高速陶瓷电主轴设计及性能分析

为了提高高速主轴系统的性能采用热压Si3N4工程陶瓷作为主轴材料设计了高速电主轴,对其静动态性能进行了有限元分析。结果表明,陶瓷电主轴比传统的钢质电主轴具有更加优良的动静态性能,静刚度、固有频率、临界转速都有不同程度的提高,更加适合于高速应用场合。     

砂轮接杆对陶瓷电主轴单元动态性能的影响

随着产品加工不断向高精度、高刚度、高速度方向发展,对机床主轴部件的动态特性要求也越来越高,因此对机床主轴部件动态特性分析也显得越来越重要。实验室采用陶瓷球轴承作支承的电主轴做高速精密磨削。在磨削过程中,陶瓷电主轴单元的性能直接关系到主轴能否实现平稳高速、精密加工。砂轮接杆虽然尺寸结构简单,但是对电主轴的动态性能影响很大。文中针对基于PMAC-PC控制下的精密磨床,通过不同转速下电主轴振动信号的傅立叶(FFT)谱,分析了砂轮接杆对陶瓷轴承电主轴单元动态性能的影响。     

高速磨削用电主轴结构动态优选设计

考虑滚动轴承径向刚度随转速非线性变化，运用传递矩阵法对电主轴的临界转速和静刚度特性进行了系统的研究，用Matlab工具开发了一套具有自主知识产权的动态计算分析软件。以某款精密高速(51000r／min)磨削用电主轴为对象，分析了主轴结构参数与砂轮参数对主轴动态特性的影响，并对主轴结构进行了优选设计。结果表明，基于传递矩阵法编制的电主轴动态设计软件运行可靠、操作简便，可应用于电主轴的动态设计与快速开发。经优选设计后，电主轴的一阶临界转速和主轴端静刚度均有较大幅度的提高。     

紧凑型高速电主轴拉刀机构静动态特性分析与优化

介绍了紧凑型高速电主轴的结构设计,建立了主轴-拉刀机构双转子系统模型,研究了电主轴拉刀机构的静动态特性,得到了工作状态下电主轴的静态位移、振型、固有频率以及关键点的响应位移。对主轴-拉刀材料、轴承预紧力、轴承组跨距、主轴-拉刀接触刚度以及主轴-刀柄接触刚度等参数进行优化设计。结果表明优化后电主轴的静动刚度均满足要求、固有频率提高、电主轴安全工作频率区间增大。电主轴模态测试结果证明了以上结果的可靠性。该研究为紧凑型高速电主轴的设计提供了理论基础。     

陶瓷球轴承接触角和预紧力对高速磨削电主轴静刚度的影响

陶瓷球轴承作为电主轴的核心部件,其结构参数对电主轴的静刚度有着重要的影响。基于角接触球轴承径向刚度计算公式,通过仿真分析研究了接触角和预紧力对电主轴静刚度的影响。通过建立的主轴-轴承系统三维有限元模型,仿真获得了不同接触角和预紧力下主轴前端径向变形及主轴静刚度,进而根据有限元仿真结果拟合得到了主轴静刚度关于接触角和预紧力的拟合方程及拟合曲线。     

高速磨削用陶瓷轴承电主轴单元的动特性分析

电主轴的结构设计、动态特性在很大程度上决定了高速磨削加工的精度和效率.本文针对高速磨削用陶瓷轴承电主轴进行了动态特性的研究和主轴结构的优化,用传递矩阵法对其动力学性能进行了计算分析,并利用有限元分析软件ANSYS对实验用陶瓷轴承电主轴进行了动特性分析,结合PNAC控制下高速精密磨削实验系统进行了陶瓷轴承电主轴的振动性能实验.     

复合结构黏弹性阻尼减振砂轮接杆的研究

为满足高速磨削内孔的需要,研制一种由金属、工程陶瓷和黏弹性阻尼材料组成的新型复合结构减振砂轮接杆。对磨杆的设计原理和黏弹性阻尼结构进行论证,在保证砂轮接杆具有较高静刚度的前提下减小平均密度和增大阻尼比。对该砂轮接杆的刚度、固有频率和谐响应等静、动态性能进行有限元分析和试验验证,并与普通钢质整体式砂轮接杆和金属-陶瓷复合结构砂轮接杆进行性能对比;研究阻尼芯直径与砂轮接杆动态性能的关系。结果表明:黏弹性阻尼砂轮接杆的静刚度高于普通钢质砂轮接杆约10%,略低于金属陶瓷复合结构砂轮接杆约0.6%;其动态性能优于前两者,即具有更高的固有频率和动刚度。固有频率较普通钢质砂轮接杆提高约49%,较金属-陶瓷砂轮接杆提高约12%。动态响应幅值较普通钢质砂轮接杆减小约43%,较金属-陶瓷砂轮接杆减小约20%。此新型砂轮接杆适于高速磨削加工。     

