（机械制造及其自动化专业论文）铣车复合加工中心电主轴热态特性研究.pdf

铣车复合加t 中心电主轴热态特性研究 摘要 铣车复合加工集传统铣削与车削加工技术于一身，可显著提高机械加工效率、 降低生产加工成本，是当今世界各国竞相发展的一项新兴技术。铣车复合加工中 心的主轴单元均为高性能的电主轴系统。作为铣车复合加工中心的核心功能部件， 电主轴单元的整体性能直接影响着铣车复合加工中心的整体性能。 本课题电主轴结构紧凑，整体尺寸较小，安装与调试难度较大。电主轴系统的 温升及热变形被认为是引起加工中心误差的诸多因素当中最为重要的一个，因此， 对电主轴系统的热态特性进行研究，抑制温升、减少热变形，对于提高机床精度 是至关重要的。 本文详细介绍了铣车复合加工中心的背景意义及研究现状，阐述了铣车复合 加工中心诸多关键技术及影响铣车复合加工中心技术发展的诸多因素，介绍了电 主轴单元内部热源的生热及传热机理，并以摩擦学、传热学为理论依据，对本课 题电主轴单元发热量进行了详细计算，给出了电主轴各发热单元发热量与相关物 理量的变化关系，同时分析论述了电主轴与冷却润滑系统之间的热量传递形式， 计算了电主轴各种换热形式下的换热系数。分析了影响电主轴热态特性的相关因 素。最后，本文利用有限元分析软件a n s y s 分析模拟了电主轴温度场的分布特性， 在温度场分析的基础上，本文建立了用于热位移分析的电主轴单元有限元模型， 分析模拟了电主轴在内部热源作用下所产生的轴向、径向位移及总体变形情况。 本文还在结论部分提出了抑制电主轴温升、减小热变形的具体措施。 关键词：铣车复合；电主轴；温度场；热变形 i v a b s t r ac t t h em i l l i n g 。t u r n i n g c o m p o u n dm a c h i n i n gi sap r o m i s i n g t e c h n o l o g y f o r i n c r e a s i n gp r o d u c t i v i t ya n dr e d u c i n gp r o d u c t i o nc o s t sd r a m a t i c a l l y t h e r ea r es om a n v c o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l d c o m p e t i n gf o rt h i sn e wt e c h n o l o g y u n d e rn o r m a l c i r c u m s t a n c e s ，t h em i l l i n g 。t u r n i n g c o m p o u n dm a c h i n i n gi se q u i p p e dw i t ha m o t o r i z e d s p i n d l e ，t h eh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e ，a st h ec o r ec o m p o n e n to f h i g h 。s p e e dm a c h i n et o o l s ，i ss t r a t e g i c a l l yc r i t i c a lt ot h er e l i a b i l i t yo fm i l l i n g t u r n i n g c o m p o u n dm a c h i n i n g b e c a u s eo ft h ec o m p a c ts t r u c t u r ea n ds m a l ls i z e ，i n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n go f t h e m o t o r i z e ds p i n d l e i n t h i s p a p e ri sv e r yd i f f i c u l t a m o n gt h em a n ys o u r c e so f m i l l i n g - t u r n i n gc o m p o u n dm a c h i n i n g e r r o r s ，t e m p e r a t u r e r i s ea n dt h e 衄a 1 d e f o r m a t i o na r et r a d i t i o n a l l yk n o w na sk e yc o n t r i b u t o r s s o t h a t ，a n a l y z i n gt h et 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 e ，i n h i b i t i o ni t st e m p e r a t u r er i s ea n dt h e n n a l d e f o r m a t i o nh a sb e n e f i t st ot h er o t a t i o na c c u r a c yo ft h em i l l i n g t u r n i n gc o m p o u n d m a c h i n i n g i nt h i s p a p e r ，i ti sm a i n l yf o c u sn o to n l yo na s p e c t ss u c ha st h eb e n e f i t so f m i l l i n g 。