机床电主轴动静压轴承性能的仿真和试验研究

先进制造方式需要机床具有高速高精密的电主轴功能部件,选用动静压轴承可以提高车削加工中心电主轴的刚度和回转精度,因此选择动静压轴承作为主轴的支撑形式。轴承周向有4个浅腔形式油腔,以小孔节流形式恒压供油。建立润滑分析模型,分析轴承的承载力、最小膜厚和温升等静态性能指标。在卧式试验台上测试轴承的动态性能,结果表明：刚度随着转速的增加主要呈增大趋势,转速在3 000~6 000 r/min时刚度值比较稳定;水平方向和垂直方向的最大振幅分别为4.5、3.9 μm。若要提高回转精度可对转子轴系进行优化,并做好动平衡及隔振。     

滚动轴承预紧力对其转子系统特性影响的理论及试验研究

为了改善滚动轴承-高速电主轴系统特性分析中对轴承只取其刚度和阻尼元素参与计算的情况,引入滚动轴承预紧力参数,建立用于轴承转子系统特性分析的滚动轴承预紧力约束方程,从理论上计算预紧力对系统刚度、临界转速和轴承性能的影响.以角接触球轴承-高速(60 000 r/min)电主轴系统为对象,设计一种预紧力测量方法,通过实验研究轴承预紧力对轴承转子系统的影响,结果表明测量结果与理论计算基本一致.     

DVG850高速立式加工中心电主轴的动静态特性分析

针对240XDJ24Y型电主轴的结构特点,在Ansys软件中建立电主轴的三维有限元模型,分析并计算出电主轴的静态变形量与静刚度。结合Ansys软件中的Solid45单元与Combin14单元对电主轴进行动态分析,采用QRDamoned法进行模态提取,得到前6阶的振动特性。分析结果表明:电主轴的静刚度能够满足要求;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。     

卧式加工中心主轴静刚度特性的试验研究

介绍了卧式数控加工中心主轴的静刚度特性所开展的试验研究。根据预加载荷测得的静刚度试验数据,应用最小二乘法拟合得到主轴在加载和卸载时的静刚度曲线。研究后发现,主轴卸载刚度大于加载刚度;相同结构尺寸机床,主轴最高转速低的机床主轴静刚度要高于主轴最高转速高的机床;相同最高转速和结构的机床,尺寸大的机床主轴静刚度要高于尺寸小的机床;采用电主轴结构的机床主轴静刚度要高于同类型采用机械式主轴结构的机床。研究结果可以对国产卧式加工中心改善主轴部件静刚度设计提供参考。     

陶瓷电主轴部件径向切削刚度改进

将陶瓷材料Si3N4应用于高速电主轴,利用APDL语言对其进行参数化设计程序开发。分析并计算了陶瓷电主轴的径向切削载荷及刚度,通过有限单元法分析了主轴部件的静力变形和应力分布。以弹簧-阻尼单元COMBIN14模拟轴承支撑,创建了以支撑跨距为变量的主轴参数化驱动模型。采用零阶算法实现了主轴部件静态性能优化,减小了径向载荷作用下的Von Mises应力,并计算出了更为合理的主轴支撑跨距。优化后陶瓷电主轴径向切削刚度提高了1229%,有效改进了主轴部件的加工精度和稳定性。     

工艺参数对机器人搅拌摩擦焊轴向力和前进抗力的影响EI北大核心CSCD

针对6061-T6铝合金机器人搅拌摩擦焊(RFSW)展开研究,首先在库卡机器人的末端和搅拌摩擦焊电主轴之间安装六维力传感器,搭建六维力传感器数据采集系统。其次采用不同的工艺参数对5 mm 6061-T6铝合金进行焊接,在焊接过程中实时监测搅拌头受到的轴向力和前进抗力,焊后对焊缝横截面进行观察与分析,对焊缝横截面进行拉伸测试和硬度测量,分析轴向力和前进抗力对焊缝微观组织及力学性能的影响。结果表明:搅拌头转速在800~3400 r/min之间,搅拌头转速对焊缝力学性能影响较小;焊接速度在60~360 mm/min之间,焊缝力学性能良好。焊接过程中搅拌针下压阶段轴向力最大,达到约5000 N,焊接阶段稳定时,轴向力约为3600 N,焊接阶段前进抗力最大,达到约−550 N。在焊接过程中,轴向力/前进抗力的比值为−6.5左右时焊缝性能良好。     

轴芯冷却对电主轴热-机械特性影响的实验研究

电主轴的热特性与机械特性相互作用,采用轴芯冷却在降低电主轴温升的同时也会影响其机械特性。对具有轴芯冷却结构的150SD电主轴进行热特性、静刚度和动态响应测试,研究轴芯冷却对电主轴热-机械特性的影响。结果表明：轴芯冷却减少了电主轴系统热平衡时间和轴向热变形,但会导致不同转速下系统静刚度和1、2阶固有频率降低。在设计阶段需要对轴芯冷却电主轴从悬伸量、跨距和几何尺寸等方面进行综合优化设计,提高其机械特性。     

