（机械制造及其自动化专业论文）基于高速加工中心刀具系统静动态性能的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 高速车铣技术是2 0 世纪9 0 年代以来随着高速切削技术的发展而迅速崛起的 一种先进制造技术，它体现了当代切削技术朝“高速化+ 精密化”发展的趋势。 高速切削技术的发展过程中刀具技术起到了非常关键的作用，因此，高速切削对 刀具有关的其它问题，包括刀具和刀柄的联结、刀柄和机床主轴的联结以及刀具 系统的动态性能提出了新的要求。 基于上述要求，本课题主要做了以下工作： 第一，从理论上详尽地分析了影响高速旋转刀具系统回转精度的有关因素以 及发生强迫振动的原因，并提出了减小刀具系统振动的配重措施。阐述了高速状 态下离心力对主轴刀具联结系统特性的影响，推导出了主轴装央刀柄时的过盈 量与脱松角速度、主轴外径与刀柄内径之间的关系，以及主轴刀具联结系统在 离心力作用下膨胀后联结问隙与过盈量之间的关系。 第二，运用a n s y s 软件分析了刀具系统静力学和动力学特性、刀具系统应 力场和变形量对其特性的影响，并且结合刀具系统模态分析较为系统全面地研究 了高速切削刀具系统的安全性，为合理设计高速旋转刀具系统的结构提供了有益 的参考。 第三，对刀具系统做有限元模态分析，确定了刀具系统的吲有振动频率。模 态分析不仅提供了一种计算固有频率的方法，也可为研究高速加工系统的振动提 供参考。 最后，依据对刀具系统的理论分析、研究结果，提出了高速旋转刀具系统动 平衡的相关技术以及避振刀柄。 关键词：高速旋转：刀具系统；主轴刀具联结系统；不平衡量；离心力；动平 衡；应力场 a b s t r a c t w i t hd e v e l o p i n go f1 1 i 曲s p e e dc 埘i n g t e c l l i l o l o gy h j 曲s p e e dt 哪i n ga n d m i l l i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p i n g 汀e a t l ya i l dh a sb e c o m eas o r to fa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c l l i l o l o g ys i n c e19 9 0 n o w a d a y s ，i ti n c a m a t e st 1 1 a th i g hs p e e dc u t t i n g h e a d sf 曲h j g bs p e e d + h i g hp r e c i s i o n ”c u t t i n gt o o le n g i n e e r i l l gb e n e f i t sd e v e l o p i n g o f h i 曲s p e e dc u m n gt e c l l i l o l o g y ，t h e r e f o r ，a r en o to n l yc 删i n gt o o lt e c l l t l o l o g y ，b u t a l s ot e c h n o l o g i e so fr e l a t i n gt oc u m n gt o o l ， i n c l u d i n gt 0 0 1 h o l d e r c u t t i n gt 0 0 1 i m e r f a c es y s t e m ，s p i n d l e t o o l h 0 1 d e ri n t e r f a c es y s t e ma 1 1 dd y n a m i cp e r f o m l a n c eo f c u m n 2t 0 0 1s y s t e mb r o u g h tf b r w a r db vu si nl l i g hs p e e dc 埘i n gn e l d s a st ot h e s ep r o b l e m s ，伽er e s e a r c h e sa sf o l l o w sa r ed o n eb vm ei nt h i ss u b i e c t f i r s t l y ，t h ep r i m er e a s o n so fv i b r a t i o np r o d u c e db yh i g ls p e e dt o o ls y s t e mw h e n i ti sc u t t i n ga r ed e t a i l e da n da i l a l y z e di nt h e o r y t h em a i nm e t h o d st oc o n t r o la i l d d e c r e a s et l l ev i b f