t u r n i n gc o m p o u n dm a c h i n i n g ，h e a tg e n e r a t i o na n dc a l c u l a t i o n ，h e a tt r a n s f e r b o u n d a r yc o n d i t i o n s a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ，b u ta l s oo nr e a s o n sw h i c ha r e s t r a t e g i c a l l yc r i t i c a lt ot h ei m p l e m e n t a t i o no fm i l l i n g - t u r n i n gc o m p o u n dm a e h i n i n g b yu s i n gt h et r i b o l o g yt h e o r ya n dr e l a t e de x p r e s s i o n s ，t h eh e a tg e n e r a t eb yh e a t s o u r c e sa r ec a l c u l a t e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev a l u e sa n di t s c a u s e sa r e r e v e a l e d i no r d e rt oa n a l y z et h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di s u s e dt ob u i l dt h et h e r m a l - m o d e lo ft h em o t o r i z e ds p i n d l e t h e n ，t h et e m p e r a t u r ef i e l d s a n dt h et h e r m a l - s t r e s sf i e l d so fs t r u c t u r ea r ea n a l y z e d i nc o n c l u s i o n ，f a c t o r sw h i c h i n f l u e n c et h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c o fm o t o r i z e d s p i n d l em o s tw e r ef o u n d a n d a n a l y z e d ，b e f o r et h ei m p r o v e dm e a s u r e sa r eb r o u g h tf o r w a r d k e y w o r d s ： m i l l i n g t u r n i n gc o m p o u n d ；m o t o r i z e ds p i n d l e ；t h e r m a i c h a r a c t e r i s t i c s ；t h e r m a ld e f o r m a t i o n v 硕十学位论文 舅曼曼曼曼曼曼曼曼寰曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼量曼量寰曼蔓量皇皇i ； i i 一一 i 毫曼曼曼曼曼量 插图索引 图1 1 立式铣车复合加工中心整体结构图2 图2 1 电主轴结构简图8 图2 2 油气润滑系统原理图1 1 图2 3 电主轴油水热交换循环冷却系统1 2 图2 4 内外热源的分析示意图一1 3 图2 5 主轴热变形机理图1 4 图2 6 电主轴内部热传递模型1 5 图3 1 电主轴单元内部生热原理图1 6 图3 2 坐标系1 9 图3 3 外圈沟道接触一2 0 图3 4 前轴承的发热量2 7 图3 5 预紧力对轴承摩擦热的影响一2 8 图3 6 初始接触角对轴承摩擦热的影响一2 9 图4 1 电主轴内部热量传递流程图3 1 图4 2 定转子间冷却气体的流动3 5 图5 1 主轴单元温度场的简单有限元模型3 8 图5 2 直角坐标系中微元体的导热分析3 9 图5 3 第二类边界条件4 0 图5 4 第三类边界条件4 1 图5 5 主轴头部空气对流换热系数与主轴转速的关系4 5 图5 6 转子端部空气对流换热系数与主轴转速的关系4 5 图5 7 