基于流固耦合分析的超高速微切削空气静压电主轴支承结构优化
木工机械用高速电主轴特点及关键技术分析
轴特殊的要求 ，所 以需要选择一次性永久 的脂润滑 悒 是 油脂 的流动性能不好 ，还会产生一定 的热阻力 ，散热效果 。 。
速 主 轴单 元 上 大 面 积 推 广 并不 实 用 。 空气 动 静 压 轴 承 是
轴的电机转子直接和主轴配合联结 ，增加 了主轴的转动惯 量 ，容易引起 主轴 的振动 ，因此木工 机械 用高速电主轴ｌ 的
圈仍采用刚质材料。混合陶瓷球轴承可以安全地采用脂 润
滑 ，能 很 好 的 满 足 生 产 要 求 。 为 了 提 高 轴 承 的 刚 度 和承 载
能 力 ，可 以 两个 或 多 个 混 合 陶 瓷球 轴 承 组 配 使用 。
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与加 工技术
２木 工 电主 轴 的结 构 特 点
木 工 切 削 机床 由于 与普 通 的 金 属 切 削 机 床 的 工 作 条 件 不 一 样 ，加 工 的 材 料是 木材 或 者 木 质 复 合 材 料 ，木 材 纤 维 与金 属 材 料 不 同 ，没 有 均匀 的金 相 组 织 ，而 是 具 有 一 定 的 方 向 性 ，加 工 时 切 削 力 的 波 动 较 大 。 加 工 环 境 粉 尘 比较 多 ，木 材 加 工 不允 许 液 体 润 滑 与 冷却 以 防 止 污 染 成 品 。 因 此 木 工 电主 轴 要 经 过 特 殊 设 计 ，它 与 金 属 切 削 电 主 轴 相
比 ，大致 有 以下 特 点 ：
冷 却 ，并 吹 散 切 屑 过 程 中产 生 的粉 尘 。具 体 设 计 可 以将 传
一
统 的主轴冷却水套改换成带多片散热片的铬辔 ，在 电主轴 ｊ
基于流固耦合分析的超高速微切削空气静压电主轴支承结构优化
基 于流 固耦 合分 析 的超 高速 微 切 削 空气 静 压 电主轴 支 承 结构 优 化
吴利杰 肖曙红 雷枝武 罗小百
（ 广东工业大学机电工程学 院 广东广州 ５ １ ０ ０ ０ ６ ）
摘要：借助有 限元分析软件 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ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 电主轴的各种结构方案 ，并进行承载特性分析对 比，优选出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 轴悬 跨 段 的设 置 对 提 高 承 载性 能 的贡 献 较 小 ，为 加 强 主 轴 刚性 ，
Ｏｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈｅ Ｓ ｕ ｐ ｐｏ ｒ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｃｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｕｌ ｔ ｒ ａ － ｈ ｉ ｇ ｈ— ｓ ｐｅ ｅ ｄ Ａｅ ｒ ｏ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ Ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ Ｓｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ Ｂａ ｓ ｅ ｄ Ｏ ｉ ｌ Ｆｌ ｕｉ ｄ－ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｃｏ ｕｐ ｌ ｉ ｎ ｇ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
ＷＵ Ｌ ｉ ｊ ｉ ｅ Ｘｉ ａ ｏ Ｓ ｈ ｕ ｈ ｏ ｎ ｇ Ｌ ｅ ｉ Ｚ ｈ ｉ ｗｕ Ｌ ｕ ｏ Ｘ ｉ ａ ｏ ｂ ａ ｉ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｇ ｕ ａ ｎ ｇ ｄ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｇ ｕ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｇ ｕ ａ ｎ ｇ ｄ ｏ ｎ ｇ ５ １ ０ ０ ０ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ｌ ｐ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ （ Ｆ Ｅ Ａ） ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ ， ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ － ｄ ｉ ｍ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ —
流固耦合动力学与控制专题序
第２１卷第６期２０２３年６月动力学与控制学报J O U R N A L O FD Y N AM I C SA N DC O N T R O LV o l ．２１N o ．６J u n ．２０２３文章编号:１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ２１(６)Ｇ００１Ｇ００２D O I :１０．６０５２/１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ０８４㊀２０２３Ｇ０６Ｇ０２收到第１稿,２０２３Ｇ０６Ｇ１８收到修改稿．∗国家自然科学基金资助项目(１１９３２０１１),N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a (１１９３２０１１)．†通信作者E Ｇm a i l :q u y e g a o ＠s jt u ．e d u ．c n 流固耦合动力学与控制专题序∗瞿叶高１†㊀王琳２㊀张伟伟３(１．上海交通大学机械与动力工程学院,上海㊀２００２４０)(２．华中科技大学航空航天学院,武汉㊀４３００７４)(３．西北工业大学航空学院,西安㊀７１００７２)摘要㊀围绕管道流固耦合振动建模理论与方法㊁流致振动与控制㊁涡激振动抑制等研究主题,本专刊介绍了流固耦合动力学与控制领域的一些研究成果．关键词㊀流固耦合,㊀流致振动,㊀涡激振动,㊀振动控制中图分类号:O ３２２文献标志码:AP r e f a c e t o t h e S p e c i a l I s s u e :D yn a m i c s a n dC o n t r o l o f C o u p l e dF l u i d ＧS t r u c t u r e S ys t e m ∗Q uY e g a o １†㊀W a n g L i n ２㊀Z h a n g We i w e i ３(１．