高速HSK热装工具系统结合部的参数辨识理论及切削稳定性研究

摘要

高速加工工具系统是高档数控机床的重要功能部件之一，其性能直接影响机床的加工质量和生产效率。HSK热装刀柄及工具系统是高速加工工具系统的主要形式之一，由于其具有传动链短、刚度高、连接性能可靠等特点，在高速切削加工中得到了广泛应用。因此，开展高速HSK热装工具系统的结合部动态特性及切削稳定性研究，对提高高档数控机床的加工质量和生产效率具有重要的理论意义和实用价值。
　　本论文采用理论分析、数值模拟和实验方法，致力于研究HSK热装工具系统的结合部参数辨识理论和切削稳定性。其目的在于构建基于结合部的HSK主轴-热装刀柄-刀具系统的动力学模型，揭示HSK热装工具系统动态特性规律;准确辨识HSK主轴-刀柄和热装刀刀柄-刀具结合部参数，采用耦合响应理论，预测HSK热装工具系统刀尖点频响函数，探究各结合部对HSK热装工具系统动态特性的影响规律;建立HSK热装工具系统的铣削动力学模型，基于颤振解析理论，计算HSK热装工具系统刀尖稳定性叶瓣图，并进行HSK热装工具系统的铣削力实验，探究HSK热装工具系统切削稳定性规律。主要研究工作有:
　　1、建立HSK主轴-热装刀柄-刀具系统的动力学模型
　　根据HSK热装工具系统的结构，构建基于结合部的HSK主轴-热装刀柄-刀具系统的动力学模型。其中，轴承-主轴结合部简化为弹簧-阻尼模型，HSK主轴-刀柄结合部和热装刀柄-刀具结合部简化为并联均布的弹簧-阻尼模型;HSK主轴、热装刀柄和刀具都假定为分段Timoshenko梁模型。
　　2、提出计算HSK主轴-热装刀柄-刀具系统刀尖点频响函数的新方法
　　提出基于Timoshenko梁理论的多点耦合响应法，来分析HSK主轴-热装刀柄-刀具系统刀尖点的频响函数。先使用结构修正法与耦合响应法，计算基于轴承-主轴结合部的HSK主轴频响矩阵;再采用耦合响应法计算热装刀柄和刀具端点频响函数;并使用多点耦合响应法计算HSK主轴-刀柄结合部和热装刀柄-刀具结合部端点频响函数;最终，将各部件端点频响函数进行刚性耦合，进而推导出基于结合部的HSK热装工具系统刀尖点频响函数方程。
　　3、提出HSK主轴-刀柄结合部与热装刀柄-刀具结合部参数辨识的新方法
　　综合国内外学者所采用辨识方法的优缺点，首次提出将有限元法辨识的结合部内各位置刚度参数和有限差分法辨识的结合部端点阻尼参数，分别作为结合部的刚度参数和阻尼参数。先使用有限元法辨识结合部内各位置的刚度参数和阻尼参数（c*ω），并探讨不同因素对各结合部刚度参数和阻尼参数的影响;再采用有限差分和实验测量相结合的方法辨识结合部端点处的刚度和阻尼参数。最后，将所辨识参数分别代入HSK主轴-刀柄系统和热装刀柄-刀具系统梁单元模型中，分析基于结合部的系统动态特性;并与实验测量值比较，验证参数辨识方法的可行性。
　　4、系统揭示出基于结合部的HSK热装工具系统动态特性及其变化规律
　　根据结合部刚度的并联特性，将结合部内各位置的刚度等效到结合部的端点处，便可将各结合部简化为端点处的弹簧-阻尼模型。基于结合部的HSK主轴-热装刀柄-刀具系统动力学模型，采用耦合响应法分析HSK热装工具系统的动态特性;改变结合部的刚度参数，比较不同刚度参数下HSK热装工具系统模态值变化的大小，探究各结合部对HSK热装工具系统动态特性的影响规律。
　　5、建立HSK热装工具系统的铣削动力学模型
　　假定工件刚性远远高于热装工具系统刚性，忽略工件的振动，由此使用相互垂直的两个自由度系统来构建HSK热装工具系统动力学模型;基于颤振解析法，推导HSK热装工具系统稳定性叶瓣图方程，再结合HSK热装工具系统刀尖点频响函数、工件材料、切削参数和刀具切削角度，计算HSK热装工具系统的稳定性叶瓣图。
　　6、HSK热装工具系统切削稳定性实验研究
　　进行HSK热装工具系统铣削力实验，以切削力时域信号为判断标准，保证主轴转速和径向切削深度不变，随着轴向切削深度的增加，HSK热装工具系统铣削过程从稳定性状态过渡到不完全稳定性状态，再变化到完全不稳定状态，以此验证理论稳定性叶瓣图的准确性。
　　因此，准确辨识结合部的动态参数，分析与研究高速HSK热装工具系统的动力学特性，并探究结合部对热装工具系统动力学特性的影响，为开发适用于高速切削的新型工具系统提供理论依据;建立HSK热装工具系统切削动力学模型，准确预测热装工具系统刀尖点频率响应函数，计算与分析稳定性叶瓣图，为避免颤振与保证高速切削稳定性提供理论保证，并为高速HSK热装工具系统优化设计提供理论指导。

