（机械制造及其自动化专业论文）电主轴单元结构及静动态性能的研究.pdf

硕士学位论文 皇皇皇一一一i i 一一 ； 一h i i ii i i ；i 一一一i 皇皇葛曼皇量曼写蔓寰曼曼曼皇曼舅皇 摘要 高速加工技术给机械制造业带来了一场影响深远的技术革命，在实际生产中 取得了显著的经济效益。高速加工技术的发展与应用，必须有性能优良的高速加 工机床，作为其关键功能部件的高速电主轴单元，在很大程度上决定了高速加工 机床的工作性能，因而对电主轴单元的结构及直接影响加工精度和加工质量的电 主轴单元的静动态性能进行研究具有十分重要的价值与意义。 本文结合车削用电主轴的结构对电主轴单元中关键技术( 轴承、润滑、动平 衡、过盈联结) 进行理论分析与计算，研究电主轴单元结构设计的合理性；从主 轴、轴承及装配工艺等方面分析对电主轴单元旋转精度的影响，并研究定向装配 工艺对旋转精度的影响，提出获得较高旋转精度的方法；对电主轴单元的刚度进 行理论计算和有限元分析，验证所建立的电主轴单元三维有限元模型的合理性， 分析提高主轴单元刚度值的具体措施；通过对常用传递矩阵法和有限元法的比较， 确定采用有限元软件a n s y s 分析电主轴单元的动态特性，计算电主轴单元的低阶 固有频率及对应振型并进行谐响应分析，对电主轴单元关键部位( 主轴端点、转 子中点) 的响应位移进行分析，确定结构具有良好的动态性能，验证其设计的合 理性。 本文以车削用电主轴为例对其结构及静动态性能进行了研究，分析方法具有 一定的实用性和借鉴意义，对电主轴单元结构设计及性能分析提供了一些有价值 的参考。 关键词：电主轴；旋转精度；刚度；动态特性 电主轴单元结构及静动态性能 a b s t r a c t h i g hs p e e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g yb r o u g h taf a r - r e a c h i n gt e c h n o l o g i c a lr e v o l u t i o n t ot h em a c h i n e r ym a n u f a c t u f i n g ，a c h i e v e ds i g n i f i c a n te c o n o m i cb e n e f i t si na c t u a l p r o d u c t i o n t h ed e v e l o p i n ga n da p p l i c a t i o no fh i g h s p e e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g ym u s t h a v ee x c e l l e n th i g h - s p e e dc n cm a c h i n et o o l s ，a n dh i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l eu n i t t oal a r g ee x t e n td e t e r m i n e st h eh i g h - s p e e dm a c h i n et o o lp e r f o r m a n c e ，t h u st h e r ea r e g r e a tv a l u ea n ds i g n i f i c a n c et os t u d yt h es t r u c t u r eo 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 u n i t ，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 sw h i c hd i r e c t e f f e c t so nt h em a c h i n i n g a c c u r a c ya n dm a c h i n i n gq u a l i t y 。尊m ” i nt h i sp a p e r ，t h ek e yt e c h n o l o g y ( b e a r i n g s ，l u b r i c a t i o n ，d y n a m i cb a l a n c i n g ， i n t e r f e r e n c ef i t ) o ft h eh i g l l s p e e ds p i n d l eu n i ts t r u c t u r ea r es t u d i e dw i t ht h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nc o m b i n ew i mt h ee l e c t r i cs p i n d l ef o rt u r n i n g 。