（机械制造及其自动化专业论文）轴承对高速电主轴静动刚度影响的研究.pdf

t h er e v e r s a t i o no fi n f l u e n c et oh i g hs p e e de l e c t r i c i t ym a i na x l e s t a t i ca n dd y n a m i cs t i f f n e s sb yb e a r i n g b y z h a n g h a i j i e b e ( z h e n g z h o uu n i v e r s i t yo fl i g h ti n d u s t r y ) 2 0 0 6 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rx i el i m i n g m a y ，2 0 11 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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：弓匙i 每太日期：知，年 6 , 92 日 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，即：学 校有权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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：面每杰 导师签 e l 期：如f 年乡月2 日 日期：年月日 硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论k l 1 1 课题背景及国内外研究现状综述1 1 1 1 课题来源1 1 1 2 课题意义1 1 1 3 主轴部件的基本要求2 1 1 4 国内外高速电主轴单元的研究现状3 1 1 5 国内外高速电主轴静动态特性的研究现状4 1 2 课题研究目标、研究内容和拟解决的关键问题6 1 2 1 研究目标6 1 2 2 研究内容6 1 2 3 本课题拟解决的关键问题7 1 3 本章小结一7 第2 章高速电主轴的结构及主轴单元静动态特性分析一8 2 1 一高速电主轴的结构8 2 1 1 主轴电机的选择8 2 1 2 主轴轴承9 2 1 3 主轴的润滑与冷却系统1 4 2 2 主轴的静态特性1 6 2 3 主轴的动态特性1 6 2 3 1 主轴的固有振动特性1 7 2 3 2 主轴前端在切削部位的激振点动柔度一1 8 2 4 本章小结18 第3 章轴承刚度的分析1 9 3 1 赫兹接触定理1 9 3 2 角接触球轴承径向刚度的计算2 l 3 2 1 角接触球轴承受力分析2 1 3 2 2 角接触球轴承接触变形的计算2 2 3 2 3 轴承的轴向预紧与位移2 3 3 2 4 轴承的径向刚度2 3 3 - 3 圆柱滚子轴承的刚度计算2 4 3 4 高速角接触球轴承动刚度的计算2 5 轴承对高速电土轴静动刚度影响的研究 3 5 圆柱滚子轴承动刚度的计算2 7 3 5 1 滚子与滚道接触副的刚度一2 7 3 5 2 圆柱滚子轴承的刚度模型2 9 3 5 3 径向刚度模型2 9 3 6 轴承预紧力对轴承径向刚度的影响31 3 7 本章小结3 2 第4 章高速电主轴静态特性的有限元分析3 3 4 1a n s y s 在结构分析中的应用3 3 4 1 1a n s y s 中的结构线性静力分析3 3 4 1 2a n s y s 线性静力分析的基本步骤3 3 4 2 高速电主轴静态特性有限元分析模型3 4 4 2 1 构建几何模型3 4 4 2 2 选择单元类型及划分网格3 4 4 3 典型工艺参数下电主轴所受切削力的计算3 7 4 4 电主轴静刚度计算3 8 4 5 轴承预紧力对主轴静刚度的影响3 8 4 6 本章小结3 9 第5 章高速电主轴动态特性的有限元分析4 0 5 1a n s y s 中的动力分析4 0 5 2 高速电主轴的模态分析4 0 5 2 1a n s y s 中的模态分析4 0 5 2 2 高速电主轴的有限元模态分析4 1 5 3 高速电主轴的谐响应分析4 5 5 3 1a n s y s 中的谐响应分析4 6 5 3 2 高速电主轴谐响应分析建模4 6 5 3 3 高速电主轴谐响应激振力的确定4 6 5 3 4 求解与结果分析4 7 5 4 提高电主轴单元动态性能的措施4 9 5 5 本章小结5 0 第6 章高速电主轴刚度最大的结构优化5l 6 1a n s y s 的优化设计原理5 l 6 2 基于a n s y s 的电主轴结构优化5 l 6 2 1 参数化有限元模型的建立5 l 6 2 2 生成优化文件5 1 6 2 3 优化计算5 2 6 3 本章小结5 3 结论5 4 参考文献5 5 致 谢5 8 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 9 摘要 高速加工能显著地提高生产率和降低生产成本，是一项非常有前景的先进制 造技术。