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基于高速加工中心刀具系统静动态性能的研究

作　者: 唐林虎
导　师: 谢黎明
学　校: 兰州理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 高速旋转刀具系统主轴/刀具联结系统不平衡量离心力动平衡应力场
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 243次
引　用: 5次
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内容摘要

高速车铣技术是20世纪90年代以来随着高速切削技术的发展而迅速崛起的一种先进制造技术,它体现了当代切削技术朝“高速化+精密化”发展的趋势。高速切削技术的发展过程中刀具技术起到了非常关键的作用,因此,高速切削对刀具有关的其它问题,包括刀具和刀柄的联结、刀柄和机床主轴的联结以及刀具系统的动态性能提出了新的要求。基于上述要求,本课题主要做了以下工作: 第一,从理论上详尽地分析了影响高速旋转刀具系统回转精度的有关因素以及发生强迫振动的原因,并提出了减小刀具系统振动的配重措施。阐述了高速状态下离心力对主轴/刀具联结系统特性的影响,推导出了主轴装夹刀柄时的过盈量与脱松角速度、主轴外径与刀柄内径之间的关系,以及主轴/刀具联结系统在离心力作用下膨胀后联结间隙与过盈量之间的关系。第二,运用ANSYS软件分析了刀具系统静力学和动力学特性、刀具系统应力场和变形量对其特性的影响,并且结合刀具系统模态分析较为系统全面地研究了高速切削刀具系统的安全性,为合理设计高速旋转刀具系统的结构提供了有益的参考。第三,对刀具系统做有限元模态分析,确定了刀具系统的固有振动频率。模态分析不仅提供了一种计算固有频率的方法,也可为研究高速加工系统的振动提供参考。最后,依据对刀具系统的理论分析、研究结果,提出了高速旋转刀具系统的动平衡的相关技术以及避振刀柄。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-9
插图索引  9-10
附表索引  10-11
第一章绪论  11-19
  1.1 高速切削技术概论  11-17
    1.1.1 高速切削的起源与发展过程  12-14
    1.1.2 高速车铣技术的特点和发展状况  14-16
    1.1.3 高速车铣关键技术和相关技术  16-17
  1.2 高速切削存在的问题及其展望  17-18
    1.2.1 机床/刀具接口技术存在的普遍问题  17
    1.2.2 刀具系统的动平衡技术  17-18
    1.2.3 车铣复合加工中心对刀具系统的主要要求  18
  1.3 本课题主要进行的工作  18-19
第二章基于有限元方法的高速铣刀力学模型的建立  19-24
  2.1 铣刀所受负载的确定  19-20
    2.1.1 铣刀所受切削力的计算  19-20
  2.2 高速旋转铣刀力学模型的建立  20-22
    2.2.1 ANSYS有限元软件概述  20-21
    2.2.2 铣刀几何模型的建立  21
    2.2.3 刀具系统位移边界条件的确定  21-22
  2.3 刀具系统模型网格划分  22-23
    2.3.1 建立或者选取元素的数据  23
    2.3.2 设定网格建立所需要的参数  23
  2.4 本章小结  23-24
第三章高速旋转刀具系统离心力效应的分析  24-50
  3.1 主轴/刀具联结系统离心力效应的分析  24-29
    3.1.1 力学分析  24-26
    3.1.2 ω>ω~*时主轴/刀具联结系统的变形分析  26-27
    3.1.3 HSK联结系统的ANSYS有限元分析  27-28
    3.1.4 解决主轴/刀具联结系统扩张的措施  28-29
  3.2 不平衡量对刀具系统应力场和变形量的影响  29-38
    3.2.1 动平衡的理论分析及离心力的计算  29-31
    3.2.2 低速旋转时刀具系统应力场和变形量的分析与研究  31-33
    3.2.3 超高速时刀具系统应力场和变形量的分析与研究  33-36
    3.2.4 不同转速下刀具系统应力场和变形量的分析与研究  36-38
  3.3 偏心位置对刀具系统应力场的影响  38-41
  3.4 高速旋转刀具系统的振动分析及控制途径  41-44
    3.4.1 刀具系统不平衡量的激励  42-43
    3.4.2 刀具系统振动的控制途径  43-44
  3.5 刀具系统(铣刀-刀柄)的模态分析  44-48
    3.5.1 模态分析简述  44
    3.5.2 刀具系统的模态分析过程  44-45
    3.5.3 有限元模态分析结果  45-48
  3.6 本章小结  48-50
    3.6.1 关于主轴/刀具联结系统  48
    3.6.2 不平衡量对刀具系统影响的分析  48
    3.6.3 刀具系统振动的分析  48-49
    3.6.4 刀具系统模态的分析  49-50
第四章高速旋转刀具系统的机械故障与预防措施  50-60
  4.1 高速切削时主轴/刀柄的可靠联结  50-52
    4.1.1 刀具系统离心力效应产生的副作用  50
    4.1.2 预防措施  50-51
    4.1.3 典型高速主轴/刀柄联结的设计  51-52
  4.2 刀具系统的动平衡技术  52-57
    4.2.1 引起刀具系统动不平衡的原因  52
    4.2.2 刀具系统动平衡的解决方案  52-54
    4.2.3 刀具系统动平衡的具体方法—配重法  54-57
    4.2.4 刀具系统动平衡先进技术展望  57
    4.2.5 高速切削刀具系统动平衡研究的存在问题  57
  4.3 刀具系统的振动控制  57-59
    4.3.1 提高刀具系统的动态刚性—被动阻尼避振刀柄  58
    4.3.2 阻尼避振刀柄的改型结构  58-59
  4.4 本章小结  59-60
第五章结论  60-61
参考文献  61-63
致谢  63-64
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  64

基于高速加工中心刀具系统静动态性能的研究

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