精密磨床主轴轴颈形状误差对动静压轴承性能的影响

考虑主轴轴颈制造中的圆度误差和圆柱度误差,应用FLUENT软件,对精密数控磨床砂轮主轴深浅油腔动静压轴承的性能进行了分析。结果表明:主轴轴颈圆度误差和圆柱度误差的种类对动静压轴承性能的影响各不相同,随着轴承间隙的变化而变化。动静压轴承承载能力、功耗以及油膜最高温升等性能参数都会随着主轴轴颈误差幅值的增加而增加;但动静压轴承流量的变化趋势却相反。要提高磨削加工精度,必须考虑精密数控磨床主轴轴颈的形状误差的影响。     

可控节流液体静压主轴回转精度提升的机理研究

可控节流技术可以显著提高液体静压主轴的刚度和回转精度,在工程上已得到实验证实,但是液体静压主轴在可控节流条件下是如何提高回转精度的过渡过程一直不明确。利用现有的液体静压主轴理论,还不能定量解释可控节流静压主轴从不平衡状态到平衡状态、以及稳态回转误差显著缩小的过渡过程。在考虑轴颈惯性力和非线性油膜力的基础上,根据可控节流器的工作原理和节流特性,建立了可控节流液体静压主轴动态轴心轨迹的理论模型,利用该模型进行数值模拟对过渡过程中的一系列物理现象做出了合理的定量解释。研究发现,在轴承结构参数和液压系统参数相同的条件下,可控节流主轴相比于固定节流可以显著缩短轴心轨迹的过渡过程响应时间、减小轴颈偏心位移、降低主轴稳态回转误差,从理论上揭示了可控节流器可以提高液体静压主轴油膜刚度和回转精度的物理机理。     

液体静压主轴的回转精度规律及其极限预测

液体静压主轴是精密、超精密机床的核心功能部件,对机床的加工效率、加工精度和加工表面质量具有直接而重要的影响.回转精度是液体静压主轴的关键性能,目前学术界和工程界对回转精度的各种评价指标之间的内在联系尚缺乏统一认识,对回转精度的机理和形成规律尚缺乏深入研究.系统分析了回转精度各种评价指标和测试方法之间的内在联系,明确了不同误差成分的来源和成因;针对现有回转精度评价方法的局限性,提出了"最小峰峰值+同步误差+异步误差"的综合评价方法.系统比较了不同节流方式对液体静压轴承刚度的影响规律,提出了采用可控节流实现高回转精度的方法.建立了可控节流液体静压主轴的流固热耦合模型,实现了轴心运动轨迹形成过渡过程的精确定量仿真,揭示了供油压力、供油压力波动、动不平衡量和轴颈圆度误差对回转精度的影响规律.最后对液体静压主轴可能达到的回转精度极限进行了预测.     

轴反馈周边进油缝隙节流四垫向心液体静压轴承设计与应用

一、轴反馈周边进油四垫向心轴承概述把节流器直接加工在轴承的内表面上,并利用它与轴颈间的间隙h和节流长度lc…等来形成进油液阻,这种轴承简称为轴节流式液体静压轴承。因为轴颈的位置随载荷的变化而不同(实为轴承间隙变化),其进油液阻也随之变化,它属于液阻可变的节流器。     

基于小孔节流的静压油膜轴承动态特性分析

静压轴承的动静态特性在很大程度上受到节流装置的影响,以小孔节流的静压轴承为研究对象,开展其动态特性理论的研究。利用两平行平板缝隙液体流量公式推导了轴承油腔流出的流量数学模型,并充分考虑了主轴转子速度对流量的影响因素,使之更符合实际工况;在对小孔节流后流入轴承油腔的流量方程进行线性化处理的基础上,建立了静压轴承系统的流量连续性方程;结合轴承-主轴系统动力学方程,推导出小孔节流的静压轴承系统动态特性的传递函数,分析了小孔节流静压轴承系统的动态特性。结果表明:小孔节流的四油腔静压轴承动态响应速度在0.06~0.12 s范围内变化,增大供油压力、油腔承载面积、主轴转速及减小油膜粘度、油膜间隙等均有助于提高轴承系统的响应速度。研究结果对于指导工程设计具有一定的参考价值。     

