机床系统刀尖点的动力学响应耦合的文献翻译Word文档下载推荐.docx
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稳定叶图可以用于识别的稳定和不稳定的切削区模拟芯片宽度和它们之间的关系主轴转速。
然而，刀尖点方面的知识研究需要去完成一个具体动态响应每个机床—主轴—刀柄—刀具的组合稳定性叶图。
锤击法被广泛用于研究和产业识别刀尖点的动力响应。
然而，这往往需要大量时间去对机床—主轴—刀柄—刀具测试。
因此，通过预测刀尖点的动态的方法为其提供了一个首选替代方案。
施密茨等[4-7]，开发出一种方法简称为响应耦合结构分析（RCSA），它可以用来对机床—主轴—刀柄—刀具相似的动态预测。
RCS法，先前已有人用欧拉-伯努利或Timoshenko梁理论来对刀柄进行建模，刀具的刀齿部分，近似为一个标准的圆柱梁。
例如，PARK等[8]，ERTURK等[9]，NAMAZI等[10]，菲利兹，等[11]，在使用等效直径梁的基础上采用RCSA方法对刀具动态进行研究。
首次由的KOPS，等[12]提出的当量直径和基于等效遵守和转动惯量的方法来简化计算最终磨偏转。
KIVANC，等[13]所产生的是基于刀具的刀齿惯性交叉部分基础上的当量直径。
虽然以前的研究结果表明：
在预测模型中用一个当量直径的光束和实验测量有很好的一致性，在试验的对比中没有文字记录，有限元的解决方案和近似常数横截面解决方案来解决刀具的刀齿部分。
但是，对我们来说这种差异不明显。
另一方面，也很必要根据刀具的刀齿部分的实际动态结构来分析，以获得更精确的结果。
在这项研究中，一个由Pro/工程软件的实际的刀具的刀齿部分三维模型已经创建，采用有限元法计算其动态。
采用当量直径束逼近刀具的刀齿部分被讨论并且作出比较。
Timoshenko梁模型确定刀柄和刀杆部分的响应耦合。
冲击试验和逆RCSA需要这些响应耦合再加上机床主轴的动态分析。
最后，进行了三组装动力学实验验证不同的刀具悬伸长度。
2机床—主轴—刀柄—刀具的RCSA方法
2.1偶和的过程和RCSA
本节中的，基于对以往的文献[4-7]对RCSA方法的简要回顾。
对于两个装配的硬性连接部件组成，或子结构，如图所示1（a），相似耦合，或频率响应函数，Gij，可以表示为：
其中H，LN，和P是指空间的相似耦合矩阵，Xi和Θi装配位移和旋转度一致，Fj和Mj一致对应于坐标的力和力矩。
i对应于j，坐标响应耦合被称为直接耦合，否则是间接耦合。
子耦合Rij，如图1（b），定义式：
（2）
其中，xi和θi对应于装配位移和旋转度，FJ和MJ中的i和j分别对应于子坐标的力量和时刻。
图1。
刚性连接的两个组成部分
根据图中所确定的坐标。
1，相似直接耦合，GaaandGdd，间接耦合，GaaandGdd可以表示为一个函数的的子耦合，如下所示：
2.2相似耦合描述
标准铣床，主轴部分可以被描绘成图2，由三个组成部分：
主轴机，刀架和系统。
在这三部分中，动态响应主轴机是最难建模的，由于其复杂的结构和未知的阻尼力。
因此，在冲击试验中通常测量其动力。
该系统包括刀具的刀齿部分和直刀杆部分，刀柄的横截面是一个不变离散性间隔常数。
因此，刀柄和刀杆部分可以很方便的用模型欧拉-伯努利或Timoshenko梁来建模。
刀具的刀齿耦合部分可以用有限元方法来计算。
在这项工作中，装配图可以分解成主轴机，刀架和刀柄三部分：
最后，刀具的刀齿部分，如图3.获得耦合装配和获得的RCSA方法可应用于预测类似动力学。
图2.机床—主轴—刀柄—刀具的图
图3.耦合响应模型和机床—主轴—刀柄—刀具
3响应部件计算
3.1机床刀具的刀齿部分
图4描述了该机床刀具的刀齿部分的运行方向和负荷，用来计算相关数据。
外径do和长度lf分别为19.05毫米和49.3毫米，右侧AB是该工具的自由端
和左侧CD的刀具的刀齿部分的终端和刀柄的始端。
压力（f1）和压力（f2）分别应用在A和C的位置，转速（m1）和转速（m2）分别作用在两个侧面。
在B和D的位置在不同的负载条件下可以计算其挠度
图4.在不同的负载下刀具的刀齿部分得有限元模型
有限元软件ANSYSWorkbench11.0用于用于计算。
该模型是四面体网状8228固体元素（187固体）。
从对网格大小调查结果发现，即使使用更细网格对其结果影响不大。
刀具材料（硬质合金）的属性分别为：
杨氏模量=550GPa时，泊松比ν=0.22，密度ρ=15000kg/m3的，阻尼比β=0.00075。
f1,f2,m1,和m2分别为设置1N（或N.1米）和运用在AB和CD自由边界条件的表面。
直接响应和间接响应Rij（i,j=1,2）和独立列出的组件在在表1中，其定义在2.1.
