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高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析 摘要 随着我国国民经济的发展，为适应快速变化的市场和顾客化的 产品需求，高速切削以其能够大幅度提高生产效率，改善表面加工 质量，缩短生产时间，降低生产成本等优点成为制造业的重要发展 方向。高速数控机床已成为制造业技术的发展方向之一。高速电主 轴的性能优劣直接决定着高速数控机床的工作性能。因此，研究电 主轴的特性，对高速高精度数控机床工作性能的提高有着重大的意 义。 电主轴电机内置的结构在实现了零传动的同时，也增加了电主 轴的质量。在较高的转速下，电主轴产生较大的离心力与陀螺力矩， 严重影响了电主轴的动态特性。高速加工过程中电主轴热量的积累， 使电主轴产生热变形，降低了加工精度。因此，电主轴动静态特性 与热态特性的研究是电主轴技术研究的重点和难点。 本文以d v g 8 5 0 高速立式加工中心电主轴为研究对象，通过对电 主轴结构的设计与分析，在有限元软件a n s y s 中完成了电主轴静动 态特性以及热态特性的有限元分析，并通过温升实验与振动测试实 验对理论分析结果进行验证。具体的工作如下： ( 1 ) 根据d v g 8 5 0 高速立式加工中心电主轴的基本参数与技术 指标的要求，确定电机型号、轴承类型以及冷却系统等关键部件。 合理选择支撑跨距与悬伸量，使其满足静态特性要求，完成电主轴 基本结构的设计。 ( 2 ) 利用p r o e 软件，建立了电主轴主要零部件的三维模型， 并完成了电主轴的装配。 ( 3 ) 通过对电主轴结构的分析，在有限元软件a n s y s 中建立静 态特性有限元模型，对电主轴的静态特性进行分析，计算并验证了 电主轴的刚度。 ( 4 ) 分析影响电主轴动态特性的主要原因，在a n s y s 软件中建 立动态特性的有限元模型，求出电主轴的六阶固有频率与振型，并 计算出电主轴的临界转速。 ( 5 ) 分析了电主轴的两大热源，根据热力学原理与热量计算公 式计算了电主轴电机与前后轴承两大部分的生热量与相关传热系 数。在a n s y s 软件中分析了电主轴的热态特性，得到了电主轴的稳 态温度场，并提出为降低电主轴温升，应对其温升进行实时监测与 控制的方法。 ( 6 ) 设计了电主轴的实验平台，并完成了电主轴的温升与电主 轴振动测试实验。 关键词：电主轴、结构设计、动态特性、热态特性、实验平台 t h es t r u c t u r a ld e s i g na n ds p e c i f i c i t i e s a n a l y s i sf o rm o t o r i z e ds p i n d l eo fh i g h s p e e dv e r t i c a lm a c h i n i n gc e n t e r a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so faf a s tc h a n g i n gm a r k e tw i t h e u s t o m e r i z e dp r o d u c t s ，h i g hs p e e dc u t t i n gh a sb e c o m et h ei m p o r t a n t d e v e l o p m e n t d i r e c t i o ni nt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y h i g hs p e e d c u t t i n gi m p r o v e sm a n u f a c t u r i n gq u a l i t y ，d e c r e a s e sp r o d u c t i o nt i m ea n d r e d u c e sp r o d u c t i o nc o s t a sas t r a t e g i cs u b - i n d u s t r yi nt h em a n u f a c t u r ee q u i p m e n ti n d u s t r y ， h i g hs p e e dn u m e r i c a lc o n t r o lo fm a c h i n eh a sb e e no n eo fm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y si m p o r t a n td e v e l o p m e n t s t h e p e r f o r m a n c e o ft h e m o t o r i z e ds p i n d l ei sd e t e r m i n e db yt h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e s p e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c e i n i m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c