加工中心电主轴系统设计与分析_.pdf

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大连理工大学硕士学位论文加工中心电主轴系统设计与分析姓名：

潘庆志申请学位级别：

硕士专业：

机械工程指导教师：

孙伟;刘德栋20091201大连理工大学专业学位硕十学位论文摘要高速加工能显著地提高生产率和降低生产成本，是一项非常有前景的先进制造技术。

实现高速加工的首要条件是高质量的高速机床，而高速电主轴是高速数控技术和加工中心的关键部件。

电主轴系统的静态、动态刚度是影响性能主要难题之一。

因此，在设计时对其进行详细的静、动态分析，对于进一步提高高速机床的工作性能有十分重要的意义。

本文对电主轴设计的诸多技术问题进行了阐述，并针对本课题提出解决方法，完成电主轴的结构设计。

运用ANSYS软件，用有限元分析法对高速电主轴的动静态特性进行了研究分析，具体包括：

（1）提出电主轴结构设计中一些关键性的技术问题（如轴承选型、电机的选择、动平衡设计、主轴的润滑密封形式、冷却形式等），并逐一加以解决，完成电主轴结构设计。

（2）应用ProE和ANSYS软件对主轴建立准确的三维有限元模型，并对高速电主轴单元在典型工艺参数下主轴所受切削力、电主轴刚度等进行有限元分析，得出了电主轴的静刚度。

（3）应用ANSYS动态分析功能，获得了电主轴的模态和谐响应特性；研究了电主轴的固有频率、振型和临界转速；并通过分析得出了电主轴的动态特性。

关键词：

电主轴；有限元分析；静动态特性；模态分析；谐响应加工中心电主轴系统设计与分析TheSnuctleDesignandCharacteristicAnalysisofMachiningCenterMotorizedSpindleSystemAbstractHigh-speedmachiningisapromisingadvancedmanufacturingtechnologyforincreasingproductivityandreducingproductioncostsdramaticallyHigh-speedmachinetoolisthepreconditionforrealizinghighspeedmachiningHighspeedmotorizedspindleisacriticalunitofthehigh-speedNCmachinetoolandthemachiningcenterThestaticanddynamicstiffnessofmotorizedspindlesystembecomeadifficultproblem，whichdirectlyinfluencesitsfunctionSo，itisimportanttooptimizetheconstructiondesignonimprovingtheperformanceofthehigh-speedmachinetoolbystudyingthestaticanddynamiccharacteristicsofHighSpeedmotorizedspindleInthispaper,elaboratemanytechnicalproblemsindesignofspindlestructure，andfindoutsolutionsmethodsThestructureofspindleisdesignedThestaticanddynamicperformancesoftheHighSpeedmotorizedSpindlearestudiedwithANSYSsoftwarebyFEMDetailsofstudiesareasfollows

（1）Theconstructionofthemotorizedspindleisdesignedbasedonsolvingsomecriticalprobleminconstructiondesign。

Suchaschoiceofbearing,choiceofmotor,designofdynamicbalance，styleoflubricationandseal，styleofcooling,andSOon

（2）The3DFEMmodelisestablishedusingProEandANSYSaccuratelyCalculatethestaticstiffnessofmotorizespindlewimtypicalcuttingparameterbyfiniteelementanalysis邸）Baseonthedynamic-analysisfunctionofANSYS，themodalandharmonicresponsecharacteristicsofthemotorizedspiIltileareanalyzed，andalsothenaturalfrequency，vibrationmodeandcriticalrotationratearestudiedThedynamiccharacteristicsarestudiedbyanalyzeKeyWords：

MotorizedSpindle；FEM；StaticandDynamicCharacteristic；ModalAnalysis；HarmonicII大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。

尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。

与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

学位论文题目：

加工生!

坠电主独丕统遮让皇盆蚯作者签名：

透壅圭日期：

鲨丘年么厶月上厶日大连理工大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。

学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

学位论文题目：

作者签名：

导师签名：

大连理工大学专业学位硕士学位论文1绪论11课题研究的意义随着科学技术不断发展，数控机床的发展也越来越快，数控机床正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展，对于现代机床来说，高速切削比常规切削具有下列优点：

（1）随切削速度的提高，进给速度也可以相应提高，以便基本保持每齿切削厚度不变，单位时间内的材料切除率可大大增加，极大地提高了加工生产率：

（2）在切削速度增加到一定值后，切削力可降低30以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于提高薄壁件等刚性差的零件的加工精度；（3）在高速切削状态下，95以上的切削热还来不及传给工件时，就被切屑迅速带走，工件基本上保持冷态，因而特别适合于加工容易热变形的零件；（4）高速切削时，机床的激振频率特别高，它远远离开了机床关键部件的基本阶固有振动频率范围，使机床工作平稳、振动小，因而能加工出非常精密且光洁的零件；（5）采用高速切削可以得到很高的零件加工表面质量，可以达到磨削的水平；（6）高速切削可以加工常规切削无法加工的高硬度材料（可达62HRC左右），可以钻olmm以下的小孔（7）可以在无冷却液的情况下进行干切削。

实现高速加工的首要条件和关键技术之一，是研究和开发性能优良的高速数控机床，高速加工的主要特征是采用510倍于常规切削速度进行切削加工，因此要求主轴转速高，输出的转矩和功率要大，并且在运转中保持良好的动态特性和热特性。

高速电主轴也称为电机内装式主轴单元，取消了诸如齿轮、皮带等中间传动环节。

实现了机床的”零传动”，它具有结构紧凑、惯性小、转速高、动态特性好等诸多优点，因而在高速机床中得到了广泛的应用。

作为数控机床的核心功能部件，高速电主轴动态性能的好坏将直接关系到机床的加工精度和可靠性。

电主轴的机械结构虽然比较简单，但制造工艺的要求却非常严格。

这种结构相应的带来一系列新的技术难题，诸如内置电动机的散热、高速主轴的动平衡、主轴支承及其润滑方式的合理设计等问题。

这些问题必须妥善地得到解决，才能确保主轴稳定可靠的高速运转，实现高效精密加工。

而电主轴系统的静态、动态刚度是影响性能主要难题之一，因此在设计时对其进行详细的静、动态分析并优化，对于进一步提高高速机床的工作性能有十分重要的意义。

加工中心电主轴系统设计与分析12国内外研究现状121国内外电主轴技术与发展趋势国外电主轴最早用于内圆磨床，上世纪80年代，随着数控机床和高速切削技术的发展和需要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床，成为近年来机床技术所取得的重大成就之一【l】。

随着机床技术、高