全陶瓷电主轴主轴精密加工实验研究及动态性能分析

论文摘要

高速电主轴是整个加工中心的核心部件,其加工、装配、静态和动态特性将对机床的加工精度、被加工表面的质量和生产率产生很大影响。基于工程陶瓷的耐高温、高强度、耐磨损、超硬度、抗腐蚀等优良性能,设计了170SD30无内圈全陶瓷电主轴。分析电主轴的发展及应用情况,对陶瓷材料在电主轴的应用进行总结。介绍了170SD30无内圈全陶瓷电主轴的设计与制造,以及全陶瓷电主轴的前景;讨论了陶瓷材料的制备及磨削加工方法,分析了陶瓷材料磨削加工和磨削机理。对陶瓷加工中的脆性去除、粉末去除以及塑性去除进行论述。分析研究氧化锆陶瓷主轴的加工方法,从加工精度以及加工效率入手分析加工过程遇到的问题,提出合理的加工工艺;研究了陶瓷主轴圆弧沟道的加工方法,对成型刀具加工、数控车削加工和曲线磨削加工及附加研抛加工详细对比分析。得出曲线磨削及研抛加工能使圆弧沟道达到要求。接着利用了有限元分析软件ANSYS对全陶瓷电主轴进行了模态分析和谐响应分析,并对主轴的固有频率、振型以及临界转速进行计算分析,对比电主轴的设计转速,得出其完全合理。最后介绍了电主轴的主要性能参数、测试步骤以及测试规范等。对装配好了的全陶瓷电主轴进行了性能测试实验,得到其噪声、振动、温升随转速的变化规律,总结得出其性能特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高速加工与电主轴技术
• 1.1.1 高速加工概述
• 1.1.2 电主轴概述
• 1.2 高速电主轴技术的发展及现状
• 1.2.1 国外电主轴技术现状
• 1.2.2 国内电主轴技术现状
• 1.3 陶瓷材料在电主轴中的应用
• 1.3.1 陶瓷材料的性能
• 1.3.2 陶瓷材料在电主轴中的应用
• 1.4 全陶瓷电主轴的设计制造
• 1.4.1 陶瓷轴承套圈的制造
• 1.4.2 陶瓷球的制造
• 1.4.3 陶瓷主轴的制造
• 1.5 电主轴的应用前景分析
• 1.5.1 国内市场
• 1.5.2 国外市场
• 1.5.3 电主轴的发展趋势
• 1.6 课题提出与主要研究内容
• 1.6.1 课题的提出
• 1.6.2 主要研究内容
• 第二章 陶瓷材料制备及加工方法
• 2.1 工程陶瓷制备
• 2.1.1 成型技术
• 2.1.2 烧结技术
• 2.2 陶瓷材料的常规加工方法
• 2.2.1 变压应力切削法加工
• 2.2.2 研磨、抛光加工
• 2.2.3 塑性法加工
• 2.2.4 超声波加工
• 2.2.5 电火花加工
• 2.2.6 激光加工
• 2.2.7 电解磨削加工
• 2.3 陶瓷材料磨削加工方法
• 2.3.1 磨削加工技术的发展
• 2.3.2 高速磨削
• 2.3.3 超精密研磨与抛光
• 2.3.4 陶瓷材料的高速磨削
• 2.4 陶瓷材料磨削机理
• 2.4.1 压痕裂纹的分类
• 2.4.2 陶瓷材料磨削机理
• 2.5 陶瓷材料的去除方式
• 2.5.1 脆性去除
• 2.5.2 粉末化去除
• 2.5.3 塑性去除方式
• 2.5.4 陶瓷磨削表面的形成
• 2.6 本章小结
• 第三章 陶瓷主轴加工工艺研究
• 3.1 加工工艺对零件精度的影响
• 3.1.1 切削速度对加工精度的影响
• 3.1.2 刀具对加工精度的影响
• 3.1.3 切削液对加工精度的影响
• 3.1.4 切削量对加工精度的影响
• 3.1.5 机床本身精度对加工精度的影响
• 3.1.6 夹具对加工精度的影响
• 3.1.7 刀具磨损对加工精度的影响
• 3.1.8 零件公差设计对加工精度的影响
• 3.1.9 强度恢复对加工精度的影响
• 3.2 加工理论分析
• 3.2.1 表面粗糙度含义
• 3.2.2 轮廓算术平均偏差Ra
• 3.2.3 轴承沟道轮廓度对轴承性能的影响
• 3.2.4 表面轮廓度的计算
• 3.3 陶瓷主轴加工工艺分析
• 3.3.1 测量仪器
• 3.3.2 实验试件
• 3.3.3 陶瓷主轴加工工艺研究
• 3.4 主轴加工过程与分析
• 3.4.1 中心孔的车削和研磨加工
• 3.4.2 外圆以及端面磨削加工
• 3.4.3 主轴内孔加工
• 3.4.4 陶瓷主轴沟道加工
• 3.4.5 扳手平台的平面磨削加工
• 3.5 主轴优选加工工艺
• 3.6 本章小结
• 第四章 全陶瓷电主轴动态特性分析
• 4.1 动态分析理论
• 4.2 轴承-主轴系统有限元模型建立
• 4.2.1 主轴部件的结构简化
• 4.2.2 主轴的有限元建模
• 4.3 在ANSYS 中的模态分析
• 4.4 临界转速分析
• 4.5 在ANSYS 中的谐响应分析
• 4.6 全陶瓷电主轴振动性能测试结果及其分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 全陶瓷电主轴性能测试
• 5.1 电主轴重要的性能参数
• 5.1.1 电主轴的精度和刚度
• 5.1.2 电主轴动态振动
• 5.1.3 电主轴噪声与套筒温升值
• 5.1.4 电主轴使用寿命值
• 5.2 电主轴性能测试规范
• 5.2.1 电主轴性能测试步骤
• 5.2.2 电主轴性能测试注意事项
• 5.3 全陶瓷电主轴性能测试结果及其分析
• 5.3.1 全陶瓷电主轴转速对噪声的影响
• 5.3.2 全陶瓷电主轴转速对振动的影响
• 5.3.3 全陶瓷电主轴转速对温升的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简介
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