高速微孔钻床主轴系统及钻头的动态特性研究

【摘要】：本文首先分析了微小孔加工的国内外现状和高速钻削微小孔存在的问题和解决办法,指出钻头的弯曲变形将在钻头横截面上产生应力,而利用测量的钻削轴向力和扭矩不能分析钻头弯曲变形引起的应力,并且对微小钻头折断原因提出了新的见解。接下来,本文介绍了文中使用的有限元法及转子动力学的基础理论。进而,本文依据转子动力学理论,利用Timoshenko梁-轴理论,建立了微孔钻床主轴系统的动力学有限元模型。该模型首次包含了主轴-钻夹头-微钻头系统的偏心、钻削轴向力、系统转动惯性力、陀螺力矩和轴承等因素对微钻头在切削时的弯曲变形的影响。文中对微小孔钻削力的实验测量数据进行了分析,研究了钻削力在钻削过程中的波动情况,并从钻削力角度探讨了微小钻头的折断原因。为了保证推导和计算的准确性,本文还利用现有文献和实验测量对所建立的模型进行了对比检验。最后,本文进行了主轴系统模型临界压力分析、涡动频率分析,对系统进行了数值仿真计算,建立了钻头夹持长度、轴承刚度、轴承阻尼、主轴转速、系统偏心和钻削轴向力等因素与微钻头弯曲变形幅值之间的关系。根据此关系,利用测量的钻削轴向力和钻削扭矩,首次对微钻头危险截面的动态应力进行了分析研究,取得的成果对微小孔钻床的设计和生产实践具有重要的指导意义。