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超高速空气静压电主轴的动静态性能分析与实验研究

舒鹏程  
【摘要】:随着电子元器件微型化和各类电器功能复杂化,PCB电路板的集成度也越来越高,PCB板上的微细孔也越来越密集。为了提高密集孔的钻削效率和改善微小孔的钻削质量,在PCB微细孔的钻削过程中,常采用超高速空气静压电主轴来钻削。超高速空气静压电主轴,是以空气静压轴承作为支承元件,能在超高转速下保持较高的回转精度,而且无污染、无磨损、使用寿命长。但是超高速空气静压电主轴的承载力和刚度较小,易出现气锤自激振动和涡动失稳现象,影响着超高速空气静压电主轴的稳定性和可靠运行。 本文通过研究空气静压轴承的承载性能、静态稳定性、超高速空气静压电主轴的动静态特性及其影响因素,以掌握超高速空气静压电主轴的设计方法。本文主要从以下几方面进行了研究: 1、通过对气体润滑理论的深入分析,从一般形式的Reynolds方程出发,结合空气静压轴承的实际状况,建立了空气静压轴承气膜压力分布的数学模型,得出空气静压轴承的承载能力。在此基础上,研究轴承结构参数和供气参数共同影响下轴承的静态特性,分析这些参数对承载性能和气锤效应的影响,优选参数必须综合考虑承载力、刚度、耗气量、实际情况。 2、采用ANSYS的CFD模块,分析了超高转速条件下,空气静压轴承的承载性能的变化规律。研究表明:转速增加时,空气静压径向轴承的承载性能明显增加且在不同转速段承载性能的增加不同,但是转速的增加对空气静压止推轴承的承载性能影响较小。 3、从主轴发生涡动失稳的角度,首先研究气膜阻尼系数与偏心、涡动转速和主轴转速之间的关系。研究发现:加大阻尼面、减小气膜厚度、适当增大偏心率、提高主轴涡动转速等方法可增加气膜的阻尼、提高主轴的动态稳定性。然后,根据上述分析结果,推导计算了超高速空气静压电主轴涡动失稳时的极限转速。 4、结合轴承气膜和主轴的实际结构参数,建立轴承气膜和主轴的整体模型,采用气固耦合的方法,研究超高速空气静压电主轴的静态承载性能,确定气膜的等效材料特性,在此基础上进行了超高速空气静压电主轴的动态特性分析,包括模态特性和谐响应分析。研究表明:施加的轴向外载增加时,电主轴的轴向刚度明显增加;施加的径向外载增加时,电主轴的径向刚度比较稳定,增加缓慢;主轴的三个低阶共振频率处于电主轴有效工作转速范围内,在这三个共振频率附近,主轴前端的振幅较大、动态刚度下降很快。加工时,主轴工作转速需要尽量避开共振频率。 5、为了验证超高速静压电主轴动静态特性的仿真分析结果的正确性,最后对超高速空气静压电主轴进行了静刚度实验测试、主轴空转运行实验等相关实验研究,并将理论分析的数据和实验测试的数据进行对比,同时分析了产生误差的原因。


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