基于结构仿生的电主轴新型轴芯研究与设计

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高速加工凭借其高生产率和高精度等优势,已成为制造业的研究热点。电主轴作为高速加工装备的关键单元,其动态性能直接决定加工质量。国内电主轴的高速动态性能与国际领先水平存在差距,本论文以改善电主轴轴芯性能为目的,基于结构仿生理论,研发一种高比刚度新型轴芯。在保证刚度、强度符合要求前提下对仿生轴芯动态性能和自身散热性能进行分析,并依据分析结果改进仿生结构,主要研究内容如下:(1)基于结构仿生思想,选取高比刚度仿生生物原型。根据模糊相似理论,分析小麦茎秆力学性能与其微观结构间的联系,提取仿生设计准则,得到仿生构型。对仿生轴芯进行有限元刚度分析,再通过3D打印生成仿生轴芯并进行强度实验,确定仿生型轴芯结构。(2)对仿生轴芯进行动态特性分析,采用传递矩阵法和有限元法,分别基于MATLAB和ANSYS Workbench软件对仿生轴芯-转子-轴承系统进行模态分析,得到其固有频率和振型,并以此进行临界转速计算;对比两种方法所求结果,在模态分析基础上借助有限元软件完成谐响应分析。对仿生轴芯进行热-结构耦合分析,求解轴芯温升和热位移。将上述分析结果同原型进行对比,验证仿生轴芯诸多优势。(3)针对仿生构型,以静态最大变形为状态变量、固有频率为目标函数进行响应面优化,对仿生结构进一步优化,得到仿生结构最优参数。
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