[发明专利]一种机床主轴与刀柄配合结构尺寸的优化方法

权利要求书

1.一种机床主轴与刀柄配合结构尺寸的优化方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤一，建立刀柄、与刀柄配合部分的主轴结构的三维几何模型，并对几何模型进行简化；将简化后的模型分别进行单元网格划分，设定刀柄和主轴结构的配合参数，建立刀柄和主轴结构的有限元分析模型；

步骤二，对步骤一所建立的有限元分析模型进行静力学仿真分析，分析结合面的接触压强以及刀柄与主轴的位移变形；沿轴向方向上，等距离选取主轴锥孔面以及刀柄外锥面上的N个节点，以主轴锥孔大端位置处作为轴向坐标原点，记录各个节点沿轴向的坐标位置，分别读取并记录仿真分析结果中主轴锥孔、刀柄外锥面在以上N个节点位置的轴向位移以及径向位移量；

步骤三：对各个节点的坐标位置以及对应的径向相对变形量进行修正；

步骤四：根据步骤三中修正后的节点坐标位置及相对径向位移变形量，计算刀柄锥面与主轴锥孔之间的实际配合量，也就是结合面的径向配合量，确定配合类型；计算主轴-刀柄结合面大端的配合量与小端配合量的差值，记为Δδ；

步骤五，以主轴-刀柄结合面大端的配合量与小端配合量的差值Δδ作为增量对主轴-刀柄结合面大端位置的刀柄的直径尺寸进行修改，记刀柄在结合面大端位置的直径为D，在第k次仿真分析时，增加其尺寸到D+kΔδ,k＝1,2...，重复步骤一与步骤二，分析结合面上的接触压强，同时根据接触压强判断结合面大端主轴与刀柄是否脱离接触，即是否出现喇叭口现象；

步骤六，若第k次优化后结合面大端依旧脱离接触，而第k+1次增加刀柄在结合面大端位置的直径尺寸时，结合面大端不再脱离接触，则取刀柄在结合面大端位置第k+1次的直径尺寸为优化结果。

2.根据权利要求1所述的一种机床主轴与刀柄配合结构尺寸的优化方法，其特征在于，将简化后的模型导入到ANSYS有限元分析软件中，分别进行单元网格划分，划分时单元类型均为六面体结构的SOLID185单元，且网格均匀划分。

3.根据权利要求1所述的一种机床主轴与刀柄配合结构尺寸的优化方法，其特征在于，设定刀柄和主轴结构的配合参数包括，

设定刀柄和主轴结构的材料特性，包括弹性模量，泊松比和密度；

定义刀柄与主轴配合部分的接触对，选择主轴锥孔面作为目标面，刀柄锥面为接触面，接触类型定义为面-面接触；

定义结合面的摩擦系数；

施加外部载荷及约束，通过添加绕轴线旋转的角速度来模拟施加离心载荷，在刀柄小端轴线方向上施加拉刀力，约束主轴后端的所有自由度；

定义结合面的摩擦系数；

施加外部载荷及约束，通过添加绕轴线旋转的角速度来模拟施加离心载荷，在刀柄小端轴线方向上施加拉刀力，约束主轴后端的所有自由度。

4.根据权利要求3所述的一种机床主轴与刀柄配合结构尺寸的优化方法，其特征在于，刀柄与主轴结构的接触对的设置方法为：选择主轴锥孔面作为目标面，刀柄锥面为接触面，接触类型定义为面-面接触；定义目标面上的单元类型为TARGE170，定义接触面上的单元类型为CONTTA174，两个接触面上的接触单元共享结合面接触对。

5.根据权利要求3所述的一种机床主轴与刀柄配合结构尺寸的优化方法，其特征在于，结合面的摩擦系数为0.1～0.2。

6.根据权利要求1所述的一种机床主轴与刀柄配合结构尺寸的优化方法，其特征在于，步骤三中，根据如下修正计算公式对各个节点的坐标位置进行修正，

x′_i＝x_i+δ_ai

其中，x_i为初始第i个节点的轴向坐标，δ_ai为第i个节点的轴向变形，x′_i为修正后的第i个节点的轴向坐标；

对应地，各个节点相对初始位置的径向变形位移修正为：

其中，δ_ri为第i个节点的径向变形量，δ′_ri为修正后的为第i个节点相对初始位置的径向位移量，C为刀柄的锥度。

7.根据权利要求1所述的一种机床主轴与刀柄配合结构尺寸的优化方法，其特征在于，步骤四中，当配合量值为正时，代表主轴膨胀变形量大于刀柄，为间隙配合，相反地，为过盈配合。