t e s t i n ga n d v e r i f i i n gt h es p i n d l eu n i ts t r u c t u r ed e s i g ni sr e a s o n a b l e ；a n a l y s i n gt h er o t a t i o n a c c u r a c yo fs p i n d l eu n i tf r o mt h es p i n d l e ，b e a r i n g s ，a s s e m b l yp r o c e s sa n ds oo n t h e d i r e c t e da s s e m b l yp r o c e s si ss t u d y e da n dt h em e t h o dt og e th i g h e rr o t a t i o na c c u r a c yi s p r o p o s e d ；t h er i g i d i t yo ft h es p i n d l eu n i ti sa n a l y s e dw i t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，v e r i f i n gt h ee s t a b l i s h e dt h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l o ft h es p i n d l eu n i ti sr a t i o n a l i t y ，a n a l y s i n gt h es p e c i f i cm e a s u r e st oi m p r o v et h e s t i f f n e s so ft h es p i n d l eu n i t ；t h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o da n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h ef i n i t ed e m e n ts o f t w a r ea n s y si sr e g a r d e da st h e c o r em e t h o dt oa n a l y s i st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs p i n d l eu n i tb yc o m p a r i n gt w o m e t h o d s t h el o wn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dc o r r e s p o n d i n gm o d es h a p eo ft h em o t o r i z e d s p i n d l eu n i ta r ec a l c u l a t e d ，a n a l y s i n gt h eh a r m o n i cr e s p o n s eo ft h es p i n d l eu n i t t h e d i s p l a c e m e n tr e s p o n s eo fs p i n d l ek e yp a r t s ( t h ef r o n ts u r f a c eo fs p i n d l e ，t h em i d p o i n t o ft h er o t o r ) a r es t u d i e d ，d e t e r m i n i n gt h es t r u c t u r eo fs p i n d l eu n i th a sag o o dd y n a m i c p e r f o r m a n c e ，t h er a t i o n a l i t yo ft h es p i n d l eu n i td e s i g ni sv a l i d a t e d i nt h i sp a p e r ，t h es t r u c t u r ea n ds t a t i c & d y n a m i cp e r f o r m a n c e sa r es t u d i e df o rt h e e x a m p l eo ft h ee l e c t r i cs p i n d l ef o rt u r n i n g t h em e t h o dh a sc e r t a i np r a c t i c a la n d r e f e r e n c ef o ru s e ，a n dp r o v i d eav a l u a b l er e f e r e n c e st ot h ee l e c t r i cs p i n d l eu n i to nt h e s t r u c t u r ed e s i g na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s k e yw o r d ：m o t o r i z e ds p i n d l e ：r o t a t i o na c c u r a c y ；r i g i d i t y ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 办肜 日期：撕 7 , e j ( i e l f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日 日 尹 月月 多缉许纱婀 ： 它 期期 硕士学位论文 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 制造业是将制造资源通过制造过程转化为可供人们使用与利用的工业品与消 费品的行业，它创造的财富占人类社会财富的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，是一个国家科学水平和综合国力的重要标 志【i 】。