高速电主轴动态特性的有限元分析与振动测试

根据电主轴的结构特点,在ANSYS软件中建立电主轴动态特性的有限元模型,对电主轴进行模态分析,得到电主轴的前6阶的振动特性,并计算出临界转速.通过振动测试实验,得到电主轴在不同转速下的振动量,并对采集到的信号进行相关性与自振特性的分析.分析结果表明:电主轴的最高工作转速远离临界转速,能有效避免共振现象的发生.     

基于传递矩阵法的电主轴动力学特性分析

研究了电主轴主要的结构参数对电主轴动力学特性的影响。运用传递矩阵法,考虑了陀螺力矩、剪切、变截面等影响因素,建立了电主轴"转子—轴承"系统的多圆盘转子动力学模型,编程并计算了电主轴的前三阶临界转速、振型等动力学特性参数,分析了电主轴轴承轴向预紧力、支承跨距及前、后端悬伸量的变化对电主轴"转子—轴承"系统临界转速的影响和变化规律。结果表明:支承跨距和悬伸量在一定范围内对临界转速有显著的影响,通过研究为电主轴的结构设计和性能优化提供依据和指导。     

高速电主轴端部跳动对电主轴横向振动的影响

高速电主轴在跨越临界转速时，特别是一阶临界转速，轴的横向振动挠度受自由端跳动量的影响很大。采用传递矩阵方法，利用集中质量与分布质量2种模型对电主轴的横向振动特性进行分析和计算，讨论了自由端跳动量在临界转速的阶数、支承刚度等因素变化时，对高速电主轴横向振动挠度影响的规律。     

数控雕刻机电主轴的模态试验分析

为了在使用数控雕刻机加工时有效提高电主轴寿命和加工质量,利用锤击法对数控雕刻机电主轴进行模态试验分析,计算电主轴前6阶固有频率、振型和临界转速并分析了电主轴处在不同位置和不同转速下的频率变化。实验结果表明雕刻机电主轴最高工作转速远低于其临界转速,能有效避开共振区,保证了雕刻机的加工精度,为数控雕刻机电主轴的结构优化设计提供重要参考依据。     

高速电主轴临界转速及其影响

基于对临界转速的传递矩阵法和有限元法理论分析,建立了高速电主轴转子轴承系统计算模型。分别利用数值仿真软件编程计算和试验测量获得系统的临界转速值。结果表明该建模合理,理论计算结果准确性较高,计算可靠。通过对弹性支承、圆盘的回转效应及阻尼等影响临界转速的因素分析,为电主轴设计提供依据。     

基于ANSYS的全陶瓷电主轴动态分析及振动性能测试

对设计的全陶瓷电主轴进行结构分析,在ANSYS中建立了其轴承-主轴转子系统三维有限元模型。采用Subspace法计算了前6阶固有频率和振型,计算出临界转速,然后通过Harmonic分析得到了主轴在不同激励下的动态响应,并对装配好的全陶瓷电主轴进行振动性能测试及其分析。ANSYS动态分析计算结果表明主轴设计工作转速远远低于其临界转速,能有效避开共振区;全陶瓷电主轴振动性能测试结果表明在设计范围内电主轴振动平稳,设计符合要求。     

高速电主轴转子-轴承-外壳系统动力学特性研究

高速深孔磨削加工电主轴采用加长悬臂外壳,其在力作用下的挠性变形对电主轴的转子动力学性能的影响不可忽略,而传统电主轴转子动力学模型均将外壳简化为刚体,不能描述该类复杂结构电主轴的动力学行为.考虑外壳的挠曲变形,基于整体传递矩阵法和成对轴承分析理论,建立了电主轴转子-轴承-外壳系统动力学模型,提出了电主轴整机临界转速、电主轴轴端动态刚度的计算方法.通过算例系统地分析了电主轴外壳抗弯刚度、轴承选型等对电主轴动态特性的影响;研制了高速内圆磨削电主轴试验样机,开展了电主轴轴端动刚度的试验验证.结果 表明:建立的电主轴转子-轴承-外壳系统动力学模型计算精度高,可用于深孔磨削加工电主轴的动力学特性分析;电主轴外壳悬臂端是主轴动态薄弱环节,采用非同心圆环的增强外壳能明显提升电主轴的临界转速与动态刚度;选用特轻系列轴承替代轻系列轴承,电主轴的一阶临界转速和轴端静刚度均有所增大.     