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,S h a n g h a i J i a oT o n g U n i v e r s i t y ,S h a n gh a i ㊀２００２４０,C h i n a )(２．S c h o o l o fA e r o s p a c eE n g i n e e r i n g ,H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,W u h a n ㊀４３００７４,C h i n a )(３．S c h o o l o fA e r o n a u t i c s ,N o r t h w e s tU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,X i a n ㊀７１００７２,C h i n a )A b s t r a c t ㊀T h i s s p e c i a l i s s u e i n t e n d s t o p r e s e n t t h en e wr e s e a r c h p r o g r e s s e s o f t h e f i e l do f d yn a m i c s a n d c o n t r o l o f f l u i d Ｇs t r u c t u r e i n t e r a c t i o n s ．S p e c i a l t o p i c s i n c l u d i n g d y n a m i cm o d e l i n g m e t h o d s o f p i p e s ,f l o w Ｇi n d u c e dv i b r a t i o na n d c o n t r o l ,a n dv o r t e x Ｇi n d u c e dv i b r a t i o n c o n t r o l a r e c o n s i d e r e d ．K e y wo r d s ㊀f l u i d Ｇs t r u c t u r e i n t e r a c t i o n ,㊀f l o w Ｇi n d u c e dv i b r a t i o n ,㊀v o r t e x Ｇi n d u c e dv i b r a t i o n ,㊀v i b r a t i o n c o n t r o l序言流固耦合动力学是航空㊁航天㊁船舶㊁土木㊁海洋工程㊁轨道交通等领域重大工程和装备设计㊁建造及运行中关注的核心基础性力学问题之一．流体与固体的相互作用诱发的动力学问题不仅影响装备和工程结构的关键性能,还可能引起装备和结构的破坏失效,导致巨大的生命财产损失．如飞行器结构颤振㊁海洋立管涡激振动㊁土木结构风激振动㊁舰艇振动与噪声等诱发的安全和可靠性问题．流固耦合动力学系统具有显著的非线性特征,其动力学现象㊁内在机理与控制等研究受到学术界和工程领域的广泛关注[１－３]．近年来,随着力学与数学㊁材料科学㊁信息科学等深度交叉与融合,在流固耦合力学新现象和机理㊁理论分析㊁数值计算㊁实验技术以及动力学控制方法等方面促生了新的学科增长点,也取得了诸多研究突破．为了及时总结流固耦合动力学领域的最新研究成果,特组织 流固耦合动力学与控制 专刊,共包括９篇论文(含２篇综述论文),涉及流固耦合动力学建模理论与方法㊁管道流固耦合振动与控制㊁涡激振动抑制等研究领域．华中科技大学何毅翔等的«外流作用下管道流动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷固耦合非线性动力学研究进展»梳理了国内外学者在外流作用下管道振动领域的研究成果,重点分析了柔性管道分别在横向外流和轴向外流作用下的流固耦合非线性振动行为,从理论建模㊁仿真分析和实验研究等方面探讨了外部流体对管道动力学行为的影响机制,对当前国内外研究现状进行了简要的总结,并给出了这一研究领域仍存在的难点和挑战．天津大学唐冶等的«输流管道动力学与控制的最新进展»对输流直管/曲管㊁不同外形输流管道㊁复杂支承和约束输流管道㊁运动输流管道㊁内流和外流作用下输流管道㊁多相流输流管道㊁复合材料输流管道动力学特性及输流管道的振动控制等进行了回顾,并对管道流固耦合非线性振动力学模型降维㊁非线性动力学求解方法㊁输流管道宽频振动控制等挑战问题进行了展望．上海交通大学宿恒等的«大变形柔性管道两相流流致振动研究»针对柔性管道内段塞流引起的结构大变形流致振动问题,采用分区强流固耦合方法建立了面向大变形两相流输运管道的双向流固耦合数值计算模型,研究了不同气相表观流速下段塞流诱导的柔性管道大变形流致振动响应特性,分析了柔性管道的振动模态切换特性及管道的大变形振动对两相流流动特性的影响规律．上海大学高思禹等的«热环境中超临界黏弹性输流管道自由振动分析»以热环境中超临界自由振动的输流管道为研究对象,通过广义H a m i l t o n原理建立了两端简支受温度影响的输流管道的控制方程,基于复模态法和伽辽金法离散系统偏微分－积分控制方程,得到热环境下超临界输流管道的模态函数和固有频率,分析了温度增量及初始轴力对管道固有频率的影响规律．上海交通大学赵峰等的«含翼板浮式防波堤消浪性能分析»基于粘性流体理论,采用计算流体力学方法,对新提出的一种含翼板的箱型浮式防波堤和不含翼板的传统箱型浮式防波堤进行了数值模拟,对比分析了两种浮式防波堤的消浪效果㊁运动响应和流场特性．北京航空航天大学罗宸晟等的«涡激旋转下方柱小幅振荡模态的自由流线边界层理论模型»综合钝体绕流的自由流线与边界层理论,建立了流固耦合中方形柱体涡激旋转小幅振荡模态下的自由流线－边界层理论分析模型,并且通过浸没边界法进行数值仿真,分析了小幅振荡模态的主要驱动力,解释了出现周期性振荡的原因．西南石油大学高岳等的«弯曲柔性立管段塞流致振动实验研究»在气液两相流循环实验系统中开展了水动力段塞流诱导的悬链线型柔性立管振动响应测试,利用高速摄像非介入测试方法同步捕捉了柔性立管的振动位移与管内的段塞流动细节,研究了气液混合流速和气液比两个流动参数对柔性立管振动响应的影响,分析了振幅与振频的时空分布㊁管内液塞长度㊁压力波动的变化规律及它们间的内在联系．长沙理工大学罗楚钰等的«基于表面吸气的矩形截面涡激振动抑制及机理研究»采用数值模拟方法研究侧表面双气孔稳定吸气对宽高比为４:１的矩形柱体涡激振动的控制特性,分析了无量纲吸气流量对涡激振动抑制的影响机制和效果．中国核动力研究设计院刘理涛等的«小型模块化压水核反应堆堆内构件模态特性研究»以国内自主研发的小型模块化压水核反应堆堆内构件为研究对象,采用有限元法开展了反应堆堆内构件干模态和湿模态数值建模分析,获得了吊篮组件㊁压紧组件㊁压紧筒组件以及分流环板在空气和静水中的固有频率及相应的振型,并开展模态试验验证了数值模型的正确性．流固耦合动力学与控制的研究内涵和应用领域非常丰富和宽泛．受篇幅所限,本专刊所收录的论文还远不够全面,只能选取某些特定研究方向上的代表性问题进行展示．其他重要方向,如流固耦合动力学数值计算方法㊁实验技术㊁流致振动智能控制及其在航空㊁航天㊁船舶㊁土木㊁海洋工程㊁轨道交通等工程领域应用等研究还有待于进一步完善．