[發(fā)明專利]一種針對(duì)雙面鎖緊刀柄-主軸在高轉(zhuǎn)速條件下的結(jié)合部剛度分析方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610985606.4
• 申請(qǐng)日: 2016-11-09
• 公開（公告）號(hào): CN106525418B
• 公開（公告）日: 2019-09-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙永勝;許靜靜;劉志峰;蔡力鋼;程強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01M13/027
• 分類號(hào): G01M13/027
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發(fā)明公開了一種針對(duì)雙面鎖緊刀柄?主軸在高轉(zhuǎn)速條件下的結(jié)合部剛度分析方法，更具體是一種考慮了雙結(jié)合面壓力不均勻分布的結(jié)合部分形剛度建模方法，并基于該方法對(duì)高轉(zhuǎn)速條件下系統(tǒng)結(jié)合部剛度進(jìn)行分析。該方法首先建立三維分形法向與切向剛度模型，并基于靜力分析得到的雙結(jié)合面上各節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)值，計(jì)算節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的等效剛度值，并通過轉(zhuǎn)換模型得到結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度值。最終揭示不同轉(zhuǎn)速與高轉(zhuǎn)速下拉刀力、碟簧剛度與碟簧預(yù)緊力對(duì)結(jié)合部剛度的影響趨勢(shì)。該方法的特點(diǎn)在分形理論中考慮了彈塑性變形與域拓展因子的影響，同時(shí)在有限元分析中考慮了結(jié)合面壓力分布不均勻情況，從而針對(duì)高轉(zhuǎn)速條件下的BT40刀柄?主軸結(jié)合部剛度進(jìn)行了精確建模與分析。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于刀柄-主軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析領(lǐng)域，涉及一種針對(duì)雙面鎖緊刀柄-主軸在高轉(zhuǎn)速條件下的結(jié)合部剛度分析方法，更具體是一種考慮了雙結(jié)合面壓力不均勻分布的結(jié)合部分形剛度建模方法，并基于該方法對(duì)高轉(zhuǎn)速條件下系統(tǒng)結(jié)合部剛度進(jìn)行分析。

背景技術(shù)

刀柄是連接機(jī)床主軸與刀具的重要部件，其主軸-刀柄結(jié)合部是該系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)之一，結(jié)合部剛度特性直接影響著系統(tǒng)加工精度。BT40型刀柄-主軸系統(tǒng)是一種傳統(tǒng)的單面接觸刀柄，在高轉(zhuǎn)速條件下錐形結(jié)合面會(huì)產(chǎn)生局部分離，嚴(yán)重影響其整體性能，雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)有效的提高了高轉(zhuǎn)速條件下的結(jié)合部剛度，改善了系統(tǒng)加工精度。雙面鎖緊刀柄是由刀柄本體、碟簧、錐套三部分組成，通過施加拉刀力與主軸緊密聯(lián)接在一起，在高轉(zhuǎn)速條件下碟簧可以自動(dòng)推動(dòng)錐套調(diào)整其外錐面與主軸內(nèi)錐面間，及刀柄端面與主軸端面間的夜里分布，始終保持雙結(jié)合面的緊密貼合，從而改善整體動(dòng)態(tài)性能。但是在高于一定轉(zhuǎn)速上限時(shí)錐形結(jié)合面仍然會(huì)發(fā)生大端局部分離，從而降低結(jié)合部剛度，影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。由于傳統(tǒng)的是實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法中噪聲等外界環(huán)境的干擾作用對(duì)剛度預(yù)估結(jié)果影響較大，且該方法僅限于分析無轉(zhuǎn)速條件下刀柄-主軸系統(tǒng)結(jié)合部剛度研究。為了對(duì)刀柄主軸結(jié)合部剛度進(jìn)行分析，分形理論與仿真相結(jié)合的方式為該結(jié)合部剛度建模提供了一種有效途徑。分形理論是一種分析結(jié)合面的有效建模方法，該方法中結(jié)合面表征參數(shù)具有尺度獨(dú)立性、不受儀器分辨率和取樣長(zhǎng)度影響等優(yōu)勢(shì)，被廣泛的用于預(yù)估結(jié)合面接觸剛度阻尼等接觸參數(shù)。本發(fā)明中考慮的三維分形模型同時(shí)考慮了彈塑性變形與域拓展因子對(duì)分形剛度的影響，并基于此建立了三維接觸法向與切向剛度模型。通過對(duì)雙面鎖緊刀柄進(jìn)行三維建模與有限元靜力分析得到雙結(jié)合面不均勻的節(jié)點(diǎn)壓力分布情況，將三維分形模型與有限元分析相結(jié)合的方式能夠有效提高結(jié)合部剛度的預(yù)估精度。該方法可用于解決目前雙面鎖緊刀柄結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于分析結(jié)合部剛度分析的瓶頸，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速條件下的雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)結(jié)合部剛度建模分析。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提供一種針對(duì)雙面鎖緊刀柄-主軸在高轉(zhuǎn)速條件下的結(jié)合部剛度分析方法。該方法的主要特點(diǎn)是采用結(jié)合三維分形微觀接觸剛度建模理論與有限元靜力分析的方法，對(duì)高轉(zhuǎn)速條件下的雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度建模，并加以分析，從而揭示不同工藝參數(shù)(轉(zhuǎn)速、拉刀力、碟簧剛度及碟簧預(yù)緊力)對(duì)結(jié)合部剛度的影響趨勢(shì)。

本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的：

S1、同時(shí)考慮彈塑性變形與域拓展因子的影響，得到了精確的三維分形理論，并基于該理論建立了接觸法向與切向剛度模型。

S2、對(duì)雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)三維幾何模型，并添加接觸單元，進(jìn)行有限元靜力分析，提取雙結(jié)合面各節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)值，通過乘以網(wǎng)格面積獲得各節(jié)點(diǎn)所在局部區(qū)域的結(jié)合面壓力值。

S3、基于三維分形理論，以節(jié)點(diǎn)局部區(qū)域結(jié)合面壓力值作為輸入計(jì)算各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)合面接觸法向與切向剛度值。

S4、建立各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)法向剛度、切向剛度與雙結(jié)合面扭轉(zhuǎn)剛度、徑向剛度的轉(zhuǎn)換模型，計(jì)算出結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度值。

S5、通過求取不同轉(zhuǎn)速及高轉(zhuǎn)速條件下不同拉刀力、碟簧預(yù)緊力、碟簧剛度對(duì)應(yīng)的結(jié)合部剛度值，揭示了轉(zhuǎn)速、拉刀力、碟簧剛度與碟簧預(yù)緊力對(duì)結(jié)合部剛度的影響趨勢(shì)。