电主轴整机高速转速临界特性研究

基于整体传递矩阵法与滚动轴承分析理论,首次建立了高速电主轴整机三转子耦合动力学模型。以某款立式铣削用电主轴为例,完成其临界转速特性计算,并将整机三转子耦合动力学模型计算结果与传统的单转子、双转子模型的计算结果进行对比分析,最后完成了电主轴系统结构参数对临界转速的灵敏度分析。研究结果表明：较传统的单转子、双转子模型相比,提出的整机三转子耦合动力学模型能更好地描述电主轴动力学行为;在电主轴结构参数中,轴承的轴向预紧力、轴承跨距、电机转子内径是影响电主轴临界转速特性的主要因素。     

计及不平衡磁拉力的高速空气静压电主轴动力学分析

根据不平衡磁拉力作用机理,在电主轴动力学建模时将其等效为具有"负刚度"的支承元件;基于传递矩阵法建立计及不平衡磁拉力的高速空气静压电主轴的动力学模型,利用MATLAB7.0软件对最高工作转速为25×104r/min空气静压高速电主轴动力学特性进行计算。结果表明:计入磁拉力后电主轴的前3阶临界转速有一定程度的降低,且该电主轴工作转速远远高于1阶临界转速,属于挠性轴范畴。可以看出:1阶振型脆弱点在主轴前端,2阶振型脆弱点在主轴前端和转子轴段。     

基于Workbench的高速电主轴动力学特性分析

利用Pro／E建立了电主轴三维模型,运用Workbench对高速电主轴进行模态分析和谐响应分析。获得电主轴的固有频率以及临界转速等动态特性;在此基础上对电主轴前端处的位移响应特性进行分析,证明了电主轴结构设计的合理性．为下一步的电主轴特性研究奠定基础。     

支承轴承对高速主轴系统特性的影响

结合轴系变形方程,对支承部位轴承与主轴的位移耦合以及对系统轴向力平衡条件进行了分析,提出用迭代法求解高速主轴系统刚度和临界转速的概念。计算结果表明,支承轴承的非线性对系统性能影响明显,当轴承预加轴向载荷增加时,轴承支承刚度增大,导致主轴系统刚度和临界转速随之增大。     

高速磨削用电主轴结构动态优选设计

考虑滚动轴承径向刚度随转速非线性变化，运用传递矩阵法对电主轴的临界转速和静刚度特性进行了系统的研究，用Matlab工具开发了一套具有自主知识产权的动态计算分析软件。以某款精密高速(51000r／min)磨削用电主轴为对象，分析了主轴结构参数与砂轮参数对主轴动态特性的影响，并对主轴结构进行了优选设计。结果表明，基于传递矩阵法编制的电主轴动态设计软件运行可靠、操作简便，可应用于电主轴的动态设计与快速开发。经优选设计后，电主轴的一阶临界转速和主轴端静刚度均有较大幅度的提高。     

数控机床HSK刀柄和主轴在高速旋转下的连接性能分析

刀柄与主轴连接性能对数控机床的加工精度以及工作安全性影响显著。针对HSK刀柄在高速旋转过程中发生刀柄和主轴连接失效这一主要失效形式,应用弹性力学理论建立了任一转速下刀柄与主轴连接锥面的接触应力模型,且有限元分析结果与该理论模型有较好的一致性。在此基础上,综合考虑夹紧力以及刀柄、主轴配合过盈量的影响,建立了基于HSK刀柄与主轴连接的临界转速计算模型以及连接可靠性模型。根据临界转速模型可以从理论上计算出一定过盈量和夹紧力下的临界转速,分析夹紧力和过盈量对临界转速的影响。根据连接可靠性模型可以求解任一转速下刀柄和主轴连接的可靠度,并得到可靠度随转速的变化规律。这两个模型的建立对防止HSK刀柄、主轴连接的失效,保证高速切削加工的精度以及工作的安全性有重要意义,同时也为正确使用HSK刀柄以及刀柄尺寸结构进一步优化和可靠性设计提供了理论基础。
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高速微孔钻床主轴系统的动态特性分析

依据转子动力学理论,利用Timoshenko粱轴理论,建立了包含旋转惯性力、陀螺力矩、离心力、弯曲变形、扭转变形、钻削轴向力和钻头的三种边界条件在内的高速微孔钻床主轴系统动力学模型。在利用实验和现有文献对所建立的模型进行了检验的基础上,对高速微孔钻床主轴系统的临界转速、临界轴向压力进行了分析。结果表明高速微孔钻床主轴系统的临界转速随钻削轴向压力的增大而减小,并且钻削过程中比刚入钻时能承受更高的转速,更大的轴向力;临界轴向压力随高速微孔钻床主轴系统转速的升高而降低,即随着钻削转速的提高,应适当减小钻削轴向力。     

