高速电主轴动态特性的有限元分析
基于有限元分析方法的高速电主轴温度场仿真
陈 红 蕾
（ 兰州 工 业研 究 院 ， 肃 兰 州 ７ ０ ５ ） 甘 ３ ０ ０
摘 要 ： 高速切 削加 工是 先进 制造 技 术 的 主要 发 展 方 向之 一 ， 高速 电主 轴作 为 高速 加 工 机床 的核 心 部件 ， 由于其 主 电动 机 的散 热 条件 较差 ， 承温升 比较 高 ， 轴 由此 引起 的 热 变形 会 降低 机床 的加 工精 度 。 本
ｄｏ ａ ｎ ｉ ｉｃ ｅ ｉｅ ｉ ｏ ｔ ｉ ｉｅ ｅｅ ｅ ｔ， ｏ ｖ ｏ ｅ ｃ ｕｎ ｔ ｍ ｉ ｓ ｄ ｓ ｒ ｔｚ ｄ ｎｔ ｈｅ ｆｎ ｔ ｌ ｍ ｎ ｓ ｌ ｅ ｔ ａ ｈ ｉ ，ｗ ｈ ｃ ｃ ｎ ｍ ａ Ｓ ｏ ａｎ ｔ ｅ ｌｍ ｉｅ ｅ ｔｃ ｎｄｕ ｔｖｉｙ ｅ ａ— ｉｈ ａ ｋｅ Ｕ ｂｔ ｉ ｈ ｉ ｔ ｄ ｈ ａ ｏ ｃ ｉ ｔ ｑｕ ｔｏｎ Ａ ｎ ｉ ｏｌ ｎ ｈｅ ｅ ｔｍ ｐｅ ａｔ ｒ ｉｌ ｗｅ ｃ ｎ ｏ ａ ｎ ｔ ｅ ｔ ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｉｌ ｉ ｔｉ ｉ ａ ｈ ｅ ｄ． Ｆｉ ｌｙ， ｉ ． ｄ ｖ ａｓ ｖｉｇ ｔ ｓ ｅ ｒ ｕ ｅ ｆｅｄ， ａ ｂｔ ｉ ｈ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｆｅ ｄ ｄ ｓ ｒｂｕｔｏｎ ｍ ｐ ｔ ａｔｗｅ ｎ ｅ ｎａ ｌ ｗ ｅ ｈ ｖｅ ｒ ａ ｉｅ ｈｅｆ ｅ ａ ｔｔ ｈ ｌ ｃ ｒｃｔ ａｎ ａ ｅ ｔ ｍ ｐｅ ａ ｕｒ ｉ ｌ ｄ ｐｕ ｏｒ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｒ ｏ ｉ ｐｒ ｅ ｉｓ ｔ ｒ ａ ｅ ｌｚ ｄ ｔ ｏｒ ｃ ｓ ｏ ｔ ｅ ｅ ｅ ｔ ｉｉｙ ｍ ｉ ｘｌ ｅ ｒ ｔ ｅ ｆｅｄ ａｎ ｔｆ ｗ ｒ ｈｅ ｍ ａ ｕ ｅｔ ｍ ｏｖ ｔ ｈｅ — ｍ ａ ｔ ｔ ｈａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｃ ｏｒ ｎ ｔ ｈｅ ｒ ｓ ａｒ ｈ． ｌｓａ ｅ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉ ｔｃ ａ ｃ ｄｉｇ ｏ ｔ ｅ ｅ ｃ ． Ｋｅ ｒ ｓ： ｉｈ－ ｐｅ ｄ ｍ ｏ ｏｒｚ ｄ ｓ ｎｄｌ Ｆｉ ｔ ｌ ｍ ｅ ｔｍ ｅ ｈｏｄ， ｅ ｐ ｒ ｔ ｅ ｆｅｄ ｙ ｗｏ ｄ Ｈ ｇ ｓ ｅ ｔ ｉｅ ｐｉ ｅ， ｎｉｅｅ ｅ ｎ ｔ Ｔ ｍ ｅ ａ ｕｒ ｉｌ
基于ANSYSWorkbench的高速电主轴动力学特性分析_图文(精)
文章编号 :1001-2265(2010 09-0020-03收稿日期 :2010-03-05; 修回日期 :2010-04-133基金项目 :浙江省自然科学基金 (X106874作者简介 :巫少龙 (1970— , 男 , 浙江衢州人 , 衢州职业技术学院副教授 , 博士 , 主要研究方向为机械制造及自动化、机械优化设计 , (E -mail wushaol ong@qzc . cn 。
基于 ANSYSWorkbench 的高速电主轴动力学特性分析3巫少龙 1, 张元祥2(1. 衢州职业技术学院 , 浙江衢州 324000; 2. 浙江工业大学 , 杭州 314000摘要 :论文阐述了影响高速电主轴抗振能力的固有特性、动力响应和动力稳定性动力学特性。
以高速、大功率的铣削加工中心电主轴为研究对象 , 采用ANSYS Workbench 有限元软件对电主轴进行模态分析 , 研究电主轴的振型、固有频率和临界转速 , 获得电主轴各阶频率和振型 , 指出主轴远离抗振性的频率要求以及前支承的刚度和阻尼对主轴系统的振动的影响。
通过模态分析为进一步的动力学分析提供必要的依据。
关键词 :电主轴 ; 动力学分析 ; ANSYS Workbench 中图分类号 :TH16; TG65文献标识码 :ABa sed on ANS Y S W orkbench H i gh Speed Electr i c ity Sp i n dle D ynam i cs Character isti c Ana lysisWU Shao 2l ong 1, Z HANG Yuan 2xiang2(1. Quzhou College of Technol ogy Quzhou, Quzhou Zhejiang 2. ofTechnol ogy, Hangzhou 314000, ChinaAbstract:This paper describes the i m of of dyna m ic re 2s ponse of the inherent high 2s peed high 2power m illing s p indle ele ment s oft w are ANSYSWorkbench s p indle modal a 2nalysis natural frequency and critical s peed access t o electricity and the natural fre 2quencies and vibrati on s p indle type . Pointed out that the s p indle a way fr om the anti 2vibrati on frequency of requests and the f or mer bearing stiffness and da mp ing of the s p indle syste m vibrati on . Thr ough the modal a 2nalysis for further p r ovide the necessary basis for dyna m ic analysis . Key words:electricity s p indle; kinetic analysis; ANSYS workbench0引言高速电主轴是高速机床的核心部件 , 它将机床主轴与变频电机轴合二为一 , 即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件内部 , 也被称为内装式电主轴 , 其间不再使用皮带或齿轮传动副 , 从而实现机床主轴系统的“ 零传动” [1]。
高速电主轴动态特性的有限元分析与振动测试
表 ２ 主 轴 的 临界 转 速
势 项 及 平 滑 处 理 ， 弱 干 扰 信 号 ， 能 从 振 动 信 号 中 得 消 才
到 需 要 的 信 息 ， 以 便 解 决 振 动 问 题 或 对 振 动 问 题 作 出
同密 度 的 轴 材 料 ， 为 主 轴 的 附 加 分 布 质 量 ， 效 到 主 作 等 轴 单 元 上 。 根 轴 采 用 ＡＮＳ 整 ＹＳ 中 Ｓ ｌ ４ 单 元 来 模 拟 ， ｏｉ ５ ｄ 该 单 元 主 要 用 于 三 维 实 体 结 构 中 ， 为特性 ， 并计 算 出临界 转速 。通过 振 动 测试 实验 ， 到 电主 轴在 不 同转 速 下 的振 动 量 ． 对 采 集到 的 信 得 并
号进 行 相 关性 与 自振 特 性 的分 析 。 分析 结 果表 明 ： 主轴 的 最 高工 作 转速 远 离临界 转速 ， 电 能有 效避 免 共振 现 象的发 生 。 关 键词 ： 主轴 电 模态分析 振动测试 Ａ ＳＳ Ｎ Ｙ
电 主 轴 振 动 测 试 实 验 设 备 由
ＤＨ５ ２ ９ ２信 号 测 试 分 析 系 统 及 加
速度 传 感器 组 成 ，加速 度 传 感器
的 安 装 如 图 ３所 示 。 图 中 ３ １ 、 １ １ 分 别 为 测 、 ０ ｌ 、２
试 仪 ＤＨ５ ２ 的 通 道 号 ， 其 中 加 ９２ 速 度 传 感 器 的 相 关 参 数 见 表 ３。
态有 限元模 型 时 ， 对 电主轴进 行 简化 。 主 轴 中的前 需 电 后 轴 承 为 角 接 触 轴 承 ， 可 将 其 简 化 为 只 有 径 向 刚 度 的 弹 性 支 承 ， 即 径 向 的 弹 簧 压 缩 单 元 ， 在 ＡＮＳ ＹＳ 中 用 Ｃ ｍｂｎｌ ｏ ｉ ４弹 簧 一 尼 单 元 来 模 拟 。 电 机 的 转 子 用 等 效 阻
高速电主轴热态性能的有限元分析及温升控制
Ｆｉ ｉｅ Ｅｌｍ ｅ ｎ ｔ ｅ ｎｔＡｎａ ｙ ｉ ｆＴｈ ｒ ａ ｌ ｓｓ ｏ ｅ ｍ ｌＣｈａ ａ ｔ ｒ ｓｉｓ ａ ｄ Ｔｅ ｐｅ ａ ｕｒ ｓ ｎｔ ｏ ｏｒ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｎ ｍ ｒ ｔ ｅ Ｒｉｅ Ｃｏ ｒ ｌｆ Ｈ ｉｈ Ｓ ｅ ｏ ｏ ｉｅ ｐｉ ｄｌ ｇ ｐｅ ｄ Ｍ ｔ ｒ ｚ ｄ Ｓ ｎ ｅ Ｗ ＥＮ Ｈｕ ｉｘ ｎ ａ — ｉ ｇ，Ｗ ＡＮＧ ｅ— ａ Ｍ ｉｙ ｎ
Ａｂｓｒ ｃ ｔ ａ ｔ：Ａ ｃ ｏ ｄｎ ｏ ｔ ｎｔｒ ｌ ｏ ｏ ｈ ｒ ｃ ｅｉｔｃ ｆｈｇ ｐｅ ｄ ｍｏ ｏ ｉ ｅ ｐｉ ｄｅ ｈｅ ｔｓ ｕ ｃ ｓａ ｅ ｃ ｒ ｉｇ ｔ ｈｅｉ ｅｎａ ｔ ｒｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉｓ ｏ ｉｈ ｓ ｅ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｎ ｌ， ａ ｏ ｒ ｅ ｒ ｍ
