高档数控机床主轴/刀具接口设计理论与检测技术研究

Although high speed machining (HSM) has been widely used in aerospace, automotive, mould and other important iIndustrial fields, the tooling system for HSM has not yet been independently designed and produced in China. Based on the fundamental of geometric topology ，the structure and function of some advanced tooling system for HSM will be analyzed and synthesized and the best interface structure for the high-speed machining tool spindle-tool interface will be obtained. Taking the centrifugal force as an important basis for analysis and calculation, the mechanical model will be established and the finite element numerical analysis will be carried. The main factors influencing on its connection stiffness, position precision and the changing laws will be revealed, and the failure criterion and the rotating speed limit will be determined. Through the precision design of the key dimension and pre-balance design, the technical problems of production and use of tool system for HSM will be solved. By using of experimental modal analysis technology and high speed cutting experiment, the dynamic performance of tooling system for HSM will be researched and the soundness of theoretical analysis will be verified. Through the research of the measurement datum error transfer and measurement method, the precision testing platform of the tooling system for HSM will be developed. After this research project is carried out, the application range of the tooling system for HSM will extended and our ability to develop will be improved,and the technical support for the development, production and use of tooling system with high PriceQuality will be provided.

高速加工已广泛应用于航空航天、汽车、模具等重要行业，而我国尚未自主设计和制造出高速加工机床用工具系统。本研究运用几何拓扑学的基本理论对国外先进的高速加工工具系统的结构及其功能分析与综合，确定出高速加工机床主轴-刀具接口的最佳结构形式。以离心力为重要分析计算依据，对高速加工工具系统进行力学建模和有限元数值分析，揭示影响其连接刚度、定位精度等性能的主要因素及其变化规律，确定失效准则和极限工作转速。通过对关键尺寸公差进行精度设计和预平衡设计，解决高速加工工具系统制造和使用中的技术难题。利用实验模态分析技术和高速切削实验，研究高速加工工具系统的动态特性，检验理论分析结果的正确性。通过测量基准误差传递和测量方法的研究，开发出我国高速加工工具系统精密检测平台。本项目的完成将拓展高速加工工具系统的应用范围，提升我国高速加工工具系统开发能力，为我国开发、生产和使用高性价比的工具系统提供技术支持。

本研究运用几何拓扑学的基本理论对国外先进的高速加工工具系统的结构及其功能分析与综合，确定出高速加工机床主轴-刀具接口的最佳结构形式。以离心力为重要分析计算依据，对高速加工工具系统进行力学建模和有限元数值分析，揭示影响其连接刚度、定位精度等性能的主要因素及其变化规律，确定失效准则和极限工作转速。通过对关键尺寸公差进行精度设计和预平衡设计，解决高速加工工具系统制造和使用中的技术难题。利用实验模态分析技术和高速切削实验，研究高速加工工具系统的动态特性，检验理论分析结果的正确性。通过测量基准误差传递和测量方法的研究，开发出我国高速加工工具系统精密检测平台。.研究成果在生产中得到应用与验证。企业采用预平衡设计方法，HSK刀柄精加工后，其动平衡精度即可达到G6.3，大幅度的减少了动平衡的工作量。所研制高精度智能化HSK刀柄精度检测仪，能够快速完成HSK刀柄4个关键尺寸的精密测量与数据分析，为控制HSK刀柄的制造质量提高了技术保障。项目执行期间，完成了研究论文20余篇，其中SCI/EI收录了5篇；申报了发明专利7个，授权5个；培养了硕士研究生8人，博士研究2人；所研制高精度智能化HSK刀柄精度检测仪已经转化为产品，申报了国家高新技术产品。获省部级科学进步2等奖一项。.研究成果丰富了数控机床工具系统的设计理论，有助于指导企业正确使用高速加工工具系统，保证高速加工安全性，提高我国高档数控机床用工具系统的开发能力，为我国高性能工具系统质量控制与检测提供了技术保障。进而提升我国机床工具行业的国际竞争力，促进我国机床工具行业走“引进—消化—开发—创新”的可持续发展之路。