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ADGM高速电主轴关键技术研究

李丽丽  
【摘要】:本文分析了数控车床及车削中心的发展现状及研究进展,发现主要参数:回转直径Φ400~630mm、主轴转速4000~8000r/min的高速数控车床及车削中心需求问题亟待解决,而国内电主轴技术的现状是制约其发展的主要原因之一,总结国内外电主轴技术发展现状,指出了研究数控车床及车削中心用电主轴的必然性,这对于发展高档数控机床,进一步完善电主轴的研究技术具有重要意义。首先,根据电主轴的性能指标对其结构进行初步设计,包括各部件材料的选择、尺寸确定,冷却、润滑密封系统的初步设计等。其次,从电主轴的特点出发,为减小主轴前端的最大变形量,提高电主轴静态刚度,对主轴系统的前端悬伸量、转子位置和跨距进行优化设计,发现前端悬伸量对主轴前端最大变形量影响最大,当悬伸量为70mm,转子左端面距离轴承右端面距离为56mm,跨距为230mm时,主轴前端最大变形量达到最小为5.6μm。并对优化后的主轴系统进行动态分析,建立了有限元分析模型,计算出主轴-轴承系统的固有频率、振型及极限转速,得出主轴的最高转速接近其一阶极限转速,由于其一阶振型为平动,对其进行谐响应分析发现在激振力为1000N时,其前端共振位移为5.6e-6mm,具有良好的动态刚度,不影响其加工精度,而最高转速不到其二阶极限转速的30%,能够满足主轴的性能指标。然后,在确定电主轴的整体结构前,对比环形、单螺旋和双螺旋冷却方式得出适合电主轴的最佳冷却方式,确定最佳冷却系统时,在边界条件一样的条件下,对三种冷却方式进行CFX流体分析,对比不同冷却方式下外壳温度分布,确定双螺旋冷却方式为最佳选择。并对确定后的电主轴整体进行热态仿真,当入口质量流为0.5Kg/s、最高转速8000rpm时,得出电主轴稳态温度场分布,其中最高温度的部件为前轴承,温度为57℃。并将温度作为载荷加载到结构分析中,进行热结构耦合分析,发现最大变形量发生在电主轴的后段,最大位移量为79.8μm。最后,基于Labview设计了电主轴转速智能控制系统,通过变频器实现对电主轴五段速及每段速运行时间的控制,减少了试验时间。并通过试验测量主轴转速与温度、振动、噪音的关系,得到如下结论:(1)试验测量主轴不同转速下3个测点的温度值,并在额定转速下与仿真结果对比,发现实验测得的各测点温度与仿真结果基本一致,相差不到2%,说明该热态仿真方法能成功预测电主轴温度场分布。(2)在转速为8000rpm时,通过改变冷却液的进口质量流,测量出口处冷却液的温度,确定冷却液的最佳流速,发现双螺旋冷却方式最佳进口质量流为0.55kg/s。(3)同时测量主轴不同转速下,主轴前端振动值及主轴噪音值,发现噪音值随着主轴前端振动值的增加而增加,且其电主轴平均噪音为28.5dBA满足国家标准,振动值为1.8mm/s在旋转机械振动标准中为优,满足工作要求。


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