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(guò)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(wú)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(guò)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。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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(guò)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(guò)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)。

本發(fā)明的特點(diǎn)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，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)。

附圖說(shuō)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(duì)結(jié)合部剛度的影響趨勢(shì)；

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

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

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

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖1-5對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)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(shí)考慮彈塑性變形和域拓展因子ψ，通過(guò)對(duì)處于不同變形區(qū)域的單個(gè)微凸體法向載荷進(jìn)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(qiáng)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(guò)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(duì)雙面鎖緊BTF40刀柄-主軸系統(tǒng)建立三維幾何模型，通過(guò)采用TARGE目標(biāo)單元與CONTAC接觸單元建立雙結(jié)合面接觸對(duì)，采用映射方式對(duì)雙面雙面刀柄劃分網(wǎng)格，對(duì)主軸進(jìn)行軸向固定約束，在刀柄小端施加拉刀力，對(duì)系統(tǒng)整體施加轉(zhuǎn)速約束，進(jìn)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(diǎn)壓強(qiáng)值，并計(jì)算在各節(jié)點(diǎn)所在網(wǎng)格所在局部區(qū)域結(jié)合面壓力值。

步驟(3)計(jì)算雙結(jié)合面上各節(jié)點(diǎn)對(duì)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(diǎn)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(jì)算雙結(jié)合面上各節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的等效法向及切向剛度值。

步驟(4)計(jì)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(duì)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(diǎn)數(shù)目；分別為錐面結(jié)合面節(jié)點(diǎn)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(diǎn)位置角度；分別為錐面結(jié)合面和端面結(jié)合面節(jié)點(diǎn)與x軸間的距離。

步驟(5)揭示轉(zhuǎn)速與拉刀力對(duì)結(jié)合部剛度的影響；

計(jì)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(duì)結(jié)合部剛度的影響趨勢(shì)；計(jì)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(duì)結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度的影響，并作出趨勢(shì)圖。