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高速切削系统动态特性研究

吴化勇  
【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。


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