（机械制造及其自动化专业论文）高速高精密机床主轴系统热变形分析与研究.pdf

摘要 摘要 高速加工能大大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。高速机床是实现高速加工的首要条件。高速电主轴是高速机床的核心部 件，在高速机床的研究和发展中有重要的意义。与传统的传动方式相比，高速电 主轴使用内装式电机，取消了诸如齿轮、皮带等中间传动环节，实现了机床的“零 传动”。 在高速机床中，电主轴单元各零件的刚度和精度都比较高，工作负荷却不大， 电主轴因切削力引起的加工误差比较小。然而，由于内装式电机的损耗发热和轴 承的摩擦发热，使得高速电主轴的发热量很大，高速机床由此产生的热变形造成 的加工误差达到零件总加工误差的6 0 - 8 0 ，大大地降低了高速机床的加工精 度。迄今为止，人们对高速电主轴的热态特性仍缺乏足够的认识，因此极大地限 制了高速电主轴的有效应用。高速电主轴在高速下会因热的原因而在瞬间出现故 障，甚至连警报信号都来不及发出。因此必须对高速电主轴的热态特性进行分析， 以降低电主轴的温升，减小电主轴的热变形。 本文首先介绍了高速电主轴基本结构和工作原理，分析了高速电主轴的热态 特性，并对油一水热交换冷却系统和油一气润滑系统的散热特性进行分析，在此 基础上建立了高速电主轴热态特性的有限元模型，用大型有限元软件a n s y s 分 析了电主轴的稳态、瞬态温度场和热变形，最后提出了改进高速电主轴热态特性 的主要措施。 关键词高速电主轴；温度场；热变形；有限元法；a n s y s a b s t r a c t a bs t r a c t h i g h s p e e dm a c h i n i n gi 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 dr e d u c i n gp r o d u c t i o nc o s t s d r a m a t i c a l l y h i g h s p e e d 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 a n dt h eh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ei s i t sh e a r tp a r t h i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l et e c h n o l o g yi s o fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dm a c h i n et 0 0 1 c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ls p i n d l e ，m o t o r i z e ds p i n d l ei se q u i p p e dw i t hab u i l t - i n m o t o r , s ot h a tp o w e rt r a n s m i s s i o nd e v i c e ss u c ha sg e a r sa n d b e l t sa r ee l i m i n a t e da n d z e r ot r a n s m i s s i o n ”i sr e a l i z e d s i n c et h ep a r t s s t i f f n e s sa n dp r e c i s i o no ft h es p i n d l eu n i t sa r eq u i th i g h ，a n dt h e l o a d sa r eu s u a l l yn o th e a v y , s ot h em a c h i n ge r r o rc a u s e db yt h ec u t t i n gf o r c ei s s m a l l h o w e v e r ，t h eh e a r tg e n e r a t e dd u et ol o s si nt h eb u i l t i nm o t o ra n df r i c t i o ni nt h e b e a t i n g si ss i g n i f i c a n td u r i n gh i g hs p e e dm a c h i n ga n d t h ee r r o rc a u s e db yt h em a c h i n e t o o l st h e r m a ld e f o r m a t i o ne v e nr e a c h e s6 0 - - - 8 0 o ft h et o t a lm a n u f a c t u r i n ge r r o r s o ft h ep a r t t h et h e r m a ld e f o r m a t i o no ft h es p i n d l ed e c r e a s et h ea c c u r a c yo f h i g h