e f o rh i g hs p e e da n dh i g ha c c u r a c yn u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n e s t h eb u i l t i nm o t o rs t r u c t u r eo ft h em o t o r i z e ds p i n d l eh a sr e a l i z e d d i r e c td r i v ew h i l ei n c r e a s e si t sq u a l i t y a th i g hs p e e d s ，t h em o t o r i z e d s p i n d l ep r o d u c e s as t r o n g e rc e n t r i f u g a lf o r c ea n dg y r o s c o p i ct o r q u e ， w h i c hh a s s e r i o u se f f e c t so nm o t o r i z e d s p i n d l e sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s t h em o t o r i z e ds p i n d l e sh e a ta c c u m u l a t i o nc a nc a u s e t h et h e r m a ld e f o r m a t i o na n dr e d u c et h em a c h i n i n ga c c u r a c y i naw o r d ， t h es t u d yo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i ca r ek e y p o i n t sa n dd i f f i c u l tp o i n t sf o rt h em o t o r i z e ds p i n d l e t h es u b je c tw h i c hw a ss t u d i e dw a st h em o t o r i z e ds p i n d l eo ft h e h 。s p e e d：i c a lm a c h i n i n g t e rd v g 8 5 0 a f t e rd e s ihigh s p e e d v e r t i c a l m a c t i l n l n g c e n t e rv s l g n m g s t r u c t u r ea n da n a l y z i n gi t ，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 c sa n d t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i cw e r ea n a l y z e di nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s t h ea n a l y s i s sr e s u l t sw e r ec o n f i r m e dw i t hat e m p e r a t u r er i s e t e s ta n dv i b r a t i o nt e s t t h e s p e c i f i c t a s k sf o rt h i sp r o je c tw e r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) c h o o s i n gt h ec r i t i c a lc o m p o n e n ts u c ha st h em o t o r ，b e a r i n g s a n dc o o l i n gs y s t e ma c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h es p e c i f i c a t i o n s a n dt h et e c h n i c a li n d e x t om e e tt h e r e q u i r e m e n t s o fs t a t i c c h a r a c t e r i s t i c ，t h es u p p o r t e ds p a nh a dt ob ew e l lc h o s e n ( 2 ) t h em a i np a r t so ft h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l h a v eb e e nd r a w ni n p r o es o f t w a r e t h e ni t sa s s e m b l yd r a w i n gh a sb e e nc o m p l e t e d ( 3 ) a f t e ra n a l y