某磨削机床电主轴系统设计及ansys分析毕业设计论文.doc

摘要 高速加工是通过大幅度提高切削速度来达到提高加工精度、生产率、加工质量和降低制造成本的现代化制造技术。在现代制造技术中，高速切削技术已成为新的发展潮流。高速加工机床是实现高速切削的前提条件，而高速电主轴是高速机床的核心部件，因而对高速电主轴单元的结构设计，动静态特性进行分析，对提高高速机床加工性能有十分重要意义。 本文运用 ansys workbench 软件，用有限元分析法对高速电主轴的动静态特性进行了研究分析，具体包括： 1. 通过对结构设计中一些关键性的技术参数（如主轴跨距，转子与主轴的过盈量，轴承选型等）的解决，完成电主轴结构设计。 2. 对高速磨床电主轴单元在典型工艺参数下，主轴轴承静刚度、主轴所受切削力等参数进行了静态估算。3. 对高速电主轴进行三维动静态有限元建模，经 ansys workbench 计算，得出了电主轴变形图，计算出了电主轴的静刚度；获得了电主轴的前六阶模态；研究了电主轴的固有频率、振型和临界转速。关键词：高速电主轴；结构设计；有限元分析；动静态特性；ansysabstract abstract high-speed machining is an advanced manufacturing technology that can increasing precision, productivity, quality of the product and reducing production costs by raising cutting speed significantly.in modern manufacturing technology, high-speed cutting technology has become a new trend of development.high-speed machine tools is a prerequisite for realizing high-speed machining and high-speed motorized spindle is the core component of high-speed machines. thus it is significant important for improve the performance of high-speed machining to analysis the high-speed spindle unit structure , dynamic and static properties . in this paper, the static and dynamic performances of the high-speed motorized spindle are studied with ansys workbench software details of studies including: 1. the construction of the motorized spindle is designed based on solving some key technical parameters (such as spindle span, rotor and spindle amount of interference, bearing selection, etc.) . 2.the static estimates of bearings stiffness and cutting forces in a typical process parameters is complete. 3.the deformation of the spindle figure is calculated by ansys workbench software according to build high-speed electric spindle static and dynamic three-dimensional finite element model.and some outcome such as the spindle stiffness,the first six spindle order modal,spindles natural frequencies,mode shapes