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HSK工具系统的精度设计与结构优化

娄桦  
【摘要】: 高速加工是集材料科学、工程力学、信息科学、控制理论和制造技术为一体的综合加工新技术。作为高速加工关键技术之一,高速加工工具系统直接影响和制约着高速加工的质量和效率,因而受到国内外学者的广泛关注。在诸多高速加工工具系统中,德国开发的HSK工具系统以其突出的性能和开放度,已经成为应用最广泛、最具发展前景的高速加工工具系统之一,对其开展性能本质及设计应用方面的研究有着重要的理论和实践意义。 本论文采用数值模拟及理论分析的方法,在HSK工具系统的关键性能、设计制造及实际应用等几方面展开了研究。本研究的主要贡献为: (1)分析了影响HSK工具系统连接刚度的主要因素,揭示了HSK的刚度变化规律。指出HSK工具系统的高刚度特性主要与刀柄与主轴端面被可靠夹紧有关,正常高速切削情况下,过大的锥面过盈量并不能提高HSK工具系统的刚度。 (2)开展了HSK工具系统关键尺寸的精度设计研究,为提高HSK刀柄合格率、降低其制造成本开辟了新的途径。指出适当放大HSK主轴/刀柄的过盈配合范围并不会显著影响HSK工具系统的主要性能。通过对HSK工具系统关键尺寸的精度设计,可解决目前国内外在HSK工具系统制造中普遍存在的合格率低、成本高的难题。 (3)基于强度理论,对HSK工具系统的结构参数进行了优化。运用优化设计软件Pro/e,对HSK工具系统的薄弱部分——键槽结构进行优化改进,改进后的键槽部位最大应力降低了9.2%,工具系统整体强度和系统安全性得到提高。 (4)提出了HSK工具系统承载扭矩的新的计算方法。鉴于HSK主轴/刀柄为圆锥过盈联接的事实,舍弃了传统的圆柱过盈联接计算方法,将圆锥沿轴向分成若干微单元,通过微积分的方式,推导出锥面传递的摩擦扭矩计算公式,得到了与实际情况更吻合的HSK工具系统承载扭矩。 本文的研究成果将丰富高速加工工具系统的设计理论,提升我国高速加工工具系统的研发能力,缩小我国与工业发达国家在高速加工工具系统研究方面的差距,为高速加工工具系统的制造和使用提供有力的技术支撑。


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