（机械制造及其自动化专业论文）木工机械用高速电主轴热态特性分析及应对措施.pdf

摘要 摘要 本文分析了木工机械用电主轴的结构特点和使用要求，对木工机 械用高速电主轴的两大热源：轴承和内装电机的发热情况及电主轴传 热与散热进行了分析计算；利用有限元分析方法对木工机械电主轴进 行温度场分析，得出木工机械电主轴温度场分布图，为木工机械用电 主轴的热结构优化提供理论依据。利用分析的结果得出主要影响主轴 温升的因素及影响温度分布的规律，提出木工机械用电主轴改善热特 性的措施。经过热结构优化后的电主轴可大大提高加工精度和工作寿 命。本文的主要内容包括： 本文首先对高速电主轴的结构特点及电主轴的热源进行了分析， 并推导了基于有限元法的电主轴热载荷、热边界条件的计算方法； 其次，采用热一结构耦合方法，建立了木工机械用高速电主轴的 有限元分析模型，详细计算了有限元计算的边界条件参数和预加载荷 数据，对分析结果进行了探讨； 第三，根据木工机械用电主轴的热态性能分析结果，提出了改善 该电主轴的热特性的措施：一是加强电主轴的散热，提高电主轴的散 热效果。优化电主轴散热结构，强化内装电机冷却与电主轴的热平衡。 二是降低轴承发热采用新型的混合陶瓷球轴承，适当润滑。经过对改 进后的电主轴分析，结果表明改进措施对改善电主轴的热态特性具有 明显效果； 最后，对全文进行了工作总结和展望。 通过对木工机械用电主轴的特殊要求和热特性的分析，采用风冷 散热套进行冷却散热、采用混合式陶瓷球轴承、合理润滑等措施可以 保证电主轴的热态性能满足其使用要求。木工机械电主轴达到热平衡 后主轴温度升高较小，各部分温度分布比较均匀，主轴的热变形小。 关键词：高速电主轴；木工机械；镂铣加工；有限元分析；热特性 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h em o t o r i z e ds p i n d l es t r u c t u r ea n di t so p e r a t i n g r e q u i r e m e n t sf o rt h ew o o d w o r k i n gm a c h i n et 0 0 1 t w oh e a ts o u r c e so ft h e s p i n d l e ，b e a r i n g sa n dt h eb u i l t i nm o t o r ，h e a tt r a n s f e ra n dh e a td i s s i p a t i o n o ft h e s p i n d l ea r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d t h es p i n d l e st e m p e r a t u r e f i e l di s a n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d t h et e m p e r a t u r e d is t r i b u t i o no ft h em o t o r i z e ds p i n d l ef o rw o o d w o r k i n gm a c h i n et o o li s p r e s e n t e d ，w h i c hp r o v i d e s at h e o r e t i c a lb a s i sf o ro p t i m i z a t i o no ft h e t h e r m a ls t r u c t u r eo ft h em o t o r i z e ds p i n d l ef o rw o o d w o r k i n gm a c h i n et 0 0 1 m a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h e s p i n d l et e m p e r a t u r er i s ea n dt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e d t h em e a s u r e st o i m p r o v e t h e r m a l 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 ep r o p o s e d t h e r m a ls t r u c t u r e o p t i m i z e ds p i n d l e f o r w o o d w o r k i n gm a c h i n e t o o lc a ni m p r o v ei t s m a c h i n i n gp r e c i s i o na n dw o r k i n g l i f e m a i nc o n t e n t si nt h i s p a p e r i n c l u d e ： f i r s t l y ，t h e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fah i g h s p e e dm o t o r i z e d s p i n d l ea n dt h eh e a ts o u r c e sa r ea n a l y z e d t h es p i n d l e st h e r m a ll o a d ，t h