实现高速加工的首要条件是高品质的高速机床，而高速电主轴是高速加 工中心的关键部件。电主轴系统的静态、动态刚度又是影响其性能的主要因素之 一。因此，在设计时要对其进行详细的静、动态分析。 本文对本课题高速电主轴的结构进行了简述，确定了一种相对简便、准确的 高速电主轴轴承刚度的计算方法。运用a n s y s 软件，用有限元分析法对高速电主轴 的静动态特性进行了分析研究。具体包括： 1 对本课题高速电主轴单元的结构进行了简述，并研究了一般主轴单元的静 动态特性。 2 通过对角接触球轴承进行结构建模和力学特性分析，获得了角接触球轴承 静刚度的简便计算方法，推导出了圆柱滚子轴承静刚度的计算公式，对本课题电 主轴轴承的静刚度进行了计算；研究了预紧力对角接触球轴承静刚度的影响；通 过对高速角接触球轴承和圆柱滚子轴承进行动力学特性分析，总结出一种较为简 便、精确的轴承动刚度的计算公式。 3 对电主轴进行二维静态有限元建模，经a n s y s 计算，得出了本课题电主轴的 静刚度，并分析了轴承预紧力对电主轴静刚度的影响。 4 对电主轴进行了较精确的三维动态有限元建模，经a n s y s 计算分析，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，分析 了轴承预紧力对电主轴第二阶固有频率的影响；并对高转速条件下，电主轴在前 端、转子中部和后端传感器三个位置所发生的最大动态位移进行了分析计算，求 得了本课题电主轴的动刚度，验证了电主轴结构设计的合理性。 5 通过a n s y s 的优化设计功能对电主轴的结构进行了优化。 关键词：高速电主轴；轴承；动静态特性；a n s y s a bs t r a c t h i g h s p e e dm a c h i n i n g i sap r o m i s i n ga 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 yf o r i n c r e a s i n gp r o d u c t i v i t y a n d r e d u c i n gp r o d u c t i o n c o s t sd r a m a t i c a l l y h i g h 。q u a l i t y m a c h i n et o o li st h ep r e c o n d i t i o nf o rr e a l i z i n gh i g h - - s p e e dm a c h i n i n g ，h i g h - - s p e e d m o t o r i z e ds p i n d l ei s a c r i t i c a lu n i to ft h em a c h i n i n gc e n t e r t h es t a t i ca n dd y n a m i c s t i f f n e s so fm o t o r i z e ds p i n d l es y s t e mb e c o m ead i f f i c u l tp r o b l e m ，w h i c hd i r e c t l y i n f l u e n c e si t sf u n c t i o n s o ，i t i s i m p o r t a n t t o s t u d y t h es t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ef o rd e s i g n n i n g i nt h i sp a p e r ，e l a b o r a t em a n yt e c h n i c a lp r o b l e m si nd e s i g no fs p i n d l es t r u c t u r e ，a n d f i n do u ts o l u t i o n sm e t h o d s ，t h es t r u c t u r eo fs p i n d l ei sd e s i g n e d t h es t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e so f t h eh i g h s p e e dm 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 s s o f t w a r e b yf e m d e t a i l so f s t u d i e sa r ea sf o l l o w s ： 1 h a sc a r r i e do nt h es u m m a r yt ot h i sh i g hs p e e de l e c t r i c i t ym a i na x l e u n i t s s t r u c t u r eo ft h et o p i c ，a n dh a ss t u d i e d t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f