高速陶瓷电主轴结构设计与性能研究

发布时间：2017-09-02 00:35

  本文关键词：高速陶瓷电主轴结构设计与性能研究

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【摘要】：电主轴单元不仅简化了主轴结构，提高了转速，而且极大的提高了高速加工的精度和效率。随着高速加工技术的发展，对电主轴静动态性能的要求越来越高。本文针对国内电主轴普遍存在的转速较低，动静态特性差，精度保持性不高等问题，利用工程陶瓷的密度小、弹性模量大、硬度高、热膨胀系数低等优良性能，设计一种氮化硅(Si3N4)陶瓷高速电主轴，并对其动静动态性能进行分析。具体的研究内容如下： (1)陶瓷电主轴的结构设计。选择氮化硅陶瓷作为主轴材料，确定轴承的配置方式，设计主轴与转子的过盈联接装置并确定过盈量；对主轴的悬伸量和跨距进行设计计算，，确定最佳跨距；选择主轴电机类型和型号；确定混合陶瓷角接触球轴承；选择冷却润滑装置。 (2)陶瓷电主轴的静态特性分析。利用三维软件Solidworks对主轴组件进行实体建模，分析主轴的应力、位移、应变值，获取静刚度值，并与同规格钢质主轴的静刚度进行对比分析；对静刚度进行理论计算，与有限元仿真结果相互验证。 (3)陶瓷电主轴的动态特性分析。将利用Solidworks建立的模型导入Workbench中进行模态分析，得到陶瓷电主轴的前六阶固有频率及振型，并与钢质主轴进行对比；对模型进行谐响应分析，确定在激振力作用下主轴变形随频率的变化；利用传递矩阵法计算主轴的一阶固有频率，与有限元结果进行对比。 经研究表明，该新型陶瓷电主轴具有良好的静动态性能，电主轴转速得到进一步提高，更适合于高速加工。
【关键词】：陶瓷电主轴 静刚度 模态 谐响应 有限元
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TG659;TH133.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题的研究背景10-11
• 1.2 高速电主轴技术的发展现状11-14
• 1.2.1 国内研究现状11-12
• 1.2.2 国外研究现状12-14
• 1.3 高速电主轴静动态特性的研究现状14-16
• 1.4 本课题的主要研究内容16-17
• 第2章 高速陶瓷电主轴设计17-41
• 2.1 高速陶瓷电主轴的总体设计17-22
• 2.1.1 高速陶瓷电主轴的结构形式17-18
• 2.1.2 高速陶瓷电主轴的设计参数18
• 2.1.3 高速陶瓷电主轴的总体结构设计18-22
• 2.2 高速陶瓷电主轴电机的选型22-24
• 2.2.1 主轴电机的性能对比22-23
• 2.2.2 主轴电机型号的确定23-24
• 2.3 高速陶瓷电主轴的主轴-转子过盈联接设计24-30
• 2.3.1 主轴-转子过盈联接装置的选取24-25
• 2.3.2 主轴与过盈套的过盈量计算25-30
• 2.4 高速陶瓷电主轴的轴承选择30-32
• 2.4.1 陶瓷电主轴的轴承类型选择30-31
• 2.4.2 轴承组配方式的选择31
• 2.4.3 轴承选型31-32
• 2.5 高速陶瓷电主轴的主轴-刀柄接口形式选择32-33
• 2.6 陶瓷主轴悬伸量与跨距的设计33-39
• 2.6.1 典型加工条件下陶瓷电主轴切削力的计算33-35
• 2.6.2 陶瓷电主轴悬伸量和跨距的计算35-38
• 2.6.3 陶瓷主轴强度校核38-39
• 2.7 高速陶瓷电主轴轴承的润滑系统39-40
• 2.8 本章小结40-41
• 第3章 高速陶瓷电主轴静态特性分析41-52
• 3.1 陶瓷电主轴静态特性的理论分析41-42
• 3.2 陶瓷电主轴静态特性的有限元分析42-49
• 3.2.1 基于 Solidworks 的线性静态分析方法简介42-44
• 3.2.2 主轴组件几何模型的建立44-45
• 3.2.3 有限元模型的建立45-46
• 3.2.4 三维模型求解前的设置46-47
• 3.2.5 网格划分和求解47-49
• 3.3 高速陶瓷电主轴的变形与刚度的验证49-50
• 3.4 不同材质电主轴的性能对比50-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第4章 高速陶瓷电主轴动态特性分析52-68
• 4.1 陶瓷电主轴动态特性的研究内容52-53
• 4.2 基于传递矩阵法的陶瓷主轴一阶固有频率计算53-56
• 4.3 陶瓷主轴单元的模态分析56-64
• 4.3.1 主轴模态分析的理论基础56-57
• 4.3.2 主轴组件的模态分析57-64
• 4.4 陶瓷主轴组件的谐响应分析64-67
• 4.4.1 谐响应分析的理论基础64
• 4.4.2 加工引起的激振力计算64-65
• 4.4.3 主轴组件的谐响应分析65-67
• 4.5 本章小结67-68
• 结论68-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士期间承担的科研任务与主要成果73-74
• 致谢74-75
• 作者简介75

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