主轴动态精度测试与分析

主轴动态误差对加工精度有至关重要的影响,针对主轴动态误差进行了试验与分析。介绍了主轴动态误差的概念,采用主轴动态误差分析仪对主轴动态误差进行了采集,采集的数据包括主轴径向平均误差、径向异步误差、轴向平均误差、轴向异步误差以及轴向最小间隙。对某型号同类型三台立式加工中心分别进行了多转速情况下的测量,对比并分析了三台立式加工中心的测量结果。在转速为7 500 r/min时,三台立式加工中心径向异步误差分别为70、15、15μm;在转速升至6 000 r/min之后主轴最小径向间隙均有较大提升。试验结果表明:主轴动态精度受到机床工况和转速共同影响;在高速转动情况下,主轴径向最小间隙增大明显;加工时要根据工况合理安排转速,以保证加工质量。     

基于ANSYS Workbench的高速电主轴静动态性能分析

以高速加工中心电主轴为研究对象,建立了电主轴系统三维有限元模型,采用弹性支承模拟了轴承的支承,利用新一代的有限元分析软件ANSYS Workbench对电主轴进行了静力学分析和模态分析.分析结果表明:电主轴的静刚度能够满足要求;电主轴的最高工作转速远远低于其一阶临界转速,能有效避免共振的发生.从而验证了该电主轴设计的合理性,也为电主轴的优化设计以及力热耦合特性分析奠定了基础.     

高速加工中心7:24主轴/刀柄联接的可行性分析

在高速数控机床加工中,由于高速旋转中的离心力作用,传统7:24主轴/刀柄联接的径向位移与两者间的间隙随转速的提高呈平方关系增长。径向间隙的存在导致定位精度和重复定位精度不高、轴向和径向刚度低等问题,严重影响加工精度和质量。论文采用有限元分析方法,验证了主轴转速为15000r/min时,加工中心采用7:24主轴/刀柄联接的可行性。并提出改进7:24主轴/刀柄联接性能的方法。     

基于ANSYS-FLUENT的高精密液体静压径向轴承动静态特性研究

以液体静压轴承为支撑的电主轴是高精密数控机床的一个最为关键的组成部件。静压轴承润滑油膜的压力分布、刚度和温度场的分布直接影响数控机床的加工精度。基于液体静压技术理论,对轴承的流量、静压腔压力和刚度进行数值计算。基于ANSYS-FLUENT联合仿真平台,以液体静压径向轴承的润滑油膜为研究对象,对其压力场、流场和温度场分布等进行了静态和瞬态的研究,仿真结果与数值计算结果取得了很好的一致性。分析表明,静压腔内的润滑油的压力和温度分布不会因为主轴的转速变化而发生明显的变化,而周向封油边和轴向封油边是压力和温度变化的敏感位置。     

汽车齿轮试验机电主轴优化设计

以一种汽车齿轮监测电主轴为研究对象,利用有限元分析软件ANSYS Workbench优化设计功能,对主轴的悬伸量、跨距和电机转子安装位置进行优化设计。优化后,主轴径向变形减少8.7%,轴向变形减少3.3%。经出厂测试,在最大转速2 000 r/min时,噪声仅为65 d B,最大振动值为0.456 m/s~2,更好地满足了设计要求,提高了主轴质量。     

机床主轴系统静刚度分析及实验研究

为研究机床主轴系统静刚度特性,建立一种高性能加工中心主轴-轴承系统模型,该模型包括主轴转子和轴承。采用有限元法建立主轴轴系零件模型,并与轴承拟静力学模型集成得到主轴系统有限元模型,通过计算得到主轴系统3个方向的静刚度。对该机床主轴系统进行静刚度测试实验,以验证理论计算结果的正确性。研究表明:理论计算结果和实验结果具有较好一致性,因此可以有效地证明该有限元模型的准确性;此外,由于主轴系统内部存在阻尼效应及摩擦作用,卸载时静刚度大于加载时静刚度;同时其轴向静刚度存在一定非线性。     

导轨副垂直/倾斜/俯仰静刚度高效高精同步测量装置及方法

针对目前滚动直线导轨副垂直、倾斜、俯仰静刚度测量效率和精度难以兼顾的现状,提出一种效率高且准确性高,一次操作就可测量出导轨副垂直、倾斜、俯仰3种静刚度的测量方法并设计了测量装置。该测量方法首先进行干扰项隔离,将垂直、倾斜静刚度的测量与俯仰静刚度隔离开,进而运用参数分离技术将加载力及导轨副变形量等效分解到垂直、倾斜、俯仰方向,实现3种静刚度的高效高精测量。结果表明:该装置及方法能够有效提高导轨副静刚度测量效率及精度,与现有成熟技术相比,效率提升81%,所测垂直、倾斜、俯仰静刚度精度分别提升5.1%、5.4%、6.6%,可为滚动直线导轨副静刚度测评效率的提升及其高刚性设计提供参考。     