c o m m o nm a i na x l eu n i t 2 b vt h em o d e l i n ga n da n a l y s i so ff o r c ec h a r a c t e r i s t i c sf o ra n g u l a rc o n t a c tb a l l b e a r i n g , o b t a i n e dt h es i m p l ec a l c u l a t i o nm e t h o df o rs t a t i cs t i f f n e s so fa n g u l a rc o n t a c t b e a r i n g ，h a sp r o m o t e dt h es t a t i cr i g i d i t yf o r m u l a o fc y l i n d r i c a l r o l l e rb e a r i n g ，t h e b e a r l n go fe l e c t r i c i t ym a i na x l eo nt h e s t a t i cs t i f f n e s sw e r ec a l c u l a t e d ；a n dt h e i n f l u e n c eo fp r e l o a do ns t a t i cs t i f f n e s so fa n g u l a rc o n t a c tb e a r i n gi ss t u d i e d ，t h r o u g h c a r r i e so nd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i st ot h eh i g hs p e e da n g u l a rc o n t a c tb e a r i n g a n dt h ec y l i n d r i c a lr o l l e rb e a r i n g ，s u m m a r i z e so n ek i n ds i m p l e r , t h ep r e c i s eb e a r i n g d y n a m i cs t i f f n e s sf o r m u l a 3 at w o d i m e n s i o n a lf e mm o d e l a n s y s ，t h es t a t i cs t i f f n e s so fs p i n d l e o ft h em o t o r i z e ds p i n d l ei sb u i l tu pw i t h i ss t u d i e da n dt h ei n f l u e n c eo fp r e l o a do ni ti s a l s oa n a l y s i si nd e t a i l 4 am o r ea c c u r a t et h r e e d i m e n s i o n a lf e mm o d e lo ft h em o t o r i z e ds p i n d l e i s e s t a b l i s h e d b a s e do nt h em o d e l ，t h em o d a la n dr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e m o t o r i z e ds p i n d i ea r ea n a l y z e d t h en a t u r a lf r e q u e n c y ，v i b r a t i o n m o d ea n dl i m i t e d s p e e da r es t u d i e d t h ei n f l u e n c eo fp r e l o a do nf i r s ts e to f n a t u r a lf r e q u e n c yo fs p i n d l e i sa n a l y z e d t h em a x i m u md y n a m i cd i s p l a c e m e n t so ft h ef r o n te n d ，r o t o ra n ds e n s o r o nt h em o t o r i z e ds 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 yo f t h em o t o r i z e ds p i n d l e l l d e s i g na n dc 。n s t r u c t i 。