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磁悬浮铣削电主轴时变质量系统旋转惯性特性及动态响应研究

康辉民 席家乐 刘厚才 段良辉

康辉民, 席家乐, 刘厚才, 段良辉. 磁悬浮铣削电主轴时变质量系统旋转惯性特性及动态响应研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240295
引用本文: 康辉民, 席家乐, 刘厚才, 段良辉. 磁悬浮铣削电主轴时变质量系统旋转惯性特性及动态响应研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240295
KANG Huimin, XI Jiale, LIU Houcai, DUAN Lianghui. Rotational Inertial Characteristics and Dynamic Response of Motorized Spindle Time-Varying Mass System for Magnetic Suspension Milling[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240295
Citation: KANG Huimin, XI Jiale, LIU Houcai, DUAN Lianghui. Rotational Inertial Characteristics and Dynamic Response of Motorized Spindle Time-Varying Mass System for Magnetic Suspension Milling[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240295

磁悬浮铣削电主轴时变质量系统旋转惯性特性及动态响应研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240295
基金项目: 国家自然科学基金项目(51875198);湖南省教育厅重点项目(23A0360)
详细信息
    作者简介:

    康辉民(1975—),男,教授,博士,研究方向为转子系统动力学控制,E-mail:xykanghm@163.com

    通讯作者:

    刘厚才(1975—),男,副教授,博士,研究方向为机械系统设计与结构优化,E-mail:houcailiu@163.com

  • 中图分类号: TH113

Rotational Inertial Characteristics and Dynamic Response of Motorized Spindle Time-Varying Mass System for Magnetic Suspension Milling

  • 摘要:

    针对磁悬浮铣削电主轴在切削加工过程中,因切屑不断进入、离开刀具容屑槽导致系统质量大小和分布不断变化,进而引起系统动力学特性的非线性变化问题. 首先,依据金属连续切削原理求得单个切屑质量,并结合连续梁振动理论,应用有限单元法建立“磁悬浮轴承-电主轴-刀具-切屑”时变质量系统的动力学模型;然后,采用龙格库塔法对系统的运动微分方程进行求解,分析切屑从进入到离开容屑槽的整个过程,切屑质量变化对系统固有频率、振型的影响规律;进而探索由时变切屑质量所引起的旋转惯性载荷、陀螺力矩、切削力、磁悬浮轴承电磁力等激励下的系统振动响应规律;最后,利用MATLAB软件对系统进行仿真求解. 结果表明:切屑质量从0增大到2.08 × 10−5 kg时,系统前三阶临界转速分别下降约2.3、0.7、0.3 r/min,可知时变切屑质量对系统固有特性影响较小;旋转惯性载荷对系统的动态响应有较大影响,尤其是对切削加工点,使切削点的径向振动响应和角向振动响应的幅值出现0~9.7 × 10−7 m和0~2.5 × 10−5 rad不等的增大,还使加工点处径向振动和角向振动平衡位置的偏移距离分别增加约5.1 × 10−7 m和9.3 × 10−6 rad.

     

  • 图 1  磁悬浮铣削电主轴系统模型示意

    Figure 1.  System model of motorized spindle for magnetic suspension milling

    图 2  铣削过程示意

    Figure 2.  Milling process

    图 3  切屑质量变化示意

    Figure 3.  Chip quality change

    图 4  带有切屑的转动单元

    Figure 4.  Rotational unit with chips

    图 5  “主轴-刀具-切屑”变质量系统的坎贝尔图

    Figure 5.  Campbell diagram of “spindle–tool–chip” time-varying mass system

    图 6  切屑质量对“主轴-刀具-切屑”变质量系统临界转速的影响

    Figure 6.  Influence of chip quality on critical speed of “spindle–tool–chip” time-varying mass system

    图 7  前三阶模态振型图

    Figure 7.  The first three mode shapes

    图 8  磁悬浮电主轴-刀具-切屑系统振动响应

    Figure 8.  Vibration response of motorized spindle of magnetic suspension–tool–chip system

    图 9  磁悬浮电主轴-刀具-切屑系统切削加工点的振动响应

    Figure 9.  Vibration response of motorized spindle of magnetic suspension–tool–chip system at cutting point

    表  1  磁悬浮电主轴-刀具系统的物理几何参数

    Table  1.   Physical geometric parameters for motorized spindle of magnetic suspension–tool system

    参数 数值
    转子总长/mm 500
    转子质量/kg 6.427
    转子材料 30CrNiMo8
    转子弹性模量/Pa 2 × 1011
    刀具总长/mm 80
    刀具直径/mm 16
    刀具材料 W6Mo5Cr4V2Co8
    工作转速/(r•min−1 15000
    磁轴承等效刚度/(N•m−1 −2 × 107
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-19
  • 修回日期:  2024-09-09
  • 网络出版日期:  2025-03-06

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