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高速切削HSK刀具系统的数值模拟与可靠性研究

作　者: 路广
导　师: 桂贵生
学　校: 合肥工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 高速切削加工 HSK刀具系统有限元法可靠性
分类号: TG506.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

高速切削加工技术是当代最重要、最具发展潜力的先进制造技术之一,已逐步成为加工制造业的主流。高速切削显著提高加工效率,降低生产成本。高速切削加工要求刀具具有卓越的切削性能,同时对刀具与机床主轴联接系统的联接性能、联接精度等都提出了更为严格的要求。因此,对联接系统的研究有助于高速切削加工技术的推广应用。本文介绍了高速切削加工技术的理论体系及其发展趋势,阐述了高速切削刀具系统的研究现状;介绍了国内外高速切削加工中主要使用的刀具系统。本文重点对HSK刀具系统进行了理论分析,应用弹塑性力学理论建立了力平衡方程、弹性本构方程、几何方程以及边界条件,建立了高速状态下刀具联接系统理论分析模型,对HSK刀具模型的变形进行了理论分析,并计算出了刀具系统的极限转速。本文应用有限元和可靠性分析法,分别对HSK刀具系统的接触应力随夹紧力、过盈量以及转速的变化情况和锥面配合的可靠性进行了研究,总结出接触应力的变化规律,并计算了刀具系统锥面配合可靠度系数。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-7
致谢  7-15
第一章绪论  15-25
  1.1 概述  15
  1.2 高速切削加工技术简介  15-19
    1.2.1 高速切削加工技术的定义  15-17
    1.2.2 高速切削加工技术的特点  17-18
    1.2.3 高速切削加工技术的主要应用领域  18-19
  1.3 高速切削加工的刀具系统  19-23
    1.3.1 传统BT 刀具系统  19-20
    1.3.2 新型刀具系统  20-21
    1.3.3 改进型刀具系统  21-23
    1.3.4 国内刀具系统的研究  23
  1.4 本论文的来源、研究意义及主要研究工作  23-24
  1.5 本章小结  24-25
第二章高速切削加工技术  25-36
  2.1 高速切削加工机理  26-27
  2.2 高速切削加工机床  27-29
    2.2.1 高速主轴系统  27
    2.2.2 高速进给系统  27-28
    2.2.3 CNC 系统  28
    2.2.4 高速切削机床的床体结构  28-29
    2.2.5 切屑处理和冷却系统  29
    2.2.6 安全装置和实时监控系统  29
    2.2.7 方便可靠的换刀装置  29
    2.2.8 高速切削机床温控装置  29
  2.3 高速切削工艺技术  29-30
    2.3.1 切削参数和切削方法  30
    2.3.2 高速切削数控编程  30
  2.4 高速切削加工刀具  30-32
    2.4.1 高速切削刀具材料  30-32
    2.4.2 高速切削刀具结构  32
    2.4.3 高速切削刀刃形状  32
  2.5 高速切削加工工件  32-35
    2.5.1 工件的材料特性  32-33
    2.5.2 工件的结构特性  33
    2.5.3 刀具材料与工件的匹配  33-34
    2.5.4 刀具的合理选择  34-35
  2.6 本章小结  35-36
第三章 HSK 刀具系统的理论分析模型  36-47
  3.1 弹塑性力学理论  36-37
    3.1.1 弹塑性力学的基本研究任务  36
    3.1.2 弹塑性力学基本假设  36-37
    3.1.3 弹塑性力学研究方法  37
  3.2 刀具系统的计算模型  37-39
    3.2.1 基本方程  37-39
    3.2.2 常用屈服条件  39
  3.3 HSK 刀柄/主轴接触应力分析  39-42
    3.3.1 过盈配合的接触应力  40-41
    3.3.2 传递到刀柄的夹紧力  41-42
  3.4 离心力作用下HSK 刀柄/主轴联接变形分析  42-43
  3.5 HSK 刀具系统的临界转速  43-46
    3.5.1 基于材料强度的临界转速  43-44
    3.5.2 基于刀柄/主轴锥面接触的临界转速  44-45
    3.5.3 HSK 刀具系统临界转速的计算  45-46
  3.6 本章小结  46-47
第四章 HSK 刀具系统的数值模拟  47-64
  4.1 有限单元法  47-48
    4.1.1 有限单元法基本思想  47-48
    4.1.2 有限单元法基本步骤  48
  4.2 ANSYS 简介  48-50
    4.2.1 ANSYS 主要技术特点  49
    4.2.2 ANSYS 典型分析过程  49-50
  4.3 HSK 刀具系统有限元模型的建立  50-53
    4.3.1 HSK 刀具系统实体模型  50-52
    4.3.2 单元及材料选取及参数设置  52
    4.3.3 实体模型的网络划分  52-53
  4.4 HSK 刀具系统有限元模型的加载  53-55
    4.4.1 接触类型的确定  53-54
    4.4.2 建立目标面与接触面  54
    4.4.3 接触对关键参数的设置  54-55
    4.4.4 边界条件的施加  55
  4.5 HSK 刀具系统有限元模型的结果分析  55-62
    4.5.1 锥面间隙和接触应力  56-57
    4.5.2 过盈量影响  57-58
    4.5.3 夹紧力影响  58-59
    4.5.4 转速影响  59-60
    4.5.5 切削力影响  60-62
  4.6 本章小结  62-64
第五章 HSK 刀具系统的可靠性研究  64-72
  5.1 机械零件可靠性分析的基本概念  64-65
    5.1.1 可靠性的定义  64
    5.1.2 广义可靠性与狭义可靠性  64-65
    5.1.3 固有可靠性和使用可靠性  65
  5.2 机械零件应力-强度干涉模型  65-68
    5.2.1 应力—强度干涉模型简介  65-67
    5.2.2 应力—强度干涉模型的应用  67-68
  5.3 HSK 刀具系统的可靠性模型  68-71
    5.3.1 应力和强度均呈正态分布的可靠性模型  68-69
    5.3.2 HSK 刀具系统的主要失效形式  69
    5.3.3 HSK63-A 刀具系统可靠性计算  69-71
  5.4 本章小结  71-72
第六章总结与展望  72-74
  6.1 研究的主要结论  72
  6.2 论文主要创新点  72-73
  6.3 展望  73-74
参考文献  74-77
攻读硕士学位期间发表的学术论文  77-78

高速切削HSK刀具系统的数值模拟与可靠性研究

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