密封环间隙的对流换热系数与主轴转速的关系4 6 图5 8 冷却油流量与对流换热系数的关系4 7 图5 9 电主轴温度场有限元模型4 8 图5 1 0 有限元热分析模型的网格划分4 9 图5 1 1 电主轴稳态温度场分布云图4 9 图5 1 2 主轴轴向温度分布曲线5 0 图5 1 3 热变形分析的有限元模型5 1 图5 1 4 电主轴轴向热位移5 1 图5 1 5 电主轴温度流场5 2 图5 1 6 电主轴径向热位移5 2 硕士学位论文 图5 1 7 电主轴热变形情况5 3 图5 1 8 转轴前端轴向位移曲线5 4 i 硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 铣车复合加工技术( h i g h - - s p e e dt u r n - - m i l l i n g ) 是2 0 世纪8 0 年代初在工业发达 国家( 最初在德国) 发展起来的一种新型的机械加工技术，它以全新的概念开辟 了机械加工领域的新纪元，并成为2 0 世纪9 0 年代以来西方各国竟相研究和开发的 热点高新技术之一。铣车复合加工将传统铣削和车削加工有机地整合在一起，利 用铣车合成运动对工件进行加工，特别适合大型轧辊、发电机转子、曲轴、航天 飞机的薄壳机翼、涡轮发动机叶片等大型、精密、复杂回转体零件和薄壁零件的 高效粗加工和精密加工，是实现所谓“全部加工( c o m p l e t em a c h i n i n g ) 和“一次 性完成j j 1 i ( o n e - - h i t - - m a c h i n i n g ) 的先进制造技术。采用铣车复合加工技术不但 可以大幅度提高生产效率，而且零件加工表面的精度和完整性相较于传统的机械 加工技术都取得大幅度的提高，是一种高金属去除率的“整体制造”技术，被世 界公认为最具有技术带动性、高技术覆盖面广的关键先进制造技术，具有广阔的 发展和应用前景，是机械制造领域的重要发展方向【卜4 】。 目前铣车复合加工技术在一些工业发达国家如德国、美国、法国、日本都已 经进入了比较成熟的应用阶段，在德国有专门的研究中心从事铣车复合加工各项 理论与应用研究，在世界范围内处于领先地位，并有多家工厂生产各类专用铣车 中心。美国则较重视实际应用，铣车复合加工技术已经广泛被汽车、国防、飞机 制造等行业采用。欧洲著名的曲轴加工厂w k g 公司使用r a v e n s b u r g 生产的高速铣 车复合加工中心和s e c o 工具厂所生产的刀具，加工长度达1 0 m 、重达2 0 t 的大型曲 轴零件只需4 5 道工序便可以完成，并且整个加工过程只需一套工装、一次装夹。 加工完成后，曲轴表面光洁度达到、甚至超过了普通磨削加工；而如果使用传统 的加工方法进行加工生产，上述曲轴零件则通常需要4 0 多道工序。使用铣车复合 加工技术生产时间节约5 0 左右；同时刀具的尺寸和数量大大减少，成本更是只 有传统加工的1 1 0 0 左右i p l o 】。 铣车复合加工中心由于功能强大，结构紧凑。因此比普通单一功能的加工中 心要求更高，以下是保证铣车复合加工中心能够实现高速、高效率的一些关键技 术。 1 电主轴单元； 2 双边重心驱动技术( 双驱直线技术) ； 3 双功能铣车转台； 4 摆头动力刀塔； 铣车复合加丁中心电主轴热态特性研冤 曼笪曼曼曼曼量量曼置曼曼量曼舅曼皇曼皇皇曼曼曼曼皇曼曼i 皇曼曼曼曼曼量曼曼量皇曼曼曼量皇皇曼曼曼璺曼曼皇量曼曼舅曼量量曼曼曼曼曼寡曼舅皇曼鼍曼皇 5 轻量化设计。 这其中，电主轴作为铣车复合加工中心的核心功能部件，其性能直接影响整 个铣车复合加工中心的工作性能，电主轴工作过程中的温升及热变形直接导致整 个加工中心的精度降低。零件加工过程中，由于电主轴的热变形而引起的加工误 差占机床总加工误差的4 0 7 0 。因此，研究电主轴单元的热态特性，抑制温升、 减小热变形对铣车复合加工技术的发展至关重要。 国内对铣车复合加工技术的研究起步较晚，电主轴技术的落后是导致中国铣 车复合加工技术落后的因素之一。目前，我国军品中大量的大型回转体零件仍采 用车削加工，不但精度和效率低，而且加工成本高，周期长，复杂结构零件的加 工更加难以实现。严重影响中国实体制造业的发展和经济的稳步增长，要解决这 些问题，应尽快和大力发展我国的高速电主轴技术，从而推动铣车复合加工技术 的发展。图1 1 所示为立式铣车复合加工中心整体结构图。 1 y 轴直线导轨2 立柱3 a 轴刀架滑板装置4 a 轴铣车刀塔5 中空滚珠丝杠副 6 螺旋排屑装置7 回转工作台8 转台底座9 底座 图1 1 立式铣车复合加工中心整体结构图 1 2 电主轴对铣车复合加工中, b 士j n 工精度的影响 铣车复合加工中心是复合加工机床中发展最快、使用最广泛的数控设备。对 高速精密铣车复合加工中心来说，其主轴一般都选择电主轴系统，加工中心的精 度很大程度上取决于机床电主轴系统自身的制造精度与装配精度。加工过程中， 电主轴系统的温升及热变形也是影响整个加工中心精度的重要因素。因此在铣车 复合加工中心机床制造与装配过程中，提高电主轴系统制造与装配精度，抑制电 主轴温升、减少热变形对铣车复合加工中心整体性能的提升具有重大意义。 