高速加工是集制造技术、材料科学、信息科学和控制理论为一体的综合高新技术,在汽车、模具、航空航天等制造领域得到了广泛的应用,并取得了显著的经济效益。高速加工工具系统是高速精密数控机床的重要组成部分,其结构特性、动态性能和动平衡性等直接影响和制约着高速加工质量和生产效率,因此,系统开展工具系统动力学特性及基础应用技术的研究具有重要的学术价值和应用前景。本文采用理论分析、数值计算、振动测试和切削加工实验相结合的方法,以高速加工工具系统为研究对象,在建立其动力学理论模型的基础上,系统、全面地分析了高速加工工具系统的结构模态参数、工况振动特性和动态响应的变化规律,进而实现其动态结构的整体优化,主要工作及创新成果为：1.基于FEM和EMA相结合,首次构建了高速加工工具系统的动力学实体模型基于线弹性理论,采用有限元模态分析(Finite Element Method,简称FEM)和实验模态分析(Experiment Modal Analysis,简称EMA)相结合的方法,构建了高速加工工具系统在自由状态、工况约束条件下的动力学实体模型,计算出系统的各阶固有频率和振型,通过实验模态分析方法验证了有限元模型构建过程和计算结果的合理性,在此有限元模型的基础上,分析了刀杆直径、刀杆长度、联接过盈量等结构因素对工具系统结构模态参数的影响规律,分析了主轴和刀柄联接过盈量和接触效果对主轴—工具系统结构模态参数的影响程度。2.系统揭示出工具系统在动态激励下的动态响应特性及其变化规律在构建工具系统有限元动力学模型和分析工具系统所受动态激励类型的基础上,计算和分析了工具系统承受不平衡量和动态切削力的动态响应及变化规律。通过机床升速空运转振动测试,比较了主轴系统空运转和主轴-工具系统空运转各自的振动特性。测试了不同平衡量大小的工具系统在空运转时的振动特性,揭示了工具系统承受强迫振动的频响结构,为有效降低整个加工系统的振动响应提供了理论依据。3.基于不平衡量系统分析了工具系统的振动特性设计了不平衡量大小可调的工具系统和采用多因素正交切削试验,全面分析了不平衡量和切削用量对主轴振动、加工工件振动、三向动态切削力和加工表面粗糙度的影响程度、主次关系和变化规律,验证了工具系统不平衡量动态响应的理论计算结果,同时为高速切削选用合理的切削用量提供了重要参考。4.首次实现了刀柄和主轴接触疲劳寿命的预测预报在构建工具系统屈曲响应模型的基础上,计算和分析了工具系统在工况条件下屈曲响应的主要的影响因素及变化规律。进一步构建了主轴—工具系统接触的有限元模型,借助专用疲劳分析软件的基础上,评估了各个接触区域的疲劳应力因子和疲劳安全因子,预测了各个区域的疲劳寿命,为深入研究主轴／刀柄联接锥面疲劳失效机理提供理论参考。5.基于工具系统模态参数和结构优化,提出了开发新型工具系统的一种新方法在构建工具系统动力学有限元模型的基础上,以其工况固有频率为优化目标,根据工况要求对其模态参数和结构尺寸进行了优化,使其在工作状况下的动态性能到达了最佳化,为开发新型工具系统能够在高速工况发挥其最佳动态性能提供了一种新的方法。系统地开展高速加工工具系统动力学特性的基础理论、振动特性测试和基于不平衡量的切削加工实验的研究和运用,既丰富了工具系统共性技术的研究,在实际应用中也有助于充分发挥高速加工工具系统的动态性能,这对推动高速加工技术的应用、发展先进制造技术具有重要的理论价值和实际意义。本研究是国家自然科学基金项目《高速切削中毛刺的形成机理及其控制(No50675088)》、国家十五科技攻关项目《高速加工工具系统的开发与应用(No2001BA205B05/05)》和国务院重大专项《高档数控机床与基础制造装备中“高速数控机床用新型工具系统”(2009ZX04012-012)》的组成部分之一。