高速精密氣動(dòng)微主軸的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、采用微機(jī)床的微細(xì)切削磨削加工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多種材料復(fù)雜形狀三維微小零件的加工，且設(shè)備體積小、能耗少、成本低，是綠色制造的發(fā)展方向之一。微主軸作為微機(jī)床的關(guān)鍵部件，直接決定了微機(jī)床的性能及微細(xì)切削磨削加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。但是目前國內(nèi)外研制的微主軸其刀具要么回轉(zhuǎn)速度高但回轉(zhuǎn)精度低，要么回轉(zhuǎn)精度高但回轉(zhuǎn)速度低，且無法實(shí)現(xiàn)高回轉(zhuǎn)精度下刀具的自由更換。針對這一國內(nèi)外研究人員亟待解決的難題，本文提出一種新型的動(dòng)力軸與刀具的柔性連接式結(jié)構(gòu)和刀柄—轉(zhuǎn)

2、子一體式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路和方法，以研制出超高轉(zhuǎn)速、高回轉(zhuǎn)精度的微主軸為目標(biāo)，深入研究相關(guān)設(shè)計(jì)理論及其關(guān)鍵技術(shù)，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)在分析微主軸研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出微主軸的新型設(shè)計(jì)思路和方法，分析其可行性;根據(jù)國內(nèi)外研究人員進(jìn)行的微細(xì)切削試驗(yàn)，分析微主軸在回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)精度、切削力和轉(zhuǎn)矩等方面的具體性能要求，確定微主軸的設(shè)計(jì)目標(biāo);基于氣體動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，設(shè)計(jì)計(jì)算徑向沖擊式氣動(dòng)微渦輪的結(jié)構(gòu)尺寸，并對其氣動(dòng)性能及渦輪內(nèi)的氣流流

3、線、壓力分布等進(jìn)行仿真研究;分析計(jì)算微主軸的摩擦損耗功率和渦輪產(chǎn)生的總功率，設(shè)計(jì)微主軸用氣體靜壓軸承的基本結(jié)構(gòu)參數(shù);推導(dǎo)建立微主軸用氣體靜壓徑向軸承、氣體靜壓推力軸承承載力的計(jì)算模型，并對所設(shè)計(jì)的氣體靜壓軸承的承載性能進(jìn)行理論分析;仿真研究小孔節(jié)流式氣體靜壓徑向軸承、小孔節(jié)流式氣體靜壓推力軸承的承載性能隨供氣壓力、轉(zhuǎn)速、設(shè)計(jì)參數(shù)等的變化規(guī)律，不僅為微主軸軸承的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)，也可為同類型的微小型氣體靜壓軸承設(shè)計(jì)提供借鑒參考。
　

4、　(2)分析比較現(xiàn)有彈性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)及其性能，創(chuàng)新性地提出一體式微彈性聯(lián)軸節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，研究其誤差補(bǔ)償原理;根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)，建立微彈性聯(lián)軸節(jié)的理論設(shè)計(jì)模型;以本文所提出的微主軸為應(yīng)用對象，詳細(xì)設(shè)計(jì)微彈性聯(lián)軸節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行仿真優(yōu)化;理論研究微彈性聯(lián)軸節(jié)的抗疲勞性能;試制微彈性聯(lián)軸節(jié)樣機(jī)，測試其扭轉(zhuǎn)剛度性能。該一體式微彈性聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)簡單對稱，動(dòng)平衡性能好，不僅避免了采用傳統(tǒng)聯(lián)軸器所帶來的安裝誤差，而且可有效補(bǔ)償微主軸的制造誤

5、差、安裝誤差和跳動(dòng)誤差，提高與超高速超精密微主軸連接的微型刀具或其它執(zhí)行件的回轉(zhuǎn)精度。
　　(3)提出一種基于形狀記憶合金(Shape memory alloy, SMA)的一體式微夾頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，建立其設(shè)計(jì)理論;以本文所提出的微主軸為應(yīng)用對象，詳細(xì)設(shè)計(jì)微夾頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真研究離心力對其夾持性能的影響;試驗(yàn)研究低溫加載變形量、熱處理溫度、低溫訓(xùn)練溫度和訓(xùn)練次數(shù)等對SMA環(huán)雙程形狀記憶效應(yīng)的影響，得出采用TiNi(Ti49.6

6、％，Ni50.4％)合金制造的SMA環(huán)最大雙程形狀記憶量所對應(yīng)的熱——機(jī)械訓(xùn)練工藝;試制微夾頭樣機(jī)，測試其安裝操作及夾持力等性能。該微夾頭不僅結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)平衡性能好，而且未引入新的安裝誤差，操作方便，同時(shí)還可根據(jù)應(yīng)用部件的大小調(diào)整，非常適合于超高速超精密微主軸及其它高速精密微小型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
　　(4)根據(jù)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，計(jì)算微主軸各階臨界轉(zhuǎn)速，并與最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比分析;仿真研究高轉(zhuǎn)速下渦輪軸的應(yīng)力、整體轉(zhuǎn)子的模態(tài)及固有頻率

7、等特性;設(shè)計(jì)微主軸所需其它各零件結(jié)構(gòu)，研究微主軸制造工藝，試制其原理樣機(jī);采用所構(gòu)建的測試系統(tǒng)對微主軸原理樣機(jī)的轉(zhuǎn)速、徑向跳動(dòng)誤差、轉(zhuǎn)矩等性能進(jìn)行測試，結(jié)果表明一體式柔性連接機(jī)構(gòu)較好地補(bǔ)償了動(dòng)力軸的誤差。因此所提出的動(dòng)力軸與刀具柔性連接式結(jié)構(gòu)和刀柄—轉(zhuǎn)子一體式結(jié)構(gòu)的微主軸設(shè)計(jì)思路和方法是可行的。
　　(5)分析微主軸原理樣機(jī)存在的微轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡、微節(jié)流孔加工、氣膜間隙一致性和微彈性聯(lián)軸節(jié)加工變形等主要問題;根據(jù)所存在的問題對微主軸進(jìn)