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新型高速双面锁紧刀柄系统性能研究

新型高速双面锁紧刀柄系统性能研究

作者：褚洪可北京工业大学

学位级别：硕士

高速加工是近年来发展起来的高新制造技术之一，实施高速加工可以大幅度提高加工效率、减小切削力和切削温度、提高刀具耐用度和加工表面质量。在高转速工况下，主轴与刀柄联接系统是机床中最薄弱的环节之一，其联接性能直接影响和制约... 详细信息

高速加工是近年来发展起来的高新制造技术之一，实施高速加工可以大幅度提高加工效率、减小切削力和切削温度、提高刀具耐用度和加工表面质量。在高转速工况下，主轴与刀柄联接系统是机床中最薄弱的环节之一，其联接性能直接影响和制约着高速加工的质量和效率，其研究受到国内外学者的高度关注。高速精密双面锁紧BTF刀柄是应用于高速加工的新型刀柄，该刀柄系统采用与国内主流加工中心的主轴端面结构一致的BT结构，具有很好的兼容性、适用性和通用性，因此对BTF刀柄结构和联接性能的研究具有重要理论意义和广阔的工程应用前景。本文在国内外新型刀柄系统结构分析的基础上，借鉴机械结合面建模与参数辨识理论方法，研究了BTF刀柄的结构和联接性能，主要内容为：(1)深入地分析了新型高速精密双面锁紧BTF刀柄的结构特征及工作机理，通过和传统的BT工具系统的比较，论述了其独特结构的优越性能，为正确建立数值模拟模型提供理论依据。(2)通过建立简化的BTF刀柄力学模型，分析其力学特性。研究表明增大端面轴向应力可以增加BTF刀柄对弯曲载荷的承载能力;而高速状态下，BTF刀柄-主轴锥形结合面处由于离心力会出现喇叭口状间隙，并在锥柄小直径端出现集中应力，这些特征将会影响其联接性能。(3)建立了BTF刀柄-主轴系统有限元接触模型，分析其结合面应力应变分布规律，发现增大拉刀力可以增大锥面接触率，减小刀尖点受载时的位移，但同时会引起较大的接触应力。进一步分析碟簧刚度对联接性能的影响，确定碟簧刚度为1.2KN/mm。同时对BT刀柄进行了对比分析，对比其接触率、接触应力分布规律和刀尖点位移，验证了BTF刀柄性能的优越性。(4)推导了刀柄-主轴结合部特征参数的频响函数辨识方法，并以BTF40刀柄-主轴结合部的特征参数辨识为应用实例，获得了结合部的特征参数。利用有限元软件对结合部进行精确建模，获得仿真模型的固有频率和频响函数，验证了结合部模型的准确性。(5)基于ANSYS二次开发BTF刀柄-主轴联接性能分析系统，为快速仿真分析BTF刀柄的动静态特性提供平台，对高速加工生产中正确使用BTF刀柄具有重要的支撑作用。对BTF刀柄结构原理和联接性能进行系统的研究，有助于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。

关键词： BTF刀柄联接性能结合部建模有限元分析

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抗离心膨胀高速主轴结构设计及性能研究

抗离心膨胀高速主轴结构设计及性能研究

作者：郭静涛燕山大学

学位级别：硕士

高速加工工具系统是实现高速加工的关键环节,其性能直接影响高速加工的质量、效率和可靠性。现有高速工具系统随着转速的进一步提高,会因离心膨胀造成刀柄/主轴接口锥面径向分离,制约了工具系统转速的提高,降低了刀柄/主轴接口的联接可... 详细信息

高速加工工具系统是实现高速加工的关键环节,其性能直接影响高速加工的质量、效率和可靠性。现有高速工具系统随着转速的进一步提高,会因离心膨胀造成刀柄/主轴接口锥面径向分离,制约了工具系统转速的提高,降低了刀柄/主轴接口的联接可靠性。针对这一问题,本文设计了一种抗离心膨胀高速主轴,利用理论和有限元方法对新型接口联接性能进行研究,具体内容包括:（1）确定抗离心膨胀高速主轴/刀柄接口的整体结构、联接方式、陶瓷套的结构尺寸和材料。依据理论与仿真计算,完成接口的结构尺寸设计及材料选择。（2）对接口变形进行分析。分析影响接口变形的主要影响因素,从理论上论证设计的合理性;将主轴/陶瓷套配合形成的结构视为复合主轴,建立有限元模型,对接口变形进行仿真分析;理论和有限元仿真确定主轴的极限转速。（3）对接口联接性能进行分析。利用有限元仿真分析主轴转速、拉刀力以及锥面配合过盈量对接口接触应力的影响规律,计算新型接口的径向刚度,并与常规接口进行比较分析。研究表明,本文设计的抗离心膨胀高速主轴/刀柄接口较常规接口高速性能显著改善,在不影响其刚度的前提下,极限转速有了大幅度提升,更适合于高速加工。