a t i o na r ed r e s e m e ds u c ha sa d d i t i o i l a lm a s st e c h n i c s p e r f b n n a n c eo f s p i n d l e t o o l h o l d e ri n t e r f 酏es y s t e mp r o d u c e db ye f 诧c to fc e n t r i 缸g a lf b r c ea th i g h r o t a t i o n a ls p e e di sa n a l y z e db ye l a s t i c p l a s t i ct h e o r y ，a tt h et i m e ，r e l a t i o nb e t w e e n i n t e r f b r e n c ea n dd i s e n t 谢n i n ga i l 9 1 ev e l o c i t yw h e nt o o l h o l d e ri si n s t a l l e di nm e s p i n d l e ，b e 铆e e ne x t e r i o rd i 锄e t e ro fs p i n d l ea n di n n e rd i a m e t e ro ft o o m o l d e r ，a n d b e t 、v e e ni n t e r f a c ec l e a r a n c ea i l di n t e r f e r e n c ea r e rs p i n d l e t o o l h o l d e ri m e r f a c es v s t e m i se x p a n d e du n d e re f k c to f c e n 岫f u g a lf o r c e ，a l lo f t h e ma r eb m u g h tf b n v a r d s e c o n d 】y t h ee f f e c t so fs t a t j c sa n dd y n a m i c s ，s “e s s 矗e l da 工1 d 锄o u n to f d e f _ o m a t i o nf o r c i n go nc u t t i n gt o o ls y s t e mc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l v z e dw i t ht h e a d v a n c e dn o m i n e a rf e mt e c h n o l o g y a n dc o m b i n i n gm o d a la n a l y s i s ，d e p e n d a b i l i t v o fh i g hs p e e dc u m n 2t o o lt e c h n o l o g i e sa r ea l s or e s e a r c h e d ，w h i c hb r i n g sf b r w a r d w h o l e s o m ea d v i c e sf o rr a t i o r l a lc o n s t m c t i o n a ld e s i g no ft o o ls v s t e ma th i g hs p e e d r o t a t m g t h j r m y ，m o d eo ft 0 0 1s v s t e ma r ea n a l v z e dw i t ht h ea d v a n c e dn o n l i n e a rf e m t e c l l i l o l o g ya 1 1 dn a t u r a lv i b 阳t i o nf k q u e n c i e sa r ec a l c u l a t e d m o d a la n a l y s i sn o to n l y o f 诧r sag o o dw a y sw h i c hc a nc a l c u l a t en a t u r a lv i b r a t i o nf k q u e n c i e s ，b u ta l s ob r i n g s f o n v a r dw h 0 1 e s o m ea d v i c e sf o rr e s e a r c h i n gv i b r a t i o no f h i g hs p e e dc u n i n gs y s t e m a tl a s t ，d y n 帅i cb a l a n c i n gt e c h n o l o g e sa n dt o o l h 0 1 d e ro fa v o i d i n