高速、精密、超精密加工技术是先进制造技术中的一个重要发展方向,高速高精度电主轴是该技术的前提和基础,其中高速高刚度的电主轴技术是目前研究的热点。空气轴承作为一种以空气为润滑介质的非接触式的支承元件,由于其特有的均化作用,它可以达到很高的回转精度,而且几乎没有摩擦和磨损,它具有转速高及使用寿命长的优点,但是空气轴承存在承载能力和刚度较小的弱点,一般应用在切削力不大的场合。因此研究并采用新的设计方法,使空气轴承的承载力及刚度有效地提高,使之能够从传统的高速钻削、磨削及精密加工领域,拓展到高速精密铣削和车削,具有重要的意义。 本文以新型结构的高速大功率全支承空气静压主轴为研究对象,首先对主轴中的单个空气静压轴承进行研究,采用直接数值模拟有限元方法对空气静压轴承进行全参数的三维实体建模,分析轴承在不同偏心率的情况下气膜上的压力分布,得出不同偏心率下轴承的承载力和刚度。在此基础上,对静压轴承的动压效应进行分析,减小了传统设计分析中不考虑静压轴承的动压效应所带来的误差,提高了轴承的设计精度,而且本文中的分析建模法可以很方便的应用于液体静压润滑。 在单个空气静压轴承有限元分析的基础上,本文对全支承空气静压电主轴轴系采用了流—固耦合这种全新方法进行了静特性分析。该方法克服了传统方法中分析轴系的轴承以得到轴承的刚度、阻尼等特性系数,再用与轴承的特性系数等效的弹性支承元件代替轴承支承,得到新的结构模型的缺点。该方法直接用轴承作支承,从流体和结构相互作用的角度进行直接分析,具有较高的精度。 针对大功率的空气静压电主轴中电机产生的热量的影响,本文从流体与热耦合的角度出发,直接分析流体与固体之间的热交换问题,得出空气静压电主轴的热态特性。避免了传统方法中先用经验公式求对流传热系数,然后再把对流传热系数边界条件加到电主轴上的中间步骤。研究表明,热—流耦合分析方法适用于电主轴的热态特性研究。 本文最后建立了空气静压电主轴的静态刚度和热态特性的实验系统,并对分析结果进行了实验验证,结果表明,以上的分析方法可行并具有较高的精度。