高速切削系统动态特性研究

发布时间：2017-06-01 09:17

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【摘要】：高速切削系统(包括机床、刀具、工件和切削过程)是复杂的动态系统,系统的动态特性对加工质量、生产效率、生产成本乃至整个加工系统的安全寿命起着至关重要的影响和制约作用。因此,对高速切削系统的动态特性的研究是促进高速切削技术发展和推广应用的重要应用基础课题。 本论文以高速切削系统为研究对象,针对高速切削的特点,研究了系统的动态特性及切削稳定性: 分析了高速切削中最常出现的再生型颤振、强迫再生振动和共振的机理,分析了发生振动时在切削加工状态下机床切削系统的振幅对于空转状态下机床结构的振幅的放大比,建立了高速切削动力学模型。 以高速铣削主轴、刀柄、刀具旋转系统为例,建立了考虑高转速引起的离心力和陀螺力矩影响的动力学模型,采用有限元数值分析方法,分析其动态特性,主要包括:对面铣刀(不同直径、不同齿数)和立铣刀(不同外伸长径比)进行动态特性分析;对BT40主轴/刀柄和HSK63主轴/刀柄两种不同联结结构进行动态特性分析,分析比较两种主轴/刀柄联结结构在不同转速下离心力和陀螺力矩对动态特性的影响及其变化规律,并分析了在不同的主轴支承情况下的动态特性;分析了不同刀具分别与BT40主轴/刀柄和HSK63主轴/刀柄匹配在不同转速下的动态特性。数值计算显示:高速下离心力与陀螺矩阵对系统动态特性影响明显;由于HSK主轴/刀柄采用双面联结结构,其在高转速下的动态特性比采用单面联结的BT主轴/刀柄结构优越。 基于所建的动力学模型,分析了考虑高转速影响的陀螺系统的基本特性,给出了高速切削稳定性临界条件判据及其切削稳定性极限的预测分析方法,并对单自由度系统与多自由度系统的稳定性极限进行解析计算,提出以加工中心的最大主轴转速附近区域是否处在稳定区以及稳定切削区域的最大转速n与最大轴向切深b_(lim)的乘积的大小来评价不同加工中心的稳定性。 设计并实施了高速加工中心模态实验和高速铣削动态实验,识别系统的各阶临界转速,实验分析了不同的机床、刀具、工件匹配在不同切削条件下系统的动态特性,分析不同切削条件对切削稳定性的影响,对所建的动力学模型及其系统的动态特性的数值分析结论进行了验证,并利用实验数据绘出不同切削条件下的切削稳定性极限图。
【关键词】：高速切削 动态特性 切削稳定性 振动 有限元法
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TG506.1
【目录】：