gv i b r a t i o na r e i n t r o c h l c e do nt h e 笆r o u n d so ft h er e s u l t s i i 插图索弓 图1 1 切削温度随切削速度变化曲线2 图1 1 各种金属切削速度与切削温度关系的实验曲线3 图1 3 高速切削薄壁零件图5 图1 4 车铣切屑5 图2 1 外圆柱面的车铣加工示意图9 图2 - 2 铣刀刀具系统的简化模型1 2 图2 3 刀具系统的约束模型1 2 图2 4 刀具系统的网格划分图1 3 图3 1同心圆盘尺寸示意图1 4 图3 2 主轴，刀具系统装配图1 5 图3 3 离心力作用下主轴扩张图1 7 图3 4 不同转速时主轴的变形量1 8 图3 5 不同转速时刀柄的变形量1 8 图3 6 主轴与刀柄变形量的比较( 3 0 0 0 0 “m i n ) 1 9 图3 7 高速旋转刀具系统的简化图2 0 图3 8 离心力与主轴转速和刀具系统不平衡量的关系2 1 图3 9 刀具系统不平衡量改变时的变形图2 2 图3 1 0 刀具系统不平衡量改变时的最大等效应力图2 3 图3 1 l v o sm i s e s 等效应力图2 4 图3 1 2 刀具系统不平衡量改变时的变形图2 5 图3 1 3 刀具系统不平衡量改变时的最大等效应力图2 5 图3 1 4v o sm i s e s 等效应力图- 2 6 图31 5 刀具系统不平衡量改变时的最大变形图2 8 图3 1 6v o sm i s e s 等效应力图2 8 图3 1 7 刀具系统的不平衡量的位置不同时的变形图2 9 图3 1 8刀具系统的不平衡量的位置不同时的最大等效应力图3 0 图3 1 9 离心力作用在2 点时的应力场分布图3 0 图3 2 0 离心力作用在4 点时的应力场分布图3 l 图3 2 1刀具系统力学模型3 ： 图3 2 2 刀具系统模态分析的模型3 6 图3 2 31 8 阶模态变形结果显示3 7 图3 2 41 8 阶模v o nm i s e s 等效应力图3 7 图4 1高速离心力作用下主轴扩张图4 3 图4 2h s k 刀柄与主轴联结结构与原理图4 3 图4 3 两配重转子的质径积合成4 4 图4 4 不平衡调整示意图4 5 图4 5 在线自动平衡装置4 6 图4 6 阻尼避振部件的物理模型4 8 图4 7 阻尼避振刀柄的改型结构4 9 u i 表 表 表 表 表 表 表 表 附表索弓 不同工件材料对应的高速切削线速度范围2 铣刀切削力计算中的指数和系数一：l o 铣刀的几何参数l l 不同转速及不平衡量下刀具系统所受离心力( n ) _ 2 0 刀具系统不平衡量不同时主轴方向的有限元分析结果2 2 刀具系统不平衡量不同时主轴方向的有限元分析结果2 4 刀具系统不平衡量不同时主轴方向的有限元分析结果2 7 刀具系统不平衡量不同位置时主轴方向的有限元分析结果2 9 v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：7 琴 日期：加，年f 月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期：跏g 年f 月加日 日期：0 弼年r 月 第一章绪论 机械制造是一门与国民经济各部门联系最广泛的实用科学技术。从各种日常 生活用品、各种机电产品和工业机械到代表尖端技术的人造卫星、火箭及航天飞 机等都是通过机械部门来完成的，因此机械制造技术的发展牵动着国民经济各部 门的发展，一个国家机械制造工业的水平就集中的代表了这个国家工业化的水 平。而金属切削加工与机械制造工艺中的其它加工方法相比，能最经济地达到其 它方法所达不到的尺寸精度、几何形状精度、位置精度和表面粗糙度。因此切削 加工一直作为机械制造工业的主导加工方法，由于机械产品机械性能的不断提 高，绝大部分机械零件最后仍然经过机械加工。当前切削加工( 含磨削) 量占机 械加工的9 5 以上。随着加工技术的发展，精密铸造、精密锻造和特种加工技术 将代替部分切削加工，但是，工件的最后成型和精加工仍依靠切削和磨削加工。 本世纪，切削加工仍然占9 0 左右。因此研究切削加工技术，提高切削加工的效 率和质量，降低加工成本，对机械制造工业的发展具有着重要的意义。 车铣技术是近年来发展起来的一种先进的金属切削技术，由于车铣加工可大 幅度提高切削加工的效率和质量，缩短生产周期，降低加工成本，所以这项技术 已经成为当今世界特别是发达国家盒属切削领域研究的热点。由于刀具材料、机 床和控制技术的发展，经过二十多年的发展，以提高切削速度、高进给速度和高 加工精度为主要特征的高速切削加工技术已经进入实用阶段。目前，高速切削加 工技术已广泛应用于航天工业、汽车工业、模具工业等多种工业中的钢、铸铁、 铝合金等材料的加工”“。近年来，各种高速铣削加工中心纷纷问世，标志着高 速切削技术已经进入了推广应用阶段。