HSK热装工具系统热变形及其性能的研究.pdf
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1、独创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外,本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果,也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名:同- 役 弘lf 年6 只f o 日 学位论文版权使用授权书 I II I I II I I I I I I I I I i q lI II I L I I1I II Y 18 9 5 0 0 3 江苏大学、中国科学技术
2、信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致, 允许论文被查阅和借阅,同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询,授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名:阁减 少f 年石月o 日 指导狮签名:曲谢) 加l 年6 窍f D 日 H S K 热装工具系统
3、热变形及其性能的研究 S t u d yo nt h eT h e r m a lD e f o r m a t i o na n dP e r f o r m a n c e o fS h r i n kT o o lS y s t e m 姓 2 0 1 1 年6 月 摘要 摘要 高速切削加工技术以高效率、高精度和高表面质量为基本特征,在现代制造技术中 和 到越来越广泛的应用,它与精密加工、高能束加工、柔性自动化加工一起,构成了当 今机械制造中的四大先进制造技术。工具系统作为高速加工的关键技术之一,其结构特 征和联接性能对高速加工的质量和效率有着非常重要的影响。热装工具系统正是在符合 高速
4、加工发展的要求下应运而生,并得到快速发展。 本文在对国内外高速加工工具系统研究和分析的基础上,运用理论分析和数值模拟 的方法对热装工具系统的感应加热过程,接触特性,径向刚度和失效形式等重要问题进 行了系统地研究。研究的主要工作及成果如下: ( 1 ) 基于麦克斯韦方程组和弹塑性力学分析理论,建立了热装夹头感应加热过程的 电磁场,温度场和应力应变场的数学模型,对感应加热过程进行了理论分析。 ( 2 ) 在通用有限元软件A N S Y S 中建立了热装夹头感应加热过程的有限元模型,并给 出了建模过程中的各种问题的处理方法。采用顺序耦合的方式对热装夹头的电磁场,温 度场和应力应变场进行模拟,揭示了不
5、同电流密度、电流频率以及刀柄热缩机与热装夹 头的相对位置对热装夹头温度场和应力应变场的影响规律。对热装夹头感应加热参数的 选择具有参考意义。 ( 3 ) 建立了热装工具系统的接触特性和弯曲刚度的理论模型,并结合有限元模拟揭 示了过盈量、主轴转速、夹持长度、夹头壁厚以及配合直径对系统接触特性和径向刚度 的影响规律,并对这些参数的选取作简单的评判。 ( 4 ) 研究了热装夹头在高速加工过程中的主要失效形式,建立了基于夹头材料强度 失效和夹紧力失效的极限过盈量的理论计算模型,并通过有限元软件进行验证,通过两 利,方法对比表明:对于基于夹紧力失效的临界过盈量的计算,理论模型和有限元模型结 果具有很好的
6、一致性,对于基于材料强度失效的临界过盈量的计算,有限元模型更加符 合实际状况。最后,通过分析两种失效状态下的临界过盈量,进而得到热装工具系统的 最佳公差配合。研究工作对保证高速加工过程中热装夹头的安全使用具有现实的指导意 义。 本研究内容是国家科技重大专项“高速数控机床用新型工具系统 江苏大学硕士学位论文:H S K 热装工具系统性能的研究 ( 2 0 0 9 Z X 0 t 0 1 2 0 1 2 - 0 7 ) “ 的一部分,研究工作丰富了高速切削工具系统的设计理论, 有助于缩瓴我国与欧美在高速加工工具系统研究方面的差距,对开发具有自主知识产权 的高速加J _ 热装工具系统有一定的参考价值
7、。 关键词:每速加工;热装夹头:刚度;感应加热;有限元;耦合 A B S T R A C T A B S T R A C T B a s e do nt h eb a s i cp r o p e r t yo fh i 曲e f f i d e n c y 、h i g hp r e c i s i o na n dh i g hs u r f a c eq u a l i t y , H S M ( h i g hs p e e dm a c h i n i n g ) h a sb e e na p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l y H S
8、M ,p r e c i s i o n m a c h i n i n g , h i g he n e r g yb e a mp r o c e s s i n ga n df l e x i b l ea u t o m a t i cp r o c e s s i n gt o g e t h e rm a k e 叩 t h eA d v a n c e dM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g yi nm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yn o w a d
9、a y s A s o n ek e y t e c h n o l o g y o f h i g hs p e e dm a c h i n i n g ,t h e s t r u c t u r ef e a t u r ea n dc o n n e c t i o n p e r f o r m a n c eo fT o o ls y s t e mh a v ea ni m p o r t a n te f f e c to nt h ep r o c e s s i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y E x a c t l yc
10、 o n f o r m i n gt ot h er e q u i r e m e n to fH S M ,S h r i n kf i tt o o ls y s t e me m e r g e da n dw a s d e v e l o p e dq u i c k l y B a s e do nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fh i g h s p e e dm a c h i n i n gt o o ls y s t e m sa th o m ea n d a b r o a d ,t h i sp a p e r
11、s y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e dt h ec o n t a c tc h a r a c t e r i s t i c s ,r a d i a ls t i f f n e s so f s h r i n kf i tt o o ls y s t e m ,a n dt h ep r o c e s so fi n d u c t i o nh e a t i n g T h em a j o rw o r ka n dr e s e a r c h c o n c l u s i o no ft h i sp a p e rw
