高速机床若干关键技术问题研究

摘要

高速高精度机床是当今的主要发展趋势之一。伴随着制造业对数控加工高速高精度方面的要求，人们对高速高精度机床的研究也不断深入。高速高精度机床不仅要有高的主轴转速和进给速度，而且还需要具有高的主轴和进给系统运动加速度。对于高速高精度机床，主轴系统性能的优劣将直接影响机床的最终性能，直接影响机床所加工零件的质量。因此，对机床主轴系统的性能进行研究，建立机床主轴系统动力学模型，在产品的设计阶段对其性能进行评价，对于提高机床产品的设计质量非常重要。 CHH6125高速车削中心的研制与开发是沈阳第一机床厂承担的国家863和十五攻关“精密制造与数控关键技术研究和应用开发”项目中的“高速、高精密数控车床”课题。在项目产品开发设计中，对机床进给系统高加速度移动性能、床身系统动态特性、高速主轴的动平衡精度、高转速大功率内装电主轴的温度平衡等关键技术问题以及C轴插补阻尼力进行了理论计算、有限元分析和系统动态仿真，保证了设计的成功。 本文是在总结上述项目研究成果，并进一步深入研究的基础上而完成的。论文主要针对高速机床主轴系统的动态性能进行了研究，分别采用理论建模和有限元分析的方法对机床主轴系统的动力学和热力学性能进行了分析和研究，并进一步对机床进行试验研究的基础上，对理论建模和有限元分析的模型进行了必要的验证。论文进行的主要内容如下： (1)在大量查阅国内外资料的基础上，综述和分析了高速切削加工的概念、产生、发展趋势以及高速机床的现状和发展趋势；研究了国外高速机床的技术发展与应用，以及我国高速机床的发展现状和趋势；影响高速机床发展的关键技术问题，以及发展我国高速机床急需解决的一些问题。 (2)虽然不同的高速机床应该采用不同的机械结构，但在高速机床结构设计上面存在一些共性的关键技术问题。本论文对高速机床结构设计关键技术问题进行了分析和说明，并对高速机床的结构合理性进行了研究。 (3)本文研究了适用于主轴系统的动力学特性分析的各种建模方法及其优缺点；并主要进行了基于传递矩阵方法的主轴系统动力学特性研究，以及适应高速机床的主轴系统动力学建模方法，采用仿真方法和试验方法对建模方法的准确性进行了研究，并对模型进行了必要的修正。 (4)在进行主轴系统动力学分析的过程中，主轴轴承刚度特性对主轴系统的动力学性能有非常重要的影响。本文确定了CHH6125高速车削中心主轴的轴承的刚度，建立了CHH6125高速车削中心主轴系统三维有限元模型，并使用大型有限元软件ANSYS进行分析计算，获得了主轴系统的模态和谐响应特性。 (5)高速机床主轴系统的热力学性能对机床性能有非常重要的影响。本文研究了电主轴的传热学特性，分析确定了主轴系统的各种热力学参数，并采用有限元方法建立了主轴系统的热力学模型，对高速机床电主轴系统进行了热分析。 (6)为验证分析研究结果，本文还进行了机床性能测试。结果表明得到的分析研究结果是正确的。 通过本文工作，不仅为CHH6125高速车削中心的成功设计开发提供了主要理论依据和支持，还为今后的数控机床设计分析方法的推广应用提供了重要参考和经验，推动了现代设计技术在数控机床领域的应用发展。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章机床结构设计中的关键技术问题

第三章主轴系统动力学性能研究

3.1引言

3.2主轴动静态特性的研究现状

3.3计算机仿真在电主轴设计中的应用

3.4基于传递矩阵法的典型元件的数学模型

3.5主轴系统动力学模型的改进

3.6主轴系统的动态特性分析

3.7本章小结

第四章主轴轴承刚度分析及其有限元分析

4.1引言

4.2赫兹接触定理

4.3角接触球轴承的刚度计算

4.4主轴部件有限元分析

4.4.1机床振动分析基础

4.4.2有限元模型的建立

4.4.3第一主轴分析

4.4.4第一主轴部件分析

4.4.5第二主轴分析

4.4.6第二主轴部件分析

4.5本章小结

第五章高速机床电主轴热特性研究

5.1引言

5.2机床及其主轴系统热特性的研究发展情况

5.3温度场计算的有限元法

5.4高速电主轴的热态特性

5.5高速电主轴的发热量的计算

5.6高速电主轴热态特性的有限元分析

5.7本章小结

第六章机床重要部件性能试验

第七章结论及其建议

参考文献

致谢

作者简历

攻读学位期间发表的论著情况