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1、阙繁昌摘 要切削技术是机械制造行业的传统基础工艺之一，自二十世纪八十年代以来，制造技术的全面进步，已把切削技术推向高速切削的新阶段，使得高速切削逐渐的成为了切削加工的主流。切削加工系统由三大部分构成，即机床、刀具联接系统和刀具切削部分。作为机床主轴与切削刀片之间的联接，刀具联接系统对于整个加工系统尤其是高速加工系统来说，具有重要意义。论文首先介绍了高速切削技术的理论体系及发展趋势，阐述了高速切削的关键技术，详述了刀具联接系统的研究现状，并介绍了实际生产中使用的一种包含了HSK刀具联接系统的刀具座以及它在生产中所出现的问题。论文根据弹塑性力学的基础知识，推导了高速旋转状态下实心圆轴的应力计算公式
2、，并据此公式估算了刀具座在使用中的应力。论文针对长期使用出现裂纹的刀具座进行疲劳断裂分析，指出刀具座严重的应力集中影响了刀具座的疲劳强度，减少了刀具座的使用寿命；通过破损面的电子显微镜观察，观察了材质和加工表面，确定刀具座的应力集中主要是由刀具座的几何形状突变而产生的。通过使用三坐标测量机测量了刀具座的精确实体尺寸，根据测得的尺寸，使用三维制图软件Pro/E建立实体模型，导入到有限元分析软件ANSYS中，通过力学分析，观察刀具座的应力集中状况，据此，提出刀具座结构形状的改进方案，以缓解刀具座的应力集中，并通过多次有限元力学分析结果比较，选择了合适的改进尺寸，最终刀具座的结构形状改进取得了很好的
3、效果，得到了企业的认可。关键词：高速切削；刀具座；疲劳分析；有限元；应力集中AbstractCutting is one of the traditional and basic techniques in mechanical manufacturing industry. Since the1980s, cutting technology has developed into a new stage of high-speed cutting, and makes high-speed cutting gradually become the mainstream cutting. Th
4、ecutting system consists of three parts, and they are machine tool, interface system and cutting tool, is of critical significance for the whole cutting system.In the paper, the theoretical background and developing trend of high-speed cutting are introduced. It also demonstrates the core technology
5、 in high-speed cutting, as well the research status of interface system. The paper introduces a toolframe with an HSK interface system used in actual production and describes the detail of the problem with the toolframe.By using the basic theory and knowledge of elasticity and plasticity mechanics,
6、the stress formula of high-speed rotation solid round spindle has been got, and the stress of the high-speed rotation toolframe is calculated according to the formula. The paper analyzes the fatigue fracture of the toolframe with cracks, and finds the ultra stress concentration that affects the fati
7、gue strength of the toolframe and shortens its life. With the help of scanning electronic microscope, it is found that the ultra stress concentration iscaused by the sudden change of the geometry figure of the toolframe.The structure improvement program is proposed to moderate the ultra stress conce
8、ntration by setting a model with the three-dimensional drawing software according to the accurate size got from CMM, and using ANSYS to do finite element analysis. Through mechanics analysis of the toolframe, the author observes the situation of the stress concentration and designs a flow to choose