e t h e r m a lb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ed e d u c e db a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d s e c o n d l y ，t h e f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s m o d e lo ft h e h i g h s p e e d m o t o r i z e d s p i n d l e f o r w o o d w o r k i n gm a c h i n e t o o li se s t a b l i s h e d b y t h e r m a l s t r u c t u r a l c o u p l i n gm e t h o d t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s a n d p r e - l o a dp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e d t h er e s u l to ff e ao ft h es p i n d l ei s d i s c u s s e d t h i r d l y ，b a s e d o nt h et h e r m a l a n a l y s i s r e s u l t so ft h e s p i n d l e ， p r o p o s a l st oi m p r o v e t h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s p i n d l ea r e p r e s e n t e d s t r e n g t h e n i n gt oc o o lt h es p i n d l ec a ni m p r o v ee f f e c t i v e n e s so f h e a t d i s s i p a t i o n o p t i m i z i n g t h e s p i n d l e t h e r m a l s t r u c t u r ea n d s t r e n g t h e n i n gt oc o o lt h eb u i l t i nm o t o rc a ni m p r o v et h eh e a tb a l a n c eo f t h es p i n d l e r e d u c i n gt h eh e a to fb e a r i n g sa n du s i n gn e wh y b r i dc e r a m i c b a l lb e a r i n g s ，p r o p e r l yl u b r i c a t i n ga r ea l s o p r e s e n t e dt oi m p r o v et h e i i t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es p i n d l e a f t e ra n a l y z i n gt h ei m p r o v e d s p i n d l eb yf e m ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e s e n t e dm e a s u r e st oi m p r o v e t h et h e r m a lc 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 ee f f e c t i v e f i n a l l y ，s u m m a r yo ft h ep a p e ra n dp r o s p e c t sa r ec a r r i e do u t u s i n gh e a td i s s i p a t i o nja c k e tt o c o o lt h es p i n d l e ，u s i n gn e wh y b r i d c e r a m i cb a l lb e a r i n g sa n dp r o p e r l yl u b r i c a t i n ge n s u r et h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h em o t o r i z e ds p i n d l ef o rw o o d w o r k i n gm a c h i n e t o o lt om e e ti t s o p e r a t i n gr e q u i r e m e n t s w h e nt h ew o o d w o r k i n gm a c h i n et o o l s p i n d l e s t h e r m a le q u i l i b r i u mi sr e a c h ，t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ei nt h es p i n d l ei s l o w