参考文献[１]D OW E L L E H,HA L L K C．M o d e l i n g o ff l u i dＧs t r u c t u r e i n t e r a c t i o n[J]．A n n u a lR e v i e w o fF l u i dM e c h a n i c s,２００１,３３(１):４４５－４９０．[２]K AMA K O T IR,S H Y Y W．F l u i dＧs t r u c t u r e i n t e r a cＧt i o nf o ra e r o e l a s t i ca p p l i c a t i o n s[J]．P r o g r e s si nA e r o s p a c eS c i e n c e s,２００４,４０(８):５３５－５５８．[３]P AÏD O U S S I S M P．F l u i dＧS t r u c t u r eI n t e r a c t i o n s: S l e n d e r S t r u c t u r e s a n dA x i a lF l o w:S e c o n dE d i t i o n[J]．E l s e v i e r I n c．,２０１６２。
电主轴综述
高速电主轴技术乔志敏 S1203027 摘要:通过阐述了高速电主轴的发展历程、高速电主轴的结构以及高速电主轴设计制造过程中的关键技术，分析了高精度、高转速电主轴对数控机床性能的影响。
实践证明，采用高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，能够获得特殊的加工精度和表面质量，高精度高转速电主轴功能部件，对提高数控机床的性能具有极大的影响。
关键词：高速电主轴；高精度；数控机床Abstract: Based on the development of high-speed motorized spindle and the main str ucture of the motorized and the key technologies in the manufacturing process of high -speed motorized spindle, it analyzes the high precision, high speed electric spindle of influence on the performance of the numerical control machine. Practice has proved t hat high-speed processing technology can solve many problems in the manufacturing of mechanical products, and it can obtain special machining accuracy and surface qual ity. High precision and high speed motorized spindle features have a great impact on t he performance of CNC machine tools .Keywords: high-speed motorized spindle, high precision, CNC machine1.高速电主轴的现状与发展早在20世纪50年代，就已出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。
_超高速加工技术
2、超高速主轴系统动态特性及热态特性研究：动刚度、固有 频率等参数的影响。 3、超高速主轴系统的润滑和冷却技术研究：润滑充分问题、 冷却效果问题。 4、超高速主轴系统多目标优化设计、虚拟设计技术研究。
第四节 超高速加工进给单元制造技术
超高速加工进给单元是超高速加工机床的重要组成部分。 一、超高速加工进给单元的基本要求： 1、要求具有大的加、减速度：在瞬时达到高速，瞬时准停。 2、要求具有搞的定位精度：能精确控制零件的尺寸精度。 二、超高速加工进给单元的关键技术： 1、高速位置环芯片研制；
4、超高速加工中工件状态的测试技术； 5、超高速加工中自适应控制技术； 6、超高速加工中智能控制技术。
第五节 超高Βιβλιοθήκη 加工测试技术从某种意义上讲，超高速加工测试技术是超高速加工得到应 用的技术关键。 一、超高速加工测试技术的概念： 主要是指在超高速加工过程中，通过传感、分析、信号处理 等，对超高速机床及系统的状态进行实时在线监测和控制的监测 技术。 监测主要基于对切削力、声发射、切削功率和温度等信息参 数检测，来监测加工状态。 二、超高速加工测试的关键技术： 1、基于监控参数的在线检测技术； 2、超高速加工的多传感器融合检测技术； 3、超高速加工机床中各单元系统功能部件的测试技术；
3、超高速进给单元制造技术； 4、超高速加工用刀具和磨具材料； 5、超高速机床支承； 6、超高速加工测试技术。
二、超高速切削机理： 1、萨洛蒙超高速切削理论： 三个切削速度区： ⑴ 常规的切削速度区：现行的切削加工速度范围； ⑵ 不能切削区：此区切削速度下，切削温度过高，刀具不能 承受； ⑶ 高速切削区：当切削速度达到某一数值后，切削温度不再 升高，反而随切削速度继续增加，切削温度呈下降趋势，切削 温度降到刀具能承受的切削速度时，即为高速切削的最低速度。 试验表明，萨洛蒙超高速切削理论并不适用于所有的加工 材料，有些材料在超高速切削时不存在不能切削区。 2、超高速磨削最大切屑厚度hmax理论： 在保持其它参数不变，仅增大磨削速度情况下， hmax会减 小，每个磨削刃上的作用切削力也会减小。
超精密加工的机床设备
超精密加工的机床设备摘要：超精密加工技术的发展直接影响整个国家的制造业发展，影响尖端技术和国防工业的发展。
机床是实现超精密加工的重要载体，机床的制造水平和研究水平便显得非常的重要。
本文在论述目前国内外超精密加工机床的现状的同时，介绍了国内外有代表性的几种超精密加工机床，并介绍分析了超精密机床的精密主轴部件、进给驱动系统、误差建模和补偿技术和数控技术。
关键词：超精密加工机床发展关键技术1.引言制造业是一个国家或地区国民经济的重要支柱，其竞争能力最终体现在新生产的工业产品市场占有率上，而制造技术则是发展制造业并提高其产品竞争力的关键。
精密和超精密加工技术是制造业的前沿和发展方向。
精密和超精密加工技术的发展直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。
随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅猛发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。
目前，国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。