z i n gt h em o t o r i z e ds p i n d l e ss t r u c t u r e ，t h e s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c sf i n i t ee l e m e n tm o d e lw a sb u i l ti na n s y ss o f t w a r e t h e d i s t o r t i o nc h a r th a sb e e ng o t t e na f t e rp r o c e s s i n g ，w i t hw h i c hm a i n a x l e sr i g i d i t yh a sb e e nc a l c u l a t e d ( 4 ) a n a l y z i n gt h ep r i m a r yc a u s ef o rm o t o r i z e ds p i n d l e sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s t h e nb u i l tt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li na n s y ss o f t w a r e ， a f t e rp r o c e s s i n gt h es i xs t e p s n a t u r a lf r e q u e n c i e sw e r eo b t a i n e da n dt h e l i m i t i n gs p e e dw a sc a l c u l a t e d ( 5 ) u s i n g t h e t h e r m o d y n a m i cp r i n c i p l e s a n dh e a tc a l c u l a t i o n f o r m u l a ，t h em o t o ra n dt h eb e a r i n g s c a l o r i f i cv a l u ea n dt h eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n tw e r ec a l c u l a t e d t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h e m o t o r i z e ds p i n d l e st h e r m a lc h a r a c t e r i s t i cw a sd o n ew i t hs o f t w a r e ，b y w h i c ht h es t a b l es t a t et e m p e r a t u r ef i e l di sg o t t e n f r o mt h ea n a l y s i s r e s u l t ，o n ew a yt or e d u c et h es p i n d l e st e m p e r a t u r er i s ew a sp r o p o s e db y m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt h er e a l t i m et e m p e r a t u r er i s e ( 6 ) t h em o t o r i z e ds p i n d l e sp l a t f o r mw a sd e s i g n e d ，o nw h i c h t e m p e r a t u r er i s et e s ta n dv i b r a t i o nt e s tw e r ep e r f o r m e d k e yw o r d s ：m o t o r i z e d s p i n d l e ，s t r u c t u r a ld e s i g n ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c ，t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c ，p l a t f o r m i v 高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析 1 绪论 1 1 课题研究的目的与意义 随着我国国民经济的发展，为适应快速变化的市场和顾客化的产品需求， 高速切削以其能够大幅度提高生产效率，改善表面加工质量，缩短生产时间， 降低生产成本等优点成为制造业的重要发展方向。为提高机床和工具行业的开 发创新能力，提高我国工业产品的整体竞争力，带动一系列相关高新技术产业 的发展，需要加强高速切削技术的基础研究，包括高速机床的结构设计，高速 切削刀具系统、高速切削润滑与冷却系统、高速切削机床控制系统等的研发与 产业化，建立高速切削数据库，制订高速切削技术标准。