而高速车铣是一种高效精密加工的高速切 削工艺技术，它体现了当代切削技术朝“高速化+ 精密化”发展的趋势，具有十 分显著的技术经济效益，它的推广应用必定有着广阔的前景和市场。 1 1 高速切削技术概论 高速切削是先进制造技术最重要的方面之一，机械加工发展的总趋势是高效 率、高精度、高柔度和强化环境意识“12 。高速或超高速切削加工是切削加工 的发展方向，已经成为机械加工的主流。它是先进制造技术的一项关键技术。高 速切削技术有广阔的应用前景。它可以大幅度提高机械加工效率，单位时间内材 料切除率提高3 5 倍或更高( 生产中也可以用背吃刀量、进给量a 和切削速度 u 的乘积最大来衡定切削加工效率，而不单纯追求高切削速度) 0 1 ，同时可以明 显提高加工质量，降低成本，而且可以带动一系列高新产业的发展。然而，高速 切削加工技术还处于开发阶段，尚有许多问题需要深入研究，尤其是高速切削刀 具系统直接决定高速切削的效率、质量和安全，是推广和实施高速切削技术的基 础。 基于高速加工中心刀具系统静动态性能的研究 1 1 1 高速切削的起源与发展过程 高速切削是一个相对概念，由于刀具材料、工件材料和加工工艺的多样性， 不可能用一个确切的指标来定义，并得到广泛的认同。1 。从切削技术角度来看， 以高的切削速度、高的进给速度和高的加工精度为特征的加工技术都可以称高速 切削，一般认为切削速度超过普通切削速度的5 1 0 倍，在l o o o o 2 0 0 0 0 耐m i n 之间的切削称做高速切削：常用工件材料的高速切肖目速度范围见表1 1 8 1 。而从 切削机理来看，高速切削是指温度不再显著地随切削速度增大而升高的切削“1 。 表11 不同工件材料对应的( 超) 高速切削线速度范围 1 1 1 1 国外高速切削技术的发展 国外对高速切自的研究要比国内早。从1 9 3 1 年德国切削物理学家 c a r i s a i o m o n 从绿铜切削实验及物理引申提出高速切削这一概念，高速切削大致 经历了以下四个阶段。1 。 ( 1 ) 设想和理论探索阶段( 1 9 3 1 1 9 7 1 ) ：1 9 3 1 年德国博士c a d s a l o m o n 首次提出了高速切削对切削温度影响的设想：对于给定的工件材料都有一个临界 切削速度，此处切削温度晟高；当切削速度达到临界速度前，切削温度和刀具磨 损随着切削速度的增大而增大；但当超过这个临界值时，随着切削速度的增加， 切削温度和刀具磨损反而下降。切削速度与切削温度间的关系曲线如图1 1 所 刁i ： 图1 1 切削温度随切削速度变化曲线 当时人们认为，切削速度越高，切削温度也越高，当超过了刀具材料耐高温 性所允许的最高温度后，由于刀具材料的硬度急剧下降，会导致刀具的快速磨损。 因此，用某一种刀具材料切削某一种金属材料，存在一个极限切削速度。德国博 士c a r l s a l o m o n 于1 9 2 4 年到1 9 3 1 年问用圆锯片高速切削非金属( 采用4 4 0 l r n j n 的切削速度切削钢，1 6 0 0 州m i n 切削青铜，2 8 5 0 耐m i n 切削铜，1 6 5 0 0 州m i n 切削 硕士学位论文 铝) 得出如图1 2 试验曲线，得出了与上述看法不同的结论。他认为，切削速度 与切削温度之间并不呈单调的变化，而是有一峰值，超过了这个峰值，切削速度 越高，切削温度反而下降。因此，对某种刀具切削某种工件材料，存在一个由k 与k 组成的切削速度区域，在这一区域内，由于切削速度温度超过允许值不可能 进行符合经济原则的切削。而是低于k 或高于k 都能进行正常切削。 例如，用一把直径为2 1 0 眦齿数为2 8 齿的螺旋齿圆柱铣刀铣磷青铜，铣削 深度为7 5 m m ，进给速度为矿，= 2 2 8 耐m i n ，在切削速度y = 4 5 州m i n 时切削呈蓝 色，进行短时间切削，刀具烧毁，但将切削速度提高到矿= 1 6 0 0 i i l m i n ，将进给速 度提高1 0 倍，工件与刀具仍然是冷的。1 9 5 8 1 9 6 0 年美国空军制定第一个高速 切削技术研究计划。而后美国l o c k h e e d m a n i n 飞机公司也对此进行了研究。1 9 6 4 年，法国机床研究中心、法国机械研究中心和f o r e s t l i n e 公司合作进行了研究， 澳大利亚、英国和日本也相继进行了研究。 ( 2 ) 应用探索阶段( 1 9 7 2 1 9 7 8 ) ：在这阶段，美国l o c k h e e d m a n i n 导弹与 空间公司，德国d 籼s t a d t 工业大学，法国f o r e s t l i n e 公司和d a s s a u l t 公司又做 了进一步的探索，试制了高速加工实验用的机床与加工中心，主轴系统参数达到 6 0 0 0 1 8 0 0 0 仇n i n 。 ( 3 ) 应用阶段( 1 9 7 9 1 9 8 4 ) ：高速切削在国外开始进入应用阶段，1 9 7 9 年美国国防高级研究工程局开始了为期4 年的现代加工技术研究计划，先后引进 了包括钢、铸铁、铝、黄铜、钛合金等在内的高速切削的加高几里；进行了用于 导弹实验的速度高达7 6 0 0 1 1 1 m i n 和7 3 0 0 0 州m i n 的高速切削实验。 