最近几年，我国的机床制造业虽然发展很快，年产量和出口量都明显增加，成为世界机床最大消费国和第一大进口国，在精密机床设备制造方面取得不小进展，但仍和国外有较大差距。
我国还没有根本扭转大量进口昂贵的数控和精密机床、出口廉价中低档次机床的基本状况。
由于国外对我们封锁禁运一些重要的高精度机床设备和仪器，而这些精密设备仪器正是国防和尖端技术发展所迫切需要的，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工机床，使我国的国防和科技发展不会受制于人。
2.超精密机床的发展现状2.1国外超精密机床发展现状目前在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本, 这3个国家的超精密加工装备不仅总体成套水平高, 而且商品化的程度也非常高。
高速磨削电主轴热-结构耦合有限元分析与仿真
高速磨削电主轴热-结构耦合有限元分析与仿真王鹏;李文斌【摘要】在高速磨削加工中,电主轴的热结构状态直接影响高速加工机床的加工尺寸精度和表面质量.这篇文章利用传统理论对高速磨削电主轴进行了热-结构耦合分析,分别计算热稳态下主轴各种边界条件,在理论研究的基础上结合有限元软件进行热-结构耦合仿真分析,得到电主轴热变形主要与电机损耗、轴承发热与冷却液系统有关的结论.这一结论充分说明引起电主轴变形的主要因素,为今后在试验中建立电主轴热补偿体系以及减少热变形提供了有力的理论支持.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)012【总页数】4页(P146-149)【关键词】高速磨削电主轴;热-结构耦合;有限元;热变形;热补偿体系【作者】王鹏;李文斌【作者单位】太原理工大学机械工程学院,山西太原030024;太原理工大学机械工程学院,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH161高速加工技术作为当代先进制造技术中的一个主要发展方向，以高速度、高精度为主要特征，是继数控加工技术之后，传统切削加工技术中的有一次革命性的飞跃。
为满足高速磨削加工的需求，高速磨削电主轴得到逐步应用并成为了高速磨削加工中的核心部件。
作为核心部件，电主轴的加工稳定性和加工精度日益受到加工制造业的关注[1]。
电主轴处在高速加工过程时，电机和轴承会产生大量热量，引起主轴的热变形，如果不能有效的控制主轴的发热变形，将严重影响高速磨削机床的加工精度和表面质量。
因此，磨削电主轴的热结构耦合分析，是保证机床加工精度和表面质量的重要理论基础[2]。
2.1 热源分析与计算电主轴主要构件及其结构，如图1所示。
高速磨削电主轴内部热源主要有两个，一个是无外壳主轴电动机的损耗发热，另一个是轴承的摩擦生热。
2.1.1 无外壳主轴电机热量计算高速磨削电主轴使用无外壳内置电机，其定子和转子热量主要是电机损耗产生的。
本次试验用高速磨削电主轴的最高转速为15000r/min，额定转速为4500r/min，额定功率11kW，功率损耗率为25%，损耗功率为2.75kW。
数控机床高速电主轴技术要点分析
203中国设备工程C h i n a P l a n t E n g i n e e r i ng中国设备工程 2021.05 （上）高速电主轴，即为内装式电机主轴单元，是数控机床的重要部件。
其是在机床主轴单元内部安装主轴电机，对主轴起到了驱动作用，由此促使电机和主轴成为一个整体。
要提高数控机床的运行效率，就要掌握高速电主轴技术要点，充分发挥其优势，同时，推进电主轴技术不断完善。
1 高速电主轴所具备的优点传统的数控机床上的主轴运行，在发挥电机驱动作用的过程中，主要是带动中间的变速装置和传动装置，诸如齿轮、皮带以及联轴节等，此为“机械主轴”，也被形象地称为分离式和直联式主轴。
与这种传统的主轴相比，电主轴具备的优点如下。
（1）主轴运行中，是通过内部安装的电机驱动的，不需要通过中间的变速装置和传动装置，其设计结构简单而且紧凑，能够提高运行效率而且精度很高。
在运行的过程中，不会产生很大的噪声，振动也非常小。
（2）将交流变频技术充分利用起来，在额定转速范围内，电主轴可以无级变速。
当机床运行的过程中，无论发生任何的工况，或者在负载变化的情况下，电主轴都有很好的适应性。
（3）内装电机运行中，能够控制闭环矢量，还可以按照控制命令有效调控功率，且能够灵活控制驱动装置运行速度、输出力矩等等。
电主轴可以满足各种大功率要求，诸如低速重切削大转矩的时候，或者高速精加工的时候，电主轴都能够很好地发挥作用，还可以实现准停，同时满足C 轴传动功能。
（4）电主轴可以高速运行，有良好的稳定性，动态精度较高，使数控机床切削的速度更高，加工的精密度也更高。
（5）由于电主轴的运行不需要经过中间传动环节，因此其平稳性更高，不会受到外来的冲击，主轴的轴承不需要承受很大的动负荷，精度寿命得以延长。
（6）电主轴使电机和主轴构成一个整体，形成一个单元，使电主轴可以系列化生产，形成一定的规模，而且生产更加专业化。
电主轴作为数控机床功能部件，也作为一种商品进入到市场中。
超高速干气密封微织构气膜润滑特性研究
超高速干气密封微织构气膜润滑特性研究
刘暅豪;丁雪兴;徐洁;丁俊华;张志敏
【期刊名称】《流体机械》
【年(卷),期】2024(52)3
【摘要】针对航天航空领域,设备超高速、高压运转,干气密封稳定性问题,依据槽型织构优化设计,提出一种槽底微织构螺旋槽干气密封结构,以解决密封在超高速旋转过程中气膜稳定性问题。
基于气体润滑理论,建模、划分网格,再导入FLUENT软件对流场进行仿真模拟;改变工况参数和槽型结构参数后,在超高速、高压工况下,相比于普通螺旋槽,槽底微织构螺旋槽干气密封的动压效果有显著提升。
结果表明,槽深h_(g)=6μm,膜厚h_(0)=2μm,微织构槽深δ=2μm、微织构槽宽取3.97 mm,微织构槽位于螺旋槽底中间位置时,槽底微织构螺旋槽相比于普通螺旋槽可产生明显的动压效应。
【总页数】9页(P24-32)
【作者】刘暅豪;丁雪兴;徐洁;丁俊华;张志敏
【作者单位】兰州理工大学石油化工学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH117.2
【相关文献】
1.静压干气密封微尺度气膜力学特性
2.螺旋槽干气密封润滑气膜特性的数值模拟
3.轴向微扰下干气密封螺旋槽润滑气膜的稳定性分析
4.衍生螺旋槽对超临界二氧化
碳干气密封微气膜稳态特性影响5.椭圆微织构结构参数对气膜浮环密封性能的影响
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超高速加工技术
（2）汽车制造。
1
2
3
4
钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔
高速钻孔 表面和内侧倒棱
专用机床 5轴×4工序 = 20轴（3万件/月）
刚性（零件、孔数、孔径、孔型固 定不变）
高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月）
柔性（零件、孔数、孔径、 孔型可变）
图12 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）