and critical speed is also obtained.keywords：high-speed motorized spindle；structural design；finite element analysis; static and dynamic performances；ansys目录目 录摘要（中文）i （英文）ii第一章 概述11.1 高速加工技术11.2电主轴概述11.2.1电主轴的概念11.2.2国内外电主轴技术发展现状21.3本文研究主要内容31.3.1本文研究主要内容31.3.2主要参数3第二章 电主轴系统结构设计42.1电主轴的结构设计42.1.1外圆平均直径d42.1.2内孔平均直径 d52.1.3前悬伸量a52.1.4轴承支承跨距 l52.2主轴轴承62.2.1轴承的选型62.2.2轴承的润滑82.2.3轴承的预紧92.2.4轴承的静刚度92.3主轴动平衡及过盈设计10第三章 电主轴动静态特性分析133.1电主轴动静态分析现状133.2电主轴静态特性分析133.2.1有限元静力学分析的理论基础133.2.2典型工艺下主轴切削力的计算133.2.3建立ansys 分析模型153.2.4主轴ansys具体分析过程163.3电主轴动态特性分析183.3.1 ansys模态分析的理论基础183.3.2主轴的模态分析步骤193.3.3 计算结果讨论223.4谐响应分析223.4.1谐响应分析步骤223.4.2试验结果223.4.3改善电主轴动态特性的措施24第四章 锤击法主轴动态性能试验264.1确定分析的方法264.2实验仪器264.3 测点的选择264.4试验结果28第五章 结束语30参考文献31某磨削机床电主轴系统设计及分析第1章 概述1.1 高速加工技术 近年来，在制造业领域，人们正在努力寻找如何提高切削速度来提高生产效率，提高加工精度以及加工质量。高速加工是近年来发展起来的一种具有高效，优质与低耗的先进加工制造技术。 高速加工技术是指采用超硬材料的刀具（如陶瓷刀具，金刚石刀具等）和采用可以实现高速运动的高精度、高柔性、高自动化的制造设备,以大幅度地提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。高速加工技术能实提高加工质量、切削效率、加工精度和降低加工成本的目标。如图1.1，能使被加工塑性金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过其极限速度，并开始趋向最佳切除条件，使得被加工材料切除所消耗的切削力、能量、刀具磨具磨损、工件表面温度、加工表面质量等明显优于传统正常切削速度下的指标，而加工效率大幅度提高，这些就是高速加工技术的显著标志。 图1.1萨洛蒙曲线 高速机床技术,高速切削原理，高速加工刀具材料技术，高速加工工艺编制技术，以及高速加工测试测量技术等是实现高速加工技术的关键技术。其中实现高速加工的条件前提和基本是高速机床。高速机床的设计制造技术，在很大程度上反映了一个国家高速加工制造的技术水平。在现代制造技术中,一个新的发展潮流就是机床的高速化、精密化。现在，世界各工业发达国家的首要目标就是生产高速机床并广泛应用，高速机床的生产能力、技术水平以及使用范围己经是某个国家制造技术水平的重要标志。实现高速加工的关键设备是高速机床，高速机床的核心部件就是高速电主轴，高速电主轴是高速技术的体现，它的成功开发是机床高速化的必要的技术准备。高速电主轴的结构十分复杂并且是机电一体化的产品，因此任有许多新问题有待解决。我国的高速电主轴研究、生产技术与发达国家有很大差距，研究工作也是才刚刚开始，因此我认为应该加强对这方面研究的投入力度。1.2电主轴概述1.2.1电主轴的概念机床主轴与机床主轴电机一体制造是电主轴在数控机床领域出现的新技术，它和高速刀具材料技术、直线驱动电机技术一起，使高速加工技术步入一个全新的时代。电主轴是一套机电一体化的组件，它包括机床主轴及其附件：机床主轴转子、定子、冷却装置、高频变频装置、内置编码器、油雾润滑器、自动换刀装置等。机床的主轴直接作为电动机的转子，电动机的机座就是主轴单元外壳体，并且与冷却装置等其他零部件配合，实现机床主轴与驱动电机的一体化制造。 目前，高速数控机床主驱动系统因为电气传动技术（电动机矢量控制技术、变频调速技术、机电一体化技术等）的迅速发展和逐步完善，已经极大的简化了它的机械结构，齿轮传动和带轮传动也基本上全部取消了。