基于动网格技术的空气静压轴承线刚度及角刚度分析

为了在超精密机床设主轴设计阶段准确得到空气静压轴承的静态特性,文章提出了一种基于Fluent动网格技术的数值仿真方法,综合分析了在考虑进气孔直径、进气压力、气膜厚度及轴承转速等条件下对空气静压轴承线刚度及角刚度的影响。结果表明:轴承线刚度随气膜厚度的减小、进气压力的增大而增大,且最大线刚度所对应的进气孔直径随压力增大而增加;轴承角刚度随气膜厚度的减小、进气孔压力和进气孔直径的增大而增加。     

小孔节流静压气体球轴承自激振动现象的研究

分析了单供气孔小孔节流静压气体球轴承在不同供气压力下的动态刚度和阻尼特性,及轴承发生自激振动的频率范围。结果表明,承载质量一气膜系统是一个强非线性的振动系统,系统的动态参数随着扰动频率及工作点的变化而变化。从能量传输的角度看,气膜负阻尼可以理解为气膜非定常力对于承载质量在振动一个周期内作正功,使物体振动加剧,最终产生气锤自激振动。     

JKM8凸轮轴磨床头架主轴系统动态特性分析

凸轮轴磨削精度主要受机床主轴系统的自激振动、受迫振动和热变形的影响,模态分析是动力学分析的基础,因此有必要深入分析主轴振型对磨削精度的影响。以JKM8凸轮轴磨床头架主轴系统为研究对象,使用弹性支承单元模拟静压轴承,建立转子-轴承系统有限元模型进行模态分析,获取系统前6阶模态参数,运用参数讨论法,研究系统固有频率随支承刚度的变化规律。结果表明:主轴转速远远低于一阶临界转速,因此不会发生共振;静压轴承的支承刚度对主轴系统的低阶固有频率影响很大,支承刚度大于300 N/μm时,固有频率的增加幅度显著减小。研究结果为磨床主轴系统的优化提供了理论依据。     

基于ANSYS的多孔质静压轴承径向特性数值模拟

文章提出了一种基于ANSYS Workbench 14．5平台的多孔质静压轴承径向特性数值模拟方法。首先采用FLUENT模块完成多孔介质和气膜间隙区域的流场分析,得到流体域的压力分布;然后利用Static Structure模块将流体域的计算结果耦合到主轴转子上进行静力分析,得到主轴转子的应变,并且对主轴转子的强度进行了校核;接着对主轴转子表面分布的应力进行积分,得到多孔质静压轴承的承载力,进而通过逐差法得到径向刚度;最后确定了多孔质静压轴承在不同承载条件下获得最佳刚度的气膜间隙范围。     

高速机床主轴－轴承系统动态性能研究

为研究主轴－轴承系统的动态性能,以某型号精密卧式加工中心主轴系统为研究对象,通过偏心质量激励法测得主轴支承轴承刚度,采用Timoshenko梁单元对主轴进行有限元建模,系统地分析了主轴离心效应、轴承预紧力对于主轴动态性能的影响,并进行了实验验证。结果表明：提高预紧力可有效增加主轴轴承刚度,提高主轴动态性能。同时证明采用有限元法计算主轴轴承的刚度是一种行之有效的方法。     

狭缝节流静压气体止推轴承性能研究

为研究狭缝节流气体止推轴承流场特性,利用运动方程、连续性方程及气体状态方程推导了流场的压力分布公式、质量流量公式和最佳刚度条件,并在一定的参数条件下计算了轴承的承载和刚度。理论分析和计算结果表明,在其他参数相同的条件下,轴承的承载力和质量流量随狭缝的宽度的增加而增加;随着狭缝深度的增加而减小;在其它结构参数相同的条件下,随着狭缝深度的增加,最大刚度对应的气膜厚度逐渐减小,最大刚度值增加;随着狭缝宽度的减小,最大刚度对应的气膜厚度逐渐减小,最大刚度值增加。     

R134a静压气体轴承静特性及其对制冷系统的影响研究

对制冷离心压缩机用R134a静压气体轴承进行数值分析,得到其气膜内部流场,计算轴承承载力和耗气量。结果表明：轴向静压气体轴承工作且单侧气膜间隙小于0.05 mm时,可以获得大于300 N的支撑力;径向静压气体轴承的平均气膜间隙为20~25 μm、偏心率为0.2时,可以获得大于300 N的承载力。轴承供气系统使用的高压R134a制冷剂会使制冷系统性能下降,计算工况下轴承供气系统使制冷系统性能系数降低1.4%。     

