● 摘要
本论文来源于国家高档数控机床与基础制造装备科技重大专项：“大型精密卧式车铣复合加工中心”的研制开发项目，对机床主轴系统进行结构设计和静力学、动力学和热力学的性能仿真分析，并探索机床主轴系统用不同轴承简化方法仿真分析的优缺点，使机床在设计阶段改善结构进而提高加工精度和改善加工性能。论文首先对机床主轴进行了结构设计包括轴承选择和相关参数的计算。设置不同轴承刚度对主轴进行静力仿学真分析，比较选出使主轴端部位移最小的一组前后轴承刚度值。依据赫兹接触理论建立了轴承的动力学模型并得出轴承刚度随参数预紧载荷和转速的变化规律，在轴承的选择和参数计算中，通过合理选择参数，计算出了轴承的预紧力，油膜厚度，发热量等。合理选择轴承的预紧力，润滑方式和预紧力的补偿，并为后续的模态分析和热分析提供分析数据。在机床主轴的模态分析中，对主轴进行自由模态分析和约束模态分析，取模态分析的前6阶为研究对象，分析了这两种情况下主轴的振型。在主轴组件模态特性仿真建模方法探讨中，探讨了几种轴承的简化方式对固有频率结果的影响，得到了适合主轴轴承在模态分析中的简化仿真建模方式。基于Workbench的自动识别接触和自动划分网格等功能，对主轴系统在轴承没有简化的情况下进行预紧力下的模态分析，并探索跨距和预紧力对模态的影响规律，利用先进软件的新功能解决已存在的轴承简化问题，得到了符合实际的结果。在主轴的热分析过程中，对主轴系统进行了稳态热分析、瞬态热分析和热变形分析，找出主轴热量产生的原因和影响的部位，并根据几种减小主轴系统热误差的方法，在机床设计阶段提出有效的改进措施以减少热变形引起的误差。