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四川大学硕士学位论文 数控机床高速电主轴结构设计及性能分析 机械制造及其自动化专业 研究生：田华指导老师：王杰 摘要 高速加工是以大幅度提高切削速度来达到提高生产率、加工精度，加工 质量和降低成本的现代制造技术。在现代制造技术中，高速切削技术已成 为一个不可阻挡的发展潮流。高速机床是实现高速切削的首要条件，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动静态特性进 行分析，优化结构设计，对提高高速机床性能有十分重要意义。 本文运用a n s y s 软件，用有限元分析法对高速电主轴酌动静态特性进 行了研究分析具体包括： i 通过对结构设计中一些关键性的技术问题( 如轴承选型、动平衡设 计、几何精度设计、主轴单元结构参数静态估算等) 的解决，完成电主轴 结构设计。 2 。对高速电主轴单元典型工艺参数下主轴所受切削力、主轴轴承静剐 度、主轴单元主要结构参数和高速电主轴单元临界转速等参数进行了静态 估算。 3 对高速电主轴进行= 维静态和三维动态有限元建模，经a n s y s 计 算，得出了电主轴的静刚度；获得了电主轴的模态和谐响应特性：研究了 电主轴的固有频率、振型和临界转速；井对高转速下，主轴在前端、后端、 轴承所在的四个位置以及主轴转子中部位置所发生的最大动态位移进行了 分析计算，验证了主轴结构设计的合理性。 关键词：高速加工；有限元分析；高速电主轴；动静态特性 数控机床高速电主轴结构设计及性能分析 t h ec o n s t r u c t i o nd e s i g na n dg e n e r a lp e r f o r m a n c e a n a l y s i so fh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ew h i c h u s e di nn cm a c h i n e s p e c i a l t y m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e t i a nh u a s u p e r v i s o rw a n g j i e a b s t r a c t h i g h - s p e e dm a c h i n i n gi sa na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yw h i c hc a n i n c r e a s i n gp r o d u c t i v i t y , p r e c i s i o n ，q u a l i t y o ft h e p r o d u c t a n dr e d u c i n g p r o d u c t i o nc o s t sb yr a i s i n gc u r i n gs p e e dd r a m a t i c a l l y n o w , n o t h i n gc a ns t o pi t s d e v e l o p m e n t h i g h - s p e e dm a c h i n et o o l i st h ep r e c o n d i t i o nf o rr e a l i z i n g h i g h - s p e e dm a c h i n i n g h i 曲一s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e i sac m c i a lu n i to ft h e h i g h - s p e e d s o i ti si m p o r t a n tt oo p t i m i z et h ec o n s t r l l c t i o nd e s i g n0 1 1i m p r o v i n g t h ep e r f o r m a n c eo ft h eh i 曲一s p e e dm a c h i n et o o lb ys t u d y i n gt h es t a t i ca n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f h i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e i nt h i sp a p e r , t h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e so ft h eh i g h - s p e e d m o t o r i z e ds p i n d l ea r es t u d i e dw i t ha n s y ss o f t w a r eb yf e a d e t a i l so f s t u d i e s a r ea sf o l l o w s ， 1 t h ec o n s t r u c t i o no ft h em o t o r i z e ds p i 删ei sd e s i g n e db a s e do ns o l v i n g s o m ec r i t i c a lp r