s p e e dm a c h i n et o o lg r e a t l y h o w e v e r , l a c ko fac o m p l e t eu n d e r s t a n d i n go f t h e r m a l p r o p e r t i e ss e v e r e l y l i m i t st h ee f f e c t i v e a p p l i c a t i o n o fh i g h s p e e d s p i n d l e h i g h s p e e ds p i n d l e i sn o t o r i o u sf o ri t ss u d d e nc a t a s t r o p h i cf a i l u r e se v e n w i t h o u ta l a r m i n gs i g n sa th i g hs p e e dd u et ot h e r m a lp r o b l e m s s ot h et h e r m a la n a l y s i s o ft h eh i g h - s p e e ds p i n d l ei sn e c e s s a r yi no r d e rt or e d u c et e m p e r a t u r e r i s ea n dt h e r m a l d e f o r m a t i o n s i nt h i sp a p e r ，t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fw o r ko fh i g h - s p e e dm a c h i n g a r ei n t r o d u c e df i r s t l y t h et h e r m a lp r o p e r t i e so fh i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ei sa l s o a n a l y z e d t h ea n a l y s i so fo i l w a t e rh e a tc h a n g es y s t e ma n dt h e o i l a i rl u b r i c a t i o n s y s t e m i sa l s od o n e t h em o t o r i z e ds p i n d l ei sm o d e l e da n di t ss t e a d y - s t a t e t e m p e r a t u r e ，t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ea n dt h e r m a ld e f o r m a t i o na n a l y s i sb yf i n i t ee l e m e n t m e t h o di sa l s od o n eu s i n ga n s y ss o f t w a r e a n dt h em a i nm e a s u r e st oi m p r o v e t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft 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 eb r o u g h tf o r w a r d k e y w o rd sh i g h - s p e e ds p i n d l e ；t h e r m a l ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；a n s y s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：型：三! ! 圣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：互丝隆羔 同期： 沙俄衍。，砂 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本研究课题的学术背景 随着商品经济的发展，市场竞争越来越激烈，企业为了生存和发展，为了抢 占更多地市场份额，要求加快产品得更新换代速度，缩短新产品开发周期，这是 现代制造企业的努力目标，也是制造技术领域要不断解决得问题。在这种情况下， 高速d h i 技术应运而生。 以高切削速度、高进给速度、高加工精度为主要特征的高速加工是当代四大 先进制造技术之一，是制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术。当今世 界各国都竞相发展自己的高速加工技术，并成功应用，产生了巨大的经济利益。 表1 1 对高速加工与传统加工进行了比较。 