近几十年来，随着科学技术的发展及其在制造技术中的应用，出现了高速和 超高速加工、精密和超精密加工、高能束加工以及虚拟制造等一系列的先进制造 技术。其中，高速加工技术以其具有极高的生产效率、显著提高零件的加工精度 和表面质量等优点，自上世别l 十年代开始，在美国、日本、德国、瑞士等工业 发达国家迅速崛起，并进入工业应用阶段，取得了重大的经济和社会效益。 高速加工的概念源于德国的萨洛蒙( c a r ls a l o m o n ) 博士，他根据一些试验曲 线，即人们常提及的著名的“萨洛蒙曲线”( 图1 1 ) ，于1 9 3 1 年4 月提出了高速 切削假设，即在高速区，当切削速度超过切削温度最高的“死谷区域( 图中区 域b ) ，继续提高切削速度将会使切削温度明显下降。同时，切削力也会大幅度的 下降。按照他的假设，在超过一定速度的高速区( 图中区域c ) 进行超高速切削， 将会有比较低的切削温度和较小的切削力，这样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 1 萨洛蒙曲线 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， 进行了一系列的高速加工试验来研究和论证生产条件下进行高速加工的可能性。 研究指出：高速加工可以大大缩短工件的加工过程，大幅度提高生产效率，由于 切削力的减小，可以实现薄壁件的加工。在德国，以d a r m s t a d t 工业大学的生产工 程与机床研究所为首的4 0 家公司参加的两项联合研究计划，全面系统地研究高速 切削机床、刀具、控制系统等相关工艺技术，分别对各种工件材料的高速切削性 能进行了大量试验，取得了国际公认的高水平研究成果。日本约在2 0 世纪6 0 年 电主轴单元结构及静动态性能 代开始了对高速切削机制的研究，目前在超高速机床的研究和开发领域已经跃居 世界领先地位。法国、瑞士、英国和意大利等国在高速切削方面也做出了许多卓 有成效的研究工作。 高速切削加工技术与常规切削加工相比，在下列方面具有明显优势【啦】：( 1 ) 加工效率高，高速切削加工比常规切削加工的切削速度高5 1 0 倍，进给速度随 切削速度的提高也可相应提高5 1 0 倍，因而零件加工时间缩减，从而提高了加 工效率和设备利用率，缩短生产周期。( 2 ) 切削力小，和常规切削加工相比，高 速切削加工切削力至少可降低3 0 ，这对于加工刚性较差的零件来说，可减少加 工变形，提高零件加工精度，同时，单位功率材料切除率可以提高4 0 ，有利于 延长刀具的使用寿命。( 3 ) 热变形小，高速切削加工过程极为迅速，9 5 以上的切 削热来不及传给工件，而被切屑迅速带走，零件不会由于温升导致变形。因而， 高速切削特别适合于加工容易发生热变形的零件。( 4 ) 加工精度高、加工质量好， 由于高速切削加工的切削力和切削热影响小，使刀具和工件的变形小，工件表面 的残余应力小，保持了尺寸的精确性，达到较好的表面质量。( 5 ) 加工过程稳定， 高速旋转刀具切削加工时的激振频率高，远远超出“机床一工件一刀具 系统的固 有频率范围，不会造成工艺系统振动，使加工过程平稳。 高速切削是一种综合性的高新技术，其推广应用是多项相关技术发展产生的 综合效应。高速切削的相关技术可用图1 2 表示【3 】。在实现高速加工的各个核心关 键技术中，高速机床是提供高速加工技术的主体。高速加工的水平很大程度上反 应在高速机床的设计制造技术上。 高 速 切 削 技 术 刀吴拣将 机床 切削过程 工件 工件特性 图1 2 高速切削的相关技术 高速加工的诸多优点以及产生的巨大经济效益，使这一先进加工技术引起了 世界各国工业界和学术界的高度重视，一批又一批高速数控机床投放国际市场。 研究和开发性能优良的超高速机床，是实现超高速加工的前提条件和关键因素， 一一一一一一一一 鲨等 硕士学位论文 蔓i, ii_ _ - - - - ： _ _ - - - 曼宣 机床的高速化已经成为当今机械制造业不可阻挡的发展趋势。目前的高速机床成 为机床突破性的重大变革，其关键技术与相关技术的研究，已成为国内外重要的 研究领域之一。高速机床一般都是数控机床和精密机床，它与普通数控机床的最 大区别是要求机床能够提供很高的切削速度和满足高速加工的一系列功能，即要 求机床主轴转速高、功率大；进给量和快速行程速度高；主轴和工作台运动都要 有极高的加速度；机床要具有优良的静、动态特性和热态特性等等。开发性能优 良的高速切削机床，涉及到高速单元技术( 或称功能部件) 和机床整机技术。高 速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、高速刀具与机床 的接口等技术；机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全措施、加工环境等。 