（3）模具制造。
b）高速模具加工的过程
图14 两种模具加工过程比较
生产剃须刀的石墨电极
生产球形柄用的铜电极
图15 高速切削加工电火花加工用工具电极
（4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC55～62），可 代替磨削，精度可达IT5~IT6级，粗糙度可达0.2～1um。
（5）超精密微细切削加工领域。
粗铣整体铝板； •精铣去口； •钻680个直径为3mm的小孔。 时间为32min。
在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷 或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑。
高速加工技术的发展与应用
图5 HSM600U型数控五轴高速加工中心
生产厂家：瑞士Mikron 主轴转速：最高42000 rpm
主轴功率：13 KW 进给速度：最高40 m / min
定位精度：0.008 mm
重复定位精度：0.005mm
图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心
图7 HSM800 图9 HSM400
• Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公 认的高水平成果，并积极在铝合金、钛合金、铬镍 合金等难加工材料方面进行高效深磨的研究。
近年来，我国在高速、超高速加工的各关键领域 (如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、 陶瓷滚动轴承等方面)也进行了较多的研究并有相应 的研究成果。
液体动静压电主轴关键技术综述
液体动静压电主轴关键技术综述一、本文概述本文旨在对液体动静压电主轴的关键技术进行全面的综述。
液体动静压电主轴，作为一种高精度、高稳定性的主轴系统，广泛应用于数控机床、精密加工设备以及超精密制造领域。
本文将从液体动静压电主轴的基本原理、关键技术、应用领域以及发展趋势等方面进行深入探讨，以期为读者提供全面而深入的理解。
本文将介绍液体动静压电主轴的基本原理，包括其结构特点、工作原理以及与传统主轴的区别。
将重点分析液体动静压电主轴的关键技术，如液体动静压技术、电主轴驱动技术、高精度轴承技术等，并对这些技术的现状和发展趋势进行详细阐述。
本文还将对液体动静压电主轴在各个领域的应用进行概述，以展示其在现代制造业中的重要地位。
本文将展望液体动静压电主轴的未来发展趋势，探讨其在新材料、新工艺以及智能制造等领域的潜在应用，以期为我国制造业的转型升级提供有益的参考。
通过本文的综述，读者可以对液体动静压电主轴的关键技术有更加清晰的认识，为相关研究和应用提供有益的借鉴。
二、液体动静压电主轴的基本原理液体动静压电主轴是一种集成了液体动静压技术和电主轴技术的高精度、高刚度、高转速主轴装置。
其基本原理主要包括液体动静压原理和电主轴原理两部分。
液体动静压原理是基于帕斯卡定律和流体力学原理，通过特定的供油系统和油腔设计，使主轴在高速旋转时，主轴与轴承之间形成一层均匀、稳定的油膜，从而实现主轴的液体动压支撑。
这种支撑方式不仅可以显著降低主轴与轴承之间的摩擦，提高主轴的旋转精度和稳定性，还能有效吸收振动和冲击，延长主轴的使用寿命。
电主轴原理则是通过内置电机直接驱动主轴旋转，省去了传统的传动机构，从而实现了主轴的高速化、高精度化和高刚度化。
电主轴具有结构紧凑、重量轻、动态响应快等优点，能够满足现代高精度加工设备对主轴的高性能要求。
在液体动静压电主轴中，液体动静压技术和电主轴技术相互融合，形成了独特的工作原理。
一方面，液体动静压技术为电主轴提供了稳定、可靠的支撑，保证了电主轴的高速旋转精度和稳定性；另一方面，电主轴的高速旋转又促进了油膜的均匀分布和稳定形成，进一步提高了液体动静压技术的效果。
精密与超精密磨削关键技术探讨
进 给单 元 是评 价精 密及超 精 密磨床 性 能 的重 要指 标之 一 ，也是 使砂 轮保 持正 常工作 的必 要 条件 。在精
密和超精密磨削加工中，进给单元是影 响精度的重要
磨削在晶粒内进行 ，要使磨削顺利进行 ，必须使磨削
力 大大超 过 晶粒 的结合 力 ，甚至 可 以达 到材 料 的剪切 强 度 Ｌ 。同时 ，磨 粒 在 磨 削 时 产 生 高 温 和 高压 ，因 ２ ］ 此磨 粒 材料要选 取 高温性 能好 、硬 度 大的材 料 ，如金 。 刚石 、立方氮 化硼 等 。 （ ） 连续 磨 削 。 在磨 削 初 始 阶段 ，砂 轮 与 工 件 ２
轴 器直 接相 联 。现在 ，大 多数 高精 度高 速机 床采 用 了 内装 式 电主 轴 的结构 形式 ，即将变 频 电机 和机床 主轴 合 为一体 ，而 主轴 的变速完 全 通过 控制 交流 电 的频率 来 完成 。 国内外 用于 高精 度高速 加 工 的机 床 主轴轴 系 的轴 承 主要 有 陶瓷球轴 承 、动静 压轴 承 、静 压轴 承 、气 浮
究。
对 于超精 密磨 削加 工而 言 ， 由于要 求 主轴单 元 系 统具 有 刚性好 、精 度高 、加 工稳 定性好 、散热好 、故 障 少等特 点 ，因此 在成 本适 中 的条件下 ，对主 轴 的制 造精 度 、主 轴 轴 承 结 构 方 式 、 主轴 的 润 滑 和 冷 却 系 统 、底座 及 主轴 刚度等 提 出了更 高 的要 求 ，主轴 单元 的静 刚度 和工 作精 度对磨 床精 密 加工性 能有 很 大 的影 响 。磨床 主轴 单元 的动 态性 能在很 大程 度上 决定 了机
高速切削简介
高速切削加工切屑形成特征 文献2
2021/7/16
高速切削加工切屑形成特征 文献2
从连续光滑的切削到周期性的锯齿状切屑，是随着切削速度增大而变化 过渡，这是高速切削加工中最基本又富有挑战性的问题。本文中，用临 界切削速度对切屑流起因的显式表达式，用材料性能，未变形切屑厚度 与刀具前角三者来表达，并基于尺寸分析和数值模拟。实验对于各种金 属材料在宽范围的切削厚度与刀具前角下，切屑由连续到锯齿状，给出 临界切削速度合理的预测。更有趣的是，发现，由于由雷诺数对湍流流 动的控制，对锯齿形切屑的流动模式的转变是由雷诺数主导。此外，材 料的性能对锯齿形切屑的影响进行系统的研究，其发展趋势和Recht经典 2021/7模/16 型吻合。
➢ 1931年德国物理学家C. J. Salomom在“高速切削原理 ”一文中给出了著名的“Salomom曲线”——对应于一 定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最 高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降 。
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➢ Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣， 并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念。