内装式电主轴直接驱动机床的主轴，使机床主传动链的长度进一步缩短为零，从而也是机床的“零传动”得以实现，提高了加工切削速度以及传动精度。机床主轴部件从机床的整机结构和主传动系统中相对独立出来的实现，是由于机床主轴与主轴电动机融为一体的传动形式。因此可以称它为“主轴单元”，简称为“电主轴”(motor spindle，electric spindle)。由于交流高频电动机是当前电主轴主要采用的电机，故也可称它为“高频主轴”（high frequency spindle)。有些地方又称它为“直接传动主轴”（direct drive spindle)，因为电主轴没有中间传动环节。 与传统的机床电机与主轴分离结构相比，电主轴具有如下优点：（1）可以实现低速时大转矩，以增大切削力，高速时大功率切削，以提高加工效率的功能，并且可以实现准确定位停机，一边自动换刀的要求和 c 轴加工的要求，因为它利用了与电机配套的伺服控制技术闭环矢量控制技术。（2） 内装式主轴电机直接驱动机床主轴，主轴与电机之间的变速装置得以去除，实现了零传动，因此具有机械结构紧凑、高传动效率、高制造精度、工作振动小和噪声低等优点。（3） 能够随着工况和负载状况的变化对主轴转速和输出扭矩进行即时调整，因为采用的电机主要是交流电机，可利用交流变频调速技术，来实现无级变速。（4） 可以实现高速度切削、高效率生产、高精度加工制造的要求，因为电主轴技术可以实现主轴高速化，并且具有较好的高速动态性能和输出稳定性。（5） 主轴高速运行更加平稳，不存在其他对轴承的额外冲击力，以及良好的润滑冷却设施，因此主轴轴承的运转工作环境十分适宜，延长了主轴轴承寿命。因为主轴结构中省去了中间环节传动，实现零传动。（6）标准化、单元化、专业化和批量化生产电主轴的目标逐渐实现，因为电机转子和主轴的融合，使机床主轴真正地成为了独立功能部件，因此可以根据型号类型和机床类型的不同来生产批量生产电主轴。1.2.2国内外电主轴技术发展现状 1960年左右国内才真正的开始研究电主轴，人们主要是对零件的磨削进行研究，当时的电主轴切削功率较低，可以加工工尺寸较小，主轴刚度较小，加工质量不高，因此高速电主轴使用范围较窄，应用程度较低，应用技术低。1975年至1985年期间，逐步开发出来了高速轴承，它们的极限转速很高，寿命长。并且在此基础上研制成功了高效的、高刚度、高转速的机床电主轴，因此电主轴逐步在机械制造领域开始广泛使用了，并且取得了良好的实际效果。从1985年以后，开始逐步研究加工中心电主轴，该主轴能加工各种零件，并且能同时加工多个表面，应用范围进一步扩大，这推动了高速电主轴的研究与应用，为电主轴的发展做出了巨大贡献。 近年来，洛阳轴研所是国内对高速电主轴研究较为先进的科研机构，该公司能够独立研究电主轴，并且能够制造各种类型电主轴；广东工业大学也对电主轴进行了较多的研究，其机床研究所研发出了各种类型的高速电主轴。安阳莱必泰机械有限公司是一家中外合资的电主轴生产厂家，它借用国外的先进技术，拥有较为先进的电主轴设计制造技术。国外很早以前就对高速电主轴进行了研究，其研究水平也较高。在国外，高速电主轴应用范围很广泛，应用技术水平较高，拥有全世界在这领域的较高水平。目前，国内生产的电主轴与国外生产的差距较大，具体表现在：(l)切削功率大，能加工较大尺寸的工件；工作转速高，切削效率更高。(2)应用了高速度，高寿命的轴承。在国外，主要应用有混合陶瓷轴承和气体静压轴承，在更加精密场合采用了磁悬浮轴承，加工精度进一步提高。(3)机床加工控制技术高。主要包括：转子自动调节动平衡系统、定子水冷温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。因此，许多外国厂家如日本、美国、德国等发达国家制造商已经生产了多种多样的电主轴，并且应用水平较高。如德国的gmn公司，它就是著名机床制造商，可以生产先进的带有电主轴的机床。它生产的高速机床最高转速可以达到80000r/min，他可以进行精密加工，并且可以满足不同的工况。该公司生产的电主轴都装有恒温冷却水套，可以对主轴定子进行冷却，以控制主轴温升。1.3本文研究主要内容1.3.1本文研究主要内容 本文以高速、小功率的磨削用电主轴为研究目标，以优化主轴系统结构为目的，从主轴系统结构，动静态特性、动态性能试验等几个方面对磨削电主轴进行研究： (l)完成结构设计，并计算出关键性结构参数,如电机的选型和冷却，轴承选型、润滑冷却、前端伸出量、主轴跨距等。 (2)完成电主轴有限元分析简化模型,利用ansys workbench软件对设计的电主轴进行动静态特性分析,主要进行静态受力分析、模态分析和谐响应分析。分析电主轴静态受力变形情况以及其各阶振型、固有频率和验证主轴结构设计的合理性，并提出改进方案。(3)通过锤击法，测量主轴系统的固有频率，并与理论分析结果对比。 1.3.2主要参数本文要求设计的小型精密磨床的技术参数如下：功率：3.7kw转速：4000-8000rpm电压：220-380v额定转矩：12.5nm动平衡精度：g1（整体）几何精度：主轴端部径向跳动小于等于2m第2章 电主轴系统结构设计2.1电主轴的结构设计 本文所设计的电主轴系统大概结构如图2.1所示，主轴电机置于两组角接触球轴承之间，电机转子与主轴之间采用过盈配合的方法将转子安装在主轴上。主轴部件由前后两套角接触球轴承支承，前组轴承采用3个角接触球轴承，后组轴承采用2个角接触球轴承，整体上为背对背安装，前轴承固定，后轴承在轴向浮动，可以有微量移动，以补偿主轴工作时的热伸长。前后轴承采用定位预紧，通过定位螺母调节预紧力的大小。电机的定子与冷却套为一体的安装在主轴单元的壳体中，电机采用恒温水冷热交换系统进行冷却。1. 主轴 2.前端盖 3.前端盖螺钉 4.前轴承 5.前外轴承挡环 6.前轴承座 7.外壳螺钉8.后前螺母 9.转子前挡环 10.水套 11.外壳 12.水套紧固螺钉 13.定子 14.转子 15.转子后挡环 16.后轴承挡环 17.后轴承 18.后防尘盖1 19.后防尘盖2 20.后螺母 21.后内轴承挡环 22.后外轴承挡环图2.1 电主轴结构图 电主轴结构设计首先要设计主要结构参数，包括外圆平均直径 d、内孔平均直径d、前端悬伸量a、两套轴承之间的跨距 l 等。2.1.1外圆平均直径d 初步设计时，主要参考国内外已有产品的相关资料，并根据设计要求，查相关手册机械零件设计部分的设计方法来确定。电主轴的平均空心轴外径可由经验公式计算： （式2.1） 式中: d空心轴平均外径，mm； t 轴的额定转矩，n*mm； 一轴材料的许用切应力，mpa； 内外直径比。根据选定电机的参数可知，轴传递的额定转矩t =12.5 n m=12500nmm，为满足主轴性能要求，轴体材料采用40cr，则其需用切应力为=3555mp，取=40mp。空心轴的平均内径初步选取为d=22mm，取主轴的平均外径 d=50mm，代入公式2.1得： d12.5mm根据现有洛阳轴研科技股份有限公司的有关资料（表2.1），选取电主轴前轴承处直径为60mm，后轴承处直径为50mm。表2.1洛阳轴研公司部分电主轴相关资料型号转速功率 kw恒功率段电压v电流a频率hz轴承轴端连接m长l3240cd06600011a:2000b:60002203804224672003-b7015c/p42-b7013c/p46号卡盘莫氏6号锥220cd0880006a:2000b:80001603803112672673-b7013c/p42-b7011c/p45号卡盘莫氏6号锥200cd0880006a:2000b:80001603803112672673-b7014c/p42-b7012c/p45号卡盘莫氏6号锥170cd10100003.2a:4000b:8000220380127.31332673-b7012c/p42-b7010c/p44号卡盘莫氏5号锥m45*1.5长25150cd12120002.4a:6000b:120002203809.35.42004003-b7010c/p42-b7008c/p43号卡盘莫氏4号锥m35*1.5长20 2.1.2内孔平均直径 d 依据机床设计手册知主轴内径dmax11mm,所以取主轴内径d=22。2.1.3前悬伸量a 前悬伸量 a 在很大程度上对决定着主轴部件的刚度，应该在考虑到轴端长度设计、轴承型号的选择、刀具的安装以及密封结构的基础上，使主轴前端悬伸量尽可能减小，因此前悬伸量初步确定为a=100mm。2.1.4轴承支承跨距 l 相邻两轴承作用点之间的距离称为主轴支承跨距l。综合刚度k受轴承支撑跨距很大的影响，如跨距l较小，则主轴前端变形主要受轴承变形影响；如跨距l较大，则主轴刚度较低。所以，跨距l选取的不合适，其综合刚度都会降低。最佳跨距l0是在满足最小挠度条件dy/dl=0时取得。当0.75l/l01.5时,主轴组件的刚度损失不超过5%一7%，认为是较为合理的刚度损失，故合理跨距应在此范围内。结构设计时，首先应应烤炉能否取到最佳跨距，如果取不到，则应该是跨距在合理跨距范围内。