nw i l lb ev a l i d a t e d 5 h a sc a r r i e do nt h eo p t i m i z a t i o nt h r o u g ht h ea n s y so p t i m i z a t i o nd e s i g n f u n c t i o nt os t r u c t u r eo ft h em o t o r i z e ds p i n d l e k e y w o r d s ： 一 h i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e ；b e a r i n g ；s t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ； a n s y s 1 1 1 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及国内外研究现状综述 1 1 1 课题来源 “高档数控机床与基础制造装备 国家科技重大专项一高速立卧式加工中心 ( 2 0 0 9 z x 0 4 0 0 1 - 0 1 5 ) 。 1 1 2 课题意义 随着数控机床、加工中心、柔性制造系统的发展及其在工业中的广泛应用， 零件加工的辅助工时大为缩短，生产过程的连续性有了空前的提高，机床的加工 精度也达到了前所未有的高度。但是只靠柔性自动化来压缩辅助工时是远远不够 的，要进一步提高机床的生产效率，必须提高零件加工的切削速度和进给速度， 以便大幅度地降低零件加工的切削工时。提高零件的加工速度一直是制造技术领 域十分关注并为之不懈奋斗的重要目标，高速加工就是一种集高效、优质和低耗 于一身的先进制造工艺技术，在工业发达国家得到了广泛的应用，并已取得了极 其显著的技术经济效益，也是我国面向2 l 世纪优先发展的一项高新技术。 高速加工技术不仅具有很高的生产率，而且可以显著地提高零件的加工精度 和表面质量。实现高速加工技术的核心关键技术主要有：高速切削理论、高速机 床技术、高速加工刀具技术、高速加工工艺技术以及高速加工测试技术等，其中 高速机床是实现高速切削的物质基础。高速机床的工作性能主要取决于高速主轴 部件、高速进给部件及其控制系统、高刚度大阻尼的支承部件等，其中主轴单元 是高速机床的核心部件，有机床“心脏之称，它的性能在很大程度上决定了机 床所能达到的加工精度和生产效率。 在高速主轴单元中，由于机床既要进行粗加工，也要进行精加工，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或者制约了机床的切削能力。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高的抗 振性。 相比一般的传统主轴，电主轴将电机内置，传动上放弃了皮带和齿轮，在高 速运转情况下，很好的解决了振动和噪声问题，提高了机床的加工精度和加工表 面粗糙度，可以最快地实现较高的速度变化，即主轴回转时要具有较大的角加速 轴承对高速电主轴静动刚度影响的研究 度，这有效地提高了生产效率。 用在高精度机床的高速电主轴，不但要求主轴的转速高，而且要求它的旋转 精度、静动态刚度高，振动小。其中高速电主轴的静动态刚度是高速电主轴单元 的一个重要技术指标，是影响高速机床加工精度和生产效率的一个重要因素，而 轴承的选型、配置、跨距及其预紧对高速电主轴的静动态刚度又有着不同程度的 影响。所以，对高速轴承进行静、动态性能分析也是高速电主轴单元设计时不可 或缺的环节。 静态分析涉及受载变形和刚度，动态分析涉及主轴的抗振性和切削稳定性， 包括临界转速、主振型、动刚度。临界转速指的是当轴的转速达到某一定值时， 主轴将产生强烈振动。主轴的工作转速应避免接近临界转速，以免产生共振，影 响机床的加工质量。低速主轴由于工作转速远离系统临界转速，只作静态分析， 高速电主轴由于结构上的原因，工作转速往往与临界转速的数值较接近，所以二 者都要进行分析。 本课题研究的是高速铣削加工中心15 0 0 0 r m i n 的高速电主轴，如图1 1 所示。 通过对轴承的静动态刚度的分析研究，轴承对高速电主轴单元静动态刚度影响的 分析研究，并运用a n s y s 分析软件对高速电主轴的结构和静动态特性进行了有限 元分析，优化了高速电主轴的结构并改善了高速电主轴的静动态特性，为以后高 速电主轴的研究开发奠定了理论基础。 图1 i 电主轴结构图片 1 1 3 主轴部件的基本要求 主轴最高转速：1 5 0 0 0 r m i n ； 电机额定功率：3 0 k w ； 2 硕十学位论文 动平衡：g o 4 ； 主轴弯曲刚度8 0 0 n l x m ； 温升：3 0 0 c ； 噪声：7 5 d b 。 1 1 4 国内外高速电主轴单元的研究现状 国外电主轴最早应用于内圆磨床，早在2 0 世纪5 0 年代，就已出现了用于磨 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，在2 0 世纪8 0 年代末出现了用于车削、铣削、钻削等加工的大 功率、大转矩、高转速的电主轴。