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高速钻孔
表面和内侧倒棱
高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月） 柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）
汽车轮毂螺栓孔高速加工实例
电极制造
1毛坯 → 2粗铣 → 3半精铣 → 4热处理 →5电火花加工→6精铣 →7手工磨修 a）传统模具加工的过程
1硬化毛坯→ 2粗铣 → 3半精铣 → 4精铣 →5手工磨修 b）高速模具加工的过程
切削热大部分由 切屑快速带走
避免积屑瘤的产 生
接触区 高速切削的剪切角 常规切削的剪切角
基于数控机床的高速电主轴结构分析
基于数控机床的高速电主轴结构分析摘要：笔者结合自己的具体工作，经过对数控机床中高速主轴的结构的分析和探讨，从轴承的技术设计到主轴的动平衡设计，在此基础上引出来超高速主轴的轴端设计的理论概念和方法，同时还给出了一些具体的优化技巧和改进措施。
关键词：电主轴超高速零传动笔者在实践中总结和发现，数控机床中的高速加工，其先决条件就是一定要确保主轴的值不能小于1×106。
研究表明，高速加工有着自身大功率、宽调速的特性。
要实现高速加工，最佳方法就是直接把主轴电机的转子、定子装入主轴组件，这样就会形成一个整体的电主轴，从而实现了主轴系统的“零传动”。
因为电主轴有着紧凑、惯性小、重量轻、动态特性好相对良好的优点，所以能够改善加工机床的实际动平衡，能够大幅度地消除了振动与噪声，因此，这种方式得到了高速切削机床行业的广泛关注。
由于电主轴工作过程中其转速相对比较高，所以在具体的结构设计和控制、制造过程都提出了严格的要求和实施范围。
比如主轴的动平衡、散热、支承、精密控制及润滑等。
1、主轴轴承的技术分析主轴轴承技术属于整个超高速主轴行业中的一个最重要的技术。
现在，在世界超高速机床行业，使用最为广泛的轴承形式就是动静压轴承、磁浮轴承和混合陶瓷轴承。
1.1 磁浮轴承磁浮轴承其实就是通过电磁力的作用，把整个转轴悬浮在相应空间的一种轴承，它的优点就是定子与转轴之间不出现任何的机械接触。
因为没有机械接触，所以转轴都能达到一个极值的转速。
它的结构特点就是磨损小、噪声小、能耗低、寿命长、无油污染、无需润滑，由于磁浮轴承属于可控的轴承，转子的具体位置完全可以自律，主轴阻尼和刚度都可以调整，这样在整个加工过程中是其他轴承无法替代的。
制约磁浮轴承广泛应用的主要原因有价格、发热以及复杂的控制系统等问题，所以很多只适用于一些特殊的场合。
1.2 动静压轴承动静压轴承属于综合了静压轴承和动压轴承两者优点的一种新型多油楔油膜轴承，它的优势就在于回避了静压轴承在高速运转下的发热和复杂的供油系统，防止了动压轴承停止与启动过程所发生的一些干摩擦，由于他的调速范围比较宽，有着良好的高速性能。
空气静压轴承在超高速微细孔钻削电主轴中的应用
．
气膜体积 ：
ｖ ｒ： ￣ Ｌ 。 （ 于 径 向静 压 轴承 ） ｒ ｈ 对 Ｄ
（） ２
式 中：Ｄ为轴径 ，ｍ ｌ ｎ；Ｌ为轴承的工作 长度。
／ Ａ！ ， ／ ｒ ， ／＇ ／
（）双列空气静压径向轴承 ａ （ ）单列空气静压径 向轴承 ｂ
Ｖ ＝ １ 尺 ２ ． （ ， ｒ（ ２ 只 ）・０ 对于推力静压轴承 ） － Ｉ ｌ
气 静 压 轴 承属 于是 非 接 触 式 的 轴 承 ，高 速 性 能好 、旋 转 精 度 高 、振 动 和噪 音 小 ，但 承 载 能 力 较 小 ，而 且 要 求 密 封性 能 良好 和另 加 供 气 装 置 ， 因此 非 常 适 用 于 功 率 小 、极 限 转 速要 求 高 的 超 高 速微 切 削 电主 轴 。
空 气 静 压 轴 承 设 计 的 难 点 主 要 是 节 流 器 形 式 的选 择 和
（ ）空 气 静压 推 力 轴 承 ｂ
图 ３ 空气 静 压 轴 承 的节 流 器 的设 计
结 构参 数 合 理 确 定 。节 流 器 是 使 外 部 压 缩 气 体 进 入 轴 承 间 隙前 ，产 生 节流 效 果 ，并 使 形 成 具 有 一 定 承 载 能 力 及 刚度
维普资 自行 开发 的 超 高速 空气 静 压 支 承 电 主轴 结 构 简 图 。 该 电 主 轴 的基 本 结 构 是 电机 内置 ， 主轴 径 向 和 轴 向 支 承 均 采 用 静 压空 气 轴 承 ，其 中径 向静 压 空气 轴承 分前 后 两 端 支 承 ，采 用 双 排 节 流 孔 ，具 有 较 大 的 刚 性 和 支 承 稳 定 性 。 轴 向 静 压空 气 轴 承 置 于 前 轴 承 与 内装 电 机之 间 ，可增 大 钻 削 的 稳定 性 。在 电机 定 子 绕 组 外 面 设 计 有强 制循 环 冷 却 水 套 。 主 轴组 件 后 端 装 配 自动 换 刀 气 缸 组 件 ， 利 用 拉 刀 机 构 ，实现 自动 换 刀 。
高速切削及其关键技术
高速切削和其关键技术综述摘要高速切削已成为先进制造技术的一个重要发展方向。
高速切削的应用将提高加工精度和生产率。
本文介绍了高速切削的概念和特点，分析了高速切削的关键技术：机床技术、刀具技术和工艺技术，说明了高速切削在航空、汽车工业与模具制造等领域的应用，并展望高速切削加工技术未来的发展方向。
关键词：高速切削，关键技术，应用领域，未来展望Abstract:High-speed cutting technology has become an important development direction of advanced manufacturing technology.The application of high-speed cutting technologywill improve the machining accuracy and productivity.This paper introduces the concept and characteristics of high speed cutting, and analyzes the key technologies of high-speed cutting, including machine tooltechnology, cutting tool technology and process technology. It also illustrates the applications of the high speed cutting in the field of aviation, automobile industry and dies manufacturing, and prospects the future development direction of thehigh-speed cutting technology.Key words:high-speed cutting, key technologies, application fields, future prospect0. 引言自20世纪30年代，高速切削概念首次提出以来，高速切削加工技术经历了多年理论与实践的研究和探索。