高速电主轴热误差实验与预测建模

数控加工中心采用高速电主轴,由于电主轴发热导致主轴工作端明显热延伸,严重影响加工精度。以数控精雕机用永磁同步电主轴为研究对象,通过建立热特性实验平台,测试电主轴在不同转速、不同工作条件下的特征温度和热误差数据,建立基于自然指数函数的电主轴轴向热误差预测模型。在不同的工况下对模型的补偿结果进行实验验证,验证结果表明:该预测模型简单、精度较高,且建模成本较低,可以快速应用到实际的加工环境中。     

高性能直驱混联数控机床静刚度分析

基于模块化设计技术,开发了一种由直线电机驱动的高性能混联数控机床,主要由2-DOF并联主轴头和XY工作台两大功能模块组成。以该机床并联主轴模块为研究对象,基于边界元和刚度矩阵组集方法,建立了机床静刚度模型,并编制了刚度计算软件,由此计算得到机床主轴在整个工作空间内位置刚度和旋转刚度的分布。数值仿真表明:该机床具有较好的刚度特性,满足轻切削加工静刚度设计要求。     

A new method to quantify radial error of a motorized end-milling cutter/spindle system at very high speed rotations

The radial error motion of a machine tool cutter/spindle system is critical to the dimensional accuracy of the parts to be machined. The spindle's radial error motions can be measured by mounting a sphere target onto the spindle as a reference. A set of sensors is used to measure displacements of the reference sphere in various directions to determine spindle error motions. This measurement technique can be reliably carried out when the spindle is at rest or at low rotational speeds. However, at very high speeds, the reference sphere must be carefully centered and balanced to avoid introducing additional error motions. In addition, the sensors must be held with very rigid mounts in order to avoid measurement errors caused by vibrations. For high-speed end milling spindles, the spindle is operated with a cutter. The cutter must be removed when mounting a reference sphere. Because the cutter itself can introduce errors due to centering and unbalancing effects, the error motions measured by the reference sphere method do not include the error caused by the cutter. This paper introduces a new and practical method to provide an indicator of the radial error of a motorized end-milling cutter/spindle system at very high speed rotations without the need of a reference sphere. This indicator of the radial error is based on the size of the cutting marks produced by the end mill, which is attached to the spindle. The cutting marks are circular, and their diameters are related to the radial error of the cutter/spindle system. Quantitative precision analysis was carried out to confirm the accuracy and repeatability of this new measurement technique. This technique has been implemented in order to determine the effects of the spindle speed, the level of unbalanced mass, and the spindle stiffness on the cutter/spindle's radial error. The results reveal that the centrifugal force generated by the unbalanced mass is the main factor causing the increase in radial error. One way to compensate for the effect of unbalanced mass is to increase the spindle stiffness. Experimental results confirm that a higher front bearing preload can render the spindle stiffer, thus reducing the radial error of the cutter/spindle system. Finally, it should be pointed out that the proposed cutting mark measurement cannot replace the sphere method because it cannot provide time-resolved or angle-resolved information as those obtained from polar charts. However, the proposed cutting mark measurement can provide the characterization of the spindle with the cutter attached. As a result, both methods can complement each other to provide a more complete picture of the behavior of the cutter/spindle system at high speeds.     

Characteristics of stiffness and contact stress distribution of a spindle–holder taper joint under clamping and centrifugal forces

An understanding of the contact characteristics of a spindle–holder joint in machine tools calls for an in-depth analysis of its performance under machining conditions. This study specifically aims to model a spindle–holder taper joint to predict the stiffness and stress distribution under different clamping and centrifugal forces. A spindle–holder taper joint subjected to clamping and centrifugal forces was modeled using the finite element method. The stress distribution of the interface was revealed and it was found that the von-Mises stress had a non-linear distribution because of the clamping force of the holder. The centrifugal forces were included in the model to analyze the deformation of the joint. At high speed the centrifugal force caused a stress concentration at the large end of the holder. A typical 7/24 taper joint of a BT50 holder was investigated to identify the stiffness using a special experimental platform. The axial and radial stiffnesses, as well as the hysteresis cycles were obtained to predict the contact characteristics with different clamping forces. The experimental results showed that the model presented in this study was efficient in predicting the characteristics of the spindle–holder joint. The method presented is useful in identifying the dynamics of a spindle–holder and can thus be used to optimize the spindle system.