应该先选取轴承型号并对其进行刚度计算，因为电主轴的轴承刚度跟支承跨距有直接关系。 根据相关参考文献，前悬伸与最佳跨距之间关系如式（式2.2）所示： （式2.2）其中：a主轴前端悬伸量 mm；k1前轴承刚度n/m；k2后轴承刚度n/m； 系数，)其中e为主轴材料的弹性模量，40cr弹性模量为 e=210gpa，i 为主轴截面的平均惯性矩，对于空心轴， （式2.3）式中d，d为分别为主轴的当量外径和当量内径，用平均外径和平均内径d=55mm和d=22mm代替，分别带入，得 i=4.37轴承的刚度计算见2.2.4 ，得，前轴承刚度k=209.3 ，后轴承刚度k=136.3 前端轴承组采用三联布置，因此k1=k*3=627.9，后端轴组承采用双联布置，因此k2=136.3*2=272.6。 代入k1，k2，得： 系数=1.44 最佳跨距l0=282mm 根据主轴系统结构的要求对最佳跨距进行合适修改，取 l=355mm1.5l0 ，因此在合理跨距范围之内。2.2主轴轴承2.2.1轴承的选型高速主轴单元的核心部件是高速精密轴承。电主轴系统中，发热最多的是电机，该发热对轴承影响较大。在主轴突然启动时，轴承外圈温度低于内圈温度，因此会减小轴承游隙。而且若轴承存在预紧力，也会产生较多的热量，从而使轴承的工作环境恶化。因此有足够的热硬性是电主轴轴承的基本要求，从而在主轴严重发热时，轴承任能正常工作，保持平稳转动，并保持一定的旋转精度。因此电主轴设计的一个关键问题就是如何正确选择合适的主轴轴承。（1） 静压轴承 利用液压泵将润前润滑液注入到轴承外圈与内圈之间，并通过调整不同方向的液体压力是轴承悬浮起来的轴承是静压轴承。静压轴承是非接触式轴承，其优点有正常工作寿命长、旋转磨损小、高速旋转精度高、振动特性好等优点。在电主轴上使用该类型轴承，可使刀具磨损减少并提高道具寿命，也能使加工精度提高。静压轴承可以分为两大类，一类是主要使用油为润滑液的液体静压轴承，另一类是使用气体作润滑剂的气体静压轴承，该类轴承的润滑剂通常为空气。 在两类轴承中，气静压轴承，由于采用空气作为悬浮介质，因此旋转阻力很小，其旋转精度和圆跳动程度都比传统轴承好，其旋转精度可以达到0.1m。由于在工作室 气静压轴承的轴承与轴颈之间没有直接接触，因此磨损极少。在干净的介质和合适的使用条件下，轴承的寿命大幅度提高；在工作时，气静压轴承磨损较少，磨损所消耗的功率也小，因此轴承转动所产生的热量也少。由于轴承发热时主轴发热的一个重要部分，所以电主轴的各个部分热变形较小。总之，采用气静压电主轴可以提高加工精度，减少污染，符合绿色生产的要求。但是气静压轴承的功率较低，主要使用在精密磨削的电主轴中，而且加工零件的尺寸不能很大。由于液体的吸震效果较好，因此液体静压轴承的震动性能较好，加工精度较高。但是在高速情况下，主轴内液体搅动剧烈，消耗大量的功率，产生很多热量，因此主轴轴承处温升很大，使主轴工作环境变得恶劣，因此在高速电主轴中，液体静压轴承应用并不是很广泛。（2） 液体动压轴承在主轴转动时，由于转动使得轴承内形成油楔，是主轴悬浮起来，这就是液体动压轴承。液体动压力产生的条件是：相对运动速度足够；有适当的粘度的润滑剂；两表面间的间隙是收敛的（这一间隙实际很小，）,在两界面相对运动中，润滑剂从间隙的大口进，小口出，形成油楔。液体动压轴承在实际使用中并不广泛。 （3） 磁悬浮轴承 磁悬浮轴承的径向间隙约为 l 毫米，因此磁悬浮轴承也是非接触式的轴承。它是由布置在外圈外几对相对180度的磁铁组成，主轴靠磁力悬浮起来。在转动时，由相关传感器实时监测主轴运转状态，并由此调节其中某对磁铁的磁力，以实现在高速转动时，保持器旋转精度。 磁悬浮轴承室目前唯一投入实际生产中的先进轴承，具有具有许多传统轴承没有的优点如：转速很高，没有任何摩擦，主轴温升小，无污染，能够远程控制，便于自动化生产。但是磁悬浮轴承的结构较为复杂，成本较高，还有一些关键技术有待进一步解决，因此该轴承是现今重点研究的轴承。（4） 滚动轴承 滚动轴承是应用最为广泛的轴承，在传统机床以及部分高速机床中都大量使用。滚动轴承的结构简单，已经形成标准化，因此选用、维修、更换都很方便。但是随着机床主轴转速的不断提高，人们对其研究也很多，以使滚动轴承满足要求。如今研究的最多的就是混合陶瓷轴承，它在电主轴中的使用也很广泛。它是使用氮化硅陶瓷制成转动体，而其他部分不变。混合陶瓷轴承相对于传统轴承具有以下优点：（1） 轴承质量轻。陶瓷材料密度很低 ，仅为钢材的35%，因此混合陶瓷轴承的质量轻。