基于CFX的液体静压轴承关键参数优化

为研制某曲轴随动磨床砂轮主轴系统,首先要对液体静压轴承进行设计。为此利用计算流体动力学软件CFX对液体静压轴承内部流场进行数值模拟,从油腔深度、小孔节流器孔径、轴承间隙3个关键性参数进行优化研究,通过分析油膜压力分布,求解最优参数。结果表明:通过分析对比液体静压轴承内部流场的数值模拟结果可以看出,最佳的油腔深度、小孔节流器孔径、轴承间隙对轴承承载能力起着非常重要的作用,也为后续研制该磨床液体静压轴承和对该类型的液体静压轴承的流体动力学分析提供参考。     

可控节流参数对液体静压轴承特性的影响研究

节流器是液体静压主轴的核心元件,其节流特性对液体静压主轴的刚度和回转精度具有直接影响。针对现有节流器在主轴工作时节流特性不可控的不足,提出一款预压预调型可控节流器。在分析可控节流器工作原理和节流特性基础上,根据流体润滑理论,建立基于可控节流器的液体静压轴承承载性能的理论模型,研究可控节流器供油压力、弹簧刚度和控制油腔压力等参数对液体静压轴承承载性能的影响规律,并与固定节流液体静压轴承的承载性能进行对比。研究发现,在其他结构参数及工作参数一定的条件下,可控节流器能够显著地提高液体静压轴承的油膜刚度;在不同偏心率条件下,可控节流液体静压轴承的最佳油膜刚度对应的节流参数不同。在开发的液体静压电主轴试验台上进行了试验研究,通过对油腔压力和油膜刚度的理论计算值与试验测量值的对比,证实了可控节流方案的有效性。     

液体动静压电主轴关键技术综述

液体动静压主轴以其高回转精度、高动态刚度、高阻尼减振性和长寿命等性能优势,在高速精密机床领域获得广泛应用,但进一步适应超高速超精密加工需要,发展成为将机床主轴与高速电动机功能从结构上融为一体的液体动静压电主轴,还需解决高速化和结构集成化带来的轴承温升控制和电机性能优化等技术难题,需进一步从机理层面研究轴承特性和电动机高频电磁损耗等科学问题。因此有必要对现有研究成果进行系统分析和深入总结。回顾液体动静压机床主轴轴承技术的发展历史;从轴承油腔结构、节流器、轴颈偏斜、轴瓦弹性变形、轴承副表面形貌、液体惯性效应、热效应、润滑介质可压缩性及非牛顿特性、水润滑动静压轴承等方面,对影响液体动静压电主轴轴承特性的关键技术进行逐一分析和评述;从高速电主轴对电动机几何特性、转速—力矩特性、热特性、振动及噪声特性的要求等角度,全面评述电动机性能的电磁参数设计方法、电磁损耗机理及计算方法和电磁损伤故障防治技术;具体分析动静压电主轴整机特性优化中的关键技术难题;对液体动静压电主轴技术的未来发展趋势进行预测和展望。     

内部节流液静压内圆主轴

内部节流液静压内圆主轴的节流器直接加工在轴承内表面上,这样,主轴总体结构简单,可避免节流器的阻塞。此外还有以下优点:1.油腔压力的变化要比小孔节流器快;2.压力比与轴承间隙无关;3.偏心率不大时,轴承刚性高。文章介绍了主轴结构、内部节流器液静压轴承的设计计算与制造装配等。     

轴颈形状误差对液体静压主轴回转精度的影响

液体静压主轴是精密、超精密机床的核心功能部件,已在工程领域广泛应用,但轴颈形状误差作为静压主轴形成回转误差的主要因素,其对回转误差的定量影响规律并不明确。通过分析和简化主轴轴颈的形状误差特征,运用CFD动网格技术定量计算了形状误差作用下主轴在轴承油膜中的平衡位置,模拟了主轴旋转时轴颈形状误差凹、凸部位依次通过最小油膜厚度位置的轴心轨迹,发现了轴颈圆度误差使主轴形成回转误差,其大小与轴颈圆度频次和幅值有关,揭示出轴颈圆度误差对液体静压主轴回转精度的作用机制。通过对比理论计算和试验测试轴颈圆度误差作用下的回转精度,理论计算值约为试验测试值的75.2%。理论计算结果和所提出的研究方法具有重要的理论意义和工程参考价值。     

