高速HSK熱裝工具系統(tǒng)結(jié)合部的參數(shù)辨識(shí)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(jī)床的重要功能部件之一，其性能直接影響機(jī)床的加工質(zhì)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(dòng)鏈短、剛度高、連接性能可靠等特點(diǎn)，在高速切削加工中得到了廣泛應(yīng)用。因此，開(kāi)展高速HSK熱裝工具系統(tǒng)的結(jié)合部動(dòng)態(tài)特性及切削穩(wěn)定性研究，對(duì)提高高檔數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　本論文采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法，致力于研究HSK熱裝工具系

2、統(tǒng)的結(jié)合部參數(shù)辨識(shí)理論和切削穩(wěn)定性。其目的在于構(gòu)建基于結(jié)合部的HSK主軸-熱裝刀柄-刀具系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，揭示HSK熱裝工具系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性規(guī)律;準(zhǔn)確辨識(shí)HSK主軸-刀柄和熱裝刀刀柄-刀具結(jié)合部參數(shù)，采用耦合響應(yīng)理論，預(yù)測(cè)HSK熱裝工具系統(tǒng)刀尖點(diǎn)頻響函數(shù)，探究各結(jié)合部對(duì)HSK熱裝工具系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律;建立HSK熱裝工具系統(tǒng)的銑削動(dòng)力學(xué)模型，基于顫振解析理論，計(jì)算HSK熱裝工具系統(tǒng)刀尖穩(wěn)定性葉瓣圖，并進(jìn)行HSK熱裝工具系統(tǒng)的銑削力實(shí)驗(yàn)，

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(dòng)力學(xué)模型
　　根據(jù)HSK熱裝工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建基于結(jié)合部的HSK主軸-熱裝刀柄-刀具系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。其中，軸承-主軸結(jié)合部簡(jiǎn)化為彈簧-阻尼模型，HSK主軸-刀柄結(jié)合部和熱裝刀柄-刀具結(jié)合部簡(jiǎn)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(jì)算HSK主軸-

4、熱裝刀柄-刀具系統(tǒng)刀尖點(diǎn)頻響函數(shù)的新方法
　　提出基于Timoshenko梁理論的多點(diǎn)耦合響應(yīng)法，來(lái)分析HSK主軸-熱裝刀柄-刀具系統(tǒng)刀尖點(diǎn)的頻響函數(shù)。先使用結(jié)構(gòu)修正法與耦合響應(yīng)法，計(jì)算基于軸承-主軸結(jié)合部的HSK主軸頻響矩陣;再采用耦合響應(yīng)法計(jì)算熱裝刀柄和刀具端點(diǎn)頻響函數(shù);并使用多點(diǎn)耦合響應(yīng)法計(jì)算HSK主軸-刀柄結(jié)合部和熱裝刀柄-刀具結(jié)合部端點(diǎn)頻響函數(shù);最終，將各部件端點(diǎn)頻響函數(shù)進(jìn)行剛性耦合，進(jìn)而推導(dǎo)出基于結(jié)合部的HSK熱裝工具

5、系統(tǒng)刀尖點(diǎn)頻響函數(shù)方程。
　　3、提出HSK主軸-刀柄結(jié)合部與熱裝刀柄-刀具結(jié)合部參數(shù)辨識(shí)的新方法
　　綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者所采用辨識(shí)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，首次提出將有限元法辨識(shí)的結(jié)合部?jī)?nèi)各位置剛度參數(shù)和有限差分法辨識(shí)的結(jié)合部端點(diǎn)阻尼參數(shù)，分別作為結(jié)合部的剛度參數(shù)和阻尼參數(shù)。先使用有限元法辨識(shí)結(jié)合部?jī)?nèi)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(duì)各結(jié)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(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法辨識(shí)結(jié)合部端點(diǎn)處

6、的剛度和阻尼參數(shù)。最后，將所辨識(shí)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?jiǎn)卧Ｐ椭校治龌诮Y(jié)合部的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性;并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值比較，驗(yàn)證參數(shù)辨識(shí)方法的可行性。
　　4、系統(tǒng)揭示出基于結(jié)合部的HSK熱裝工具系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及其變化規(guī)律
　　根據(jù)結(jié)合部剛度的并聯(lián)特性，將結(jié)合部?jī)?nèi)各位置的剛度等效到結(jié)合部的端點(diǎn)處，便可將各結(jié)合部簡(jiǎn)化為端點(diǎn)處的彈簧-阻尼模型?；诮Y(jié)合部的HSK主軸-熱裝刀柄-刀具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，采用耦合響

7、應(yīng)法分析HSK熱裝工具系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性;改變結(jié)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(jié)合部對(duì)HSK熱裝工具系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型
　　假定工件剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱裝工具系統(tǒng)剛性，忽略工件的振動(dòng)，由此使用相互垂直的兩個(gè)自由度系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建HSK熱裝工具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型;基于顫振解析法，推導(dǎo)HSK熱裝工具系統(tǒng)穩(wěn)定性葉瓣圖方程，再結(jié)合HSK熱裝工具系統(tǒng)刀尖點(diǎn)

8、頻響函數(shù)、工件材料、切削參數(shù)和刀具切削角度，計(jì)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(shí)驗(yàn)研究
　　進(jìn)行HSK熱裝工具系統(tǒng)銑削力實(shí)驗(yàn)，以切削力時(shí)域信號(hào)為判斷標(biāo)準(zhǔn)，保證主軸轉(zhuǎn)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(guò)程從穩(wěn)定性狀態(tài)過(guò)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(yàn)證理論穩(wěn)定性葉瓣圖的準(zhǔn)確性。
　　因此，準(zhǔn)確辨識(shí)結(jié)合部的動(dòng)態(tài)參數(shù)，分析與研究高