时,导轨承载力F随初始阻尼比的增加而减小,随油膜厚度变化率ε的增加而增大;导轨动刚度s随初始阻尼比的增加逐渐呈现明显的峰值,且该峰值随初始阻尼比的增加逐渐向较大的油膜厚度变化率ε方向移动;在相同条件下,可变液阻节流在较小的油膜厚度变化率ε下能获得较大的导轨承载力F与导轨动刚度;无液阻节流时,导轨刚度与导轨承载力随压力比、油膜厚度变化率ε的增大呈单调递增。

基于频响函数的液体静压导轨结合部动态参数辨识研究

液体静压导轨作为精密机床的关键部件,其性能参数直接影响着机床的整机性能。应用单点激振、多点拾振的频响函数法获取液体静压导轨空间3个方向上的动态响应特性。采用一种改进的频率响应函数方法,编制了相应的辨识算法,对液体静压导轨的动态特性参数进行辨识,得到了液体静压导轨结合部导轨空间3个方向上的模态质量矩阵、刚度矩阵、黏性阻尼矩阵、结构阻尼矩阵。结果表明:导轨滑台垂直Z方向上刚度矩阵、黏性阻尼矩阵数量级随激振频率的增加而呈非线性增大,导轨进给X方向与Y方向动态参数受高频激振频率影响较小。