高速精密空气静压主轴动静态性能研究

摘要

高速精密空气静压主轴是超精密机床的核心部件，其具备高速、高精度、无温升及无磨损等优点，从而被广泛运用于微小零件及高精度表面的加工，而主轴存在承载能力有限、受不平衡状态的影响较大等局限性，对其设计与制造提出严格要求。因此，本文针对高速精密空气静压主轴，结合理论分析、数值仿真及应用实验，对主轴的动静态特性开展了系统的研究工作。主要研究内容如下：
　　(1)利用CFD仿真软件Fluent对主轴关键结构——空气静压轴承进行计算。通过改变不同结构参数和工作参数，研究了轴承流场的特点，得出了径向轴承和止推轴承的承载力和耗气量随偏心率、节流孔位置、长径比、气膜厚度等参数的变化规律，并基于提高承载能力的情况下减少耗气量的原则，综合选取了最佳结构参数，为空气静压轴承的设计和结构参数优化提供了重要参考。
　　(2)阐述了主轴转子动平衡原理及平衡方法，基于影响系数法建立了转子动平衡校正公式，分离了校正面之间的影响误差，选取合适的校正加工面对主轴转子进行动平衡校正实验，将转子的剩余不平衡量降低至许用要求，解决了该类小型高速转子的难平衡问题。
　　(3)采用有限元分析软件WORKBENCH，对主轴转子进行了动静态特性分析，得到了转子在静态加载情况下的应力和应变情况，得出了转子自由模态和工况下模态，得到了转子的临界转速。通过谐响应分析，得出了转子各部分受激振力的影响规律。研究表明，转子工况下的固有频率低于自由状态下的固有频率，1阶激振的影响会降低主轴刚度。
　　(4)利用现有的测量装置及加工设备，对主轴转速、跳动、刚度及磨削加工性能进行了综合实验，验证了仿真与动平衡校正的结果，得出了主轴转速及跳动的变化规律，对比了转子动平衡校正前后的性能。研究表明，提高转子动平衡精度将有效降低主轴跳动，并提高加工精度。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究背景

1．3 空气静压主轴研究现状概述

1．3．1 空气静压轴承研究现状

1．3．2 转子动平衡研究现状

1．3．3 主轴动态特性研究现状

1．4 主要研究内容

1．5 本章小结

第2章 主轴轴承静态特性有限元分析

2．1 主轴介绍

2．2 空气静压轴承的工作原理

2．3 气体润滑基本方程

2．3．1 连续性方程

2．3．2 Navier-Stokes方程

2．3．3 气体状态方程

2．3．4 雷诺方程

2．4 空气静压轴承承载性能及流量计算方法

2．4．1 径向轴承计算

2．4．2 止推轴承计算

2．5 空气静压轴承性能CFD仿真分析

2．5．1 CFD基本原理

2．5．2 基本假设

2．5．3 径向轴承的CFD仿真分析

2．5．4 止推轴承的CFD仿真分析

2．6 本章小结

第3章 主轴转子动平衡实验及分析

3．1．1 转子不平衡原理

3．1．2 平衡精度选择

3．2 转子动不平衡校正方法

3．2．1 影响系数法平面分离原理

3．2．2 平面分离电路

3．3 动平衡装置介绍

3．3．1 动平衡机系统结构

3．3．2 测量原理及操作方法

3．4 动平衡校正实验及结果分析

3．4．1 参数选取

3．4．2 校正结果及分析

3．5 本章小结

第4章 转子动静态性能的有限元分析

4．1 转子有限元模型及约束建立

4．2 转子静态力学特性分析

4．3 转子模态分析

4．3．1 模态分析基本原理

4．3．2 转子自由模态分析

4．3．3 转子工况模态分析

4．3．4 临界转速分析

4．4 转子谐响应分析

4．4．1 谐响应分析基本原理

4．4．2 单激振力谐响应分析

4．4．3 动平衡谐响应分析

4．4．4 谐响应对比分析

4．5 本章小结

第5章 主轴性能测试及磨削应用实验

5．1 实验测量仪器

5．2 主轴跳动测试

5．3 主轴转速测试

5．4 主轴静态刚度测试

5．5 主轴磨削应用实验

5．5．1 实验准备

5．5．2 实验结果及分析

5．6 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

攻读学位期间参与的研究课题

致谢