t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni se v e ni nv a r i o u sp a r t so ft h es p i n d l ea n d t h et h e r m a ld e f o r m a t i o ni ss m a l l k e y w o r d s ：h i g h s p e e d m o t o r i z e d s p i n d l e ；w o o d w o r k i n g m a c h i n e t o o l ； h i g h s p e e dm a c h i n i n g ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；t h e r m a lp r o p e r t i e s i i i c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t a c t ( i ne n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( i nc h i n e s e ) i v c o n t e n t s ( i ne n g l i s h ) v i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1a no v e r v i e wo fh i g h s p e e dm a c h i n i n g 1 1 2h i g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 2 1 2 1c u r r e n tsi t u a t i o no ft h er e s e a r c ha th o m ea n da b r o a do n t h em o t o r i z e ds p i n d l e 2 1 2 2t r e n d so ft h es p i n d l et e c h n o l o g y 3 1 2 3h i g h - s p e e ds p i n d l et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s 4 1 3c u r r e n ts i t u a t i o no ft h er e s e a r c ha th o m ea n da b r o a do nt h e w o o d w o r k i n gm a c h i n et o o li n d u s t r ya n d i t st r e n d s 5 1 3 1o v e r v i e wo fw o o d w o r k i n gm a c h i n et o o li n d u s t r yi nc h i n a 5 1 3 2r e s e a r c hs t a t u so fc h i n a sw o o d w o r k i n gm a c h i n et o o l i n d u s t r y 5 1 3 3d e v e l o p m e n to ft r e n dw o o d w o r k i n gm a c h i n et o o li nc h i n a 5 1 4c u r r e n ts t a t u so fr e s e a r c hi nh i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ef o r w o o d w o r k i n gm a c h i n et o o l j 6 1 5m a i nc o n t e n t si nt h i sp a p e r 7 c h a p t e ri is t r u c t u r a la n a l y s i so ft h em o t o r i z e ds p i n d l ef o r w o o d w o r k i n gm a c h i n et o o l 9 2 1t h es t r u c t u r eo ft h em o t o r i z e ds p i n d l ef o rw o o d w o r k i n g m a c h i n et o o l 9 2 2t h ec o o l i n gs y s t e mo ft h eh i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 10 2 2 1t h es i g n i f i c a n c eo fc o o l i n gh i g h - s p e e ds p i n d l e 10 2 2 2t h ec o o l i n gm e t h o d so fh i g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 11 v i i 广东工业大学硕士学位论文 2 3t h ed e s i g no ft h eh i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 11 2 3 1s e l e c t i o no ft h es p i n d l em a t e r i a l 11 ：! 