Bearing joint dynamic parameter identification is crucial in modeling the high speed spindles for machining centers used to predict the stability and natural frequencies of high speed spindles. In this paper, a hybrid method is proposed to identify the dynamic stiffness of bearing joint for the high speed spindles. The hybrid method refers to the analytical approach and experimental method. The support stiffness of spindle shaft can be obtained by adopting receptance coupling substructure analysis method, which consists of series connected bearing and joint stiffness. The bearing stiffness is calculated based on the Hertz contact theory. According to the proposed series stiffness equation, the stiffness of bearing joint can be separated from the composite stiffness. Then, one can obtain the bearing joint stiffness fitting formulas and its variation law under different preload. An experimental set-up with variable preload spindle is developed and the experiment is provided for the validation of presented bearing joint stiffness identification method. The results show that the bearing joint significantly cuts down the support stiffness of the spindles, which can seriously affects the dynamic characteristic of the high speed spindles.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.19
no.6
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pp.717-723
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2010
Radial stiffness of angular contact ball bearings are decreased remarkably at high speed revolution, because the inner and outer ball contact angle with races arc changed under the ball centrifugal forces at high speed. In the past, the optimizations of spindle units were done under the assumption of unchanged bearing stiffness for the whole speed range. But the bearing stiffness is changed and the dimension of optimum spindle is also changed with speed. In the design phase, only one model of many optimum spindle models with speed should be selected. As optimization criterion, the area of transfer function at spindle nose is proposed to estimate simply and accurately improvement of dynamic characteristics in spindle units. Finally, according to many analyses of diverse spindle models with decreased bearing stiffness, the spindle with shorter bearing span is better than longer bearing span from the viewpoint of dynamic characteristics.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2003.04a
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pp.206-210
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2003
Machining of deep holes with conventional boring bars frequently induce chatter vibration because of their low dynamic stiffness which is defined as the product of static stiffness and damping of conventional boring bar materials. In addition, the specific stiffness ($E/{\rho}g$) of boring bars is more important than the static stiffness to increase the fundamental natural frequency of boring bars in high speed machining. Therefore, boring bar materials should have high static stiffness and high damping as well as high specific stiffness. The best way to meet requirements is to employ fiber reinforced composite materials for high speed boring bars because composite materials have high static stiffness, high damping and high specific stiffness compared to conventional boring bar materials. In this study, the dynamic characteristics of carbon fiber epoxy composite boring bars were investigated. From the metal cutting test, it was found that the chatter was not initiated up to the ratio of length to diameter of 10.7 at the rotating speed of 2,500 rpm.
Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers
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v.17
no.3
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pp.59-64
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2008
Spindle units of machine tool are very important part in the manufacturing area. Recently high speed machining has become the main issue of metal cutting. To develop high speed machine tools, a lot of studies have been carried out for high speed spindle. Due to increase of the rotational speed of the spindle, there has been renewal of interest in tooling system of high speed spindle. This paper concerns the static stiffness in the main spindle interface according to variation of clamping force, rotational speed and tool holder shank. Finite element analysis is performed by using a commercial code ANSYS workbench. From the results, it has been shown that the geometry of tool holder shank is mostly influence on the variation of the static stiffness in the main spindle interface.
The design of current collection system of high speed train requires the fundamental understandings for the dynamic characteristics of catenary system and pantograph. The stiffness of catenary system of high speed train has the varying characteristics for the change of contact point with pantograph, since the supporting pole and hanger make the different boundary conditions for the up-down stiffness of a trolley wire. The variation of stiffness results in Mathiue equation, which characterizes the stability of the system. However, the two-term variation of the stiffness due to span length and hanger distance cannot be solved analytically. In this paper, the stiffness variations are calculated and the physical reasoning of linear model and one term Mathieu equation are reviewed. And the numerical analysis for the two-term variation of the stiffness is done for the several design parameters of pantograph.
Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers
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v.16
no.1
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pp.40-46
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2007
High speed machining has become the main issue of metal cutting. Due to increase of the rotational speed of the spindle, problems such as the run-out errors and reduced stiffness must be overcome to improve the machining accuracy. In order to solve the problems, it is important to determine the appropriate clamping unit and tooling system. This paper presents an investigation into an analysis of static stiffness in the main spindle interface. Finite element analysis is performed by using a commercial code ANSYS according to variation of cutting force, clamping force and rotational speed. From the finite element results, it is shown that the rotational speed and clamping force mostly influence on the variation of the static stiffness in the main spindle interface.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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2002.10b
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pp.115-116
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2002
This study was carried out as one of efforts to overcome difficulties in air bearing design due to low stiffness and low damping. Hydrodynamic effects on hydrodynamic stiffness of a fluid film in a high speed air bearing with tow-row air sources are investigated. The hydrodynamic effects by the high speed over DN 1,000,000 and eccentricity of a proceeding which are not considered in conventional design of an air bearing need to be reconsidered. The hydrodynamic effects, which dominantly influence on the load capacity of air bearing, are caused mainly by proceeding speed, eccentricity, and the source positions. The two-row source arrangement in the air bearing produces quite unique hydrodynamic effects with respect to pressure distribution of the air film. Optimal arrangement of the two-row sources improves performance of an air bearing in film reaction force and loading capacity of high speed spindles. This study compares the pressure distribution by numerical simulation as a function of eccentricity of proceeding and the source positions. The air source position 1/7L form one end of an air bearing was found to be superior to source position of 1/4L. The dynamic stiffness were obtained using a two-dimensional cutting method which can directly measure the cutting reaction forces and the displacements of the spindle in two directions using a tool dynamometer and transducer sensors. Heat generation in the air film can not be negligible over the speed of DN 2,000,000. In order to analysis effects of heat generation on the characteristics of air bearing, high cooling bearing spindle and low cooling bearing spindle were tested and compared. Characteristics of the frequency response of shaft and motion of run out errors were different for the spindle. The test results show that, in the case of low cooling bearing spindle, the stiffness became smaller due to heat generation. The results, which were obtained for high speed region, may be used as a design information for spindle which can be applied to precision devices such as ultra precision grinding and ultra high speed milling.
This work proposes and investigates re-centering negative stiffness dampers (NSDs) for vibration suppression in high-speed trains. The merit of the negative stiffness feature is demonstrated by active controllers on a high-speed train. This merit inspires the replacement of active controllers with re-centering NSDs, which are more reliable and robust than active controllers. The proposed damper design consists of a passive magnetic negative stiffness spring and a semi-active positioning shaft for re-centering function. The former produces negative stiffness control forces, and the latter prevents the amplification of quasi-static spring deflection. Numerical investigations verify that the proposed re-centering NSD can improve ride comfort significantly without amplifying spring deflection.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2001.04a
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pp.167-169
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2001
In this paper, a controller design for high speed and stiffness linear motor is implemented. The designed controller is mainly composed of speed and current controller, which are carried out by the high-speed digital signal processor(DSP). In addition the PWM inverter is controlled by space voltage PWM method. This system is implemented by using 32-bit DSP(TMS320C31), a high-integrated logic device(EPM7128), and IPM(Intelligent Power Module) for compact and powerful system design. The experimental results show the effective performance of controller for high speed and stiffness linear motor.
Based on the energy-variational principle, a coupling vibration analysis model of high-speed railway simply supported beam bridge-track structure system (HSRBTS) was established by considering the effect of shear deformation. The vibration differential equation and natural boundary conditions of HSRBTS were derived by considering the interlayer slip effect. Then, an analytic calculation method for the natural vibration frequency of this system was obtained. By taking two simply supported beam bridges of high-speed railway of 24 m and 32 m in span as examples, ANSYS and MIDAS finite-element numerical calculation methods were compared with the analytic method established in this paper. The calculation results show that two of them agree well with each other, validating the analytic method reported in this paper. The analytic method established in this study was used to evaluate the natural vibration characteristics of HSRBTS under different interlayer stiffness and length of rails at different subgrade sections. The results show that the vertical interlayer compressive stiffness had a great influence on the high-order natural vibration frequency of HSRBTS, and the effect of longitudinal interlayer slip stiffness on the natural vibration frequency of HSRBTS could be ignored. Under different vertical interlayer stiffness conditions, the subgrade section of HSRBTS has a critical rail length, and the critical length of rail at subgrade section decreases with the increase in vertical interlayer compressive stiffness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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