o b l e mi nc o n s t r u c t i o nd e s i g ns u c ha sc h o i c eo fb e a r i n g s ，d e s i g n o fd y n a m i cb a l a n c e ，d e s i g no fg e o m e t r i cp r e c i s i o n , s t a t i ce s t i m a t eo ft h e s p i n d l e sc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r 2 t h ep r i n c i p a lp a r a m e t e ro ft h es p i n d l es u c ha st h ec u t t i n gf o r c et h e 四川大学硕士学位论文 s p i n d l eu n d e r g o n e0 nc o n d i t i o nt h a tt y p i c a lp r o c e s sp a r a m e t e ri su s e d ，t h es t a t i c s t i f f n e s so f b e a r i n gf o rt h em o t o r i z e ds p i n d l e t h ec m c i ，dc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r o ft h es p i n d l eu n i ta n dt h ec r i t i c a lr o t a t i o nr a t eo ft h es p i n d l eu n i ta r ee s t i m a t e d o ns t a t i cc o n d i t i o n 3 t w o d i m e n s i o n a la n dt h r e e - d i m e n s i o n a lf e am o d e lo ft h em o t o r i z e d s p i n d l ea r eb u i l tu p 、析t l la n s y s t h es t a t i cs t i f f n e s so ft h es p i n d l ei ss t u d i e d b a s e do nt h et h r e e - d i m e n s i o n a lf e am o d e l ，t h em o d a la n dh a r m o m cr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r i z e ds p i n d l ea r ea n a l y z e d ，a n da l s ot h en a t u r a l f r e q u e n c y , v i b r a t i o nm o d ea n dc r i t i c a lr o t a t i o nr a t ea r es t u d i c d t h em a x i m m n d y n a m i cd i s p l a c e m e n t ao ft h ef r o n t ，e n d ，r o t o ra n dt h ef o u rb e a r i n g ss i t eo n s p i n d l ea r es t u d i e d ，t h e r e f o r e ，t h er a t i o n a l i t y o ft h e s p i n d l ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o na r ev a l i d a t e d k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dm a c h i n i n g ，f e a ，h i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e ， s t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s i l l 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景和主要内容 1 i i 课题来源 本课题属于中国工程物理研究院军民两用开发技术开发项目 1 1 2 课题主要技术指标 参考i a b g 、s t e p - t e c 、洛阳轴承研究所电主轴、安阳莱必特机械有限 公司等电主轴生产厂家产品技术指标，确定主要技术指标如下： 功率一转速一扭矩特性；1 6 k w ( 1 0 0 t 作制) 、基本转速9 0 0 0 r p m ： 主轴最高转速：1 5 0 0 0 r p m ( 脂润滑) ； 动平衡精度：g l ( 整体) ； 几何精度：主轴鼻端径跳小于或等于3 u m ； 温升：主轴前轴承外周处温升低于2 5 ； 噪声：小于7 5 d b 。 