ｃｏｎｔｏ１ ｒ
Ｏ 引 言
电主轴作 为 一 种 新 兴 的 机 床 主轴 结 构 ， 采用 内
态 特 性 的 研 究 与 电 主 轴 温 升 的 控 制 是 电 主 轴 需 要 解
决 的关 键 问题 之 一 。
装 式 电机 直接驱 动形 式 ， 和传 统 的 主传 动方 式 相 比 ，
具 有结构 紧凑 、 动链 短 、 械效 率 高 、 传 机 噪声 低 、 动 振 小 和 回转 精度 高等优 点 。 电主轴 的应 用 不仅 大 大 提 高 了加 工效率 和加 工质 量 ， 降低 了产 品成本 ， 且 可 并 以实现薄 壁零件 和难加 工材料 的精密 加工 。 高速 电主 轴 是 高 速数 控 机 床 的核 心 部 件 ， 机 对 床 的加工 精度 和 效 率 影 响 很 大 ， 其 内装 式 电机 的 但 结 构 ， 得 高速 电主 轴 的发 热 量 大 ， 热条 件 差 ， 使 散 进 而 直接影 响 到 主 轴 的 精 度 。因 此 ， 高速 电 主轴 热 对
高速电主轴动力学性能有限元分析.
高速电主轴动力学性能有限元分析摘要：文章通过建立主轴-轴承的分析模型，采用法对电主轴的振动特性进行模拟，为优化主轴的结构参数设计提供了有益的参考数据。
关键词：；；；；0引言的分析，是设计中的关键，具备良好的电主轴应该满足“高速度、高刚度、高精度”的三高特性的要求。
的分析就是要通过计算分析找出电主轴的结构设计参数对电主轴的影响，从而优化结构设计，改善动态性能。
是评价的一个重要指标，主要是指电主轴的临界转速和主。
当轴在临界转速或其他附近运转时，将引起剧烈的振动，严重时造成轴、轴承以及轴上的零件破坏，为了保证电主轴安全运行和正常工作，在机械设计时，应使电主轴的工作转速离开各阶临界转速一定的范围。
一般要求是，对工作转速低于其一阶临界转速的轴。
机械系统运动部件的研究主要是通过对运动部件进行模态分析来实现它主要研究结构或部件的振动特性（固有频率和主），为动力学分析提供基本的分析数据。
通过分析可以判断出机床转动部件的转速是否合理，结构中有无薄弱环节，并可对其进行优化设计，使零部件满足机床对加工质量和加工精度的要求。
1分析的优势目前轴承—主轴系统常用的动力分析方法之一法，虽占用储存空间大，计算速度慢，但却有较高的计算精度。
法的基本思想是将求解域看成是由许多称为的小的互连子域组成。
对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件）的解，这个解不是准确解而是近似解。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而法不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段软件，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型分析系统。
其功能强大、适用领域非常广泛。
除了可进行静力分析之外，还提供了强大的动力分析工具，可以很方便地进行模态分析。
在此采用分析软件，对研发的加工中心电主轴进行振动模态分析，以检验其设计的合理性。
2轴承-主轴系统模型的建立本文选用的电主轴（主轴参数见表1）是一种阶梯轴，具有中空，多支承的特点，如图1所示，同时，主轴承受多种载荷，主轴前端承受切削力和弯矩，内装电机转子传递给主轴的转矩等主轴在三组轴承支承下高速旋转。
基于有限元方法的电主轴模态分析
ＩＩ－－ ： … 一 一： （ ＢＫ ． ｚ ： Ｉ ５ Ｉ２ 一 ：１ ： ｍ ∞ ： 一 ｏ ） ：
Ｉ — Ｈ Ｋ２ ２ … Ｋ — Ｍ Ｋ ｍ１ ＾ ｍ 一 Ｃ Ｏ 缈ｌ
将 此式 展开 可得 ∞ 的 ｎ次方 程 ，形 式 如下 ：
基金项目：广西科技厅科技攻关项 目 （ 桂科攻０ ９０ ２ ），高等学校特色专业建设项目 （ＳＺ ９ ） ９２０— ６ Ｔ Ｉ０８ 作者简介：粱双翼 （９８ １７ ～） ， ， 西柳 州人 ， 师 ，工学硕士 ，主要从事Ｃ ＤＣ 女 广 讲 Ａ ， Ａ 方面的研究 。 Ｅ 第３ 卷 第１ ２１－ （ 【７ ４ 期 ０２ １下） ５】
每 一阶 模 态 都 具 有 特 定 的 固 有 频 率 和 模 态 振 型 等 模 态 参数 。模 态分 析 目的 就 是 识 别 出系 统 的 模 态
） 口 ） 以 ） …＋ ｌ ） ＝０ （） ｌ ＋ ２ ＋ 一 ＋ ＋ ６
该 方程 为 系统 特征 方程 ，求 解该 方程 可求 得 ｎ 个 ∞ 根 ，为特征 值 ，开方 后可 得到 １个 固有频 率 ， １ ＿ 按 照 从 小 到 大 的 次 序 称 为 第 １ 、第 ２阶 、 …… 阶 第 １阶 固 有频率 。 １
务Ｉ 匐 似
是 Ｈ０ ５ Ｌ龙门数控铣床电主轴的转子轴结构简图。 转子 轴 在 前 后各 两 个 轴 承 的 支 承下 高 速 旋 转 ，轴
【 】０ ［ ＞ ｏ Ｃ ＝ ，＿ ＝ ，简 化后 的运 动 方程 Ｑ
在对主轴单元进行有限元分析时不必考虑这两者。
［ 位 ＋Ｋ ｛ ＝０ Ｍ】｝ ［】 ） ｛ ｘ ｝
股穗 日翔 ：２ １－０－１ ０１ ８ ２
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设系统各质量块按照 同频率 和同相位作间谐
电主轴论文：电主轴 热-结构耦合 ANSYS 有限元分析
电主轴论文：电主轴热—结构耦合特性分析【中文摘要】电主轴是机械加工机床的核心部件,电主轴技术水平的高低直接决定着机械制造业水平的高低,企业效率的提高至关重要的因素是机床转速的高速化,机床转速的提高就意味着电主轴转速的提高,随着转速的提高主轴发热量增大使变形严重主轴轴承烧毁或报废等,研究表明发热量增大与主轴轴承的预紧力和内外圈装配过盈量有很大关系。
首先根据电主轴机械性能指标建立主轴模型,由高速电主轴高速情况下的边界条件对电主轴的发热量和热变形进行计算给出合理的发热量和热变形条件,并对主轴的负荷分布进行分析,为后续有限元分析的边界条件和载荷施加做准备,其次,结合有关理论对电主轴的温度场、热变形、预紧力和内外圈配合过盈量进行计算并得出相应的数据。
最后利用有限元分析软件ANSYS对主轴模型进行有限元热分析、热-结构耦合分析,分析中将预紧力和接触热阻等作为边界条件施加到主轴模型中,得出电主轴的热分布、热梯度和热变形图,由得出的分析结果反推出最佳预紧力与配合过盈量。
并对分析得出的结果与前面的计算进行对比总结。
通过研究最终得出电主轴的其最佳预紧力和内外圈装配过盈量,使主轴的发热量控制在最小,变形量也控制在主轴运转所需的精度范围。
【英文摘要】Motorized spindle is the core component of mechanical processing machine, electric spindle technical level directly decides the mechanical manufacturing level, theenterprise to enhance the efficiency of the crucial factor is high speed machine tool, the machine speed increase means electric spindle speed increase, with the speed increase calorific value increases make deformation serious spindle spindle bearing burned or scrap, research show that increase with the calorific value of the spindle bearing pre...【关键词】电主轴热-结构耦合 ANSYS 有限元分析【英文关键词】Motorized spindle Thermo-Structure Coupling ANSYS Finite Element Analysis【索购全文】联系Q1：138113721 Q2：139938848【目录】电主轴热—结构耦合特性分析摘要2-3ABSTRACT3-4第1章绪论7-13 1.1 研究背景7-8 1.2 研究现状8-11 1.3 课题的研究内容和对象11-13第2章电主轴构造及特性13-19 2.1 电主轴系统13-16 2.1.1 电主轴的结构和工作原理13 2.1.2 电主轴的分类及其特点13-16 2.2 电主轴的支承方式16-18 2.3 电主轴的主要应用性能指标18 2.4 本章小结18-19第3章电主轴组件选配及建模19-35 3.1 电主轴组件选配及意义19-20 3.2 电主轴的受力分析20-28 3.2.1 角接触轴承单元选配22-25 3.2.2 圆柱滚子轴承单元选配25-26 3.2.3 钢制轴承与陶瓷滚子轴承的比较26-27 3.2.4 高速刀具系统的选配27-28 3.3 电主轴的制造装配工艺28-30 3.3.1 电主轴的辅助设计技术29 3.3.2 电主轴的制造技术29-30 3.3.3 高速主轴电机的制造技术30 3.4 电主轴的优化设计及分析30-32 3.4.1 电主轴的轴向优化设计分析30-31 3.4.2 电主轴的径向优化设计分析31-32 3.5 电主轴的机械设计图32-33 3.6 本章小结33-35第4章电主轴的温度场及热变形的计算35-71 4.1 电主轴热传导35-41 4.1.2 