基于有限元方法的超硬刀具磨床主轴系统特性研究与优化

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1、上海师范大学硕士学位论文第1章绪论第1章绪论1.1研究背景及意义机械工业肩负着为国民经济各个部门提供技术装备的重要任务。机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志之一。国家的工业、农业、国防和科学技术的现代化程度都与机械工业的发展程度相关。大量设计制造和广泛使用各种各样先进的机器可以促进国民经济的发展，加快我国社会主义现代化建设。机床是基础的机械工业产品，对国家各工业部门的装备自动化和制造业自动化的实现有直接影响。机床的结构设计越科学合理，其性能越出色，加工效率就越高，带来的经济效益也越好。随着科学技术的进步，机床的结构设计思想与分析理论发展迅速。尤其是在信息技术快速发展的今天

2、，计算机技术已经在数据计算与处理、质量控制、模拟仿真等多方面得得了广泛的应用，先进分析技术水平有了显著的提高，这都使得机床在设计与分析方面的手段愈加丰富。现代机床正朝着高速、高效、高精度和高自动化的方向发展。机床在进行机加工时需通过刀具完成加工目标。刀具是机床实现切削加工的实际执行部件，没有刀具，切削工作就无法进行。轻视刀具，就容易导致无谓的损失，甚至重大安全事故。随着新型材料的不断涌现，以PCD、PCBN为代表的新型超硬刀具材料被用于制作高质量的铣刀、车刀、钻头以及磨削砂轮等。但超硬刀具因其高硬度导致刀具刃磨加工困难，要获得符合要求的优质超硬刀具，需要通过专用机床对刀具的各个刀面和刀尖

3、角度进行精密刃磨。超硬刀具磨床就是一种用以磨削加工超硬刀具的机床产品，该磨床加工精度高、结构紧凑、传动平稳可靠，被广泛应用于加工尺寸精度和表面质量要求较高的超硬材料刀具。超硬刀具磨床在磨削加工超硬刀具的过程中，主轴系统的静动态性能对磨削质量和加工精度有重要影响，这是因为，主轴不仅高速转动驱动砂轮，还受到外界的载荷作用，从而产生应变和振动。这两者的产生，不仅会降低磨床加工精度和刀具质量，甚至可能缩短磨床自身的许用寿命。所以，釆用精确度高的有限元法对主轴系统的静动态特性进行分析，探究高速磨削过程中的应变和受迫振动问题，对提高磨床的磨削性能和加工质量具有重要现实意义，已成为现代磨床设计过程中重

4、点研究的问题。传统的磨床主轴结构设计一般为结构计算的方法，该方法具有一定的理论基础，但设计计算时需要进行大量的简化，计算精度不高，繁琐耗时，不能满足现1万方数据第1章绪论上海师范大学硕士学位论文代磨床的设计要求。现代设计方法运用现代应用数学、应用力学及信息科学等方面的最新成果与手段实现以动态的取代静态的，以定量的取代定性的，以变量取代常量，以优化设计取代可行性设计，以并行设计取代串行设计等的转化。现代设计方法已经并正在改变机械设计的进程，在提高设计质量和效率方面有很大的优势。有限元分析法是现代设计方法的一种，通过此法可以对包括大型的和复杂的方案的结构强度、刚度和动力学模型进行精确分析，从

5、而得到应力大小及分布情况，使得设计人员可以单独对某一点、线、面进行强度评定，使得结构的设计更具有针对性。对于不同性质的材料，如各向同性、各项异性、粘弹性和粘塑性材料以及流体，均能采用有限元法进行求解。本课题根据实际加工情况，结合京诚机床有限公司生产的某型号超硬刀具磨床，对磨床主轴系统进行了有限元建模、静动态特性分析、主轴系统优化计算等研究。对于提高主轴刚度和稳定性，提升磨床加工性能具有重要的实际意义，为缩短新机床设计研发周期提供理论参考。1.2国内外研究现状主轴系统是磨床主要执行部件，对磨床加工的工件精度有直接的影响。磨床在运行时，主轴系统高速运转时受到外部作用力，产生复杂变形和振动。当

6、外部作用力的频率与主轴系统的某一固有频率比较接近时，主轴将会发生弯曲、扭转共振，导致主轴和砂轮架等结构产生变形，甚至会引起局部疲劳破坏，降低加工的工件质量。因此，釆用有限元法对主轴系统的静动态特性进行分析，探究高速磨削过程中的应力应变和受迫振动问题，针对薄弱环节进行适当的优化设计，对提高磨床整机性能和加工质量具有重要现实意义。1.2.1有限元法理论和研究现状有限单元法将连续的待解模型离散为有限个独立单元，这些单元仅在节点处相互连接，相互作用力也只由节点传递。根据分块近似思想选一种简单的函数来近似表示各单元内应力的分布规律。建立离散单元的节点力与位移之间的数学关系式，将它们联立得到代数方程

7、组，解方程组即可得到节点位移。从而将一个连续的无限自由度问题转换为离散的有限自由度问题。结构离散和分块近似是有限元法的核心。有限元法作为一种数值计算方法，将弹性理论、计算数学和计算机技术有机结合，具有的灵活、快速和高效的特点，用于解决工程实际分析计算问题。有限元法第一次成功的尝试是1956年波音公司的Turner，Clough等人在分析飞机结2万方数据上海师范大学硕士学位论文第1章绪论构时，将分片近似、整体逼近的思想和结构力学的矩阵