基于模型的高速电主轴系统动态性能改进设计方法[外文翻译].doc

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基于模型的高速电主轴系统动态性能改进设计方法
摘要：高速电主轴系统在高速旋转过程中会受到诸多影响，这些会导致主轴的动态性能和热力学性能发生巨大的改变，从而导致主轴振动，轴承发热或者主轴轴承过早失效。因此，在高速电主轴的设计阶段去考虑其在高速旋转下的影响是很重要的。这篇文章首先以一个设计流程图向我们展示了总体的主轴设计问题，基于这张流程图八个设计参数得以确定。设计灵敏度分析这8个设计参数，然后进行基于集成有限元方法来研究它们在自然频率下对主轴系统的影响。基于最大改进原则，首先，通常将额定功率为32KW、额定转速为25000rpm的定制电主轴的系统设计进行更改，提出了一套系统设计程序，该程序基于仿真。结果表明主轴系统通过简单的调整轴承的前后位置，在25000rpm旋转时的第一模态频率可以从790.7HZ改进到934HZ。如果进行优化设计，在25000rpm旋转时第一模态频率可以达到1453.3HZ，这也意味着相对于最初设计超过80%的部分已经得到了改进。
关键词： 高速加工，电主轴系统设计，系统动力学，FEM模块，优化设计

1、引言
尽管高速金属切削理论早在上个世纪30年代被提出，可是机床达到这些切削速度的能力直到上世纪80年代后期才得以商业化的存在，这迟迟难以被接受主要是由于复杂的高速影响所导致的性能和可靠性问题，比如，振动和主轴轴承过早失效。因此为了实现高速机床的优点，在设计阶段去考虑这些高速影响是至关重要的。
机床的主要设计要求与达到要求的表面光洁度和那部分没有通过牺牲机床的可靠性和完整性而获得的尺寸精度密切相关。重要的设计因素包括重量，切削力，强迫振动，自激振动以及热扩散。由于静载荷和切削力所导致的问题已经由Johnson和Town深入研究过，他们的结果已经应用于在一定的耐受极限挠度的具体重量或切削力的情况下的机床结构设计。在运转过程中由于强迫和自激振动导致的问题越来越难预测。尤其是在高速的时候，强迫振动主要是因为大多数旋转着的主轴的不平衡所引起的，然而自激振动是在切削过程中产生的。这两个过程与机床主轴的动态特性高度相关。为了达到非常高的旋转速度，电主轴一直在得到了发展。一个装配了内装式电机的电主轴作为主轴轴头的一集成部分，因此它可以去除传统的传动装置例如齿轮和带传动。这种设计减少了振动，达到了高速旋转的平衡并且使得运转的加减速得以准确的控制。然而，高速旋转以及内装式电机也带来了大量的热，以及旋转大规模进入系统，要求精确调节冷却，润滑和平衡。
由于高速电主轴的热和力学性能变得非常难预测，因此，更多的注意力必须投放在配备了电主轴的高速机床的设计阶段。