目前，世界上形成了许多电主轴功能部件专业 制造商，比较著名的有瑞士的f is c h e r 公司、i b a g 公司、德国的g m n 公司、h o f e r 公司、美国的i n g e r s o ll 公司、日本的o k u m a 公司和f a n u c 公司等，它们的技术 水平代表了这个领域的世界先进水平，主要有以下特点： 1 、功率大、转速高 瑞士f is c h e r 公司生产的加工中心用电主轴最高转速达到4 2 0 0 0 r m i n ；德国 g m n 公司生产的加工中心用电主轴最高转速达到7 5 0 0 0 r m i n 。 2 、采用高速高刚度轴承 国外高速精密主轴均采用高速高刚度轴承，主要有陶瓷轴承和液体动静压轴 承，特殊场合采用磁悬浮轴承。美国的i n g e r s o l l 公司采用的液体动静压轴承，最 高转速达到4 0 0 0 0 r m in ；瑞士的i b a g 公司采用的磁悬浮轴承最高转速达到了 2 0 0 0 0 0 r m il q 。 3 、精密加工与精密装配工艺水平高 精密加工和精密装配工艺是电主轴的核心技术之一。电主轴的主轴、前后轴 承盖等的制造工艺要求非常高。为了保证电主轴在高速运转时的回转精度和刚度， 主轴的关键零件必须进行精密加工或超精密加工，其尺寸误差一般在微米级或更 小：对同轴度、垂直度和表面粗糙度也都有极其严格的要求。为了制造主轴的这 些高精度零件，国外电主轴的专业制造厂都装备有成套的高精度加工设备，如高 精度数控车削中心、精密数控外圆磨床、高精度加工中心、高精度数控内圆磨床 等，同时还配备了高精度测试设备。 4 、配套控制系统水平高 电主轴的控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑精密控制系统、主 轴变形温度补偿精密控制系统等。例如，瑞士f is c h e r 公司和德国h o f e r 公司生产 的与电主轴配套的在线自动平衡系统可以在线自动校正偏心，大幅度地降低了电 主轴在高速运行情况下的振动；同本s k f 公司和n s k 公司生产的轴承油气润滑系统， 轴承对高速电主轴静动刚度影响的研究 可以通过定时定量控制进气量，保证把轴承的润滑和温升控制在正常水平【lj 。 我国电主轴的研究始于2 0 世纪6 0 年代，主要用于零件内表面磨削用机床，这 种电主轴的功率低、刚度小，并且采用无内圈向心推力球轴承，轴承的性能限制 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，被广泛应用于各种内圆磨床和机械 制造领域。在2 0 世纪8 0 年代末以后，由磨削用电主轴转向铣削用电主轴，不仅能 加工各种形体复杂的模具，而且开发了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。 目前国内有多家研究高速电主轴的科研机构，其中洛阳轴承研究所已经研制 开发了额定转速从5 0 0 0 r m in 到l5 0 0 0 0 r m i n ，功率从0 2 k w 至u7 5 k w 的1 3 个系列的 1 6 0 余种电主轴产品，但其产品主要是用于内圆磨削的高速电主轴。1 9 9 8 年洛阳轴 承研究所研制出了加工中心用电主轴，该电主轴制造精密、平衡准确、其最高转 速可达3 0 0 0 0 r m in 。广州钜联高速电主轴有限公司研发的气静压轴承电主轴，其 径向承载力为12 0 0 n 、径向刚度为1 0 0 n j x m ，达到了国外同类产品先进水平，其转 速能达到2 5 0 0 0 r m i n 。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，其主要技术指标达到了最高转速为1 8 0 0 0 r m in 、额定功率l3 5 k w 。安阳 莱必泰机械有限公司研制生产的加工中心用电主轴，采用了先进的矢量闭环控制 技术，能对主轴恒功率调速、准停制动，但其主要指标仅做到了最高转速达 1 2 0 0 0 r m i n 、功率范围为3 7 - 2 5 k w 。汉川机床有限责任公司也先后研制出5 5 k w 和1 5 k w 的大功率电主轴，与日本电主轴的指标十分接近，最大噪声6 5 d b ，不加冷却 的情况下最大温升低于1 5 0 c ，重量仅1 5 0 k g ，但其最高转速只能达到1 5 0 0 0 r m i n 。 但以上诸研究机构大都还是在改进国外电机配件和驱动器的基础上研制成功的， 而且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，都 还存在着诸多问题以待解决，尚不能满足日益发展的国内市场需要【4 j 。 1 1 5 国内外高速电主轴静动态特性的研究现状 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，有关研究早在上世纪2 0 年代就开始 了。 在上世纪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，由于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、 硕十学何论文 有限差分法、有限单元法和结构修正法等。 在国外，1 9 9 2 年，德国的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【2 0 1 。