超精密机床空气静压主轴设计及静动态特性分析

摘要

基于机械切削方法加工微结构和微零件，由于其加工效率高、成本低及加工材料范围广泛等特点，越来越引起人们的重视。面向微结构和微零件的超精密加工机床，要求其主轴部件具有极高的回转精度。空气静压主轴凭借其高精度、高速度及低摩擦等特点，在超精密加工机床领域得到了广泛的应用。由于用可压缩气体作润滑剂，空气静压主轴具有刚度低、承载力小及稳定性差等缺点，限制了其应用范围的进一步扩大。因此有必要对空气静压主轴的静态性能及动态稳定性进行深入的研究。
　　1.设计空气静压主轴部件，确定主轴部件的结构形式、空气轴承气膜间隙、气体节流方式、节流器参数及供气压力。通过工程计算，给出了空气静压主轴的承载力、静态刚度及耗气量等性能参数。
　　2.求解稳态雷诺方程数值解，通过有限差分法，将非线性雷诺方程离散为求解域内的一系列线性方程组，运用松弛迭代法，获得气膜内的压力分布解。
　　3.以气膜内压力解为基础，通过 Simpson积分，求解不同工况下的承载力。再次利用差分法，获得不同工况下的气膜刚度。
　　4.分析空气静压主轴的运动稳定性，从空气静压主轴-轴承系统的阻尼特性入手，分析主轴发生涡动失稳时的临界转速的影响因素。通过有限元分析方法，对空气静压主轴-轴承系统的模态特性进行计算分析，将高压气膜等效为柔性弹簧单元，最终得出主轴-轴承系统的各阶振型。结合涡动稳定性的分析，给出主轴-轴承系统的临界稳定转速。