3 2s e l e c t i o no ft h eb e a r i n g s 1 2 2 3 3d e t e r m i n a t i o no fl u b r i c a t i o n 1 2 2 3 4c o o l i n gs y s t e m 13 c h a p t e r i i it h eh e a ts o u r c ea n a l y s i so ft h eh i g h s p e e dm o t o r i z e d s p i n d l e 1 4 3 1t h eh e a ts o u r c ea n a l y s i so ft h es p i n d l e 1 4 3 2t h el o s so ft h em o t o r 1 4 3 2 1m e c h a n i c a ll o s s 1 4 3 2 2e l e c t r i c a l1 0 s s 1 5 3 ：! 3m a g n e t i cl o s s 1 5 3 2 4c a l c u l a t i o no ft h em o t o r sh e a tg e n e r a t i o nr a t e 1 6 3 3f r i c t i o nh e a to fb e a r i n g s 16 3 3 1 g e n e r a t i n gm e c h a n i s mo ft h er o l l i n gf r i c t i o nt o r q u e 1 6 3 3 2c a l c u l a t i o no ff r i c t i o nt o r q u e 17 3 3 3h e a tc a l c u l a t i o no ft h eb e a r i n g s 18 c h a p t e ri vt h ec a l c u l a t i o no fc o e f f i c i e n t so fh e a tt r a n s f e ro ft h e s p i n d l e 19 4 1h e a tt r a n s f e ri nb e a r i n g s 19 4 2c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ro ft h es t a t o rw i t ha i rc o o l i n g j a c k e t 2 3 4 3h e a tt r a n s f e ro fe n d so ft h er o t o rw i t hs u r r o u n d i n ga i r 2 4 4 4h e a tt r a n s f e ro fs t a t i o n a r ys u r f a c eo ft h es p i n d l ew i t h s u r r o u n d i n ga i r 2 4 4 5h e a tt r a n s f e ro ft h es p i n d l er o t a t i n gs u r f a c ew i t ht h e s u r r o u n d i n ga i r 2 4 c h a p t e rvf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nt h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s o ft h em o t o r i z e ds p i n d l e 2 6 c o n t e n t s 5 1i n t r o d u c t i o no ft h ef e mi nt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so f m o t o r i z e ds p i n d l e 2 6 5 1 1a p p l i c a t i o no fa n s y si nh e a tt r a n s f e rt h e o r y 2 6 5 1 2t h eb a s i cs t e p so fa n s y so nt h e r m a la n a l y s i s 2 7 5 2f e mo na n a l y s i so ft h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew o o d w o r k i n g m a c h i n et o o ls p i n d l e 2 7 5 2 1f e mm o d e lo fw o o d w o r k i n gm a c h i n et o o ls p i n d l e 2 7 5 2 2s t e a d y s t a t et h e r m a la n a l y s i sc o n d i t i o n so ft h e w o o d w o r k i n gm a c h i n et o o ls p i n d l e 2 9 5 2 3s t e a d y s t a t et h e r m a la n a l y s i sr e s u l t sa n dd i s c u s s e so ft h e w o o d w o r k i n gm a c h i n et o o ls p i n d l e 