高速机床电主轴热-动态特性及铣削稳定性研究

高速电主轴的力学特性是影响机床高速加工性能的关键因素之一，其研究具有重要的理论价值及现实意义。机床主轴通常由滚动轴承支承,由于滚动轴承非线性非光滑Hertz接触的作用，主轴系统具有非常复杂的动态特性。且当主轴高速重载运转时，轴承会由于温升产生热应力及热应变，进一步影响主轴系统的动态特性。因此，动力学及热弹性力学分析在现代机床主轴的研究中占据着非常重要的地位。国内外对该问题的研究成果众多，但其实质依然为静态的。申请者将建立高速电主轴动力学及热弹性力学动态模型，考虑轴承非线性非光滑接触因素，研究主轴-轴承系统设计参数对轴端振动响应的动态影响。并将主轴系统模型运用到铣削动力学方程中，研究非线性非光滑轴承支承引起的稳定及非稳定铣削岛现象、总结主轴-轴承系统设计参数对铣削稳定性的影响、揭示主轴端部动态特性与系统铣削稳定性之间的本质联系。研究结果可为我国研制高速、高效及高精度机床主轴提供理论依据。

本项目历时三年整，主要以科研论文的形式提供成果，目前为止，有4篇英文论文被SCI源刊发表或录用（发表2篇，录用2篇，录用论文预计2015年发表），有2篇中文核心期刊论文发表或录用（发表1篇，录用1篇，录用论文预计于2015年6月发表）。此外，还发表了1篇会议论文及1篇普通期刊论文，1个实用新型专利获得授权。项目的主要研究内容如下：. 项目采用考虑剪切变形和转动惯量的铁木辛柯梁作为该主轴系统的简化模型，通过对比分析确定前端组配轴承之间的最优跨距后，在施加不同预紧力的情况下，分析不同位置添加支承对于主轴低阶固有频率的影响。对由非线性非光滑球轴承支承电主轴系统进行动态响应研究，采用平均法对系统微分系统方程组进行求解，得到近似的解析频响函数。对滚子轴承间隙及主轴结构阻尼影响下的系统频响曲线进行了系统研究。发现非线性频响曲线表现出非常明显的硬刚度特性。且由于系统的非线性及非连续特性，该频响曲线还出现交叉及断开现象。. 采用三阶谐波平衡法及泰勒展开对主轴-球轴承系统进行定性分析。轴承间隙及转子初始位置对系统频响曲线的影响进行系统研究。若滚珠接触数目由于轴承间隙及初始条件的原因发生改变时，将发生擦边分岔，系统频响曲线发生很大的改变。且在滚珠接触数发生改变时，系统特征参数值会发生突变，这些特征参数可看做发生擦边分岔指示。. 项目采用Galerkin方法来对非线性的偏微分方程组进行离散，用平均法来获得系统的特征方程组。当过盈配合度提高后，系统的非线性程度降低。且所有频响曲线都趋向于同一个频率值。在频响曲线中，固有频率附近发现了固定点。由于主轴系统的非线性非光滑特性，频响曲线固定点的频率值很难确定，项目提出一种线性表达式来确定系统的固定点频率值，采用原非线性模型来对该线性的判断方法进行证明，可知道该线性方法能非常方便地对系统固有频率附近的固定点频率值进行确定。系统几何参数对固定点的影响也得到了相应的讨论。项目还采用理论结合实验的方法，研究轴承热特性对机床电主轴系统固有频率的影响。具有初始预紧力的电主轴在高速旋转时会发热，引起轴承套圈及滚珠的热膨胀，轴承将产生相应的热预紧力。该热预紧力与初始预紧力都会改变系统的固有频率值。. 以上研究揭示了电主轴系统参数及振动特性之间的本质联系。