电主轴分析的现状及静态仿真分析

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1、电主轴分析的现状及静态仿真分析电主轴因经常在“高速度、高刚度、高精度”三高工况下工作，对其加工精度、加工质*、工作可靠性、稳定性等要求极为严格，电主轴系统必须具有良好的动静态特性,所以要对电主轴进行静力学分析和动力学分析。静力学分析主要是检验电主轴的静刚度是否满足要求，是后面动力学分析的前提；动力学分析主要是确定动态性能是否良好，电主轴的设计参数是否合理，从而可以进一步的优化电主轴的设计.电主轴的固有特性包括临界转速和主振型两个方面，是评价电主轴动力学恃性的重要指标。当电主轴的工作转速接近其临界转速时，电主轴会发生剧烈的同频共振，对加工质量产生巨大影响,严重时甚至可能导致刀具、主轴、轴承以及轴

2、上零件等的损坏，因此，需要对电主轴的临界转速进行研究，以避免这种状况的发生，为保证正常工作和安全运行，电主轴的工作转速一般要求要低于其一阶临界转速，同时为保证电主轴的加工精度和加工质量，电主轴的动态刚度要在合理的范围之内何.目前对电主轴常用的分析方法有传递矩阵法和有限元分析法，传递矩阵法具有解法简洁、程序简单、占用内存小、计算速度快等特点，但其计算精度要比有限元法低，尤其是在计算髙阶模态时，计算精度会急剧下降，并且传递矩阵法要求对模型有很大程度的简化，会导致计算结果与物理实验结果相差较大，利用传递矩阵法求解转子动力学问内外学者对此做了大量的研究，但由于电主轴系统的模型较为复杂，利用传递矩阵法对

3、其进行分析的还比较少冋；有限元法是一种比较成熟的方法，占用内存空间较大,且计算速度较慢，但在复杂模型情况下仍然有较高的计算精度，并且随着计算机技术的发展，计算机的性能有了极大的提高，占用内存空间大、计算速度慢的缺点己经逐渐弱化。4.1・2电主轴的有限元分析现状目前，大多数有限元软件都可以对电主轴进行动静态分析、热态分析及进一步的优化，近年来，有大量的有限元软件面世，例如ADINA、ANSYS.NASTRAN、SUPERSAP.IDEAS等，已经在航空、汽车、船怕、机床等工程结构领域起到卓有成效的作用，其中最为成熟、最常用的软件系统是ANSYS公司的ANSYSWork-bench,它是一款功能强

4、大、应用领域广泛的有限元分析软件，具有较好的兼容性，可在绝大多数计算机平台及操作系统中运行，并且可以与CAD系统有较好的対接，配备有方便的参数化建模工具和领先的优化功能，可用于电主轴的模态分析、谐响应分析、瞬态分析等动力学分析和热态分析等各种单场分析以及耦合场分析冋.对于电主轴的静态分析，通常的做法是把轴简化为空间弹性梁来处理，选用BEAM23二维環性梁单元来模拟主轴，少数研究选用SOLID45实体单元；动态特性分析一般姥选用C0MBIN14弹簧一阻尼单元和SOLID45实体单元来构建模型。对于模型的简化，常规做法有以下几种方法：(1)轴承一主轴模型。这是目前采用有限元法对电主轴进行分析最为常

5、用的模型,只考虑轴承、轴的彫响，把转子、锁紧套等作为同密度物质附加到轴上，等效到轴的所有节点上，这种模型计算较为迅速，但计算的结果与实际有一定差距。(2)轴承一转子一主轴一锁紧套(一水套)模型。这种模型把轴、转子、轴上过盈连接的锁紧套以及转子冷却套等作为一体进行建模，建立的模型的比上一种更为接近实际状况，计算相对复杂，但计算结果更为准确。(3)轴承一主轴一转子一定子一刀具一拉刀系统模型。这是国外电主轴研究使用的较为先进的模型，把刀具以及拉刀机构考虎进去，模型最为接近实际工况，分析效果更为理想，但模型的建立最为复杂，容易出现较多问题.使用ANSYS软件对电主轴进行仿真分析的关键主要在于主轴模型的

6、建立。T.H.Young、JorgensenBR等应用有限元法、随机平均法、影响系数法分析了轴承一转子系统的瞬态不平衡响应，考虑了切削力、转动速度.刀具质量、轴向平均力、轴承座阻尼力等因素的影响叫在支承一转子动力学待性方面，C.Villa.E.Thouverez等应用谐波平衡法在时域和频域范围内对复杂柔性转子一轴承系统的振动和稳定性进行了分析,考虑了滚动体的动力学特性、轴承内部间隙、Hertz非线性接触等对系统的彭响何：美国普渡大学的Yung.C.Shin和Bert.R.Jorgensen提出了一个包括热变形的轴承载荷一变形模型，与离散的主轴动态模型结合在一起，可以分析得到较为准确的主轴轴承刚

7、度.固有频率和热变形的计算值美国家重点实验室LawrenceLivennoreNationalLaboratory(LLNL)在Timoshenko梁理论基础上，采用影响系数法建立了含轴承参数的主轴系统动力学模型，重点研究了刀具质量、自转速度和切削力等因素对转子固有频率的影响剛.随着电主轴技术的发展，对设计质量和设计周期提岀了更高的要求.在进行电主轴分析时，不仅要更加全面的考虑各种因素(包括过去被