1 1 3 课题研究的主要内容 本课题的目的在于以高速、大功率的铣削加工中心电主轴为研究目标， 从提高主轴系统性能入手，对电主轴结构设计、静态分析、动态分析、热一 结构分析几个方面进行研究：分析电主轴的结构特点及其对动静态特性的 影响；对动静态性能虚拟仿真分析；研究电主轴单元的温度场分布，主轴 轴承的变形及其应力变化规律、主轴端部的热变形规律，建立主轴的有限 元分析模型，利用a n s y s 对设计的主轴进行静态、模态和动力响应的有限 元分析。 本课题的意义在于通过对高速电主轴结构和动静态特性的有限元分 析，为优化主轴结构和改善电主轴的动静态及热态特性提供必要的理论依 据，为高速电主轴的研究开发和应用奠定基础。 图i 1 对电主轴性能作了一个简单的概括，从整体上来说电主轴性能 包括以下几个部分：几何精度、静态性能、动态性能、热态性能。 数控机床高速电主轴结构设计及性能分析 图i 1 高速电主轴单元性能示意圈 本文内容围绕提高主轴系统动静态性能而进行，就结构设计、静态分 析、动态分析几个方面进行论述。 1 2 高速切削发展的历史背景及理论基础 制造业创造了人类社会财富的6 0 - - 8 0 ，是国民经济的支柱产业。制 造技术水平和设备制造能力的高低，是一个国家科技水平和综合国力的重 要标志以数控机床为基础的柔性制造自动化技术的发展与应用，大大降 低了零件加工的辅助时间，极大的提高了生产效率。可以说，数控技术的 发明和推广应用，是现代制造技术发展史上一块具有革命性意义的里程碑。 加工中心、柔性制造单元( f m c ) 和柔性制造系统( f m s ) 的应用，解决了 自动换刀、自动装卸工件等问题，在更大的程度上提高了整个零件加工的 自动化水平。计算机集成制造系统( c i m s ) 和自动化工厂( a f ) 更使制造 自动化技术达到空前的高度。从提高生产率的角度看，机床和生产过程自 动化的实质，归根到底是以加快空行程动作的速度和提高零件生产过程的 连续性、从而缩短辅助工时为目的的一种技术手段。 2 四川大学硕士学位论文 i 苗通撬廉n c 镌嗣翻e # n c 蜘王中心 l 苗遮7 】真嶷琊转像刀片瞬刀 l 薰绕刀具 i 暂丰于料刃 图1 2 切削时间的变化 但是辅助动作速度的提高是有一定限度的例如目前加工中心自动换 刀时间己经缩短为1 s ，快速空行程速度己经提高到6 0 8 0 m m i n 。再提高 空行程速度不但在技术上有困难，经济上也不合算，且对提高机床的生产 率的意义也不大，矛盾的主要方面己经转向切削工时。只有大幅度地降低 切削工时( 即提高切削速度和进给速度等) ，才有可能在提高机床生产率方 面出现又一次新的飞跃。这就是近2 0 年来超高速切削技术得到飞速发展的 历史背景。图1 2 所示为1 9 6 0 1 9 9 0 年间零件加工切削时间和辅助时间的 变化情况。 。 由图可见，1 9 7 0 1 9 8 0 年间，由于数控机床和加工中心的大力发展， 零件加工的辅助工时迅速下降；而8 0 年代以来，由于高速切削技术的逐渐 推广应用，零件加工中的切削工时开始呈现较大幅度的下降。 高速切削的起源可以追溯到2 0 世纪3 0 年代初。德国的切削物理学家 萨洛蒙( c a r ls a l o m o n ) 博士于1 9 3 1 年4 月提出了高速切削假设，发表了 著名的高速切削理论。萨洛蒙根据实验，提出了两个令人感兴趣的假设。 他指出( 见图1 3 ) ：在常规的切削速度范围( 图中的a 区) 内，切削温度 随着切削速度的增大而提高。但是，当切削速度增大到某一数值v c 后，切 煎珂工时霉 切削运厌v 钿，l t n ， 图1 3 萨洛蒙曲线 萨洛蒙的思想给后来的研究者一个非常重要的启示：如果切削速度能 越过。死谷”，而在超高速区( 图中的c 区) 进行工作，此时切削温度较低， 就有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削工时，成 倍地提高机床的生产效率。 图1 3 的横坐标是对数坐标，v 2 之值约为v 1 值的l o 倍左右。也就是 说，高速切削的速度一般为常规切削速度的l o 倍左右。 在证实和应用萨洛蒙理论方面，美国科技界和工业界做了许多领先的 工作。美国于1 9 6 0 年前后开始进行超高速切削试验。在德国，高速切削得 到了国家研究技术部的鼎力支持，在d a r m s t a d t 工业大学h s c h u l z 教授领 导下，联合德国4 1 个企业对高速切削进行了全面深入的研究，取到了国际 领先水平的丰硕成果。日本也于6 0 年代就着手超高速切削机理的研究。法 国、瑞士、英国、原苏联、意大利和澳大利亚等国在高速切削方面也做了 不少工作。 4 四川大学硕士学位论文 1 3 高速加工技术及现状 1 3 1 高速加工概述 高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠的实现高速运动的 高精度、高自动化、高柔性的制造设备，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。它是提高切 削效率、加工质量、加工精度和降低加工成本的重要手段。其显著标志是 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某一域限 值，开始趋向最佳切除条件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、 工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下 的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。 