高速立式加工中心， 属于高效、精密加工设备，用于箱体类、板盘类、阀类、凸轮和模具等基础零 ( 部) 件的加工，以高速铣削加工为主，可实现铣、钻、攻、镗等多种切削加 工方式，是汽车、航空航天、船舶、模具和仪器仪表等制造行业急需的重要高 档数控机床。 作为装备制造业的战略性产业，高速数控机床已成为制造业的技术发展方 向之一。高速主轴的性能优劣直接决定着高速数控机床的工作性能。主轴单元 主要由主轴，轴承，机架与动力源等结构组成。主轴单元组成对数控机床的高 速加工的加工精度、加工范围以及稳定性都起着关键性作用。为满足高速加工 高速高精度的要求，主轴单元应具有高刚度、高回转精度、温升小、低功耗、 高可靠性等特点。与此同时，主轴的动平衡、支承、润滑和冷却等都发挥着重 要的作用。 高速主轴单元主要分为电主轴、气动主轴和水动主轴三大类。高速主轴单 元类型不同，输出的功率也大相径庭。高速数控机床要求主轴要有较高的角加 速度与角减速度，以实现短时间内的升降速与指定位置的快速准停。传统主轴 的传送带系统在高速下不但会产生噪音和振动，发生打滑现象，而且会增加转 动惯量，使高速机床的快速准停很难实现。随着变频调速系统与电机矢量控制 技术等的迅猛发展，传统的高速机床的电主轴系统已经大大简化，带传动与齿 轮传动已被基本取代。 电主轴作为高速立式加工中心的核心部件，是一种新兴的机床主轴结构。 电主轴是“高频主轴 的简称，是内装式电动机主轴单元，英文称谓为m o t o r i z e d s p i n d l e 。它把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动 ，具有 结构紧凑、机械效率高、可获得极高的回转速度和回转精度、噪声低、振动小 陕西科技大学硕士学位论文 等优点。作为一种智能型功能部件，电主轴采用的是无壳电机。在主轴单元的 壳体内装有与电机定子装配的冷却套，转子与电主轴旋转部分以过盈配合的方 式做成一体。变频交流电机控制主轴的变速范围，以确保加工时对不同转速的 需求。电主轴的应用不仅大大提高了加工效率和加工质量，降低了产品成本， 而且可以实现薄壁零件和难加工材料的精密加工，代表了高速主轴技术的未来 发展趋势。 1 2 电主轴关键技术研究现状 对电主轴的研究，主要是对其关键技术的研究。目前，电主轴的关键技术 主要包括以下几个方面。 1 2 1 电主轴高速轴承技术 轴承的合理应用是实现电主轴精密化和高速化的关键。现在，液体动静压 轴承与角接触陶瓷球轴承被广泛应用于大功率的高速精密电主轴中。主轴常用 的支承为角接触球轴承。但是，当滚珠高速旋转时，会产生巨大的陀螺力矩与 离心力，使得动载荷超出机床的切削负荷。为减少钢制滚珠高速旋转时带来的 陀螺力矩与离心力，现在采用陶瓷球与钢制套圈混合的方法。陶瓷因其具有密 度小、热膨胀系数小、硬度高等特点，用其作为轴承滚珠时，大大减少了滚珠 高速旋转时的陀螺力矩与离心力。 目前高速电主轴主要采用的是角接触球轴承，但滚动轴承在极限转速和大 负载工况下功能丧失很快，所以液体动静压轴承的研究一直备受国内外电主轴 专家的重视。为实现高速化，对液体静压轴承油腔结构，层流、紊流流体惯性 的计算算法，润滑介质与轴承温升及热变形控制技术的研究将作为液体静压轴 承的主要技术难点进行研究。 1 2 2 高速电主轴主要性能的设计 高速电主轴的设计目标是高刚度、高精度、高可靠性以及良好的抗振性。 常用的高速电主轴特性的研究方法是在进行动力学分析时，将假设的弹簧代替 轴承的刚度，结合有限元分析法或者传递矩阵法等数值分析方法对电主轴各阶 的频率与振型进行计算。为避免共振现象的发生，设计时要使得电主轴一阶固 有频率大于主轴最高转速所对应的频率。该方法可用于分析角接触球轴承离心 力随主轴转速升高而导致主轴固有频率变化等动力学现象。具体分析时，可根 据电主轴的实际运行的特点，将主轴、电机、轴承与轴承座作为一个动力学系 统进行分析。还需考虑支撑刚度的非线性，电主轴的热态特性对电主轴动态特 性的影响，并根据分析结果对电主轴进行动态优化设计。 2 高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析 19 9 7 年，n s k 公司开发了滚动轴承的分析软件b r a i n 。同年，我国的电 主轴研究人员根据热路网络热流量平衡原理在计算机上完成了轴承温度场的 仿真。洛阳轴承所开发的轴承系统的温度场软件可对基本的轴承传热模型和辐 射模型进行分析。 1 2 3 高速电机设计与驱动技术 电主轴的电机与轴身两者相结合，主轴的旋转部分即为电机的转子。因此， 理论上可以把电主轴看成一个电机，高速下的动平衡即为研究重点。从机械的 角度考虑电主轴高速化的问题主要是轴承的发热与振动问题。从设计的角度考 虑，主要是定转子的功率与发热问题。从控制与驱动的角度看主要是调速性能 问题。异步型电主轴的功率容量增大时，转速增高时，需配备中心冷却系统以 降低主轴温升，同时需对轴承采用恒压预紧方式，以避免主轴轴向热变形带来 的影响。与之相比，同步型电主轴优点表现在：转子不发热，减少了电主轴的 s 热变形问题；转子无损耗，电主轴的功率密度大，工作效率高。并且转动惯量 小，易于快速启动和准停，低速性能好，易于实现精密控制。 1 2 4 高速电主轴的润滑系统 与油气润滑相比，油脂润滑的速度要远落后于油气润滑。定时定量的油气 润滑是指每隔一定的时间间隔注一次润滑油，并且可通过定量阀精确地控制每 次润滑油的量。油气润滑的方式通常是指润滑油在压缩空气的带动下，被吹入 陶瓷球轴承。 