目录

封面

声明

摘要

英文摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 高速主轴-刀柄结合部和高速刀柄-刀具结合部特性的研究进展

1．2．1 高速主轴-刀柄结合部

1．2．2 高速刀柄-刀具结合部

1．2．3 HSK热装工具系统

1．3 国内外有关高速加工工具系统结合部特性的研究进展

1．4 高速加工工具系统结合部特性研究尚待解决的主要问题

1．5 本文的主要研究内容及意义

1．5．1 课题来源

1．5．2 主要研究内容及意义

1．6 本章小结

第二章 HSK主轴-热装刀柄-刀具系统动力学模型及耦合响应理论基础

2．1 HSK主轴-热装刀柄-刀具系统动力学模型

2．2 耦合响应理论基础

2．2．1 部件的耦合响应

2．2．2 部件段的耦合

2．2．3 轴承-主轴结合部的耦合响应

2．2．4 结合部的多点耦合响应

2．2．5 HSK热装工具系统的耦合响应

2．3 本章小结

第三章 HSK主轴-刀柄结合部的参数辨识

3．1 基于有限元法的HSK主轴-刀柄结合部参数辨识

3．1．1 有限元法辨识结合部参数的基本流程

3．1．2 HSK主轴-刀柄结合部的有限元模型

3．1．3 基于有限元法的参数辨识

3．1．4 HSK主轴-刀柄结合部的主要影响因素分析

3．2 基于有限元差分法的HSK主轴-刀柄结合部参数辨识

3．2．1 HSK主轴-刀柄结合部的参数辨识

3．2．2 基于耦合响应法的刀柄频响矩阵

3．2．3 基于有限差分法的频响矩阵

3．3 HSK主轴-刀柄结合部参数的实验验证

3．3．1 基于FEA和FDM辨识的结合部参数验证

3．3．2 HSK主轴-刀柄结合部参数的验证

3．4 本章小结

第四章 热装刀柄-刀具结合部的参数辨识

4．1 基于有限元法的热装刀柄-刀具结合部参数辨识

4．1．1 热装刀柄-刀具结合部的有限元模型

4．1．2 基于有限元法的结合部参数辨识

4．1．3 热装刀柄-刀具结合部的主要影响因素分析

4．2 基于有限差分法的热装刀柄-刀具结合部参数辨识

4．2．1 基于有限差分法辨识结合部参数

4．2．2 基于耦合响应法的刀具频响矩阵

4．2．3 基于有限差分法的测量频响矩阵

4．3 HSK热装刀柄-刀具结合部参数的实验验证

4．3．1 基于FEA和FDM辨识的结合部参数验证

4．3．2 热装刀柄-刀具结合部参数的验证

4．4 本章小结

第五章 HSK热装工具系统的动态特性分析

5．1 HSK热装工具系统的动力学模型

5．2 HSK热装工具系统动态特性分析

5．2．1 HSK热装工具系统的动态特性

5．2．2 实验验证

5．3 结合部对HSK热装工具系统动态特性的影响

5．3．1 轴承-主轴结合部的影响

5．3．2 HSK主轴-刀柄结合部的影响

5．3．3 热装刀柄-刀具结合部的影响

5．4 本章小结

第六章 HSK热装工具系统切削稳定性及实验研究

6．1 切削振动与切削稳定性概述

6．1．1 切削过程振动的分类

6．1．2 稳定性叶瓣图的基本概念

6．2 HSK热装工具系统切削稳定性分析

6．2．1 铣削过程的动力学模型

6．2．2 基于颤振解析法的稳定性叶瓣图

6．2．3 铣削力实验

6．3 本章小结

第七章 研究结论与展望

7．1 研究的主要结论

7．2 尚待深入研究的问题及发展展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所取得的主要成果及参与项目