基于电主轴支撑跨距的优化设计 毕业设计论文

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1、目录目录11绪论21.1高速加工与电主轴技术21.1.1加工概述21.1.2高速电主轴31.2主轴静态特性的研究现状51.3课题研究的主要内容62高速电主轴单元的静态特性分析72.1主轴的静态特性概述72.2电主轴结构的静态特性分析72.2.1主轴的整体结构分析82.2.2主轴组件的支承刚度分析82.2.3主轴轴承分析82.2.5主轴的跨距分析92.2.6电主轴的转子103轴承刚度的分析103.1轴承刚度概述103.2角接触球轴承静刚度的计算113．2．1角接触球轴承受力分析123.2.2轴承的轴向预紧与位移1

2、33.2.3轴承的径向刚度133.2.4本课题主轴轴承静刚度的计算144高速电主轴静态特性的有限元分析164.1ANSYS在结构分析中的应用164.1.1ANSYS中的结构线性静力分析164.2高速电主轴静态特性有限元分析模型174.2.1构建有限元模型174.2.3确定实常数264.2.4设置材料属性314.2.5划分网格314.2.6施加载荷和边界条件324.2.7求解及后处理查看电主轴单元的静态变形335基于电主轴支撑跨距的优化设计355.1概述355.2ANSYS的优化设计原理365.3基于ANSYS的

3、电主轴结构优化365.3.1数化有限元模型的建立365.3.2生成优化文件38结论42致谢43501绪论1.1高速加工与电主轴技术1.1.1加工概述用提高加工速度的方法来提高生产率一直是制造技术领域十分关注并为之不懈奋斗的重要目标。高速加工就是近年来发展起来的一种集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术。高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠的实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以大幅度地提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。它是提高切削效率、加工质量、加

4、工精度和降低加工成本的重要手段。其显著标志是使被加工塑性金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一域限值，开始趋向最佳切除条件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。实现高速加工技术的核心关键技术主要有：高速切削机理，高速机床技术，高速加工用刀具技术，高速加工工艺技术，以及高速加工测试技术等。其中高速机床则是实现高速加工的前提和基本条件。一个国家高速加工的技术水平，在很大程度上反映在高速

5、机床的设计制造技术上。在现代制造技术中，机床的高速化已成为一个不可阻挡的发展潮流[1]。现在，世界各工业发达国家都把生产高速机床作为其重要的发展目标，高速机床的生产能力和技术水平已经成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志。高速机床技术主要包括高速单元技术和机床整机技术。单元技术包括高速主轴、高速进给系统、高速CNC控制系统等。501.1.2高速电主轴1、电主轴概述高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速机床的核心部件。这四个部分构成一个动力学性能及稳定性良好的系统，在很大程度上决定了机床所能

6、达到的切削速度、加工精度和应用范围。高速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术，其中一些技术又是相互制约的，包括高速和高刚度的矛盾、高速和大转矩的矛盾等。从目前发展现状来看，主轴单元形成独立的单元而成为功能部件以方便地配置到多种加工中心及高速机床上，而且越来越多地采用电主轴类型。电主轴的关键技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具动平衡等。高速大功率主轴单元的基本方案是采用集成内装式电主轴，这种结构基本

7、上取消了带传动和齿轮传动等中间传动环节，其主轴由内装式电机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主轴的“零传动"[4]。这是一种由内装式电机和机床主轴“合二为一”的传动形式，即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床的主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴(Build．inMotorSpindle)，或称高速电主轴(High—speedMotorizedSpindle)。电主轴典型的结构和系统组成如图1一l所示。图1.1高频电主轴结构图50高速电主轴的结构紧凑、重

8、量轻、惯性小、响应特性好，并可改善主轴的动平衡，减少振动和噪声，是高速机床主轴单元的理想结构。在高速主轴单元中，由于机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对主轴单元提出了较高的静刚度和工作精度的要求。2、国内外高速电主轴的发展现状早在20世纪50年代，就已出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。随着高速切削发展的需要和功率