高速HSK熱裝工具系統(tǒng)結合部的參數(shù)辨識理論及切削穩(wěn)定性研究.pdf

1、高速加工工具系統(tǒng)是高檔數(shù)控機床的重要功能部件之一，其性能直接影響機床的加工質量和生產(chǎn)效率。HSK熱裝刀柄及工具系統(tǒng)是高速加工工具系統(tǒng)的主要形式之一，由于其具有傳動鏈短、剛度高、連接性能可靠等特點，在高速切削加工中得到了廣泛應用。因此，開展高速HSK熱裝工具系統(tǒng)的結合部動態(tài)特性及切削穩(wěn)定性研究，對提高高檔數(shù)控機床的加工質量和生產(chǎn)效率具有重要的理論意義和實用價值。
　　本論文采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗方法，致力于研究HSK熱裝工具系

2、統(tǒng)的結合部參數(shù)辨識理論和切削穩(wěn)定性。其目的在于構建基于結合部的HSK主軸-熱裝刀柄-刀具系統(tǒng)的動力學模型，揭示HSK熱裝工具系統(tǒng)動態(tài)特性規(guī)律;準確辨識HSK主軸-刀柄和熱裝刀刀柄-刀具結合部參數(shù)，采用耦合響應理論，預測HSK熱裝工具系統(tǒng)刀尖點頻響函數(shù)，探究各結合部對HSK熱裝工具系統(tǒng)動態(tài)特性的影響規(guī)律;建立HSK熱裝工具系統(tǒng)的銑削動力學模型，基于顫振解析理論，計算HSK熱裝工具系統(tǒng)刀尖穩(wěn)定性葉瓣圖，并進行HSK熱裝工具系統(tǒng)的銑削力實驗，

3、探究HSK熱裝工具系統(tǒng)切削穩(wěn)定性規(guī)律。主要研究工作有:
　　1、建立HSK主軸-熱裝刀柄-刀具系統(tǒng)的動力學模型
　　根據(jù)HSK熱裝工具系統(tǒng)的結構，構建基于結合部的HSK主軸-熱裝刀柄-刀具系統(tǒng)的動力學模型。其中，軸承-主軸結合部簡化為彈簧-阻尼模型，HSK主軸-刀柄結合部和熱裝刀柄-刀具結合部簡化為并聯(lián)均布的彈簧-阻尼模型;HSK主軸、熱裝刀柄和刀具都假定為分段Timoshenko梁模型。
　　2、提出計算HSK主軸-

4、熱裝刀柄-刀具系統(tǒng)刀尖點頻響函數(shù)的新方法
　　提出基于Timoshenko梁理論的多點耦合響應法，來分析HSK主軸-熱裝刀柄-刀具系統(tǒng)刀尖點的頻響函數(shù)。先使用結構修正法與耦合響應法，計算基于軸承-主軸結合部的HSK主軸頻響矩陣;再采用耦合響應法計算熱裝刀柄和刀具端點頻響函數(shù);并使用多點耦合響應法計算HSK主軸-刀柄結合部和熱裝刀柄-刀具結合部端點頻響函數(shù);最終，將各部件端點頻響函數(shù)進行剛性耦合，進而推導出基于結合部的HSK熱裝工具

5、系統(tǒng)刀尖點頻響函數(shù)方程。
　　3、提出HSK主軸-刀柄結合部與熱裝刀柄-刀具結合部參數(shù)辨識的新方法
　　綜合國內外學者所采用辨識方法的優(yōu)缺點，首次提出將有限元法辨識的結合部內各位置剛度參數(shù)和有限差分法辨識的結合部端點阻尼參數(shù)，分別作為結合部的剛度參數(shù)和阻尼參數(shù)。先使用有限元法辨識結合部內各位置的剛度參數(shù)和阻尼參數(shù)（c*ω），并探討不同因素對各結合部剛度參數(shù)和阻尼參數(shù)的影響;再采用有限差分和實驗測量相結合的方法辨識結合部端點處

6、的剛度和阻尼參數(shù)。最后，將所辨識參數(shù)分別代入HSK主軸-刀柄系統(tǒng)和熱裝刀柄-刀具系統(tǒng)梁單元模型中，分析基于結合部的系統(tǒng)動態(tài)特性;并與實驗測量值比較，驗證參數(shù)辨識方法的可行性。
　　4、系統(tǒng)揭示出基于結合部的HSK熱裝工具系統(tǒng)動態(tài)特性及其變化規(guī)律
　　根據(jù)結合部剛度的并聯(lián)特性，將結合部內各位置的剛度等效到結合部的端點處，便可將各結合部簡化為端點處的彈簧-阻尼模型?；诮Y合部的HSK主軸-熱裝刀柄-刀具系統(tǒng)動力學模型，采用耦合響

7、應法分析HSK熱裝工具系統(tǒng)的動態(tài)特性;改變結合部的剛度參數(shù)，比較不同剛度參數(shù)下HSK熱裝工具系統(tǒng)模態(tài)值變化的大小，探究各結合部對HSK熱裝工具系統(tǒng)動態(tài)特性的影響規(guī)律。
　　5、建立HSK熱裝工具系統(tǒng)的銑削動力學模型
　　假定工件剛性遠遠高于熱裝工具系統(tǒng)剛性，忽略工件的振動，由此使用相互垂直的兩個自由度系統(tǒng)來構建HSK熱裝工具系統(tǒng)動力學模型;基于顫振解析法，推導HSK熱裝工具系統(tǒng)穩(wěn)定性葉瓣圖方程，再結合HSK熱裝工具系統(tǒng)刀尖點

8、頻響函數(shù)、工件材料、切削參數(shù)和刀具切削角度，計算HSK熱裝工具系統(tǒng)的穩(wěn)定性葉瓣圖。
　　6、HSK熱裝工具系統(tǒng)切削穩(wěn)定性實驗研究
　　進行HSK熱裝工具系統(tǒng)銑削力實驗，以切削力時域信號為判斷標準，保證主軸轉速和徑向切削深度不變，隨著軸向切削深度的增加，HSK熱裝工具系統(tǒng)銑削過程從穩(wěn)定性狀態(tài)過渡到不完全穩(wěn)定性狀態(tài)，再變化到完全不穩(wěn)定狀態(tài)，以此驗證理論穩(wěn)定性葉瓣圖的準確性。
　　因此，準確辨識結合部的動態(tài)參數(shù)，分析與研究高