微機床主軸用渦輪設(shè)計及其動性能研究

摘要：設(shè)計計算了微機床主軸用微渦輪的結(jié)構(gòu)及其氣動性能，采用FLUENT軟件對微渦輪內(nèi)的高速氣流進行了數(shù)值模擬.分析結(jié)果表明：供氣壓力一定，微渦輪因氣流壓力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化不大，而因氣流黏性產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的提高大幅度減小，從而造成總轉(zhuǎn)矩減小.微渦輪室內(nèi)的背壓力隨供氣壓力的提高而增大，嚴(yán)重影響了微渦輪轉(zhuǎn)速的提高.微渦輪噴嘴流出的氣流未直接流向與其對應(yīng)的葉片上，而是在渦輪室內(nèi)來流的作用下繞葉輪流動，氣流損失較大.最后對微渦輪的結(jié)構(gòu)進行了改進，轉(zhuǎn)矩提高了13%，達到了設(shè)計要求.

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關(guān)鍵詞：機床；氣動渦輪；結(jié)構(gòu)設(shè)計；氣流；仿真

中圖分類號：TH138 文獻標(biāo)識碼：A

微細切削加工技術(shù)在加工多種材料復(fù)雜形狀三維微小零件方面具有其他超精密加工技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢［1-2］，但是其加工效率低，其中一個很重要的原因就是微機床主軸轉(zhuǎn)速低導(dǎo)致刀具的切削速度低. 如現(xiàn)已應(yīng)用直徑為25 μm的刀具進行微細銑削加工，但在微主軸300 000 r/min的轉(zhuǎn)速下，每小時僅能進給127～356 mm［3］，因為加工效率低，所以必須提高微主軸轉(zhuǎn)速.高轉(zhuǎn)速不僅可以提高切削速度和加工效率，而且能夠改善工件的表面加工質(zhì)量、減小切削力，從而減少刀具磨損、提高刀具使用壽命.采用氣動微渦輪驅(qū)動的微主軸由于氣體的黏度小、摩擦因數(shù)低、流速高，可以達到很高的轉(zhuǎn)速［4］，如國外最新研制的用于微細切削加工的氣動渦輪式微主軸的轉(zhuǎn)速已超過400 000 r/min［5-6］.但是有的學(xué)者［3，7］根據(jù)通常所推薦的微細切削速度認(rèn)為微主軸的轉(zhuǎn)速要超過500 000 r/min.而我國在高速超高速微機床用微主軸方面的研究較少.

本文設(shè)計計算一種微機床主軸用微渦輪，利用CFD分析軟件FLUENT對渦輪內(nèi)的氣流特性進行模擬仿真，研究微渦輪轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律及微渦輪內(nèi)壓力場的分布情況，并結(jié)合分析結(jié)果對微渦輪結(jié)構(gòu)進行改進優(yōu)化.

1 微渦輪設(shè)計及其氣動性能的理論計算

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