热传导方程36-38 4.1.3 温度场边界条件38-40 4.1.4 温度场的求解40-41 4.2 电主轴轴承发热量的计算41-43 4.3 电主轴轴承支承刚度的计算43-44 4.4 主轴轴承预紧力及内外圈配合过盈量的计算44-48 4.5 电主轴热变形理论计算48-59 4.5.1 电主轴三维热传导问题的级数解51-52 4.5.2 电主轴的热传导特点和数学描述52-59 4.6 最佳热配合理论及研究59-69 4.6.1 滚动体与内外圈游隙量变化的理论分布计算60-66 4.6.2 热变形对轴承游隙影响的理论分布与计算66-67 4.6.3 热变形对主轴轴承配合过盈量影响的理论分析与计算67-69 4.7 本章小结69-71第5章电主轴的热-结构耦合分析71-91 5.1 电主轴ANSYS 热-结构耦合分析的原理71-73 5.2 电主轴热-结构耦合分析的基本步骤73-76 5.2.1 电主轴分析模型的建立73 5.2.2 分析的边界条件的建立及属性选择73-75 5.2.3 分析模型的处理75-76 5.3 电主轴的热分析76-81 5.4 电主轴的热-结构耦合分析81-89 5.4.1 热-结构偶和分析结果81-82 5.4.2 综合面计算和本章的分析所得的数据关系82-89 5.5 本章小结89-91第6章结论与展望91-93 6.1 结论91 6.2 展望91-93参考文献93-97致谢97-98攻读硕士学位期间的研究成果98。
高速机床主轴部件有限元分析
收稿日期:2007211204基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475052)・作者简介:张耀满(1972-),男,辽宁沈阳人,东北大学讲师,博士;刘永贤(1945-),男,辽宁台安人,东北大学教授,博士生导师・第29卷第10期2008年10月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern University (Natural Science )Vol 129,No.10Oct. 2008高速机床主轴部件有限元分析张耀满1,刘春时2,谢志坤2,刘永贤1(1.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110004; 2.沈阳机床(集团)有限责任公司,辽宁沈阳 110142)摘 要:在对主轴部件分析模型进行研究的基础上,采用弹簧阻尼单元模拟轴承支承的方法,建立了主轴部件动力学分析有限元模型・分别建立了采用两组和三组弹簧阻尼单元,且弹簧阻尼单元沿圆周方向以不同角度布置的机床主轴有限元模型,分析了不同支承情况及弹簧阻尼不同布置角度对主轴模态分析的影响・在对比分析的基础上,确定了合理的分析模型・以沈阳第一机床厂研制和开发的CHH6125高速数控机床主轴为对象,对主轴部件进行有限元模态分析和谐响应分析,并将其和机床试验的结果进行对比,验证了有限元分析模型的正确性・关 键 词:数控机床;高速机床;主轴部件;有限元分析;动态性能中图分类号:TG 502.14 文献标识码:A 文章编号:100523026(2008)1021474204FEA on the Spindle Assembly of High Speed Machine ToolZHA N G Y ao 2m an 1,L IU Chun 2shi 2,X I E Zhi 2kun 2,L IU Yong 2xian1(1.School of Mechanical Engineering &Automation ,Northeastern University ,Shenyang 110004,China ; 2.Shenyang Machine Tool (Group )Co.Ltd.,Shenyang 110142,China.Corres pondent :ZHAN G Y ao 2man ,E 2mail :zhymlxl @ )Abstract :The finite element dynamic analysis model of the spindle assembly was developed by taking the advantage of the spring 2damper elements to simulate the bearing supports.The FEA model were developed first by introducing 2or 3groups of circumferential spring 2damper elements which were arranged at different angle around the spindle ,then the effect of different supporting conditions and different arrange angles on the modal analysis of the spindle assembly were comparatively discussed to select the most rational FEA modal.The modal analysis and harmonic analysis were both made to confirm the dynamic characteristics of spindle assembly of CHH6125high 2speed NC machine tool developed and manufactured by Shenyang No.1Plant of Machine Tools ,and the results were compared with the testing ones.The correctness of the FEA model is available to the dynamic performance of the spindle assembly.K ey w ords :NC machine tool ,high 2speed machine tool ,spindle assembly ,FEA ,dynamic performance数控机床的高速化是其主要发展趋势之一・主轴部件是数控机床最为关键的部件,其动、静态性能对机床的最终加工性能有非常重要的影响[1]・随着机床速度和精度的提高,对其关键部件的静动态性能提出了更高的设计和加工制造要求・因此,国内外研究机构和科研院所对主轴部件的动、静态性能展开了广泛、深入的研究[2-4]・数控机床的主轴结构抵抗受迫振动一般都没有问题,因此对主轴部件的研究主要是确定不产生切削自振的条件・由于切削自振频率往往接近主轴部件横向振动的低阶固有频率,所以可以认为主轴部件的低阶横向振动模态是决定其切削自振的主要模态・在分析主轴部件时,主轴前端切削部位激振点的动柔度即反映了主轴部件的抵抗切削自振的能力・研究表明:对于中型车床在不同频率的动载荷作用下,各个部件反映在刀具与工件切削处的综合位移中主轴部件所占比例最大・因此,通过对高速数控机床的主轴部件的仿真分析方法进行研究,在产品设计阶段,分析主轴部件的动静态性能,对于提高机床产品的设计水平具有非常重要的理论和现实意义・以沈阳第一机床厂生产的某高速数控车床为研究对象,研究了采用弹簧阻尼单元来模拟轴承支承的有限元模型的建立方法,分别进行了模态分析和谐响应分析,得到了主轴和主轴部件的动态特性・最后结合机床性能试验探讨并验证了边界条件参数的合理选择・通过有限元分析和机床性能试验,验证了所采用的有限元分析方法的可行性,为以后进行类似的主轴部件有限元分析打下了基础・1 高速机床主轴结构以沈阳第一机床厂生产的CHH6125机床主轴为研究对象・该机床采用对置双主轴结构,两主轴均采用内装式电主轴,并同时配备了伺服动力刀架,是具有钻、铣削功能的高速、高效车削中心[1]・该机床第一主轴的结构如图1所示・图1 机床第一主轴结构Fig.1 Construction of the first spindle assembly主轴轴承采用NSK 高精密陶瓷球轴承・主轴前支承采用内锥孔双圆柱滚子轴承来承受径向力,提高机床主轴径向刚度和主轴回转精度,采用背靠背安装的角接触球轴承来主要承受轴向力,降低主轴轴向窜动量,提高轴向刚度;后支承采用内锥孔的双圆柱滚子轴承,起到径向支承作用・2 有限元模型的建立在建立有限元模型的过程中,采用弹簧-阻尼单元模拟轴承的弹性支承,每个支承采用4个沿圆周方向均匀分布的弹簧-阻尼单元来模拟[5-6]・分别建立了使用两组弹簧和三组弹簧来模拟主轴支承情况的模型,如图2所示・三组弹簧模型在两组弹簧模型的基础上,增加了单独对角接触轴承的模拟,位置取为两个角接触轴承之间的中截面处,用以考察角接触球轴承对主轴横向振动特性的影响・图2 主轴支承弹簧-阻尼模型Fig.2 Model of spring 2damper elements ofspindle support(a )—两组弹簧支承;(b )—三组弹簧支承・由于主轴轴承的轴向刚度很大,阻尼对横向振动特性影响很小,所以在建立有限元模型中只考虑径向刚度影响,利用4个沿周向均布的弹簧-阻尼单元来模拟轴承支承・采用两组弹簧阻尼单元模型的前支承处弹簧刚度为0114GN/m ,后支承的弹簧刚度为0111GN/m ;采用三组弹簧阻尼单元模型的前支承处弹簧刚度为0114GN/m ,中间支承刚度为0105GN/m ,后支承处弹簧刚度为0111GN/m ・主轴零件采用S olid 92单元・主轴轴承支承部分模型是在每个圆周截面上沿圆周均布4个弹簧阻尼单元,弹簧单元的长度按照各处轴承的内外圈半径确定・外圈节点利用关键点(key points )建立,内圈节点采用硬点(hard PT )建立,同时保证弹簧单元的划分数目为1・所有弹簧阻尼单元外部4个节点限制全部自由度,前端内锥孔轴承支承内部4个节点限制轴向自由度・三组弹簧阻尼单元情况下的第一主轴有限元模型如图3所示・图3 三组弹簧阻尼单元有限元模型Fig.3 FE A model of 32group spring 2damper elements5741第10期 张耀满等:高速机床主轴部件有限元分析3 有限元分析结果及其说明3.1 主轴零件模态分析结果分别采用两组弹簧-阻尼单元和三组弹簧-阻尼单元对主轴零件进行分析・另外,为了研究每个支承处弹簧-阻尼单元沿圆周方向布置角度对主轴固有特性的影响,对弹簧-阻尼单元在圆周方向相对错开一定角度α的情况进行了分析・主轴模态分析的结果如图4所示・由图4a可知采用两组或三组弹簧-阻尼单元支承主轴,对于模态分析来说影响不大,分析时可以采用任何一种形式・在后续的计算过程中,采用两组弹簧阻尼单元来进行分析・图4b为弹簧-阻尼单元沿圆周方向变化后的计算结果・以α=0°作为参考,对相对于基准情况下逆时针方向旋转15°,30°和45°的情况进行了分析・由图4b可以看出,弹簧-阻尼单元沿圆周方向的布置角度不同,其计算结果差异很小・图4 主轴模态分析计算结果Fig.4 Calculation re sult of modal analysis of spindle assembly(a)—两、三组支承情况;(b)—不同角度布置情况・3.2 主轴部件分析计算结果3.2.1 模态分析结果在进行完主轴零件的有限元分析后,对主轴部件进行了有限元分析・通过上面对主轴零件的分析,可知采用两组弹簧阻尼单元和三组弹簧阻尼单元的分析,以及弹簧阻尼单元沿圆周方向角度不同的情况的分析,发现计算结果在固有频率计算结果方面差异不大・因此选择采用两组弹簧阻尼单元来分别模拟主轴部件的前后支承・图5是不计油缸、卡盘和皮带轮,两组弹簧情况下,机床主轴组件的模态分析结果图片・图5 第一主轴部件有限元分析结果Fig.5 FE A re sult of the first spindle assembly通过计算可知,主轴部件的1～6阶固有频率分别为0,300,301,326,330,513Hz・分析计算表明:每种情况一阶固有频率都为零,表现为主轴的转动;相邻的两阶频率相近,视为重根,模态相互独立且正交・3.2.2 谐响应分析结果在主轴前端卡盘施加力为918N,在150～550Hz频率范围,采用stepped方式,分为50步,施力点的径向响应位移频率曲线如图6所示・图6 第一主轴部件谐响应分析结果Fig.6 Harmonic frequency re sponse analysis of thefirst spindle assembly4 机床性能试验与分析试验使用B&K振动测试设备进行测量・在进行试验的过程中,是在主轴的前端装夹一圆形工件70mm×100mm,并且在其端部安装阻抗头来实现测量・激振力为10N,测量频率范围为20～10kHz・试验中采用稳态正弦激振,激振信号由正弦信号发生器施加一个频率可控的正弦激振力・在稳态下测定响应和激振力的幅值比和相位差・6741东北大学学报(自然科学版) 第29卷为测得整个频率范围内的频率响应,需在多个频率处进行系统稳态试验・图7为第一主轴激振结果,0dB 时振动速度为0101mm/s・图7 第一主轴x 方向激振振动速度-频率曲线Fig.7 Vibration te sting re sult in x direction由于是在整机装配后激励主轴前端,因此机床整机的固有特性都将在其振动结果中有所体现・测量的结果可以理解为机床的各阶模态在测量点的综合反映[7-8]・从第一主轴试验结果可知:一阶固有频率为287Hz ,机械导纳为01232mm/(s ・N -1),动柔度为01128μm/N ;二阶固有频率为116kHz ,机械导纳为016839mm/(s ・N -1),动柔度为010681μm/N ・将该结果和有限元分析的结果进行对比,误差比较小,能够满足工程设计的基本要求・5 结 语有限元分析结果和试验结果吻合较好,说明有限元模型可以应用于类似主轴部件的分析・可以在轴承支承处用沿圆周方向均匀布置的弹簧阻尼单元来实现对轴承支承的模拟・弹簧阻尼单元沿圆周方向角度的变化对分析结果影响很小・为了进一步提高有限元模型的精度,建议通过试验对关键参数进行识别,并对有限元模型做必要的改进・参考文献:[1]Zhang Y M ,Lin X L ,Wang X D ,et al .The study on the dynamic characteristic of high speed machine tool and experiment validate[J ].A dvancesi nM aterialsM anuf act uri ng Science and Technology ,2004,471/472:571-576.[2]Krulewich AK.Temperature integrationmodel andmeasurement point selection for thermally induced machine tool errors[J ].Mechat ronics ,1998(8):395-412.[3]Lin C W ,Tu J F ,Kamman J.An integrated thermo 2mechanical 2dynamic modal to characterize motorized machine tool spindlesduringveryhighspeedrotation [J ].International Journal of M achi ne Tool &M anuf act uri ng ,2003,43:1035-1050.[4]Ramesh R ,Mannan M A ,Poo A N.Support vector machines model for classification of thermal error in machine tools[J ].A dvanced M anuf act uri ng Technology ,2002,20:114-120.[5]K im S M ,Lee S K ,Lee K J.Effect of bearing surroundings on the high 2speed spindle 2bearing compliance [J ].A dvancedM anuf act uri ng Technology ,2002,19:551-557.[6]K im S M ,Lee K J ,Lee S K ,Effect of bearing support structure on the high 2speed spindle bearing compliance [J ].International Journal of M achi ne Tool &M anuf act uri ng ,2002,42:365-373.[7]Schmitz T ,Davies M ,Dutterer B ,et al .The application of high 2speed CNC machining to prototype production [J ].International Journal of M achi ne Tools &M anuf act ure ,2001,41:1209-1228.[8]Yang J P ,Chen S X.Vibration predictions and verifications of disk drive spindle system with ball bearings [J ].Com putersand S t ruct ures ,2002,80:1409-1418.7741第10期 张耀满等:高速机床主轴部件有限元分析。
基于ANSYS Workbench的高速电主轴静动态性能仿真分析及优化
3.2提高企业竞争力随着工业发展的转型升级，其机械化水平在飞速提高。
机械设备朝着大型化、信息化的方向发展。
在高科技、高尖端器械出现的同时，对其进行维修的技术含量也在不断提高，这也体现了维修的重要性，给维修企业带来广阔的发展前景。
提高维修技术、优化维修服务对汽车维修企业的生存发展十分重要。
在经济全球化的大趋势下，企业不仅要面对国内同行的激烈竞争，还要面对国际市场的挑战，企业想要更好的生存和发展，提高竞争力十分必要。
在重视“绿色”发展的当下，政府对“绿色产业”的重视程度不断提高，出台相关的保护政策，更好的推进“绿色产业”的发展。
“绿色企业”是这个时代企业发展的主流，只有在汽车维修企业中推广“绿色维修”才能抢占市场先机，获得更好的发展机会。
环境污染程度大、资源利用率低的汽车维修企业，其发展的局限性显而易见。
汽车维修企业推广“绿色维修”，需要选择先进的科学的维修技术和新型环保材料，实现企业经济效益的同时，实现社会效益和环境效益。
只有这样的维修企业，才能在社会发展过程中，成为汽车维修行业的最大获益者，激烈竞争下的生存者。
传统的汽车维修企业必将遭到淘汰。
在汽车维修企业中推行“绿色维修”，无论是对企业自身、行业发展，乃至社会国家的发展，都有不可估量的价值。
