高速电主轴动静态特性的有限元分析

论文摘要

高速加工(HSM)作为一项很有前途的技术为世人瞩目,它的发展使得加工制造业产出越来越高、损耗越来越低。高速电主轴的发展和成熟是实现高速加工的最关键因素,电机与主轴的结合使得能量传递更有效率,加工更平稳,这对实现高速加工至关重要。然而,电机的内置必然增加主轴的质量,同时工作在较高转速下的电主轴,不可避免地受到离心力与陀螺力矩的影响,这必然导致高速电主轴分析的复杂性。电主轴的结构设计、动静态特性在很大程度上决定了高速数控机床的加工质量和切削能力,也是影响其加工精度的重要因素。主轴结构的优化和动静态特性的研究,对于进一步提高高速机床的工作性能有十分重要的意义。本文采用有限元方法,基于商品化软件ANSYS,对电主轴进行建模仿真,综合考虑各种影响电主轴动静态特性的因素,具体工作如下:(1)分析了高速电主轴的结构特点,针对电主轴设计时需要的两个重要参数,即跨距以及转轴与电机的配合量,进行分析并优化。(2)通过对角接触球轴承进行结构建模和力学特性分析,获得了轴承静刚度的简易计算方法;并研究了预紧力对陶瓷轴承接触角、刚度的影响;通过经验公式得出本课题轴承的阻尼系数。(3)对电主轴进行静态有限元建模,经ANSYS计算,得出了电主轴的静刚度,并分析了轴承预紧力对电主轴静刚度的影响。(4)建立了电主轴的通用的转子动力学模型,理论上分析了离心力和陀螺力矩对电主轴动态特性的影响;对电主轴进行了较精确的动态有限元建模,经ANSYS计算分析,获得电主轴在受离心力和陀螺力矩影响的临界转速;对电主轴进行模态分析,研究了电主轴的固有频率、振型,分析了轴承预紧力对主轴各阶固有频率的影响。(5)对电主轴进行谐响应分析,并对高转速条件下,主轴在前端、转子和后端三个位置所发生的最大动态位移进行了分析计算,考察了电主轴的动刚度变化;验证了电主轴为达到一定指标要求时结构设计的合理性,为改善和优化电主轴动态特性提供了数据参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 国内外高速电主轴单元的研究概述
• 1.3 高速电主轴动静态特性研究概述
• 1.4 本课题的来源以及研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 课题研究内容
• 第2章 高速电主轴的结构设计分析
• 2.1 电主轴的结构设计
• 2.1.1 主轴电机
• 2.1.2 主轴轴承
• 2.1.3 主轴轴承的油—气润滑系统
• 2.1.4 冷却设计
• 2.2 电主轴主要结构参数的设计及分析
• 2.2.1 高速电主轴跨距的设计及分析
• 2.2.2 过盈配合量的设计与分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 高速电主轴静态特性的研究
• 3.1 电主轴的静态特性及分析
• 3.2 陶瓷轴承的研究
• 3.2.1 Hertz接触理论在轴承刚度计算中的应用
• 3.2.2 角接触球轴承的接触角研究
• 3.2.3 陶瓷轴承的刚度
• 3.2.4 陶瓷轴承的阻尼
• 3.3 主轴静刚度的有限元分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 高速电主轴动态特性的研究
• 4.1 电主轴的动态特性
• 4.2 电主轴的动力学分析概述
• 4.3 电主轴的模态分析
• 4.3.1 固有频率与振型
• 4.3.2 陀螺力矩对电主轴动态特性的影响
• 4.3.3 临界转速的计算
• 4.3.4 轴承预紧力对电主轴固有频率的影响
• 4.4 电主轴的谐响应分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
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• 致谢