高速磨削电主轴温升及动力学特性研究

发布时间：2017-05-16 03:07

  本文关键词：高速磨削电主轴温升及动力学特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【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。
【关键词】：高速加工 电主轴 热态特性 动态特性 ANSYS
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TG580.6
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 课题背景及研究意义9-11
• 1.2 高速主轴单元的研究概述11-16
• 1.2.1 国内外高速主轴单元技术现状11-13
• 1.2.2 高速电主轴的热态特性的研究现状13-14
• 1.2.3 电主轴的动态特性的研究现状14-16
• 1.3 本课题的来源与主要研究内容16-17
• 1.3.1 课题来源16
• 1.3.2 课题研究的主要内容16-17
• 第二章 电主轴的结构分析17-27
• 2.1 电主轴的基本结构17-20
• 2.1.1 主轴电机18
• 2.1.2 主轴轴承18-19
• 2.1.3 定子和转子19-20
• 2.2 电主轴的工作原理20
• 2.3 电主轴的冷却润滑系统20-22
• 2.3.1 电主轴的散热状态分析20-21
• 2.3.2 主轴电机定子的冷却系统—油-水热交换系统21
• 2.3.3 主轴轴承的润滑冷却系统—油-气润滑系统21-22
• 2.4 电主轴的过盈配合量的设计与分析22-26
• 2.4.1 电主轴静态过盈量的计算22-24
• 2.4.2 电主轴动态过盈量的计算24-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 高速电主轴热态特性分析与研究27-43
• 3.1 高速电主轴的热源分析27-30
• 3.1.1 主轴电机的发热分析与计算27-28
• 3.1.2 主轴轴承的发热分析与计算28-30
• 3.2 高速电主轴的传热机制30-32
• 3.2.1 轴承与油-气润滑系统中压缩空气的对流换热30
• 3.2.2 电机与油-水热交换系统冷却油间的对流换热30-31
• 3.2.3 电动机转子的传热31
• 3.2.4 电主轴前、后密封环的对流换热系数31
• 3.2.5 高速电主轴与外部空气的传热31-32
• 3.3 热-结构耦合分析32-33
• 3.3.1 热-结构耦合分析的基本原理32-33
• 3.3.2 热-结构耦合分析的基本步骤33
• 3.4 高速电主轴的热应力分析33-40
• 3.4.1 主轴单元温升特性的有限元建模33-34
• 3.4.2 主轴单元的热边界条件34
• 3.4.3 超高速主轴单元热应力分析34-36
• 3.4.4 改善电主轴热态特性的措施36-40
• 3.5 冷却槽的结构对冷却效果的影响分析40-42
• 3.6 本章小结42-43
• 第四章 高速电主轴静/动力学特性分析43-63
• 4.1 角接触球轴承静态特性分析43-48
• 4.1.1 角接触球轴承接触分析43-44
• 4.1.2 角接触球轴承受力分析44
• 4.1.3 轴承的轴向预紧与位移44-45
• 4.1.4 轴承的径向刚度计算45-48
• 4.2 角接触混合陶瓷球轴承动态特性分析48-52
• 4.2.1 角接触混合陶瓷球轴承的接触分析48-50
• 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50-52
• 4.3 高速电主轴单元动力学分析52-62
• 4.3.1 电主轴的动力学分析概述52
• 4.3.2 高速电主轴的模态分析52-56
• 4.3.3 轴承预紧力大小对固有频率的影响分析56
• 4.3.4 轴承预紧力对主轴单元固有频率影响的实验测试56-60
• 4.3.5 电主轴谐响应分析60-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第五章 结论与展望63-65
• 参考文献65-68
• 致谢68-69
• 攻读硕士学位期间主要研究成果69

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 吴玉厚;田峰;Albert J Shih;邵萌;张丽秀;;基于LabVIEW的全陶瓷电主轴温度检测模块的设计与实验分析[J];机床与液压;2012年17期

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 刘昌华;数控成形磨床关键部件热态分析[D];浙江大学;2010年

2 何雅娟;机床高速主轴热跑合性能检测系统开发[D];陕西理工学院;2010年

3 许庆鹏;基于240-XDJ24Y型高速电主轴的热态分析和冷却系统的研究[D];兰州理工大学;2012年

4 刘玉;高速机床主轴单元的动态特性分析及结构优化[D];青海大学;2012年

5 陈建伟;高速机床主轴轴承预紧力研究[D];山东大学;2012年

  本文关键词：高速磨削电主轴温升及动力学特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：369433