本發(fā)明屬于刀柄-主軸系統(tǒng)動態(tài)特性分析領(lǐng)域，涉及一種針對雙面鎖緊刀柄-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，并基于該方法對高轉(zhuǎn)速條件下系統(tǒng)結(jié)合部剛度進行分析。

背景技術(shù)：

刀柄是連接機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推動錐套調(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，從而改善整體動態(tài)性能。但是在高于一定轉(zhuǎn)速上限時錐形結(jié)合面仍然會發(fā)生大端局部分離，從而降低結(jié)合部剛度，影響系統(tǒng)動態(tài)性能。由于傳統(tǒng)的是實驗辨識法中噪聲等外界環(huán)境的干擾作用對剛度預(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。為了對刀柄主軸結(jié)合部剛度進行分析，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)具有尺度獨立性、不受儀器分辨率和取樣長度影響等優(yōu)勢，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考慮了彈塑性變形與域拓展因子對分形剛度的影響，并基于此建立了三維接觸法向與切向剛度模型。通過對雙面鎖緊刀柄進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。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種針對雙面鎖緊刀柄-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)對結(jié)合部剛度的影響趨勢。

本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實現(xiàn)的：

S1、同時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，進行有限元靜力分析，提取雙結(jié)合面各節(jié)點壓強值，通過乘以網(wǎng)格面積獲得各節(jié)點所在局部區(qū)域的結(jié)合面壓力值。

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

S4、建立各節(jié)點對應(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)緊力對結(jié)合部剛度的影響趨勢。

本發(fā)明的特點用結(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，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)對結(jié)合部剛度的影響趨勢。

附圖說明

圖1結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度示意圖；

圖2不同轉(zhuǎn)速對結(jié)合部剛度的影響趨勢；

圖3 25000r/min高轉(zhuǎn)速條件下拉刀力對結(jié)合部剛度的影響趨勢；

圖4 25000r/min高轉(zhuǎn)速條件下碟簧剛度對結(jié)合部剛度的影響趨勢；

圖5 25000r/min高轉(zhuǎn)速條件下碟簧預(yù)緊力對結(jié)合部剛度的影響趨勢；

具體實施方式

以下結(jié)合附圖1-5對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。

步驟(1)建立三維法向及切向剛度模型；

基于M-B分形理論，結(jié)合赫茲理論，同時考慮彈塑性變形和域拓展因子ψ，通過對處于不同變形區(qū)域的單個微凸體法向載荷進行積分可得到總彈性法向載荷、彈塑性法向載荷及總塑性法向載荷分別如下：

其中H_G1,H_G2均為與材料屬性及結(jié)合面分形參數(shù)相關(guān)的系數(shù)，

H為較軟材料的硬度，H＝2.8Y(Y為屈服強度值)；k為與泊松比相關(guān)的參數(shù)，k＝0.454+0.41ν；a′_1c,a′_2c分別為彈性、彈塑性及塑性變形間臨界橫截面積。

則結(jié)合面總法向載荷可表示為F＝F_e+F_ep+F_p。

法向剛度建模中，在彈性變形與彈塑性變形區(qū)域法向接觸剛度分別為：

切向剛度建模中，在彈性變形與彈塑性變形區(qū)域切向接觸剛度分別為：

式中G'為結(jié)合部等效剪切模量，1/G'＝(2-ν₁)/G₁+(2-ν₂)/G₂；H₁,H₂通過公式得到。

綜上，結(jié)合面法向與切向總接觸剛度分別為：K_n＝K_ne+K_nep，K_t＝K_te+K_tep。

步驟(2)有限元靜力分析；

對雙面鎖緊BTF40刀柄-主軸系統(tǒng)建立三維幾何模型，通過采用TARGE目標(biāo)單元與CONTAC接觸單元建立雙結(jié)合面接觸對，采用映射方式對雙面雙面刀柄劃分網(wǎng)格，對主軸進行軸向固定約束，在刀柄小端施加拉刀力，對系統(tǒng)整體施加轉(zhuǎn)速約束，進行靜力分析。在分析結(jié)果中分別提取錐面結(jié)合面和端面結(jié)合面上的節(jié)點壓強值，并計算在各節(jié)點所在網(wǎng)格所在局部區(qū)域結(jié)合面壓力值。

步驟(3)計算雙結(jié)合面上各節(jié)點對應(yīng)的等效法向與切向剛度；

將錐面與端面結(jié)合面節(jié)點所在部分壓力值代入結(jié)合面分形法向與切向剛度模型中，計算雙結(jié)合面上各節(jié)點所對應(yīng)的等效法向及切向剛度值。

步驟(4)計算結(jié)合部徑向與扭轉(zhuǎn)剛度；

由于錐形結(jié)合面和端面結(jié)合面均為旋轉(zhuǎn)對稱面，因此分別建立沿y方向的徑向剛度及繞y軸的扭轉(zhuǎn)剛度模型如下：

式中n_T，n_E分別為錐面接觸面和端面接觸面節(jié)點數(shù)目；分別為錐面結(jié)合面節(jié)點法向剛度和切向剛度；分別為端面結(jié)合面法向剛度與切向剛度；θ為接觸面節(jié)點位置角度；分別為錐面結(jié)合面和端面結(jié)合面節(jié)點與x軸間的距離。

步驟(5)揭示轉(zhuǎn)速與拉刀力對結(jié)合部剛度的影響；

計算不同轉(zhuǎn)速條件下結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度值，揭示轉(zhuǎn)速對結(jié)合部剛度的影響趨勢；計算25000r/min高轉(zhuǎn)速條件下不同拉刀力、不同碟簧剛度及不同碟簧預(yù)緊力對結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度的影響，并作出趨勢圖。