微機床主軸用渦輪設計及其動性能研究

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

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關鍵詞：機床；氣動渦輪；結構設計；氣流；仿真

中圖分類號：TH138 文獻標識碼：A

微細切削加工技術在加工多種材料復雜形狀三維微小零件方面具有其他超精密加工技術不可比擬的優勢［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速低導致刀具的切削速度低. 如現已應用直徑為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速.高轉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.采用氣動微渦輪驅動的微主軸由于氣體的黏度小、摩擦因數低、流速高，可以達到很高的轉速［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速已超過400 000 r/min［5-6］.但是有的學者［3，7］根據通常所推薦的微細切削速度認為微主軸的轉速要超過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對渦輪內的氣流特性進行模擬仿真，研究微渦輪轉矩隨轉速的變化規律及微渦輪內壓力場的分布情況，并結合分析結果對微渦輪結構進行改進優化.

1 微渦輪設計及其氣動性能的理論計算

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