小孔节流静压气体轴承承载力分析

以小孔节流静压气体轴承为研究对象,从节流孔内的流动出发,通过工程假设实现气体轴承的建模与分析,并借助MATLAB编程,采用有限差分法、牛顿迭代法实现对气膜流场二维设计计算,得到轴承的压力分布和承载力,并分析讨论对轴承承载力可能产生影响的因素,包括偏心率、轴承间隙、供气孔直径、环境温度、节流孔个数、供气压力。结果表明:不同参数对承载力影响不同,偏心率、轴承间隙及供气压力对承载力影响较大,增大偏心率、增大供气压力、减小轴承间隙、减小节流孔直径及增加节流孔个数,均会使轴承承载力变大;节流孔直径及每圈节流孔个数因为实际工程限制存在较佳值。     

液体静压主轴回转误差的形成机理研究

液体静压主轴是精密、超精密机床的核心功能部件,虽然已在工程领域获得广泛应用,但其回转误差的形成机理长期以来并不明确。利用现有的静压主轴计算模型,难以对主轴从静平衡位置到动态回转误差轨迹的过渡过程进行定量精确的计算和仿真,难以揭示出回转误差运动的扰动因素与主轴位置、轴承流量和油膜力等因素之间的内在联系,因而不能从物理本质上合理解释静压主轴回转误差的形成机理。建立了液体静压主轴回转误差的动力学模型,采用全程动网格方法、平衡位置动网格方法和平衡位置油膜刚度阻尼等三种方法,定量再现了主轴从轴颈与轴承的同心初始位置到形成回转误差运动轨迹的过渡过程,揭示了静压主轴形成平均回转中心和回转误差时扰动因素与主轴合力、轴承流量和轴心位置之间的相互影响规律。采用最小二乘法对回转误差轨迹进行评价,对比分析了三种方法计算结果存在差异的原因,提出了可同时兼顾计算效率和计算精度的将动网格与油膜刚度阻尼相结合的回转误差计算方法。     

小孔节流静压气体轴颈轴承主轴系统的动态特性分析

通过对小孔节流静压气体轴颈轴承的雷诺方程与描述主轴系统的动力学数学模型联立直接进行数值求解,分析了轴承系统的动力学特性,研究了在不平衡质量作用下轴承主轴系统的响应。结果表明,由于精密离心机小孔节流静压气体轴承的支承刚度大,承载能力高,旋转主轴的运动是稳定的。但在一定条件下,旋转主轴有可能出现不稳定现象,这取决于主轴绕固联坐标系各轴之转动惯量间的关系、轴承支承刚度、主轴旋转速度和不平衡质量控制等因素。该方法用于精密离心机静压气体轴承主轴系统动力学的数值计算,提高了计算精度和可靠性。     

基于数值模拟的小孔节流空气静压轴承静动态特性研究

为了提高小孔节流空气静压轴承的静动态性能,基于流体力学和固体力学的基本控制方程,建立小孔节流空气静压轴承双向流固耦合数值模拟模型;采用静态数值模拟方法获取了设计参数对承载力和刚度的影响规律,进一步对微气膜间隙内三维流场特性进行了分析,有效降低了微气膜间隙内气体冗余现象对空气静压轴承动态稳定性的影响,并在数值计算的基础上对空气静压轴承结构和工作参数进行优化设计;在气体静压试验平台上对自行研制的空气静压轴承进行静动态特性测试。试验结果表明:所提出的数值模拟方法具有很好的预测效果;所采用的优化设计方法能够显著提升空气静压主轴的静动态特性。     

