气体轴承技术是一种随着高科技的出现而发展起来的先进的实用技术,它具有几乎没有摩擦、无磨损、无污染、回转精度高,能在高温和低温工况下工作等特点,所以气体轴承在高速回转主轴和超精密主轴中有广泛的应用。 高速大功率全支承静压主轴采用全新设计方法,以全支承空气静压轴承为支承,提高了空气静压主轴的静态刚度和承载能力。采用这种新型主轴形式可以将空气静压主轴的工艺范围从传统应用领域如高速钻削和磨削的精密加工,拓展到高速精密铣削和车削加工。 本文采用有限元分析方法,对高速大功率全支承静压主轴的结构和动静态特性进行了深入的研究,具体包括: 1.高速大功率全支承静压电主轴的结构设计。本文主要研究了节流器的设计选型、轴承气膜间隙的计算和主轴电机的选择等。 2.高速空气静压主轴动静态特性的一维有限元分析。本文采用非线性弹簧模拟气体轴承,对主轴单元进行有限元建模,获得一种计算静态刚度的简单方法;本文还对主轴进行了动态分析:包括模态分析和谐响应分析,研究了空气静压主轴的固有频率、振型、最小动刚度,计算了主轴不同位置所发生的最大动态位移。 3.针对一维有限元分析空气静压主轴静态刚度计算精度不高的问题,本文提出一种新的分析方法——流固耦合分析。该分析方法是流体分析和固体分析相结合的一种方法,通过采用三维流体与实体建模来实现对主轴的静态刚度的分析,提高了计算仿真的精度。 4.建立了高速大功率全支承空气静压电主轴的静态刚度和动态测试实验系统,将电主轴静态和动态数据和理论计算结果作对比,验证了理论分析的可靠程度。 5.从轴承结构参数和轴承系统的布局两方面提出了两种改进方案,其中多支承改进型支承方案是对高刚度气体轴承支承方式的创新,提高了主轴的刚度。 本文有两大创新点:第一,用流固耦合的分析方法分析空气静压主轴。 第二,提出一种新型空气静压主轴支承方式——多支承改进型。