1 9 9 7 年，美国的g d 和h a g i u e t a l 等研究了高速角接触球轴承的刚度和阻尼特性，充分考虑了油膜的挤压效应和赫 兹接触的弹性变形，得出了轴承振幅随预紧力变化的曲线【2 1 1 。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【2 2 1 。2 0 0 2 年，k u w a i t 大学的m o h a m m e d a a 1 f a r e s 研究 了角接触球轴承轴向预紧力对磨床主轴的动力学性能的影响，在忽略了离心力及 任何阻尼的影响的情况下，建立了五自由度磨床主轴的数学模型【2 3 1 。2 0 0 3 年，新 加坡的b w h u a n g 等学者研究了气压轴承和球轴承对电主轴动力学性能的影响的 差别，得出气压轴承在低阶固有频率低于球轴承，但高阶情况下二者差别很小， 以及二者在不同速度下稳定区域不相同的结论【3 2 】。2 0 0 4 年，美国的h o n g q il i 学 者使用动态热力学分析了轴承结构对主轴所产生的影响【3 列；c h i w e il i n 等学者 则建立了综合的电主轴热态与动态模型，研究了轴承预紧力对轴承刚度以及整个 主轴的动力学性能的影响和离心力对主轴动力学性能的影响并得出结论，认为高 速电主轴在高速下刚度变小主要是由于离心力的影响【3 4 ；y u z h o n g c a o 学者建立 了壳体、转轴及轴承的整体动力学模型，根据j o n e s 轴承模型把轴承划分成为有限 元非线性单元，充分考虑到了离心力和陀螺力矩的影响，并对轴承刚度、接触力 和轴单元的固有频率进行了估测 4 1 j 。 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【5 】。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 a a s ) 1 6 】。同年，北京工业大学的黄旭东等采用试验方法对复杂的主轴部 件进行了动态特性分析【7 1 。1 9 9 9 年，沈阳工业学院的史安娜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【8 】。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【9 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【1 0 】。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【】。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【1 2 】。武汉理工大学的杨光等利用传递矩阵法对电主轴系统进行了动力学特 轴承对高速电主轴静动刚度影响的研究 性分析i l3 1 。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 12 0 a 型内圆磨床的高速主轴系统进行了动力学特性分析【l4 1 。2 0 0 4 年广东工 业大学的胡爱玲利用a n s y s 对高速电主轴做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【1 5 】。2 0 0 5 年台湾的j e n q - s h y o n g c h e n 学者研究 了电主轴轴承的布局及预紧力对轴承刚度及使用寿命的影响，将离心力和热应力 因素作为重点考虑在内，并研制了在线的检测仪器来控制预紧力的大小【4 2 1 。 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，除了刘素华、杨曼云和胡爱玲利用特定的 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，在上 述各文献中，只有杨曼云和胡爱玲建立的模型是三维的。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。 1 2 课题研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 1 2 1 研究目标 1 、确定一种相对简便，准确的计算方法计算高速电主轴轴承的静动刚度。 2 、把轴承一主轴作为一个研究整体，从轴承的选择、配置、跨距及其预紧四 个方面着手，分析研究轴承对高速电主轴静动刚度的影响，以提高高速电主轴静 动刚度为目的，进行优化设计，保证切削加工后，主轴的径跳小于0 o l m m ，被加工 表面的粗糙度值不大于r 。1 6 。 1 2 2 研究内容 本课题的目的在于以高速电主轴的轴承为研究对象，从高速电主轴的高刚度、 高加工精度入手，对高速电主轴的静动刚度进行分析研究。分析计算陶瓷混合球 轴承的静态及动态刚度；分析高速电主轴部件的支承结构特点及其对高速电主轴 静动刚度的影响；分析轴承在不同的预紧力条件下对高速电主轴静动刚度的影响； 建立高速电主轴的有限元分析模型，利用a n s y s 对设计的高速电主轴进行静态、模 态和谐响应的有限元分析，并利用a n s y s 的优化设计功能对电主轴的结构进行优 化，改善高速电主轴的静动态特性。 