在其诸多相关技术中，关键技术就是机床中高速主轴单元的设计。 高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架4 个主要部分，是高速加工机 床的核心部件，在很大程度上决定了高速机床所能达到的切削速度、加工精度和 应用范围。传统的机床，无论是普通机床还是数控机床，从动力源( 电动机) 到 执行部件( 主轴、工作台) ，往往要经过一系列的带、齿轮、离合器、联轴器、丝 杠、螺母等中间机械传动环节，造成很大的转动惯量，使工作部件的运动无法达 到高速加工所要求的速度和加速度。为了满足高速加工的要求，应尽量缩短机床 传动链的长度。最根本的做法是取消电动机到工作部件之间的一切中间传动环节， 使电动机和机床的工作部件合二为一，从而使传动链的长度等于零，实现机床的 “零传动”。“零传动 是实现现代高速机床的基本特征，这种传动结构形式使主 轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，称为“主轴单元 。 高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴。其中，高速电主 轴最为常见，高速电主轴单元是高速加工机床中最为关键的部件之一。高速电主 轴主要有带冷却系统的壳体、定子、转子、轴承等部分组成，电主轴是一种智能 型功能部件，采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装配在主轴单元的 壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，工作时通过改变电流的频率来实 现增减速度。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩 短为零，实现了机床的“零传动 。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一一的传 动结构形式，使主轴部件从机床的主传动系统和整体结构中相对独立出来，因此 可做成主轴单元，俗称电主轴。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机， 故也称为高频主轴。由于没有中间传动环节，有时又称它为直接传动主轴。 电主轴具有结构紧凑、质量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点， 不但转速高、功率大，还具有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能， 以确保其高速运转的可靠性与安全性。使用电主轴可以减少带传动和齿轮传动， 简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。能实现 极高的速度、加( 减) 速度和定角度的快速准停；采用交流变频调速和矢量控制 电主轴单元结构及静动态性能 的电气驱动技术，输出功率大，调速范围宽，有比较理想的扭矩一功率特性；电 机内置于主轴两支承之间，与传统主轴结构相比，能够较大地提高主轴单元的刚 度，也就提高了其固有频率，电主轴在高速运转时，仍可确保低于其临界转速， 保证了高速运转时的安全【4 5 】。 电主轴的机械结构虽然比较简单，但制造工艺的要求却非常严格。电动机的内 置也带来了一系列的问题，诸如电动机的散热、高速主轴的动平衡、主轴支承及其 润滑方式的合理设计等等，必须妥善地得到解决，才能确保电主轴稳定可靠的高速 运转，实现高效精密加工。 作为高速加工中主要功能部件的电主轴单元，其性能的高低直接影响机床的整 机性能和加工质量以及机床生产率，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。 在产品市场竞争日趋激烈的时代，功能部件只有实现专业化生产，形成强大的产 业，才能使其各类产品上规格、上档次、上水平。因此，为了给数控机床提供性 能和质量优良的电主轴单元，加速数控机床开发周期，便于数控机床的维修和更 换，实现机床的模块化更换和升级，提高国产数控机床的总体品质，使电主轴单 元成为一个新颖、高水准、可供选择、批量生产、供货的优质部件【6 】，对高速电主 轴单元的关键技术进行深入研究、科学计算和合理设计，进而提高电主轴单元的 综合性能，具有十分重大的理论和实际意义。 、 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外电主轴研究现状 国外对电主轴的研究较早，最早应用于内圆磨床。2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代 初，随着高速切削技术的发展，电主轴逐渐应用于加工中心、数控铣床、数控钻 床等高档机床，成为现代数控机床主要的功能部件之一。作为高速加工技术的“核 心 部件，电主轴技术日益完善，所起作用越来越大。目前，世界上已经出现了 许多著名的机床电主轴功能部件专业制造商，他们生产的电主轴功能部件已经系 列化，如瑞士的f i s c h e r 、s t e p t e c 和i b a g ，德国的g m n 和f a g ，美国的 p r e c i s e ，日本的n s k 和k o y o 以及瑞典的s k f 等。