1 2 0 0 越 望 篓8 0 0 切削速度v ( m m i n ) 图1 2 各种金属切削速度与切削温度关系的实验曲线 1 9 8 l 1 9 8 4 年德国d a m s t a d t 工业大学和1 8 家企业联合开发研究了高速主 轴系统以及包括铝合金、镁、钢、铸铁等金属和石墨等非金属材料在内的切削加 工机理和工艺。在德国，超高速切削得到了国家研究技术部的鼎力支持。1 9 8 4 年该部拨款1 1 6 0 万马克，组织了以d a n n s t c a d t 工业大学的生产工程与机床研究 所为首的、有4 1 家公司参加的两项联合研究计划，全面而系统地研究了超高速 切削机床、刀具、控制系统以及相关的工艺技术，取得了国际公认的高水平研究 成果，并在德国工厂广泛应用，获得了好的经济效益。 ( 4 ) 成熟推广阶段( 1 9 9 0 年至今) ：高速切削技术逐渐进入比较成熟的阶 段，各工业发达国家陆续投入了大量人力，财力于高速切削技术的研究与开发， 相关技术迅速发展。首先是高速机床发展迅速，主轴1 0 0 0 0 2 0 0 0 01 1 1 m i n 的加 工中心相当普遍，目前1 0 0 ，o o om ，m i n 及更高的加工中心也已出现；其次包括 刀具材料、刀具结构、刀具装夹系统在内的高速切削刀具也有了很大的发展。 1 1 1 2 国内高速切削技术的发展 国内对高速切削的研究起步较晚，2 0 世纪9 0 年代以来刁吲起普遍关注。尽 管起步较晚，经过努力，我国在高速切削技术也取得了一些进展，特别是适合于 高速切削的刀具材料的开发和实际应用已初具规模。但是，我国高速切削的发展 仍然存在很多问题，例如：高速切削刀具尚未形成系列化、标准化；实际的切削 加工中缺乏完备的高速切削数据库；机床操作人员对高速切削技术的要求认识不 足；高速切削刀具主要依赖进口；我国自行开发研制的高速切削机床还很少等。 总之，高速切削所固有的高效率、高精度的优势还没有在我国制造业中体现出来。 1 1 2 高速车铣技术的特点和发展状况 1 1 2 1 高速车铣加工的特点 车铣和高速切削是当今世界机械加工工业和机床制造业的主要发展前沿之 一。车铣( t u r n i n g m i l l m g ) 指用铣削和车削的复合运动共同完成回转体切削加 工的切削方法”1 。 按传统观念总认为提高切削速度，会加剧刀具磨损。但实践表明并非如此， 采用较高的切削速度反而增加刀具生命，并能显著提高工件的加工精度。根据车 铣领域和高速切削领域里的研究成果，作为一种先进的金属切削加工方法，高速 车铣加工与传统加工工艺相比，主要优点为： ( 1 ) 车铣是问断切削，因此无论加工何种材料的工件都能得到较短的切屑 ( 如图1 4 ) ，易于自动除屑。 ( 2 ) 由于使用了多刃刀具，金属切除率高，单位时间的材料切除量提高了3 5 倍。 ( 3 ) 间断切削使刀具有充分的冷却时间，刀具切削温度相对较低，由于切削 时产生的热量主要被切削所带走，切削时工件的温度低，甚至达到了绝热切削， 热变形小，这样很适合于用来加工熔点较低、易氧化的金属以及易产生热变形的 零件卜“1 。 ( 4 ) 车铣加工与传统车削相比，当金属切除率相同时，车铣单刃负荷小， 这样可降低切削力，速度升高时，特别会引起工件变形的径向力有明显下降，这 有利于提高薄壁件和细长件加工的形状精度，由于切削力小，机床和刀具承受的 负荷小，也有利于机床精度的保持。如图1 3 所示为高速旋转刀具加工薄壁零件 时的情景。 4 硕士学位论文 ( 5 ) 多刃切削过程平稳，刀具磨损小，延长了刀具寿命，从而减少了换刀 次数，提高了工件的可靠性，减少了辅助时间。 ( 6 ) 由于切削速度是由工件和刀具的回转速度共同合成，因此不需要使工 件旋转也能实现高速切削，有利于对大型工件进行高速切削，同时由于工件转速 相对较低，加工薄壁件时几乎没有离心力产生的变形。 ( 7 ) 使用较大的纵向进给也能得到较好的表面的光洁度。高速车铣提高了 工件表面的加工质量，其质量可同磨削相媲美，甚至达到了以铣代磨的效果。 ( 8 ) 需用车、铣、钻、镗等不同方法进行加工的工件能在一次装夹中加工 完成，不需要更换机床，大大缩短了生产周期，防止了重复装夹引起的定位误差， 降低了加工费用。 ( 9 ) 形成磷刺和积屑瘤的可能性很小。 ( 1 0 ) 特别适合对新型材料大型回转体毛坯的加工。 ( 1 1 ) 在高速车铣范围内机床的激振频率远离工艺系统的固有频率范围“1 。 从上述优点可以看出，高速车铣加工工艺是一种高效精加工工艺，它在工业 中的推广应用必将获得显著的技术经济效益。 图1 3 高速切削薄壁零件图 图1 4 车铣切屑 5 綦于局速加工中心刀具系统静动态性能的研究 1 1 2 2 高速车铣技术的发展状况 高速车铣技术是2 0 世纪9 0 年代后，随着c n c 技术的发展及普及而在机械 制造行业发展起来的一种先进制造技术，人们的认识和了解还远远不能满足实际 应用的需要，特别是对高速车铣基础理论的需要则更为迫切。