数控机床电主轴有限元分析及优化设计

摘要

高速加工技术在机械制造业是一次具有突破性的技术革命。电主轴技术在高效加工技术领域起着举足轻重的作用，对机床加工精度、表面质量和加工效率影响很大。因此对电主轴进行静、动态特性和热态特性分析并对其结构进行有限元分析和优化设计对提高机床设计水平和生产效率有重要意义。
　　 本课题的主要研究内容如下:
　　 (1)确定了电主轴结构中，主轴电机、轴承、阶梯过盈套、轴承的润滑系统及主轴冷却系统的类型，完成了电主轴单元主要结构的参数设计，最后通过机械设计手册完成轴的设计，计算得到轴的一阶临界转速。
　　 (2)电主轴的静态特性分析
　　 完成对角接触球轴承结构建模与力学特性分析，根据计算结果到轴向预紧力对前后轴承的径向刚度影响。
　　 利用Pro/E造型软件建立电主轴的三维模型，将模型直接导入到ANSYS有限元分析软件中，通过电主轴的静力变形云图，验证电主轴的静刚度符合设计要求。
　　 (3)电主轴的动态特性分析
　　 利用ANSYS动态分析模块完成了电主轴的模态分析与谐响应分析，获得模态与谐响应分析特性，验证电主轴的结构设计可以有效地避开共振区。
　　 (4)电主轴结构优化设计
　　 先介绍优化设计概念、优化准则、优化方法，再此基础上，建立了参数化的有限元模型并确定了设计变量、目标变量、状态变量。通过优化前后主轴的静动态特性对比，验证优化后电主轴的结构参数更加合理。
　　 (5)电主轴的热态特性分析
　　 完成对电主轴电机的发热和轴承的摩擦损耗发热的计算，在此基础上建立了电主轴热分析模型，用有限元分析软件对其进行分析求解。对采取改进措施后的电主轴模型再次进行了有限元的热分析，分析结果说明对轴承外圈进行水冷却这种措施对改善轴承处的温度场分布有很明显的效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本课题的研究背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高速电主轴概述

1．2．2 国内外高速电主轴的发展状况

1．2．3 电主轴的动静态及热态特性国内外研究

1．3 课题的研究内容

第2章 高速电主轴结构设计

2．1 电主轴总体结构设计

2．1．1 主轴电机

2．1．2 阶梯过盈套

2．1．3 主轴轴承

2．1．4 主轴轴承油—气润滑系统

2．1．5 冷却系统

2．2 高速电主轴组件设计与校核

2．2．1 高速机床的组件应具备的特性

2．2．2 确定电主轴组件参数

2．2．3 典型受力条件下的主轴受力计算

2．3 用机械设计手册设计电主轴

2．3．1 最小直径的计算

2．3．2 轴的结构设计

2．3．3 轴内力计算

2．3．4 弯曲应力校核

2．3．5 安全系数校核

2．3．6 扭转刚度与弯曲刚度校核

2．3．7 计算临界转速

2．4 主要计算结果

2．5 本章小结

第3章 高速电主轴静态特性的有限元分析

3．1 电主轴的静态特性分析

3．2 轴承的受力分析

3．3 轴承的刚度计算

3．4 ANSYS在结构分析中的应用

3．4．1 ANSYS静力分析

3．4．2 ANSYS线性分析步骤

3．5 电主轴静态特性有限元模型

3．5．1 静态模型的构建

3．5．2 电主轴有限元模型的建立

3．5．3 单元类型的确定及网格划分

3．5．4 定义材料属性

3．5．5 网格划分

3．5．6 主轴边界条件的设定

3．6 主轴静刚度求解

3．7 本章小结

第4章 高速电主轴动态特性有限元分析

4．1 电主轴的模态特性分析

4．2 固有频率转化为临界转速

4．3 电主轴有限元谐响应分析

4．4 本章小结

第5章 高速电主轴结构优化设计

5．1 ANSYS优化设计的概念

5．2 优化准则

5．3 优化方法

5．4 高速电主轴的有限元优化

5．4．1 参数化有限元模型的建立

5．4．2 确定目标函数与变量

5．4．3 优化前后电主轴静刚度值对比

5．5 优化前后高速电主轴一阶固有频率对比

5．6 本章小结

第6章 高速电主轴热特性有限元分析

6．1 高速电主轴热载荷的计算

6．1．1 主轴轴承摩擦热计算

6．1．2 电机运转发热的计算

6．2 电主轴传热系数及计算

6．2．1 电机定子与转子之间的换热

6．2．2 电机定子与冷却油之间的对流换热

6．2．3 轴承与油—气润滑系统的对流换热

6．2．4 高速电主轴与周围空气的传热

6．2．5 主要计算结果

6．3 电主轴有限元分析模型

6．3．1 电主轴热态特性几何模型

6．3．2 电主轴的稳态热分析

6．3．3 ANSYS热—结构藕合分析

6．4 改善电主轴热态特性的措施

6．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士学位期间发表的学术论文