数控机床高速电主轴设计及静动态特性分析

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高速精密机床是当前重点发展的领域之一,高速电主轴作为高速数控机床的核心部件,其静动态性能是影响加工精度和加工效率的重要因素,设计开发高性能电主轴,并进行系统性能的研究是一个新的研究课题,具有重要的理论意义和工程应用价值。  本文针对某数控机床的需求,设计了一种高速电主轴,对主轴预紧、支撑跨距、轴承位置等关键部位结构以及电主轴的润滑和冷却方式进行了分析,按照静动态特性分析的要求,对三维结构进行了适当的简化,为有限元分析建立了基础。  将模型导入ANSYS有限元分析系统,考虑轴承结构特征和载荷方式,采用combined弹簧单元对轴承进行了简化,并给出了弹簧刚度系数,形成了完整的有限元分析模型。通过对电主轴刚度分析计算,获得了电主轴在特定静态载荷下的端部位移及电主轴的刚度,分析计算结果表明所设计结构可以满足实际要求。  对电主轴进行了模态分析,获得电主轴各阶振型及其振动频率及主轴最低阶临界转速,其值远远大于电主轴的最高转速,说明电主轴能够满足抗震性要求。  采用谐响应分析方法,研究了电主轴在工作频率内(0?600 Hz)和0?5000 Hz内的响应情况,仿真结果表明,在0?600 Hz内电主轴前端位移最大,最大位移不会引起刚度过大损失,可以满足生产要求。从0?5000 Hz电主轴在工作范围内刚度损失很小,完全满足生产条件。从0?5000 Hz内的响应结果看,电主轴从前端到后端各特殊节点受不同频率影响的程度不同,主要表现在电主轴前端易受高阶频率的影响,而后端对低阶频率的反应比较敏感,这对电主轴的设计与应用有很好的指导意义。
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