高速机床若干关键技术问题研究

论文摘要

高速高精度机床是当今的主要发展趋势之一。伴随着制造业对数控加工高速高精度方面的要求，人们对高速高精度机床的研究也不断深入。高速高精度机床不仅要有高的主轴转速和进给速度，而且还需要具有高的主轴和进给系统运动加速度。对于高速高精度机床，主轴系统性能的优劣将直接影响机床的最终性能，直接影响机床所加工零件的质量。因此，对机床主轴系统的性能进行研究，建立机床主轴系统动力学模型，在产品的设计阶段对其性能进行评价，对于提高机床产品的设计质量非常重要。 CHH6125高速车削中心的研制与开发是沈阳第一机床厂承担的国家863和十五攻关“精密制造与数控关键技术研究和应用开发”项目中的“高速、高精密数控车床”课题。在项目产品开发设计中，对机床进给系统高加速度移动性能、床身系统动态特性、高速主轴的动平衡精度、高转速大功率内装电主轴的温度平衡等关键技术问题以及C轴插补阻尼力进行了理论计算、有限元分析和系统动态仿真，保证了设计的成功。 本文是在总结上述项目研究成果，并进一步深入研究的基础上而完成的。论文主要针对高速机床主轴系统的动态性能进行了研究，分别采用理论建模和有限元分析的方法对机床主轴系统的动力学和热力学性能进行了分析和研究，并进一步对机床进行试验研究的基础上，对理论建模和有限元分析的模型进行了必要的验证。论文进行的主要内容如下： (1) 在大量查阅国内外资料的基础上，综述和分析了高速切削加工的概念、产生、发展趋势以及高速机床的现状和发展趋势；研究了国外高速机床的技术发展与应用，以及我国高速机床的发展现状和趋势；影响高速机床发展的关键技术问题，以及发展我国高速机床急需解决的一些问题。 (2) 虽然不同的高速机床应该采用不同的机械结构，但在高速机床结构设计上面存在一些共性的关键技术问题。本论文对高速机床结构设计关键技术问题进行了分析和说明，并对高速机床的结构合理性进行了研究。 (3) 本文研究了适用于主轴系统的动力学特性分析的各种建模方法及其优缺点；并主要进行了基于传递矩阵方法的主轴系统动力学特性研究，以及适应高速机床的主轴系统动力学建模方法，采用仿真方法和试验方法对建模方法的准确性进行了研究，并对模型进行了必要的修正。

论文目录

• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高速切削加工的现状与发展趋势
• 1.1.1 高速切削的概念
• 1.1.2 高速切削的特点
• 1.1.3 高速切削的发展
• 1.2 高速机床关键技术
• 1.2.1 高速主轴单元
• 1.2.2 高速进给系统
• 1.2.3 高速CNC控制系统
• 1.2.4 高性能的刀具系统
• 1.2.5 机床支承技术
• 1.2.6 辅助单元技术
• 1.3 高速机床技术的应用与发展趋势
• 1.3.1 高速机床的应用领域
• 1.3.2 高速机床的发展趋势
• 1.4 发展我国的高速机床技术
• 1.4.1 我国高速机床的发展情况
• 1.4.2 我国高速机床技术的研究重点
• 1.5 课题的提出和意义
• 1.5.1 课题的提出
• 1.5.2 课题的意义
• 1.6 本文主要研究工作
• 第二章 机床结构设计中的关键技术问题
• 2.1 引言
• 2.2 CHH6125车削中心的主轴系统
• 2.3 CHH6125车削中心的进给系统
• 2.3.1 进给加速度的计算及其提高
• 2.3.2 进给系统运动仿真
• 2.3.3 进给加速度的测量
• 2.4 CHH6125机床辅助部件
• 2.5 本章小结
• 第三章 主轴系统动力学性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 主轴动静态特性的研究现状
• 3.3 计算机仿真在电主轴设计中的应用
• 3.4 基于传递矩阵法的典型元件的数学模型
• 3.4.1 轴系传递矩阵建模
• 3.4.2 传递矩阵模型的动力分析
• 3.5 主轴系统动力学模型的改进
• 3.6 主轴系统的动态特性分析
• 3.6.1 主轴部件结构分析及处理
• 3.6.2 第一主轴计算及其结果
• 3.6.3 第二主轴计算及其结果
• 3.6.4 计算结果分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 主轴轴承刚度分析及其有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 赫兹接触定理
• 4.3 角接触球轴承的刚度计算
• 4.3.1 角接触球轴承受力分析
• 4.3.2 角接触球轴承静刚度的计算
• 4.3.3 滚动轴承轴向径向静态刚度估算
• 4.3.4 轴承轴向预紧后的刚度计算
• 4.3.5 轴承刚度的近似计算方法
• 4.3.6 主轴轴承刚度的计算
• 4.4 主轴部件有限元分析
• 4.4.1 机床振动分析基础
• 4.4.2 有限元模型的建立
• 4.4.3 第一主轴分析
• 4.4.4 第一主轴部件分析
• 4.4.5 第二主轴分析
• 4.4.6 第二主轴部件分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 高速机床电主轴热特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 机床及其主轴系统热特性的研究发展情况
• 5.3 温度场计算的有限元法
• 5.4 高速电主轴的热态特性
• 5.4.1 主轴热变形的机理
• 5.4.2 高速电主轴的热源
• 5.4.3 电主轴的散热情况说明
• 5.5 高速电主轴的发热量的计算
• 5.5.1 电机定子和转子的发热计算
• 5.5.2 混合陶瓷球轴承的发热
• 5.6 高速电主轴热态特性的有限元分析
• 5.6.1 高速电主轴有限元分析模型
• 5.6.2 高速电主轴热载荷的计算
• 5.6.3 电主轴的边界条件的确定
• 5.6.4 第一主轴箱计算结果
• 5.6.5 第二主轴箱计算结果
• 5.7 本章小结
• 第六章 机床重要部件性能试验
• 6.1 引言
• 6.2 主轴激振试验
• 6.3 主轴部件温升热变形试验
• 6.4 主轴热变形的测量
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论及其建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历
• 攻读学位期间发表的论著情况