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高速电主轴系统设计与动静态性能分析

孙巍  
【摘要】: 高速加工是一种现代制造技术,它通过大幅度提高切削速度来提高生产率、加工精度、加工质量,从而降低成本。在现代制造技术中,高速切削技术已成为一个不可阻挡的发展潮流。高速机床是实现高速切削的首要条件,而高速电主轴是高速机床的核心部件。因而分析高速电主轴单元的动静态特性进行和优化结构设计,对提高高速机床性能有十分重要意义。 本文以高速、大功率的加工中心电主轴为研究目标,从提高主轴系统性能入手,对电主轴系统设计、静态分析、动态分析等几个方面进行研究。首先,基于对结构设计中关键性技术(如轴承选型、动平衡设计、几何精度设计、主轴单元结构参数静态估算等)的研究,完成了电主轴系统设计;分析了高速电主轴的结构特点,对设计电主轴两个重要参数(即跨距和转轴与电机的配合量)进行了分析和优化。其次,对电主轴进行静态有限元建模,经ANSYS计算,得出了电主轴的静刚度,同时分析了轴承预紧力对电主轴静刚度的影响;通过对角接触球轴承进行结构建模和力学特性分析,得出了轴承静刚度的简易计算方法,并研究了预紧力对陶瓷轴承接触角、刚度的影响。最后,对高速电主轴进行二维静态和三维动态有限元建模,经ANSYS计算,得出了电主轴的静刚度以及电主轴的模态和谐响应特性;研究了电主轴的固有频率、振型和临界转速;对高转速下,主轴在前端、后端、轴承所在的四个位置以及主轴转子中部位置所发生的最大动态位移进行了分析计算,从而验证了主轴结构设计的合理性。


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