2 硕士学位论文 1 2 1 电主轴机械精度对铣车复合加工中心精度的影响 1 电主轴系统的分度精度和准停精度 铣车复合加工中心主轴系统的分度精度和准停精度是考核机床整体性能的一 项重要指标，也是影响机床加工精度的重要因素。为了保证主轴系统具备高的分 度精度和准停精度，国际上数控铣车复合加工中心均采用内藏主轴式电机( 简称电 主轴) ，主轴与电机转子装配成一体，减少中间传动环节对主轴精度的影响。工作 时，电机转子回转即带动主轴回转。主轴回转的速度环和位置环采用高精度的反 馈元件，实现全闭环控制，反馈元件采集到的位置信号经数控系统分频处理，从 而使机床主轴系统具有很高的分度精度和准停精度。 2 电主轴系统的回转精度 铣车复合加工中心为高精度加工机床，主轴组件是其关键的核心部件，主轴 组件的回转精度直接影响加工工件的精度。为保证主轴组具有高的回转精度，在 电主轴系统中，主轴与电机转子的连接、定子外套与主轴箱体的配合、主轴两端 与轴承组件的配合等都必须采取相应的一系列的工艺措施。借以保证电主轴系统 的回转精度。为保证工件有足够的加工精度，铣车复合加工中心电主轴的径向跳 动和端面跳动都必须控制在0 0 0 2 m m 之内。 1 2 2 电主轴系统的热态特性对铣车复合加工中心精度的影响 电主轴系统的热态特性是影响电主轴精度的诸多相关因素中最为重要的一 个，从而也成为制约铣车复合加工中心发展的重要因素。电主轴系统存在两大主 要热源，第一是主轴电机的损耗发热，第二是主轴轴承的摩擦发热，由于电主轴 结构的特殊性，上述两大热源产生的热量如果不能及时的散失，将会引起整个主 轴系统的热变形，轻则影响整个加工中心的加工精度及效率，更严重时可能造成 电主轴系统的损坏，从而使得整个加工中心陷入瘫痪状态，造成重大的损失。电 主轴系统的热变性问题也是目前影响电主轴整体性能提高的一个瓶颈性的难题， 世界各国长期以来在相关方面都有大量的相关研究，也取得了很多积极的成果。 1 3 国内外相关研究方法及研究成果 1 3 1 轴承热分析的发展状况 滚动轴承高速运转时，滚动体的一些动力学因素，如滚珠所受的离心力和陀 螺力矩等对轴承的发热影响尤为突出。因此，要对滚动轴承进行热分析，必须首 先对其进行相关方面的力学分析，力学分析是对滚动轴承进行热分析的基础。滚 动轴承的结构虽然简单，但滚动体的运动以及作用于滚动体的力却很复杂。滚动 轴承的力学分析就是研究轴承零件之间的运动和载荷关系，国内外有关滚动轴承 的力学分析大体上经历了以下几个发展阶段：静力学分析、拟静力学、拟动力学 3 铣车复合加t 中心电土轴热态特性研究 l ! 皇曼曼量曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇寡曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼鲁曼皇曼曼皇曼量曼曼 分析、动力学分析【1 1 1 2 】及热力学分析。 1 静力学分析 上个世纪5 0 年代由朗德贝格( a l u n d b e r g ) 和帕姆格林( a p a l m g r e n ) 提出。 此时为了简化轴承的运动学关系，忽略了轴承的惯性载荷、摩擦力的影响，也不 考虑润滑油膜的作用，将轴承的外载荷视为静载荷，主要是依靠h e r t z 接触理论进 行分析计算。由于没有考虑速度的影响，接触角、负荷分布、滚珠自转及公转转 速、内部滑动等计算结果与实际有一定偏差，目前已极少用作轴承的最终计算， 而是仅仅作为其它分析的基础。 2 拟静力学、拟动力学分析 在静力学的基础上，拟静力学的基本原理是依据一般的动力学方程，分析轴 承内部几何关系、钢球运转速度和接触弹性变形的相互影响，考虑稳定转动状态 下的力学关系。这个分析是以琼斯( a b j o n e s ) 在6 0 年代前后提出的滚道控制理 论作为基础，分析中考虑了惯性载荷和摩擦力矩的作用，将钢球的动力学方程组 化归为一组非线性代数方程组，以便用迭代法进行求解，解决了轴承简单的运动 规律分析问题。但是拟静力学模型中并没有考虑到轴承系统润滑油膜及其变化所 造成的影响。后来学者哈里斯( t a h a r r i s ) 解决了这个问题，他考虑弹性流体动 力润滑的作用，进一步发展了球轴承的拟静力学设计分析方法【2 3 , 2 4 】，随后哈里斯 又将自己的这种方法系统化，此时也可以说是进入了滚动轴承拟动力学分析阶段。 弹性流体动力润滑也是一个相对比较复杂的课题，在轴承高速运转过程中，润滑 剂本身的参数会随着温度的升高而发生改变，而润滑油膜的拖拽摩擦力矩计算更 是一个很难精确的数学问题。针对h a r r i s 的不足，美国普渡大学的邦利斯 限j b o n e s s ) 应用经验方程计算油膜切向力，获得与试验比较一致的结果。由于 轴承的拟静力学方法所用公式相对简单，计算结果又与实际比较相符，因而在相 当长的一段时间内，高速轴承的完整设计几乎都依此而进行。 3 动力学分析 沃尔特( c t w a l t e r ) 在1 9 7 1 年首先提出轴承动力学的分析模型，得到了轴 承零件瞬态运动规律，格伯特( p k g u p t a ) 等作了进一步系统研究。