[发明专利]基于超声检测的机床主轴-刀柄连接结构动力学建模方法

权利要求书

1.一种基于超声检测的机床主轴-刀柄连接结构动力学建模方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在对主轴-刀柄连接结构的结合面进行扫描前，计算超声探头与锥孔外表面法线的夹角：

式中：β为所求的夹角，α为圆锥结合面锥角的二分之一，c_w和c_s分别为纵波在水中和钢中的波速；

所述主轴-刀柄连接结构为：主轴锥孔的外表面为圆柱面，而主轴锥孔-刀柄结合面为圆锥形；

步骤2：将主轴-刀柄连接结构密封后放置于水中，以β夹角采用超声探头沿锥孔外表面的母线对锥孔-刀柄结合面进行扫描，得到结合面反射回波数据；对刀柄施加不同的拉刀力，以β夹角采用超声探头沿锥孔外表面的母线对锥孔-刀柄结合面进行扫描，得到不同的拉刀力下结合面反射回波数据；

将主轴-刀柄连接结构结合面密封拆除分离，对主轴锥孔以β夹角采用超声探头沿锥孔外表面的母线对锥孔-刀柄结合面进行扫描，得到参考反射回波数据；

将结合面反射回波数据和参考反射回波数据进行傅里叶变换，确定反射回波中幅值最大的频率，提取该频率下的幅值，计算不同拉刀力下结合面的超声波反射率：

式中，R为超声反射率幅值，H_i为结合面信号幅值，H_o为相同频率下参考信号幅值；

步骤3：选择与主轴-刀柄结合面材料相同的圆形平结合面试件作为校正试件，采用步骤2的扫描方法，测量计算校正试件在不同压力下的超声波反射率，以压强为横轴，超声波反射率为纵轴，对测量得到的反射率-压强离散点进行拟合，构建反射率-压强校正曲线；

根据上述校正曲线，以及测量到的超声波反射率，可以得到圆锥结合面的接触压强分布；

步骤4：利用接触压强，以及接触压强-接触刚度间关系的经验公式，计算主轴-刀柄结合面的接触刚度，接触压强-接触刚度间经验公式采用下式：

式中：k_n为单位面积上法向接触刚度，单位为N/m³；k_τ为单位面积上切向接触刚度，单位为N/m³；P_n为结合面接触压强，单位为Mpa；

步骤5：将单位面积上的刚度转化为分段后第i段结合面上的集中刚度：

式中，S_i为将主轴-刀柄结合面沿轴向分割为5-10段后，第i段圆锥面的面积；

再转化为径向和轴向：

式中：K_xi,K_yi分别为第i段结合面的径向和轴向集中刚度；

步骤6：在商业有限元软件中，建立主轴-刀柄连接结构的三维模型并划分网格，施加位移约束等边界条件；其中主轴-刀柄结合面采用有限元软件中的弹簧单元进行模拟，根据前面对结合面的分段，在对应第i段上，利用四组间隔90°的弹簧组连接锥孔接触面和刀柄接触面上的对应节点，每组弹簧的径向和轴向集中刚度采用公式4的计算结果，沿圆周的切向集中刚度采用公式3中的K_τi；在每段上依次设置后，就得到了主轴-刀柄结合面的动力学分析模型。

2.根据权利要求1所述基于超声检测的机床主轴-刀柄连接结构动力学建模方法，其特征在于：所述步骤3的不同压力为在0～50兆帕范围之内进行。