关键词：高速主轴陶瓷套抗离心膨胀联接性能有限元法

陶瓷—金属复合结构高速主轴/刀柄接口设计及性能研究

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陶瓷—金属复合结构高速主轴/刀柄接口设计及性能研究

作者：陈冲燕山大学

学位级别：硕士

高速加工工具系统是高速加工机床的重要组成部分,其性能直接影响高速加工的质量和效率。传统的7:24主轴/刀柄接口和目前广泛使用的HSK主轴/刀柄接口都会在高速下因离心力作用而发生径向膨胀,导致主轴与刀柄配合锥面发生分离,降低了接口... 详细信息

高速加工工具系统是高速加工机床的重要组成部分,其性能直接影响高速加工的质量和效率。传统的7:24主轴/刀柄接口和目前广泛使用的HSK主轴/刀柄接口都会在高速下因离心力作用而发生径向膨胀,导致主轴与刀柄配合锥面发生分离,降低了接口联接刚度和可靠性,制约了高速加工工具系统极限转速的提高。针对该问题,本文从改变主轴锥孔结构和材料的角度出发,设计了陶瓷-金属复合结构高速主轴/刀柄接口这一新型工具系统,并对其联接性能进行了理论和有限元分析,具体内容如下:确定陶瓷-金属复合结构高速主轴/刀柄接口的整体结构、联接方式、陶瓷衬套的结构尺寸和材料。应用相关理论与仿真计算,对接口的结构尺寸及材料进行详细的设计。对接口的变形理论进行分析。分析接口变形的主要影响因素,从理论上找出本文的设计依据;对主轴/衬套联接可靠性进行了理论分析,确定可将主轴/衬套配合形成的结构视为复合主轴;建立有限元模型,对接口变形和轴套联接可靠性进行仿真分析;对接口极限转速进行理论和有限元仿真分析。对接口联接性能进行分析。利用有限元软件,分析主轴转速、拉刀力以及接口锥面配合过盈量对接口接触应力的影响规律,同时分析新型接口的轴向刚度、扭转刚度以及径向刚度,并与HSK主轴/刀柄接口的进行比较分析。研究表明,本文设计的陶瓷-金属复合结构高速主轴/刀柄接口较HSK主轴/刀柄接口有显著改善,不仅极限转速显著提高,其轴向刚度、扭转刚度及径向刚度都有所提高,更适合于高速加工。

关键词：高速加工陶瓷衬套可靠性联接性能有限元法

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复合结构高弹性锥体高速刀柄的设计

复合结构高弹性锥体高速刀柄的设计

作者：李现华燕山大学

学位级别：硕士

高速加工工具系统的核心是刀柄,对保证刀具的准确定位及传递加工所需的运动和动力有至关重要的作用。随着高速机床主轴转速越来越高,传统7:24锥度、单面定位、长锥实心结构的BT刀柄,已不能满足高速加工需求。采用1:10锥度、双面定位、... 详细信息

高速加工工具系统的核心是刀柄,对保证刀具的准确定位及传递加工所需的运动和动力有至关重要的作用。随着高速机床主轴转速越来越高,传统7:24锥度、单面定位、长锥实心结构的BT刀柄,已不能满足高速加工需求。采用1:10锥度、双面定位、短锥空心结构的HSK刀柄,极限转速已取得显著提升。但为满足更高转速的加工要求,高速刀柄的极限转速仍需提高。为提高现有刀柄极限转速,设计了一种具有高弹性锥体的复合结构高速刀柄。采用理论和有限元法对刀柄/主轴联接性能和刀柄的极限转速进行了研究。具体研究内容如下:首先,对复合结构高速刀柄进行了设计。分析了抑制刀柄极限转速的因素,据此设计一种高速刀柄。借助ANSYS Workbench非线性有限元软件,确定刀柄的结构——刀柄本体配合锥套的复合结构,确定过盈量为12μm,刀柄和主轴锥面过盈量为小端32μm、大端30μm,锥套厚度为3mm,材料为MB7镁合金。其次,对刀柄性能进行了理论分析。通过理论计算,对刀柄锥套材料强度进行了分析;对刀柄/主轴联接刚度进行了分析,包括轴向刚度、径向刚度、扭转刚度;对刀柄的极限转速进行了分析,包括基于材料强度和基于预紧力的刀柄极限转速。最后,对刀柄性能进行了有限元分析。通过有限元软件,对刀柄/主轴定位面的接触应力和接触面积比例大小与分布进行了分析;对刀柄的极限转速和刀柄/主轴联接刚度进行了分析。

关键词：高速刀柄有限元复合结构联接性能极限转速