考虑轴承过盈配合的主轴系统动力学特性研究

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机床主轴系统动力学特性的影响因素很多,其中轴承是一个关键因素。角接触球轴承是一种高速主轴系统常用的轴承,其与主轴和箱体多采用过盈配合联接,过盈量的大小会影响轴承结构参数,继而影响主轴系统的刚度等动态特性。本文以高速电主轴系统为研究对象,针对轴承过盈配合量等因素,分析其对主轴系统动态特性以及切削稳定性的影响。针对以上问题具体工作如下:  首先建立了轴承过盈配合模型,该模型考虑了由于转速引起的内圈离心膨胀和温升热位移对过盈量的影响因素,将过盈配合模型耦合进Harries轴承动力学模型,建立了考虑轴承配合的轴承动力学模型。基于此模型,分析了过盈配合量在转速和预紧力基础上对轴承结构参数与动力学特性的影响规律。过盈配合量增加,内外圈配合压力、接触角、内外圈径向变形均线性增加;轴承刚度随着预紧力的提高而增加,而在一定预紧力下,轴承刚度随转速的增加非线性降低;在一定的预紧力和转速的情况下,过盈量的增加有助于提高轴承的刚度特别是轴承的径向刚度。  其次针对实验室自建主轴系统,考虑轴承的支撑刚度,基于并联转子的建模思想,采用Timoshenko梁单元建立了考虑主轴-刀柄-刀具结合面的高速电主轴系统有限元模型,分析了结合面对主轴系统固有频率的影响,发现结合面很大程度上降低了主轴系统的固有频率,由此验证了结合面建模的必要性。在此基础上分析了转速和预紧力特别是轴承过盈配合量对主轴系统固有频率的影响。结果表明各因素均通过轴承刚度对固有频率产生影响,轴承径向刚度的增大有效提高了主轴系统的固有频率。  最后以主轴系统刀尖点频响函数为基础,建立了铣削稳定性预测模型,结合主轴系统有限元模型,分析了主要因素对切削稳定性的影响,得到了转速、预紧力和轴承过盈量对主轴系统切削稳定性的影响规律。
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