高速电主轴系统动力学建模与切削稳定性研究

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高速铣削加工技术是21世纪先进制造技术中最重要的技术基础之一,被广泛应用于航天、汽车、模具、能源、轨道交通等众多领域。其中,电主轴系统是先进制造技术中的典型代表,具有高精度、高刚度、高可靠性的优点。由于其直接参与切削加工,其动态特性对机床加工质量及切削稳定性起着核心的作用,有必要对电主轴系统建立动力学模型来研究切削性能。论文对主轴-工件耦合系统建立双并联转子动力学模型,获取转子系统的动态特性,通过建立铣削稳定性模型,对比分析各工况下主轴系统动态参数对稳定性的异同。研究内容如下:  (1)建立主轴系统动力学模型。将滚动轴承建模成包含5个自由度的弹簧刚度模型;采用Timoshenko梁单元建模主轴、刀柄、刀具等机械本体;用弹簧单元模拟轴承-主轴-刀柄-刀具之间的结合部,构成较为符合实际工况的主轴系统双并联转子动力学模型,得到刀尖点频响数据,有效的提高了计算的精度。  (2)建立工件系统的动力学模型。采用ANSYS创建工件系统的有限元模型,按照工件实际所受的约束对工件系统侧面施加全约束,通过谐响应分析获取工件系统切削点的频响信息,简化了计算的复杂性。  (3)主轴频响与工件频响耦合。将主轴系统刀尖点的频响函数与工件频响函数在频域内耦合,获得主轴-工件耦合系统刀尖处的频响函数,仿真分析了各结合部动态参数对转子系统动力学特性的影响规律,研究了轴承不同预紧力下对转子动态特性的影响,为全面、直观了解主轴动态特性提供新方法。  (4)建立二维铣削动力学模型。基于铣削加工机理建立了二维铣削动力学模型,利用切削实验采用控制变量法获得各向切削力,依据线性重构的方法获得各向切削力系数,建立稳定性计算公式。基于此模型,绘制切削稳定性叶瓣图,直观、具体的为改善切削参数,提高切削效率提供数据支持。  (5)仿真不同工况下系统各结合部动态参数及模态参数对稳定性的影响。
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