3 0 c h a p t e rv it oi m p r o v et h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so fs p i n d l e p r i m a r ym e a s u r e s 3 3 6 1t h es t r u c t u r eo fh i g h s p e e ds p i n d l e 3 3 6 2m e a s u r e st or e d u c et h eh e a tp r o d u c t i v i t yo ft h es p i n d l e 3 4 6 2 1m e a s u r e st or e d u c et h eh e a tp r o d u c t i v i t yo ft h eb e a r i n g s 3 4 6 2 2m e a s u r e st or e d u c et h eh e a tp r o d u c t i v i t yo ft h em o t o r 3 5 6 3c o m p a r a t i v ea n a l y s i s 3 8 c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 4 0 r e f e r e n c e s 4 2 p u b l i c a t i o ni nm yg r a d u a t ey e a r s 4 4 p r o m e t h e a ns t a t e m e n t 4 5 a c k n o w l e d g e m e n t s 4 6 广东工业大学硕士学位论丈 第一幸绪论 第一章绪论 1 1 高速加工概述 高速加工技术( h s c ) 能使我们以尽量短的时间加工出质量合格的 零件，提高一个企业的市场反应能力。下面几个行业极大推动了高速 加工技术的发展。首先是电子行业，例如计算机、移动通讯、c d 播放 机、随身听等，这些大批量产品在市场上竞争激烈，生产商必须不断 推出新产品，而且所要求的更新换代时间也越来越短。因此快速模具 制造就变得载来越重要，模具制造商就用h s c 技术来更快地加工紫铜 或石墨电极，大大提高了交货的周期。同时高速切削在另两个领域也 得到了广泛的应用，那就是航空与高速机车行业。 以高速度、高精度、大进给为主要特征的高速加工是当代先进制 造技术之一，是继数控技术之后使制造技术产生第二次革命性飞跃的 一项高新技术。在金属切削加工领域，高速切削加工的优点早己受到 广泛的关注，具有高速加工能力的机床已成为市场新宠。 高速加工的几个优势： 1 ) 加工时间大幅度缩短，只有原来的约1 4 ，这意味着一台h s c 高速机床可以代替4 台普通c n c 机床； 2 ) 加工表面质量很高，不用再进行比如打磨等表面处理工序； 3 ) 零件变形小，基本不产生热量，可以加工很薄的零件； 4 ) 高速加工采用小直径刀具、小切深、小切宽、快速多次走刀来 提高效率，而传统的加工一般采用大直径刀具、大切深、大切 宽；高速加工的切削力大幅度减小，需要的主轴扭矩相应减小。 高速主轴单元是实现高速切削的关键部件。对于转速在10 0 0 0 r i l l in 以上的主轴单元，通过皮带或者联轴器来驱动已不再合适，较合 理的方式是采用内装电机直接驱动，即将电机的转子直接安装在主轴 上，定子安装在主轴套筒里，做成所谓电主轴的形式心5 1 。与机床高速 进给系统、高速刀具系统一起组成高速切削所需要的必备条件。电主 轴技术与电机变频、闭环矢量控制、交流伺服控制等技术相结合，可 以满足车削、铣削、镗削、钻削、磨削等金属切削加工的需要。目前 国内外电主轴技术的发展十分迅速，各生产厂商都在高可靠性、节能 广东工业大学硕士学位论文 性、高精度、高加工效率、环保性、智能化等方面进行持续的科技攻 关，以期形成自身的特色，占领电主轴技术发展的制高点。 1 2 高速电主轴 1 2 1 我国电主轴技术的现状及与国外的差距 国内从事电主轴研究与生产的企业总体上来说与国外公司相比在 产品研发以及技术的创新能力上不具有优势，但是具有相对的成本优 势。 国外数控机床主轴公司往往只负责主轴的总体设计、技术研发以 及零部件装配和测试工作，其余的关键零部件例如：主轴轴承、内装 电机、主轴松拉刀机构、动力油缸或气缸、主轴轴承润滑油品等全部 实行采购，在产业的分工与合作上具有很强的组织性和互补性，同时 由于分工的细致，机床主轴生产商与各附件生产商之间形成了良性的 循环，各自针对本专业的关键技术投入人力物力进行科技攻关，由此 带动了国外电主轴行业的整体技术进步。反观国内厂商，各自为战， 技术资源分散，除洛阳轴研科技作为原来国家轴承行业的技术归口所 拥有一定的综合研发实力外，其他的企业基本上是在模仿国内外同行 的产品进行生产，技术实力较弱，创新能力严重不足。在涉及电主轴 轴承润滑、零部件材料选取以及加工工艺、内装式主轴电机、松拉刀 接口、主轴轴承润滑油品等方面没有自己独立的知识产权和核心技术， 尤其是在电主轴的附件领域如伺服驱动控制器、编码器、动力油缸或 气缸、智能传感器等方面表现的更为突出，基本上是国外产品包打天 下。这也是直到目前为止制约国产高档数控机床发展的关键原因所在。 国产电主轴和国外产品相比较，无论是性能、品种和质量都有较 大差距，国产电主轴产品和国外的相比较，主要存在以下差距：国外 电主轴低速段的输出扭矩最大可达 10 0 0 n i n ，而我国目前仅在 3 0 0 n m 以内。在高转速方面，国外用于加工中心的电主轴转速已达 75 0 0 0 r m in ，我国则多在3 0 0 0 0 r m i1 1 以内。