4结束语“绿色维修”可以对经济效益的增长和环境效益的增加起到双管齐下的作用。
最大程度地减少资源和能源的使用量，降本增效，为生态环境的保护贡献自己的力量。
无论从经济发展的视角，还是从环境保护和社会发展的角度分析，“绿色维修”都是符合五大发展理念。
“绿色维修”使多方面的综合性的体系模式，推行“绿色维修”也是有利于可持续发展，“绿色维修”在汽车维修企业的不断推广，是实现维修行业可持续发展的重要手段。
参考文献［1］周红，李辉，张云杰.“绿色维修”及其在维修企业中推行的价值［J］.价值工程，2002（6）：36-38.［2］程会强，吴玉锋.绿色维修战略与循环经济［J］.再生资源与循环经济，2009，2（7）：27-30.［3］陈宇晓.绿色维修的实施策略［J］.设备管理与维修，2003（10）：9.〔编辑李波〕基于ANSYS Workbench的高速电主轴静动态性能仿真分析及优化丘立庆(南宁职业技术学院,广西南宁530008)摘要：采用有限元分析软件ANSYS Workbench18.0建立电主轴三维有限元模型,进行静态力学分析和模态分析。
超高速空气电主轴动态特性的有限元分析
摘 要 ：空气静压 电主轴是高速精 密数控加 工机床 的关键 部件之 一 ，其动 态特性是影响 高速数控机床 的加 工质 量和
切 削性 能 的 重要 因素 。 然 而 ，当前 超 高 速 电主 轴 的 转 速 能 达 到 几十 万转 每 分钟 ，使 其 对 振 动 变形 的 问题 尤 为敏 感 和
１ 超高速 空气 电主轴应用及结构
随着 消 费 电子 产 品需 求 量 的快 速增 加 ，ＰＣＢ电 路 板 的需 求 量也 呈快 速增 长 的趋 势 。为 了满足 板 中 微 细７Ｌ（中ｏ．０５一 ．２ ｍｍ）的 高精 度 、高效 率 的加 工要 求 ，超高 速 空气 电主 轴被 广泛 应用 于加 工行 业 。 以压 缩 空气 为润 滑剂 的静 压 轴 承 由于 无 固体 接触 ， 具有 精度 高 、极 限转速 高 、寿命 长 、振动 小等 特点 ，非 常适 合作 为超 高 速 电主轴 的支 承元 件 。但是 由于空 气 的可压缩 性 、低粘 度 等 固有特 性 ，超 高速空 气 电主 轴 的承载 能力 和 刚度 较小 ，且在 高速 运行 过 程 中 ，电 主轴 容易 出现 不稳 定 现 象 ，严 重 影 响 超 高 速 空气 电 主轴 的加 工性 能 ，限 制 了超 高速 空 气 电主 轴 技 术 的 应 用 与发展 Ｊ。
目前 国内生产 的超 高速 空 气 电主轴 能够 达到 的
转速 是 ８００００—１０００００ ｒａｄ／ｍｉｎ，主 轴 回转 精 度 １ ｍ。本 文 以广 东 某 电主 轴 制 造 公 司 ＷＦ８０—０１型
空气 电主轴 为 研究 对 象 ，利 用 大 型有 限元 分 析软 件 ＡＮＳＹＳ，对超 高速 电主 轴 系统 的动 态 特 性及 稳 定 性 进 行分 析 ，其 结 构如 图 １。
高速电主轴转子——轴承系统动态特性分析
７
文 章编 号 ： ０ ６ １ ５ （０ ２０ —０ ７０ １ ０ －３ ５２ １）２０ ０ —６
高速 电主轴转子一 轴承 系统 动态特性分析
孟德浩，龙新华， 孟 光
（ 上海交通大学 机械 系统与振动国家重点实验室，上海 ２０ ４ ０２ ０）
式 中 ｛） 系统 节 点位 移 ， 为系 统质 量矩 阵 ， ｘ为 ［ ［
紧 力变 化 引起 的轴 承 刚度 变 化 ， 解 轴 承动 态 特 性 求 方程 组 。在解 方程 组 的过程 中， 通过 变换 求解 变量 ， 得 到 了以接触 角 为初 始变量 的 简化 求解 方法和 电主
工过程 的稳定性与主轴 一夹具一刀具系统的动态特 性密切相关。为了确定高速 电主轴轴承预紧力及转 速对 其 动 态特 性 的影 响 ， 文 首先 建 立 电主 轴 转 子 本 轴 承 系 统 的 简化 模 型 ， 考虑 由于 转速 Ｉ Ｆ
…
Ｉ ＝ ］【］ ［ ＋ 豳
基金项 目： 国家重点基础研究计划 （７ ￣ ｔＯ １ Ｂ ０ ８ ３ ； ９ ３ Ｊ ｌＣ ７ ６ ０ ） ２
国家 重 点 实 验 室 自主 课 题 （ Ｓ － ．０ ０１ ） Ｍ Ｖ ＭＳ２ １．１ 作 者 简 介 ： 德 浩 （９ ６ ， ， 南 人 ， 械 设 计 专 业 ， 士 孟 １ ８一） 男 河 机 硕
ｓ ｉ ｄ ｅ ｗａ ｏ ｄ ｃ ｅ ． ｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ ｎ ｈ ｅ ｒ ｔ ａ ｅ ｕ ｔ ｗｅ ｅ ｆ ｕ ｄ ｔ ｅ ｉ ｇｅ ｍｅ ｔ ｓ ｅ ｔａｌ ． ｉ， ｐ ｎ ｌ ｓｃ ｎ ｕ ｔ ｄ Ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｍｅ ｔ ｌ ｓ ｌ ａ ｄ ｔ ｅ ｔ ｏ ｅｉ ｌ ｓ ｌ ｒ ｎ ｂ ａ ｅ ｎ ｓ ｎ ｉｌ Ｔｈ ｓ ｒ ｓ ｈ ｃ ｒ ｓ ｏ ｏ ｎ ｅ ｙ ｔ ｅｃ ｒｅ ｔ ｅ ｓ ｆ ｈ ｓ ｎ ｌ ｓｓｍｅ ｏ ｓ ｅ ｉ ｅ ． ｈ ｏ ｒ ｃｎ ｓ ｉ ａｙ ｉ ｔ ｄ ｗａ ｒｆ ｄ ｏ ｔ ａ ｈ ｖ ｉ
高速电主轴的有限元分析
Ｏ ｐｔｉｍ ａｌＤ ｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｔｗ ｏ－Ｇ ｒａｄｅ Ｈ ｅｌｉｃａｌＣ ｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＧ ｅａｒ Ｒ ｅｄｕｃｔｏｒ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｉｍ ｐｌｅｍ ｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍ ａｔｌａｂ
选用solid45三维实体结构单元对主轴主体solid45单元用于仿真三维实体结构该单元有三个方向的平移自由度单元具有塑性力强化大变形和大应变的特性间部位作用有转子质量将轴上附加的转子质量转化为相应轴段的密度增加值所以需要附加密度定义两次材料属性别生成面模型在生成体的时候定义材料与面一样即生成两种不用的材料
通过对某电主轴进行结构分析， 简化模型， 建立电主轴的 有限元模型， 并对该电主轴进行模态分析， 获得其固有频率及 振型， 从而计算出该电主轴的临界转速， 为进一步的动力学分 析提供了必要的依据。 参考文献： ［１］ 刘涛， 杨凤鹏． 精通 Ａ ｎｓｙｓ［Ｍ ］． 北京： 清华大学出版社． ２００２． ［２］ 胡爱玲．高速电主轴动静态特性的有限元分析［Ｄ ］． 广州： 广东工
Ｙ Ｕ Ｈ ｏｎｇ－ｂｉｎ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＭ ｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ Ｅ ｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅ ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｎｈｕａ Ｃ ｏｌｌｅｇｅ ｏｆＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｈｕａ Ｚｈｅｊｉａｎｇ ３２１０００，Ｃ ｈｉｎａ）
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｒ ｅｄｕｃｔｏｒｉｓ ａ ｔｒａｎｓｍ ｉｓｓｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｗ ｈｉｃｈ ｉｓ ｗ ｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌｅｑｕｉｐｍ ｅｎｔ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｄａｔａ ｏｆｒｅｄｕｃｔｏｒ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔｗ ｉｌｌｂｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔａｇａｉｎ ａｎｄ ａｇａｉｎ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎ．Ａ ｌｔｈｏｕｇｈ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ｄａｔａ ｃａｎ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｇｉｖｅｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｉｔｉｓ ｎｏｔｏｐ－ ｔｉｍ ａｌ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｖａｒｉａｂｌｅｓ， ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍ ｅｎｔ ｏｆ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｆｉｒｍ ａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｔｒａｉｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｔｈｅ ｍ ａｔｈｅｍ ａｔｉｃａｌｍ ｏｄｅｌｏｆｔｈｅ ｏｐｔｉｍ ａｌｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｗ ｏ－ｇｒａｄｅ ｈｅｌｉｃａｌｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｇｅａｒ ｒｅｄｕｃｔｏｒ ｗ ａｓ ｓｅｔｕｐ．