大尺寸端面磨削主轴转子动力学研究

The new large-size face grinding spindle supported by hydrostatic thrust bearing and rolling bearing is developed. The dynamic model for large-size face grinding spindle under a 5-D coordinates is established, which includes a dynamic model of flexible rotor and a dynamic model of a rigid rotor in 5 degrees of freedom and dynamic parameter analysis model for hydrostatic and rolling bearings in 5 degrees of freedom; The dynamic design strategy for large-size face grinding spindle is put forward; The experimental prototype is developed to carry out the grinding test. The new large-size face grinding spindle not only is large in axial bearing capacity and high in rotary accuracy; but also prevents the dependence on import for the precision ball bearings with large diameter, which can reduce manufacturing cost of the spindle significantly. The dynamic model for the large-size face grinding spindle, considering the dynamic coupling of the large thrust bearing and the radial rolling bearing, lays a foundation for the dynamic design of the spindle. The study establishes dynamic analysis theory for the new large-size face grinding spindle. Furthermore, the techniques and theoretical method achieved in this study can find a wide application in the spindle or rotary table with a larger axial force applied, thus, it is promised that the theoretical method can be widely adaptive.

提出了静压推力轴承与滚动轴承混合支承的新型大尺寸端面磨削主轴。建立大尺寸端面磨削主轴5坐标系的动力学模型，具体包括：大尺寸端面磨削主轴柔性转子动力学模型与5自由度刚性转子动力学模型，静压轴承与滚动轴承5自由度动态参数分析模型；提出大尺寸端面磨削主轴动态设计策略；研制实验样机并完成应用试验。提出的新型大尺寸端面磨削主轴，不仅轴向承载力大、回转精度高，而且可望突破此类主轴大规格精密球轴承国内不能自给，而进口又受限制的困局，大幅降低制造成本。建立的大尺寸端面磨削主轴柔性转子动力学模型与5自由度刚性转子动力学模型，为开展大尺寸端面磨削主轴动态设计奠定理论基础。此项研究不仅对机床主轴动力学的发展有推动作用，而且形成的技术与理论成果，还可推广应用于以承受轴向力为主的其它类型的主轴和旋转工作台等，具有较广泛适应性。

近年来端面磨床不断朝着大型化方向发展，以适应大型零件端面磨削的需求，提高生产效率。大尺寸端面磨削电主轴设计面临的主要问题包括：（1）如何提高大质量转子的一阶临界转速；（2）如何平衡加工过程中的大磨削力。因此，迫切需要完善现有的端面磨削主轴动态设计理论和方法。项目组完成的主要工作如下：.采用滚动轴承和液体静压推力轴承混合支承的方案，完成了大尺寸端面磨削电主轴结构设计，克服了传统的滚动轴承电主轴承载能力不足和液体静压轴承电主轴温升大的缺点，提供了一种使滚动轴承适应液体静压推力轴承轴向移动和倾斜运动的技术方案。.基于Jones-Harris滚动轴承分析理论和Hertz接触理论建立了成组角接触球轴承5自由度拟静力学模型，研究了成组角接触球轴承在不同运行条件下的动态特性，搭建了成组角接触球轴承动态刚度测试实验台，开展了相关实验研究。.采用传递矩阵法和成组角接触球轴承分析方法建立了串联双联角接触球轴承-转子系统动力学模型，定量分析了转子-轴承组配方式对主轴动态特性的影响，为电主轴转子-轴承组配方式优选设计提供了理论支撑。.基于液体动静压润滑理论建立了液体静压推力轴承3自由度分析模型，分析了轴承规格尺寸、节流方式以及运行条件对液体静压推力轴承静态特性和动态特性的影响，完成了液体静压推力轴承优化设计。.采用改进传递矩阵法建立了大尺寸端面磨削电主轴柔性转子动力学模型，完成了大尺寸端面磨削电主轴转子动力学设计。基于刚体动力学理论建立了大尺寸端面磨削电主轴刚性转子动力学模型，完成了大尺寸端面磨削电主轴性能设计。根据相似原理搭建了大尺寸端面磨削电主轴模拟实验台，完成了相关实验研究。.基于传热学和摩擦学理论建立了大尺寸端面磨削电主轴热力学模型，分析了电主轴转子-轴承系统的温度场和热变形，完成了大尺寸端面磨削电主轴的优选热设计，形成了一套大尺寸端面磨电主轴热-结构耦合设计方法。