数控机床电主轴单元热-结构特性动态分析

分析了高速电主轴单元热变形机理与散热机制,对主轴单元热态特性要求进行了描述,利用AN-SYS对高速电主轴进行了热-结构耦合分析。通过改变电主轴有限元模型中的边界条件,对不同转速、润滑方式、冷却结构设计、内装式电机选择条件下电主轴热-结构特性进行了对比分析。根据分析结果,提出了改善电主轴热态特性的措施,为电主轴冷却结构设计提供了参考。     

高速电主轴冷却系统试验研究

针对高速电主轴实际运行中主轴内部发热量大、温度升高等导致主轴热变形而影响电主轴加工精度问题,以某型电主轴为研究对象,通过仿真与试验结合的方法探究冷却系统冷却能力。阐述电主轴热态特性;分析螺旋和循环冷却系统的有限元仿真结果;进行冷却系统对比试验,验证仿真结果。结果表明:螺旋冷却系统稳态下整体冷却效果和冷却速率都优于循环冷却系统。研究结果为电主轴设计、优化与开发提供了一定的技术参考。     

油气润滑参数对高速电主轴热特性影响的试验研究

为研究油气润滑参数对高速电主轴热特性的影响,在考虑气流压力和供油量2个因素下对高速电主轴进行热特性正交试验。结果表明:供油量对温升指标的影响最大,气流压力影响次之,二者的交互因素对温升指标的影响比较小。获得了最佳水平组合,得到了不同水平组合下电主轴各方向的热变形;分析电主轴各方向热变形不同的原因,得到在实际加工中应该重点控制主轴Z方向热变形量的结论。     

高速电主轴热态性能的有限元分析及温升控制

针对高速加工中心电主轴电机内置的特点,分析了电主轴的各种热源并计算了发热量,建立了电主轴热态特性的有限元模型,在有限元软件Ansys中对电主轴的热态特性进行分析,得出电主轴稳态温度场分布图,为冷却系统的设计提供了理论基础。采用热电偶对电机定子的温度进行检测,通过PLC的控制可对冷却系统的水流速度进行适时调节,加强对流换热的作用,进而加强电主轴的冷却效果。     

基于热-结构耦合模型的高速电主轴温升特性分析与实验研究

为解决热变形对主轴寿命及加工精度的影响,对高速电主轴的温升特性进行研究。首先建立了电主轴的热 结构耦合模型,然后利用ANSYS软件进行热态模拟,分析稳态温度场的分布以及电主轴的热变形情况,最后探讨了主轴转速与切削力的变化对电主轴温度的影响。研究结果表明：所用方法可有效模拟电主轴工作过程中温度场分布以及热变形,仿真与实验结果基本一致,为电主轴温度控制提供参考。     

高速电主轴单元-主轴箱体结合面模态分析与研究

为准确了解高速电主轴的动态特性、提高加工精度,利用ANSYS Workbench建立基于高速电主轴单元-主轴箱体结合面特性的有限元分析模型,又利用吉村允孝法确定结合面的刚度,而后对其进行模态分析和谐响应分析,得出其固有频率、振型和动刚度。最后采用锤击法试验验证,证明该分析方法的有效性,为产品设计分析提供理论依据。     

高速电主轴热—结构特性研究

文章讨论了对CX8075车铣复合加工中心高速电主轴的建模,并利用有限元软件ABAQUS分析其热—结构特性,得到电主轴系统的温度分布和热变形情况,为进一步研究机床的热误差提供了理论依据。     

轴芯冷却对电主轴热-机械特性影响的实验研究

电主轴的热特性与机械特性相互作用,采用轴芯冷却在降低电主轴温升的同时也会影响其机械特性。对具有轴芯冷却结构的150SD电主轴进行热特性、静刚度和动态响应测试,研究轴芯冷却对电主轴热-机械特性的影响。结果表明：轴芯冷却减少了电主轴系统热平衡时间和轴向热变形,但会导致不同转速下系统静刚度和1、2阶固有频率降低。在设计阶段需要对轴芯冷却电主轴从悬伸量、跨距和几何尺寸等方面进行综合优化设计,提高其机械特性。     

