超高速空气静压电主轴动态性能流固耦合分析

【摘要】伴随多层高密度印刷电路板的发展,需要机械加工直径小于0.2mm的印刷电路板超微细孔的数量呈迅猛增长的趋势。因此,印刷电路板数控钻床的转速和精度要求也越来越高,超高速空气静压电主轴作为PCB数控钻床的核心元件,被大量应用于PCB微细孔的钻削。空气静压轴承由于其无磨损,高回转精度,机械振动小,寿命长等优点,常用来作为超高速空气静压电主轴的支承元件。但是由于空气具有低粘度、可压缩性等特点,使电主轴承载能力和刚度较小,容易出现不稳定现象,影响PCB数控钻床的加工质量。本文通过研究空气静压轴承的静态承载性能、动压效应、主轴系统的支撑结构优化、电主轴的动态特性,进而掌握空气静压电主轴的设计方法。本文的内容主要从以下几个方面展开：1、在深入分析静压气体润滑理论的基础上,建立Reynolds方程一般形式,应用Ansys对空气静压轴承的内部流场进行数值计算,得到了气膜压力的分布规律,并计算出承载能力和刚度。研究了空气轴承供气参数和结构参数对其静态特性的影响规律,从而根据刚度,承载力等综合因素,优选出空气静压轴承的结构参数。2、利用有限体积法分析软件FLUENT,通过对轴承处于旋转工作状态的仿真分析,研究了轴承动压效应对其承载性能的影响。结果表明：空气静压径向轴承的动压效应,会随着轴承转速的增加而呈现增强的趋势。3、对具有不同支承结构的超高速微切削空气静压电主轴进行全参数三维实体建模,运用流固耦合的有限元方法分析电主轴的多种结构方案,并进行承载特性分析对比,优选出了空气静压电主轴的支承结构。结果表明,前支承对电主轴的承载影响最大,主轴后段的设置对提高承载性能的贡献较小,为加强主轴刚性,可以选择主轴前段采用多排孔轴承的支承结构。4、建立超高速空气静压电主轴的整体模型,对其进行模态分析和谐响应分析得出其振型与固有频率,以及主轴在受到外力的情况下,它的前端位移的变化情况,为电主轴的加工及运行提供依据。
【作者】吴利杰；
【导师】肖曙红；
【作者基本信息】广东工业大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】空气静压轴承；超高速静压电主轴；动压效应；流固耦合；动态特性；

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