微小型机床主轴部件的特性分析.pdf

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1、■微小型n床主轴部件的特Il生分斤■文／沈阳第一机床厂包洪臣张茜曹阳宁娇【摘要】主轴作为机床的关键性部件其动静态特承径向间隙则是通过改变径向间隙，调整对气流的阻性对加工质量起着不可忽视的作用因此，本文针对机抗以达到改变空气流量，进而影响上游来流条件，改床的主轴部件进行了空气动力学分析，得到空气主轴变节流孔出口压力Pr，在轴承腔内建立起新的平衡。的承载力和刚度，并将刀具考虑进来，研究了主轴的两者的宏观表现均是对流体产生阻抗，使来流压力不静力学特性和动态特性。断降低，因此，有类似电学欧姆定律的规律。将图4-1【关键词】静压润滑轴承、

2、有限元建模、动态分的气浮轴承模型类比图4—2的电阻模型。析l

3、h1．空气静压轴承的工作原理及其典型结构形式1．1静压支撑基本原理气体静压轴承是滑动轴承形式当中的一种，其结图4一l静压支撑原理4-2等效电路构和工作原理与液体滑动轴承类似，不同的是采用气压缩空气以供气压力Ps：由供气通道经节流小孔进体(多为空气)作为润滑介质。当外部压缩气体通过入气腔，通过气膜流出，当通道横截面积减小时，气节流器进入轴承间隙，就会在间隙中形成一层具有一流速度加快，剪切速率会增加，由于气体的粘性，气定承载和刚度的润滑气膜，依靠该气膜的润滑支承作体的内摩

4、擦会消耗其动能，经过节流小孔后气体压力用将轴浮起在轴承中。对于气体静压轴承，采用外压值减小，即气腔中压力P，小于供气压力。同理由供气是其基本工作方式，节流器是其结构的关键，而于气膜厚度很小，空气在气膜中流动时的剪切速率很主轴工作时因自重和载荷出现的偏心则建立起轴承相大，所以气体由气腔流经气膜时，压力会有再次损失，应的承载和刚度机制。以径向供气的静压气浮轴承为即环境压力P0低于气腔压力。我们将节流小孔和气例，径向孔式静压气体轴的气流通道主要由节流孔和膜这些小截面通道对气流的阻碍作用称为阻抗，将节轴承径向间隙两部分组成，节流孔是使外

5、部加压气体流JJ＼~L的阻抗记为，记气膜的阻抗为。那么，空进入轴承间隙前，产生节流效果、并使之形成具有一气流动的过程与电流流经两个串联的电阻非常相似，定承载能力及刚度的稳定润滑气膜的一种装置。而轴第02期数控机床市场·63·口其中，气流对应于电流，阻抗对应于电阻，气体压力对应于电压。未通压缩空气前，由于滑动件的自重与载荷的作用，支承件与滑动件相互贴合，气膜厚度为零。~LB-,J-气膜的阻抗尺^趋于无穷大，气腔压力，趋近于供气压力：当供气压力与气腔面积之乘积值超过载荷F时，滑动件浮起，气膜形成，气腔压力，低于供气压力滑动件在气膜压

6、力的支承下达到平衡。当外载荷F增大时，气膜厚度减小，气膜阻抗值j，±曾大。根据图4-2，气膜上的压，会因此增加，支承力增加，以平衡增大的外载荷。反之，F减小，增大，减小，减小，从而支承力减小，这样可以和减小的外载荷平衡。以上就是静压润滑的基本原理。其原理图如图4—3，如果把多个图4-1这样的结构均布在环形圆周上，支承件换成轴，就形成了空气静压轴承结构，其示意图如4—4所示供气逼iI【图4-3静压支撑原理图图4-4空气静压轴承径向截面示意图2．流体动力学静压润滑的有限元方法2．1流体力学有限元解法的基本原理由于流体流动现象非常复杂

7、，往往难于通过联立连续方程、运动方程、和状态方程求得解析解，工程上往往采用数值解法，有限元法是其中非常有效的一种方法。有限元法用于流体力学领域开始于上世纪6O年代，经过几十年的发展，现在已经成为计算流体力学非常重要的解决方法。流体力学的有限元法，建立于里兹(Rtiz)法和迩辽金(Galerkin)法基础上，其中采用迩辽金法最为典型，它在弹塑性力学上使用的是虚位移原理，而在流体力学上多采用虚功率原理。以下对流体力学的虚功率原理作简单介绍。流体力学的运动方程为：警+6式中，是速度分量，是质量力分量，是应力张量分量，表示流体导数，P是

8、流体密度，应力张量是对称张量，可以分解成正压力项与粘性压力分量：一p+(4．7)其中是由于粘性作用形成的应力张量分量。边界条件分为压力边界条件与速度边界条件两部分：在压力边界5口上，”fpp在速度边界5上，f，·64·第02期数控机床市场■其中是由于粘性作用形成的应力张量分量。边界条件分为压力边界条件与速度边界条件两部分：在压力边界上，fpPj在速度边界s上，fr以虚速度8v乘以式(4．7)并对流动求解区域Q积分DVi-Vi+‘一上式对第二项利用格林一高斯公式可以改写成：=若9式中]可以分解成为对称张量与反对称张量两部分．)(4

9、—10)+]是对称张量分量；(等]是反对称张量分量。由于有其中：每。根据式(4-7)，有a．e—=_其中出是速度场的散度。再利用边界条件，在上，由于给定，因此有0。式(4．7)的右端第一项为：Pj&idS：dSssp(4-13)将式(4-10)代入(4．9)式，