高速电主轴辐射噪声特性分析

研究了3种电主轴的辐射噪声特性。通过实验测量了电主轴辐射噪声,分析了全陶瓷轴承电主轴、钢轴承电主轴和无内圈式陶瓷轴电主轴辐射噪声的时频特性。实验结果表明:提高旋转速度,全陶瓷轴承电主轴与钢轴承电主轴辐射噪声均呈增大趋势,且辐射噪声中含有旋转频率和2倍转频特征,而无内圈式陶瓷轴电主轴的辐射噪声呈现波动式变化,其声压级高于其他2种电主轴,且频谱较为杂乱;在高转速时全陶瓷轴承电主轴声波具有明显的周期性;3种电主轴辐射噪声中均具有较高的摩擦与冲击噪声。     

对高速电主轴静刚度的测试及分析

为研究高速电主轴静刚度的特性,利用DH3818静态应变测试仪,以高速电主轴为本体,研究高速电主轴静刚度与作用在电主轴上的力之间的关系。使用静态应变测试仪和力传感器在电主轴处于稳定状态时对1.5×10~4r/min电主轴和6×10~4r/min电主轴的径向刚度和轴向刚度进行测试,通过测试得知:高速电主轴静刚度大小与端部变形量成反比。对比分析1.5×10~4r/min电主轴轴向刚度与径向刚度,可知电主轴径向刚度远远大于轴向刚度;对比分析1.5×10~4r/min与6×10~4r/min电主轴径向刚度,可知最高转速低的电主轴比最高转速高的电主轴刚度大。又因为过低的静刚度会对数控机床的性能造成影响,所以提高电主轴静刚度也可使机床的性能得到提高。     

双气缸自动松拉刀装置电主轴的结构设计及分析

为提高机床加工中心的工作效率,设计了双气缸自动松拉刀装置电主轴,相对于单气缸或油缸的自动松拉刀电主轴系统,该设计更安全可靠且无污染。介绍了双气缸自动松拉刀系统电主轴的基本结构及工作原理,通过ANSYS Workbench分析软件对双气缸电主轴进行有限元仿真分析,并进行试验测试。结果表明:该电主轴松刀力变大,主轴静态刚度满足要求,工作转速远低于其一阶临界转速,前轴承振动速度有效值小于0.6 mm/s、温升小于20℃,证明该电主轴设计合理。     

The development of a high-speed spindle measurement system using a laser diode and a quadrants sensor

Reducing the manufacturing time is the trend of precision manufacturing, and the precision of a work-piece is very important for manufacturing industry. High-speed cutting is becoming more widely used and the high-speed spindle is a very important element, whose precision may affect the overall performance of high-speed cutting. Most of the studies on high-speed cutting are focused on the cutting force, the vibration of the spindle and the effects of the spindle's thermal expansion; however, the measurement of the high-speed spindle continues to use the conventional spindle measurement method.As with the measurement of the high-speed spindle, more strict demands are set on the dynamic balance of cutting tools and the bandwidth of the measurement systems when compared with common spindles. The capacitance displacement sensor has been employed for the spindle error test. The precision of the measurement system is limited by the reference (such as a master ball or a master cylinder). Also the capacitance sensor and the reference must be grounded together. This paper presents a simple spindle measurement system using a laser diode and a quadrants sensor, with accuracy up to 1 μm, within 300,000 rpm for various spindles. The system does not need any reference and it is easy to set up. This system can be applied to measure the spindle errors, the spindle speed and the spindle indexing.     

基于ABAQUS电主轴动静态分析技术

文章基于有限元法建立了电主轴的动力学数学模型,推导了电主轴的动静态特性表达式.结合实例,利用ABAQUS有限元分析软件,计算了某数控机床主轴的静态最大位移,求得该主轴的10阶固有振动频率,1-3阶临界转速;模拟了该主轴1-3阶瞬时振动形态,获得了主轴的结构设计和支承配置优化的理论依据.     