实现高速加工技术的核心关键技术主要有：高速切削机理，高速机床 技术，高速加工用刀具技术，高速加工工艺技术，以及高速加工测试技术 等。其中高速机床则是实现高速加工的前提和基本条件。一个国家高速加 工的技术水平，在很大程度上反映在高速机床的设计制造技术上。在现代 制造技术中，机床的高速化己成为一个不可阻挡的发展潮流“1 。现在，世界 各工业发达国家都把生产高速机床作为其重要的发展目标，高速机床的生 产能力和技术水平己经成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志。 高速机床技术主要包括高速单元技术和机床整机技术。单元技术包括 高速主轴、高速进给系统、高速c n c 控制系统等。机床整机技术包括机床 床身、冷却系统、安全设施、加工环境等。 1 3 2 高速切削的忧点 与常规切削相比较，高速切削具有下列优点：( 1 ) 随切削速度的提高， 进给速度也可相应提高，以便基本保证每齿切削厚度不变，单位时间内的 材料切除率可大大增加，极大地提高了生产率；( 2 ) 在切削速度增加到一 定值后，切削力可降低3 0 以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别 有利于对薄壁件等刚性差的零件的加工：( 3 ) 在高速切削状态下，9 5 以上的切削热还来不及传递给工件和刀具，就被切屑带走，工件可基本保 数控机床高速电主轴结构设计及性能分析 持冷态，因而特别适合于加工容易热变形的零件；( 4 ) 高速切削时，机床 的激振频率特别高，它远远离开了“机床一工件一刀具”工艺系统的基本 阶固有振动频率范围，使机床工作平稳振动小，因而能够加工出非常精密 且光滑的零件；采用高速切削可以得到很高的零件2 n t 表面质量，高速铣 削和高速车削常常可以达到磨削的水平；( 5 ) 高速切削可以加工常规切削 无法加工的高硬度零件，可取代磨床加工，实现硬切削；可以在无冷却的 情况下进行干切削”1 。 1 3 3 高速切削技术发展现状 高速切削技术的问世，加快了汽车、模具、航空、光学、精密机械等 产品的更新换代速度，促进了这些部门制造技术及装备的提升，从而加快 了社会进步。从二十世纪九十年代至今，高速加工在国内外掀起了应用的 热潮。 九十年代以来，高速加工中心和高速切削技术投入了实际应用。高转 速( 主轴转速1 0 0 0 0 r m i n 以上) 、快进给速度( 进给速度在5 0 6 0 m m i n 以上) 以及快速换刀技术的应用，出现了高速、高效的多坐标生产型加 工中心，配合各种新型刀具的发展应用，使高速加工技术日臻成熟，加工 中心的生产效率大幅提高，出现了以高速加工中心为主体的新型柔性自动 线一高速柔性生产线。高速柔性生产线不仅可加工同样产品范围内的零件， 而且可加工变形产品、换代产品以及新产品。这种生产线以其高柔性和高 效率，越来越多地被汽车生产企业采用。 高速铣削特别适合以轻合金加工为主的飞机制造业因为飞机上的许 多零件采用薄壁、细筋结构，其单壁刚度较差，不允许有较大的吃刀深度， 因此，提高生产效率的唯一途径就是提高切削速度和进给速度：采用整体 实心材料制造大型零件，需要在整块毛坯上切除大量材料，其切削工时占 整个零件制造总工时的比例很大。采用高速铣削，材料的切除率比传统的 加工工艺提高3 倍以上：飞机和发动机的一些零件还采用镍基合金和钛合 金，这些材料属于难加工材料，用传统数控机床加工，切削速度很低。如 采用高速切削，则其切削速度可提高到1 0 0 1 0 0 0 m m i n ，为常规切速的 6 四j i l 大学硕士学位论文 1 0 倍左右。 模具是制造业中用量大，影响面广的工具产品。模具机械加工的主要 任务是加工出型腔的曲面形状。模具加工中，大部分的加工时间是花在半 精j l - r 和精加工上。由于模具大多是用高硬度、耐磨损的合金材料制造， 用普通的机械加工方法，加工难度较大；加工后要花很多时间手工修光铣 削刀纹，所以在我国至今仍广泛采用电火花( e d m ) 成形加工工艺。电火花 加工对零件表面的机械物理性能也有损害，常常会产生一些微细裂纹，电 加工之前要做好电极，加工后还要进行费力费时的手工研磨或抛光，这些 都是造成加工模具低效率的主要原因。 而采用高速切削可加工淬硬钢，硬度可达h r c 6 0 左右；可得到很高的 表面质量，表面粗糙度低于r a o 6 ui n ；可以得到以铣代磨的加工效果，还 节省了大量修光时间；而且粗、精加工可一次完成，极大的提高了模具生 产效率。结合c a d c a m 技术，与传统模具开发方式相比较，采用高速切削 后，模具的制造周期可缩短约4 0 。高速切削应用于模具制造业，将会很 大程度提高产品的生产效率和质量。 在机械制造的其他领域，高速加工技术也得到越来越广泛的应用。 1 4 高速电主轴发展及现状 1 4 1 高速电主轴概述 高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速 机床的核心部件。这四个部分构成一个动力学性能及稳定性良好的系统， 在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。高 速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、 动平衡、噪声等多项相关技术，其中一些技术又是相互制约的，包括高速 和高刚度的矛盾、高速和大转矩的矛盾等。 