与其它科学技术相 比，车铣技术的产生和发展与生产实践是分不开的。1 9 9 5 年德国人，h w 曲e r 总结了大量的生产实践经验，在生产技术上发表了“用硬质合金铣削圆柱表 面”一文，详细介绍了铣削圆柱表面时进给量、切削速度等主要参数的选用，并 对已知几个工件的表面精度进行了详细研究。该文献对后来车铣技术的研究产生 了重要的影响，它介绍的用铣刀加工圆柱表面的方法，就是车铣技术的一种基本 方法轴向车铣的早期萌芽。1 9 8 3 年德国的s o r g e k p 在他的博士论文车铣 技术中系统地研究了车铣技术的另外一种基本加工方法一正交车铣，对正交 车铣的运动原理、己加工工件的表面的粗糙度、切削力和切削速度等进行了开拓 性的研究工作。目前，德国的a a c h e n 工业大学和d a m s t a d t 工业大学都设有专门 从事车铣技术研究中心。这两个研究中心是德国1 1 个重要的机械研究中心中主 要的两个，各类实验用机床、测试仪器及科研设备齐全，研究水平处于世界前列。 在中国的金属切削试验中，几十年以前就应用了车铣技术，那时称为旋风铣。 由于受控制技术发展水平的限制，故长期以来没有发展起来。2 0 世纪9 0 年代后， 由于c n c 技术的发展，使得多轴控制日益成熟，这样就为车铣技术的发展打开 了大门，使得车铣技术在短短的几十年里取得了突飞猛进的发展。 1 1 3 高速车铣关键技术和相关技术 在现代机械切削加工领域里，缩短非机动时间和减少实际切削时间是提高生 产率的途径之一，近年来随着多轴联动加工中心的进步，缩短加工周期的技术获 得了迅速的发展，高速及超高速切削已经成为发展的重要方向之一。高速车铣对 机床的主要要求： ( 1 ) 适应高速运转主轴部件及其驱动系统。主轴的变速范围完全由变频调 速交流电机实现，并使电机和机床主轴合二为一构成所谓的电主轴。由于电主轴 结构紧凑，重量轻惯性小响应特性好，并可避免振动和噪声，因而是高速主轴单 元的理想结构。高速主轴单元的关键技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电机及 其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具系统动平衡 技术等”。 ( 2 ) 快速反应的数控伺服系统和进给部件。高速机床必须是精密的数控机 床，在进行高速切削时，为了保持每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高， 进给手段也必须大幅度提高。高切削速度、高进给速度和高加工精度是现代高速 切削机床的主要特征，是实现高速又确保刀具运行轨迹高精度的重要条件。 6 硕士学位论文 1 2 高速切削存在的问题及其展望 1 2 1 机床刀具接口技术存在的普遍问题 高速切削条件下工具与机床的联结必须可靠，工具系统应该有足够的整体刚 度，刀柄与主轴的联结问题会严重影响高速切削的可靠性及机床主轴的动平衡， 成为限制高速切削的薄弱环节之一。”“1 。 g b l 0 9 4 4 8 9 中规定的刀柄与机床联结方法采用7 ：2 4 刀柄。这种方法靠大 锥度结合，刀柄与主轴的连结刚性较差，当主轴转速超过1 0 0 0 0 r m i n 时，由于 离心力的作用，主轴7 ：2 4 的大端会产生扩张，使刀柄定位精度和连结刚性下降， 振动加剧，甚至发生刀柄与主轴咬合的现象。 为解决上述问题，近几年来国际工具市场上推出了两种1 ：1 0 短锥空心刀柄， 它们都采用锥部与主轴端面同时接触的双定位方式。h s k 是德国a a c h e n 大学开 发的工具系统，通过斜楔机构推开开口套筒，使空心柄部产生弹性变形来实现径 向定位，再用高精度凸缘端面来保证轴向定位和刚性，该刀柄的增力效果明显， 可达到普通拉杆牵引力的3 倍。k m 是美国k e 肌a 公司开发的工具系统，它与 h s k 的主要区别是加紧机构不同，它由锁闭杆、滚动轮和钢球来组成“。加紧 时使用锁闭杆牵引，靠器械绵延半径向外推钢球，使之与刀柄的倾斜孑l 相接触， 能用较小的牵引力获得较大的加紧力。h s k 和k m 工具系统有接触刚度好、加 紧可靠、传递转矩大、重复定位精度高( 可达o 0 0 1 m m 0 0 0 2 5m m ) ，可适应 高速和换刀时间短以及固定与旋转刀具通用等优点，为提高刀具切削效率和加工 质量、减少磨损及破损创造了条件“。 在高速运转条件下，传统的刀具和7 ：2 4 刀柄及主轴锥孔的配合精度，已经不 能满足切削刚度和精度的要求，需要寻求新的高速切削刀具及新的联结方式。 在主轴高速旋转和切削力的作用下，主轴的大端孔径膨胀，造成刀具轴向和 径向定位精度下降，不利于快速换刀和机床的小型化。 由此可见，解决了高速机床、高速刀具和工艺技术诸多方面的问题之后，还 要认真对待高速切削刀具与机床的接口问题。 