2024年3月30日发(作者：况礼骞)
摘要
摘要
高速切削系统（包括机床、刀具、工件和切削过程）是复杂的动态系统，系
统的动态特性对加工质量、生产效率、生产成本乃至整个加工系统的安全寿命起
着至关重要的影响和制约作用。因此，对高速切削系统的动态特性的研究是促进
高速切削技术发展和推广应用的重要应用基础课题。
本论文以高速切削系统为研究对象，针对高速切削的特点，研究了系统的动
态特性及切削稳定性：
分析了高速切削中最常出现的再生型颤振、强迫再生振动和共振的机理，分
析了发生振动时在切削加工状态下机床切削系统的振幅对于空转状态下机床结构
的振幅的放大比，建立了高速切削动力学模型。
以高速铣削主轴、刀柄、刀具旋转系统为例，建立了考虑高转速引起的离心
力和陀螺力矩影响的动力学模型，采用有限元数值分析方法，分析其动态特性，
主要包括：对面铣刀（不同直径、不同齿数）和立铣刀（不同外伸长径比）进行
动态特性分析；对ＢＴ４０主轴切柄和ＨＳＫ６３主轴／刀柄两种不同联结结构进行动态
特性分析，分析比较两种主轴／刀柄联结结构在不同转速下离心力和陀螺力矩对动
态特性的影响及其变化规律，并分析了在不同的主轴支承情况下的动态特性；分
析了不同刀具分别与ＢＴ４Ｏ主轴切柄和ＨＳＫ６３主轴／刀柄匹配在不同转速下的动态
特性。数值计算显示：高速下离心力与陀螺矩阵对系统动态特性影响明显；由于
ＨＳＫ主轴／刀柄采用双面联结结构，其在高转速下的动态特性比采用单面联结的
ＢＴ主轴切柄结构优越。
基于所建的动力学模型，分析了考虑高转速影响的陀螺系统的基本特性，给
出了高速切削稳定性临界条件判据及其切削稳定性极限的预测分析方法，并对单
自由度系统与多自由度系统的稳定性极限进行解析计算，提出以加工中心的最大
主轴转速附近区域是否处在稳定区以及稳定切削区域的最大转速ｎ与最大轴向切
深ｂ枷的乘积的大小来评价不同加工中心的稳定性。
设计并实施了高速加工中心模态实验和高速铣削动态实验，识别系统的各阶
临界转速，实验分析了不同的机床、刀具、工件匹配在不同切削条件下系统的动
态特性，分析不同切削条件对切削稳定性的影响，对所建的动力学模型及其系统
的动态特性的数值分析结论进行了验证，并利用实验数据绘出不同切削条件下的
切削稳定性极限图。
关键词高速切削：动态特性；切削稳定性：振动；有限元法
山东大学硕士学位论文
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山东大学硕士学位论文
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