微孔阵列式空气静压电主轴的动静态性能研究

摘要

随着电子消费品向小型化、轻量化、多功能化的要求和趋势发展，新一代电子系统对印刷电路板(PCB，Printed Circuit Board)的要求是高密度、高集成、微细化。为了提高生产效率、降低加工成本、保证加工质量，PCB微细孔一般采用高速钻削的加工方法。超高速空气静压电主轴是实现PCB微细孔高速高效钻削的核心元件，它采用空气静压轴承作为支承元件。印刷电路板是由树脂及高纯度金属等构成的难加工层状复合材料，钻头在钻削不同材料时的切削力差异明显，这要求超高速电主轴具有高刚度、高承载力和良好的稳定性，以保证钻孔的精度。
　　本文以PCB数控钻床用高速电主轴为研究对象，在研究空气轴承稳定性和动静态性能的基础上优化设计出一种新型的微孔阵列式空气静压轴承，将其应用于空气静压电主轴并对其动静态特性进行了分析，主要研究内容包括：⑴在分析静压气体润滑理论的基础上，建立气体润滑雷诺方程的一般形式，在Workbench环境中通过FLUENT流体分析软件分析微孔阵列式空气静压轴承气膜的压力场和速度场的分布，通过计算节流器区域流场的压力降和气旋强度，得到节流器的结构参数对空气静压轴承稳定性的影响规律。⑵对不同结构参数的微孔阵列式空气静压轴承进行全参数三维实体建模，分析微孔阵列式节流器微孔个数、节流器微孔直径、平均半径间隙以及节流器轴向位置对空气静压轴承静态性能的影响规律，根据分析结果实现微孔阵列式空气静压轴承的结构优化设计。⑶采用有限元法对不同工作条件下的微孔阵列式空气静压轴承的动态特性进行数值仿真分析，对处于旋转状态的空气静压轴承，研究偏心率、轴承转速对微孔阵列式空气静压轴承的承载力、刚度和气膜压力分布的影响规律。⑷对电主轴的结构进行了详细的三维设计，建立微孔阵列式空气静压电主轴的全参数三维模型，运用流固耦合方法分析电主轴的静态特性，得到主轴系统的位移和刚度随外载荷的变化规律。⑸对电主轴进行模态分析，确定主轴系统的固有频率和振型，计算主轴的涡动失稳临界转速;分析主轴系统在外部激励作用下的的动态响应，得到主轴的前端位移随外部激励的变化规律。⑹研究结果表明，在工作条件相同时，微孔阵列式节流空气静压轴承比小孔节流空气静压轴承的稳定性好;在一定范围内，节流器微孔个数越多，微孔直径越小，微孔阵列式空气静压轴承的稳定性越好。通过数值仿真的方法优化设计得到的微孔阵列式空气静压轴承具有高承载力高刚度的特点，基于微孔阵列式空气静压轴承设计的空气静压电主轴的轴向刚度高，主轴前端受外部激励的影响小，动静态性能良好，符合印刷电路板高速高精度加工的要求。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 微孔阵列式节流器的特点与结构设计

1．3 国内外研究现状

1．3．1 气浮支承技术的理论研究现状

1．3．2 气体轴承的研究现状

1．3．3 高速电主轴的研究现状

1．4 本课题的来源、研究内容与特色

1．4．1 本课题的来源及研究内容

1．4．2 本课题的研究特色

第二章 微孔阵列式空气静压轴承稳定性研究

2．1 引言

2．2 静压气体润滑原理

2．3 静压气体润滑的力学建模

2．4 微孔阵列式空气静压轴承振动特性研究

2．4．1 空气静压轴承的气锤振动

2．4．2 微孔阵列式空气静压轴承微振动特性分析

2．5 本章小结

第三章 微孔阵列式空气静压轴承的静态设计

3．1 引言

3．2 微孔阵列式空气静压径向轴承特性研究及结构优化

3．2．1 微孔阵列式空气静压径向轴承的有限元建模

3．2．2 微孔阵列式空气静压径向轴承的有限元分析与参数优化

3．3 微孔阵列式空气静压止推轴承特性研究及结构优化

3．4 本章小结

第四章 微孔阵列式空气静压轴承的动态特性研究

4．1 空气静压轴承的动压效应原理

4．2 空气静压径向轴承混合润滑基本方程

4．3 微孔阵列式空气静压轴承动态特性有限元分析

4．3．1 有限元模型的建立和网格划分

4．3．2 边界条件的施加

4．3．3 求解设置

4．3．4 结果后处理

4．3．5 结果分析

4．3．6 轴承气膜压力分布

4．4 本章小结

第五章 微孔阵列式空气静压电主轴的结构设计与静态性能研究

5．1 引言

5．2 流固耦合理论

5．3 流固耦合的分析方法

5．4 电主轴系统的刚度分析

5．5 微孔阵列式空气静压电主轴的结构设计

5．6 微孔阵列式空气静压电主轴的流固耦合分析

5．6．1 主轴系统有限元模型的建立

5．6．2 边界条件的设定

5．6．3 计算结果分析

5．6．4 主轴系统的轴向承载与刚度特性分析

5．7 本章小结

第六章 微孔阵列式空气静压电主轴的动态性能研究

6．1 引言

6．2 微孔阵列式空气静压电主轴的模态分析

6．2．1 模态分析的基本理论

6．2．2 电主轴模态分析

6．3 微孔阵列式空气静压电主轴的谐响应分析

6．4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学期期间发表的论文

声明

致谢