Study of the dynamics of spindle shaft on gas-static bearings

Abstract

This study delves into the complex dynamics of spindle shafts mounted on gas-static bearings, employing computational experiments and analysis to reveal crucial insights for optimizing high-precision machining processes. We identify natural frequencies and resonant tendencies of spindle vibrations through advanced Finite Element Method (FEM) simulations, highlighting their impact on operational stability and machining quality. Deliberately introduced imbalances further illuminate the dynamic behavior, displaying the detrimental effects of resonance on spindle performance. To mitigate these effects, we explore various technical solutions, including reducing rotor imbalances and intensifying acceleration through critical regions. Ultimately, this investigation provides a comprehensive understanding of spindle dynamics on gas-static bearings, guiding the development of robust and high-precision spindles for a range of industrial applications beyond just machining, such as precision robotics and microfabrication.

Це дослідження розглядає складну динаміку валу шпинделя, встановленого на газостатичних підшипниках, використовуючи обчислювальні експерименти та аналіз, щоб виявити ключові моменти для оптимізації процесів високоточної обробки. Ми визначаємо власні частоти і резонансні тенденції коливань шпинделя за допомогою передових методів моделювання методом скінченних елементів (МСЕ), підкреслюючи їх вплив на стабільність роботи і якість обробки. Спеціально введений дисбаланс додатково ілюструє динамічну поведінку, демонструючи негативний вплив резонансу на характеристики шпинделя. Щоб пом'якшити ці ефекти, ми досліджуємо різні технічні рішення, включаючи зменшення дисбалансу ротора та інтенсифікацію прискорення на критичних ділянках. Зрештою, це дослідження допомагає краще зрозуміти динаміку шпинделів на газостатичних підшипниках, керуючи процесом розробки надійних і високоточних шпинделів для цілого ряду промислових застосувань, що виходять за рамки виключно машинобудування, таких як прецизійна робототехніка та мікропроцесорне виробництво.