1 2 2 刀具系统的动平衡技术 高速旋转刀具系统由于本身所具有的不平衡量要承受很大的离心力，其作用 远远超过切削力，成为刀具的主要载荷，离心力过大足以导致刀体破损。因此， 研究高速旋转刀具系统的动平衡技术，防止离心力引起的工具损坏，是进一步发 展和应用高速切削技术的前提，具有重要的现实意义o “。 离心力的产生正是由于刀具系统本身存在不平衡量，当刀具系统高速或超高 速旋转时，刀具系统就会因为本身所具有的这个不平衡量而产生惯性离心力，而 且如果刀具系统的不平衡量越大，主轴转速越高，离心力就会越大。而且对整个 加工系统也会产生副作用： ( 1 ) 使刀具寿命减少。 ( 2 ) 影响主轴与刀柄联结状态，使联结刚度下降。 基于高速加工中心刀具系统静动态性能的研究 ( 3 ) 引起刀具加紧机构质心的偏离，从而影响主轴的动平衡。 ( 4 ) 使主轴轴承不仅受到方向不断变化的径向力的作用而加速磨损。 ( 5 ) 引起机床振动，降低价格精度甚至可能造成事故“。 1 2 3 车铣复合加工中心对刀具系统的主要要求 复合车铣加工中心对刀具系统除具备普通工具的特性外，主要有以下要求”： ( 1 ) 动平衡性能要求由于刀具系统以( 超) 高速回转，因此要求刀具系 统有良好的动平衡性能。 ( 2 ) 精度要求较高的换刀精度和定位精度。 ( 3 ) 耐用度要求提高生产率，需要使用高的切削速度，因此对刀具耐用 度要求高。 ( 4 ) 刚度要求数控加工常常精、粗加工在同一道工序进行，高速强力切 削，要求工具系统具有高刚度。 ( 5 ) 断屑、卷屑和排屑要求自动加工，刀具断屑、排屑性能要好。 ( 6 ) 装卸调整要求刀具系统的装卸、调整要方便。 ( 7 ) 标准化、系列化和通用化“三化”便于刀具在刀库上安装，简化结 构和动作，或能降低刀具制造成本，减少刀具数量，扩展刀具的适用范围，有利 于车铣加工中心编程和刀具系统的管理。 1 3 本课题主要进行的工作 1 根据铣刀的几何形状和实际工作条件，简化刀具结构，建立铣刀的实际 几何模型和正确的力学模型，作为以后有限元分析计算的基础。 2 用有限元软件分析高速旋转刀具系统在受工件材料、刀具材料、刀柄材 料、刀具直径、刀具系统悬臂长度、切削用量、不平衡量等诸多因素的 影响下，刀具系统内部的应力场分布及其刀具系统的变性量。 3 用有限元着重分析高速旋转状态下离心力对装夹铣刀的刀具系统应力状 态的影响，确定刀具系统在承受很大的离心力作用下的应力场分布。 4 用理论知识分析高速旋转刀具系统不平衡量对刀具系统引起的振动，并 且用a n s y s 软件进行试验验证，最后提出解决措施。 5 运用弹性力学理论以及a n s y s 软件对高速旋转机床主轴刀具联结系统的 离心力效应进行分析，并且提出解决措施。 6 用有限元模态分析方法计算刀具系统的固有振动频率。在课题研究结论 的基础上，提出高速旋转刀柄减振的改进措施、高速旋转刀具系统动平 衡的具体方法。 第二章基于有限元方法的高速铣刀力学模型的建立 2 1 铣刀所受负载的确定 车铣技术就是以车代铣，实现加工的高效率，由于铣刀是多齿刀具，而铣刀 自身具有很高的旋转速度，这类刀具除了承受切削力以外，在高速或超高速旋转 时各部分都要承受很大的离心力，而且其作用远远超过切削力的作用，成为主要 载荷，甚至会导致刀具的破损。 图2 1 所示的是在车床上利用铣刀车铣外圆柱面的加工示意图。由图中可以 看出车铣加工的机床与刀具系统的运动方式。在加工外圆柱面时，铣刀可以从水 平或垂直设置。水平设置刀具可以得到较大的切削深度、进给量和较高的表面质 量，水平设置刀具相对比有较低的切削力和表面质量，但是，被加工面的氏度不 受约束。 图2 1外圆柱面的车铣加工示意图 2 1 1 铣刀所受切削力的计算 切削加工时的切削力是一个变化的量。因为铣刀是多齿刀具，而整个切削过 程为周期性断续切削。切削力的变化取决于刀齿的切八角p 的变化，妒的变化又 影响切削深度的变化，因而切削力发生了变化。切削力的变化会引起切削系统的 振动，对工件的切削加工质量产生一定的影响。若铣刀的刀齿数越多或铣刀的转 速越高，即单位时间内刀齿参加切削的次数越多，则切削过程越接近连续切削”。 高速铣刀在工作时所受切削力也是一个空间力，它由三部分组成：切向铣削分力 e ，径向铣削分力f ，轴向铣削分力e 。在考虑高速铣刀所受的铣削力时，主要考 虑切向铣削分力也就是主切削力e ，因为它在铣削合力中占了很大的分量，大大超 过了其它两个分力”。 铣削力的计算式十分重要，但由于铣削过程的特点，对铣削力作纯理论的推导 是很困难的，目前是借助车削过程中切削力的经验公式来推导铣削力，圆周力的计 基于高速加工中心刀具系统静动态性能的研究 算公式为“”： 只：堡塾二兰竺：丝：= 竺( n ) ( 2 1 ) 。 玩即竹即 日为背吃刀量，单位：i 砌； f 为每齿进给量，单位：咖“z ； 以为侧吃刀量，单位：1 1 1 m ； z 为铣刀齿数，以是刀具的最大外径，单位：m m 是主轴转速，单位：r 埘m 。 