表i i 高速加工与传统加工的比较 t a b l e1 - 1t h ec o m p a r eb e t w e e nh i g h - s p e e dm a c h i n i n ga n dt r a d i t i o n a lm a c h i n i n g 普通c n c 机床带 漆 普通c n c 机床 h f k h s c 高速机床 快换电主轴 刀具直径m l i l 666 主轴转速r m i n 2 0 0 02 0 0 0 02 4 0 0 0 计算进给速度m m m i n 6 0 04 0 0 01 0 0 0 0 实际进给速度m m m i n 4 0 0 1 5 0 04 0 0 0 切深n l n l 0 50 20 2 切宽n l l t l o 5o 2 0 2 切削速度i t l l t l 3 m i n 1 2 0 01 8 0 04 8 0 0 表面粗糙度l a m 6 4 52 4 加t 时间h 9 4 2 6 2 82 3 6 高速加工的主要优势是： ( 1 ) 加工时间大幅缩短，加工节拍只有原来的1 4 ，这意味着一台高速机床可 以代替4 台普通c n c 机床； ( 2 ) 表面质量很高，不用再进行比如打磨等表面处理工序； ( 3 ) 零件可换性好，有利于模具行业制造； ( 4 ) 零件变形小，可以加工很薄的零件； ( 5 ) 从管理角度看，高速机床的投资可以很快收回，并能缩短交货期，占地 面积小，人工数量可减少。 要发展和应用高速加工技术，首先必须有性能良好的高速加工机床。因此， 在现代机床制造中，机床的高速化是一个必然的发展趋势【2 。高速机床是实现高 北京t 、l k 火学- r e ? - - 硕f j 学化论文 速加工的前提和基本条件。高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之 一，是装备制造业战略性产业。一个国家高速加工技术水平的高低，在很大程度 上反映在其高速机床的设计、制造技术上。在要求机床实现高速的同时，还要求 机床具有高精度和高的静、动刚度以及很好的热态特性。 高速机床技术主要包括高速单元技术和高速机床整机技术。高速单元技术包 括高速主轴单元、高速进给系统、高速c n c 控制系统等。高速机床整机技术包括 机床床身、冷却系统、安全设施、加工环境等。 高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个部分，是高速机床的核心 部件，其性能在很大程度上决定了整台机床所能达到的切削速度和加工精度。高 速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平 衡、噪声等多项相关技术，其中一些技术又是相互制约的，包括高速和高刚度的 矛盾、高速和大转矩的矛盾等。 传统机床主轴是由电动机通过中间变速和传动装置( 如带轮、齿轮、联轴器 等) 驱动主轴选装而工作的，可以分为分离式和直联式主轴( 通称为机械主轴) 。 与机械主轴相比，高速电主轴( h i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e ) 具有以下特点： ( 1 ) 主轴由内装式电动机直接驱动，省去了带轮、齿轮、联轴器等中间变速 和传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、振动小和精度高等特点； ( 2 ) 利用交流变频技术，电主轴可以在额定转速范围实现无级变速，以适应 机床工作时各种工况和负载变化的需要； ( 3 ) 利用内装式电动机的闭环矢量控制、伺服控制技术，不仅可以满足机床 低速重切削时大转矩，高速精加工时大功率的要求，还可以实现停机角向准确定 位( 即准停) 及c 轴功能，满足要求有准停和c 轴功能的加工中心、数控车床及其 他数控机床的需要； ( 4 ) 与其他形式的主轴相比，电主轴更易于实现高速化，其动态精度和稳定 性更好，可以满足数控机床进行高速切削和精密加工的需要； ( 5 ) 由于没有中间传动环节，电主轴工作时运行更加平稳，没有外来冲击， 主轴轴承承受的动载荷较小，延长了其使用寿命； ( 6 ) 由于实现了电动机和主轴的一体化、单元化，使电主轴能够由制造商进 行系列化、规模化和专业化生产，电主轴以商品的形式进入市场，成为专门的数 控机床功能部件之一，以供主机选用，促进了机床模块化和其他技术的发展。 高速电主轴作为高速机床的核心部件，同时也是该类机床的主要热源。在高 速机床中，电主轴单元各零件的刚度和精度都比较高，工作负荷却不大，电主轴 因切削力引起的加工误差比较小。然而，电主轴中电机的发热和轴承的摩擦发热 却是不可避免的，由此引起的热变形如果处理不当会严重的影响机床的加工精 度。因此，在高速加工中，电主轴的热态特性已成为影响加工精度的一个主要因 素，并直接限制电主轴转速的提高。 第l 章绪论 1 2 高速电主轴单元的热变形问题及其研究现状 机床工作时，在内、外热源的作用下，主轴系统的各个部分会产生不同程度 的温升。升温后，主轴和机床其他部件的空间相对位置和尺寸都将与温升前不同， 形成不同的温度场，进而产生不同程度的热变形，导致加工误差。在超高速机床 中，热变形引起的误差尤为突出，因为主轴系统各零件的刚度和精度都较高，负 荷却不是很大，主轴因受力产生的弹性变形所引起的加工误差常常是很小的，主 轴单元的热变形己经成为影响加工精度的主要因素，己达到零件总加工误差的 6 0 - - 一8 0 。