从目前发展现状来看，主轴单元形成独立的单元而成为功能部件以方 便地配置到多种加工中心及高速机床上，而且越来越多地采用电主轴类型。 电主轴技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电机及其控制模块、润滑冷却 7 数控机床高速电主轴结构设计及性能分析 系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具动平衡等。 高速大功率主轴单元的基本方案是采用集成内装式电主轴，这种结构 基本上取消了带传动和齿轮传动等中间传动环节，其主轴由内装式电机直 接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主轴的“零传 动”啪。这是一种由内装式电机和机床主轴“合二为一”的传动形式，即采 用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床的主轴上，带有冷却套的定 子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴( b u i l d i nm o t o r s p i n d l e ) ，或称高速电主轴( h i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e ) 。电主 轴典型的结构和系统组成如图1 4 所示。 图1 4 电主轴典型的结构和系统组成 高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可改善主 轴的动平衡，减少振动和噪声，是高速机床主轴单元盼理想结构。 在高速主轴单元中，由于机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因 此对主轴单元提出了较高的静刚度和工作精度的要求。另外，高速机床主 轴单元的动态特性也在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。当 切削过程出现较大的振动时，会使刀具出现剧烈的磨损或破损，也会增加 主轴轴承所承受的动载荷，降低轴承的精度和寿命，影响加工精度和表面 质量。因此，主轴单元应具有较好的抗振性。高速运转下，主轴单元的振 动问题是非常突出的，采用电主轴是最佳的选择，这是因为： ( 1 ) 如果电机仍采用皮带或齿轮等方式传动，则在高速运转条件下， 0 四川大学硕士学位论文 所产生的振动和噪声等问题难以解决，必会影响机床的加工精度、加工表 面粗糙度。 ( 2 ) 为了提高生产率，要求在最短时间内实现高的速度变化，即主轴 回转时要具有极大的角加速度。达到这个要求的最经济的办法，是将主轴 传动系统的转动惯量尽可能地减小。而将电机内置，省掉齿轮、皮带等一 系列中间环节，才是达到这一目标的理想途径。 ( 3 ) 电机内置于主轴两支承之间，可提高主轴系统的刚度，也就是提 高了系统的固有频率，从而提高了其临界转速值。 电主轴系统有三项性能指标是非常重要的，它们分别是： 1 ) 使用寿命指更换一次轴承时主轴的累计工作时间。实际上就是指 轴承的使用寿命。 2 ) 主轴前端径向刚度是指电主轴工作端在单位径向力作用下产生的 位移。这一指标对加工精度、生产效率影响很大。在其它条件相同的情况 下，径向刚度越大，工作效率就越高。 3 ) 临界转速是指当主轴旋转时，会使主轴出现挠度急剧增大、转动 失稳现象的那些旋转速度。主轴工作转速应远离各阶临界转速，否则主轴 将有可能处于共振区而产生剧烈振动。 这三项指标对于一根设计良好的主轴来说，均应达到预定的要求。在 传统的电主轴设计中，由于缺乏必要的分析计算，只能等产品加工出来后 再通过试验来考核其性能指标。若其性能指标不能满足预定的要求，则要 修改设计，重新制做，这样必然导致产品的设计周期长，并且成本高。而 现代设计方法则要求在设计过程中通过一些分析计算就应能够预测出主 轴、轴承以及轴系的静、动态性能指标，在产品加工出来以前就能知道设 计是否合理，从而大大缩短设计周期，降低生产成本。 1 4 2 高速电主轴技术的发展及现状 早在2 0 世纪5 0 年代，就己出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时 的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。 随着高速切削发展的需要和功率电子器件、微电子器件和计算机技术的发 9 数控机床高速电主轴结构设计及性能分析 展，产生了全固态元件的变频器和矢量控制驱动器；加上混合陶瓷球轴承 的出现，使得在2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初出现了用于铣削、钻削、加 工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴。 国外高速电主轴技术发展较快，中等规格的加工中心的主轴转速目前 己普遍达到1 0 0 0 0 r m i n 甚至更高。1 9 7 6 年美国的v o u g h t 公司首次推出一 台超高速铣床，采用了b r y a n t 内装式电机主轴系统，最高转速达到了 2 0 0 0 0 r m i n ，功率为1 5 k w 。到9 0 年代末期，电主轴发展的水平是：转速 4 0 0 0 0r m i n ，功率4 0k w ( 即所谓的“4 0 一4 0 水平”) 。