高速电主轴动态特性及其对加工稳定性的影响

论文摘要

高速铣削加工广泛应用于航空航天、汽车工业和模具等工业各部门。由于高速机床的关键部件:高速电主轴在转速、陀螺效应、离心效应等因素的共同作用,其动刚度不同于静刚度,为了确定具有动刚度铣削加工过程的稳定性,本文开展了以下主要工作:基于滚动轴承受力分析的拟静力学和拟动力学模型,对高速时主轴轴承内部的动力学状态进行了分析,计算了轴承的各个动力学参数特别是轴承刚度随预紧力和转速的变化。结果表明在一定的预紧力下,轴承刚度随转速增加而减小即出现刚度“软化”。综合考虑轴承动支撑刚度的影响,利用有限元的方法建立了主轴-夹具-刀具系统模型,得到系统固有频率随转速的变化规律。本文还研究了预紧力和刀具悬长对电主轴系统动力学特性的影响,搭建了电主轴试验系统,进行了静态锤击模态试验,验证了理论分析结果的正确性。综合主轴-夹具-刀具系统动刚度模型和铣削加工过程动力学模型,建立具有动刚度的时滞、非光滑铣削加工系统动力学模型。采用半离散法对该系统进行稳定性分析,得到了考虑电主轴动态特性后的主轴系统的稳定性图。结果表明,高速电主轴动态特性对系统稳定性有重要影响,是高速加工系统稳定性预测不可忽略的因素。与此同时,本论文还研究了系统高阶模态参数对系统稳定性的影响,以更准确的进行稳定性预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外发展及研究现状
• 1.2.1 主轴轴承发展及研究现状
• 1.2.2 电主轴系统模型发展及研究现状
• 1.2.3 铣削稳定性发展及研究现状
• 1.3 研究目的及内容
• 1.3.1 研究目的和意义
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 主轴轴承动力学特性分析
• 2.1 概述
• 2.2 主轴轴承运动学分析
• 2.2.1 滚动体主要运动
• 2.2.2 滚道控制理论
• 2.2.3 滚动体的公转、自转及旋滚比
• 2.3 赫兹（Hertz）接触理论
• 2.3.1 赫兹接触基本理论
• 2.3.2 主轴轴承曲率和及曲率差计算
• 2.3.3 赫兹接触的简化解
• 2.4 主轴轴承动力学特性方程组
• 2.4.1 球滚动体的受力平衡方程
• 2.4.2 球滚动体与套圈滚道的变形几何相容方程
• 2.4.3 轴承的平衡方程
• 2.4.4 变换求解变量
• 2.5 主轴轴承动力学参数分析
• 2.5.1 球滚动体的离心力和陀螺力矩
• 2.5.2 接触角
• 2.5.3 接触载荷和接触变形
• 2.5.4 旋滚比
• 2.5.5 刚度
• 2.6 本章小结
• 第三章 电主轴系统动力学特性分析
• 3.1 概述
• 3.2 电主轴系统模型
• 3.2.1 电主轴系统简化模型建立
• 3.2.2 电主轴系统模型有限元分析
• 3.3 电主轴系统动力学特性分析
• 3.3.1 系统阵型
• 3.3.2 刀具的影响
• 3.3.3 轴承径向刚度的影响
• 3.3.4 轴向预紧力的影响
• 3.3.5 转速的影响
• 3.4 试验研究
• 3.4.1 试验原理及设备简介
• 3.4.2 试验结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 电主轴动态特性对加工稳定性的影响
• 4.1 概述
• 4.2 工件-刀具系统模型建立
• 4.2.1 工件-刀具的简化模型
• 4.2.2 切削力
• 4.2.3 工件-刀具系统动力学方程求解
• 4.3 刀具的模态参数
• 4.4 铣削系统稳定性分析
• 4.4.1 阻尼的影响
• 4.4.2 电主轴动态特性的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文