1 、分析研究轴承的受力，确定一种合理的计算方法计算轴承的静动刚度，通 6 硕十学位论文 过在m a t l a b 中编程计算得到不同的轴承预紧力对轴承径向刚度的影响。 2 、通过对高速电主轴的轴承配置方式、跨距及其前端悬伸量的分析研究，在 高速电主轴承受径向载荷的情况下，建立轴承一主轴系统的参数化有限元模型，通 过有限元分析软件a n s y s 的分析计算功能，求得本课题电主轴的实际静刚度。 3 、比较分析定压、定位两种预紧方式的优缺点，分析研究高速电主轴的静态 刚度在不同的轴承预紧力条件下的变化规律。 4 、运用a n s y s 软件，对高速电主轴进行较精确的三维建模仿真，并在此基础 上，对高速电主轴的模态和谐响应特性进行分析，研究高速电主轴的固有频率、 振型和临界转速，分析轴承预紧力对高速电主轴第二阶固有频率的影响，分析在 高转速下，高速电主轴在主轴前端、转子中部和主轴后端三个位置所发生的最大 动态位移，求得电主轴的动刚度，并提出改进高速电主轴动态特性的主要措施。 5 、利用a n s y s 的优化设计功能选择合理的优化方案对高速电主轴的结构进行 优化，为提高电主轴的静动态特性提供必要的理论基础。 1 2 3 本课题拟解决的关键问题 1 、铣削加工中高速电主轴受力的正确分析，保证高速电主轴静动刚度分析计 算的准确性。 2 、通过a n s y s 分析，对高速电主轴的刚度进行优化设计 设计变量的选择，目标函数的建立，约束条件的确定，优化方法的选择到最 后数学模型的建立是高速电主轴刚度优化设计要解决的一个关键问题。 1 3 本章小结 本章分析了课题的研究背景，并对国内外高速电主轴单元及其电主轴单元动 静态特性的研究现状做了详细的阐述，确定了课题研究的主要内容及需要解决的 关键问题。 7 轴承对高速电土轴静动刚度影响的研究 第2 章高速电主轴的结构及主轴单元静动态特性分析 2 1 高速电主轴的结构 本课题研究的是高速铣削加工中心电主轴，电机转子与主轴之间采用过盈配 合的方法将其安装在主轴的前后支承之间。主轴的材料采用1 2 c r n i 。，1 2 c r n i 。主要 用来制作重负荷条件下要求高强度，高硬度和高韧性的主轴及要求中心韧性很高 或承受冲击载荷、表面耐磨、热处理变形小的轴。前端支承采用陶瓷混合滚动轴 承，后端支承采用圆柱滚子轴承，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安装在主轴单元的壳体中，电机采用油一水热 交换系统进行冷却。轴承采用油气润滑，利用压缩气体将润滑油直接送到轴承滚 动体上，实现了轴承的润滑和散热。电主轴的结构装配简图如图2 1 所示： 123 4567 1 、主轴2 、前轴承3 、前轴承冷却套4 、电机转子 5 、电机定子6 、定子冷却套7 、后轴承 图2 1h m c s o 高速电主轴结构简图 2 1 1 主轴电机的选择 电主轴的核心部件是内置主轴电机，正确设计电机的电磁参数是十分重要 的。首先其磁通密度要高，以增大单位体积输出功率，缩小定转子体积；其次， 电机的机械特性、电气特性需要和高速加工相适应，满足机床在宽调速范围内对 功率和扭矩的要求；再次，转子在高速旋转时应有足够的强度。另外由于电主轴 是在高频窄波下工作，通常在其外壳会产生强烈的感应电流，需要采用特殊的浸 漆工艺，对定子进行屏蔽，外壳接地也是必要的。 内置主轴电机有两种驱动和控制方式：变频器控制和矢量控制。对于普通变 频器，其控制特性为恒扭矩控制，输出功率与转速成正比，这种驱动器在低速时 不够稳定，不能满足进行粗加工时大扭矩的要求，也不具备主轴准停和c 轴控制功 能，但单价便宜，一般用于磨床和普通的高速铣床等。而矢量控制驱动器的控制 8 种驱动器在零转速时仍 有很大的扭矩，加上电主轴本身结构简单，惯性小，因此启动时可使电主轴在1 0 秒内达到最高速，这种驱动器用角度传感器实现角位置和转动速度的反馈和闭环 控制，可实现主轴准停和c 轴控制，适用于高档数控铣床、高速加工中心和车削中 心等。 本课题选用日本f a n u c 公司生产的q1 6 0 l l - 2 5 1 3 0 0 0 i b 型内装式主轴电机。该 电机可以采用双绕组( y ，y 接法) ，使用转速范围切换控制可实现低速大扭矩、高 速大功率。并且采用交流变频调速和矢量控制的电气驱动技术，输出功率大，调 速范围宽。 电机安装形式采用目前较为流行的，电机置于前、后轴承之间的结构。其优 点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度高，出力大。 2 1 2 主轴轴承 2 1 2 1 轴承的选择 电主轴的轴承应满足高速运转的要求，具有较高的回转精度和较低的温升， 同时还应具有尽可能高的轴向和径向精度、足够的承载能力等。目前在高速电主 轴单元采用较多的支承轴承主要有：陶瓷轴承，动静压轴承和磁悬浮轴承。 l 、陶瓷轴承：由于轴承在运转过程中，滚动体既有自转又有公转，会产生离 心力和陀螺力矩。计算公式如下： 离心力 疋：要以3 d