表1.刀具的刀齿部分的直接响应和间接响应
图5显示的是刀具的刀齿部分的预测响应h11在200赫兹到2000赫兹的频率范围内的部分。
图5.h11刀具的刀齿部分的响应
从图5可以看出在此范围内没有发生共振。
这是因为刀具的刀齿部分太小，其开始自然频率远远高于2000赫兹，在测量频率带宽以外。
3.2刀具的刀齿部分的等效直径的光束
如前所述，有限元法被运用于计算刀具的刀齿部分，但是这可能是一种费时的细网状模型。
作为一个替代方法，等效直径的刀具的刀齿部分也可用运用于近似实际刀齿几何[12-13]。
在这项研究中，等效直径是在以同等质量m的原则的基础上进行运用的。
在这种情况下，等量直径deq可以被计算：
lo和li是悬锤和插入长度的刀柄如图6所示。
因此，计算14.75毫米是选定的刀具的长度（柄部直径19.05毫米）。
图6.刀杆和刀柄的结构和尺寸
可以模拟为当量直径均匀的光束的Timoshenko梁，这比Euler-Bernoulli梁模型更准确，因为前者包括转动惯量和剪切效应。
通过使用适当的质量（M）和刚度（金）矩阵[15]有限元法[14]对每个自由旋转和两端的位移以及自由梁来建模。
通过对元素M和K矩阵进行整理形成整体的质量和刚性的矩阵。
应用Guyan消元法[14]，在运动方程的值域中可以得到n个元素。
它可以也可以做为固体结构来建模，并利用ANSYS类似的去解决工作台11.0，的刀具的刀齿部分。
在这里，Rij（i,j=3,4）.被定义为的响应光束。
表2列出了两种型号下得三忠弯曲的形状的固有频率差异与等效直径的光束模型的实际刀具的刀齿部分模型。
这种方法的最大的错误率是10.7％，这只是看到的第一种模式。
从这个表中，可以看出，FEMandTimoshenko的解决一个恒定截面EDB模型光束的方案的差异非常小。
表2.两个不同模型赫兹的自然频率比较
3.3部件的刀柄和支架
装配刀柄和刀杆都是轴对称结构并且也可以建模为多段的结构的Timoshenko梁。
图6显示了二维刀杆和刀柄的结构和尺寸。
考虑到不同的刀具悬长度，三个维度，刀柄悬长度ls，刀具的插入长度li在刀柄li和在表3中提供了刀柄的空白长度。
Timoshenko梁模型结构分为五个部分（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和V）如图6，每节用25个部分来表示。
刀柄的材料特性是：
：
E=200GPa，ν=0.29，ρ=7850kg/m3的，β=0.00075。
自由工具柄和刀杆分别为R55和R66之间直接耦合，交叉耦合R56和R65在它们的两端，决定了使用Timoshenko梁模型。
表3.三个不同的刀柄长度的悬长度
图7显示了三个不同的频率范围从200赫兹到2000赫兹耦合H55刀柄的悬长度;
表3描述了三种不同的情况下差别，很类似于刀具的刀齿，在此范围内没有共振发生;
观察很少噪声响应在600赫兹以下。
4机床主轴响应耦合组件
4.1机床主轴响应
从刀杆和刀柄的对比来看，很难对机床主轴进行建模。
机床主轴动力学建模，需要知道它的结构设计，轴承的刚度值和阻尼水平的详细信息，然后往往由有限元法来完成。
然而，这方面的知识，对于一般的最终用户是不可能知道的。
因此，通过冲击试验被运用在RCSA方法中方法来确定所需要的响应。
首先，用一个简单的标准圆柱几何工件插入主轴来记录记录冲击试验的直接和间接的耦合测试的结果，。
第二，在模拟过程中超出标准衡器法兰（逆RCSA）的部分与机床主轴响应相互隔离。
图7.预测刀柄和刀杆H55的响应
为MikronUCP600Vario铣床配备一个Step-Tec的20KR/分钟，16千瓦的墨盒式主轴。
是一个标准的法兰夹住在主轴（HSK-63A接口）。
低加速度计用来记录一个PCB086B03冲击锤振动响应的影响。
一个MLIMetalMax6.0的数据采集系统，用于数据的收集。
4.2响应耦合的组成部分
使用RCSA的耦合响应组件。
对两个模型进行了评估：
1）实际的刀具的刀齿和R11和R22），机床—刀柄—刀具的）响应耦合（55和R66）然后时与机床主轴的响应，当量直径的光束（R33和R44型），机床—刀柄—刀具的（R55和R66）的响应，然后机床主轴的响应（R77），这些可以简化成EDB模型。
对于三种不同的刀具悬伸长度例进行评估;
相关的组装这些和H相似的响应在图8中被展现出来，可以看出，两个模型的预测的精度是可以接受的。
结果列于表4
图8.相关装配（
机床—主轴—刀柄—刀具）响应
表4.自然频率预测模型赫兹AF和EDB模型Hz
5结论
对于机床—主轴—刀柄—刀具组装动力学的预测完全依靠RCSA技术。
刀具的刀齿部分响应采用有限元方法和等效梁计算工具直径的Timoshenko模型。
刀柄和刀杆也仿照使用Timoshenko梁响应理论，而机床主轴响应采用了冲击试验测量。
从这项研究可以得出以下结论：
（1）有限元法可以成功地用于预测刀具的刀齿部分
（2通过与有限元分析解决方案的比较来解决刀具的刀齿部分，表明，当量直径Timoshenko梁模型是一个可接受的近似。
（3）从AF和教育局模型耦合的结果3例刀具悬伸长度，两个模型预测表明良好的一致性，实验误差均小于5％。
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