数控机床高速电主轴设计及静动态特性分析

摘要

高速精密机床是当前重点发展的领域之一，高速电主轴作为高速数控机床的核心部件，其静动态性能是影响加工精度和加工效率的重要因素，设计开发高性能电主轴，并进行系统性能的研究是一个新的研究课题，具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　本文针对某数控机床的需求，设计了一种高速电主轴，对主轴预紧、支撑跨距、轴承位置等关键部位结构以及电主轴的润滑和冷却方式进行了分析,按照静动态特性分析的要求，对三维结构进行了适当的简化，为有限元分析建立了基础。
　　将模型导入ANSYS有限元分析系统，考虑轴承结构特征和载荷方式，采用combined弹簧单元对轴承进行了简化，并给出了弹簧刚度系数，形成了完整的有限元分析模型。通过对电主轴刚度分析计算，获得了电主轴在特定静态载荷下的端部位移及电主轴的刚度，分析计算结果表明所设计结构可以满足实际要求。
　　对电主轴进行了模态分析，获得电主轴各阶振型及其振动频率及主轴最低阶临界转速，其值远远大于电主轴的最高转速，说明电主轴能够满足抗震性要求。
　　采用谐响应分析方法，研究了电主轴在工作频率内（0?600 Hz)和0?5000 Hz内的响应情况，仿真结果表明，在0?600 Hz内电主轴前端位移最大，最大位移不会引起刚度过大损失，可以满足生产要求。从0?5000 Hz电主轴在工作范围内刚度损失很小，完全满足生产条件。从0?5000 Hz内的响应结果看，电主轴从前端到后端各特殊节点受不同频率影响的程度不同，主要表现在电主轴前端易受高阶频率的影响，而后端对低阶频率的反应比较敏感，这对电主轴的设计与应用有很好的指导意义。

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1 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外电主轴技术发展情况

1.3 目前对电主轴的研究现状

1.4 本文的主要研究内容及方法

2 电主轴单元结构设计

2.1 电主轴结构布局

2.2 电主轴的轴承配置

2.3 电主轴预紧力计算

2.4 高速电主轴跨距的设计及分析

2.5 电主轴的润滑与冷却

2.6 电主轴内过盈联结设计

2.7 本章小结

3 高速电主轴静态特性的研究

3.1 有限元分析简介

3.2 电主轴的静态特性及分析

3.3 主轴单元刚度的有限元分析

3.4 本章小结

4 电主轴模态分析

4.1 模态分析理论基础

4.2 ANSYS模态分析

4.3 临界转速分析

4.4 提高电主轴动态特性的措施

4.5 本章小结

5 电主轴的谐响应分析

5.1 谐响应分析概述

5.2 简谐载荷分析与确定

5.3 ANSYS谐响应分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献