1 3 国内外电主轴的发展水平与研究动态 1 3 1 国内外电主轴的发展水平 我国高速电主轴的开发和生产已经近5 0 年，但国内高档的高速加工中心 主轴多为进口产品，由于加工中心用电主轴涉及电主轴高速旋转、润滑技术、 驱动控制、准停、准速、准位等机械与电气多方面技术，因此具有较大的技术 难度，目前国内高档的高速加工中心主轴多为进口国外产品。 国外电主轴最早用于内圆磨床，2 0 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。目前，世界上形成许多电主轴功能部件专业制造商，比较著名的有瑞 士的f i s 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、s i e m e n s 公司、 意大利的c a m f i o r 公司、美国的i n g e r s o l l 公司、日本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。国外生产的电主轴 ( 如图1 1 所示) 具有以下特点：电主轴功率大、转速高；采用高速高刚度轴 陕西科技大学硕士学位论文 承( 陶瓷、液体动静压、空气润滑与磁悬浮轴承) ；精密加工与精密装配工艺 水平高；配套控制系统水平高。 图1 - 1 国外数控机床用电主轴 f i g1 1m o t o r i z e ds p i n d l eu s i n gi no v e r s e an u m e r i c a l l ym a c h i n et o o l 目前，瑞士的米克朗公司生产的电主轴速度达6 0 0 0 0 r m i n 且均采用矢量控 制，在低速时可输出大扭矩。意大利c a m f i o r 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 r a i n ，美国i n g e r s o l l 公司推出了动静压轴承的电主轴，瑞 士f i s c h e r 公司推出在电主轴部件上装有在线自动动平衡装置的产品，应用在 加工中心上，每换一次刀进行一次包括刀具质量在内的自动动平衡，可在一秒 钟内消除8 0 - - 9 0 由动不平衡所引起的振动。 国内电主轴( 如图1 2 所示) 与国外电主轴相比，我国的电主轴广泛用于 小型模具加工和印制电路板加工行业，适用于常规零件、工模具、木工件的加 工。国产电主轴已经大量装备在我国全自动轴承内表面磨床上。加工中心用电 主轴涉及电主轴高速旋转、润滑技术、驱动控制、准停等机械与电气多方面技 术，因此具有较大的技术难度。 图1 2 国内数控机床用电主轴 f i g1 - 2m o t o r i z e ds p i n d l eu s i n gi nd o m e s t i cn u m e r i c a l l ym a c h i n et o o l 目前国内研究的电主轴技术也有所发展，其中河南省洛阳轴承研究所已经 4 高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析 研制开发了13 个系列的1 6 0 余种电主轴产品，该系列产品额定转速从5 0 0 0 r p m 到15 0 0 0 0 r p m ，功率从0 2 k w 到7 5 k w ，但其产品主要是用于轴承内圆磨削的 高速电主轴。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，锥孔振摆仅为o 0 0 5 m m 3 0 0 m m ，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 ，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 。 1 3 2 国内外高速电主轴技术的研究动态 电主轴的特性主要包括两个方面：电主轴动静态特性与电主轴的热态特 性。电主轴的动静态特性主要包含电主轴的变形、固有频率与临界转速的计算。 热态特性主要为电主轴在工作时温升情况。 电主轴的研究方法主要为解析法、近似理论解法和数值解法。解析法因其 在求解过程比较复杂，有时甚至是无解，在工程实际中很少应用。近年来，由 于计算机技术的发展，主轴单元特性的研究进入了一个新的阶段。各种新的计 算机研究方法如：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。其中有限元法是常用的数值方法。 在电主轴特性研究方面：2 0 0 3 年b w h u a n g 等学者研究了气压轴承和球 轴承两种不同类型的轴承对电主轴动力学性能产生不同的影响，得出两种类型 轴承分别在低阶与高阶下的固有频率d t 。y u z h o n g c a o 建立了电主轴的整体动 力学模型主要包含电主轴壳体、转轴及轴承部分，首先把轴承划分为有限元非 线性单元，估测了轴承刚度、接触力和主轴单元的固有频率，该模型的建立与 分析充分考虑到了离心力和陀螺力矩对主轴单元特性的影响 2 0 1 。2 0 0 6 年，英国 曼彻斯特大学的n a a b u k h s h i m ，p t m a t i v e n g a ，m a s h e i k h ，将以前用于研 究电主轴温升的几种方法进行比较，并找出了各个方法测量原理的相关性。