这样能减小转动体的离心力，减小摩擦，使轴承的极限转速大幅度提高。（2） 轴承刚性好。钢的弹性模量仅为陶瓷的80%，因此轴承的刚度比传统轴承刚度高，提高主轴的旋转精度。（3） 轴承硬度高。陶瓷硬度大约是钢的 2.3 倍，因此混合陶瓷轴承的耐磨性大大提高。（4） 陶瓷还具有不导电、导热率低不导磁等优点目前应用于高速主轴单元的轴承主要有磁浮轴承、混合陶瓷轴承、空气静压轴承和液体动静压轴承。四种轴承的优缺点比较见表2.2 表2.2四种轴承的性能比较轴承类型优点缺点混合陶瓷轴承硬度高，密度小，热膨胀系数小，弹性模量大，耐高温，不导电，不导磁，应用广泛对拉伸应力和缺口应力较敏感磁悬浮轴承寿命长,机械磨损小，噪声小，无需润滑滑价格昂贵，发热问题不易解决决空气静压轴承主要用于高速、轻载和超精密场合合造价高，只能适用于轻载场合合液体动压轴承主要用于重载场合，有很好的高速性能，调速范围广广需要设计专门的液压系统，对对液压系统要求较高由于本文主轴功率不高，主要进行精密磨削，因此所受载荷为轻载，并且主轴转速较高。因此轴承配置选用速度型。由于角接触球轴承能承受轴向、径向载荷及方向不明的附加载荷，而且其极限转速较高，因此选用角接触轴承。背对背安装是轴承的常用安装方式，因为背对背安装能够使轴承承受两个方向的较大载荷，适合于多种场合。由于角接触球轴承的刚度不高,因此经常采用多个串联装配。由于每个轴承的精度不一样，每组轴承越多，会使其误差增加。综合考虑，最后决定前轴承组采用三个，后轴承组为两个，其具体结构如图2.1.综上所述，前后轴承都选用skf公司的71910ce/p4，后轴承选用71910ce/p4，表2.3为轴承的技术参数：表2.3 轴承的技术参数参数71910ce/p471910ce/p4内径d（mm）6050外径d（mm）9080宽度b（mm）1816滚动体数目z2522接触角1515预紧力f(n)（轻预紧）200150额定静载荷(n)3500026000额定动载荷(n)3050021900极限转速（rpm）（油脂润滑）2000026000滚动体直径（mm）7.57.52.2.2轴承的润滑 为了降低轴承摩擦力、减少磨损、减少轴承发热，保证轴承正常工作，因此需要对轴承采取润滑措施。速度参数dm值是评定轴承速度性能的主要参数。其中dm值反映了滚动体的公转速度,这也是轴承转速的主要限制因素。 本设计中轴承dm值为 （式2.4）分别代入数据得dm=，dm=。 由相关参考资料可知，当dm值小于等于时，这类电主轴可采用油脂润滑，dm值大于的高速电主轴，油气或油雾润滑是这类电主轴主要采用的润滑方式。因此，该主轴轴承选择油脂润滑。2.2.3轴承的预紧在轴承转配前，对轴承的内外圈之间施加一个作用力是每个滚动体处于压紧状态，可以提高主轴的刚度以及旋转精度，并提高轴承的寿命。 采用适当的预紧力，可以消除轴承的间隙，并可以补偿由于热的主轴伸长量，是滚动体与轴承接触良好，使得轴承刚度大幅度提高。但是如果施加过大的预紧力，将会是转动体与滚道之间的摩擦力增大，消耗更多的功率，产生大量的热，使轴承的温升迅速变大，恶化轴承的工作环境，使轴承的噪音增加，轴承的寿命迅速降低。但是如果预紧力太小，则达不到预紧效果。因此预紧力的调节对于轴承来说很重要。通常，轻预紧应用于高速轻载的工况；中预紧或重预紧应用与低速重载。 定位预紧和定压预紧为轴承的两种预紧方式。定位预紧时，轴承内外圈保持不变。定压预紧时，采用弹簧对轴承内外圈施加一定的作用力，达到预紧效果。 本文设计的电主轴轴承采用定位预紧方式，前后端角接触球轴承通过外侧圆螺母对其进行定位，并施加一定的预紧力进行预拉伸。后端为游动端，轴承工作时会有微量的轴向游隙，因此也需要一定的预紧，通过外锁紧圆螺母对其进行定位时也可以对其进行适当的轻微预紧。轴承之间采用两衬套定位，并且两衬套的宽度略有差别。根据所选轴承的参数，预紧力为轻预紧，前、后轴承预紧力大小分别为200n、150n。2.2.4轴承的静刚度 轴承的静刚度反映了其抵抗静态外载荷的能力。在计算轴承静刚度是认为接触角不变， 由轴承参数查的轴承的初始预紧力，但装配后轴承预紧力还需调整，因此可按下式计算： (式2.5)式中， 接触角系数 ； 轴承系数； 预紧级别系数 混合陶瓷轴承修正系数 装配前的预紧力 7012c轴承：查机床滚动轴承应用手册： =1.8，=1，=1，=1.06，=150n得： =286.2n 7010c轴承：查机床滚动轴承应用手册： =1.72，=1，=1，=1.06，=100n得： =182.3n再查得轴向预紧力为150n和200n前提下，角接触球轴承的径向刚度可近似地按下式计算： (式2.6)式中： 材料系数，对混合式陶瓷球轴承，材料系数于为1.3；z滚动体数量； 滚动体直径； 接触角。