供气压力对气体轴承——转子系统稳定性影响的实验研究(英文)

为解决气浮轴承在经过临界转速的剧烈振动不稳定这一问题,进行了供气压力对气体轴承-转子系统稳定性影响的实验研究。基于涡轮驱动和电器比例阀压力控制,搭建了基于高速静压气体轴承-转子系统实验台,对不同供气压力工况组合下系统振动进行了测试与分析。结果表明: 在一定供气压力范围内,临界转速值随着轴承供气压力增大而升高,振动幅值随着轴承供气压力增大而降低,合理控制临界转速区域附近供气压力可一定程度内抑制振动幅值,达到提高系统稳定性的目的。     

环面节流静压推力轴承气膜入口区流动机理的研究与计算

对静压气体轴承流场研究结果进行了归纳与分析,指出常规气体轴承,在正常的供气压力和工作间隙下,可以采用雷诺方程求解;随着供气压力和气膜厚度的增加,供气孔与气膜相交处可能出现边界层发展区、惯性流区,此时气体流动则应分别采用边界层方程和全N—S方程求解,并采用膨胀波和拟激波揭示了惯性流区压力剧降然后回升的变化机理。在此基础之上提出了采用全N—S方程计算气膜内压力分布方法,计算与试验结果的比较表明,该计算方法可准确预测激波位置和流场的压力分布。     

小孔节流气体静压导轨静态特性优化设计

为解决气体静压导轨工作刚度不足问题,提出一种双边气膜刚度最优设计方法。根据气体润滑理论及简化假设推导了气膜压力分布的雷诺方程,基于有限差分法离散了气膜流场求解域和边界条件,在MATLAB中编制了压力分布的求解程序,积分得到气膜的承载力,再求导可得气膜刚度。分析导轨间隙、节流孔结构参数和供气压力等对导轨静态特性的影响规律,为静压导轨的设计制造提供参考。     

小间隙下狭缝节流静压气体止推轴承静态性能的研究

减小气膜间隙可以提高气体轴承的刚度和承载,为研究小间隙下狭缝节流气体止推轴承静特性,运用FLUENT软件对小间隙下狭缝节流止推轴承进行流场仿真。采用滑移边界条件对小间隙下轴承流场进行计算,结果表明,随着气膜厚度的增加,滑移的影响逐渐减小,当膜厚大于等于4μm时滑移影响可以忽略。计算了狭缝结构对轴承静特性的影响,结果表明,在其他参数相同的条件下,轴承的承载力随狭缝的宽度的增加而增加;随着狭缝深度的增加而减小。在其它结构参数相同的条件下,随着狭缝宽度的减小,最大刚度值增加,最大刚度对应的气膜厚度逐渐减小;随着狭缝深度的增加,最大刚度值增加,最大刚度对应的气膜厚度逐渐减小。     

不同加工工艺的多孔质微米凹面气体静压轴承特性研究

为了提升多孔质气体静压止推轴承的刚度及精度稳定性,对作用面面型为平面、微米凹面的多孔质气体静压轴承作对比研究。用Gambit和Fluent软件进行建模和仿真分析,并以平面、1.5和3μm两种凹槽深度为参数,研究凹槽深度对多孔质气体静压止推轴承承载力及刚度特性影响。仿真及试验结果对比分析表明:气膜厚度1~20μm,承载力及静态刚度随凹槽深度变大而增强;精密车削与研磨加工工艺对微米级凹槽刚度及稳定性影响较大,凹槽形状误差易引起气锤现象。     

基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的特性研究

随着超精密加工技术和地面微低重力仿真的发展,相关产业对空气静压轴承的性能要求越来越高。由于传统的孔式节流器其结构特点不能完全满足实际使用的需要,节流孔直径与气膜间隙同一数量级的微孔节流空气静压轴承因其良好的刚度和承载特性,越来越受到关注。但在微孔节流器的发展过程中,微孔的加工工艺却限制了其推广应用。针对目前常用的三类微孔加工工艺,进行了理论仿真研究,通过建立不同加工工艺轴承仿真模型,运用双向流固耦合仿真方法,对比分析了基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的动静态特性。研究结果表明：锥孔类轴承承载性能优于其他两类,但耗气量大且在小间隙时刚度较差;薄壁直孔类轴承承载性能稍逊,但在大间隙下轴承刚度较佳;嵌套类轴承承载性能较差,但在小间隙下轴承刚度较大且耗气量较低。     