一种超精密空气静压车床主轴的设计
本 文提 出一 个 ＴＳ模 糊神 经 网络应 用 于气 动 伺 服 ． 系 统 的控制 ， 中模 糊逻 辑 系统完 成气 动 系统 的控制 ， 其 同时利 用基 于神 经 网络 的学 习算 法调节 隶 属度 函数 的 参数 和神 经 网 络 的权 值 ， 而 优 化 整 个 系 统 的性 能 。 从 应用 所 提 出的控 制方 法 ， 动 执行 器 通 过 多 传 感 器 信 气
２ 主 轴静态 性 能测试
空 气静 压车 床主轴 由两个 圆柱 径 向轴 承 和一个 平
面止推轴承构成 。整体布局采用 “ ” Ｔ 型结构 ， 止推轴 承位 于 主轴 的加 工端 。结 构示 意 图如 图 １ 示 ： 所
测 试之 前 ， 主轴 的右 端 装 上 高 精 密 的 陶瓷 标 准 在 球 作 为测量 基 准 ， 将其 相 对 于主 轴 回 转 中心 的偏 心 并 调 整 到 ０５ ｍ 以下 。在标 准 球 上安 放 两个 超 精 密 电 ． 感微 位 移传感 器 （ 分辨 率为 ００ Ｌ 作为 位置 检测 元 ．１Ｉ ． ｍ）
轴承 的 主要结 构参 数如 Байду номын сангаас ：
精密 、 超精 密 加工 是 机 械 加 工 领 域 重 要 的发 展 方 向 。 目前 ， 国际上 的精 密 及 超 精 密 轴 系 大 多数 采 用 空
气 轴 承作 为支 承单 元 。具有 空气 静压 轴 承 的主轴 结构
形 式 主要有 三 种 ： 一是径 向圆柱 与平 面止 推型 ； 是双 二
为“ 驱” “ 直 或 电主轴 ” 驱动 方式 ， 主轴 的性 能 还将 有 该 较大 的提 升空 间 。
高速电主轴
油－气润滑设计
供油部分
供气部分
油气混 合部分
油气分 配部分
原理图
电主轴的冷却
电主轴两个主要的内部热源：内装式电动机的损耗 发热、轴承摩擦发热 冷却系统：针对定转子和轴承的发 热
温升的影响 （1）主轴、工件热变形； （2）导致永磁体的永久退 磁, 直接影响电机性能；
电主轴的动平衡技术
• 动平衡的稳定性决定了机床的加工质量和切削能力。 • 振动过大会出现剧烈的磨耗和破损, 增加主轴承载的动态 负荷, 降低寿命和精度。
谢谢！！
电主轴关键技术
电主轴的要求
转轴是高速电主轴的主要零件之一， 转轴的材料一般 是经过轧制或锻造经切削加工的碳素钢或合金钢
• 要求： • (1) 耐腐蚀性和耐高温性的材料； • (2) 在结构上要受力合理、尽量避免或减少应力集中现象； • (3) 足够的强度（静强度和疲劳强度）和刚度；
• (4) 高速时的振动稳定性及良好的加工工艺性，保证精度要求；
电主轴
结构原理图
1.前轴承 2.定子 3.冷却水套 4.壳体 5.出水管 6.进气管 7.主轴 8.转子 9.进水管 10.后轴承
高速电主轴的优点
(1) 电主轴由内装式电动机直接驱动，省去了皮带、齿轮联 轴节等中间变速和传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、 噪声低、振动小和精度高等特点。 （2）利用交流变频技术，电主轴可以在额定转速范围内实 现无级变速。 （3）电主轴更易于实现高速化，其动态精度和稳定性更好。 （4）由于没有中间传动环节，电主轴工作时运行更加平稳， 其精度寿命更长。 （5）实现电机和主轴的一体化、单元化，促进了机床模块 化和其他技术的发展。
（２）氮化硅陶瓷球轴承 具有转速高、温升低、 等优良特性，可弥补钢制 球轴承的不足，显著提高 电主轴的转速、刚度和寿 命。
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基于流固耦合分析的超高速微切削空气静压电主轴支承结构优化吴利杰;肖曙红;雷枝武;罗小百【摘要】借助有限元分析软件ANSYS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各种结构方案，并进行承载特性分析对比，优选出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，主轴悬跨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。
%With the help of the finite element analysis(FEA)software ANSYS,three-dimensional model of the ultra-high-speed micro-cutting aerostatic motorized spindle based on different support structures was set up.Finite element anal-ysis method of fluid-structure interaction was applied for the analysis of different kinds of structural designs of spindle.The load-bearing characteristics was analyzed and compared in order to obtain optimized support structure of motorized spindle. It is found that the front bearing structure has the greatest effect in the bearing ability of the motorized spindle bearing,the setting of spindle span contributes a little to the bearing ability,in order to strengthen the spindle rigidity,the spindle sup-porting structure of front bearing with multi-hole can be choosen.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】5页(P68-72)【关键词】超高速电主轴;空气静压轴承;流固耦合分析;结构优化【作者】吴利杰;肖曙红;雷枝武;罗小百【作者单位】广东工业大学机电工程学院广东广州510006;广东工业大学机电工程学院广东广州510006;广东工业大学机电工程学院广东广州510006;广东工业大学机电工程学院广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】THl33.3为了提高效率和降低成本，保证加工质量，PCB板上的微小孔一般采用高速钻削方法。
超高速空气静压电主轴是PCB板微小孔高速高效钻削的关键部件。
空气静压轴承由于可实现轴颈与轴承衬套的无直接接触，具有高速、高精度、低摩擦的特性，非常适合于超高速电主轴。
长期以来，国内外对空气静压轴承进行了大量的理论与实验研究，为空气静压轴承的应用取得了大量有价值的研究成果。
