附件 B：
基于模型的高速電主軸系統(tǒng)動態(tài)性能改進設計方法
摘要：高速電主軸系統(tǒng)在高速旋轉過程中會受到諸多影響，這些會導致主軸的動態(tài)性能和熱力學性能發(fā)生巨大的改變，從而導致主軸振動，軸承發(fā)熱或者主軸軸承過早失效。因此，在高速電主軸的設計階段去考慮其在高速旋轉下的影響是很重要的。這篇文章首先以一個設計流程圖向我們展示了總體的主軸設計問題，基于這張流程圖八個設計參數(shù)得以確定。設計靈敏度分析這8個設計參數(shù)，然后進行基于集成有限元方法來研究它們在自然頻率下對主軸系統(tǒng)的影響。基于最大改進原則，首先，通常將額定功率為32KW、額定轉速為25000rpm的定制電主軸的系統(tǒng)設計進行更改，提出了一套系統(tǒng)設計程序，該程序基于仿真。結果表明主軸系統(tǒng)通過簡單的調整軸承的前后位置，在25000rpm旋轉時的第一模態(tài)頻率可以從790.7HZ改進到934HZ。如果進行優(yōu)化設計，在25000rpm旋轉時第一模態(tài)頻率可以達到1453.3HZ，這也意味著相對于最初設計超過80%的部分已經得到了改進。
關鍵詞： 高速加工，電主軸系統(tǒng)設計，系統(tǒng)動力學，F(xiàn)EM模塊，優(yōu)化設計

1、引言
盡管高速金屬切削理論早在上個世紀30年代被提出，可是機床達到這些切削速度的能力直到上世紀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雜的高速影響所導致的性能和可靠性問題，比如，振動和主軸軸承過早失效。因此為了實現(xiàn)高速機床的優(yōu)點，在設計階段去考慮這些高速影響是至關重要的。
機床的主要設計要求與達到要求的表面光潔度和那部分沒有通過犧牲機床的可靠性和完整性而獲得的尺寸精度密切相關。重要的設計因素包括重量，切削力，強迫振動，自激振動以及熱擴散。由于靜載荷和切削力所導致的問題已經由Johnson和Town深入研究過，他們的結果已經應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床結構設計。在運轉過程中由于強迫和自激振動導致的問題越來越難預測。尤其是在高速的時候，強迫振動主要是因為大多數(shù)旋轉著的主軸的不平衡所引起的，然而自激振動是在切削過程中產生的。這兩個過程與機床主軸的動態(tài)特性高度相關。為了達到非常高的旋轉速度，電主軸一直在得到了發(fā)展。一個裝配了內裝式電機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)的傳動裝置例如齒輪和帶傳動。這種設計減少了振動，達到了高速旋轉的平衡并且使得運轉的加減速得以準確的控制。然而，高速旋轉以及內裝式電機也帶來了大量的熱，以及旋轉大規(guī)模進入系統(tǒng)，要求精確調節(jié)冷卻，潤滑和平衡。
由于高速電主軸的熱和力學性能變得非常難預測，因此，更多的注意力必須投放在配備了電主軸的高速機床的設計階段。