数控刀架是数控机床的关键功能部件,其可靠性水平直接影响整机的可用性。数控刀架在实际运行过程中普遍存在振动和噪声问题,其故障的发生往往会伴随着其振动响应的改变。研究数控刀架的振动特性,明确数控刀架振动能量传递,并将其应用于测点优化研究中,对数控刀架的状态监测、故障诊断以及可靠性的提升具有重要意义。本文以某国产型号AK36***数控刀架为研究对象,采用有限元功率流和传递路径分析方法,以理论推导、模拟仿真和试验验证相结合的方式,研究了数控刀架在切削状态下的振动特性及传递路径。具体的研究工作如下:1.数控刀架工作原理及故障模式分析。根据数控刀架的结构特点,详细分析了数控刀架的工作原理,明确本文研究对象的结构及功能特性,并将其划分为五个子系统。通过故障模式、影响及危害性分析,得到了数控刀架的10个典型故障模式,并对典型故障模式进行风险优先级排序,发现与齿盘相关的故障是对数控刀架危害性较高的故障模式。2.数控刀架有限元模型谐响应分析。建立数控刀架有限元模型,研究了数控刀架有限元模型处理的关键技术:模型简化、网格划分、结合面的处理、材料赋予、边界条件的定义和动态切削力的加载;应用ABAQUS软件对数控刀架进行谐响应分析求解与结果分析,得到了数控刀架受动态切削力时的响应;从谐响应分析后处理模块中提取了仿真结果数据,为后续功率流及传递路径相关研究提供仿真基础数据。3.基于有限元的数控刀架振动功率流研究。基于功率流理论与仿真结果数据,分别绘制了数控刀架壳体二维与三维功率流矢量图,直观表明了数控刀架受动态切削力时,壳体振动能量的流向和大小分布,并结合刀架结构,分析了刀架壳体上振动能量传递路径的成因。在二维板壳功率流理论公式的基础上,结合信号间的互谱密度相关知识,推导了试验功率流计算公式,在实验室内搭建了动态切削力模拟试验台,设计并完成了功率流试验,通过对比仿真与试验结果,验证了理论分析与仿真结果的正确性。4.基于功率流的数控刀架切削振动传递路径研究。完成了对数控刀架齿盘啮合不良故障的有限元仿真,绘制了数控刀架故障状态下的功率流矢量图。通过对比分析数控刀架健康状态与故障状态的功率流矢量图,确定了该典型故障模式下,数控刀架壳体上的3个振动能量异常区域。推导了基于能量法的传递路径贡献率与分配率计算公式,分析规划了数控刀架切削状态下的振动能量传递路径。在壳体的振动能量异常区域选取9个测点,使用上述分配率计算方法,得到了齿盘上不同故障部位对各测点的功率流分配率。根据计算结果,筛选出三个能够准确区分故障部位的测点作为该典型故障模式的敏感测点。