数控刀架是数控机床中核心的功能部件,作为一个集多种刀具装夹、快速转换刀位和直接参与切削作业的装置,数控刀架的出现大大缩短了切削加工的辅助时间,可有效降低加工过程中带来的误差,刀架本身的性能会对机床整体水平的评判起到关键的作用。我国作为数控刀架产业的后起之秀,近些年持续加大对中高档数控刀架的投入和研究,我国刀架产品在取得了较大进步的同时也暴露出了诸多不足之处。本论文以一台国产新型高档数控刀架为研究对象,采用有限元仿真与动静态测试相结合的方法对刀架对动静态特性做出评估;针对刀架端齿盘螺栓连接可靠性进行了分析优化;对端齿盘疲劳强度及由啮合面磨损带来的精度退化问题进行了建模分析。本文的主要研究内容及成果归纳总结如下:(1)对刀架进行了动静态有限元分析,首先在三维软件SolidWorks中对刀架模型进行了必要的简化及装配。结合数控刀架本身的结构特性和工作特点,在HyperMesh中建立起刀架的有限元模型,在对刀架动态特性影响较大环节的处理上,本文对螺栓连接采取了等效粘接的建模方法,运用虚拟材料的方法对轴承连接进行了建模,把非线性连接做了等效线性处理,取得了较好的仿真效果。随后将有限元模型导入Abaqus中,对刀架进行了模态分析、谐响应分析及静刚度校核计算。通过对仿真结果的分析初步对刀架的动静态特性做出了评估,发现了刀架结构中较为薄弱的环节。(2)搭建了一套可保障刀架处于工作状态的动态测试平台,该平台包括一个数控中心一个液压站及两个可实现刀架不同状态约束载具。刀架在该平台内可实现转位换刀及液压锁紧功能,脱离机床床身独立安装。平台内的两种刀架载具,可以较为精准的实现刀架在不同约束状态下的模态分析。接着依托该动态测试平台,对刀架进行了自由模态和约束模态分析,获得了刀架的固有频率与固有振型等动力学参数。随后搭建了刀架静刚度测试平台,对刀架进行了切向静刚度测试,获得刀架的切向变形参数。在获得了上述实验参数之后与前文的有限元仿真结果进行了对标分析,分析结果验证了有限元仿真结果的准确性,印证了刀架结构中的薄弱环节。使我们对刀架的静动态特性有了全面深入的了解。(3)运用可靠性设计原理,建立了刀架子系统可靠性模型,结合生产加工的实际情况及对刀架进行的仿真测试结果分析了刀盘与端齿盘间螺栓连接对刀架整体可靠性的影响。并依据应力-强度干涉模型,对刀盘与内齿盘间螺栓连接可靠性进行了分析,基于分析结果对螺栓的公称直径、强度级别和螺栓组数目进行了优化,提高了刀盘螺栓连接处的可靠度。(4)针对端齿盘机构在刀架结构中的核心地位,对端齿盘疲劳强度和精度退化现象进行分析。将刀架模型导入疲劳分析软件Fe-Safe中,求解得到刀架端齿盘的疲劳寿命,由结果可以看出内齿盘的寿命较长。接着基于Archard模型对端齿盘啮合面进行磨损模型的建模,建立起啮合面磨损程度和刀架精度间的映射关系,分析得到刀架换刀次数与端齿盘精度退化之间的关系。该模型可对端齿盘啮合面间磨损的趋势及由磨损对刀架精度退化造成的影响进行预估。