但2 0 0 1 年美国 c i n c i n n a t i 公司为宇航工业生产了s u p e r m a c h 大型高速加工中心，其电主 轴最高转速达6 0 ，0 0 0r m i n ，功率为8 0k w 。 目前世界各主要工业国家均有装备优良的专业电主轴生产厂，批量生 产一系列用于加工中心和高速数控机床的电主轴。其中最著名的生产厂家 有：瑞士的f i s c h e r 公司、i b a g 公司和s t e p - t e c 公司，德国的g m n 公司和 f a g 公司，美国的p r e c i s e 公司，意大利的g a m f i o r 公司和f o e m a t 公司， 日本的n s k 公司和k o y o 公司，以及瑞典的s k f 公司等公司。高速电主轴生 产技术的突破，大大推动了世界高速加工技术的发展与应用。 从8 0 年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现，超高速机 床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种加工中心 等。德国、美国、瑞士、英国、法国、日本也相继推出了自己的超高速机 床。其中日本工业界善于汲取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中 去，尤其在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现己跃居世界领 先地位。日本厂商现己成为世界上超高速机床的主要提供者。在我国，也 开始有厂家生产超高速机床。 中国机床工具行业近几年的快速发展，受到世界机床制造业界瞩目。 代表当今机床技术发展主流的数控机床，更是异军突起，国产数控机床在 高速、多轴、复合、精密以及自动化等方面都取得了明显的进展。尤其在 数控机床的高速化和品种发展上进步明显。在c i m t 2 0 0 3 届展会的高速加工 中心展品有3 0 多台，占参展国产加工中心总数的3 0 。在高速加工中心展 品中，宁江机床集团公司的n j 一5 h m c 4 0 卧式加工中心最高主轴转速达4 0 0 0 0 r 1 0 四川大学硕士学位论文 m i n ，快速行程达6 0 m m i n 。在高精度产品中有北京机床研究所的高速 立式加工中心，成都托普数控机床公司的p m c 6 0 0 高速立式加工中心，大连 机床集团有限公司的d h s c 5 0 0 高速卧式加工中心，沈阳机床股份有限公司 的b w 6 0 h s 1 卧式加工中心等嘲。 高速加工机床的涌现及超高速切削技术的发展，带动了相关技术及数 控功能部件的专业化生产。数控功能部件是指数控系统、主轴单元、数控 刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装 置等。它们是数控机床的核心组成部分。主机技术水平的不断提高，要求 配套的功能部件也必须迅速提高自身的水平。功能部件技术水平的高低、 性能的优劣以及整体的社会配套水平，都直接决定和影响着数控机床整机 的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。没有高质量的功能部件， 数控机床的迅速发展也将成为一句空话”1 。 国产电主轴技术水平的高低必然影响产品在主机上的应用。我国数控 机床的发展历程充分证明，数控功能部件产业发展的滞后，始终是制约我 国数控机床发展的瓶颈问题之一。功能部件跟不上，发展数控机床将成为 空话我国数控机床整体技术水平的发展和提高，最终离不开先进的功能 部件产业的支持。我们要抓住目前的黄金发展机遇，学习国外同行的先进 技术，探索国际合作途径，共同为做大做强数控功能部件产业，为国产数 控机床的发展而努力奋斗。 1 4 3 主轴单元结构形式研究的发展 从电主轴的结构形式来看，早期主轴单元的结构比较简单，主轴仅由 两套轴向预紧面对面配置的3 2 0 c 系列圆锥滚子轴承支承。圆锥滚子轴承具 有承受较大轴向和径向联合载荷的能力，径向和轴向刚度高，主轴单元具 有良好的动力学特性哪。由于这种主轴单元的速度性能受到限制，在高速场 合很少采用，其d n 值一般小于0 6 1 0 6 。 s k f 公司于1 9 5 5 年所提出的著名的主轴单元，其径向载荷靠n n 3 0 k 系 列双列圆柱滚子轴承支承，轴向载荷靠轴向预紧的2 8 4 4 系列双向推力角接 触球轴承承受和轴向定位。这种主轴单元刚性好，但由于双向推力角接触 数控机床高速电主轴结构设计及性能分析 球轴承的摩擦力矩和接触角较大，其速度性能受到了限制，d i n 值一般小于 1 0 x 1 0 6 。 为了改善主轴速度性能，上个世纪八十年代又出现了一种主轴单元： 它的工作端用三套主轴轴承代替双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴 承，d - f l 值可达到1 8 x 1 0 6 。 近年来，为适应机床提高生产效率和加工精度的需要，进一步改善主 轴单元的结构，如在传动端用双联配置的主轴轴承代替双列圆柱滚子轴承 进一步提高速度性能，工作端可以采用双联、三联甚至四联配置的主轴轴 承以适应不同的刚度性能要求，采用定位和定压预紧以及定压和定位预紧 转换，以适应主轴单元不同的速度和刚性要求，d n 值可达到2 5 x1 0 6 。 