1、 1 目录目录 目录. 1 1 绪论 . 2 1.1 高速加工与电主轴技术 2 1.1.1 加工概述 . 2 1.1.2 高速电主轴 3 1.2 主轴静态特性的研究现状 5 1.3 课题研究的主要内容 . 6 2 高速电主轴单元的静态特性分析 . 7 2.1 主轴的静态特性概述 . 7 2.2 电主轴结构的静态特性分析. 7 2.2.1 主轴的整体结构分析 8 2.2.2 主轴组件的支承刚度分析. 8 2.2.3 主轴轴承分析 8 2.2.5 主轴的跨距分析. 9 2.2.6 电主轴的转子 .10 3 轴承刚度的分析 .10 3.1 轴承刚度概述.10 3. 2 角接触球轴承静刚度的计算 .
2、11 321 角接触球轴承受力分析 12 3.2.2 轴承的轴向预紧与位移 .13 3.2.3 轴承的径向刚度13 3.2.4 本课题主轴轴承静刚度的计算.14 4 高速电主轴静态特性的有限元分析 .16 4.1 ANSYS 在结构分析中的应用 16 4.1.1 ANSYS 中的结构线性静力分析.16 4.2 高速电主轴静态特性有限元分析模型17 4.2.1 构建有限元模型17 4.2.3 确定实常数.26 4.2.4 设置材料属性 .31 4.2.5 划分网格 31 4.2.6 施加载荷和边界条件.32 4.2.7 求解及后处理查看电主轴单元的静态变形 .33 5 基于电主轴支撑跨距的优化设
3、计 35 5.1 概述.35 5.2 ANSYS 的优化设计原理 .36 5.3 基于 ANSYS 的电主轴结构优化 .36 5.3.1 数化有限元模型的建立 .36 5.3.2 生成优化文件 .38 结论42 致谢43 2 1 绪论绪论 1.1 高速加工与电主轴技术高速加工与电主轴技术 1.1.1 加工概述加工概述 用提高加工速度的方法来提高生产率一直是制造技术领域十分关注并为之 不懈奋斗的重要目标。高速加工就是近年来发展起来的一种集高效、优质和低耗 于一身的先进制造工艺技术。 高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠的实现高速运动的高精 度、高自动化、高柔性的制造设备，以大幅度地提高切
4、削速度来达到提高材料切 除率、 加工精度和加工质量的现代制造加工技术。 它是提高切削效率、 加工质量、 加工精度和降低加工成本的重要手段。 其显著标志是使被加工塑性金属材料在切 除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一域限值，开始趋向最佳切除条件，使得 被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表 面质量等明显优于传统切削速度下的指标， 而加工效率则大大高于传统切削速度 下的加工效率。 实现高速加工技术的核心关键技术主要有：高速切削机理，高速机床技术， 高速加工用刀具技术，高速加工工艺技术，以及高速加工测试技术等。其中高速 机床则是实现高速加工的前提和基本条件。一个国家高
5、速加工的技术水平，在很 大程度上反映在高速机床的设计制造技术上。在现代制造技术中，机床的高速化 已成为一个不可阻挡的发展潮流1。现在，世界各工业发达国家都把生产高速机 床作为其重要的发展目标， 高速机床的生产能力和技术水平已经成为衡量一个国 家制造技术水平的重要标志。 高速机床技术主要包括高速单元技术和机床整机技术。 单元技术包括高速主 轴、高速进给系统、高速 CNC 控制系统等。 3 1.1.2 高高速电主轴速电主轴 1、电主轴概述 高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速机床的 核心部件。这四个部分构成一个动力学性能及稳定性良好的系统，在很大程度上 决定了机床所能达到的
6、切削速度、加工精度和应用范围。高速主轴单元的性能取 决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关 技术，其中一些技术又是相互制约的，包括高速和高刚度的矛盾、高速和大转矩 的矛盾等。 从目前发展现状来看， 主轴单元形成独立的单元而成为功能部件以方便地配 置到多种加工中心及高速机床上，而且越来越多地采用电主轴类型。电主轴的关 键技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴 刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具动平衡等。 高速大功率主轴单元的基本方案是采用集成内装式电主轴， 这种结构基本上 取消了带传动和齿轮传动等中间传动环节，其主轴由内装式电机直接驱动，从而 把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主轴的“零传动“ 4。这是一种由 内装式电机和机床主轴“合二为一”的传动形式，即采用无外壳电机，将其空心 转子直接套装在机床的主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内， 形成内装式电机主轴(Buildin Motor Spindle)，或称高速电主轴(Highspeed Motorized Spindle)。电主轴典型的结构和
