摘要：为了克服接触式加载中存在的摩擦、振动、噪声等问题,提出应用电磁加载的方法,研制电主轴非接触加载试验平台,进行电主轴非接触加载试验。推导加载装置的吸引力公式,通过磁路分割法计算加载力,并进行有限元仿真计算。通过力传感器采集电磁铁不同输入电流下的加载力,并与理论计算值和有限元仿真值进行对比,验证非接触加载的正确性和可行性;在恒定输入电流情况下,电主轴不同转速时进行电磁铁加载力的测试,得出加载力与转速的关系曲线。研究结果表明:计算值、仿真值与实测值比较接近,说明实验装置设计正确。本实验平台可准确高效采集加载力、温度等信息。

摘要：注液式在线动平衡是超高速电主轴的主要在线平衡方式之一,为了解决传统的注液式在线平衡终端容腔设计精度不高造成的平衡精度损失问题,计入高速旋转状态下平衡终端容腔内的油气复杂流动状态的影响,建立4种不同截面形状的容腔分析模型,利用FLUENT流体仿真分析手段基于VOF方法实现对平衡终端容腔内流体的三维数值模拟,研究了不同质量液体在不同转速条件下四种容腔内部流体的湍流情况、容腔内液体分布状态以及容腔外壁的合成压力,研究表明:90F形状容腔为最佳截面形状容腔。在充分考虑平衡终端极限运转条件下(最高转速和容腔充满液体),建立容腔外壁的有限元分析模型,实现平衡终端容腔的参数优化,应用3D打印技术制造优化后的平衡终端,在超高速铣削电主轴实验台上进行在线动平衡实验验证。实验结果表明:平衡前后工频幅值下降幅度均超过90%,平衡性能有效提升。

摘要：高速电主轴是高速精密机床的核心功能部件,主动磁悬浮技术是磁悬浮电主轴赖以正常运转和工作的基础。主动磁悬浮电主轴经过数十年的发展虽然在科学研究领域建立了不少案例,但迄今未在高速机床领域得到广泛应用。为探究主动磁悬浮电主轴在高速机床领域难以推广的主要原因,首先,对主动磁悬浮电主轴的发展历史进行了系统性回顾;其次,从磁轴承承载能力、系统动力学建模、磁轴承控制器设计和控制系统响应特性等方面,对主动磁悬浮电主轴的关键技术进行了较深入的综述分析;最后,从超高速轻载加工、超精密气磁悬浮、高磁密材料研制、新型FPGA控制芯片、功率放大器和传感器角度,提出了未来主动磁悬浮电主轴的发展趋势。

摘要：针对高速电主轴轴向振动直接影响立式加工件品质高低问题,用有限元法建立高速电主轴转子-轴承动力学模型,分析系统固有特性。轴向一阶固有振型为转子刚体振动振形,固有频率远低于一阶径向振动,理论计算固有频率结果与实验结果误差较小;据线性二次型最优控制理论对高速电主轴轴向振动的主动抑制进行理论分析,设计输出反馈控制系统,建立闭环动力学模型。实例计算结果表明,闭环系统能有效抑制高速电主轴轴向振动。

摘要：针对高速电主轴接触式加载存在的问题,设计了一套非接触电磁加载装置。该装置主要由高导磁加载盘、直流电磁铁、恒流源及测试部分组成。其中直径80mm、厚40mm的铁镍合金加载盘与直流气隙磁场相互作用,在加载盘上产生电磁力。利用该电磁力模拟主轴的切削力负载,可实现高速电主轴的非接触加载。使用所设计的装置对170MD18Y16型磨削电主轴进行加载试验,结果表明,加载值与设定值一致,所设计的装置能够满足高速电主轴加载的需要。当加载装置的气隙不变时,主轴转速、励磁电流是影响非接触电磁加载的主要因素。