这种分析方 法考虑了轴承从启动开始的整个动力学过程，考虑了轴承零件的速度变化和相应 的惯性力影响，通过对动力学方程组进行积分，可求得任一瞬时滚动体和保持架 的位置、转速及轴承的内部滑动。近年来，m e c k 等又对g u p t a 提出的模型和计算 方法进行了改进。从理论的完整性来看，这种方法考虑的因素最全，其内容涉及 到转子动力学、接触润滑和摩擦等理论，可以分析振动特性、疲劳寿命、温度和 刚度等影响轴承性能的重要指标，但在数学上也是最复杂的。d d o w s o n 等发展 了接触润滑理论，使轴承中的摩擦力计算大大地前进了一步，从而使轴承的复杂 运动分析成为可能。9 0 年代，l c h a n g 等继续发展拟动力学模型和动力学模型， 4 硕十学位论文 并不断扩大应用范围，取得了一定的效果。 4 热力学分析 湖南大学的何晓亮以传热学和滚动轴承摩擦学为理论基础，考虑了不同预紧 方式的影响，在分析轴承内外圈受力、接触角、摩擦力矩的基础上，研究了轴承 系统的摩擦热。针对轴承系统，建立了网络节点法热态模型，研究轴承的热态特 性；对电主轴系统，则运用有限元分析软件a n s y s ，建立分析模型，计算其温度 场的分布及动态变化。洛阳轴承研究所的杨咸启根据热路网络热流量平衡原理， 采用热流网络交换法对轴承系统的温度场进行了计算机仿真，对轴承系统的传热 进行了分析，开发了分析软件s y b t e m t 2 5 , 2 6 。浙江大学的蒋兴奇教授等实验研究 了轴承结构和润滑参数对温升的影响【2 7 1 。文献【2 8 3 0 1 分别用解析法、边界元法和网 络法计算了轴承的温度分布。 天津大学的吴振勇、任城祖长期从事电主轴混合陶瓷球轴承热态特性的研究， 该课题组借助于有限元软件a b a q u s 对轴承进行分析，以深沟球轴承为分析对象， 利用对称性对其进行简化，分析其在轴向载荷下的应力应变，以混合陶瓷角接触 球轴承为研究对象，分析了高速运转下接触角以及旋滚比的变化情况，研究中一 定程度上考虑了摩擦生热对整个系统的影响，初步分析了轴承高速运转下的温度 场分布。 1 3 2 电主轴单元的热特性 1 9 9 1 年，日本学者s u n k y ul e e 等提出了主轴系统热特性的热闭环模型，进行 了主轴系统热特性的动力学仿真，并通过实验验证其有效性 1 3 “1 6 】。1 9 9 8 年，韩国 学者j i nk y u n gc h o i 等人采用有限元模型计算主轴一轴承系统的温度场分布，通 过与实验数据的对比发现：若选用合适的主轴传热系数，则采用有限元法进行主 轴系统热分析是完全可行的。k r u l e w i c h 对主轴温度场采用高斯积分法积分，建立 了具有解析解的线性模型，实验结果表明此模型可以预测轴向热误差的 9 3 - 9 6 。1 9 9 9 年，美国普渡大学的b e m db o s s m a n n s 和j a yf t u 教授提出了用 有限差分模型来描述完整高速电主轴的能量分布特性，分析了电主轴的传热机制 1 7 , i s ，预测了内置电机和轴承的温度场。2 0 0 1 年，b e r n db o s s m a n n s 和j a yf t u 教授进一步提出了高速电主轴的能量流动( 功率损耗分配) 模型，并分析了主轴 热源的定量特性。b o s s m a n n s 认为：当电能驱动电主轴开始工作以后，其中一部分 的功率损耗将转化为热能( 主要是铜损发热、铁损发热、杂散发热以及二级铜损 发热) 。这些热能形式的功率损耗发生在电主轴的定子和转子之间，热能损耗以外 的能量将转化为机械能( 用以抵消电主轴旋转部件同周围环境空间的空气摩擦损 耗、轴承系统的摩擦损耗、驱动主轴进行机械加工、为电主轴的加速提供机械动 力等) 。电主轴加速过程中所存储的能量在减速过程中能够又以摩擦损耗的形式转 5 铣车复合加下中心电土轴热态特性研究 i i 化为热能在电主轴单元内部存储起来。2 0 0 2 年，日本的s u s u m uo h i s h i 等人用实 验方法研究了以空气静压轴承做支撑的主轴单元的温度场分布特性，并测量出主 轴和轴承座孔的变形量【悖】。l ih o n g q i 等研究轴承配置形式对主轴单元热特性和动 态性能的影响，实验结果表明轴承方位对主轴的动力学参数有非常大的影响，而 且以不同的预紧方式调整轴承，轴承的外圈温度也明显不同【2 0 2 2 1 。c h i w e il i n 等 学者提出了一个综合电主轴动态、热态性能的模型，这个模型定量描述了由热变 形而引起的轴承预紧力变化对轴承刚度和整个主轴动态性能的影响，以及高速旋 转时，离心力和陀螺力矩对主轴动力学性能的影响，主轴单元动态性能对切削区 的影响等，并得出结论：高速电主轴在高速下刚度变小主要是由于离心力的影响。 但该模型未考虑外载荷和转轴本身热扩散和热变形以及轴承与轴承座配合随速 度、温度变化对主轴支承刚度的影响。j o r g e n s e n 开发了s h a b e r t h 的分析程序， 用来处理包括稳态行为在内的轴承热模型的载荷一顺应关系。但此程序不能处理 整个主轴一轴承系统。