高速大功率镗铣类加工中心电主轴开发

从实现电主轴的高速、高加工精度入手,着重从主轴静、动态特性方面利用有限元技术进行仿真分析和样机试验,设计出一种高速电主轴。建立了主轴部件有限元分析模型,包括主轴部件结构简化、单元类型选择及结构剖分、约束条件建立、载荷条件确定、主轴部件上零件附加质量处理。样机实测数据表明,主轴系统静刚度符合设计要求,静态回转精度实测值与设计值相符,实际加工精度符合国标对该类机床主轴系统的要求。     

基于加载状态下动态特性预测的高速电主轴结构参数优化方法

电主轴高速运转状态下承受切削载荷时的动态特性对电主轴加工效率和加工质量具有重要且直接的影响,但迄今针对该工况下主轴动态特性的设计方法欠系统深入研究。文中提出了基于加载状态下动态特性预测的电主轴结构参数优化的思想。基于模态理论和有限元法,建立了高速电主轴系统高速状态下受不平衡力和外加载荷的动力学模型;利用该模型定量研究了主轴跨距、电机转子外径等结构参数对电主轴静刚度、临界转速和动态挠曲线的影响规律;提出了具体的参数优化途径,研究证实了所提出优化方法的有效性。     

高速电主轴转子-轴承-外壳系统动力学特性研究

高速深孔磨削加工电主轴采用加长悬臂外壳,其在力作用下的挠性变形对电主轴的转子动力学性能的影响不可忽略,而传统电主轴转子动力学模型均将外壳简化为刚体,不能描述该类复杂结构电主轴的动力学行为.考虑外壳的挠曲变形,基于整体传递矩阵法和成对轴承分析理论,建立了电主轴转子-轴承-外壳系统动力学模型,提出了电主轴整机临界转速、电主轴轴端动态刚度的计算方法.通过算例系统地分析了电主轴外壳抗弯刚度、轴承选型等对电主轴动态特性的影响;研制了高速内圆磨削电主轴试验样机,开展了电主轴轴端动刚度的试验验证.结果 表明:建立的电主轴转子-轴承-外壳系统动力学模型计算精度高,可用于深孔磨削加工电主轴的动力学特性分析;电主轴外壳悬臂端是主轴动态薄弱环节,采用非同心圆环的增强外壳能明显提升电主轴的临界转速与动态刚度;选用特轻系列轴承替代轻系列轴承,电主轴的一阶临界转速和轴端静刚度均有所增大.     

陶瓷电主轴空载电磁振动试验的研究

近年来,对高速高刚度数控机床用电主轴的需求日益紧迫。采用陶瓷材料设计电主轴主要旋转部件可以提高电主轴极限转速及刚度。但由于陶瓷材料导热、导磁及导电及机械性能与金属材料差别较大,因此陶瓷电主轴电磁振动与金属电主轴有所不同。研究陶瓷电主轴电磁振动有利于实现电主轴的低噪声低振动优化设计。本文通过实验研究了陶瓷电主轴的电磁振动特性。     

氧化锆陶瓷主轴外圆磨削表面粗糙度分析

目的:应用于高速数控机床中的全陶瓷高速电主轴,要求具备高的高速旋转稳定性和高运转精度,其中主轴外圆表面质量对提高主轴的运转性能是非常重要的技术指标。通过分析主轴外圆表面的磨削加工工艺,来获得最佳的主轴外圆表面质量,进而满足高速电主轴的应用性能。方法:在MGA1432A高精度万能磨床上,采用金刚石砂轮磨削陶瓷主轴表面,重点研究砂轮粒度、砂轮线速度、轴向进给速度、横向进给量磨削参数与外圆表面粗糙度的关系。结果:通过正交试验分析,获得全陶瓷主轴外圆磨削最佳工艺参数,按此工艺参数加工后的陶瓷主轴外圆表面粗糙度达到0.11μm。结论:此结果能够完全满足全陶瓷电主轴外圆表面质量的设计要求,并且增强了主轴耐腐蚀、抗疲劳破损能力,提升了整个电主轴的可靠性、寿命等整体工作性能。     

精密电主轴单元设计技术

论述了如何确定精密电主轴单元的主要技术参数,利用经验公式估算了主轴单元静刚度;运用平衡理论分析了高速主轴的动平衡精度和有效的动平衡方法;在结构设计中,设计了旋转组件的动平衡和整机驱动的在线二次动平衡位置,最后完成电主轴单元的结构优化设计.     

