无内圈式陶瓷电主轴单元的动-热耦合特性分析及其结构优化

This project meet international research front of numerical control machine tools motorized spindle unit technology and demands of the original innovation development. In order to improve dynamic performance of motorized spindle unit, from the point of view of such problems as heat transfer, electromagnetic and dynamics, aiming at coupling problem of dynamic and thermal characteristics of ceramic motorized spindle unit without inner-ring , build a kind of taking the influence of thermal characteristic from thermal contact resistance of joint surface and the change of lubricant's viscosity-temperature into consideration while The radial stiffness function is described by the pseudo static model of the ceramic bearing without inner ring. Analysis of the effect of the centrifugal force softening effect of ceramic bearing and the support stiffness change rule of the combined action of thermal induced pre stress hardening effect and its influence on the dynamic performance of the spindle system. Under the full working condition, the thermal deformation mechanism of the ceramic electric spindle is fixed, and the influence of the internal structure of the spindle and the change of electromagnetic force on the dynamic performance is analyzed. Study on the deformation law of thermal expansion and thermal deformation and the coupling effect of vibration on the main spindle of multi section; Through the research of the project, to provide the theoretical basis for the optimization design of the high speed ceramic electric spindle unit, Improve the dynamic and static characteristics of the ceramic electric spindle, and provide high performance key core components for CNC machine tools.

本项目满足数控机床电主轴单元技术国际研究前沿和原始创新发展需要，以提高电主轴单元的动态性能为目标，从传热学、电磁学及动力学等多角度出发，针对无内圈式陶瓷电主轴的动态和热态特性的耦合问题，在考虑结合面接触热阻和润滑剂黏温变化对其热态特性影响的同时，以无内圈式陶瓷轴承拟静力学模型描述径向刚度函数，建立一种陶瓷高速电主轴热态特性与动力学特性耦合分析模型。分析陶瓷轴承离心力软化效应和热诱导预紧力硬化效应联合作用下的支撑刚度变化规律及其对主轴系统动力学性能的影响。寻找全工况下的无内圈式陶瓷电主轴定转子热变形机制，分析变形后主轴内部结构及电磁力变化对动态性能的影响。研究主轴多区段热扩散热变形规律及主轴热变形与振动耦合效应；通过项目的研究，为高速陶瓷电主轴单元结构优化设计提供理论基础，提高陶瓷电主轴的动、静态特性，为数控机床提供高性能关键核心部件奠定基础。

项目的背景及主要研究内容：.陶瓷电主轴作为数控机床的核心部件，其动态特性直接影响着数控机床的加工质量。为了减少环境温度、运行速度、外载荷及电磁力等因素的变化对陶瓷电主轴动态特性的影响，针对陶瓷电主轴设计制造及应用领域存在的关键问题，本项目通过机理模型和软测量技术相结合的方法，研究了陶瓷电主轴内部温度的分布情况，电磁径向力的变化规律，结合动热磁耦合理论，完成了陶瓷电主轴动态特性的计算，同时，应用软测量技术开发陶瓷电主轴振动预测系统。.重要结果及关键数据：.理论方面：随着转差率和气隙偏心量的增大，磁极、壳体磁场密度幅值及波动程度的变化显著提升；中高转速运转条件下，随着速度增加，轴承温度上升明显，转子系统轴向热位移量相比低转速工况明显增加。主轴高转速运转过程中，小幅度减少预紧力可以有效降低转子系统热位移量，提高主轴动态输出的能力，为研发陶瓷电主轴轴系之间的预紧提供重要的理论支撑。.实验方面：陶瓷电主轴磁场密度受到涡流和高次谐波作用出现磁场密度波动现象，陶瓷电主轴壳体磁场密度最大为9.57μT，实验值磁场密度与仿真值相差仅为0.62μT；考虑陶瓷逆磁特性和谐波效应，陶瓷电主轴损耗模型的仿真计算具有较高的精度，陶瓷电主轴损耗模型最大损耗误差为5.07%，平均误差为2.1%。.科学意义及影响：.项目成果可直接应用于数控机床的陶瓷电主轴单元中，保证工件的加工精度并大幅度延长陶瓷电主轴的使用寿命，提高陶瓷电主轴的加工精度，促进我国陶瓷电主轴产品的朝着高精度，高转速的方向发展。本项目的研究成果能够提高陶瓷电主轴加工精度，减少陶瓷电主轴运行工况下振动对零件加工的影响，提高陶瓷电主轴单元的整体运行精度，对实现高速加工具有十分重要的战略意义。同时该技术也可以推广到数控机床其它部件的机理研究，实现数控机床关键部件的温升和振动快速准确的预测功能。因此，本项目的研究具有重要的学术价值和实际应用价值。