y u z h o n gc a o 分析了温度分布对主轴单元动力学特性的影 响。2 0 0 3 年，i g o r a l e x e e v i c hz v e r e v 等提出了主轴单元的热模型及其求解算法， 开发了基于有限元法的专用软件，通过与实验结果的比较，表明二者能很好的吻 厶 i = 1 o 国内也有相关方面的大量研究，主要有：广东工业大学的肖曙红、郭军、张 伯霖对高速电主轴的热一结构耦合特性进行了有限元分析，分析了电主轴的各种 热源及其发热量，建立了基于热一结构耦合的电主轴有限元分析模型，计算出电 主轴在各种复杂的热边界状况下的对流换热系数，利用有限元分析软件a n s y s 对电主轴的温度场及其热变形进行仿真分析，并进行实验验证。针对设计实例， 提出了改善电主轴热态特性的措施，对改进后的电主轴再进行有限元分析，表明 改进措施具有良好效果。广东工业大学的黄晓明对电主轴单元进行了有限元分析， 介绍了电主轴的结构及热态特性，对高速电主轴的发热量进行了基于经验公式的 理论计算( 例如：电机定子和转子的发热计算，包括机械损耗、电损耗、磁损耗 以及混合陶瓷球轴承的发热计算、轴承内部的发热计算等) ，介绍了电主轴的传热 机制，并进行了电主轴热态特性的有限元建模，在分析计算的基础上给出了抑制 电主轴热变形的措施。 浙江大学的曹俊、应济以h t m 8 5 0 g 型数控机床电主轴为研究对像，建立了接 触热阻的计算模型，分析了影响接触热阻大小的各种因素。提出了适用于工程应 用的半经验计算模型，并利用此模型对主轴系统中的接触区域进行接触热阻的计 算。建立了温度场计算的数学模型，建立了基于弹性力学、热变形方程、耦合方 程和有限元理论的热变形数学模型，并给出了热一结构耦合分析的具体方法。根 据机床工作参数和工作状况，确定了主轴系统的热源和边界条件，论述了a n s y s 有限元分析的过程及建模技术。在考虑接触热阻和不考虑接触热阻两种情况下， 6 硕十学位论文 对建立的主轴系统温度场模型的分析结果进行比较，论证了其对计算结果的影响， 并将计算结果与实验测量结果进行对比，对比结果显示：新模型更加准确可靠。 温度场分析的基础上，曹俊等人又对主轴系统进行了热变形分析，将计算结果与 实验数据进行比较，验证了计算结果的准确性，最后，曹俊等人还对主轴系统进 行结构优化，提出了改善主轴系统热特性的方案。 综上所述：国内外有关电主轴热态特性的研究主要集中在主轴内部热源的发 热量计算以及温度场分布特性方面，并有很多积极的研究成果。然而电主轴的热 变形及热误差补偿方面的研究则正处于发展阶段，热变形及热误差补偿技术涉及 传热学、力学、信号处理、故障诊断等相关学科，综合性很强，也是目前电主轴 热态特性研究的热点及难点问题。 1 4 本课题的来源与主要研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于国家重大科技项目：高档数控机床与基础制造装备。项目号： ( 2 0 1 0 z x 0 4 0 0 1 0 3 2 ) 1 4 2 主要研究内容 加工过程中，由于主轴电机的损耗发热使得电主轴内部形成一个非均匀分布 的温度场，正是由于温度场分布的非均匀性，使得电主轴产生热变形，热变形引 起的热位移使主轴轴承以及各个关联部件之间的接触状态发生变化，从而影响到 电主轴的运转性能，降低加工中心的加工精度。最大限度的抑制电主轴温升是减 少电主轴热变形的一个有效途径。本课题的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 分析论述电主轴内部两大热源的生热机理，以传热学及摩擦学为理论依 据，计算电主轴内部两大热源的发热量。 ( 2 ) 分析主轴系统的传热机理，精确计算电主轴与冷却润滑系统、电主轴与 周向空气间的对流、辐射换热系数，得到主轴系统的热边界条件。 ( 3 ) 对电主轴单元进行有限元建模，加载热边界条件，分析模拟电主轴的稳 态温度场分布情况。 一 ( 4 ) 在温度场分析的基础上，本课题还针对电主轴在温度场作用下的热变形 展开研究，建立电主轴单元的有限元模型，对有限元模型的各个节点施加温度载 荷，模拟其在非均匀温度场作用下的变形情况。 7 铣车复合加t 中心电土轴热态特性研究 第2 章铣车复合电主轴单元概述 2 1 铣车复合电主轴基本结构 电主轴采用变频电机与机床主轴合二为一的结构形式，主轴由内装式电机直 接驱动，省去皮带、齿轮、联轴节等中间变速和传动装置，具有结构简单紧凑、 效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。利用交流变频技术，电主轴可在额定 转速范围内实现无级变速，以适应各种工况和负载变化的需要。利用内装电机的 闭环矢量控制、伺服控制技术，电主轴不仅可以满足机床低速粗加工时大转矩、 高速精加工时大功率的需求，还可实现停机时角向准确定位。本课题铣车复合加 工中心电主轴尺寸小、结构紧凑。不但具有铣、钻、攻丝、镗等功能，还具备车 削功能，即可实现刀具动力主轴定向停车、锁紧。因此，比普通电主轴更加复杂， 技术含量更高。图2 1 所示为本课题电主轴结构简图。 