基于ANSYS的全陶瓷电主轴动态分析及振动性能测试.docx

基于ANSYS的全陶瓷电主轴动态分析及振动性能测试
引言
随着制造业的发展，公制陶瓷和硬质合金等高强度、高耐磨耗材料逐渐被广泛采用，然而，受限于它们的机械性能和制造成本等因素，传统的液压和机械加工往往无法满足高精度加工的要求，因此高速电主轴作为一种重要的机床装备，广泛应用于航空、航天、汽车、精密模具等重要领域，成为高效、高精度加工的基础设备。因此，高速电主轴动态分析及振动性能测试对于提高其工作效率和稳定性有着至关重要的作用。
本文主要论述基于ANSYS的全陶瓷电主轴动态分析及振动性能测试研究。首先，介绍了全陶瓷电主轴的结构、工作原理和应用场合，并对其优缺点进行了分析。其次，采用ANSYS软件建立了全陶瓷电主轴的数学模型，并基于此模型进行了动态分析，并对其振动响应进行了分析。最后，通过实验方法对所得结果进行了测试和验证，并对其精度和稳定性进行了评价。
全陶瓷电主轴的结构、工作原理和应用场合
全陶瓷电主轴是采用高分子材料制成的陶瓷主轴与马达一体化的电主轴。相比于传统的液压和机械主轴，全陶瓷电主轴具有以下几个明显的优点：
1.高保真度
陶瓷作为新材料有着优异的高温稳定、高硬度、不易变形等特点，相比于金属材料有着更高的刚度，本体重量轻，摩擦系数低，因而将电主轴与陶瓷主轴一体化，可以大幅度提高加工精度和表面质量。
2.高速度
陶瓷主轴是一种轻质材料，可承受大于10万次/分钟的高速旋转，与金属或液压的主轴相比能够更快地达到指定的转速、缩短工作时间。
3.高刚性和强度
陶瓷主轴具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和耐热性，能够承受大型程序加工、高强度切削功率和复杂的工艺要求，因此在航天、航空、模具、机械零部件、汽车工业等领域得到广泛应用。
采用ANSYS软件建立的数学模型
本文采用ANSYS软件建立了全陶瓷电主轴的数学模型。在建模过程中，首先需要构建的是主轴的几何模型，模型几何形状采用PRO/E工具进行绘制，将其导入到ANSYS软件中，然后设置材料、密度、弹性模量和Poisson比等参数。本文采用的是单向纤维增强玻璃基复合材料（singledirectionfiberreinforcedglasscomposite），其材料参数如下：
-密度：2500$kg/m^3$
-弹性模量：60GPa
-纵向Poisson比：0.2
然后，对电主轴内部电机和轴承等结构进行建模，并在ANSYS中进行装配。在随后的仿真实验中，可以设置转速变化范围、荷载变化范围来分析不同负载下的振动响应。
基于此模型进行动态分析
在动态分析中，本文采用有限元方法进行分析。为了模拟实际工况，本文通过改变转速、荷载等来生成所需的动力学数据。具体步骤如下：
1.定义工作状态下的边界条件
在该模型中，边界条件通过设定模拟中涉及到的所有自由度的边固定边界条件，包括：轴承座的固定约束、从电主轴到接口端的空气动力学装置约束等。
2.设定力学荷载
在ANSYS的Prep7模块中，设定电主轴在工作状态下的转速和各项方向的轴向荷载和径向负载。其中，径向负载通过切削力系数和主轴转速计算得序列载荷得序列载荷来设置。设置完成后运行整个仿真过程（Solution）。
3.分析结果
在有限元仿真过程中，本文通过分析主轴空气动力学效应、振动分析、模态分析等多个方面来详细掌握全部的动力学，形态学和振动响应信息。仿真结果包括主轴转速、轨迹图、振荡频率、振幅等数据，可以用于对电主轴结构进行优化并改进电主轴设计方案。
通过实验方法对所得结果进行测试和验证
通过实验方法对模型进行测试和验证是分析全陶瓷电主轴动态响应和振动性能的必要方法。在此过程中，首先需要选取适合实验的设备和传感器进行数据采集。为了测试全陶瓷电主轴的性能，本文选用了摆式惯量试验机和三轴加速度传感器，对其进行实验测试。
在实验过程中，需要调整主轴的转速和荷载等参数，记录实验数据。并且分析实验数据，检查与模拟结果的差异，并找出原因和解决方法，改进模型和仿真过程。
评价结果
通过模型分析和实验测试，本文得出了全陶瓷电主轴的动态响应和振动性能，可以从整个电主轴的结构布局、材料应力分布和轴承系统来阐述其本质机理及作用原理。根据实验得出的数据，本文可以对电主轴的精度、稳定性、寿命等指标进行评价并优化设计方案。
结论
本文完成了基于ANSYS的全陶瓷电主轴动态分析及振动性能测试的研究，并对其进行了实验测试和结果评价。通过该研究，可以提高电主轴结构的优化和稳定性能，为电主轴设计提供参考，为电主轴在工业制造业中的应用和推广打下坚实的基础。