12、e r ea sf o l l o w s : 1 B a s e do nt h et h e o r yo fM a x w e l le q u a t i o n sa n de l a s t i c p l a s t i cm e c h a n i c s ,t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ,t e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s s s t r a i nf i e l dw a s s e
13、 tu pf o rs h r i n kf i tt o o lc h u c k 2 T h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fi n d u c t i o nh e a t i n gw a ss e tu pt h r o u g hA N S Y Ss o f t w a r e T h eE l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ,t e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s s - s t r a i nf i e l dw e r ea n a l y z
14、e da c c o r d i n g t os e q u e n t i a lc o u p l i n g I nt h ee n d ,t h ee f f e c to fc u r r e n td e n s i t y c u r r e n tf r e q u e n c ya n dh e a t i n g p o s i t i o no nt h ep r o c e s so fi n d u c t i o nh e a t i n gf o rs h r i n kf i tt o o lc h u c kW a Sa n a l y z e d T h
15、e r e f e r e n c ew a sp r o v i d e df o ro t h e rm o d e lo fi n d u c t i o nh e a t i n g 3 T h et h e o r ym o d e lo fc o n t a c tc h a r a c t e r i s t i c sa n dr a d i a ls t i f f n e s sW a ss e tu pf o rS h r i n k f i tt o o ls y s t e m ,a n dt h ee f f e c to fm a g n i t u d eo f
16、i n t e r f e r e n c e , r o t a t i o ns p e e d ,c l a m p i n gl e n g t h a n dw a l lt h i c k n e s so ft o o lc h u c kw a ss t u d i e dt h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 4 T h em a i nf a i l u r em o d e so fs h r i n kf i tt o o lc h u c kw e r ed i s c u s s e di nh i
17、g hs p e e d M a c h i n i n g B a s e do ns t r e n g t hf a i l u r ea n dc l a m p i n g - f o r c ef a i l u r e ,t h et h e o r e t i c a lm o d e lo f u l t i m a t ei n t e r f e r e n c ew a ss e tu pa n dw a sv e r i f i e db yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e T h r o u g h c o m p a
18、r i s o n , a sf o r t h e c o m p u t a t i o n o fc r i t i c a li n t e r f e r e n c ew h i c hW a sb a s e do n c l a m p i n g f o r c ef a i l u r e ,t h et h e o r e t i c a lm o d ew e l la g r e e dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ,b u ta sf o r t h ec o m p u t a t i o no fc r i t i
19、 c a li n t e r f e r e n c ew h i c hw a sb a s e do ns t r e n g t hf a i l u r e ,T h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lw a sc l o s e rt ot h er e a l i s t i cc o n d i t i o n A tl a s t ,t h eb e s tf i tt o l e r a n c eo ns h r i n kf i t t o o ls y s t e mw a so b t a i n e db ya n a l y
20、z i n gt h ec r i t i c a li n t e r f e r e n c ei nt h et w oc o n d i t i o n s T h i sp a p e rm a i n l yd e a l tw i t hs h r i n kf i tt o o ls y s t e mb yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i n i t e 江苏大学硕士学位论文:H S K 热装工具系统性能的研究 e l e m e n tm o d e l i n g ,t h eh i g hs p e e dm a
21、c h i n i n gt h e o r i e so ft o o ls y s t e mw a se n r i c h e di nh i g h s p e e dm a c h i n i n g ,t h es t u d yg a po nt o o ls y s t e mw a s n a r r o w e db e t w e e nC h i n aa n dd e v e l o p e d c o u n t r i e s ,a n dt h er e f e r e n c ew a sp r o v i d e da sf o rd e v e l o
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- HSK 工具 系统 变形 及其 性能 研究
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