机床主轴箱智能CAD与专家系统的研究

本文讨论了人工智能,专家系统及ＣＡＤ在金属切削机床主轴箱设计的应用,分别介绍了机床主传动系统转速图自动生成过程,机床齿轮箱有关零部件的智能ＣＡＤ和机床主轴动态及优化设计软件系统。     

数控龙门镗铣床滑枕热特性分析

滑枕是影响数控龙门镗铣床加工精度的关键部件。针对切削加工中存在的实际问题,确立导致滑枕热变形的热源,对轴承生热率进行计算,建立热变形数学模型;对滑枕进行热性能分析,并对主轴轴系结构进行改进。结果表明:滑枕的最高温度在主轴轴承支承处,为64.13℃;滑枕的最大的热变形在主轴轴承支承端,为38.9μm;采用冷却套结构、后轴承自由支承方式,减小主轴、滑枕热变形,从而提高数控龙门镗铣床加工精度。     

立式磨削工艺系统建模方法及仿真研究

为研究磨削行为和磨削误差,提出以立式磨削工艺系统为分析对象的误差分析模型。该模型由转台、工件、砂轮、主轴等零部件组成。分析转速比、工件初始圆度误差相位、磨削时间和主轴回转误差对磨削精度的影响规律。结果表明：该系统能预测磨削行为和磨削误差;当转速比为整数时,磨削精度随着转速比的增大而提高;当转速比不是整数时,变化情况更加复杂;工件初始圆度误差的相位对最终的加工圆度不会产生影响;随着磨削的进行,工件圆度误差开始降低得很快,随后降低趋势逐渐变缓;在主轴误差的组成频率中,3阶误差导致的圆度误差最大,2阶误差导致的圆度误差最小。     

Bearing load analysis and control of a motorized high speed spindle

Angular contact ball bearings are the most popular bearing type used in the high speed spindle for machining centers. Because the bearing load is increased rapidly with the raised spindle speed due to the centrifugal force and temperature raise, proper initial preload and especially operating-induced load control of the angular ball bearing is important to the rigidity, accuracy and life of the spindle. The bearing layout, preload mechanism an on-line load bearing control are discussed in this paper. The management of the centrifugal force and thermally-induced bearing loads is especially emphasized. An active bearing load monitoring and control mechanism that consists of an integrated strain-gage load cells and piezoelectric actuators has been developed and tested. This active control and monitoring mechanism on-line adjusts the bearing load according the cutting conditions. Experiments were conducted to identify the proper initial bearing preload range. Optimal preload for the lowest bearing temperature raise existed for a specified spindle speed. The optimum preload, however, should be raised when the operational speed is increased.     

两种不同材料的电主轴磁-热耦合有限元仿真分析

电主轴热态稳定性影响电主轴整体工作性能,作为电主轴主要热源的内置电机对电主轴热态性能的影响是设计过程中优先考虑的问题之一。电主轴生热小,散热快是保证其优良热态性能的前提。基于电主轴电磁损耗生热机制和电主轴传热散热机制,建立电主轴有限元模型。提出一种电主轴磁-热耦合分析方法,分析电主轴额定转速下内置电机的磁场和温度场,监测电主轴内置电机各部分温度场以及瞬态温度。以170SD30陶瓷电主轴与金属电主轴作为分析对象,分析了采用新型陶瓷主轴材料对改善电主轴内置电机温度场分布的影响。结果表明:陶瓷电主轴电磁损耗小于金属电主轴电磁损耗,在电机损耗热的影响下,陶瓷电主轴温度低于金属电主轴温度。     

小模数滚齿机用电主轴的设计与研究

小模数数控滚齿机去掉了传动用的齿轮副、蜗轮蜗杆副等传动元件,刀具轴和工件轴直接与电机轴相联。几何误差和热误差是小模数滚齿机的主要误差来源,为此,设计了一种新型的电主轴。该电主轴采用了主轴电机置于主轴后轴承之后的形式,缩小了主轴轴承位置的径向尺寸,使轴承摩擦产生的热量的散发,减少了电机发热对轴承变形产生的影响;主轴轴承采用了静压轴承的形式,提高了主轴轴承的耐磨性和回转精度。该电主轴的设计能够提高小模数滚齿机的生产效率和加工精度。