根据主电动机与主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴单元主要有两 种结构布局设计方式： ( 1 ) 主电机置于主轴前、后轴承之间。它采用两支承结构，前轴承比 后轴承尺寸大，均分别用串联安装方式，前后支承受力方式为外撑式。后 支承选用小尺寸轴承，虽然会降低速度回数值，这对主轴整体刚性影响不 大，但它改变了工作条件，对保持整个轴系的使用寿命十分有利。这种结 构的优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，输出功率大，较适合 大中型高速机床。 ( 2 ) 主电动机置于主轴后轴承之后，即主轴箱和主电机作轴向的同轴 布置，这种方式减少了电主轴前端的悬伸量，电机的散热条件较好，但整 个电主轴单元的出力较小，轴向尺寸大，常用于小型高速机床嘲。 l - 5 高速主轴动静态特性的研究现状 主轴单元的动静态特性包括主轴的变形、共振频率、临界转速和动态 响应等。其对主轴的速度和精度性能有极大的影响嘲“”，有关研究早在上 世纪2 0 年代就开始了，大致可分为三个阶段“” 上世纪6 0 年代以前，基本上采用经验类比法进行主轴结构及动力学特 性的设计。6 0 年代初，开始出现最佳支承跨距的计算，使主轴结构设计有 了很大的改进，由于计算方法和计算手段的限制，对动力学模型进行简化 四川大学硕士学位论文 后，仍只能用图解法或解析法分析，不仅方法繁琐，使用不方便，而且计 算精度低。 近2 0 年来，由干计算机和计算技术的发展，主轴单元的动力学特性研 究进入新的研究阶段。各种计算机分析方法相继问世，如古典结构分析法、 传递矩阵法、有限差分法“”、有限单元法和结构修正法等。 例如在国外，1 9 9 2 年，s p u rg 等利用结构修正法分析了切削机床的主 轴一轴承的静态和动态性能，但只是考虑轴承径向一个自由度，并且忽略 了轴向、力矩方向的自由度，更忽略了轴承刚度的非线性性“”。1 9 9 7 年， 美国普渡大学的b e r tr j o r g e n s e n 和y u n gc s h i n 推出了一个包括热变 形的轴承载荷一变形模型，并与离散的主轴动态模型结合在一起，这一模 型可以得到主轴固有频率、轴承刚度和热变形的较好的计算值“”。同年， t s u t s u m i 等人研究了滚动轴承的动态性能对主轴振动特性的影响。y h l a n d 建立了仅受球轴承几何缺陷激励的无阻尼主轴一轴承系统的线性分析模 型，该模型在中、低速有效u ”。 而国内从事这一领域研究的也很多，特别是早期对普通主轴动特性的 研究。1 9 9 2 年，江苏工学院的付华应用试验模态分析与有限元计算相结合 的方法，对传统主轴部件进行了动力特性分析，并对主轴进行了动力修改 1 9 9 4 年，大连理工大学的肖曙红用有限元结合迭代的分析方法，编制 了主轴组件静、动特性分析软件( s 从s ) 2 1 o 同年，北京工业大学的黄旭 东等采用实验方法对复杂的主轴部件进行了动态特性分析嘲。1 9 9 9 年，沈 阳工业学院的史安娜等对主轴部件建立了空间梁单元模型，并在此基础上 对其静动态特性进行了分析嘲。同年，洛阳工学院的陈全兵等在轴的有限 元法和超高速轴承的滚道控制理论的基础上，给出了超高速主轴一轴承系 统在工况下的临界转速和动态下的挠度的计算方法1 。2 0 0 0 年，北京理工 大学的刘素华利用有限元分析软件a l g o rf e a s 对电主轴的动静态特性进行 了分析o ”。2 0 0 1 年，浙江大学的蒋兴奇在考虑轴承载荷和变形的非线性特 性及摩擦热的影响的情况下。建立了主轴变形和固有频率的计算方法汹】。 同年，杨曼云等利用m s c n a s t r a n 软件对t h 6 3 5 0 卧式加工中心的主轴系统 进行了静、动态特性分析唧。武汉理工大学的杨光等利用传递矩阵法对电 数控机床高速电主轴结构设计及性能分析 主轴系统进行了动力学特性分析嘲。2 0 0 3 年，无锡机床股份有限公司的蔡 英等基于r i c c a t t i 传递矩阵法，对m k 2 1 2 0 a 型内圆磨床的高速主轴系统进 行了动力学特性分析”。 综合以上文献可以发现，其中的有限差分法只能把主轴近似成b e r n o l i 梁，有限单元法可以分析b e r n o l i 梁、t i m o s h e n k o 梁，但必须对轴承载荷 和变形关系进行线性化，同时对轴承载荷进行积分以求出广义载荷，而传 递矩阵法虽然具有程序简单、所需内存小等优点，但其在计算高阶模态时， 计算精度将急剧下降，有时甚至会导致有效数据丧失。而且，除了利用特 定的软件进行分析，较易完成外，其他的各种方法都需要进行复杂的理论 计算。总之，上述方法各有优缺点，随着设计质量要求的提高，只有更加 全面的考虑各种因素对主轴单元动力学特性的影响，尤其是过去被简化或 忽略的因素的影响，才能得到更加接近实际的分析计算结果。2 0 0 4 年，广 东工业大学的胡爱玲利用a n s y s 对高速电主轴作了动静态特性的研究，使 高速电主轴动静态特性的研究又前进了一步。 本课题采用a n s y s 有限元软件来分析高速电主轴的动、静态特性。a n s y s 软件是一个应用广泛的工程有限元分析软件，主要是利用有限元法将所探 讨的工程系统转化成一个有限元系统，该有限元系统由节点及元素所组合 而成，以取代原有的工程系统，有限元系统可以转化成一个数学模式，并 根据该数学模式得到该有限元系统的解答，且可以通过节点、元素把结果 表现出来。完整的有限元模型除了节点、元素外，还包含工程系统本身所 具有的边界条件，如约束条件、外力的负载等啪1 。