本文分析了數(shù)控車床及車削中心的發(fā)展現(xiàn)狀及研究進展,發(fā)現(xiàn)主要參數(shù):回轉(zhuǎn)直徑Φ400~630mm、主軸轉(zhuǎn)速4000~8000r/min的高速數(shù)控車床及車削中心需求問題亟待解決,而國內(nèi)電主軸技術(shù)的現(xiàn)狀是制約其發(fā)展的主要原因之一,總結(jié)國內(nèi)外電主軸技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,指出了研究數(shù)控車床及車削中心用電主軸的必然性,這對于發(fā)展高檔數(shù)控機床,進一步完善電主軸的研究技術(shù)具有重要意義。首先,根據(jù)電主軸的性能指標對其結(jié)構(gòu)進行初步設計,包括各部件材料的選擇、尺寸確定,冷卻、潤滑密封系統(tǒng)的初步設計等。其次,從電主軸的特點出發(fā),為減小主軸前端的最大變形量,提高電主軸靜態(tài)剛度,對主軸系統(tǒng)的前端懸伸量、轉(zhuǎn)子位置和跨距進行優(yōu)化設計,發(fā)現(xiàn)前端懸伸量對主軸前端最大變形量影響最大,當懸伸量為70mm,轉(zhuǎn)子左端面距離軸承右端面距離為56mm,跨距為230mm時,主軸前端最大變形量達到最小為5.6μm。并對優(yōu)化后的主軸系統(tǒng)進行動態(tài)分析,建立了有限元分析模型,計算出主軸-軸承系統(tǒng)的固有頻率、振型及極限轉(zhuǎn)速,得出主軸的最高轉(zhuǎn)速接近其一階極限轉(zhuǎn)速,由于其一階振型為平動,對其進行諧響應分析發(fā)現(xiàn)在激振力為1000N時,其前端共振位移為5.6e-6mm,具有良好的動態(tài)剛度,不影響其加工精度,而最高轉(zhuǎn)速不到其二階極限轉(zhuǎn)速的30%,能夠滿足主軸的性能指標。然后,在確定電主軸的整體結(jié)構(gòu)前,對比環(huán)形、單螺旋和雙螺旋冷卻方式得出適合電主軸的最佳冷卻方式,確定最佳冷卻系統(tǒng)時,在邊界條件一樣的條件下,對三種冷卻方式進行CFX流體分析,對比不同冷卻方式下外殼溫度分布,確定雙螺旋冷卻方式為最佳選擇。并對確定后的電主軸整體進行熱態(tài)仿真,當入口質(zhì)量流為0.5Kg/s、最高轉(zhuǎn)速8000rpm時,得出電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場分布,其中最高溫度的部件為前軸承,溫度為57℃。并將溫度作為載荷加載到結(jié)構(gòu)分析中,進行熱結(jié)構(gòu)耦合分析,發(fā)現(xiàn)最大變形量發(fā)生在電主軸的后段,最大位移量為79.8μm。最后,基于Labview設計了電主軸轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng),通過變頻器實現(xiàn)對電主軸五段速及每段速運行時間的控制,減少了試驗時間。并通過試驗測量主軸轉(zhuǎn)速與溫度、振動、噪音的關系,得到如下結(jié)論:(1)試驗測量主軸不同轉(zhuǎn)速下3個測點的溫度值,并在額定轉(zhuǎn)速下與仿真結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)實驗測得的各測點溫度與仿真結(jié)果基本一致,相差不到2%,說明該熱態(tài)仿真方法能成功預測電主軸溫度場分布。(2)在轉(zhuǎn)速為8000rpm時,通過改變冷卻液的進口質(zhì)量流,測量出口處冷卻液的溫度,確定冷卻液的最佳流速,發(fā)現(xiàn)雙螺旋冷卻方式最佳進口質(zhì)量流為0.55kg/s。(3)同時測量主軸不同轉(zhuǎn)速下,主軸前端振動值及主軸噪音值,發(fā)現(xiàn)噪音值隨著主軸前端振動值的增加而增加,且其電主軸平均噪音為28.5dBA滿足國家標準,振動值為1.8mm/s在旋轉(zhuǎn)機械振動標準中為優(yōu),滿足工作要求。
【學位單位】：河南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TG519.1
【文章目錄】：
致謝
摘要
abstract
1 引言
    1.1 課題來源
    1.2 課題的研究背景及意義
    1.3 國內(nèi)外電主軸研究現(xiàn)狀
        1.3.1 電主軸動態(tài)性能研究現(xiàn)狀
        1.3.2 電主軸熱態(tài)特性研究現(xiàn)狀
        1.3.3 電主軸試驗測量技術(shù)研究現(xiàn)狀
    1.4 學位論文的研究目標和研究內(nèi)容
        1.4.1 學位論文的研究目標
        1.4.2 學位論文的研究內(nèi)容
    1.5 本論文研究方法及技術(shù)路線
2 電主軸結(jié)構(gòu)設計
    2.1 主軸參數(shù)計算
        2.1.1 軸徑的計算
        2.1.2 主軸前端設計、懸伸量、跨距
    2.2 電機選型
    2.3 軸承選型
        2.3.1 軸承預緊
    2.4 主軸系統(tǒng)動平衡
    2.5 潤滑、冷卻系統(tǒng)
        2.5.1 潤滑系統(tǒng)
        2.5.2 冷卻系統(tǒng)
    2.6 主軸的密封
    2.7 本章小結(jié)
3 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能分析
    3.1 主軸系統(tǒng)優(yōu)化設計
        3.1.1 優(yōu)化模型的建立
        3.1.2 靜態(tài)變形求解
    3.2 電主軸動態(tài)分析
        3.2.1 主軸的模態(tài)分析
        3.2.2 主軸臨界轉(zhuǎn)速
        3.2.3 電主軸的諧響應分析
    3.3 本章小結(jié)
4 電主軸流體及熱態(tài)分析
    4.1 最佳冷卻方式的確定
        4.1.1 流體數(shù)學模型
        4.1.2 流體CFX分析
    4.2 電主軸的整體結(jié)構(gòu)的確定
    4.3 熱態(tài)特性分析
        4.3.1 電主軸熱源和散熱分析
        4.3.2 電主軸穩(wěn)態(tài)熱分析
    4.4 本章小結(jié)
5 電主軸性能的試驗研究
    5.1 試驗控制系統(tǒng)設計
    5.2 試驗裝置
    5.3 試驗方法與步驟
    5.4 試驗結(jié)果與討論
    5.5 本章小結(jié)
6 結(jié)論
參考文獻
附錄 A：高速電主軸二維裝配圖
附錄 B：MATLAB 計算程序
作者簡歷
學位論文數(shù)據(jù)集

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本文編號：2871215