同 时，通过热成像照相机测量出了对合金进行高速加工时的温度测量结果。因此， 在电主轴发热、加工时温度分布情况方面的研究有所发展t 2 1 1 。2 0 1 0 年，s h uy u n j i a n g ，s h uf e iz h e n g ，将传统的矩阵转换法与琼斯哈里斯非线性辗压轴承模型 相结合，研究了改变结构参量后对电主轴系统振动性的影响。研究结果表明， 轴间、电机尺寸，以及轴承参数对电主轴的动态特性影响很大【2 2 】。j e n q s h y o n g c h e n ，w e i y a oh s u ，在分析了人工神经网络无法准确建立电主轴热态分析模型 之后，提出了一种自回归动态热量模型，在该种模型下，可以对影响电主轴热 态特性的非线性时变因素一一冷却套，电机空气间隙等进行研究。研究结果表 明自回归动态热量模型的分析结果比之前的热态分析模型更加精确 2 3 1 。 近些年来在国内，很多的研究人员也在对这一课题进行深入的研究。国内 陕西科技大学硕士学位论文 目前在高速电主轴动态分析方面的主要研究是由中国纺织大学完成的。他们主 要采用r i c c a t i 传递矩阵法进行主轴的临界转速的分析。在热态特性研究方面， 2 0 0 3 年，黄晓明等研究人员，通过分析电主轴中内嵌式电机的损耗发热和轴承 的摩擦发热的原因与发热量的计算，以及对油水冷却系统与油气润滑系统的研 究，在a n s y s 有限元分析软件中建立了高速电主轴温度场的有限元模型，计算 出了电主轴的温度场，并提出如何改进高速电主轴温度场分布的主要措施【2 4 】。 2 0 0 4 年，熊万里等从轴承热态特性、轴承动态特性、主轴系统动态热态性能设 计及电主轴整体热态特性等角度出发，对影响电主轴工作性能的一些关键技术 进行分析，并介绍了国内外电主轴的相关技术研究进展状况【：s 】。2 0 0 6 年，胡秋 等研究人员分析了高速电主轴单元热变形机理与散热机制，描述了主轴单元热 态特性要求。在有限元分析软件a n s y s 中完成了对高速电主轴的热、结构耦合 分析。并且通过对电主轴有限元模型中的边界条件的改变，分析了在不同转速、 冷却结构设计、润滑方式、电机选择条件下，电主轴热、结构特性情况，并对 所得结果进行了比较分析。根据分析比较结果，提出了相关能够改善电主轴热 态特性的一些措施，为电主轴冷却结构的优化设计奠定了基础【2 6 l 。林伟青等研 究人员，提出了一种新的研究思路，将虚拟样机技术应用于高速电主轴热态特 性研究中，研究结果通过对实现虚拟电主轴的热态特性分析所需的关键技术的 阐述，电主轴三维建模的研究，热态特性如何获取，热应力与热变形分析方法， 补偿控制方法等，为电主轴设计提供了依据。该方法研究的整个设计过程中均 采用数字化，并且实现了人机结合下的计算机辅助设计分析，使得电主轴的设 计效率和质量有所提高f 2 7 】。2 0 0 8 年，肖曙红等研究人员通过分析运行时电主轴 产生的各种热源及发热量，在有限元软件中合理的建立了电主轴的热结构耦 合的有限元分析模型，并根据传热学原理计算出电主轴复杂热边界在各种状况 下的对流换热系数，最终在a n s y s 有限元分析软件中计算了电主轴的温度场， 并完成了电主轴的热变形仿真【：】。2 0 0 9 年，王保民等研究人员分析了高速电主 轴的发热和散热特性，并在有限元软件a n s y s q 了建立了高速电主轴热态特性的 有限元模型。通过边界条件的加载，计算出了电主轴的稳态温度场。同时，分 析得到了润滑冷却系统对电主轴温升的影响因素。最后提出：提高电主轴冷却 润滑系统的冷却效率不能有效控制转子轴的温升，但是可控制轴承的温升。因 此，为提高电主轴的加工精度而降低转子轴的温升，必须研究转子轴的冷却途 径和方法 2 9 1 。2 0 1 0 9 ，陈红蕾等研究人员，采用内部空间域离散化理论研究了 高速电主轴的温度场。通过建立电主轴的有限元仿真系统，求解已经离散化的 有限元单元，得出若干个热传导方程，并通过求解这些温度场方程，得到了所 6 高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析 需的温度场分布图【3 0 】。 本课题主要是对高速电主轴动静态特性以及热态特性的研究，从以上参考 文献可得知，在进行电主轴动静态分析时，首先要建立正确的物理模型，使其 接近高速电主轴在实际的工作过程中情况。同时考虑载荷，支撑，轴承等，进 而对电主轴的静态特性变形量即刚度以及动态特性中的固有频率、临界转速等 参数进行分析。在热态分析过程中，首先要建立正确的热态特性的有限元模型， 对电主轴实际工作过程中两大热源电机以及轴承的发热量进行计算，同时对冷 却套以及轴身与空气接触处的对流换热系数进行计算，将计算得到的发热量与 对流换热系数分别加载在电主轴的有限元模型上，计算得出高速电主轴稳态温 度场的分布图，为电主轴冷却方法的提出奠定基础。 1 4 课题来源及研究内容 1 4 1 课题来源 国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项( 2 0 0 9 z x 0 4 0 0 1 0 1 4 ) 1 4 2 课题主要技术指标 主轴最高转速不低于2 0 0 0 0 r m i n ；输出功率2 2 k w ；扭矩3 5n m ；回转精 度：主轴端部0 0 0 3 m m ，3 0 0 m m 处0 0 0 5 m m ；温升不大于2 5 ；噪声7 0 d b 。 