超高速空氣靜壓電主軸的動靜態(tài)性能分析與實驗研究.pdf

1、隨著電子元器件微型化和各類電器功能復(fù)雜化，PCB電路板的集成度也越來越高，PCB板上的微細孔也越來越密集。為了提高密集孔的鉆削效率和改善微小孔的鉆削質(zhì)量，在PCB微細孔的鉆削過程中，常采用超高速空氣靜壓電主軸來鉆削。超高速空氣靜壓電主軸，是以空氣靜壓軸承作為支承元件，能在超高轉(zhuǎn)速下保持較高的回轉(zhuǎn)精度，而且無污染、無磨損、使用壽命長。但是超高速空氣靜壓電主軸的承載力和剛度較小，易出現(xiàn)氣錘自激振動和渦動失穩(wěn)現(xiàn)象，影響著超高速空氣靜壓電主軸的

2、穩(wěn)定性和可靠運行。
　　 本文通過研究空氣靜壓軸承的承載性能、靜態(tài)穩(wěn)定性、超高速空氣靜壓電主軸的動靜態(tài)特性及其影響因素，以掌握超高速空氣靜壓電主軸的設(shè)計方法。本文主要從以下幾方面進行了研究：
　　 1、通過對氣體潤滑理論的深入分析，從一般形式的Reynolds方程出發(fā)，結(jié)合空氣靜壓軸承的實際狀況，建立了空氣靜壓軸承氣膜壓力分布的數(shù)學(xué)模型，得出空氣靜壓軸承的承載能力。在此基礎(chǔ)上，研究軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)和供氣參數(shù)共同影響下軸承的靜

3、態(tài)特性，分析這些參數(shù)對承載性能和氣錘效應(yīng)的影響，優(yōu)選參數(shù)必須綜合考慮承載力、剛度、耗氣量、實際情況。
　　 2、采用ANSYS的CFD模塊，分析了超高轉(zhuǎn)速條件下，空氣靜壓軸承的承載性能的變化規(guī)律。研究表明：轉(zhuǎn)速增加時，空氣靜壓徑向軸承的承載性能明顯增加且在不同轉(zhuǎn)速段承載性能的增加不同，但是轉(zhuǎn)速的增加對空氣靜壓止推軸承的承載性能影響較小。
　　 3、從主軸發(fā)生渦動失穩(wěn)的角度，首先研究氣膜阻尼系數(shù)與偏心、渦動轉(zhuǎn)速和主軸轉(zhuǎn)速之

4、間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：加大阻尼面、減小氣膜厚度、適當增大偏心率、提高主軸渦動轉(zhuǎn)速等方法可增加氣膜的阻尼、提高主軸的動態(tài)穩(wěn)定性。然后，根據(jù)上述分析結(jié)果，推導(dǎo)計算了超高速空氣靜壓電主軸渦動失穩(wěn)時的極限轉(zhuǎn)速。
　　 4、結(jié)合軸承氣膜和主軸的實際結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立軸承氣膜和主軸的整體模型，采用氣固耦合的方法，研究超高速空氣靜壓電主軸的靜態(tài)承載性能，確定氣膜的等效材料特性，在此基礎(chǔ)上進行了超高速空氣靜壓電主軸的動態(tài)特性分析，包括模態(tài)特性和諧響應(yīng)

5、分析。研究表明：施加的軸向外載增加時，電主軸的軸向剛度明顯增加；施加的徑向外載增加時，電主軸的徑向剛度比較穩(wěn)定，增加緩慢；主軸的三個低階共振頻率處于電主軸有效工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在這三個共振頻率附近，主軸前端的振幅較大、動態(tài)剛度下降很快。加工時，主軸工作轉(zhuǎn)速需要盡量避開共振頻率。
　　 5、為了驗證超高速靜壓電主軸動靜態(tài)特性的仿真分析結(jié)果的正確性，最后對超高速空氣靜壓電主軸進行了靜剛度實驗測試、主軸空轉(zhuǎn)運行實驗等相關(guān)實驗研究，并將理