[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

摘要

本发明涉及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，计算超声探头与锥孔外表面法线的夹角，以夹角采用超声探头得到结合面反射回波数据和不同的拉刀力下结合面反射回波数据；再测量计算校正试件在不同压力下的超声波反射率；以超声的数据在商业有限元软件中建立主轴‑刀柄连接结构动力学模型。本发明提出的超声方法能够准确检测主轴‑刀柄结合面的接触刚度，在此基础建立的主轴‑刀柄连接结构的动力学模型，与锤击法的实验结果偏差小于2.2％，准确性高，通用性好。

主权项

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。