它们的技术水平代表了这 个领域的世界先进水平。这些公司生产的电主轴主要具有功率大、调速宽、轴承 转速和刚度高、精密装配工艺水平和配套控制系统高等特点。德国生产的 s p e c h t 5 0 0 高速加工中心，其主轴为装有混合陶瓷轴承的电主轴，采用液态冷却， 主轴转速达到1 60 0 0 r r a i n ( 2 2 k w ) ；瑞士生产的h s m 7 0 0 高速加工中心，装有h f 系列陶瓷轴承电主轴，其主轴径向圆跳动在0 5 2 o p m 之间，主轴最高转速可达 到4 20 0 0 r m i n ( 1 2 k w ) 。美国生成的h v m 型高速机床，主轴转速达2 00 0 0 r m i n ( 2 5 k w ) 。表1 1 列出了德国g m n 公司用于加工中心和铣床的部分电主轴的型号 和主要规格【7 1 。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 4 硕士学位论文 与应用。 表1 1 德国g m n 公司部分电主轴的型号和主要规格 套筒最高输出计算计算转 主要型号直径转速功率转速速转矩润滑 ( m m ) ( r r a i n ) ( k w ) ( r r a i n ) ( n m ) h c l 2 0 - 4 2 0 0 0 1l1 2 04 20 0 0l l3 00 0 03 5 油气 h c sl7 0 2 4 0 0 0 2 71 7 0 2 40 0 0 2 7 1 80 0 01 4 油气 h c sl8 0 3 0 0 0 0 i61 8 03 00 0 01 61 50 0 01 0油气 h c $ 2 0 0 18 0 0 0 152 0 01 80 0 01 518 0 08 0 油气 h c $ 2 3 0 1 8 0 0 0 1 52 3 01 80 0 01 5l8 0 08 0 油气 h c $ 2 3 2 1 8 5 0 0 0 92 3 01 50 0 0 912 2 07 0 油脂 h c $ 2 7 5 2 0 0 0 0 6 02 7 5 2 00 0 0一。6 01 00 0 05 7 油气 h c s 2 8 5 1 2 0 0 0 3 22 8 51 20 0 03 2l0 0 03 0 6油气 h c $ 3 0 0 8 0 0 0 3 03 0 080 0 03 010 0 02 8 6油脂 近年来，国际上大功率高速铣削和钻削电主轴技术发展很快。德国g m n 公司 在d a r m s t a d t 工业大学的协助下开发的h c 系列高速电主轴，日本n s k 公司的m 系列，瑞士s t e p t e c 公司的h v c 系列电主轴都具有功率大、高转速和调速范围 广的特性，完全适用于高速、高效切削。随着实际应用的需要和机床技术的进步， 对数控机床用电主轴提出了越来越高的要求，其总体发展趋势是：大功率、高转 速、高主轴回转精度，其中，主轴转速不小于1 0 5 r m i n ，功率不小于1 0 0 k w ，主 轴回转精度在5 0 n m 以下【引。 国外高速电主轴技术由于研究较早，电主轴单元发展较快，技术水平也处于 领先地位。随着变频技术及数字技术的发展日趋完善，逐步形成了一系列标准产 品。在国外，电主轴作为一种机电一体化的高科技产品，有技术水平很高的公司 实现专业化生产，这对于其机床工业生产、技术的发展和竞争力的提高产生了极 为深刻的影响，具有里程碑的意义。 1 2 2 国内电主轴研究现状 电主轴在我国的应用也较早，始于2 0 世纪6 0 年代，此时主要用于零件内表面 磨削，这种电主轴的功率低，刚度小。并且它采用无内圈式向心推力球轴承，限 制了高速电主轴的生产社会化和商品化。2 0 世纪7 0 年代后期至8 0 年代，随着高 速主轴轴承的开发，研制了高刚度、高速电主轴，它被广泛应用于各种内圆磨床 和各个机械制造领域。在2 0 世纪8 0 年代末以后，由磨用电主轴转向铣用电主轴， 它不仅能加工各种形体复杂的模具，而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铣 用电主轴，推动了高速电主轴在铣削中的应用。到9 0 年代中后期，由于市场需要， 电主轴单元结构及静动态性能 国内各科研单位或企业开始研制开发其他用途的电主轴。 目前，国内有多家研究和生产电主轴的科研机构。其中，洛阳轴承研究所已 经研制开发了额定转速从50 0 0 r m i n - - 1 50 0 0 r m i n ，功率从0 2 - - 一7 5 k w 的系列电主 轴产品，其产品主要是用于轴承内圆磨削的高速电主轴；广东工业大学高速加工 和机床研究所开发的数控铣床高速电主轴，其主要技术指标已达到了最高转速为 1 80 0 0 r m i n ，额定功率1 3 5 k w 。“九五 期间，我国研制出拥有自主知识产权的 加工中心和数控铣床用内装式电主轴单元，转速为8 0 r r a i n - - - 2 40 0 0 r m i n ，功率为 2 5 2 9 k w ，转矩4 - - 一8 6 n m ，其噪声低，振动小，松、拉刀结构可靠，具有内冷功 能，产品综合性能接近或达到同期国际水平【9 】。 