Ａ ｎｄ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｍ Ａ ＴＬＡ Ｂ ｏｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｔｏｏｌｂｏｘ．Ｂ ｅｃａｕｓｅ ｏｆｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍ ｐｌｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆｔｈｅ Ｍ Ａ ＴＬＡ Ｂ ｏｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｔｏｏｌｂｏｘ，ｔｈｅ ｒｅ－ ｓｕｌｔｓｈｏｗ ｓ ｔｈａｔｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆｔｈｅ ｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ ｃａｎ ｂｅ ｉｍ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍ ｅｔｈｏｄ． Ｋ ｅｙｗ ｏｒｄｓ：Ｔｗ ｏ－ｇｒａｄｅ ｈｅｌｉｃａｌｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｇｅａｒｒｅｄｕｃｔｏｒ；Ｍ Ａ ＴＬＡ Ｂ ｏｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｔｏｏｌｂｏｘ；Ｏ ｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ
高速电主轴热特性分析的有限元网格划分
０ 引 言
随着 制造 业对 精 度 和 效 率 的要 求 愈 来 愈 高 ， 高 速加 工成 为切 削 加工 的一个 重 要 发 展 趋 势 川 ． 于 对 高 速高 精度机 床来 说 ， 主轴 热 误 差 是 影 响加 工 精 电 度 的重 要 因素 ． 用 有 限元 法 可 以对 电主轴 系 统 采
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｉ ｈ ｓ ｅ ｄ ｍｏｏ ｉｅ ｐｉｄｌ ｔ ｒ ｌｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｎ ｌ ｓｓ； ｎｉ ｌｍ ｅ ｔ ｍｅ ｈ ｈ ｇ ｐ ｅ ｔｒｚ ｄ ｓ ｎ ｅ；ｈｅ ｍａ ｈ ｒ ｃ ｅ ｔｃ ａ ａｙ ｉ ｆ ｔ ｅ ｅ ｎ ； ｓ ｉ ｉ ｅ
２ ２ 几何 清理 的关键 问题 ．
几 何 清理是 划 分 网格 的基 础 ， 几何 清理 的效 果 直接影 响 网格质 量 和计 算 精 度 ． 由于 导 入模 型 存 在
１ ２ 计 入接 触 热 阻的有 限 元网格 划分 要求 ．
计 人接 触 热 阻 分 析 方 法 不 要 求 零 件 之 间 网格 连续 ， 而是通 过 定 义接 触 实 现 热 、 传 递 的． 实 现 力 要
第２ ６卷 第 ５期 ２１年 １ ０１ ０月
郑 ， 轻 工 业 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ） ｋ ｌ ・ Ｉ
ＪＵ Ｎ Ｌ Ｆ Ｈ Ｎ Ｚ Ｏ ＮＶ Ｒ ＩＹＯ ＩＨ Ｄ ＳＲ （ ａ ｒ ｃ ｎｅ Ｏ Ｒ Ａ Ｅ Ｇ Ｈ ＵＵ ＩＥ Ｓ ＦＬ Ｔ Ｎ Ｕ Ｔ Ｙ Ｎｔ ａＳｉ ｃ ） ＯＺ Ｔ Ｇ Ｉ ｕｌ ｅ
Ｚ Ｕ Ｃ ｎ Ｄ Ｎ ｕ—ｎ ， ＨＥ Ｙ —ｕ， Ｚ Ｎ ｈ— ｎ ＨＯ ａ ， Ｅ Ｇ Ｇ ｉ ｉｇ ｌ ｕｈ ｉ ＨＡ Ｇ Ｓ ｉｕ ｊ
（ ｎ ｔ ｄ． ｅ ａ ． ｄｒ ｏ ｐｅ ｑｉｍ ｎ ｅｉ ｎ ｘｒ ｅ ｎｆｃｕｉ ， Ｍｉｉｒ ｏ Ｅ ｕ ＫｙＬｂ ｏ Ｍｏ ｅ Ｃ ｍ ｌ Ｅ ｕ ｅｔ ｓ ｎａｄＥ ｔ ｍ ｕ ｔｒ ｇ ｓｙ ｆ ｆ ｎ ｘ ｐ Ｄ ｇ ｅ Ｍａ ａ ｎ
高速雕铣机床电主轴动态特性分析
１ 电主轴有 限元建模
本文研究的高速雕铣机电主轴本身是一根空心 系统的共振 ， 会使得刀具磨损或破损加剧 ， 增加机床 的阶梯轴 。主轴上装有 电机转子 、 轴承 以及其他紧 固 导轨的动态载荷 ，从而降低整机的寿命 和机床 的精 件等 。轴上的零件增强了相应轴段的质量和抗弯刚 度 保 持性 ［ １ １ 。 同时 ， 动 态 切 削 力 也会 引 起 机 床 的受 迫 度 ， 应该进行等效简化。等效的原则是保证轴段总 的
５ ７
《 装备制造技术｝ ２ ０ １ ５ 年第 １ ０ 期 为２ ４ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ， 计算得激振力的频率为 １ ６ ０ ０ Ｈ ｚ ．
布的弹簧一 阻尼系统 ， 即为 Ｃ Ｏ Ｍ Ｂ Ｉ Ｎ Ｉ ４ 单元 。完成单
１ ． 前 轴承 ２ ． 定子 ３ ． 冷却水 套 ４ ． 转子 ５ ． 后轴 承 ６ ． 壳体 ７ ． 主轴 ８ ． 过盈套 ９ ． 冷却 水出 口 １ ０ ． 冷却水人 口 １ １ ． 润滑系统入 口
元选取 、网格划分及边界 条件 的有 限元模型 如图 ２
所示。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５ — ０ ７ — ０ ８
作者简介 ： 李
林（ １ ９ ８ ｌ 一 ） ， 男， 湖南湘 乡人 ， 工学硕 士 ， 讲 师， 主要研究领域为先进制造装备及其 自动化 、 精密加工 — — 卫 霞 — — — — 叠 一 — — — — 时 ＋ 廿 ＿ ０ ｏ 一 ＼ １ 一 十 ｌ … 一 ＿ 一 怔 』
图 １ 高速雕铣 机电主轴 装配图
处理。 因此 ， 本 文 模 型选 用 Ｓ Ｏ Ｌ Ｉ Ｄ ４ ５三 维 实体 结 构单 元 对 主 轴 主体 进 行 网格 划 分 。将轴 承模 拟 成 ４个 均
应用有限元方法对高速电主轴的优化设计
应用有限元方法对高速电主轴的优化设计摘要：介绍了高速电主轴的结构特点，应用有限元分析软件ANsYs以刚度为目标对高速电主轴进行了优化设计，并对优化后的结构进行了热态校核。
关键词：高速电主轴；优化设计；有限元；热态分析90年代以来，我国的机床制造业发展迅速，设计和制造水平都有很大的提高，整体趋向高速、精密、绿色等方向发展，特别是近几年，代表着先进制造水平的数控机床和加工中心；很多国内厂家已开始产生。
在2003年北京国际机床展上，参展的主轴转速超过10000r／min的高速加工中心共有53台，其中国内产品占到24台。
但同时也不可否认，我国机床与国外先进的设计和制造水平相比还有比较大的差距，很多诸如电主轴、控制系统等关键部件，仍然依赖国外配套，自主开发能力不足。
在这种情况下，只有解决并提高关键部件的设计制造水平，才能摆脱对国外技术的依赖，从根本上促进我国机床行业持续发展。
我校高速加工实验室自90年代以来一直从事机床关键部件高速电主轴和快速进给单元的研究，自行开发了国内第一个高速大功率电主轴——GD一Ⅱ型电主轴，该电主轴采用“零传动”的传动方式，电机内置在机床主轴上，直接驱动主轴转动，从而去掉了传统传动链上的皮带、齿轮、联接键等，通过采用变频调速技术使主轴达到很高的转速，它的典型结构和系统组成如图l所示…。
主要具有以下几个特点：(1)结构简单紧凑，能很好地解决传统皮带或齿轮等方式传动在高速运转条件下所引起的振动和噪声问题。
(2)提高生产率，可在最短时间内实现高转速，也即是主轴回转时具有极大的角加速度。
(3)电机内置于主轴两支承之间，可有效地提高主轴系统的刚度，同时也提高了系统的固有频率，从而提高了其临界转速值。
目前，在试验成功的基础上，这种电主轴已经进入产业化，为了达到更高的设计要求和水平，并保证电主轴更高的可靠性，我们采用了有限元分析(Finite Element Analysis)对电主轴进行优化设计。
高速机床主轴部件有限元分析
第１０期张耀满等：高速机床主轴部件有限元分析１４７５高速数控机床的主轴部件的仿真分析方法进行研究，在产品设计阶段，分析主轴部件的动静态性能，对于提高机床产品的设计水平具有非常重要的理论和现实意义．以沈阳第一机床厂生产的某高速数控车床为研究对象，研究了采用弹簧阻尼单元来模拟轴承支承的有限元模型的建立方法，分别进行了模态分析和谐响应分析，得到了主轴和主轴部件的动态特性．最后结合机床性能试验探讨并验证了边界条件参数的合理选择．通过有限元分析和机床性能试验，验证了所采用的有限元分析方法的可行性，为以后进行类似的主轴部件有限元分析打下了基础．１高速机床主轴结构以沈阳第一机床厂生产的ＣⅢ６１２５机床主轴为研究对象．该机床采用对置双主轴结构，两主轴均采用内装式电主轴，并同时配备了伺服动力刀架，是具有钻、铣削功能的高速、高效车削中心…１．该机床第一主轴的结构如图１所示．图１机床第一主轴结构Ｆｉｇ．１Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｓｐｉｎｄｌｅａｓｓｅｍｂｌｙ主轴轴承采用ＮＳＫ高精密陶瓷球轴承．主轴前支承采用内锥孔双圆柱滚子轴承来承受径向力，提高机床主轴径向刚度和主轴回转精度，采用背靠背安装的角接触球轴承来主要承受轴向力，降低主轴轴向窜动量，提高轴向刚度；后支承采用内锥孔的双圆柱滚子轴承，起到径向支承作用．２有限元模型的建立在建立有限元模型的过程中，采用弹簧一阻尼单元模拟轴承的弹性支承，每个支承采用４个沿圆周方向均匀分布的弹簧一阻尼单元来模拟【５＿６］．分别建立了使用两组弹簧和三组弹簧来模拟主轴支承情况的模型，如图２所示．三组弹簧模型在两组弹簧模型的基础上，增加了单独对角接触轴承的模拟，位置取为两个角接触轴承之间的中截面处，用以考察角接触球轴承对主轴横向振动特性的影响．箱体（。
