[发明专利]一种机床主轴与刀柄配合结构尺寸的优化方法

说明书

本发明提供一种机床主轴与刀柄配合结构尺寸的优化方法，1.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；建立刀柄和主轴结构的有限元分析模型；2.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；3.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；4.计算刀柄锥面与主轴锥孔之间的实际配合量，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；5.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；6.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，避免“喇叭口”引起的主轴‑刀具系统刚度和固有频率的下降。

技术领域

本发明属于高速机床主轴系统零部件设计领域，涉及零部件间配合尺寸的优化方法，具体为一种机床主轴与刀柄配合结构尺寸的优化方法。

背景技术

在高速加工过程中，刀柄由拉刀机构固定在机床主轴上，并夹持着刀具参与切削加工，而刀柄与机床主轴之间的配合结合面是整个系统中最为薄弱的环节。研究表明，主轴-刀具系统在切削加工时刀尖点处25％～50％的受载变形主要来源于主轴-刀柄结合面，同时，主轴-刀柄结合面的接触特性也会对整个主轴-刀具系统的动态特性具有显著的影响，影响加工过程的稳定性。最后，在实际使用过程中，由于转速的影响，并考虑主轴系统对刀柄的拉刀力大小，以及主轴与刀柄的初始配合结构尺寸，都会对主轴-刀柄结合面的接触特性造成较大的影响，最为严重的是，在主轴与刀柄结合面上某些位置(一般是刀柄大端位置)形成“喇叭口”的现象(主轴前端与刀柄前端脱离接触)，从而严重影响整个主轴-刀具系统抵抗切削载荷变形的能力以及整个系统的动态特性。因此有必要考虑实际的工作转速条件以及拉刀力大小，对主轴与刀柄的初始配合结构尺寸进行优化，保证整个主轴系统良好的综合性能。

目前针对主轴-刀柄系统接触特性的优化方法大多集中在，考虑主轴转速的影响，对拉刀力的大小进行设计。然而遗憾的是，尽管增大拉刀力的大小可以在一定程度上避免主轴与刀柄结合面上的“喇叭口”现象，但会导致结合面接触应力更加不均匀，尤其是刀柄与主轴结合面处(主要是小端位置)接触应力急剧增大，从而加剧主轴锥孔小端位置的磨损，缩短其使用寿命，并且该种磨损失效现象在实际主轴系统中非常常见。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种机床主轴与刀柄配合结构尺寸的优化方法，考虑主轴转速与主轴系统的拉刀力，通过对机床主轴与刀柄配合结构的尺寸进行优化设计，使得主轴-刀柄结合面的接触压强更加均匀，避免由于频繁换刀引起的磨损失效，同时保障整个主轴-刀具系统良好的综合性能，如高的刚度特性以及固有频率等，避免“喇叭口”现象。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种机床主轴与刀柄配合结构尺寸的优化方法，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个坐标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；