大功率高精密硬车削液体静压电主轴热态特性研究及流—固耦合分析

摘要

车削加工是一种最为重要和最为基本的机械加工工艺方法。传统的车削技术不能够实现高硬度、高强度的材料加工，制约我国装备制造业的发展。硬车削技术是一种能够直接对高硬度(55HRC～65HRC)、高强度的淬硬钢进行车削，将车削作为精加工或者最终加工的先进切削加工技术。由于硬车削技术具有车削效率高、加工工艺洁净、加工精度高等优点。在西方的发达国家，硬车技术的应用成功替代磨削技术，实现对各种高强度、高硬度材料的加工。我国与国外的硬车削技术还存在一定的差距。
　　机床的主轴是硬车削机床的一个关键部件。液体静压主轴具有高刚度、高回转精度、高阻尼等特性能够满足硬车削技术的要求。然而对于液体静压轴承承载特性、温升特性以及回转误差测量技术的研究仍然不足。本文以液体静压主轴系统为研究对象，分别通过经典的数值计算和有限元分析软件平台对液体静压轴承的压力、温升、流场、刚度以及回转误差测量技术进行研究。
　　根据经典液体静压轴承的设计理论的方法分别对径向轴承和止推轴承的流量、刚度和平均温升等进行数值计算。
　　基于ANSYS平台，采用有限元分析方法对径向轴承和止推轴承的油膜进行全参数化建模。并通过FLUENT流体力学软件平台对其静态和动态特性进行分析，研究液体静压轴承油膜的压力场、温度场以及流场的分布规律;分析不同偏心率条件下，径向轴承和止推轴承的刚度特性，并且将有限元方法与经典数值计算方法进行对比。
　　在研究静压油膜的静态和动态特性基础之上，实现主轴系统全参数化三维实体建模。通过ANSYS、FLUENT和Workbench三者之间的数据交换，运用单向流-固耦合方法研究主轴单元的流固耦合特性。分析压力场对液体静压轴承油膜厚度的影响，研究液体静压轴承油膜液体内部摩擦，分析主轴系统的温升特性，并且通过温升实验来检验有限元模型的正确性。
　　采用自为基准的方法，对所设计的液体静压电主轴进行回转误差进行测量，并且基于频域三点法对测得的主轴单向跳动误差进行分离，应用最小二乘法对主轴的回转误差和圆度误差进行评定。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 液体静压电主轴的国内外研究现状

1．3 课题来源、研究内容与特色

1．3．1 课题来源

1．3．2 主要研究内容

1．3．3 研究特色

第二章 静压主轴承载与温升特性的数值分析

2．1 引言

2．2 液体静压轴承结构及其工作原理

2．3 径向轴承性能指标的数值分析计算

2．3．1 液体静压径向轴承刚度与流量的计算

2．3．2 液体静压径向轴承的平均温升计算

2．4 止推轴承性能指标的数值分析计算

2．4．1 液体静压止推轴承刚度与流量的计算

2．4．2 液体静压止推轴承的平均温升计算

2．5 本章小结

第三章 静压轴承静态特性有限元仿真分析

3．1 引言

3．2 径向轴承油膜的有限元建模与分析

3．2．1 基本假设

3．2．2 径向轴承油膜的有限元建模与边界条件

3．2．3 径向轴承压力场、温度场及流场的仿真分析

3．2．4 径向轴承刚度仿真分析

3．3 止推轴承油膜的有限元建模与分析

3．3．1 止推轴承有限元建模与边界条件

3．3．2 止推轴承压力场、温度场及流场的仿真分析

3．3．3 止推轴承刚度仿真分析

3．4 本章小结

第四章 静压轴承动态特性有限元仿真分析

4．1 引言

4．2 液体静压径向轴承的温升和动刚度分析

4．2．1 径向轴承的基本假设和边界条件

4．2．2 径向轴承动态流场和刚度特性分析

4．3 液体静压止推轴承的温升和动刚度分析

4．3．1 止推轴承的基本假设和边界条件

4．3．2 止推轴承动态流场和刚度特性分析

4．4 液体静压轴承系统的温升实验研究

4．5 本章小结

第五章 液体静压电主轴系统流-固耦合研究

5．1 引言

5．2 流-固耦合理论

5．2．1 流体控制方程

5．2．2 固体控制方程

5．2．3 流-固耦合方程

5．3 液体静压轴承的力-结构耦合分析

5．4 液体静压轴承热分析

5．5 本章小结

第六章 液体静压电主轴回转误差实验研究

6．1 引言

6．2 液体静压轴承回转误差测试系统组成

6．2．1 在线精车检棒

6．2．2 精密电容微位移传感器

6．2．3 LMS高速数据采集器

6．2．4 高精密主轴回转误差测量系统

6．3 液体静压轴承回转误差的测试方案与结果分析

6．4 本章小节

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