虽然我国在电主轴的研究中取得了良好的成绩，但目前无论从产品的技术水 平、性能指标，还是产品的种类、数量、生产规模，与国外先进国家相比还存在 很大差距，高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴，主要还是从国外 进口，这严重阻碍了我国高速高精度数控机床的发展。因此，如何提高机床主轴 单元的加工精度、转速、功率和可靠性，赶超世界先进水平，是我国机械装备制 造业的当务之急。 1 2 3 主轴单元静动态特性的研究方法 高速主轴单元是高速机床的重要部件之一，它是机床的执行件，支承并带动 工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。电 主轴单元的工作性能对高速机床的整机性能和加工质量有着直接的影响。因此， 对电主轴单元有很高的要求，其中，主轴单元的旋转精度、刚度及动态性能等静 动态特性是影响机床的加工质量和加工精度的重要因素，在进行电主轴单元的设 计时需要深入研究和计算。 为了提高主轴以及主轴轴承的工作速度和精度，国内外对主轴单元的静动态 特性都曾进行过广泛而深入的理论研究工作，这些研究涉及到摩擦学、材料学、 运动学、静力学和转子动力学等许多学科。其中，最为关键的学科知识就是转子 动力学，在转子动力学方面，对简单离散转子系统的分析是基于理论力学的分析 方法，而对复杂转子系统则多用传递矩阵法和有限元法。传递矩阵法在5 0 年代中 期被应用于转子系统的分析和临界转速计算，并且直到现在仍然是转子动力学的 主要分析手段之一；有限元法的表达式简单、规范，特别适用于转子和周围结构 组成的复杂结构的分析【1 0 1 。对主轴静动态特性的研究，在6 0 年代以前，一般采用 经验类比法设计，通常是利用经验公式或经验数据来选择主轴参数，方法繁琐， 计算精度低。6 0 年代以后由于计算机技术和计算方法的进步，出现了有限差分法、 结构分析法、有限元法、结构修正法，模态法等大量方法。其中，最重要一步就 是对主轴按照一定方式进行简化建模，进而对其模型进行分析。 在国外，早期对主轴特性的研究是将轴承模拟为一个简单的径向弹簧和阻尼 6 硕十学位论文 器，采用了有限差分模型分析了其特性；随着计算机技术的应用，利用建立有限 元模型研究主轴单元的动态特性及其设计开始实现，计算的精度有了很大提高； 美国普渡大学的b e r t r j o r g e n s e n 和y u n g c 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的 固有频率、轴承刚度和热变形的较好的计算值【1 1 q 3 1 ；美国的l a w r e n c el i v e r m o r e 国 家重点实验室基于t i m o s h e n k o 梁理论，用影响系数法建立含轴承参数的电主轴系 统动力学模型，着重研究了切削力、刀具质量和自转速度等因素对转子固有频率的 影响【1 4 】；主轴高速运转时，轴承对主轴单元的性能影响很大。因此，轴承的影响 因素必须考虑，u n i v o f b r a d f o r d 着重研究了滚动轴承滚动单元如轨道、滚子表面 波纹度对主轴动态特性影响【l 5 1 。 国内从事主轴单元静动态特性的研究也很多，特别是早期对普通主轴动态特 性的研究，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 动力特性分析，近年也有采用对主轴部件建立空间梁单元模型，并在此基础上对 其静动态特性进行分析，也有利用有限元分析软件或传递矩阵法对电主轴的动静 态特性和热特性进行分析，经过适当的简化原则，建立的主轴单元有限元模型接 近于主轴的实际情况，能达到分析结果的要求【l 9 1 。 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各种特 性的影响，尤其是过去被简化或忽略因素的影响，得到更加接近实际的分析结果， 才能设计制造出满足高速度、高精度、高可靠性的高速主轴单元。 1 3 本文的研究内容 本课题主要研究电主轴单元的有关结构及静动态性能，内容主要包括以下三 个方面： 1 、电主轴单元结构及旋转精度的分析 电主轴单元是一种智能型功能部件，与传统主轴单元有很大不同；旋转精度 是指主轴装配后，在无载荷或低速转动的条件下，主轴前端安装工件或刀具部位 的径向和轴向跳动。本文主要研究电主轴单元的典型结构；分析影响旋转精度的 关键因素，相应地提出提高电主轴单元旋转精度的具体措施。 2 、电主轴单元刚度的分析 电主轴在工作过程中受到的切削力较大时，若刚度不足，在切削力的作用下 容易产生较大的变形，影响加工精度，而且还可能引起自激振动，使切削不能顺 利进行，另外电主轴上装有电机转子铁芯，如果电主轴刚度不足，在切削力的作 用下，转子处的挠度过大，导致电机定转子之间的气隙不均，造成旋转磁场不对 称，引发磁拉力，会使电主轴产生较大的振动。因此电主轴单元刚度的研究与设 计很重要。 7 电主轴单元结构及静动态性能 电主轴单元的刚度是综合刚度，是主轴、轴承等刚度的综合反映，分为轴向 刚度和径向刚度，对加工精度和机床性能都有直接影响。本文通过运用理论计算 和有限元相结合的方法对研究实例进行计算，综合考虑主轴和轴承对刚度的影响， 验证电主轴单元的设计是否满足要求。 3 、电主轴单元动态特性的分析 主轴单元的动态性能直接影响到机床的工作性能。主轴单元的动态分析就是 在系统建模的基础上对其进行固有频率、振型等参数的计算分析。