平均无故障时间达到1 0 0 0 小时。 1 4 3 课题研究的主要内容 本课题以d v g 8 5 0 高速立式加工中心电主轴为研究对象，通过对电主轴结 构的分析以及三维模型的建立，一方面采用有限元分析法，在有限元分析软件 中，建立合理的电主轴动静态的有限元分析模型，对高速电主轴的静态特性、 动态特性( 固有频率与临界转速) 进行分析计算。在有限元软件中的热态分析 模块中，建立电主轴的热态有限元分析模型，分析计算电主轴电机定子、转子、 前轴承、后轴承的发热量，以及对流换热系数，分析得出电主轴的稳态温度场。 另一方面，在电主轴测试平台上，对电主轴振动特性以及温升特性进行测试。 通过传感器的数据采集得到在不同转速下电主轴的圆度误差以及轴心轨迹。通 过热电偶得到运转一定时间后电主轴在不同转速下的温度变化趋势。最后，将 有限元分析结果与实验测试结果进行对比，提出改善电主轴特性的措施。具体 研究内容如下： ( 1 ) 结合d v g 8 5 0 高速立式加工中心电主轴的基本参数与技术指标的要 求，初步确定出电机型号、轴承类型以及冷却系统等关键部件。根据主轴设计 方面的知识，合理选择支撑跨距与悬伸量，已达到刚度的基本要求，完成电主 7 陕西科技大学硕士学位论文 轴基本结构的设计。 ( 2 ) 在p r o e 软件中，建立出电主轴主要零部件的三维模型，并完成电 主轴的装配图与剖面图。 ( 3 ) 通过对电主轴结构的分析，在有限元软件a n s y s 中建立合理的静态 特性有限元模型，对分析单元进行选择，分析参数进行设置，完成对电主轴的 静态特性的有限元分析，计算并验证电主轴的刚度。 ( 4 ) 对影响电主轴动态特性的主要原因进行分析，在a n s y s 软件中建立 动态特性的有限元模型，完成电主轴的模态分析，求出电主轴的前六阶固有频 率与振型，并完成电主轴的临界转速的计算。 ( 5 ) 分析电主轴的主要热源，结合热力学原理与热量计算公式计算出电 主轴电机与前后轴承两大部分的生热量与相关传热系数、对流换热系数。在 a n s y s 软件中建立电主轴热态特性的有限元模型，分析出电主轴的热态特性， 得到电主轴的稳态温度场，并提出为降低电主轴温升，应对其温升进行实时监 测与控制。 ( 6 ) 搭建电主轴的实验平台，在该实验平台上并完成电主轴的温升与电 主轴振动测试实验。并将理论分析结果与实验分析结果进行比较。 8 高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析 2 电主轴的结构设计与三维建模 2 1 电主轴的结构设计 2 1 1 主轴的基本参数 a 电主轴的基本电参数如表2 1 所示。 表2 1 电主轴的基本电参数 t a b 2 - ib a s i ce l e c t r i c a lp a r a m e t e ro fm o t o r i z e ds p i n d l e b 主要技术精度要求为： 1 ) 电主轴锥孔0 0 0 3 m m 2 ) 带标准杆远端o 0 0 6 m m ( 四点平均值) 3 ) 轴向窜动0 0 0 2 m m 4 ) 动态振动值v 1 8 m m s 5 ) 主轴噪音8 0 d b ( a ) 6 ) 动态运行1 小时后温升2 5 c 外型尺寸与结构要素为： 1 ) 外型安装尺寸：0 2 4 0 h 6 4 0 0 + 油缸尺寸 2 ) 安装法兰尺寸为0 2 9 0 2 2中心节园为0 2 6 5 0 15 ，安装8 m 1 2 内六 角螺钉。 3 ) 结构要素：油气润滑方式 前轴承组3 v e x 6 5 n s7 c e l t d l ： 后轴承组2 v e x 5 5 n s7 c e l t l 4 ) o t t 松拉刀机构带油缸( 带卸载功能、带中空通水及气) ，刀柄为o t t h s ke 5 0 d 电主轴转速与电压、电流、功率与扭矩之间的关系 如图2 1 所示为电主轴转速与电压、电流、功率与扭矩之间的关系曲线。 从图2 - 1 中可以看出： 1 ) 转速在o 一6 5 0 0r m i n 范围内变化时，电主轴的电流、功率与转速呈线 性关系随转速的增大而增加，扭矩与电压值保持不变。 2 ) 转速在6 5 0 0r m i n 一1 2 0 0 0 r m i n 范围内变化时，电压值由3 0 0 v 增加至 3 8 0 v ；功率保持不变；扭矩、电流随转速的增加呈曲线趋势递减。 9 f i g 2 l l l a ：fe r t l 7 22 k w p 2 ：f n ) i 1 9 k w 5 3 2 a 1 1 = f ( n ) 3 8 0 f 、 0 4 n m 移 h e ：f ( n ) 7 。84 0 0 r r n i n 一一 一一 一一一一一一 m f1 _ j 高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析 径的关系为： !鱼：冬：i,x(d4-d4)64：l一(要)4：1一s4 ( 2 1 ) k，万d 4 6 4 、d 7 式中： k 、足一空心主轴与实心主轴的刚度 厶、，一空心主轴与实心主轴的截面惯性矩 从上式可以看出，s 0 7 时，对刚度的影响不大，但当占 o 7 时，刚度直 线下降。 ( 2 ) 主轴悬伸量 主轴悬伸量通常用字母a 表示，它是指主轴的前支承的径向支反力的作用 点到主轴前端面的距离。如图2 2 所示。 主轴的悬伸量对主轴的刚度影响很大，实验分析表明，悬伸量越小，主轴 的刚度越大，抗振性越好，缩短悬伸量可以提高主轴刚度，改善主轴抗振性， 因此，在设计过程中，应尽量选择较小的悬伸量。 f l 图2 2 主轴悬伸量示意图 f i 9 2 2s c h e m a t i cd r a w i n go fm o t o r i z e ds p i n d l eh a n g se x t e n d st h eq u a n t i t y 在满足电主轴结构要求的条件下，取主轴的悬伸量a 为10 0m m 。 ( 3 ) 主轴最佳跨距 主轴的跨距对主轴的性能影响很大，它是指主轴前后支承之间的距离，合 理跨距的选择在主轴设计中尤为重要。 主轴受力后发生弯曲，其所受载荷与产生挠度之间的关系为： y = 嚣和 ( 2 - 2 ) 式中。 y 一主轴受力后产生的挠度 陕西科技大学硕士学位论文 f 一主轴前端所受的载荷 卜一主轴的跨距( 如图2 2 所示) 口一主轴的悬伸量( 如图2 2 所示) 将主轴柔度y f 与主轴跨距与悬伸量之比z a 的关系绘制成曲线如图2 3 ，一 所不。 从图2 3 可以看出：在刚性支承，弹性主轴的情况下，主轴的柔度与l a 呈 线性关系( 图中直线1 所示) ，柔度随z 口值的增加而增大；图中益线2 表示弹 性支承与刚性主轴的情况，在支承变形很小的情况下，近似考虑支承受力后的 变形为线性变形。 由材料力学可知： y = 丢【( 鲁+ 1 ) 等+ 了2 a “】 ( 2 3 ) y 图2 3 主轴柔度与z a 关系简图 f i 9 2 3m o t o r i z e ds p i n d l er e l a t i o n a ld i a g r a mo ff l e x i b i l i t ya n dlla 式中： 墨一前支承的刚度 墨一后支承的刚度 故主轴柔度为： 蚩= i 1 。 ( 友k = - 1 + 1 f a 2 + 2 a z + l 】 ( 2 4 ) 图2 3 中曲线2 表明：在刚性主轴，弹性支承的情况下，当l a 值在小范 围内变化时，柔度随l a 值的增大而减少，当l a 值再次增大，柔度随l a 值的 增大缓慢降低。换言之，在l a 值很小时，刚度随l a 值的增大而增大，当l a 值增加到一定大小后，刚度随该值的变化缓慢。 图2 3 中曲线3 所示为实际情况，主轴前端受力后，支承与主轴都发生了 1 2 高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析 变形，因此，实际的情况是以上两种情况的综合，因此得到的总挠度的公式为： 砉= 刍+ 1 ) + 击【( 1 + i 【1 ，- f a 2 + 了2 a + 1 】 ( 2 - 5 ) ，= 故总柔度为： 砉= 刍+ 1 ) + 去【( 1 + i k i ，- f 0 2 + 了2 a + 1 】 ( 2 - 6 ) 从图2 3 曲线3 中可以看出，柔度有最小值，即刚度有最大值，当，= 厶时， 即可得主轴刚度的最大值。故，l 值为最佳跨距。一般取l a 值为2 3 5 。观察曲 线可知，最佳跨距右端的柔度比左端柔度值变化缓慢。而在最佳跨距值附近， 柔度变化不大。因此，在设计中应尽量满足最佳跨距。 2 1 3 电主轴电机的选用 电主轴的电机选用日本三菱集团生产的s j 2 8 4 3l1 t k 电机，如图2 4 所示。 ， 皿哑n 田 哑 _ - - (田叮 l 一 皿哪 ) 。一一 - 、 图2 - 4s j - 2 8 43 1 1 t k 型电机结构简图 f i g2 - 4d i a g r a mo fm o t o rs j 一2 8 4 311t k 电机低速与高速下功率( 扭矩) 一回转速度的特性曲线如下图2 5 所示。 定常时功率一回转速度特性曲线 功率o 肿- 低速转动 高速转动 m 。 a ) 定常时功率一回转速度特性曲线 陕西科技大学硕士学位论文 加减速时功率一转速特性图 功率 低速转动 高速转动 b ) 加减速时功率一转速特性图 定常时扭矩一回转速度特性图 扭矩 低速转动 高速转动 l n t - a o 。 t l q c ) 定常时扭矩一回转速度特性图 图2 - 5 电机不同工作条件下的特性曲线 f i g2 - 5c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fm o t o ru n d e r d i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n 2 1 4 电主轴的支承 主轴支承是主轴组件的重要组成部分，主轴支承主要是指主轴轴承、支承 座及相关零件的组合体，其中核心元件是轴承，对于具有内置式电机结构特点 的电主轴而言，轴承的选择就显得尤为重要。 主轴的支承一般分为两种方式：滚动支承和滑动支承。滚动支承指的是采 用滚动轴承的一种支承方式，其主要优点主要表现在适应转速和载荷变动范围 大；能在零间隙或一定的过盈量条件下稳定运转，旋转精度较高；轴承润滑较 滑动轴承方便，维修供应方便，并且摩擦因素也小。其缺点表现在因滚动体数