基于ANSYS的全陶瓷电主轴动态分析及振动性能测试

对设计的全陶瓷电主轴进行结构分析,在ANSYS中建立了其轴承-主轴转子系统三维有限元模型。采用Subspace法计算了前6阶固有频率和振型,计算出临界转速,然后通过Harmonic分析得到了主轴在不同激励下的动态响应,并对装配好的全陶瓷电主轴进行振动性能测试及其分析。ANSYS动态分析计算结果表明主轴设计工作转速远远低于其临界转速,能有效避开共振区;全陶瓷电主轴振动性能测试结果表明在设计范围内电主轴振动平稳,设计符合要求。     

高速电主轴动刚度的计算与测试方法

为了考察高速砂轮主轴在高速运转下的动态特性,构建了基于角接触球轴承的拟静力学数值模型的电主轴支撑刚度的计算方法,并设计了基于工作转速下的高速砂轮主轴动态支撑力、相对位移的动刚度测试方法,搭建了高速砂轮电主轴动刚度的测试平台。研究分析了高转速精密机床中使用的HCB71902-C-T-P4S高速角接触球轴承在不同预紧力下动刚度随转速变化的规律。在选择轻预紧11N下,实验测试结果与计算所得支撑刚度保持一致,当转速超过50 000r/min后径向动刚度趋于稳定在180N/μm左右。高速电主轴支撑刚度的变化规律研究为改善精密机床工作性能提供了重要的理论基础。     

基于LabVIEW的电主轴综合性能测试与评价系统

介绍运用LabVIEW软件开发“电主轴综合性能测试与评价系统”的内容和特点,希望可以由已往的主轴单项检测或模拟分析,改由此测试系统来做主轴整体检测分析,借此来优化电主轴结构、减少主轴振动、噪声和热传导等问题,以便更好地掌握电主轴的静动态特性等相关关键技术,以确保主轴的优良性能.该系统对电主轴进行八个方面的测试,为全面、客观、系统地评价电主轴提供了检测手段、实验方法和理论依据,最后运用其中一个测试模块证明了该测试与评价系统具有实用方便、科学有效的特点.     

国外高速机床用电主轴概况

高速机床的应用领域正日趋扩大 ,许多切削工序 (如车、磨、钻、铣、镗、扩孔和铰孔等 )相继使用高速机床 ;另一方面 ,几乎任何材料 ,如钢、铸铁、轻金属、有色金属、难加工金属、合金及塑料等都可用高速切削加工方法加工。在高速机床的部件中 ,主轴结构对制品的加工质量和机床加工效率有重要影响。高速机床的主轴结构越来越多地使用电主轴。1　电主轴的支承在生产高速电主轴部件时 ,对其静态、动态稳定性有严格要求。在滚动轴承、静液压轴承、动液压轴承和磁性轴承的基础上 ,可设计以下几种主轴支承。1 .1　径向支承滚动轴承在使用滚动轴承…     

电机后置式的电主轴动态特性有限元分析

以一种新型电主轴结构为研究对象,用有限元方法对该型号电主轴进行了模态分析和谐响应分析,并研究了轴承刚度的变化对电主轴动态性能的影响。结果表明:电主轴的第一阶临界转速远远高于其最高工作转速,能有效避开共振区;静压轴承刚度对电主轴的动态性能具有重要影响。合理地改进轴承刚度,有利于提高电主轴的刚度,减小振动幅度,提高磨床的加工精度。     

轴承预紧力对电主轴刚度及使用寿命的影响分析

电主轴的静刚度是其主要性能指标,是机床加工零件精度和质量的保证。轴承作为电主轴的核心支撑部件,其预紧力的增加或减小对主轴的刚度有着重要的影响,同时预紧力的变化也会影响轴承的使用寿命。为了确定轴承的最佳预紧力,通过仿真分析了预紧力的变化对主轴静刚度、固有频率以及使用寿命的影响。分析结果表明：随着预紧力的增加,主轴的静刚度和固有频率都有明显的提高,但同时降低了轴承的使用寿命。     

基于ANSYS Workbench自动换料车床电主轴多目标优化设计

采用Solidworks软件建立了ADZ170-03型自动换料车床电主轴参数化有限元模型,在主轴静力学分析和模态分析的基础上,运用有限元软件ANSYS Workbench优化设计功能,以优化主轴的最大变形量和质量为目标,将电主轴跨距、悬伸量和电机转子安装位置作为设计变量,电主轴变形量和质量为响应,基于响应面法利用MOGA(多目标遗传)优化算法对电主轴结构进行优化.结果表明:自动换料车床电主轴的结构合理、且能满足其正常工作要求.优化前后结果对比发现,优化后的车床主轴径向位移由18.148μm减少至16.662μm,静刚度由192.86N/μm提高至210.06N/μm,一阶固有频率由604.39 Hz提高至610.29 Hz,车床主轴整体长度由621.34mm减少至605.94mm,从而使车床主轴生产成本得以控制.通过对自动换料车床电主轴优化设计,在提高主轴静动性能的前提下,减轻了电主轴质量,为自动换料车床电主轴的轻量化设计提供了理论参考.