）箱体箱体箱体箱体（ｂ）图２主轴支承弹簧一阻尼模型Ｆｉｇ．２ＭｏｄｅｌＯｆｓｐｒｉｎｇ－ｄａｍｐｅｒｅＩｄＴｅｎｔｓａｆｓｐｉｎｄｌｅｓｕｐｐｏｒｔ（ａ）一两组弹簧支承；（ｂ）一三组弹簧支承．由于主轴轴承的轴向刚度很大，阻尼对横向振动特性影响很小，所以在建立有限元模型中只考虑径向刚度影响，利用４个沿周向均布的弹簧一阻尼单元来模拟轴承支承．采用两组弹簧阻尼单元模型的前支承处弹簧刚度为０．１４ＧＮ／ｍ，后支承的弹簧刚度为０．１１ＧＮ／ｍ；采用三组弹簧阻尼单元模型的前支承处弹簧刚度为０．１４ＧＮ／ｍ，中间支承刚度为０．０５ＧＮ／ｍ，后支承处弹簧刚度为０．１１ＧＮ／ｍ．主轴零件采用Ｓｏｌｉｄ９２单元．主轴轴承支承部分模型是在每个圆周截面上沿圆周均布４个弹簧阻尼单元，弹簧单元的长度按照各处轴承的内外圈半径确定．外圈节点利用关键点（ｋｅｙｐＯｉｎｔｓ）建立，内圈节点采用硬点（ｈａｒｄＰ１ｒ）建立，同时保证弹簧单元的划分数目为１．所有弹簧阻尼单元外部４个节点限制全部自由度，前端内锥孔轴承支承内部４个节点限制轴向自由度．三组弹簧阻尼单元情况下的第一主轴有限元模型如图３所示．图３三组弹簧阻尼单元有限元模型Ｆｉｇ．３ＦＥＡｍｏｄｅｌｏｆ３－ｇｒｏｕｐｓｐｒｉｎｇ－ｄａｍｐｅｒｅｌｅｒｎｅｎｔｓ１４７６东北大学学报（自然科学版）第２９卷。
基于ANSYSWorkbench的高速电主轴动力学特性分析
文章编号:1001-2265(2010)09-0020-03收稿日期:2010-03-05;修回日期:2010-04-13 *基金项目:浙江省自然科学基金(X106874)作者简介:巫少龙(1970)),男,浙江衢州人,衢州职业技术学院副教授,博士,主要研究方向为机械制造及自动化、机械优化设计,(E -ma il )w us h aol ong @qzc .cn 。
基于ANSYS W orkbench 的高速电主轴动力学特性分析*巫少龙1,张元祥2(1.衢州职业技术学院,浙江衢州 324000;2.浙江工业大学,杭州 314000)摘要:论文阐述了影响高速电主轴抗振能力的固有特性、动力响应和动力稳定性动力学特性。
以高速、大功率的铣削加工中心电主轴为研究对象,采用ANSYS W orkbenc h 有限元软件对电主轴进行模态分析,研究电主轴的振型、固有频率和临界转速,获得电主轴各阶频率和振型,指出主轴远离抗振性的频率要求以及前支承的刚度和阻尼对主轴系统的振动的影响。
通过模态分析为进一步的动力学分析提供必要的依据。
关键词:电主轴;动力学分析;ANSYS W orkbench 中图分类号:TH 16;TG65 文献标识码:ABased on ANSYSW orkbench H igh Speed E lectricit y Spi n dle Dynam ics Character istic AnalysisWU Shao -long 1,Z HANG Yuan -x iang2(1.Quzhou Co llege of Techno l o gy Quzhou,Quzhou Zhejiang 324000,Ch i n a ;2.Zhejiang U niversity o fTechnology ,H angzhou 314000,China)Abst ract :This paper describes the i m pact of h i g h -speed sp i n dle vibration characteristics of dyna m ic re -sponse of the i n herent ab ility and dyna m ic stab ility of the dyna m ics .w ith h i g h -speed h i g h -po w er m illi n g sp i n dle m ach i n i n g centers for t h e st u dy ,usi n g fi n ite e le m ent so ft w are ANSYS W orkbenc h sp i n d le m odal a -nalysis research spindle m ode natural frequency and critica l speed access to electric ity and the natural fre -quencies and v i b ration sp i n d le type .Po inted out that the spindle a w ay fro m the ant-i v ibrati o n frequency of requests and the for m er beari n g stiffness and da m ping of the spindle syste m v i b rati o n .Through the m oda l a -nalysis for further prov i d e the necessar y basis for dyna m ic ana l y sis .K ey w ords :electricity spi n dle ;k i n etic analysis ;ANSYS w orkbench0 引言高速电主轴是高速机床的核心部件,它将机床主轴与变频电机轴合二为一,即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件内部,也被称为内装式电主轴,其间不再使用皮带或齿轮传动副,从而实现机床主轴系统的/零传动0[1]。
高速加工中心电主轴的静动态特性分析
高速加工中心电主轴的静动态特性分析ee（ee）指导老师：ee[摘要]：作为加工中心重要部件之一的电主轴，研究电主轴系统的静动态特性分析为加工中心的发展奠定基础，本文研究主要内容如下；第一;从设计电主轴应考虑的问题出发，确定电主轴的基本参数及其结构，合理选择轴承及确定轴承的支撑形式，主轴的冷却方式，润滑方式等。
第二;应用机械动力学原理，建立符合高速主轴单元的动力学微分方程，通过求解得到固有频率和振型，分析影响电主轴静动态特性的主要原因。
第三;应用 ANSYS 软件对电主轴单元进行了模态分析和谐响应分析。
模态分析得到了电主轴的各阶振型和固有频率，以及临界转速；谐响应分析得到电主轴前端对频率的响应位移曲线，并提出改善电主轴动态特性的措施。
[关键字]：电主轴；静态特性；动态特性；ANSYSAnalysis Of Static And Dynamic Characteristics Of HighSpeed Machining Center Spindleee(ees)Tutor:eeAbstract: As one of the important components of machining center spindle, electro-spindle system of static and dynamic characteristic analysis of the Foundation for development of machining centers, and main contents of the paper are as follows.Firstly spindle from the design issues that should be considered to determine the basic parameters and structure of spindle and bearing selection and determine reasonable bearing form of support, the spindle cooling, lubrication and so on.Secondly mechanical dynamics, high-speed spindle dynamics of differential equations was established, obtained by solving natural frequencies and modes, analyzing the main cause of electric spindle of static and dynamic characteristics.Thirdly application of ANSYS software in electric spindle units the modal analysis and harmonic response analysis. Modal analysis of spindle of the first mode shape and natural frequencies and critical speeds; harmonic response analysis electro-spindle on frequency response curve, and measures was proposed to improve dynamic characteristics of electric spindle.Key words：Electric spindle: Static characteristics:Dynamiccharacteristics:ANSYS.