目前轴承一主 轴系统的动力学建模方法主要以有限元法和传递矩阵法为主。结合现今对主轴单 元的研究情况，采用大型有限元软件a n s y s 按照一定简化原则建立电主轴单元的 实体三维模型计算其固有频率、对应的振型和进行谐响应分析。 根据分析结果，研究主轴结构参数及轴承等对动态特性的影响，分析电主轴 的动态特性是否满足加工要求，结构设计是否合理。 硕十学位论文 第二章电主轴单元结构的分析 2 1 电主轴单元结构 传统的机床，主轴电机与机床主轴是分离的，中间通过带、齿轮、离合器、 联轴器、丝杠、螺母等环节来传递，主轴转速的调节一般是通过改变齿轮的啮合 来实现的。电主轴单元是一种智能型功能部件，它采用无外壳电动机，将带有冷 却套的电动机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一 体，主轴的变速范围完全有变频电动机控制，使变频电动机和机床主轴合二为一。 与传统的机床主轴相比，电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声 低、转速高、响应快和功率大等优点。另外，还具有自动控制主轴温升与振动等 机床参数的功能。所以在高速运转时，具有较高的可靠性和安全性。近年来，电 主轴单元作为高速加工机床的核心功能部件得到了广泛的应用。作为高速切削机 床最重要的部件，也是实现高速加工的最关键技术之一。这就要求电主轴单元动 平衡性高，刚性好，回转精度高，有良好的热稳定性，能传递足够的力矩和功率， 能承受高的离心力，带有准确的测温装置和高效的冷却装置等【2 0 1 。 电主轴单元是一套组件，它包括电主轴及一些附件：电主轴、高速变频装置、 油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。融合了高速轴承技术、冷却技 术、润滑等技术。高速轴承技术是高速电主轴技术中很关键的技术，资料显示， 在2 0 世纪8 0 年代，主轴轴承在脂润滑条件下的d m n ( d m n 是指主轴轴承的节圆直 径( m m ) 与主轴的极限转速( r m i n ) 的乘积值) 最多能达到0 5 1 0 6 ，当采用角接触陶 瓷球轴承后，主轴速度迅速提高到2 o 1 0 6 酬。 根据电机与主轴轴承相对位置的不同，电主轴单元一般有两种结构布局方式。 一种是电机置于前、后轴承之间，采用两支承结构，支承受力方式为外撑式。前、 后轴承一般均采用串联安装方式，后支承选用小尺寸轴承，降低了速度因数值， 对电主轴单元整体刚性影响不大，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，功率大，较适合于大中型高 速机床：另一种是电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，常用于小型高速数控机床【2 1 1 。 图2 1 是本文研究车削用电主轴的结构简图，由于传递的转矩较大，为保证电 主轴有足够刚度实现较高的加工精度和加工质量，选用第一种结构布局方式。该 电主轴的主轴部件由前后两套角接触球轴承支承。电机转子用热压配合方法安装 在主轴上，拆卸时，用压力油注入法，工作时由压配合产生的摩擦力来传递转矩。 9 电土轴单元结构及静动态性能 1 后轴承2 主轴3 过盈套4 出水口5 电机转子6 电机定子7 前轴承8 进水口 图2 1 电主轴结构图 表2 1 列出了本文研究电主轴单元的各项基本性能参数。 表2 1 电主轴的性能参数 参数名称数值参数名称数值 额定功率1 7 k w润滑方式油脂润滑 额定转速 l6 0 0 r r a i n 噪声5 7 8 分贝 最高转速80 0 0 r m i n 轴承温度s 5 5 额定转矩 1 4 8 n m 径向刚度 _ 2 0 0 n t m 前轴承预紧力 1 5 2 2 n 后轴承预紧力 1 1 2 5 n 主轴锥孔轴线的径向跳动 7 9 m 主轴周期性轴向窜动 _ 7 9 m 2 2 电主轴轴承技术 2 2 1 电主轴主要支承类型 电主轴单元实现高速、高精度的关键部件之一就是高速轴承。电主轴的支承 首先必须满足高速、高回转精度的要求，其次需要有较低的温升和尽可能高的径 向和轴向刚度，此外，还要具有较长的使用寿命。电主轴的支承形式主要有滚动 轴承支承，流体静压轴承支承和磁悬浮轴承支承三种。 滚动轴承是电主轴支承中使用最为普遍的支承形式。电主轴用滚动轴承具有 刚度高、高速性能好、结构简单紧凑、标准化程度高及价格适中等优点，因而在 电主轴中得到最广泛的应用。电主轴一般采用高速性能好的小钢球精密角接触球 1 0 硕士学位论文 轴承【2 2 1 。角接触球轴承一般必须在轴向预加载荷条件下才能正常工作。预加载荷 不仅可以消除轴承的轴向游隙，还可以提高轴承刚度、主轴的旋转精度，抑制振 动和钢球自转时的打滑现象等。一般说来，预紧载荷越大，提高刚度和旋转精度 的效果就越好；但是另一方面，预加载荷越大，主轴单元温升就越高，可能造成 烧伤，从而降低使用寿命。因此，如何选择轴承的最佳预加载荷是值得考虑的一 个重要问题。对转速不太高和变速范围比较小的电主轴，一般采用刚性预加载荷， 即利用轴承内外环的尺寸差来施加预加载荷；当转速较高和变速范围较大时，为 了使预加载荷的大小受温度和速度的影响尽可能小，应采用弹性预加载荷装置。 考虑本文研究的电主轴单元的实际情况，选用刚性预加载荷。 