气-磁场耦合作用下高速气体静压电主轴的关键技术研究

High-speed cutting is an advanced manufacturing technology with high efficiency, high quality and low energy consumption, while the high-speed aerostatic motorized spindle is one of the key parts to realize high-speed cutting. At high speed, the inertial effect of airflow increases, and the coupling effect of the gas-magnetic field seriously influences the characteristics of motorized spindles. The high-speed aerostatic motorized spindle is taken as the study subject in this topic，the method of combining theoretical calculation and experiment is adopted. The dynamic calculation model of the aerostatic bearing flow field under the influence of airflow inertia is established and solved in a coupled way，the dynamic characteristics of aerostatic bearings under the influence of airflow inertia are studied. The dynamic model of the high-speed aerostatic motorized spindle under the coupling effect of the gas-magnetic field is established, the simultaneous two-way coupling solution is realized. A large number of two-way coupling solution data is obtained for the aerostatic motorized spindle structure design under the coupling effect of the gas-magnetic field. The influence of the airflow inertia, the rotor speed, the bearing structural parameters, the motor parameters, the rotor tilt and eccentricity on the motorized spindle rotating characteristics is studied. The coupling law is revealed between the gas field and the magnetic field, and the matching principle between aerostatic bearings and motors will be basically established for different motorized spindle structures.

高速切削加工是集高效、优质、低能耗于一身的先进制造技术，而高速气体静压电主轴是实现高速切削的关键部件之一。高速状态下，气流惯性效应增强，气-磁场的耦合作用严重影响了电主轴的特性。本项目将以高速气体静压电主轴为研究对象，采用理论计算和试验相结合的方法；建立气流惯性影响下的气体静压轴承流场动态计算模型，并进行耦合求解，研究气流惯性影响下的气体静压轴承动态特性变化规律；建立气-磁场耦合作用下高速气体静压电主轴的动力学模型，实现对流固场、磁固场的同时双向耦合求解；针对气-磁场耦合作用下气体静压电主轴的结构设计，通过对大量双向耦合求解数据的分析，研究不同电主轴结构时气流惯性、转子速度、轴承结构参数、电机参数、转子的倾斜偏心等对高速气体静压电主轴回转精度、轴承特性、电机特性等的影响规律，揭示气-磁场之间的耦合作用规律，初步建立不同电主轴结构时静压气体轴承与电机的匹配原则。

为提高气体静压电主轴的性能，对高速时气-磁场耦合作用下的电主轴进行了系统的理论和试验研究，主要研究内容及重要成果如下：. （1）提出了用于计算包含惯性效应的可压缩薄膜流体的压力计算方法，研究了惯性效应在高速气体静压主轴动态性能研究中的作用域及适用范围；结果表明，对于具有周向形状误差的转子而言，惯性效应会影响转子承载力的大小和方向，当转子偏心率较大时，惯性效应对高速精密气体静压主轴的稳定性影响不可忽略。. （2）建立了电主轴的动态性能计算模型，提出了保障主轴回转精度的形状误差推荐值，对转子截面测量数据进行的谐波分析结果表明，低次谐波对承载力波动的影响最显著，在转子的加工过程中应加以控制，避免在周向形状误差中出现低次谐波占比过大的情况。. （3）基于有限差分法和转子受力平衡方程建立了包含转子不平衡量的流场-转子-磁场耦合计算程序来对转子平衡位置进行研究，计算结果表明：随着转速升高，动压效应能够显著提高承载力并引起转子静平衡位置的改变，但随着转速上升转子静平衡位置的移动幅值逐渐变缓；转子偏心产生的不平衡磁拉力会对转子平衡位置产生纳米量级的偏移，影响程度随着转子向轴承中心移动而急剧减弱；随着转速升高，刚度和交叉刚度均会增加，交叉刚度幅值大于主刚度。. （4）在流固耦合仿真的基础上引入磁场概念，形成新的气-磁场耦合作用下气体轴承和转子系统的动态特性研究体系，围绕转子系统在气-磁场耦合环境下的振动特性建立有限元模型，探究了转子转速、气膜进口压力及磁拉力大小等不同因素对气体电主轴稳定性的综合影响。. 本项目的研究成果将为精密气体静压电主轴的设计提供理论依据和实践参考。