目录1.绪论 (1)1.1 课题研背景及意义 (1)1.2 电主轴技术的研究现状 (1)1.2.1 高速电主轴国内研究现状 (1)1.2.2 高速电主轴国外研究现状 (2)1.2.3 高速加工中心的电主轴的国内外的发展趋势 (2)1.3 本课题研究的目的 (3)1.4 本章小结 (3)2.高速电主轴 (4)2.1 高速电主轴设计中应考虑的问题 (4)2.2 高速电主轴的基本参数与结构 (4)2.2.1 高速电主轴的基本参数 (4)2.2.2 高速电主轴的结构 (5)2.3 高速电主轴的支撑形式与轴承选择 (6)2.4 高速电主轴的润滑 (6)2.5 高速电主轴的冷却 (6)2.6 电主轴的静态特性 (7)2.7 主轴的动态特性 (7)2.7.1 电主轴单元多自由度振动微分方程 (8)2.7.2 子空间迭代法 (11)2.8 本章小结 (12)ee 3.电主轴静动态特性的有限元分析 (13)3.1 电主轴有限元模型的建立 (13)3.2 电主轴静力学分析 (14)3.2.1 典型受力条件下的主轴受力计算 (14)3.2.2 电主轴单元静力分析 (15)3.3 高速电主轴的模态分析 (16)3.4 高速电主轴的谐响应分析 (18)3.5 提高电主轴单元动态性能的措施 (19)3.6 本章小结 (19)4.结论 (20)致谢 (21)参考文献 (22)附录1.绪论1.1 课题研背景及意义以高切削速度,高进给速度,高加工精度为主要特征的高速加工是继数控技术之后,使制造技术生产第二次革命性飞跃的一项高新技术.它不仅具有极高的生产率,可以显著地提高零件的加工精度和表面质量,而且在材料的去除机理上也产生了本质的变化,是实现一些难加工材料,低刚度零件切削加工的高效手段。
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Ｈｉ ｇ ｈ—ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ Ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ Ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ
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（ １ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆＭｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｉ ｎ ｎ ｅ ｒ Ｍｏ ｎ ｇ ｏ ｌ ｉ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｆＳ ｏ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ
Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ， Ｂａ ｏ ｔ ｏ ｕ ０１ ４ ０ １ ０， Ｎｅ ｉ Ｍｏ ｎ ｇ ｇ ｏ ｌ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ；
２ ． Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｅ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍｉ ｃ ａ ｄ ｎ Ｔ ｒ ａ ｄ ｅ Ｃ ｏ ． Ｌ ｔ ｄ ． ｆＳ ｏ ｔ ｅ ｅ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｏ ｎ Ｃ ｏ ． Ｌ ｔ ｄ ． ｆＢ ｏ ａ ｏ ｔ ｏ ｕ Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ （ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ ） Ｃ ｏ ｒ ｐ ．
ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ． Ｆ ｕ ｈ ｅ ｎ ｎ ｏ ｒ ｅ， ｓ ｉ ｎ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｎ ｕ ｍｂ ｅ ｒ ｏ ｆ ｔ ｏ ｏ ｌ ｂ ｉ ｔ ｏｒ ｆ ｍｏ ｔ ｏ ｉｚ ｒ ｅ ｄ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ｉ ｓ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ， ｔ ｈ ｅ ｈ ａ ｍ ｏ ｒ ｎ ｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ａ —
第３ ９卷第 ３期
２ ０ １ ３年 ６月
包
钢
科
技
Ｖｏ １ ． ３９， Ｎｏ ． ３
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｂ ａ ｏ ｔ ｏ ｕ Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ
Ｊ ｕ ｎ ｅ ， ２ ０ １ ３
高速 电主轴动态特性 的有 限元分析
各 阶固有频率 和相应 的阵型 。进一步考虑 了电主轴安 装不 同数 目刀头 的因素 ， 对 电主 轴进行 了谐响应 分析 ， 绘制 电主轴 ３个方 向的频率 一 振 幅曲线。根据简谐力作用下 的振动分布情况 ， 可以看 出在固有频率处 电主轴在 简谐力 的作用下动 刚度较 差 ， 在加工 工作 中频 率应尽可能的避免会产生振动位移波峰 的固有频率 。 关键词 ： 电主轴 ； 弹性 支撑 ； 谐 响应 ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｅ ￣ Ｔｈ ｕ ｓ ， ｔ ｈ ｅ ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｌ ａ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｃ ｏ ｕ ｌ ｄ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｐ ｅ ａ ｋ ｏ ｆ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ
ｄ ｒ ａ ｗ ｎ ． Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｔ ｉ ｒ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ｉ ｔ ｈ ｈ ａ ｒ ｍｏ ｎ ｉ ｃ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ， ｔ ｈ ｅ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ｔ ｉ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｍｏ ｔ ｏ ｉｚ ｒ ｅ ｄ ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ｉ ｓ
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中图分类号 ： Ｔ Ｇ ６ ５ ９ 文献标识 码 ： Ｂ 文章编号 ： １ ０ ０ ９— ５ ４ ３ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３—０ ０ ５ ３— ０ ３
Ｆ ｉ Ｉ ｌ ｉ ｔ ｅ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ Ｄｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ Ｃｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ０ ｆ
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曹 宇 ， 李 强
（ １ ．内蒙古科技大学机械工程学院， 内蒙古 包头 ０ １ ４ ０ １ ０； ２ ．内蒙古 包钢钢联股份有限公司国际贸易分公 司， 内蒙古 包头 ０ １ ４ ０ １ ０ ）
摘
要： 考虑到轴承 刚度 的影 响 ， 建立弹性 支撑 的有 限元模 型 ， 利用有 限元方法分析 得出 了电主轴在弹性 支撑下 的