有限体积法与正交试验法相结合的动静压轴承结构优化设计

针对小孔节流深浅腔动静压轴承的性能优化问题,基于平行平板扩散流动计算模型及流量守恒原理,推导了微元控制体边界压力的插值函数,提出了分析小孔节流深浅腔动静压轴承的油腔压力、承载力、静刚度、进油流量及温升等承载特性的有限体积计算方法。使用该方法研究了供油压力、主轴转速、进油孔径、浅腔深度、初始油膜厚度等参数对小孔节流深浅腔动静压轴承承载特性的影响规律,从而得到了以上相关参数的优化区间。在此基础上,采用四因素三水平的正交试验法,在满足多目标性能最优的前提下,得到了小孔节流深浅腔动静压轴承结构参数与工作参数的最优组合。以该组参数试制了小孔节流深浅腔动静压轴承并建立了试验平台,测量了不同转速及供油压力下油腔的压力值。试验结果表明,轴承油腔压力试验数据及理论计算值随主轴转速的变化趋势一致;误差在11%以内。验证了有限体积法与正交试验法相结合的动静压轴承结构优化设计方法的正确性。     

机床主轴静压气体止推轴承静态特性随参数变化规律研究

超精密机床主轴一般采用静压气体轴承支承。文章应用大型商业计算流体软件Fluent,并结合MATLAB神经网络拟合工具箱,训练拟合出不同参数与轴承承载力及入流质量流量的映射关系函数,基于此,研究了不同参数对单节流孔圆形静压气体止推轴承静态特性影响的规律。首先,将计算的压力分布与文献中的实验数据进行对比,来验证计算模型与边界的正确性;然后,采用MATLAB神经网络拟合工具箱,训练拟合出轴承半径、节流孔孔径、气膜厚度和外界供气压力与轴承承载力及入流质量流量的映射关系函数;最后,研究了静压气体止推轴承外部供气结构对轴承压力分布的影响;气膜厚度、节流孔直径和供气压力对轴承承载力及入流质量流量的影响。结果表明：外部供气结构对轴承压力没有明显的影响;气膜厚度减少、孔径和外界供气压力的增大会增大轴承的承载力;气膜厚度、孔径和外界供气压力的增大都会增大入流质量流量。     

空气静压轴承在超高速微细孔钻削电主轴中的应用

介绍了超高速微细孔钻削的主要特点以及对钻削主轴组件的基本要求.针对这些要求,提出了将空气静压轴承应用于超高速微钻削电主轴支承结构中.对空气静压轴承支承的电主轴结构进行了分析,对径向及推力空气静压轴承的节流形式、节流器参数设计以及轴承间隙调整等问题进行了详细的论述.     

节流孔轴向布置方式对气浮主轴轴承特性的影响

气浮主轴承载能力和刚度作为衡量气浮主轴性能的关键指标,受到节流方式的直接影响,而目前节流孔轴向布置方式对孔式节流静压气体轴承支承性能的影响尚缺乏深入研究.为研究节流孔轴向布置方式对静压气体轴承特性的影响,设计两排孔、中部排气式四排孔、中部不排气式四排孔3种典型的节流孔轴向布置方式,基于雷诺方程建立静压气体轴颈轴承气膜力...     

精密机床静压气体轴承静特性分析及基本参数的优化

对精密机床气体轴承静特性进行理论分析,运用有限元法将雷诺方程离散化,得到静压气体轴承的承载能力、刚度以及供气量的计算公式。对某精密机床小孔节流静压气体轴承的静态特性进行分析,得到供气压力、偏心率、节流孔直径和刚度以及承载能力之间的关系曲线;通过优化分析,得到精密机床主轴前后静压气体轴承优化的结构参数和操作参数。     

液体静压轴承动态特性的探讨

针对按静刚度理论设计的液体静压轴承,在实际应用中存在的高速性能差、动态特性差、加工精度低的缺点进行了剖析和探讨;根据液体静压支承的原理和液体连续流动的理论,提出了液体静压轴承在主轴高速运转时动态特性是影响活塞销孔加工精度的主要因素的观点;并依此为设计依据,实际应用于高速精密静压活塞销孔镗床轴系中,提高了活塞销孔的加工精度,取得了较好的应用效果。以动态特性作为高速精密静压轴系优化设计目标理论的应用,简化了高速液体静压轴承的设计及制造,使高速精密静压轴系在生产中易于推广应用。