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轴承对高速电主轴静动刚度影响的研究

作　者: 张海杰
导　师: 谢黎明
学　校: 兰州理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 高速电主轴轴承动静态特性 ANSYS
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高速加工能显著地提高生产率和降低生产成本,是一项非常有前景的先进制造技术。实现高速加工的首要条件是高品质的高速机床,而高速电主轴是高速加工中心的关键部件。电主轴系统的静态、动态刚度又是影响其性能的主要因素之一。因此,在设计时要对其进行详细的静、动态分析。本文对本课题高速电主轴的结构进行了简述,确定了一种相对简便、准确的高速电主轴轴承刚度的计算方法。运用ANSYS软件,用有限元分析法对高速电主轴的静动态特性进行了分析研究。具体包括:1.对本课题高速电主轴单元的结构进行了简述,并研究了一般主轴单元的静动态特性。2.通过对角接触球轴承进行结构建模和力学特性分析,获得了角接触球轴承静刚度的简便计算方法,推导出了圆柱滚子轴承静刚度的计算公式,对本课题电主轴轴承的静刚度进行了计算;研究了预紧力对角接触球轴承静刚度的影响;通过对高速角接触球轴承和圆柱滚子轴承进行动力学特性分析,总结出一种较为简便、精确的轴承动刚度的计算公式。3.对电主轴进行二维静态有限元建模,经ANSYS计算,得出了本课题电主轴的静刚度,并分析了轴承预紧力对电主轴静刚度的影响。4.对电主轴进行了较精确的三维动态有限元建模,经ANSYS计算分析,获得了电主轴的模态和谐响应特性;研究了电主轴的固有频率、振型和临界转速,分析了轴承预紧力对电主轴第二阶固有频率的影响;并对高转速条件下,电主轴在前端、转子中部和后端传感器三个位置所发生的最大动态位移进行了分析计算,求得了本课题电主轴的动刚度,验证了电主轴结构设计的合理性。5.通过ANSYS的优化设计功能对电主轴的结构进行了优化。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-11
第1章绪论  11-18
  1.1 课题背景及国内外研究现状综述  11-16
    1.1.1 课题来源  11
    1.1.2 课题意义  11-12
    1.1.3 主轴部件的基本要求  12-13
    1.1.4 国内外高速电主轴单元的研究现状  13-14
    1.1.5 国内外高速电主轴静动态特性的研究现状  14-16
  1.2 课题研究目标、研究内容和拟解决的关键问题  16-17
    1.2.1 研究目标  16
    1.2.2 研究内容  16-17
    1.2.3 本课题拟解决的关键问题  17
  1.3 本章小结  17-18
第2章高速电主轴的结构及主轴单元静动态特性分析  18-29
  2.1 高速电主轴的结构  18-26
    2.1.1 主轴电机的选择  18-19
    2.1.2 主轴轴承  19-24
    2.1.3 主轴的润滑与冷却系统  24-26
  2.2 主轴的静态特性  26
  2.3 主轴的动态特性  26-28
    2.3.1 主轴的固有振动特性  27-28
    2.3.2 主轴前端在切削部位的激振点动柔度  28
  2.4 本章小结  28-29
第3章轴承刚度的分析  29-43
  3.1 赫兹接触定理  29-31
  3.2 角接触球轴承径向刚度的计算  31-34
    3.2.1 角接触球轴承受力分析  31-32
    3.2.2 角接触球轴承接触变形的计算  32-33
    3.2.3 轴承的轴向预紧与位移  33
    3.2.4 轴承的径向刚度  33-34
  3.3 圆柱滚子轴承的刚度计算  34-35
  3.4 高速角接触球轴承动刚度的计算  35-37
  3.5 圆柱滚子轴承动刚度的计算  37-41
    3.5.1 滚子与滚道接触副的刚度  37-39
    3.5.2 圆柱滚子轴承的刚度模型  39
    3.5.3 径向刚度模型  39-41
  3.6 轴承预紧力对轴承径向刚度的影响  41-42
  3.7 本章小结  42-43
第4章高速电主轴静态特性的有限元分析  43-50
  4.1 ANSYS 在结构分析中的应用  43-44
    4.1.1 ANSYS 中的结构线性静力分析  43
    4.1.2 ANSYS 线性静力分析的基本步骤  43-44
  4.2 高速电主轴静态特性有限元分析模型  44-47
    4.2.1 构建几何模型  44
    4.2.2 选择单元类型及划分网格  44-47
  4.3 典型工艺参数下电主轴所受切削力的计算  47-48
  4.4 电主轴静刚度计算  48
  4.5 轴承预紧力对主轴静刚度的影响  48-49
  4.6 本章小结  49-50
第5章高速电主轴动态特性的有限元分析  50-61
  5.1 ANSYS 中的动力分析  50
  5.2 高速电主轴的模态分析  50-55
    5.2.1 ANSYS 中的模态分析  50-51
    5.2.2 高速电主轴的有限元模态分析  51-55
  5.3 高速电主轴的谐响应分析  55-59
    5.3.1 ANSYS 中的谐响应分析  56
    5.3.2 高速电主轴谐响应分析建模  56
    5.3.3 高速电主轴谐响应激振力的确定  56-57
    5.3.4 求解与结果分析  57-59
  5.4 提高电主轴单元动态性能的措施  59-60
  5.5 本章小结  60-61
第6章高速电主轴刚度最大的结构优化  61-64
  6.1 ANSYS 的优化设计原理  61
  6.2 基于ANSYS 的电主轴结构优化  61-63
    6.2.1 参数化有限元模型的建立  61
    6.2.2 生成优化文件  61-62
    6.2.3 优化计算  62-63
    6.2.4 二阶自振频率校核  63
  6.3 本章小结  63-64
结论  64-65
参考文献  65-68
致谢  68-69
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  69

轴承对高速电主轴静动刚度影响的研究

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