在应用的高速角接触球轴承中，目前最具发展应用前景的主要是混合陶瓷球 轴承，即滚动体用陶瓷材料( s i 3 n 4 ) 制造，内外圈用轴承钢制造。它耐磨耐热， 能满足在一些特殊工作条件下的要求，寿命是传统轴承的数倍【2 3 1 。 角接触球轴承在高速运转时，滚珠既自传又公转，会产生离心力和陀螺力矩， 造成轴承的发热，甚至摩擦烧伤。因此，应设法减小离心力和陀螺力矩【2 4 1 。 轴承高速旋转时，每个滚珠的离心力( n ) 为： 仃一 艮= 暑p d ；, d 肌国三 ( 2 1 ) l 二 式中：p 一滚珠材料的密度( k g m 3 ) ； 。 d 一滚珠的直径( m ) ； 屯一滚动轴承的节圆直径( m ) ； 。一滚珠的公转角速度( r a d s ) 。 轴承高速旋转时，滚珠所受的陀螺力矩( n m ) 为： m g = j c o 。c o bs i n ( 2 2 ) 式中：，一滚珠的转动惯量( k g m 2 ) ； 氓一滚珠的自传速度( r a d s ) ； 一滚珠自传轴与坐标平面之间的夹角( r a d ) 。 由公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可知，滚珠的离心力与轴承转速的平方成正比。当轴承 转速很高时，滚珠的离心力很大，可能超过切削力的负荷。同时也将产生巨大的 陀螺力矩，造成对电主轴不可忽视的额外载荷，并可能使滚珠与滚道之间产生相 对滑移。高转速产生的离心力和陀螺力矩会对轴承产生很大的接触应力，加剧轴 承的温升与磨损，降低轴承的使用寿命。由公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可知，如要降低高 速时产生的巨大离心力和陀螺力矩，可以适当减少滚珠的直径或采用轻质材料来 制造滚珠。在2 0 世纪6 0 年代，科学家发现工程陶瓷具有比传统轴承材料更优良的 特性( 表2 2 ) ，从表中可以看出，陶瓷球的密度只为钢制球的4 0 ，热膨胀系数只 有钢的2 5 ，而弹性模量则为钢的1 5 倍，硬度为钢的2 3 倍。在高速回转时，其离 电主轴单元结构及静动态性能 曼曼曼鼍詈笪曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼皇皇曼皇曼曼曼曼曼m!li,一_m ! 心力和陀螺力矩可以显著减少，从而接触应力减少，摩擦功耗下降，温升降低， 热变形减小，轴承寿命延长。另外，陶瓷球和钢球不会产生“咬住 现象，磨损 物也不会嵌入陶瓷球中，从而进一步提高了轴承寿命。 表2 2 氮化硅陶瓷与轴承钢的性能比较 性能s i 3 n 4 陶瓷轴承钢 比率 a 密度( g c m 3 ) 3 2 47 8 50 4 1 2 线膨胀系数( i i ) 3 2 l o 61 2 5 l o 60 2 5 6 弹性模量c , p a 3 1 42 0 61 5 2 4 硬度( h v l o ) l6 0 07 0 02 2 8 6 抗弯强度m p a 7 0 025 0 00 2 8 断裂韧度( m n m ) 圳2 72 0o 2 5 泊松比 0 2 60 3 00 8 6 7 热导率 w ( m k ) 】 3 24 0o 8 0 极限工作温度( ) 10 8 01 2 09 0 0 磁性不导磁导磁 绝缘性不导电导电 耐腐蚀性好差 合野 图2 2 电主轴轴承常用配置形式 1 2 乒一迹 罾 露氮 一 伊溢 硕十学位论文 流体静压轴承为非接触式轴承，具有磨损小、寿命长、旋转精度高、阻尼特 性好( 振动小) 等优点，用于机床电主轴上，在加工零件时可使刀具寿命延长、 加工表面质量提高。气体静压轴承电主轴转速可达1 0 00 0 0 d m i n - - 一2 0 00 0 0 r m i n 。 缺点是刚度差，承载能力低并有冲击，在机床上一般限用于小孔磨削和钻孔等高 速、轻载情况下；液压静压轴承刚度高，承载能力强。但由于结构复杂，在高速 条件下，液面搅动，功率消耗大，温升较高，使用时必须进行专门的设计和生产， 标准化程度低，维护困难，目前在电主轴上应用较少。 磁悬浮轴承又称磁力轴承，依靠多幅在圆周上互为1 8 0 度的电磁铁( 磁极) 产生径向方向相反的吸力( 或斥力) ，将主轴悬浮在空气中。轴颈与轴承不接触， 径向间歇为l m m 左右。当承受载荷后，主轴的空间位置发生微弱变化，有位置传 感器测出变化值，通过电子自动控制与反馈装置，改变相应磁极的吸力( 或斥力) ， 使其迅速恢复到原来的位置，使主轴始终绕其惯性轴作高速回转。由于不存在机 械接触，转轴可以达到极高转速。它具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、 无需润滑、无油污污染等优点。磁悬浮轴承轴心的位置用电子反馈控制系统进行 自动调节，其刚度值可以任意设定，可以自动动平衡和主动控制阻尼而将振动减 至很低。在磁悬浮轴承技术出现的初期，由于价格太高，控制系统复杂，很难在 工业应用中推广，近年来，随着电子技术和控制用计算机技术的飞速发展，磁悬 浮轴承技术已开始进入实用阶段。德国的g m n 公司和瑞士的i b a g 公司等均已有 成熟的产品供应。磁悬浮轴承电主轴的轴承温升低，回转精度极高，主轴轴向尺 寸变化很小，其d m l l 值可以高出滚动轴承的1 4 倍，是一种很有发展前途的电主 轴。 2