经查表2.3，代入公式，得： 7012c的静刚度为，=209.3同理可得：7010c的静刚度为，=136.32.3主轴动平衡及过盈设计 电主轴在高速运转过程中，主轴旋转部分如果存在不平衡设计，就会引起机床的震动，使机床的加工质量降低。因此，电主轴结构设计过程中中，要严格遵循对称原则。不允许使用不对称连接，如键连接、螺纹连接，因此电动机转子和机床主轴之间用过盈配合连接，以实现转矩的传递。电主轴的性能直接受过盈配合面应力的大小的影响。过盈量过大不仅降低了主轴与转子的装配性能，而且会影响主轴配合面的配合质量；过盈量过小则会降低主轴传递扭矩的能力。因此为了保证配合质量和传递扭矩的能力，必须对过盈量进行进一步的计算。 设主轴电机转子的内孔平均半径为a，外圆半径平均为b，主轴配合面的半径为a，内孔半径为c，如图2.2，则高速电主轴的过盈量由静态分量和动态分量,两,部分组成。其中，静态分量，可由下式算出： （式2.7）动态分量可由下式算出： （式2.8）式中， 电机转子的内外径比，=a/b； 主轴配合面的内外径比，=c/a； e主轴与电机转子的弹性模量； v主轴与电机转子的泊松比； 最大角速度，rad/s； 材料密度，kg/； 主轴的传动转矩，nmm； b配合面的有效接触长度，mm； 配合表面间的摩擦系数； 安全因子，一般为24。图2.2主轴转子与轴配合面尺寸示意图根据有关电机尺寸有：a=29mm；b=44mm；c=11mm；则： =0.659，=0.38e=2.06；=837.3rad/s；v=0.28；=7900kg/； =10nmm；b=180mm；=0.09；=4，代入式中得：静态分量=0.0047mm动态分量=0.022mm因此总的最大过盈量为：=0.0267mm。由电机转子与轴的配合公差带58 h 6/n6可知：=0.033mm，因此取过盈量为0.028mm。 第三章 电主轴动静态特性分析3.1电主轴动静态分析现状电主轴通常在高速状态下工作，因此其动静态特性必须很高，才能满足加工质量要求，因此对电主轴进行静力学分析和模态分析以及谐响应分析是很有必要的。静力学分析主要是得出电主轴的刚度，并且得出在典型加工条件下，主轴前端的最大位移，看其是否满足静态要求；动力学分析得出主轴振型以及主轴固有频率，从而判断主轴设计是否合理，并且在此基础上优化结构设计。电主轴的动态特性包括临界转速、主振型和固有频率等方面，这是电主轴动态特性的主要方面。当电主轴的转速达到或接近临界转速是，会引起机床的共振，使机床震动加剧，加快刀具的磨损，降低加工质量，恶化加工环境。因此为了避免这种情况的发生，对电主轴的临界转速的研究是很有必要的。为了保证加工质量及加工安全要求，主轴的最高转速应该低于临界转速的百分之七十五。 近年来，越来越多的有限元软件可以进行动态特性分析、热分析以及结构耦合分析。例如 ansys、nastran、adina、等，它们已经在机械制造、航空、船舶等领域发挥了重要的作用，对设计人员的帮助很大。其中ansys 公司的 ansys workbench是技术最为成熟、使用范围最广的软件系统。它可以与绝大多数制图软件连接，分析模型可以直接导入ansys workbench中，并且可以在各种操作系统中运行。ansys workbench可用来进行模态分析、谐响应分析等动力学分析和热态分析等各种单场分析以及耦合场分析。本文就是采用ansys workbench 软件进行动静态分析的。3.2电主轴静态特性分析3.2.1有限元静力学分析的理论基础 达朗伯原理是有限元分析过程的理论基础，由这一原理，在引入惯性力后，弹性体的动力学问题可以转化为静力学问题来求解。其基本方程： （式3.1）式中： 、节点的位移和节点的外力向量； 模型的质量； 模型的刚度； 模型的阻尼矩阵。 静力学分析时，系统中速度和加速度两项都为零，即 (，。因此该公式可以简化为 ，主轴的静变形可利用其求解。修改相应的力即可得到不同方向的挠度。3.2.2典型工艺下主轴切削力的计算磨削力的计算不像车削力和铣削力很容易被人们所掌握，并且磨削力不是很大，研究较少，目前还没有统一的计算公式。磨削力的测定工作，很早之前首先是由克莱辛格开始做的。