摘要：建立了一种新型的高速电主轴多场耦合动力学模型,讨论了轴承模型、热态模型、芯轴动力学模型和电机电磁模型之间的耦合关系,提出热膨胀、轴承内圈离心膨胀、轴承内外圈接触膨胀、电磁不平衡拉力载荷和离心力载荷5种耦合因素,并且设计出多场耦合动力学模型的计算流程,分析耦合因素对高速电主轴系统运行状态的影响。以2ZDG60型高速电主轴为研究对象,计算结果表明,考虑耦合因素与不考虑耦合因素相比较,轴承动态支承刚度、轴承损耗功率以及芯轴动力学行为差别较大,实验结果表明:考虑耦合因素时的高速电主轴温升分布和芯轴固有特性与实验结果的吻合度较高。

摘要：针对高速电主轴接触式加载存在结构复杂、磨损及振动大等问题,提出一种非接触式电磁加载方法。该方法中动态电磁力可模拟主轴实际切削力载荷,实现高速电主轴动态非接触加载。利用电磁理论建立了非接触电磁加载模型,分析了电磁力的影响因素。解决了实现电磁加载的关键技术,并完成加载实验台整体设计。在转速为9 000r/min、励磁电流为40mA的加载条件下,针对170MD18Y16型磨削电主轴进行了动态加载实验,并对比了励磁电流和转速变化时动态电磁力的理论和实测值。结果表明,动态加载理论值与实测值变化一致,二者误差较小,验证了动态非接触电磁加载方法的有效性,且改变励磁电流和转速可实现不同条件的加载。

摘要：为提高高速电主轴工况下的动态性能,建立一个电主轴热-电-机耦合动力学模型。该模型包含球轴承热机耦合模型、热模型和考虑电磁不平衡力(Unbalanced electromagnetic force,UEF)影响的转轴动力学模型等子模型,各子模型之间基于轴承配置相互影响。确定系统主要设计参数(Design parameters,DVs),设计电主轴多场耦合动力学计算流程,在型号170MDl5Y20电主轴上进行相关试验对耦合模型和计算模型进行验证,并分析DVs对系统固有频率的灵敏度。理论和试验结果表明所建模型和能准确预测高速电主轴多场耦合动力学行为并揭示其耦合关系,此外获取了不同轴承配置下DVs对系统前两阶固有频率的灵敏度。

摘要：为了解决电主轴高速旋转时结构变化引起的自身热特性改变的问题,提出离心膨胀和热膨胀会影响电主轴内定、转子间对流换热的观点.基于弹性力学理论,计算电主轴定、转子受离心力和热载荷而产生的径向膨胀量及由此导致的气隙变化量;根据对流换热理论得出离心力影响下泰勒数随转速和气隙长度的变化规律以及对流换热系数的变化规律.计算发现,气隙长度随定、转子的膨胀而减小,该减小量占设计值的37.7%;泰勒数随转速升高而增大,随气隙长度增大而减小;对流换热系数随气隙长度增加而降低,使得定、转子间传热受到抑制.结果表明,若能提高气隙间对流换热系数,适当提升油水冷却功率,能够大幅度降低主轴转子温升和热位移,提高加工精度.

摘要：高速电主轴的动态加载是测试其动态性能、寿命和可靠性等的关键环节。然而,高速电主轴的结构特征和极高的转速,使得其难以实现动态加载。基于高压水射流技术的高速电主轴柔性加载系统首次被设计、制造并测试,描述了该加载系统的原理、结构和组成。利用连续动量方程推导了射流冲击力模型。通过射流冲击力标定试验和射流流体有限元仿真,得到了加载力与靶距、射流压强、流量、喷嘴直径、标靶直径、转速之间的关系,实现了高速电主轴径向力和轴向力的定量加载。此外,利用该加载系统测试了径/轴向力对高速电主轴动态性能的影响,试验结果表明:(1)高压水射流技术可以为高速电主轴提供稳定的、长时的动态加载;(2)高速电主轴的温升、功率损耗和振动会随着径/轴向负载力显著增大,空载测试不能揭示高速电主轴的真实动态性能。为解决高速电主轴动态加载的难题提供了一种全新的试验方法。