【摘 要】
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主轴回转精度直接影响机床加工精度,是评价机床加工性能的重要指标。可控节流液体静压轴承作为主轴的支承部件,由于其承载能力大、刚度高以及节流特性可调可控等特点,可以极大地提高主轴的回转精度,已有学者对其进行了深入研究。由于润滑油具有粘性,实际工作中摩擦和剪切作用会使油膜温度升高,进而导致主轴轴瓦受热变形,该变形量与油膜厚度在同一量级,会严重影响主轴的回转精度,但目前针对主轴回转精度的研究均忽略了轴承温
【基金项目】
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国家工信部强基工程专项“超精密静压电主轴产业化实施方案”(TC160A310/1-26); 国家自然科学基金项目“基于可控节流和动网格算法的液体静压主轴回转精度极限研究”(No.51275163);
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主轴回转精度直接影响机床加工精度,是评价机床加工性能的重要指标。可控节流液体静压轴承作为主轴的支承部件,由于其承载能力大、刚度高以及节流特性可调可控等特点,可以极大地提高主轴的回转精度,已有学者对其进行了深入研究。由于润滑油具有粘性,实际工作中摩擦和剪切作用会使油膜温度升高,进而导致主轴轴瓦受热变形,该变形量与油膜厚度在同一量级,会严重影响主轴的回转精度,但目前针对主轴回转精度的研究均忽略了轴承温升问题,要实现主轴回转精度的精确预测,该问题亟需解决。论文主要工作如下:(1)根据流体润滑理论、传热学理论与热弹性变形理论,将轴承流体域和固体域联立求解,建立可计算轴承温度场和热变形的可控节流液体静压轴承流固热耦合数学模型,提出可反映轴承压力场、温度场和热变形相互影响关系的轴承流固热耦合仿真算法,实现轴承温度场和热变形的准确计算。(2)基于建立的可控节流液体静压轴承流固热耦合数学模型和提出的相应算法,定量仿真不同转速和偏心条件下轴承的温度场和热变形,揭示不同主轴转速和偏心条件下轴承温度场和热变形的变化规律。研究表明:主轴转速对轴承热变形影响极大,当转速增加到4000r/min时,轴承的径向热变形达到油膜厚度的27%。(3)在考虑轴承温升条件下,通过主轴轴心波动半径表征主轴回转精度,建立可控节流液体静压主轴回转精度精确仿真模型,提出计入轴承温升的主轴回转精度精确仿真算法,实现符合工程实际的主轴回转精度的精确仿真。通过与忽略轴承温升时主轴回转精度仿真结果进行比较,揭示在轴承温升条件下研究主轴回转精度的重要性。(4)基于建立的可控节流液体静压主轴回转精度精确仿真模型和提出的相应算法,研究轴承温升条件下不同轴颈圆度误差幅值和频率对主轴回转精度的影响规律。研究结果表明:轴颈圆度误差偶数次频主轴的回转精度明显优于奇数次频,且轴颈圆度误差频率为1波/周时主轴回转精度最差;轴颈圆度误差幅值增大导致主轴回转精度降低。(5)在可控节流液体静压主轴样机的基础上,搭建可控节流液体静压主轴回转精度测试实验台,通过测试主轴在不同供油压力和转速条件下的回转精度,与相同条件下的仿真结果进行比较,验证本文精确仿真模型和算法的有效性。本文考虑了轴承温升问题对主轴回转精度的影响,实现了对可控节流液体静压主轴回转精度的精确仿真,提高了主轴回转精度理论研究的准确性。
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