论文摘要
高速切削技术为机床加工带来了高生产效率、高加工精度、高加工表面质量等诸多优势,已成为机械制造业发展的主流方向之一。随着机床驱动技术和刀具材料的发展,机床切削的转速越来越高,然而也对与之配套的工具系统带来了巨大挑战。应用于高速加工的工具系统应具有良好的工作可靠性和安全性,以保证加工质量和使用安全。一旦工具系统失效会极大地破坏加工精度和加工表面质量,在极高的转速下,工具系统失效还有可能对机床和操作人员造成重大伤害。因此对高速切削工具系统的研究具有重大的意义。HSK刀柄近年来在高速切削机床上得到了广泛的应用,被认为目前最适用于高速切削机床的刀柄形式之一,HSK工具系统更被认为是“21世纪的工具系统”。本文总结了HSK工具系统的三种主要失效形式,以HSK-A63型工具系统为研究对象,针对工具系统的主要失效形式进行了失效机理分析和工作可靠性研究。主要内容如下：（1）针对数控机床HSK工具系统的强度失效,建立了工具系统在高速旋转下的等效应力模型,并用有限元仿真对所建立的应力模型进行验证；根据所建立的等效应力模型,应用应力—强度干涉理论并结合蒙特卡洛仿真方法,建立了工具系统基于强度的可靠性模型,并进行了可靠度实例计算。（2）针对HSK工具系统与主轴的联接失效,分析了HSK刀柄、主轴在高速旋转时的变形情况,并建立了联接锥面的接触应力模型,讨论了基于刀柄与主轴联接的临界转速；用有限元仿真对所建立的应力模型进行验证,并讨论了过盈量、拉杆初始夹紧力以及转速对联接性能的影响；应用所建立的接触应力模型建立了工具系统基于联接的可靠性模型,并进行了可靠度实例计算。（3）针对HSK工具系统的振动失效,分析工具系统造成不平衡的原因以及由于不平衡产生振动的机理；用有限元法对工具系统由于不平衡引起的激振力进行谐响应分析,得到工具系统的振动响应；设计并实施了空转实验、动刚度实验,分析不平衡对工具系统振动的影响并评价工具系统抵抗振动的能力。