需要注意的是，铣刀加工的工件材料的强度和硬度改变，并且铣刀的磨损量 不同时，所得铣削力的计算公式虽然相同，但应该乘以相应的修正系数。公式 ( 2 1 ) 中的系数和指数如表2 1 所示“： 表21 铣刀切削力计算中的指数和系数 2 2 高速旋转铣刀力学模型的建立 课题的主要内容是分析离心力对刀具系统内部应力场、变形量、刀柄主轴 联结性、刀具系统振动的影响，而分析的前提是建立一个正确的力学模型。这个 受力模型的建立包括： 1 实体模型的建立用有限元软件本身的建模功能或其传输功能建立铣刀 基本几何结构和几何参数的实体模型的简化模型。 2 载荷的计算以及约束的确定计算铣刀在一定的切削用量和切削条件下 所受的切削力和刀具系统的离心力；确定刀具系统实际的约束条件。 3 施加载荷和位移边界条件负载和位移约束施加在实体模型或f e m 模型 ( 节点和单元) 上，但是在实体模型上加载更具优点： ( 1 ) 几何模型加载独立于有限元网格，重新划分网格修改不影响载荷； ( 2 ) 加载的操作更加容易，尤其是在图形中直接拾取时； ( 3 ) 无论采取何种加载方式，用有限元方法计算前都将载荷转化到有限元 模型。因此，加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上o “2 “。 2 2 1 州s y s 有限元软件概述 a n s y s 软件是容结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分 析软件，可广泛用于机械制造、石油化工、航天航空、能源交通、国防军工、 电力电子、土木工程、生物医学、水利工程、日用家电等领域的科学研究。该软 件可在大多数计算机及操作系统中进行，从p c 机到工作站直至巨型计算机， a n s y s 文件在其所要的产品系列和工作平台上均兼容。如：热一结构耦台、磁 一结构耦合、电一磁一流体一热偶合，在p c 机上生成的模型同样可运用于 1 0 巨型机上，这样就确保了a n s y s 对多领域多变工程问题的求解1 。 本课题利用a n s y s 软件结构分析功能对刀具系统应力状态、变形量、刀柄 主轴联结状态进行静力学分析，得出有关结论。相对于以往的有限元分析软件， 该软件功能更为强大，拥有更为合理的交互模式。而且，出于a n s y s 良好的程序 结构，它可以对实验结果进行不同的展示。例如，得出刀具系统在某一状态下的 应力场，还可以进行动态演示等。使用有限元软件比用普通的解析更为合理。 2 2 2 铣刀几何模型的建立 有限元分析的第一步骤就是建立铣削加工刀具系统的实体几何模型。有限元 建立实体模型的方法有直接法和间接法。直接法适用于具有简单的几何外形，节 点、元素数目较少的机械系数，间接法用于节点和元素数目较多的复杂几何外形 机械结构系统。间接法首先建立结构实体形状，称为实体模型，然后自动生成网 格。由于车铣刀的几何结构太复杂，而铣刀与车铣刀较相似，在此，采用间接法 用有限元软件生成一把铣刀的实体几何模型来替代车铣刀的实体几何模型。其具 体的刀具系统( 包括：h s k 刀柄、铣刀) 的几何参数如表2 2 所示。 h s k 刀柄的标识为：h a z m e r e 4 0 0 2 2 1 6a o 5l o 1 6 0 表2 2 铣刀的几何参数 由于计算本身内存及硬盘空间有限，同时为使分析技术过程顺利，在整个的 有限元分析过程中，可以把铣刀的实体模型进一步简化，用一个简化模型来替代 铣刀的实体几何模型。图2 2 是铣削刀具系统的简化模型图。在前面述叙中已经 说明，由于计算机本身内存和硬盘空间容量的限制，不能对铣刀的实体模型进行 完整的分析计算，因为该铣刀实体模型的网格划分数太大，需要运用的方程数也 太多，超出了计算机存储量。 另外一个重要的原因就是，在整个的分析过程中，简化模型不影响分析的性 质和结果。本课题的主要工作就是分析高速旋转铣刀刀具系统的内部应力场随各 种切削条件变化而变化的规律、刀具系统离心力效应的规律、主轴刀具联结系 统离心力效应的规律以及刀具系统振动的规律。因此，用简化模型作为有限元的 分析基础，对应力的数值没有太大的影响，而且对刀具系统应力场的分布几乎都 没影响。另外，在对刀具系统做模态分析时，也利用铣刀的简化模型，而它对计 算结果没有影响。综合这两点，决定用简化模型作为有限元分析计算的基础。 在简化模型中，刀具直径没有变化，刀具长度、齿数都没有变，只有螺旋角 被忽略了，但这对分析影响很小，在本课题的研究中忽略不计。 2 2 3 刀具系统位移边界条件的确定 所谓位移边界条件，实际上是刀具系统的约束条件，也是刀具系统所受的一 类载荷。有限元分析时是以弹性力学为基础的，求解弹性力学问题必须满足边界 基于高速加工中心刀具系统静动态性能的研究 条件，从数学方面看，这是保证结构刚度方程有唯一解所必须的；从物理方面看， 这是给结构施加足够的约束，以消除结构的刚体位移8 “。 根据刀柄的实际装夹结构，可以确定刀柄所受约束发生在主轴