基于内阻尼的高速铣削刀具—主轴系统动力学建模及稳定性分析

摘要

高速铣削加工(HSM)是指切削过程中切削的线速度的倍数为普通铣削的五倍至十倍以上的一种高效率、高精度的铣削加工方法。随着工业生产、国防、科技发展速度的日益加快，高速加工工况不断趋于极限，在高转速、离心力、陀螺效应和内阻尼等多种激励强耦合作用下高速铣削刀具-主轴系统的动力学建模和稳定性预测将变得十分复杂。目前人们对内阻尼的数学模型及如何对考虑内阻尼的高速铣削刀具-主轴系统进行动力学建模和分析由内阻尼引起的不稳定性还没有充分的研究。本文以考虑内阻尼的高速铣削刀具-主轴系统动力学建模及稳定性分析为目标，采用理论分析结合试验验证的方法开展了相关研究。
　　以带弹簧筒夹的高速铣削刀具-主轴系统为研究对象，刀具和刀柄通过弹簧筒夹过盈配合，应用内阻尼理论分析在高主轴转速下造成过盈配合弹簧筒夹变形产生内阻尼的机理，建立刀具-刀柄系统的等效力学模型，并对刀具-刀柄系统做自由悬挂状态的内阻尼模态实验，研究了刀具-刀柄间的过盈配合量及刀具-弹簧筒夹间刀具夹持长度等因素对刀具-刀柄间内阻尼的影响规律。
　　在高速铣削刀具-主轴系统中刀柄与主轴结合面假设为刚性联接，通过弹簧筒夹过盈配合的刀具与刀柄结合面假设为弹性联接，利用第二类拉格朗日方程、瑞利耗散方程和有限元分析方法，建立考虑内外阻尼、陀螺效应、主轴转速等因素的高速铣削刀具-主轴系统动力学模型，得到了系统分别在固定坐标系和旋转坐标系中的动力学方程并对方程中的阻尼项和刚度项进行了分析。
　　对建立的高速铣削刀具-主轴系统动力学方程进行处理，分析了系统在无内阻尼和有内阻尼情况下的固有特性和动态特性。对系统进行稳定性分析，得到内阻尼效应及其关联变量对系统稳定性的影响，并利用劳斯-赫尔维茨稳定性判据得到使系统稳定的条件。最后在高速铣削综合实验平台上开展了内阻尼失稳试验研究。

目录

声明

摘要

论文中符号说明

第1章 绪论

1．1 课题来源及研究的目的和意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题研究的目的及意义

1．2 国内外研究现状及目前存在的主要问题

1．2．1 旋转系统中内阻尼研究现状

1．2．2 高速铣削刀具-主轴系统动力学建模研究现状

1．2．3 内阻尼对旋转系统稳定性研究现状

1．2．4 存在的问题及课题的提出

1．3 课题的主要研究内容

第2章 高速铣削刀具-主轴系统的内阻尼

2．1 高速铣削刀柄系统

2．1．1 刀柄系统的结构

2．1．2 刀柄系统的尺寸和力学参数

2．1．3 刀柄系统的内阻尼

2．2 高速铣削刀柄系统的过盈量及径向应力

2．2．1 初始过盈量的求解

2．2．2 动态过盈量的求解

2．2．3 动态径向应力的求解

2．3 高速铣削刀柄系统内阻尼参数识别

2．3．1 刀柄系统简化模型

2．3．2 刀柄系统动力学方程

2．3．3 传递函数法计算内阻尼

2．4 高速铣削刀柄系统内阻尼模态试验

2．4．1 内阻尼模态试验装置

2．4．2 过盈配合量对内阻尼的影响

2．4．3 刀具夹持长度对内阻尼的影响

2．5 本章小结

第3章 基于内阻尼的高速铣削刀具-主轴系统动力学建模

3．1 高速铣削刀具-主轴系统动力学建模的参数设定

3．1．1 定义坐标系

3．1．2 梁模型的选取

3．1．3 高速铣削刀具-主轴系统单元划分

3．2 高速铣削刀具-主轴系统的动力学方程

3．2．1 单元系统的动能

3．2．2 单元系统的势能

3．2．3 整体系统的动力学方程

3．3 本章小结

第4章 基于内阻尼的高速铣削刀具-主轴系统稳定性分析

4．1 高速铣削刀具-主轴系统的固有特性

4．1．1 特征方程的求解

4．1．2 不考虑内阻尼时系统的固有特性

4．1．3 考虑内阻尼时系统的固有特性

4．2 高速铣削刀具-主轴系统的频响特性

4．2．1 高速铣削刀具-主轴系统的频响函数

4．2．2 不考虑内阻尼时系统的频响特性

4．2．3 考虑内阻尼时系统的频响特性

4．3 高速铣削刀具-主轴系统稳定性的影响因素

4．3．1 主轴转速对高速铣削刀具-主轴系统稳定性的影响

4．3．2 过盈配合量对高速铣削刀具-主轴系统稳定性的影响

4．3．3 刀具夹持长度对高速铣削刀具-主轴系统稳定性的影响

4．4 本章小结

第5章 高速铣削刀具-主轴系统内阻尼失稳试验研究

5．1 内阻尼失稳试验机理

5．2 试验平台及试验方案

5．2．1 静态模态试验方案

5．2．2 动态升速降速试验方案

5．3 试验数据采集与分析

5．3．1 静态模态试验数据分析

5．3．2 动态升速降速试验数据分析

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

附录 动态过盈量及径向应力的推导

攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况

致谢