[发明专利]一种双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真优化方法

说明书

技术领域

本发明属于软件应用技术领域，特别是涉及一种考虑结合面因素的双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真分析与优化方法。

背景技术

刀柄系统是联接数控机床主轴与刀具的重要单元，其定位精度与联接刚度，直接影响机床的加工精度。随着数控机床向高速高精方向发展，具有高精度的双面锁紧刀柄得到普遍应用，然而当主轴转速达到每分钟数万转以上时，在离心力和切削力的影响下，双面锁紧刀柄与主轴之间结合面将会产生微量间隙与滑移，导致刀柄系统在高速下产生振摆和失稳，严重影响加工精度。因此结合面对刀柄/主轴联接性能有重要影响，有必要对刀柄/主轴结合面进行精确建模。

双面锁紧刀柄/主轴结合面受拉刀力、刀柄结构、转速、形位公差、粗糙度等多因素影响，而现有的有限元仿真方法大都通过定义接触对来处理机械结合面，故不能精确反映结合面特性对双面锁紧刀柄/主轴联接性能的影响。

目前国内外学者大多将机械结合面考虑为并联的弹簧-阻尼单元，并通过辨识得到结合面刚度和阻尼，这样可以精确反映机械结合面特性。本发明基于结合面弹簧-阻尼模型，利用有限元软件ANSYS二次开发平台，对双面锁紧刀柄/主轴及其结合面进行参数化建模，分析其联接性能，并对双面锁紧刀柄结构关键参数进行优化设计。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有结合面仿真方法的缺陷，提供一种基于结合面弹簧-阻尼模型，利用有限元软件ANSYS仿真分析双面锁紧刀柄/主轴联接性能，并进一步优化双面锁紧刀柄关键结构参数的新方法。

本发明是采用以下技术手段实现的，实现该方法的系统包括

一种双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真优化方法，包括：参数化建模、结合面建模、施加边界条件、性能分析、优化设计步骤；

参数化建模步骤，利用面回转拉伸生成双面锁紧刀柄，再利用布尔操作生成刀柄上的键槽；主轴模型根据需求，直接调用已有的标准主轴模型；建模过程中，利用APDL语言定义结构参数变量；生成实体模型后，采用自由模式进行网格划分，生成有限元网格模型；

结合面建模步骤，分为锥形结合面建模和端面结合面建模；弹簧-阻尼结合面模型利用自定义矩阵单元仿真，通过for循环，在刀柄/主轴结合面生成结合面单元刚性联接刀柄/主轴结合面单元节点，并定义结合面刚度和阻尼为输入变量；

施加边界条件步骤，包括极限转速、轴承约束位置、拉刀力、切削力载荷；轴承约束定义为Fixed Support，需要手动拾取轴承约束面，其他边界条件设置为输入变量；

性能分析步骤，首先设置分析类型，包括静力学分析，模态分析，谐响应分析；静力学分析后处理中输出应力、应变分布云图、结合面应力极值、刀尖点位移；模态分析后处理中输出模态频率和模态振型图；谐响应分析进一步定义求解方法和载荷步选项，后处理中输出应力、应变或位移分量云图和关键点频响函数图；

根据上述分析结果，用户判断双面锁紧刀柄是否满足设计目标，如果满足设计要求，则最终输出该双面锁紧刀柄性能分析报告；如果未能满足设计要求，则进入优化设计模块；

优化设计步骤，系统自动调用ANSYS中的优化设计模块，用户指定碟簧刚度、端面间隙、碟簧预紧力、拉刀力为设计变量，定义性能分析中的刀尖点位移和结合面应力极值为优化目标，并设定变量取值范围，系统调入APDL优化命令流，进行优化计算，最终输出优化后的结构参数。

前述的自定义矩阵单元仿真为matrix27仿真。

前述的利用APDL语言定义结构参数变量包括：主轴型号、刀柄型号、材料属性、端面间隙、碟簧刚度、碟簧预紧力。

前述的结合面建模基于结合面弹簧-阻尼模型。

本发明一种双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真优化方法，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明基于结合面弹簧-阻尼模型，利用有限元软件ANSYS二次开发平台，对双面锁紧刀柄/主轴及其结合面进行参数化建模，分析其联接性能，并对双面锁紧刀柄结构关键参数进行了优化设计。

附图说明

图1为双面锁紧刀柄/主轴结合部模型示意图；

图2为双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真分析与优化设计流程图；

图3为自定义矩阵单元matrix27示意图。

其中，1为主轴，2为端面结合部单元，3为双面锁紧刀柄，4为锥形结合面单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明的具体实施例加以说明。