• 山东大学硕士学位论文8-92
• 召巴里巴里巴巴里巴里里三巴里里里8
• 摘要8
• ABSTRACT8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 本课题的研究目的和意义8-9
• 1.2 课题背景及国内外研究现状9-14
• 1.2.1 高速切削加工技术概述9-10
• 1.2.2 切削过程中的振动及切削稳定性的研究10-13
• 1.2.3 有限元法在高速切削系统动态特性研究中的应用13-14
• 1.3 目前存在的问题14
• 1.4 课题来源及主要研究内容14-16
• 1.4.1 课题来源14
• 1.4.2 主要研究内容14-16
• 第2章 高速切削系统的振动机理16-25
• 2.1 再生型颤振16-19
• 2.1.1 再生型颤振机理16-17
• 2.1.2 再生型颤振的动力学模型17-19
• 2.2 强迫再生振动19-23
• 2.2.1 强迫再生振动机理及动力学模型19-21
• 2.2.2 强迫力激励的强迫再生振动21-23
• 2.2.3 强迫位移激励的强迫再生振动23
• 2.3 共振23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 高速切削刀具动态特性分析二25-35
• 3.1 面铣刀的动态特性分析25-32
• 3.1.1 直径为125111111的面铣刀的动态特性25-30
• 3.1.2 直径为250们nrn的面铣刀的动态特性30-32
• 3.2 立铣刀的动态特性分析32-34
• 3.2.1 不同外伸长径比对立铣刀动态特性的影响32-33
• 3.2.2 外伸长径比不同的立铣刀对系统动态特性的影响33-34
• 3.3 本章小结34-35
• 第4章 高速切削系统主轴/刀柄动态特性分析35-61
• 4.1 主轴/刀柄联结的结构分析36-38
• 4.1.1 主轴/刀柄联结的定位36
• 4.1.2 主轴/刀柄联结的结构特点36-38
• 4.2 主轴/刀柄联结的动态特性38-41
• 4.3 在高速旋转下主轴/刀柄联结的动态特性二41-46
• 4.3.1 BT4 O主轴/刀柄联结的动态特性42-43
• 4.3.2 HSK63主轴/刀柄联结的动态特性43-46
• 4.4 不同支承刚度对主轴/刀柄系统动态特性的影响46-49
• 山东大学硕士学位论文49
• 1旦旦旦旦绝绝口巴口口里旦口旦绝49
• 4.5 面铣刀与主轴/刀柄匹配的动态特性49-54
• 4.6 立铣刀与主轴/刀柄匹配的动态特性54-60
• 4.7 本章小结60-61
• 第5章 高速切削稳定性分析61-71
• 5.1 稳定性理论和稳定性判据61-64
• 5.1.1 李雅普诺夫稳定性定义61-62
• 5.1.2 线性系统稳定性判别准则62
• 5.1.3 非线性系统的稳定性判别62-64
• 5.2 陀螺系统的稳定性64-65
• 5.3 高速切削稳定性判据及评价分析方法65-69
• 5.3.1 高速切削稳定性的判据65-67
• 5.3.2 单自由度系统稳定性极限分析67
• 5.3.3 多自由度系统稳定性极限分析67-69
• 5.3.4 高速切削稳定性极限的评价69
• 5.4 本章小结69-71
• 第6章 高速切削系统动态实验71-83
• 6.1 实验目的71
• 6.2 实验方案71-74
• 6.2.1 测量信号的选择71-72
• 6.2.2 实验系统72-73
• 6.2.3 实验步骤73-74
• 6.3 实验设备的选用74-75
• 6.3.1 实验用仪器74
• 6.3.2 测试系统74
• 6.3.3 测试信号分析软件74-75
• 6.4 实验测试及结果分析75-76
• 6.4.1 模态实验结果分析75-76
• 64.2 切削实验结果分析76-81
• 6.5 本章小结81-83
• 结论83-85
• 参考文献85-90
• 攻读硕士学位期间发表论文目录90-91
• 致谢91-92

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 葛茂杰;孙杰;李剑峰;;石蜡辅助加固钛合金薄壁件铣削稳定性研究[J];山东大学学报(工学版);2011年01期

2 朱海燕;;硬质合金刀具高速铣削钛合金的稳定性研究[J];现代计算机(专业版);2012年26期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 赵德敏;非线性颤振系统的分岔与混沌[D];天津大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前9条

1 张行;CX8075高速加工中心结构有限元分析及轻量化研究[D];郑州大学;2011年

2 葛茂杰;石蜡加固钛合金薄壁件切削加工稳定性研究[D];山东大学;2011年

3 闫雪;难加工材料高速铣削切削力研究[D];西北工业大学;2007年

4 李志刚;铣削加工过程的稳定性仿真及有限元研究[D];西南交通大学;2007年

5 牟涛;高速铣削钛合金Ti6Al4V的刀具磨损研究[D];山东大学;2009年

6 孙惠娟;基于数字化技术的机床高速主轴系统开发与研究[D];西华大学;2010年

7 张坤朋;高硬度淬硬钢模具高速铣削性能研究[D];广西大学;2012年

8 宋志鹏;HSK热装刀柄及其工具系统性能的研究[D];江苏大学;2010年

9 聂文武;基于薄盘类刀具的HSK工具系统性能研究[D];江苏大学;2010年

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本文编号：412265