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高速立式加工中心主轴部件的设计与研究

苏江飞  
【摘要】:高速加工,作为现代制造技术的一个重要分支,通过大幅提高切削速度来提高工件的加工效率、精度和质量,已成为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。作为高速机床的代表高速立式加工中心,已被列入国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项。高速电主轴是高速立式加工中心的核心部件,对高速立式加工中心整体性能,有着至关重要的影响。因此对高速电主轴进行设计和研究,攻破其技术难关,有着重要的意义。 本文首先简单地介绍了高速电主轴的基本原理,继而对高速电主轴进行了结构设计,并通过Solidworks软件建立了电主轴的三维模型;然后运用集中质量参数模型和传递矩阵法,对设计的电主轴,建立动力学模型;最后又通过仿真软件和实验,对电主轴的动力学性能和热态性能进行分析和研究,具体包括: (1)对电主轴的主轴芯轴进行了详细设计计算,完成了内装电机和高速轴承的选型,设计了高速电主轴冷却系统和润滑系统,解决了一些关键的设计问题。 (2)利用Solidworks软件,建立了电主轴装配体的三维模型,为电主轴后续的性能研究,提供了直观的实体模型。 (3)运用集中质量参数模型和传递矩阵法,建立了高速电主轴动力学模型。并通过编程计算,求解了电主轴固有频率和振型,用数学的方法分析了电主轴的振动特性。 (4)利用Solidworks中自带的COSMOSWorks软件,对电主轴进行了模态分析,研究了电主轴的动力学性能,获得了各个振型下电主轴的固有频率,另外与传递矩阵法分析的结果进行了对比,找出了产生差异的原因。分析结果表明此设计的电主轴最高转速远小于电主轴的一阶临界转速,能有效避免电主轴的共振现象,满足设计要求。 (5)分析了高速电主轴的热源和传热机制,计算了电主轴稳态运转下内装电机和高速轴承的发热量,并通过在ANSYS软件中建立整个电主轴有限元模型,施加载荷和边界条件后,得到了电主轴的稳态温度场,最后提出了改善电主轴热态特性的一些措施。 (6)采用DHDAS动态信号测试分析系统,研究了高速电主轴的动态性能实验和热态性能实验。


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