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文檔簡介
1、高速加工是集制造技術、材料科學、信息科學和控制理論為一體的綜合高新技術,在汽車、模具、航空航天等制造領域得到了廣泛的應用,并取得了顯著的經(jīng)濟效益。高速加工工具系統(tǒng)是高速精密數(shù)控機床的重要組成部分,其結構特性、動態(tài)性能和動平衡性等直接影響和制約著高速加工質量和生產(chǎn)效率,因此,系統(tǒng)開展工具系統(tǒng)動力學特性及基礎應用技術的研究具有重要的學術價值和應用前景。本文采用理論分析、數(shù)值計算、振動測試和切削加工實驗相結合的方法,以高速加工工具系統(tǒng)為研究對
2、象,在建立其動力學理論模型的基礎上,系統(tǒng)、全面地分析了高速加工工具系統(tǒng)的結構模態(tài)參數(shù)、工況振動特性和動態(tài)響應的變化規(guī)律,進而實現(xiàn)其動態(tài)結構的整體優(yōu)化,主要工作及創(chuàng)新成果為:
1.基于FEM和EMA相結合,首次構建了高速加工工具系統(tǒng)的動力學實體模型基于線彈性理論,采用有限元模態(tài)分析(簡稱FEM)和實驗模態(tài)分析(簡稱EMA)相結合的方法,構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力學實體模型,計算出系統(tǒng)的各階固有頻率
3、和振型,通過實驗模態(tài)分析方法驗證了有限元模型構建過程和計算結果的合理性,在此有限元模型的基礎上,分析了刀桿直徑、刀桿長度、聯(lián)接過盈量等結構因素對工具系統(tǒng)結構模態(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)結構模態(tài)參數(shù)的影響程度。
2.系統(tǒng)揭示出工具系統(tǒng)在動態(tài)激勵下的動態(tài)響應特性及其變化規(guī)律在構建工具系統(tǒng)有限元動力學模型和分析工具系統(tǒng)所受動態(tài)激勵類型的基礎上,計算和分析了工具系統(tǒng)承受不平衡量和動態(tài)切削
4、力的動態(tài)響應及變化規(guī)律。通過機床升速空運轉振動測試,比較了主軸系統(tǒng)空運轉和主軸-工具系統(tǒng)空運轉各自的振動特性。測試了不同平衡量大小的工具系統(tǒng)在空運轉時的振動特性,揭示了工具系統(tǒng)承受強迫振動的頻響結構,為有效降低整個加工系統(tǒng)的振動響應提供了理論依據(jù)。
3.基于不平衡量系統(tǒng)分析了工具系統(tǒng)的振動特性設計了不平衡量大小可調的工具系統(tǒng)和采用多因素正交切削試驗,全面分析了不平衡量和切削用量對主軸振動、加工工件振動、三向動態(tài)切削力和加工
5、表面粗糙度的影響程度、主次關系和變化規(guī)律,驗證了工具系統(tǒng)不平衡量動態(tài)響應的理論計算結果,同時為高速切削選用合理的切削用量提供了重要參考。
4.首次實現(xiàn)了刀柄和主軸接觸疲勞壽命的預測預報在構建工具系統(tǒng)屈曲響應模型的基礎上,計算和分析了工具系統(tǒng)在工況條件下屈曲響應的主要的影響因素及變化規(guī)律。進一步構建了主軸-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上,評估了各個接觸區(qū)域的疲勞應力因子和疲勞安全因子,預測了各個區(qū)域的
6、疲勞壽命,為深入研究主軸/刀柄聯(lián)接錐面疲勞失效機理提供理論參考。
5.基于工具系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)和結構優(yōu)化,提出了開發(fā)新型工具系統(tǒng)的一種新方法在構建工具系統(tǒng)動力學有限元模型的基礎上,以其工況固有頻率為優(yōu)化目標,根據(jù)工況要求對其模態(tài)參數(shù)和結構尺寸進行了優(yōu)化,使其在工作狀況下的動態(tài)性能到達了最佳化,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)動力學特性的基礎理論、振
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