短电弧数控铣床主轴结构优化设计及动态特性分析

发布时间：2017-10-26 05:33

  本文关键词：短电弧数控铣床主轴结构优化设计及动态特性分析

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【摘要】：短电弧加工技术作为一种以强电放电为主要特征的新型特种加工技术被广泛应用于各种超强、超硬等超难加工导电材料加工过程中。它凭借着高效的加工效率、低能耗、污染小等优点倍受企业青睐。起初,短电弧加工技术的应用仅局限于车削方式。而短电弧铣削机床的研发却大大丰富了其所在应用领域的工艺范围,但是其加工中存在的精度问题一直困扰着研发人员。本文通过对短电弧加工技术机理的研究及不同影响因素下短电弧加工工件表面质量的分析,得出了各因素对成型工件表面质量的影响规律。其中放电间隙的稳定性对其影响程度颇大,对此我们需要改进短电弧数控铣床主轴机构,分析其动态特性并提出优化设计的方案。下面是本论文主要的工作内容:本文通过对现有的短电弧数控铣床进行分析,发现其主轴径向摆动过大,导致放电间隙不稳定。因此,对主轴机构进行改进,采用双支点结构对主轴进行支撑,并对其支撑跨度进行理论计算;选用中空内供液的结构能够避免心部过热,并减少电极底部的二次放电对工件表面质量的影响;通过UG软件进行数字化建模以便后期对其进优化分析。通过对改进后的主轴系统进行静态分析,其中包括模型简化,网格划分等,最终得到主轴的静态刚度。对影响刚度的主要原因进行分析,获得刚度最大的参数。在得到主轴静态刚度后,对主轴及其部件进行模态分析,得到各阶固有频率;通过对各阶固有频率进行分析对比,进行整体模态特性匹配,确认改进方案的合理性。最后考虑实际加工过程中的情况对主轴进行预应力模态分析,发现此时的固有频率与机床固有频率相差甚远,符合设计要求。最后为提高材料在达到性能最优时的利用率,对主轴结构进行了优化设计,旨在减少主轴质量,提高主轴静态刚性、固有频率。本文以主轴跨度和前悬伸量为变量进而求得最优解。优化后的主轴在质量和性能上得到了极大的改善。
【关键词】：短电弧加工技术 静态分析 模态分析 结构优化设计 主轴跨度
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG547
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-8
• 第一章 绪论8-15
• 1.1 课题研究的背景及意义8-11
• 1.1.1 短电弧铣削技术的简介及应用8-10
• 1.1.2 课题研究的目的、意义及来源10-11
• 1.2 机床主轴的研究现状11-13
• 1.3 主要研究内容13-15
• 第二章 短电弧数控铣床主轴结构的改进设计15-29
• 2.1 目前主轴系统的组成及亟待解决的问题15-16
• 2.1.1 目前主轴系统的组成15-16
• 2.1.2 目前主轴系统亟待解决的问题16
• 2.2 主轴结构的改进设计16-26
• 2.2.1 主轴系统方案改进16-17
• 2.2.2 主轴主要尺寸的确定17-24
• 2.2.3 轴承密封的选择24-26
• 2.2.4 内置切削液的选用26
• 2.3 上电机构的设计26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 短电弧数控铣床主轴静态特性有限元分析29-38
• 3.1 短电弧铣床主轴静态性能分析的必要性29-30
• 3.2 有限元法简介30-32
• 3.2.1 有限元法理论概述30
• 3.2.2 有限元法分析步骤30-31
• 3.2.3 网格的划分31-32
• 3.3 主轴静态有限元分析32-37
• 3.3.1 线性静态分析理论基础32-33
• 3.3.2 有限元模型建立及简化33-35
• 3.3.3 主轴静载荷计算35-36
• 3.3.4 边界条件确定加载及求解36-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第四章 短电弧数控铣床主轴模态分析38-53
• 4.1 模态分析概述38-40
• 4.1.1 模态分析理论基础38-39
• 4.1.2 ANSYS Workbench模态分析流程39-40
• 4.2 改进主轴系统的组成40-41
• 4.2.1 主轴系统基本组成40
• 4.2.2 主轴部件的材料定义40-41
• 4.3 主轴及其部件的模态分析41-47
• 4.3.1 主轴的模态分析41-43
• 4.3.2 壳体的模态分析43-45
• 4.3.3 连接板的模态分析45-47
• 4.4 主轴系统模态分析及评价47-49
• 4.4.1 主轴系统模态分析47-48
• 4.4.2 固有频率评价48-49
• 4.5 主轴预应力模态分析49-52
• 4.5.1 预应力模态分析基础49-50
• 4.5.2 主轴预应力模态分析50-52
• 4.6 本章小结52-53
• 第五章 短电弧数控铣床主轴的结构优化设计53-59
• 5.1 结构优化设计的概念53
• 5.2 Design Explorer优化设计流程53-54
• 5.3 主轴结构优化设计54-57
• 5.3.1 主轴有限元参数模型的建立及目标函数的确定54-55
• 5.3.2 主轴优化设计的具体步骤55-57
• 5.4 主轴结构优化前后一阶固有频率对比57-58
• 5.5 本章小结58-59
• 第六章 总结与展望59-61
• 6.1 总结59-60
• 6.2 展望60-61
• 参考文献61-64
• 致谢64-66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 赵万生;顾琳;徐辉;李磊;向小莉;;基于流体动力断弧的高速电弧放电加工[J];电加工与模具;2012年05期

2 赵为铎;;机床主轴部件的刚度分析[J];大连工学院学刊;1963年05期

3 白钊,马平,胡爱玲,林庆文;应用有限元方法对高速电主轴的优化设计[J];机床与液压;2004年10期

4 高永革;;工业上如何选择高效率的轴承[J];黑龙江冶金;2004年04期

5 王志强;佟浩;李勇;李朝将;;气膜冷却孔电火花加工用复合功能主轴[J];清华大学学报(自然科学版);2014年09期

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本文编号：1097266