高速电主轴动静态特性的有限元分析

【摘要】： 高速加工能显著地提高生产率和降低生产成本，是一项非常有前景的先进制造技术。实现高速加工的首要条件是高质量的高速机床，而高速电主轴是高速数控技术和加工中心的关键部件。与传统的传动方式相比，高速电主轴使用内装式电机，取消了诸如齿轮、皮带等中间传动环节，实现了机床的“零传动”。 电主轴的结构设计、动静态特性在很大程度上决定了高速数控机床的加工质量和切削能力，也是影响其加工精度的重要因素。主轴结构的研究和动静态特性的优化，对于进一步提高高速机床的工作性能有十分重要的意义。 本文采用有限元分析方法，运用ANSYS软件，对电主轴的结构和动静态特性进行了深入的研究，具体包括： 1．分析了高速电主轴的结构特点及其对动静态特性的影响，并从满足其动静态特性的角度，对本课题电主轴的结构进行了设计。 2．通过对角接触球轴承进行结构建模和力学特性分析，获得了轴承静刚度的简易计算方法，对本电主轴轴承的静刚度进行了计算；研究了预紧力对轴承静刚度的影响；通过对高速角接触球轴承进行动力学特性分析，总结出一种较为简易、精确的轴承动刚度的计算公式。 3．对电主轴进行二维静态有限元建模，经ANSYS计算，得出了电主轴的静刚度，并分析了轴承预紧力对主轴静刚度的影响。 4．对电主轴进行了较精确的三维动态有限元建模，经ANSYS计算分析，获得了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，分析了轴承预紧力对主轴一阶固有频率的影响；并对高转速条件下，主轴在前端、转子和传感器三个位置所发生的最大动态位移进行了分析计算，验证了主轴结构设计的合理性。 5．建立了电主轴的动态测试系统，采用冲击法对电主轴的动态响应特性进行实验研究，将理论仿真结果和实验结果进行了对比分析，结果表明，所建立的仿真模型是合理有效的，并提出了改进高速电主轴动态特性的主要措施。