数控机床高速电主轴系统的热态特性和动态特性研究

bb20920d · 发表于 2022-5-11 17:40:32

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以高切削速度、高进给速度、高加工精度为主要特征的高速切削和高速加工是当今先进制造技术之一。高速高精度数控机床是实现高速加工的关键因素，而高速主轴是高性能机床的核心部件。与传统的传动方式相比，高速电主轴使用内装式电机，取消了诸如齿轮、皮带等中间传动环节，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一"的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“高速主轴系统”，俗称“电主轴”。电主轴单元的结构设计、热态特性和动态特性在很大程度上决定了高速数控机床的加工质量和切削能力，也是影响其加工精度的重要因素。对主轴单元进行热态特性和动态特性的研究，对进一步提高高速机床的工作性能有十分重要的意义。本文以北京工研精机股份有限公司（原北京机床所）研制的卧式加工中心µ2000-630HF的高速主轴部件为研究对象，以实现电主轴的高速、高精度为目标，采用有限元分析方法，运用ANSYS软件，对主轴的结构和动静态特性，以及热态特性进行了深入研究，具体包括：本文首先介绍了高速电主轴基本结构和工作原理，建立了卧式机床µ2000-630HF的高速电主轴的三维实体模型。分析了高速电主轴的热态特性，并对油一水热交换冷却系统和油一气润滑系统的散热特性进行了分析，理论计算了轴承发热量以及主轴表面与周围空气的对流传热系数。在此基础上建立了高速电主轴热态特性的有限元模型，用有限元软件ANSYS分析了电主轴的稳态温度场，最后提出了改进高速电主轴热念特性的主要措施。针对卧式加工中心µ2000-630HF的电主轴系统，进行了参数化设计、静力学分析、动力学分析。然后，对主轴部分参数对主轴静刚度、动刚度的影响进行了灵敏度分析。并且在此基础上，完成了主轴的优化设计。对优化后的主轴进行分析，优化后的主轴静刚度和动刚度都了明显的提高。为优化主轴结构和改善电主轴的动态特性提提供必要的理论依据，为高速电主轴的研究开发和应用奠定基础。

数控机床高速电主轴系统的热态特性和动态特性研究

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