电主轴的轴承润滑，国 外普遍采用油气润滑，而我国仍用油脂润滑。其他配套技术也有较 大差距，如主轴电机矢量控制、交流伺服控制技术、精确定向技术、 快速启动、停止等。在产品的品种、规格、数量和制造规模等方面， 国产电主轴仍然处于小量研发试制阶段，没有形成系列化、专业化， 第一章绪论 远不能满足国内数控机床和加工中心发展的需求。 1 2 2 电主轴技术的发展趋势 随着机床技术、数控技术、高速切削技术的发展和实际应用的需 要以及制约电主轴发展的关键技术的解决，机床电主轴的性能也提出 了越来越高的要求，电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面： 1 向高速度、高刚度方向发展 随着主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、 高速刀具及其接口技术等相关技术的发展，数控机床用电主轴高速化 已成为目前发展的普遍趋势。世界各国研究的电主轴在转速上取得了 很大的成功，如意大利c a m f i o r 达到了75 0 0 0 r m in 。电主轴的功率和 转速是受电主轴体积及轴承限制的，d m n 值是反映电主轴刚度和转速的 一个重要的综合特征参数。因此，在保证电主轴高转速的前提下，加大 主轴直径，提高其刚性，是电主轴技术发展的方向之一。 2 向高速大功率、低速大转矩方向发展 根据实际使用的需要，多数数控机床需要同时能够满足低速粗加 工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此，机床电主轴应该具 备低速大转矩、高速大功率的性能。高速电主轴的大功率化已是国际 机床产业发展的下一个方向，如德国g m n 公司的电主轴低速粗加工时 的重切削力可达125 0 n m ，高速切削时精加工最大输出功率可到15 0 k w ； 3 向轴内装电机性畿和形式多样化方向发展 目前国内外主轴电机常见的是感应电动机，但由于其结构和特性 的限制，在位置和速度要求非常高的高精度高速电主轴系统中应用有 时很难满足系统要求，因此选用转动惯量小，转矩密度高，精度高的 永磁电机代替感应电动机，也将是电主轴发展的一个重要方向。 4 向轴承支承、润滑方式多样化方向发展 柔性主轴及其轴承弹性支承技术的研究也进一步深化，国内市场 的轴承多以用高速角接触球轴承支承，除了常规的钢制滚动轴承外， 近年来陶瓷球混合轴承越来越得到广泛的应用，气静压方式将逐渐取 代角接触球轴承成为主流方式，另外磁悬浮技术也不断进步和成熟。 润滑方式有油脂、油雾、油气等，尤其是油气润滑方法( 又称0 i 卜a ir ) ， 由于具有适应高速、环保节能的特点，得到越来越广泛的推广和应用； 在非接触形式轴承支承的电主轴方面，如磁浮轴承、气浮轴承电主轴 广东工业大学硕士学位论文 ( 瑞士ib a g 等) 、液浮轴承电主轴( 美国i n g e r s o l1 等) 等已经有系列商 品供应市场。 1 2 3 高速电主轴的热态特性的研究现状 国外电主轴最早用于内圆磨床，上世纪8 0 年代，随着数控机床和 高速切削技术的发展和需要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数 控铣床等高档数控机床，成为近年来机床技术所取得的重大成就之 一。目前，采用电主轴技术的数控机床越来越多。电主轴已经成为现 代数控机床最热门的主要功能部件之一，世界上形成许多著名的机床 电主轴功能部件专业制造商，它们生产的电主轴功能部件已经系列化， 如瑞士的f is c h e r ，s tep - t e c 和i b a g ，德国的g m n 和c y t e c ，意大利 的c a m fi o r 和o m l a t ，等等阳 。 国内从事这一领域研究的主要有广东工业大学、洛阳轴承研究所 和浙江大学等单位。洛阳轴承研究所的杨启威用热流网络法分析轴承 系统温度场，并开发了名为s y b t e m 的计算程序n 引。2 0 0 3 年台湾学者 j e n q s h y o n gc h e n g 提出了电主轴的基于热误差的热变形数学模型，并 且进行了实验验证说明该模型具有较高的精度和鲁棒性引。浙江大学 的蒋兴奇教授分析了高速精密角接触球轴承的发热特性和热传递特 性，并对电主轴的发热与传递特性进行了计算n 引。广东工业大学高速 加工研究室9 0 年代以来一直从事高速加工的研究，在国家自然科学基 金、国家科技部“十五 重点攻关项目、国家教育部、广东省自然科 学基金以及广东和江苏省有关企业的资助下，对高速加工引起的机床 变革、高速电主轴设计制造中存在的问题以及高速电主轴的热态特性 ( 温度场) 与动态特性进行了深入的研究n 6 1 引。但总的说来，国内在 高速电主轴热态特性方面的研究深度与工业发达国家相比有一定的差 距，仍有很长的路要走。 广东工业大学硕士学位论文 1 3 我国木工机械行业现状及其发展趋势 1 3 1 我国木工机械行业概述 近2 0 年来，我国木工机械飞速发展，已由进口依赖型转向自主生 产型，无论是产量还是产品的技术水平都接近世界先进水平，为世界 各国所关注。2 0 0 6 年，我国木工机械总产值达l8 0 亿元，木工机械出 口总额为11 8 亿美元，与2 0 0 5 年相比增长l5 9 ；木工机械总产值 与出口总额均居世界第三位，仅次于德国和意大利。目前，我国已有 木工机械生产企业l0 0 0 余家，年产值达2 0 0 亿人民币。由于我国的木 工机械产品在产量或价格上的优势，我国现己成为木工机械的生产大 国。