这个软件比上述的a l g o r f e a s 具有更完善的前后处理功能，因此能更有效的建立好分析模型。 1 6 本章小结 本章简要介绍了超高速切削技术发展的历史背景及理论基础：介绍了高 速切削技术及其特点；介绍了高速电主轴技术的发展和现状以及高速电主 轴动静态特性的研究现状，为研究高速电主轴动静态特性提出一种有效的 分析方法。 1 4 璺型盔堂堡主兰壁垒奎 第二章高速电主轴结构设计 本课题电主轴的结构设计工作其路线大致如图2 1 所示。 图2 1 主轴单元结构设计路线图 上述研究内容相互之间交叉或并行或串行进行，通过以上一系列关键性 技术问题的解决，完成主轴单元结构设计。 对结构设计中一些关键性的技术问题详细讨论如下 2 1 高速电主轴动平衡设计 主轴单元动平衡特点：离心力和转速平方成正比，低速时测不到的残不 平衡在高速工作时变得非常明显。 主轴单元要求：g i g o 4 级，j e 京机床所精密机电公司主轴回转部件动 平衡等级达到g o 2 。 1 5 数控机床高速电主轴结构设计及性能分析 1 6 譬孽 高 茎ii 瓣 oj2 嚣薹藿 mo 二 盘叶 茎薹耄 4 盘盅 墓：薹 耄薹萋 2 箸 差嚣藿 嚣 筝 = 四川大学硕士学位论文 动平衡设计：结构设计上杜绝动不平衡因素如采用对称设计、轴上零件 采用无键( 包括螺纹) 联结设计；装配前单个零件分别动平衡；装配后整体 低速到高速逐渐动平衡( 动平衡精度g 1 g o 4 ) ；芯轴在转子热装后低速到高 速逐渐动平衡( 动平衡精度g 0 4 ) 。 2 2 高速电主轴轴上零件无键联结 2 2 1 为什么要采取无键联结 主轴单元动平衡要求高( g i g o 4 级) ，结构设计要求不采用键、螺纹等 动不平衡因素，但这带来的是大扭矩传递( 电机与转子的联结) 、轴承轴向限 位防松等结构和无键联结的矛盾。 采用过盈套联结精度高；对轴承预紧时不会引起轴承受力不均，不影响 轴承寿命；过盈套质量均匀，主轴动平衡易得到保证。 以拉美( l a m e ) 方程为基础传统的静态过盈联结计算理论没有考虑转速 的影响，不能适用于高速电主轴场合，计算证明：考虑离心力的影响时传递 所需扭矩所须的过盈量可达到静态时的1 0 倍之多。 2 2 2 轴芯与轴上零件过盈量的计算 计算原则：过盈配合应保证过盈联结的结合强度和联结件的零件强度。 结合强度是指外负荷的作用下，结合零件之间没有相对移动，能可靠地传递 给定的负荷；联结件的零件强度是指联结件在结合压力的作用下，产生的复 合应力不超过设计给定的极限值，能够安全可靠地工作。 计算方法：过盈合的计算即在保证结合强度的条件下，计算出承受外载 荷所需的最小过盈量点。和保证联结件的强度条件下所容许的最大有效过盈 量点一，并依此来选定恰当的配合。在这种情况下，应认为在所选定的过盈配 合条件下，零件不发生塑性变形，甚至在最大应力区存在一定塑性变形的条 件下，所设计的过盈配合仍能安全可靠工作。其主要计算如下m 】。 假设在静态下即当转速为0 时，过盈联结面传递扭矩为膨或当过盈联结 承受轴向力为只时，由弹性力学原理，过盈联结传递负载所需的最小有效过 1 7 数控机床高速电主轴结构设计及性能分析 皖可按下式计算： 磊= p j 譬+ 导) ( 2 2 - 1 ) 岛与 ：婴2 ：旦 ( 2 2 - 2 ) “蒯1 u 庀c l l u 式中，e 、巨过盈套材料和主轴材料弹性模量；c 口、c i 包容件( 过盈套 与被包容件( 主轴) 的直径比有关的系数。 结合加工工艺、装配要求、工作温度等因素并引入安全系数等对瓦修正， 则在静态条件求得传递力矩或者承受轴向力所须的最小过盈量皖。按下式计 算： 正。= 瓦+ 正+ 4 + 以 ( 2 2 - 3 ) 式中，正考虑表面粗糙度影响的修正量；点考虑联结件表面温度与装配 温度之差以及主轴与过盈套材料线膨胀系数之差的其修正量；瓯重复拆卸引 起过盈量的减少以 以上修正量的计算或确定可从机械设计手册中查得。 ( 2 ) 主轴高速旋转时过盈套所受离心力，该离心力可引起过盈套内孔的 扩张，导致过盈量减少。当主轴材料和过盈套材料的泊松比、弹性模量和密 度相差不大时，离心力引起过盈量减少量可由下式计算 屯= t o ， d 。p ( ，d 2 一) 半 一 ( 2 川) 式是，国为主轴的转速；p 为主轴材料和过盈套材料的密度；v 为主轴材 料和过盈套材料的泊松比；e 为主轴材料和过盈套材料的弹性模量； ( 3 ) 由以上可知，当考虑转速影响时传递力矩或者承受轴向力所须的最 小过盈量点。按下式计算 t 。= k ( 坑。+ 屯) ( 2 2 - 5 ) 式中，x 为考虑过盈套结构引起的应力集中、载荷波动和影响和可靠性、 安全性而引入的安全系数。 ( 4 ) 由第四强度理论，过盈套和轴不产生塑性变形所容许的最大结合压 力只。和主轴结合面不产生塑性变形所容许的最大结合压力只。分别为 一2 话 1 8 四川大学硕士学位论文 2 焉 晓z 们 式中，屹、吒分别为过盈套材料的屈服强度。 则在弹性范围内，过盈联结合面不发生塑性变形对所容许的最大有效过 盈量按下式求得： 点。= 锄 只。，c 一) d ( 导+ 詈) ( 2 2 8 ) i 5 a b l ( 5 ) 由以上各式，当转速为，过盈联结面传递扭矩为肘或当过盈联结 承受轴向力为e ，过盈套与轴之间过盈量瓦应满足以下要求： 乱 磊 ( 2 2 - 9 ) 2 3 高速电主轴单元结构参数静态估算 2 3 1 高速电主轴单元结构静态估算的内容与目的 高速电主轴单元结构静态估算的