Modeling of spindle-bearing and machine tool systems for virtual simulation of milling operations

This paper presents a general, integrated model of the spindle bearing and machine tool system, consisting of a rotating shaft, tool holder, angular contact ball bearings, housing, and the machine tool mounting. The model allows virtual cutting of a work material with the numerical model of the spindle during the design stage. The proposed model predicts bearing stiffness, mode shapes, frequency response function (FRF), static and dynamic deflections along the cutter and spindle shaft, as well as contact forces on the bearings with simulated cutting forces before physically building and testing the spindles. The proposed models are verified experimentally by conducting comprehensive tests on an instrumented-industrial spindle. The study shows that the accuracy of predicting the performance of the spindles require integrated modeling of all spindle elements and mounting on the machine tool. The operating conditions of the spindle, such as bearing preload, spindle speeds, cutting conditions and work material properties affect the frequency and amplitude of vibrations during machining.     

静压节流器微孔气膜参数测量装置设计与试验

研制一种节流器气膜场多路热工参数同时测量的自动化装置,阐述机械装置、硬件电路和软件程序的设计原理与实现。采用气膜厚度调节和气膜压力承载分离设计原理的机械结构以及基于Cortex-M4F内核的STM32F407主控芯片的电控系统和上下位机共同操作的软件程序组合的测量装置,具有自动化程度大、测量精度高等优点。在气膜厚度为6和10μm以及供气压力为0.3、0.5和0.8MPa的实验条件下进行测试,得到双U形平面静压节流器的气膜场温度和压力参数分布。分析得出:在供气压力和气膜厚度增大过程中,双U形节流器气膜场温度值均呈现减小趋势,气膜场压力值分别呈现增加和减小趋势;在供气压力和气膜厚度保持不变的情况下,双U形节流器气膜场在节流槽处产生温度骤降现象,在越过节流槽处产生压力骤降现象。     

基于分子碰撞理论的静压导轨气膜内部微振动现象的分析

静压导轨气膜微振动已经成为制约气浮支撑发展的重大问题。为证实气膜内部的微振动本质是高压气体在流动过程中与支撑底面、节流器壁面和气浮块壁面发生碰撞,导致气膜区域内表面受到变化的冲量,形成不规律的水平和垂直方向冲击力,使得气浮块发生基于系统固有频率及其倍频的微振动。通过理论分析,建立描述气膜支撑区动力学特性的振动模型,并进行了仿真分析和实验对比验证,证实了气膜内部微振动的形成机制。分析结果表明:有气腔与无气腔的节流方式都会产生气膜微振动;进气孔直径相同情况下,有气腔节流方式下的振动大于无气腔节流方式下的振动;振动峰值的频率点基本一致,其频域曲线所显示的振动规律也基本相同。     

A theoretical and experimental investigation into five-DOF dynamic characteristics of an aerostatic bearing spindle in ultra-precision diamond turning

In ultra-precision diamond turning (UPDT), spindle vibration has great influence on machining precision of high precision optical components. However, the spindle-vibration mechanism has not been fully understood. In this study, mathematical solutions for a proposed five-degree-of-freedom (FDOF) dynamic model of an aerostatic bearing spindle are derived to explore natural mechanisms of spindle vibration. Thus, the potential benefits of the solutions are to be applied for the prediction and optimization of the effects of spindle vibration on surface generation. Its dynamic characteristics possess three translational frequencies along the radial and axial directions, a spindle rotational frequency (SRF), and a pair of coupled tilting frequencies (CTFs) around the radial directions influenced the SRF. The theoretical results are identified by the frequency characteristics of thrust cutting forces, and the periodic, concentric, spiral, radial and two-fold patterns (PCSRPs) of the machined and simulated surface topographies, respectively.     

The effects of spindle vibration on surface generation in ultra-precision raster milling

Spindle vibration has a significant influence on surface quality of ultra-precision-machined components. However, relatively few studies on the particular spindle vibration under the excitation of intermittent cutting forces in ultra-precision raster milling (UPRM) have been reported. In this study, a specialized model for an aerostatic bearing spindle under the impulsive excitation from intermittent cutting forces of UPRM is developed and its derived mathematical solutions reveal that the spindle vibration is impulsive response. The theoretical and experimental results signify that the impulsive spindle vibration produces inhomogeneous scallops forming ribbon-stripe patterns and irregular patterns like run-out on a surface of UPRM. The potential benefits for UPRM are the theoretical supports for optimization and prediction of surface generation through the optimal selection of spindle speed.