高速磨削电主轴温升及动力学特性研究

论文摘要

以高切削速度、高进给速度、高加工精度为主要特征的高速切削和高速加工是当今先进制造技术之一。高速高精度数控机床是实现高速加工的关键因素,而高速主轴是高性能机床的核心部件。随着电气传动技术的迅速发展和日趋完善,高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化,基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动,从而把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式,使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来,因此可做成“主轴单元”,俗称“电主轴”。电主轴单元的结构设计、热态特性和动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。对主轴单元进行热态特性和动态特性的研究,对进一步提高高速机床的工作性能有十分重要的意义。本文以高速磨削类加工数控机床用电主轴为研究对象,以实现电主轴的高速、高精度为目标,采用有限元方法,运用ANSYS软件,对电主轴的热态特性和动态特性进行研究,具体工作如下:(1)分析了电主轴的结构特点,对主轴电机、主轴轴承、轴承润滑系统、电机定子的油一水热交换系统等关键部件进行了研究;并针对电主轴结构中的一个重要设计参数——电机与主轴的过盈量配合进行了分析计算。(2)分析了电主轴的传热机制,根据实际工况对电主轴工作时的热源及各部分的传热系数进行了计算,在此基础上,利用大型有限元软件ANSYS对本课题中所研究的主轴单元进行了热一结构耦合分析,研究了电主轴单元的温度场分布、主轴轴承的温升情况及主轴前端的热变形情况,并提出了抑制主轴温升的合理有效的措施。(3)分析了电主轴单元中所采用的特殊轴承形式——角接触混合陶瓷球轴承的结构形式及高速运转下的受力及动态特性,对其刚度进行了计算,在此基础上对电主轴进行了动力学分析,并通过实验说明了轴承的预紧力对主轴单元固有频率的影响情况,为优化主轴结构和改善电主轴的动态特性提供必要的理论依据,为高速电主轴的研究开发和应用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 高速主轴单元的研究概述
• 1.2.1 国内外高速主轴单元技术现状
• 1.2.2 高速电主轴的热态特性的研究现状
• 1.2.3 电主轴的动态特性的研究现状
• 1.3 本课题的来源与主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 课题研究的主要内容
• 第二章 电主轴的结构分析
• 2.1 电主轴的基本结构
• 2.1.1 主轴电机
• 2.1.2 主轴轴承
• 2.1.3 定子和转子
• 2.2 电主轴的工作原理
• 2.3 电主轴的冷却润滑系统
• 2.3.1 电主轴的散热状态分析
• 2.3.2 主轴电机定子的冷却系统—油-水热交换系统
• 2.3.3 主轴轴承的润滑冷却系统—油-气润滑系统
• 2.4 电主轴的过盈配合量的设计与分析
• 2.4.1 电主轴静态过盈量的计算
• 2.4.2 电主轴动态过盈量的计算
• 2.5 本章小结
• 第三章 高速电主轴热态特性分析与研究
• 3.1 高速电主轴的热源分析
• 3.1.1 主轴电机的发热分析与计算
• 3.1.2 主轴轴承的发热分析与计算
• 3.2 高速电主轴的传热机制
• 3.2.1 轴承与油-气润滑系统中压缩空气的对流换热
• 3.2.2 电机与油-水热交换系统冷却油间的对流换热
• 3.2.3 电动机转子的传热
• 3.2.4 电主轴前、后密封环的对流换热系数
• 3.2.5 高速电主轴与外部空气的传热
• 3.3 热-结构耦合分析
• 3.3.1 热-结构耦合分析的基本原理
• 3.3.2 热-结构耦合分析的基本步骤
• 3.4 高速电主轴的热应力分析
• 3.4.1 主轴单元温升特性的有限元建模
• 3.4.2 主轴单元的热边界条件
• 3.4.3 超高速主轴单元热应力分析
• 3.4.4 改善电主轴热态特性的措施
• 3.5 冷却槽的结构对冷却效果的影响分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 高速电主轴静/动力学特性分析
• 4.1 角接触球轴承静态特性分析
• 4.1.1 角接触球轴承接触分析
• 4.1.2 角接触球轴承受力分析
• 4.1.3 轴承的轴向预紧与位移
• 4.1.4 轴承的径向刚度计算
• 4.2 角接触混合陶瓷球轴承动态特性分析
• 4.2.1 角接触混合陶瓷球轴承的接触分析
• 4.2.2 高速下混合陶瓷球轴承的接触角和陶瓷球的受力分析
• 4.3 高速电主轴单元动力学分析
• 4.3.1 电主轴的动力学分析概述
• 4.3.2 高速电主轴的模态分析
• 4.3.3 轴承预紧力大小对固有频率的影响分析
• 4.3.4 轴承预紧力对主轴单元固有频率影响的实验测试
• 4.3.5 电主轴谐响应分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要研究成果