但是，随着经济全球化的日益深入，国外先进木工机械大量涌入 我国，木工机械行业的竞争变得越来越激烈。 1 3 2 我国木工机械行业现状 到2 0 0 8 年，我国己进入“十一五”计划发展的中期阶段，我国的 木工机械如同其它经济支柱产业一样，发展十分迅速，成果显著。 近几年，我国社会主义市场经济的迅速发展和人民生活水平的不断 提高，推进了房地产建设、建筑装修、家具制造的迅速发展，从而也 推进了木工机械的快速发展。我国木工机械除满足国内市场的需求外， 每年还有部分产品向国外出口。由于我国木工机械性能与技术水平接 近国外先进设备，而且价格比国际同类产品要便宜很多，因此，我国 木工机械设备深受俄罗斯、非洲、东南亚以及欧美一些国家和地区消 费市场的青睐。尽管如此，我国木工机械的总体技术水平与世界先进 国家相比还存在相当的差距，可以说虽大而不强，由生产大国变成世 界木工机械生产强国才是中国木工机械发展的必由之路。 1 3 3 我国木工机械行业发展趋势 经过半个世纪的努力，中国木工机械产品总体技术水平已经有了 大幅度的提高。通过技术引进和消化吸收，中国已经能提供年产5 万 m 3 以上的胶合板生产线成套技术设备，其技术水平已接近或达到工业 发达国家2 0 世纪9 0 年代产品的水平；中国自行研制开发了新一代刨 花板生产线成套设备，年产8 万立方米多层或年产6 万立方米单层平 压刨花板生产线技术设备，可生产普通刨花板、定向刨花板、水泥刨 花板、石膏刨花板和刨花板模压制品等；苏福马股份有限公司生产的 5 广东工业大学硕士学位论文 各种型式削片设备、砂光设备，信阳木工机械股份有限公司生产的气 流或机械铺装机等，已达到工业发达国家2 0 世纪9 0 年代技术水平； 由上海人造板机器厂有限公司生产的i d d f 生产线的整机性能已接近或 达到工业发达国家同类产品的先进水平。由于新技术的不断出现和应 用，木工机械行业的水平正以迅猛的势头向前发展。传统技术产品的 市场份额正在逐渐减少，取而代之的是优质高效的自动和半自动机床。 高精、高效是今后产品发展趋势。 1 4 木工机械高速电主轴的研究成果和现状 电主轴技术含量高，制造难度大，不是一般企业都能生产，世界 上也只有比较少的企业能提供优秀的电主轴产品，而能提供优秀的木 工机械用高速电主轴的企业就更少了。国外较早开展对于木工用高速 电主轴的研究，如德国、意大利的公司，他们生产的高速电主轴现在 已经完成了系列化和专业化的进程。意大利h s d 公司是全球规模最大 的轻型电主轴制造商，其生产的电主轴主要用于木工加工中心，木工 雕刻机。意大利g i b e n 公司生产的镂铣机的主轴转速高达l8 ，0 0 0 2 0 ，0 0 0 r p m ，加工精度达0 0 5 m m 。日本庄田株式会社生产的数控镂机， 其固定横梁上装有至少四个镂铣主轴，镂铣的高速电主轴最高转速达 l8 0 0 0 r p m 2 1 。 我国也有一些机床厂家和科研单位在研制电主轴。但针对木工机 械专用的电主轴研究很少有单位触及。但部分从事木材加工、生产和 研究的企事业单位在上个世纪末开始将国外的高速电主轴产品应用到 国产木工机械中。如19 9 9 年北京林机所与苏州林机厂合作，成功地开 发了四轴数控镂铣机，机床配置的四个镂铣高速电主轴，采用变频调 速，最高转速达18 0 0 0 r p m 。北京林机所2 0 0 0 年成功地开发出经济型 数控镂铣机，主轴最高转速可达2 4 0 0 0 r p m 。由于木工机械电主轴应用 前景广阔，林业机械行业近年纷纷关注木工机械电主轴的开发，国内 个别企业和研究院所己展开相关的研究工作。 高速电主轴作为木工用数控镂铣机的关键部件，有许多特殊的要 求。木工切削机床与普通的金属切削机床的工作条件不一样，加工的 材料是木材或者木质复合材料，加工环境粉尘比较多，木材加工不允 许液体润滑与冷却以防止污染成品，因此木工机械电主轴要经过特殊 设计。我校近年来与某企业联合开发具有自动换刀功能的木工机械电 广东工业大学硕士学位论文 主轴，针对木工切削的特殊要求，采用不同的主轴散热方法对电动机 的定子进行强行冷却；采用新型的混合陶瓷球轴承降低轴承发热。以 下图1 1 为该企业开发的部分样品。 ( a ) ( b ) 图卜l木工机械用高速电主轴 f i g u r e1 - 1h i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ef o rw o o d w o r k i n gm a c h i n et o o l 1 5 课题主要研究内容 在金属切削加工领域，高速切削加工的优点早己受到广泛的关注， 具有高速加工能力的机床已成为市场新宠。电主轴替代传统的主传动 系统成为高速机床的主要特征。可是这些研究主要针对金属切削加工 领域，针对木工机械专用的电主轴研究很少有单位触及。研发木工用 高速电主轴，是实现木材行业高速加工有效手段，是提高生产效率和 加工质量的最有效办法。 本课题主要针对木工用高速电主轴的应用特点开展研究。通过分 析木工机械电主轴的结构特点，对木工机械高速电主轴的两大热源： 轴承和内装电机的发热情况及电主轴传热与散热进行了分析计算；利 用有限元分析方法对木工机械电主轴进行温度场分析，得出木工机械 广东工业大学硕士学住论文 电主轴温度场分布图，为木工机械用电主轴的热结构优化提供理论依 据。分析的结果得出主要影响主轴温升的因素及影响温度分布的规律， 提出木工机械用电主轴改善热特性的措施：一是加强电主轴的散热，提 高电主轴的散热效果。优化电主轴散热结构，强化内装电机进行强行 冷却与电主轴的热平衡。二是降低轴承发热采用新型的混合陶瓷球轴 承，根据木工机械加工的特殊性选用适当的润滑方式，最后对改进后 的