一种高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法与流程

本发明涉及煤矿综采，特别是一种高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法。

背景技术：

1、随着科技的发展，零部件的结构愈加复杂，对关键部件的加工质量和加工精度的要求也越来越高，而目前的加工设备中，加工时发生的颤振是影响加工质量的主要原因之一。在工程上通常采取减小主轴转速或者切削深度，使加工减小颤振，但采用目前的方法降低加工效率，因此不能广泛进行工业现场应用。其次，对于加工主轴而言，在加工时相当于一个悬臂状态，目前所采用的主轴主要为合金钢材质，动刚度有限。因此如何有效的抑制加工过程中的颤振和提高主轴刚度是机械加工领域的前沿课题，研发一种高阻尼、高刚度、高可靠性的主轴具有重要的应用价值和经济价值。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述和/或现有的高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法中存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法。

4、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法，其包括，确定碳纤维主轴的设计尺寸，在三维制图软件中建立碳纤维主轴的三维模型；基于所述三维模型建立有限元分析模型；对所述碳纤维主轴进行分层，其至少包括1层芯材层、1层橡胶层和1层碳纤维层，所述橡胶层和碳纤维层依次嵌套在芯材层上；基于有限元分析模型，确定芯材材料、碳纤维材料铺层角度和橡胶层厚度；根据上述三维模型，生产制造碳纤维主轴。

5、作为本发明所述高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法的一种优选方案，其中：根据所述碳纤维主轴的动力学特性确定芯材材料和橡胶层厚度；根据所述碳纤维主轴的刚度特性确定碳纤维材料铺层角度。

6、作为本发明所述高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法的一种优选方案，其中：在确定芯材材料时，分析所述碳纤维主轴动力学特性中的固有频率、模态振型和稳态动力学响应；在确定橡胶层厚度时，先进行自由模态分析，分析其前20阶模态，得到不同橡胶层厚度下主轴的固有频率和模态振型，分析不同的胶层厚度对固有频率和模态振型的影响；随后采用模态叠加法，将模态分析的计算结果通过模态叠加，得到在加速度激励下的响应幅值，根据固有频率和响应幅值结果，选择出最佳的橡胶层厚度；在碳纤维材料铺层角度时，采用三点弯曲的模拟的方式，将两端固定，中间施加集中力，将碳纤维角度的组合作为变量，观察中点的变形挠度，选择出最佳的铺层角度。

7、作为本发明所述高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法的一种优选方案，其中：所述碳纤维材料铺层采用螺旋缠绕的方式进行缠绕，并且缠绕角度为0°、±45°和90°。

8、作为本发明所述高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法的一种优选方案，其中：在碳纤维层中，缠绕0°、±45°和90°的层数为1：2：1的比例交错设置。

9、作为本发明所述高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法的一种优选方案，其中：所述芯材材料采用油管，其内部为高密度油。

10、作为本发明所述高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法的一种优选方案，其中：所述碳纤维主轴从内到外依次为芯材层、碳纤维层、橡胶层、碳纤维层、橡胶层和碳纤维层。

11、作为本发明所述高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法的一种优选方案，其中：所述碳纤维层的碳纤维材料铺层角度从下至上依次为-45°、90°、45°、0°、0°、45°、90°和-45°。

12、作为本发明所述高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法的一种优选方案，其中：所述三维制图软件采用ug软件。

13、作为本发明所述高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法的一种优选方案，其中：所述有限元分析模型采用abaqus软件。

14、本发明有益效果为：通过有限元模型进行分析，可以更好地确定芯轴材料、铺层角度等因素变化对于复合材料复合轴的颤振稳定性和刚度的影响，从而找到最优设计方案，通过本发明所述方法制造的碳纤维主轴能够有效提高主轴的阻尼和刚度。

技术特征：

1.一种高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法，其特征在于：包括，

2.如权利要求1所述的高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法，其特征在于：根据所述碳纤维主轴的动力学特性确定芯材材料和橡胶层厚度；

3.如权利要求2所述的高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法，其特征在于：在确定芯材材料时，分析所述碳纤维主轴动力学特性中的固有频率、模态振型和稳态动力学响应；

4.如权利要求1～3任一所述的高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法，其特征在于：所述碳纤维材料铺层采用螺旋缠绕的方式进行缠绕，并且缠绕角度为0°、±45°和90°。

5.如权利要求4所述的高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法，其特征在于：在碳纤维层中，缠绕0°、±45°和90°的层数为1：2：1的比例交错设置。

6.如权利要求1～3任一所述的高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法，其特征在于：所述芯材材料采用油管，其内部为高密度油。

7.如权利要求1～3任一所述的高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法，其特征在于：所述碳纤维主轴从内到外依次为芯材层、碳纤维层、橡胶层、碳纤维层、橡胶层和碳纤维层。

8.如权利要求5所述的高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法，其特征在于：所述碳纤维层的碳纤维材料铺层角度从下至上依次为-45°、90°、45°、0°、0°、45°、90°和-45°。

9.如权利要求1～3、5或8任一所述的高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法，其特征在于：所述三维制图软件采用ug软件。

10.如权利要求1～3、5或8任一所述的高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法，其特征在于：所述有限元分析模型采用abaqus软件。

技术总结
本发明公开了一种高刚性高阻尼的碳纤维主轴的设计制造方法，包括如下步骤：确定碳纤维主轴的设计尺寸，在三维制图软件中建立碳纤维主轴的三维模型；基于所述三维模型建立有限元分析模型；对所述碳纤维主轴进行分层，其至少包括1层芯材层、1层橡胶层和1层碳纤维层，所述橡胶层和碳纤维层依次嵌套在芯材层上；基于有限元分析模型，确定芯材材料、碳纤维材料铺层角度和橡胶层厚度；根据上述三维模型，生产制造碳纤维主轴。本发明所述方法通过有限元模型进行分析，可以更好地确定芯轴材料、铺层角度等因素变化对于复合材料复合轴的颤振稳定性和刚度的影响，从而找到最优设计方案，通过本发明所述方法制造的碳纤维主轴能够有效提高主轴的阻尼和刚度。

技术研发人员：李军利,孙宏鑫
受保护的技术使用者：平湖盛邦科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13