9、the appropriate size to improve the structure of the toolframe. The improvement of structure achieves good results and receives recognition from the toolframe user.Key Words: High-speed Cutting; Toolframe; Fatigue Analysis; Finite Elemene; Stress Concentration阙繁昌目 录第1章绪论11.1高速切削技术概述21.1.1高速切削的研究概况21
10、.1.2高速切削的关键技术51.2高速切削中的刀具联接系统概述81.2.1标准7/24锥度联接91.2.2替代型设计101.2.3改进型设计111.3课题的研究背景和意义13第2章 基于弹塑性理论的刀具座受力分析152.1引言152.2弹塑性理论152.2.1基本方程162.2.2弹塑性分析的准则182.3高速旋转状态下刀具座的应力计算202.3.1高速圆轴应力的计算方法202.3.2刀具座的应力计算222.4刀具座疲劳失效分析232.4.1疲劳失效分析的基本理论232.4.2刀具座的疲劳破坏及结构疲劳失效的特征232.4.3刀具座材料的S-N曲线272.4.4刀具座结构疲劳寿命估算方法282
11、.4.5影响刀具座结构疲劳寿命的主要因素292.5提高刀具座结构疲劳强度的措施31第3章 数值模拟技术及有限元方法333.1引言333.2有限元方法333.3有限元分析的弹性力学理论基础353.3.1弹性力学的基本控制方程363.3.2位移模式有限元法的单元位移模式和形函数413.4有限元分析软件ANSYS43第章 刀具座尺寸测量及有限元模型的建立464.1引言464.2刀具座尺寸测量及实体模型建立464.2.1尺寸测量工具464.2.2刀具座尺寸测量结果474.2.3刀具座实体模型的建立484.3刀具座有限元模型的建立504.3.1刀具座实体模型的导入504.3.2有限元模型单元属性的定义5
12、14.3.3刀具座有限元模型网格划分策略51结 论54参考文献56II第1章 绪论切削技术是机械制造行业传统的基础工艺之一，切削速度的提高为机械制造业带来了巨大的技术经济效益。自二十世纪八十年代以来，制造技术的全面进步，已把切削技术推向高速切肖(High Speed Cutting)的新阶段 。高速/超高速切削已成为切削加工的重要发展趋势之一，和常规切削加工相比，它不仅可以提高加工效率和加工精度，降低加工成本 ，而且可以满足淬火钢等难切削材料的加工要求 。高速切削技术所具有的一系列特色和在生产效益方面的巨大潜力，使其成为美、德、日等国竞相研究的重要技术领域 。而目前我国的切削加工技术还停留在较
13、低的水平上，机床所用的切削速度比先进工业国家约低一个数量级，生产效率低，加工精度不高，经济效益不好 。随着近年来各种科学技术的飞速发展，人们热衷于实现机械设计和生产加工的自动化。但是切削技术本身的落后和加工精度的水平，制约了我国机械制造行业整体水平的提高 。高速切削的“高速”是一个相对概念，在不同历史时期，对于不同的工件材料、刀具材料和加工方法，高速切削加工应用的切削速度并不相同，从切削技术角度来看，以高切削速度、高进给量和高加工精度为特征的加工技术都可以称为高速切削，一般认为切削速度超过普通切削的5-10倍的切削称作高速切削，从切削机理来看，高速切削是指温度不再显著地随切削速度增大而上升的切
14、削 。在高速旋转状态下，对刀具的材料、结构、装夹，机床的主轴、进给驱动单元、CNC系统和刀具联接系统都提出了特殊的要求 。因为在这个转速范围以上，离心力已成为主要载荷。在强大的离心力作用下，机床主轴和刀柄都要发生膨胀变形。而它们的变形程度不同，刀柄就会产生相对于主轴的轴向及径向位移。由于这些原因，在实际生产中往往会出现定位精度和连接刚度下降，振动加剧，甚至发生连接部位的咬合等现象。另一方面，刀具整体不平衡性的影响随着转速的增加而加剧(与转速的平方成正比) 。随着转速的增加，常用刀具联接系统的可靠性下降，这样，由于强大的离心力作用，将致使定位精度降低，刀体弯曲变形，甚至造成刀体破碎，刀具座断裂。
15、一旦发生，就可能造成人身伤害，同时会对机床设备、车间厂房、加工的工件造成严重的损坏，影响企业的生产加工，造成巨大的直接和间接的经济损失。1.1高速切削技术概述1.1.1高速切削的研究概况高速切削的概念起源于德国科学家Salomon1931年4月所提出的至今仍令人感兴趣的两个假设：在高速区，当切削速度超过切削温度最高的“死谷”区域，继续提高切削速度将会使切削温度明显下降，同时单位切削力也会随之降低。这一理论为人们展示出在低温、低能耗条件下高效率切削金属的美好前景，从而在各国引起了广泛的兴趣。50年代后期，高速切削加工的理论基础研究在世界范围内开始展开。这一阶段的研究结果表明高速切削时切屑的形成机理与普通切削条件不同，切削塑性材料时，随着切削速度提高，逐渐形成不连续切屑。切屑是由于脆性断裂形成；随着切削速度提高，剪切角增加，刀与屑接触长度减少，切削力降低：高速切削提高了工件表面质量；大大提高金属去除率70年代是高速切削加工应用基础研究探索阶段。实验研究表明，切削加工时产生的热量大部分被切屑带走；高速铣削可大幅度降低加工时间；刀具磨损主要取决于刀具材料的导热性；证实高速切削在生产中使用的可行性；人们开始改装机床，尝试提高机床的主轴转速。直至到1977年，美国研制成功了第一台高频电主轴机床（主轴最高转速达到