1 前轴承2 主轴3 拉刀装置4 定子5 转子6 后轴承7 保护装置 8 定子冷却套9 密封装置 图2 1 电主轴结构简图 电主轴虽然具有诸多优点，但在高速旋转过程中，主轴电机的损耗发热及轴 承单元的摩擦生热直接影响着电主轴的使用寿命。因此，研究电主轴的热态特性， 掌握电主轴的生热及传热机理，抑制温升、减小热变形显得至关重要。多数电主 轴都会对电机定子进行强制循环冷却，并在定转子的气隙间通入压缩气体进行强 制冷却。 8 硕十学何论文 2 1 1 主轴电机 电主轴采用无外壳电机，电机的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。高速电主轴的定 子由具有高磁导率的优质矽钢片叠压而成，叠压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。 转子是电动机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能。转子 由转子铁心、鼠笼、转轴三部分组成。 主轴电机的三相绕组相位互差1 2 0 0 ，装于定子铁心的槽内。通入三相交流电， 三相绕组各自形成一个正弦交变磁场，三个对称的交变磁场相互迭加，合成一个 强度不变、磁极方向一定的恒速旋转的磁场，磁场的转速就是电主轴的同步转速。 异步电动机的同步转速1 1 由输入电机定子绕组电流的频率f 和电机定子的极对数p 决定( n = 6 0 f p ) 。电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和励磁电 压来获得各种转速的。由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子的三相交流电的 相序，因此改变电主轴输入电流的相序， 电机性能决定着电主轴整体的性能， 便可改变电主轴的旋转方向【3 1 1 。 正确设计电机的电磁参数十分重要。首 先其磁通密度要高，以增大单位体积的输出功率，缩小定转子体积；其次，电机 的机械特性以及电气特性，需要和高速加工相适应，必须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。 2 1 2 主轴轴承 高速高精密轴承是电主轴单元的核心支承部件。这种轴承具有高速性能好、 动载荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。轴承元件在高速运转时，由 于滚动体于轴承内外圈的摩擦发热，容易导致轴承的几何变形，影响到轴承单元 的工作性能。而引起摩擦发热的主要因素就是滚动体高速旋转时的离心力。滚动 体的离心力大小与自身材料的密度成正比，也与滚动体直径的三次方成正比，且 随着速度的升高，离心力增大，陀螺力矩也急剧增大。要提高轴承单元的工作性 能，必须设法减少离心力和陀螺力矩，工程中常用的方法为减小滚珠的直径、采 用质量轻的材料做滚珠等。 本课题电主轴支撑单元选用的是角接触陶瓷球轴承。陶瓷球轴承的滚动体由 氮化硅陶瓷制成。这种材料的热膨胀系数很小，在高温环境下不会因为温度的 原因导致轴承球膨胀，大大提高了整个轴承的使用温度。普通轴承的允许温升 大概为1 6 0 0 c 左右，陶瓷球的允许温升则可以达到2 2 0 0 c 以上。陶瓷球还具有无 油自润滑属性，陶瓷球摩擦系数小，所以使用陶瓷球轴承可以获得很高的转速。 目前，陶瓷滚动轴承的见刀值高达3 1 0 6 。另外，由于陶瓷材料具有密度小、硬度 高等优点，因此高速工况下滚动体的离心力要比普通钢制轴承小很多，这就有效 的降低了滚子与内外圈的摩擦力矩，可显著降低轴承单元的摩擦发热。 9 铣车复合加工中心电主轴热态特性研究 对于精度要求较高的主轴组件，为了提高主轴的回转精度，除了轴承本身的 技术规格以外，还需要在轴承内圈与主轴装配形式上仔细斟酌，工程中常采用定 向装配法或角度选配法来人为地控制各装配件的径向跳动误差的方向，使误差相 互抵消而不是误差累积。定向装配法可以部分的消除或减小误差，比较简单，容 易操作。角度选配法理论上可以完全消除误差，但与定向装配法相比增加了数据 处理环节，增加了装配难度和时间，高精度主轴或单件主轴装配宜采用。实际生 产中可根据具体的主轴装配要求选用合适的装配方法。 2 1 3 轴壳和转轴 轴壳是电主轴的主要组成部件，轴壳不但是整个主轴单元的支撑部分，同时 也是主轴的保护单元，很多的其他设备也需要通过轴壳与主轴实现连接。轴壳的 尺寸精度和位置精度直接影响着电主轴的整体工作性能和稳定性。高速加工设备 电主轴通常将轴承孔设计在轴壳上。这样设计的好处就是使得电主轴的整体结构 尽可能简单，体积尽可能小。大型或者特种电主轴，为了制造方便、节省材料用 量，还常常将轴壳两端均设计成开放型。 转轴是高速电主轴的主要回转体，其制造精度直接影响电主轴的最终精度。 成品转轴对于形位公差和尺寸精度要求都很高。当转轴高速运转时，由于质量分 布不均而引起的振动和颤振，严重影响其自身的工作性能。因此，必须对转轴进 行严格的动平衡，部分安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡设计。另 外，由于转轴的高速特性，转轴上的连接部分一般杜绝使用螺纹连接，键连接等 形式。 