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立式液体静压主轴的设计及温度场分析

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Design and Thermal Field Analysis of Vertical Hydrostatic SpindleSun Jiuwei Zhang Feihu Fu Pengqiang Zhang Qiang Zhang Chao(School of Mechatronics Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin Heilongjiang 150001,China)Abstract:At present,the processing of the large diameter KDP crystal is using ultra precision flying cut machine toolwith vertical aerostatic spindle at home and abroad.But the limitation of the vertical aerostatic spindle is low damping anddificulty to suppression of vibration.A vertical hydrostatic spindle structure adopted with a large thrust plate was designedbased on the high damping characteristic of liquid.The influences of the thrust oil film thickness and eccentric value on thehighest temperature rise and bearing capacity of the vertical spindle were analyzed.The results show that the temperaturerising and bearing capacity are increased gradually with the decreasing of the oil film thickness,and increased more andmore fast.Th e temperature rising of the spindle mainly is appeared in the bearing oil film area,and the temperature risingof the thrust bearing area is obviously higher than that of the radial bearing area due to the infl uence of the spindle struc-ture and cooling condition。

Keywords:ultra precision flying cut machine tool;hydrostatic spindle;thermal field超精密切削加工具有加工效率高、加工过程易于控制等优点,广泛应用于超精密加工各个领域,如光学元件及各种高精度模具的加工。大口径 KDP(Po-tassium dihydrogen phosphate,磷 酸 二氢 钾,简 称KDP)晶体,具有高的激光损伤阈值、光学非线性、易于人工生长等优点,作为频率转换元件和开关元件,是惯性约束激光可控核聚变装置中的关键元件,在神光-Ⅲ等重大科学工程中大量使用u 。

KDP晶体具有质软、易潮解、脆性高、对温度变化敏感、易开裂等-系列不利于光学加工的特点,传统的研磨抛光法不适于加工高精度的大口径 KDP基金项目:国家科技重大专项 (2011ZX04004-041);国家自然科学基金项目 (90923023,51275115)。

收稿 日期 :2012-11-05作者简介:孙久伟 (1983-),男,博士研究生,从事超精密飞切机 床主轴 系统动 态特性研 究.E-mail:sunjiuweiwhhit###26.com。

晶体元件。目前大口径 KDP晶体器件的超精密加工国内外都采用单点金刚石刀具飞切加工的方法,加工精度和表面质量必须由加工设备和工艺来保证,相应地对超精密加工设备性能提出了极高的要求。

KDP晶体特殊的材料特性和对加工设备的要求决定了其加工难度远远超过了常规的光学加工,其加工工艺被国际光学界公认为 最难加工的激光光学元件” 。由于大VI径KDP晶体元件的用途基本局限在高功率固体激光装置上,属于敏感技术,西方发达国家对我国实行大口径KDP晶体材料、元件及加工技术装备的禁运。因此,必须立足国内开展大口径KDP晶体超精密加工装备与技术的研究。

2005年哈尔滨工业大学承担了国内首台大口径KDP晶体元件超精密加工设备的研制任务,成功应用于KDP晶体器件的加工。2011年哈尔滨工业大学最新研制的超精密飞切加工机床采用了立式大止推盘高刚度空气静压主轴的结构形式。

8 润滑与密封 第 38卷由图5(b)可知:封油面油膜的温度高于油腔温度,且沿径向由内而外,温升逐渐升高,分布趋势与理想情况下的止推油膜温度场仿真分析结果相似。

由5可知:主轴温升主要出现在轴承油膜区域,同时由于结构和散热条件的影响,止推轴承区域的温升明显高于径向轴承区域温升。

同样采用动网格技术驱动油膜外表面向下移动4Ixm,仿真研究油膜厚度对温升和承载力的影响。由仿真分析结果图6可知:在重力和外载荷的作用下,宝嚣昌皇名目700600500400300200l0004.0154.0l4.00543.99S3.99- 4 -3 .2 .1Eccentricity El(X 10- m、(a)承载力与偏心量的关系. 4 .3 -2 -1 0Eccentricity EI(X 10 m1(c)径向油膜最高温升与偏心量的关系主轴旋转部分逐渐向下移动,主轴承载力和最高温升逐渐增大,且变化比较均匀,径向轴承油膜最高温升基本不受向下偏心的影响,上止推油膜温升和承载力逐渐下降,而下止推油膜温升和承载力逐渐上升,上下止推油膜承载力的差值正好形成了主轴的承载力。

据此 ,可以通过重力和外载荷的大小在曲线上查出工作中油膜的偏心量,进而得到旋转部分大致的工作位置,为工程应用提供重要参考。

- 3.5 -2.5 .1.5 -o.5Eccentricity E/(x to- In)(b)转子、定子最高温升与偏心量的关系. 3.5 .2.5 1.5 0.5Eccentricity E/(x 1o m(d)上止推油膜最高温升、承载力与偏心量的关系-3.5 .2.5 .1.5 .o.5Eccentricity (×lO。 m)(e)下止推油膜最高温升、承载力与偏心量的关系。

.6萋.s.4要图6 偏心量对温升和承载力的影响Fig 6 The influence of eccentricity value on the temperature rise and 0il capacity(a)capacity;(b)the highest temperaturerise of rotor and stator;(e)the highest temperature rise of radial oil film;(d)the highest temperature rise of up-thrustoil and the capacity;(e)the highest temperature rise of down-thrust oil and the capacity4 结论采用液体作为工作介质的静压主轴,具有阻尼大、动刚度高、承载能力大等优点,对降低由于主轴系统对问断切削力冲击的响应造成的加工表面微波纹具有明显的优势,但由此带来主轴发热量大,温升显著等效应。研究表明,封油面处油膜厚度小,油液摩擦剪力很大,产生大量的摩擦热,是温升产生的主要区域;主轴温升主要出现在轴承油膜区域,止推轴承区域的温升明显高于径向轴承区域温升。本文研究工作可以为立式液体静压主轴热效应影响研究和冷却系统布置等提供重要参考。

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