附件 B：
基于模型的高速電主軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)設(shè)計(jì)方法
摘要：高速電主軸系統(tǒng)在高速旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)受到諸多影響，這些會(huì)導(dǎo)致主軸的動(dòng)態(tài)性能和熱力學(xué)性能發(fā)生巨大的改變，從而導(dǎo)致主軸振動(dòng)，軸承發(fā)熱或者主軸軸承過早失效。因此，在高速電主軸的設(shè)計(jì)階段去考慮其在高速旋轉(zhuǎn)下的影響是很重要的。這篇文章首先以一個(gè)設(shè)計(jì)流程圖向我們展示了總體的主軸設(shè)計(jì)問題，基于這張流程圖八個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)得以確定。設(shè)計(jì)靈敏度分析這8個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，然后進(jìn)行基于集成有限元方法來研究它們?cè)谧匀活l率下對(duì)主軸系統(tǒng)的影響?；谧畲蟾倪M(jìn)原則，首先，通常將額定功率為32KW、額定轉(zhuǎn)速為25000rpm的定制電主軸的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改，提出了一套系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序，該程序基于仿真。結(jié)果表明主軸系統(tǒng)通過簡(jiǎn)單的調(diào)整軸承的前后位置，在25000rpm旋轉(zhuǎn)時(shí)的第一模態(tài)頻率可以從790.7HZ改進(jìn)到934HZ。如果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在25000rpm旋轉(zhuǎn)時(shí)第一模態(tài)頻率可以達(dá)到1453.3HZ，這也意味著相對(duì)于最初設(shè)計(jì)超過80%的部分已經(jīng)得到了改進(jìn)。
關(guān)鍵詞： 高速加工，電主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，F(xiàn)EM模塊，優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、引言
盡管高速金屬切削理論早在上個(gè)世紀(jì)30年代被提出，可是機(jī)床達(dá)到這些切削速度的能力直到上世紀(jì)80年代后期才得以商業(yè)化的存在，這遲遲難以被接受主要是由于復(fù)雜的高速影響所導(dǎo)致的性能和可靠性問題，比如，振動(dòng)和主軸軸承過早失效。因此為了實(shí)現(xiàn)高速機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)階段去考慮這些高速影響是至關(guān)重要的。
機(jī)床的主要設(shè)計(jì)要求與達(dá)到要求的表面光潔度和那部分沒有通過犧牲機(jī)床的可靠性和完整性而獲得的尺寸精度密切相關(guān)。重要的設(shè)計(jì)因素包括重量，切削力，強(qiáng)迫振動(dòng)，自激振動(dòng)以及熱擴(kuò)散。由于靜載荷和切削力所導(dǎo)致的問題已經(jīng)由Johnson和Town深入研究過，他們的結(jié)果已經(jīng)應(yīng)用于在一定的耐受極限撓度的具體重量或切削力的情況下的機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于強(qiáng)迫和自激振動(dòng)導(dǎo)致的問題越來越難預(yù)測(cè)。尤其是在高速的時(shí)候，強(qiáng)迫振動(dòng)主要是因?yàn)榇蠖鄶?shù)旋轉(zhuǎn)著的主軸的不平衡所引起的，然而自激振動(dòng)是在切削過程中產(chǎn)生的。這兩個(gè)過程與機(jī)床主軸的動(dòng)態(tài)特性高度相關(guān)。為了達(dá)到非常高的旋轉(zhuǎn)速度，電主軸一直在得到了發(fā)展。一個(gè)裝配了內(nèi)裝式電機(jī)的電主軸作為主軸軸頭的一集成部分，因此它可以去除傳統(tǒng)的傳動(dòng)裝置例如齒輪和帶傳動(dòng)。這種設(shè)計(jì)減少了振動(dòng)，達(dá)到了高速旋轉(zhuǎn)的平衡并且使得運(yùn)轉(zhuǎn)的加減速得以準(zhǔn)確的控制。然而，高速旋轉(zhuǎn)以及內(nèi)裝式電機(jī)也帶來了大量的熱，以及旋轉(zhuǎn)大規(guī)模進(jìn)入系統(tǒng)，要求精確調(diào)節(jié)冷卻，潤(rùn)滑和平衡。
由于高速電主軸的熱和力學(xué)性能變得非常難預(yù)測(cè)，因此，更多的注意力必須投放在配備了電主軸的高速機(jī)床的設(shè)計(jì)階段。