2 1 4 电机与主轴的联结 由于电主轴是机械主轴和电动机转子的合成体，为了保证电主轴高速运行的 稳定性，防止振动发生，电动机转子与主轴的联结也采用了轴承与主轴连接时相 似的配合形式一过盈配合。转子和机床主轴过盈配合量的大小是影响主轴性能的 重要因素。主轴高速旋转过程中，由于离心力的作用以及不同材料之间的属性差 异，转子与主轴在径向上将产生不同的膨胀变形，这将导致主轴与转子的过盈配 合量发生改变，从而影响到电主轴整体的工作性能。过盈量太小会影响到主轴传 递转矩的能力，严重时可能引起振动，甚至出现松动；过盈量太大又会给装配工 作带来难度，方法不当时不但影响装配精度，甚至可能导致配合表面破坏。因此， 必须对电动机转子与机床主轴间过盈量的选择方法进行认真研究，以适应高速电 主轴设计工作的需要。 1 0 硕十学位论文 i i 2 2 铣车复合主轴单元的冷却润滑系统 2 2 1 轴承的油一气润滑系统 对轴承进行润滑的主要目的是为了降低滚动体与内外圈之间的摩擦阻力和降 低滚动体的自身磨损，从而保证轴承的工作性能及稳定性。合理的润滑对减少轴 承发热，提高轴承性能、延长轴承寿命具有重要的意义。轴承润滑方式的选择与 轴承的转速、负荷、许用温升及轴承类型有关，工程应用中一般根据速度因数见力 值进行选择。其中，见为轴颈中径，m m甩为轴承的工作转速，q m i n 。 常用的润滑方式包括：油一雾润滑，脂润滑，喷射润滑、环下润滑等。脂润 滑由于润滑效果太差，高速时一般都不被采用，环下润滑及喷射润滑适用于超高 速工况。油一雾润滑也是一种比较常用的润滑方式。油一气润滑与油一雾润滑的 主要区别在于供给轴承的润滑油未被雾化，而是以油粒状被压缩空气吹入轴承， 向大气中排放的仅是空气，因此对环境没有污染。具有一定压力的润滑油在接触 点除起润滑外，还具有带走热量和密封轴承的作用。由于油滴是喷射而出，故可 穿透在高速运转时由于离心力的作用而在轴承周围形成的空气涡流，实现润滑轴 承的目的。油一气润滑用大量的压缩空气来冷却轴承，使得轴承的温升比用油雾 润滑时要低很多。据有关研究表明，使用油一气润滑的轴承温升可比使用脂润滑 时降低5 - 8o c ，比油一雾润滑降低9 1 6o c ，而且，随着见刀值的增大，降温的 效果会更明显。 本课题采用油一气润滑系统( 见图2 2 ) 来解决高速电主轴中陶瓷球轴承单元 的润滑和冷却问题。 压缩空气 图2 2 油气润滑系统原理图 油一气润滑系统的基本工作原理是：利用具有一定压力的压缩空气和经由定 量分配器按特定时间步长输出的微量润滑油在一定长度的管道中混合，通过压缩 铣车复合加丁中心电土轴热态特性研究 空气在管道中的流动，带动润滑油沿管道内壁不断地流动，把油一气混合物输送 到安装于轴承近处的喷嘴，经喷嘴射向内圈和滚动体的接触点，从而实现对轴承 单元的润滑和冷却。 2 2 2 电机定子油一水热交换冷却系统 电机工作过程中会产生大量的热，这些热量如果不能及时散失，会严重影响 主轴单元的工作性能。为了保证电机的绝对安全，提高散热效果，大多数的电主 轴都采用油一水热交换循环冷却方法对电机定子进行强制冷却，冷却系统结构如 图2 3 所示。系统采用连续、大流量冷却油对定子进行循环冷却，冷却油从主轴壳 体上的入口输入，通过定子冷却套上的螺旋槽，与电机定子进行充分的热交换， 将电机产生的绝大部分热量转移到油中，接着从壳体的出油口输出，然后流经逆 流式冷却交换器，与冷却水进行再一次热交换，将热油的温度降到接近室温后， 流回油箱，再经过压力泵增压输到入油口，从而实现循环冷却。 图2 3 电主轴油水热交换循环冷却系统 2 3 铣车复合电主轴的热态特性 机 2 3 1 电主轴的热源 电主轴工作过程中受内外热源的共同作用。见图2 4 所示。其中对电主轴整体 性能有重大影响的包含两大部分一电机损耗发热和轴承摩擦发热。电主轴的变形也 正是源于这两大热源共同作用的结果。电机的损耗发热是因为电机定、转子的各 种功率损耗，电机输出功率是它在空转时消耗的功率与切削时消耗功率的总和。 消耗功率的形式分为电损耗、磁损耗和机械损耗。 主轴轴承在高速运转过程中，存在着复杂的摩擦现象，角接触球轴承的摩擦 发热大体可以分为三种类型。 1 2 硕十学位论文 1 载荷相关的摩擦发热：轴承在预紧力和轴向载荷作用下会发生几何变形，同 时也就导致了旋转过程中的摩擦发热。这部分摩擦热被称为载荷相关的摩擦热。 2 润滑剂相关的摩擦发热：假设轴承滚动体与内外圈之间发生纯滚动，则轴承 润滑剂的动力粘度也是引起轴承发热的一个因素。 3 离心力相关的摩擦发热( s p i n r e l a t e d ) ：滚动体高速旋转时，由于离心力作 用使得滚动体与轴承内外圈之间发生陀螺旋转，同时产生摩擦热f 1 1 , 1 2 】。 电枢 发热 定子 转子 热源 内部热源 摩擦 发热 轴承 单元 切削 发热 工件 刀具 切屑 环境 温度 气温 变化 局部 温差 外部热源 执 辐射 阳光 照明 暖气 图2 4 内外热源的分析示意图 2 3 2 主轴的热变形机理 机床主轴在工作时受到内外热源的共同作用( 见图2 4 ) ，而且这些热源一般 来说都是非恒定的。由于加工条件不同，变化的程度也不同；主轴相关零部