至今，许多国内外学者进行了很多的研究，得出了部分成果，发表了各自不同的数据，而且还详细的讨论各种工况下的切削力，并得出了许多磨削力实验公式，这些实验公式都是具有幕指数函数的结构，其主要参数都是与切削条件相关。在磨削过程中由于轴向切削力很小，可忽略不计。 磨削时，主轴的径向力 可分解为切向分力和法向分力。根据国外相关资料，外圆纵向切向力归纳为下式： （式3.2）该主轴的典型工艺为精密磨削，设砂轮直径为200mm，砂轮宽55mm，工件材料为45钢淬火，工件直径为120mm，背吃刀量=0.01mm，进给量为=0.3。因此：=46.06m/s，代入式（3.2）中，并查表（3.1）得： =85.4n 表3.1 磨削切削力公式的指数值研究者备注masslow0.60.70.7淬硬钢22未淬硬钢21铸铁20arzimauritch0.60.40.37koloreuritch0.50.90.40.6babtschinizer0.60.750.6norton co0.50.50.50.50.5渡辺0.880.760.760.630.38根据表3.2可得： =174n则径向力为：=193.8n。 表3.2 外圆磨削的比值磨削方式外圆磨削60m/s高速外圆磨削被磨材料45钢40crw18cr4v45钢2.042.74.02.23.53.2.3建立ansys 分析模型电主轴系统包括主轴、轴承、定子、电机、壳体、冷却装置、润滑装置、编码器等相应的外围设备。对于模型的简化，通常有以下几种模型：（1）主轴轴承简化模型。这种简化模型是目前使用最多的，也是最为简单的模型，该模型仅仅考虑主轴和轴承对主轴系统的影响，把转子作为同种材料加到轴上，把它们当做为一体，这种模型最为简单，能够迅速得出计算结构，但计算的结果精度不高。（2） 主轴轴承转子水套模型。该模型把轴承、转子、水套和主轴当做为一体建模，这种建模方式更加符合实际的工况，计算结果比第一种更精确。（3） 轴承主轴转子定子刀具拉刀系统模型。这是目前最为先进的建模模型，该模型考虑主轴系统整体，与实际情况相近。但其建模复杂，分析过程参数设定困难，因此这种建模方式是目前较为先进的模型。因此本文采用较为简单的第一种简化方式，在进行分析时不考虑主轴电机定子、箱体及外围设备对电主轴各种性能的影响。旋转部分，即主轴、转子等部分是模型分析对象。电主轴是阶梯轴，承受主轴前端的切削力、电机转子段的扭矩等多种载荷，主轴前轴承固定，后轴承存在轴向游离，该模型是超静定结构，处理方法是采用迭代法。由于电主轴结构是对称图形，并且结构较为简单，但是在简化过程中还是要有一定的原则。（1）前支撑处采用三个角接触球轴承，总体上为背靠背安装，后支撑采用两个角接触球轴承，背靠背安装。每组轴承的作用点都近视看做为每组轴承的中点与主轴的相交处。（2） 认为前后轴承都只有径向刚度，没有角刚度，因此支承可简化为径向的压缩弹簧质量单元，在主轴的径向上采用采用四个弹性边界元来模拟轴承的支承。（3） 不计轴承负荷和转速对轴承刚度的影响，视轴承刚度为一个恒定常数。（4） 电机转子与主轴是过盈配合，认为在高速状态下，其过盈量不变，转子与主轴之间没有相对转动，转子与主轴仍当做同种材料成为一体。根据以上原则，简化后模型如图3.1图3.1电主轴静力学分析简图 本模型中将前后轴承支承都简化为一组弹簧，每组弹簧由径向均布的四个弹簧组成，弹簧作用点在轴承中点与轴相交的圆周面上，弹簧的刚度为轴承的静刚度，由此建立的轴承有限元模型，如图3.2 图3.2 轴承有限元模型 3.2.4主轴ansys具体分析过程（1） 建立模型 打开proe软件界面，建立如图（3.3）所示模型，并导入ansys workbench中 图3.3 主轴模型的建立 （2） 添加材料属性信息 电主轴的材料为40cr，其相关参数见下表3.3： 表3.3 主轴材料属性值材料属性弹性模量泊松比密度屈服极限数值206gpa0.28800mpa（3）设定网格划分参数并进行网格划分制定网格尺寸为3mm,进行网格自动划分，划分结果如图（3.4） 图3.4网格划分结果（4） 施加载荷以及约束 对有限元模型进行加载时，按照机床在典型加工工艺条件下工作进行计算，算出其在切削时的径向力，如在前面的3.2.2章节已经得出在此工况下轴的受力，在进行静态分析时，其唯一载荷为主轴前端施加的切削力的径向分量 fr= 193.8 n。前轴承为固定端，故只约束其x方向的移动自由度,后轴承在轴向（x 向）存在游动。然后进行求解，最终得出电主轴的静力变形如图（3.5）所示。 图3.5 电主轴静力变形云图从图3.5中可以得出，主轴前端最大变形量为max=1.1