高速旋转静压支承接头的芯轴动态力学分析

以研究和开发新型的两通道高速旋转静压支承接头为目的,借助大型有限元ANSYS软件,分析了高速旋转静压支承接头芯轴的固有振动特性及谐响应,探讨了旋转接头的动力特性。结果表明:芯轴刚性越大,临界转速越高;在简谐荷载激励下,随着工作频率的增大,芯轴各处的径向动态位移均有不同程度的增加,但均满足芯轴结构的动态特性设计要求。     

超高速磨削机床主轴系统模态分析

针对液体动静压轴承支撑的超高速磨削主轴系统工作的特殊性,在机床工作过程中,主轴高速旋转,动静压轴承的支撑刚度随转速动态变化.为了解主轴系统工作过程中的动态特性,应用Flunent软件求解液体动静压轴承的动态支撑刚 度,而后在此基础上利用有限元分析软件ANSYS建立超高速磨床主轴系统的三维有限元模型,并对其进行模态分析,得到了各阶固有频率和振型.通过设置不同转速下轴承的支撑刚度,获得主轴系统模态分析结果,并利用图解法求解出主轴系统的临界转速.分析结果表明主轴系统在高速旋转状态下,系统的结构刚度会发生变化,使主轴系统的固有频率改变,并且随着转速提高差异越显著.通过振动试验测试验证仿真分析的可靠性,经分析可知,试验与仿真的误差主要来源于支撑模型的简化.     

基于主动磁轴承的切削颤振稳定性分析及控制

提出了基于主动磁轴承的铣削颤振主动控制技术。用有限元法分析了主动磁轴承等效刚度与等效阻尼对铣削稳定性区域的影响,并对铣削过程中的颤振进行了主动控制。结果表明:主动磁轴承的等效刚度能够改变电主轴转子的临界转速,但对铣削的临界切削宽度影响很小;相反,主动磁轴承的等效阻尼能够较大幅度地增大铣削的临界切削宽度,但对电主轴转子的临界转速影响不大。颤振的控制效果表明,调节主动磁轴承的等效刚度和等效阻尼能够减小铣削过程中颤振的振幅。     

基于ANSYS Workbench的高速电主轴模态分析及其动特性实验

介绍了电主轴的主要结构,并以260XDJ 12型车铣复合加工中心用电主轴建立有限元模型,应用ANSYSWorkbench对电主轴进行模态分析,得到其固有频率、振型以及临界转速.并通过激振试验对分析结果进行实验验证,实验结果验证了电主轴设计的合理性.     

Proposal of novel chatter stability indices of spindle speed variation based on its chatter growth characteristics

Chatter is one of the most critical problems that causes poor surface quality and restriction of machining efficiency. Spindle speed variation (SSV) is a well-known technique for suppression of regenerative chatter. However, in the authors’ understanding, the chatter suppression effect diminishes when the spindle speed difference between the present and previous cutting moments is small. Furthermore, the stability changes largely according to the spindle speed variation profile which changes with the set condition of SSV parameters, e.g., nominal spindle speed, variation period and variation amplitude. Therefore, SSV parameters should be adequately set to avoid this limitation and to exert its effect throughout the entire duration of cutting. However, there is no clear methodology to determine the optimal condition. This paper presents the characteristics of chatter growth during SSV focusing on the change of chatter frequency, which lead to novel indices to evaluate the chatter stability when cutting with SSV. To verify the validity of the indices, time-domain simulations and the cutting experiments with triangular spindle speed variation (TSSV) are carried out. The influence of SSV parameters on the chatter stability is investigated from the simulation and experimental results. The limitations of widely utilized SSV profiles are discussed.     

精密车削LY12铝合金的振动特性分析

利用超精密车床精密车削LY12铝合金,研究了切削速度、进给量和切削深度对主轴和刀具切削振动的影响及变化规律。试验结果表明主轴的振动随切削速度的增加而平稳增加,在高速时成为主要振动,而刀具在低速时振动很大,随着切削速度的增加而迅速降低。因此在低速时,刀具的振动是影响加工质量的主要因素;在高速时,主轴振动对加工质量的影响愈来愈大;在小进给时,各向的振动随进给的增加而迅速减少,降到临界值后,各通道振动又随进给增加而保持平稳;主轴的振动随切深的增加变化很小,而刀具的振动随切深的增加而增加,但增加到临界值,刀具的振动也保持平稳。