● 摘要
随着高速加工技术的广泛推广和应用，仅有良好的静态特性已无法满足数控机床高精度、高表面加工质量和高生产率的生产需求，数控机床整机动态特性的好坏直接影响数控机床的加工性能。处于高速加工状态下的机床加工性能受热的影响较大，所以，对高速复合加工中心及其关键部件的动力学和热特性进行深入研究就显得十分必要。本论文针对高速复合加工中心及其关键部件的动力学和热特性，进行了一系列理论和实验研究，主要体现在以下几个方面：(1) 机床主轴-刀具耦合系统动力学特性研究。考虑陀螺效应和剪切变形的影响，建立了主轴和刀具耦合的动力学模型。采用基于Riccati变换的整体传递矩阵法分析其动力学特性，并对其应变能分布进行了评估。采用经典的拉格朗日法对此算法进行了验证。采用坐标轮换法对主轴-刀具系统的动力学特性进行优化，给出了系统优化的最佳路径。参照优化路径指出了前后轴承的预紧程度是影响系统的动力特性的关键因素。通过优化，使系统的动态性能得到了提高。仅仅研究主轴-刀具系统的固有特性对于保障数控机床高精度、高表面加工质量和高生产率是不够的，还需要对其响应特性进行研究。在高速加工状态下，由于切削力的作用，加工系统会产生振动，而刀尖处的动力学响应直接决定了加工精度。本文采用基于Riccati变换的传递矩阵法求解加工系统的谐响应，找出适合高速加工的转速区域，为实际加工中的加工参数选择提供理论上的支持。由于谐响应的求解前提是系统在简谐力作用下，但是铣削力比较复杂，在求解具体响应时要具体分析，本文在考虑铣削力、轴承间隙非线性的条件下，建立了主轴-刀具耦合系统的非线性动力学模型。推导了铣刀刚度的计算公式，并将铣刀刚度的计算方法引入到耦合系统的动力学模型中，求解了系统在铣削力作用下的响应，讨论了轴承间隙量对系统响应的影响。通过分析使得加工系统的动力学特性分析与加工精度之间有了定量化的关系。(2) 主轴-刀柄锥配合结合部动力参数建模方法研究。提出了经典弹性理论和吉村允孝积分法相结合的半解析方法求解了主轴-刀柄结合面刚度。此方法不依赖物理样机的锤击试验，实现了在设计阶段了解和评估主轴-刀柄动力学参数的目标。通过自设计实验对该方法的有效性进行了验证。在此基础上，考察了主轴转速软化结合面刚度因素对主轴-刀具耦合系统动态特性的影响。研究表明，高速旋转产生的离心力对主轴-刀具耦合系统的动态特性有较大影响；本文的计算模型和方法可实现高速旋转状态下主轴-刀柄结合面刚度的求解，为实现在设计阶段预测和评估主轴-刀柄动力学参数提供了一种数学方法。(3) 机床整机动力学建模与分析方法研究。机床结合面的动力参数辨识是机床整机有限元建模的关键问题。本文以KDW-4200FH-TB型高速复合加工中心为研究对象，采用接触单元和刚度-阻尼单元两种形式对机床结合部进行建模，从而建立了考虑机床关键结合部的机床动力学模型。采用自适应模拟退火算法对有限元模型中的结合面动力学参数进行优化，使最终优化后的模型具有较好的精度。在优化过程的动态特性评估中，采用子结构模态综合法来实现机床动态特性快速分析，大大减少了计算机时，提高了分析效率。机床在实际加工中刀具点空间位置发生变化，这样就会导致其刚度和质量的重分布，进而导致动态特性发生改变。为了研究机床在整个加工空间内动态特性的评估方法，以KDW-4200FH-TB型高速复合加工中心为研究对象，根据正交设计的思想，把对机床有影响的位置参数当作分析因素，通过极差分析获得位置参数对机床低阶固有频率的影响程度。在此基础上，采用Kriging代理模型对数值试验数据进行拟合，得到了在整个加工空间内的位置参数和机床动态特性之间的响应曲面。研究表明，该方法可以清楚的反映随位置参数变化机床在整个加工空间内动态特性变化的详细规律，可以快速准确预测机床某个特定刀具点位置下的低阶固有频率，避免了位置参数组合的穷举法和有限元法带来的计算量，为加工状态下的机床动态特性实时评估提供了一种技术手段。(4) 主轴部件热特性研究。通过对主轴系统的热模态求解，得到主轴系统的热敏感程度。根据热-机耦合理论，采用有限元方法考虑结合面热阻，建立了主轴-刀具系统的热-机耦合模型，得到了系统的温度场分布。应用顺序耦合的方法，求解系统的热变形和动态特性问题。采用预应力法，讨论了热和转速对系统动态特性的影响，揭示了影响系统热变形和动态特性的敏感因素，为模型和计算的简化提供了依据。