Stiffler[1]采用简化的理论计算了多供气孔环面节流静压圆盘止推气体轴承的动态刚度、阻尼随挤压数变化的曲线以及在挤压数为零时刚度和阻尼随节流器系数变化的曲线。
段明德等[2]建立空气静压径向轴承的理论模型，利用有限体积法分析软件，仿真分析了轴承处于旋转状态时，平均间隙和供气压力对轴承承载力和耗气量等特性参数的影响。
杜建军等[3]研究通过开设不同结构形式的均压槽来提高静压气体轴颈轴承的承载能力和刚度，分析了不同长度的周向均压槽、以及不同数量、位置和长度的轴向均压槽对轴承承载能力和刚度的影响规律。
文怀兴等[4]以高速加工中心电主轴为研究对象，建立了电主轴系统三维有限元模型，采用弹性支承模拟了轴承的支承，利用有限元分析软件 ANSYS Workbench 对电主轴进行了静力学分析和模态分析。
杨文勇等[5]采用有限元方法对空气静压轴承的静刚度进行分析，得到了轴承在不同偏心率下气膜的压力分布、不同偏心率下轴承的承载力和静刚度变化规律。
王冰[6]根据印刷电路板钻削的特殊性，分析 PCB 钻床超高速电主轴在钻削超微细孔时遇到的问题，总结出 PCB超高速钻削电主轴的关键技术点。
提高空气静压电主轴的综合性能，不仅需要优化空气静压轴承本身的结构和参数，轴承的配置形式对于电主轴的承载能力影响也很大，本文作者拟采用流固耦合分析方法，将结构分析和流体分析相结合，实现对气体流场的三维仿真。
在此基础上，优选出不同轴承配置下的最佳电主轴结构，并进行承载能力计算。
空气静压轴承节流孔的布置十分灵活，应用较多的是具有双排节流孔和单排节流孔等不同的结构形式，其中双排节流孔的空气轴承具有承载力大、刚度高等优点，应用广泛。
典型双排孔径向轴承的结构如图1所示，空气静压径向轴承的主要参数有轴承宽度L、节流孔轴向位置l、轴承内径D、节流孔直径d、每排节流孔数n、轴芯与轴承的平均半径间隙h0和供给气压ps。
双排孔径向轴承的参数确定方法有许多文献进行了介绍，如文献[7]以高速精密磨床用静压径向空气轴承为研究对象，利用有限元分析软件建立空气静压径向轴承有限元分析模型，运用正交试验法，分析轴承主参数对其承载性能的影响，从而优选出合理的双排孔轴承的主参数。
本文作者根据超高速空气静压电主轴的结构与使用要求，计算得到的空气静压轴承主要结构参数为：D=19 mm，L=20 mm，l=5 mm，n=8，d=0.2 mm，排数为2，h0=20 μm，供气压力ps=0.6 MPa。
超高速空气静压电主轴的支承结构可以根据实际应用情况，采用双排节流孔与单排节流孔轴承进行灵活的配置。
如图2所示的支承结构是在主轴的前后两端各布置一个双排节流孔轴承，大多超高速空气静压电主轴采用了这样的支承形式。
为了进一步提高轴系的承载力，可以在主轴的前后两端支承中间添加单排或者双排节流孔空气静压轴承作为辅助支承。
这样既可以形成多支承的结构形式，甚至形成全支承[8]的结构形式，几种不同支承结构形式电主轴的几何模型如图3所示。
流固耦合力学是研究两相介质之间的交互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。
这种流固耦合分析的方法可以采用三维流体与实体建模来实现对主轴的静态承载分析，与实际物理条件更接近。
以图10(a)所示支承结构的电主轴为例，介绍流固耦合的分析方法。
整个轴系由2个双排节流孔轴承支承，建模时，主轴是固体部分，轴承组成流体部分，其中固体部分用三维实体单元SOLID45单元，流体部分用FLUID142单元。
采用顺序耦合法和交替的求解方法。
计算时把未变形的气体作为“固体”，赋予某一弹性模量Ex，计算外力F作用下流体和结构的变形，并根据结构的变形修改气体网格，并计算气体流场的压力，压力积分后得到作用在主轴表面的气膜反力W，根据W和F的大小关系，检查是否达到平衡。
ANSYS进行流固耦合分析的具体流程如图4所示。
在求解分析前，对求解区域进行网格划分。
由于流体动力学方程高度非线性，所以在流场的有限元网格划分上尽量要使用较规则的映射网格，以便获得较高的精度。
高压空气流经轴承中节流孔小横截面的通道时，其速度急剧增加，所以在节流小孔区域，速度梯度和压力梯度都会很大，相应的网格密度要求很高。
空气静压主轴及空气静压轴承的有限元网格划分如图5，6所示。
在主轴前端的端面上施加一个方向向下的径向力20 N，将径向轴承的最外端全约束，将主轴的外表面与轴承的内表面设置接触对，如图7所示。
选择节流孔的上表面为进口，设置轴承的进气压力ps =0.6 MPa，选择气膜的端面为出口，由于出口的环境压力是标准大气压力，所以设置参考压力p=0.1 MPa，空气密度取为1.205 kg/m3,空气黏度为1.81×10-5 Pa·s，空气在轴承中是可压缩的，流动状态为紊流。
轴承一排有8个节流孔，选择除进口和出口外的所有其他面为壁面，设置壁面的速度为0。
在主轴前端施加向下(Y轴负方向)20 N的集中力后主轴发生倾斜及变形，图3(a)所示结构的主轴变形如图8所示，轴的最大变形位于主轴前端处，变形量为0.024 492 mm。
各轴承的气体压强分布如图9,10所示。
在图3(a)所示结构电主轴中，前轴承的下气膜压强大，这是由于主轴的前端向下倾斜，造成下气膜的厚度比上气膜小。
后轴承的上气膜压强大，因为主轴的后端向上倾斜，导致上气膜的厚度比下气膜小。
空气静压轴承配置对于电主轴的承载能力和刚度具有重要的影响，多支承气体静压支承可以分担电主轴的径向载荷，减小主轴变形，有效提高轴系的承载特性。
采用流固耦合的方法分析不同轴承数目和轴承轴向布置形式对超高速空气静压电主轴静态性能的影响。
表1给出主轴前端受到20 N径向力的作用下，图3所示不同支承结构的电主轴前端径向变形，可以看出主轴两端的轴承对轴系承载的贡献最大，其中前端的贡献比后端更大，位置越靠近中间的轴承贡献越小。
由表1还可看出：多支承电主轴相对于典型的双支承电主轴，所用轴承数目多，对应的轴系承载有一定的提高，主轴的前端倾斜量最大。
图3(b)所示的为主轴后端为一个双段双排节流孔轴承的支承结构，该结构相对于典型的双支承结构轴系的承载能力变化不大，说明在主轴后端加的一段双排孔轴承在该轴系中对提高承载特性的贡献很小。
为了提高承载能力，可以在主轴中间悬跨段加两段单排节流孔轴承，形成了图3(c)所示的全支承结构。
由于主轴前端支承对主轴承载能力影响较大，可以在主轴前支承处增加一个双排节流孔轴承，如图3(d)所示。
比较图3(c)、(d)2种结构的承载能力，发现图3(d)的结构更佳。
对图3(d)所示的支承结构形式的主轴承载特性进行分析，在主轴前端的端面施加径向载荷(10～35 N)，经过迭代求解，得出各径向载荷作用下主轴前端的轴端位移变化关系曲线，如图11所示；各径向载荷作用下主轴的径向刚度变化曲线，如图12所示。
可知，轴端位移量随外加载荷的增加而增大，而径向刚度变化不大。
采用流固耦合的分析方法对多个支承结构方案的空气静压电主轴的承载特性进行分析研究，优选出了承载能力较佳的电主轴结构形式，对空气静压电主轴的承载能力及其影响因素进行了深入的探讨。
研究结果表明，前支承对电主轴的承载影响最大，主轴悬跨段的设置轴承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。