然而在高速下，运动副之间的摩擦发热和温升却非常严重，如不采 取有效措施，则所引起的热变形就很大。 但是，内部的热源和接触热传导会随着轴承环境的变化以及工作环境的变化 ( 如：转速、冷却条件) 而变化。热变形特别容易受到环境的几何形状以及包括环 境温度在内的热边界条件的影响。在环境多变的生产中，强烈要求能够系统地预 测在不同工作环境下的机械性能与热变形之间的相互影响。因此，在设计阶段， 就需要系统地、定量地分析、预测这些热一结构间的相互影响，来完成机床的优 化设计和控制。因此，研究高速电主轴单元的热变形，进而为机床的热补偿提供 理论基础，已成为实现高速切削的关键。 迄今为止，人们对高速电主轴的热态特性仍缺乏足够的了解，因而极大地限 制了高速电主轴的有效应用。高速电主轴在高速下会因热的原因而在瞬间出现故 障，甚至连警报信号都来不及发出，因此当前在国际上对高速电主轴热态特性的 研究己成为热点。1 9 9 8 年，韩国学者j i nk y u n gc h o i 等用大型有限元软件a n s y s 分析了五轴加工中心的主轴一轴承热态特性，分析结果与实验所得数据相近。研 究结果表明，如果选用合适的主轴传热系数，则有限元法是主轴系统热态分析的 合适工具1 4 1 。2 0 0 1 年美国普渡大学的b e r nb 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模型，并分析了主轴发热的定量特性1 5 1 。2 0 0 1 年韩国的 s u n m i nk i m 对高速电主轴轴承的热态特性进行了详细的研究，研究了轴承预紧 力、过盈等的变化1 6 且7 。2 0 0 2 年，k u w a i t 大学的m o h a m m e da a l f a r e s 研究了角接 触轴承轴向预紧力对磨床主轴的动力学性能的影响 8 1 。2 0 0 3 年b w h ua n g 等学 者研究了各种轴承对电主轴动力学性能的影响 9 1 。2 0 0 3 年普渡大学的学者h o n g q i l i 使用动态热力学分析了轴承结构对主轴所产生的影响l m j ；而c h i w e i l i n 等学者 则建立了电主轴的综合的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1 1 1 j 。 国内从事这一领域研究的主要是洛阳轴承研究所、广东工业大学、东南大学、 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， 北京t 业大学t 学硕i ? 学位论文 并开发了名为s y b t e m 的计算程序【1 2j 。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，并对实际电主轴的发热与传递特性进行 了计算i ”j ，做了和s u n m i nk i m 相类似的工作。2 0 0 3 年，台湾学者w e i y a oh s u 等也提出高速电主轴的热态数学模型，并通过试验进行了验证1 1 4 j 。但现有的研 究，大部分上都是对主轴单独建模，再把轴承发热和电机发热等因素考虑进去。 不能完整地、动态地考虑轴承发热、电机发热、预紧力变化、部件的变形等热一 结构之间的相互影响。 研究高速电主轴热态特性的主要任务是分析计算主轴的热源、温升、温度场 和热位移场。可用的计算方法有很多种，主要有解析法、近似理论法和数值解法 等。由于解析法的求解过程比较复杂，有时甚至是无解，所以在工程实际中应用 较少。近似理论解法不以求得精确为目标，可使问题大为简化，其中的边点法是 一种有用的近似理论法。数值解法是以离散数学为基础、以计算机为工具的一种 解法，它虽不如解析法精确，但对于复杂的情况能得到满意的解答，因此数值解 法在工程上应用广泛。 有限元法是常用的数值解法，它的基本思想是把本来求解物体的温度随空 间、时间连续分布的问题，转化为在时间域和空间域有限个离散点的温度值的求 解方法，用这些离散点的温度去逼近求解物体的温度分布。 本课题采用有限元软件a n s y s 来分析高速电主轴的热态特性。a n s y s 有限 元软件是一个应用广泛的工程有限元分析软件，主要利用有限元法将所研究的工 程系统转化成一个有限元系统，该有限元系统由若干节点和元素组成，以取代原 有的工程系统。有限元系统可以转化成一个数学模型，并根据该数学模型得到该 有限元系统的解答，且可以通过节点、元素把结果表现出来。 1 3 国内外高速电主轴的发展现状 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 采用真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。由于高速切削技术 发展的需要和功率电子器件、微电子器件、计算机技术等的发展，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，使得在2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大 转矩、高转速的电主轴。 在国外，电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品，由一些技术水平很高 的专业工厂生产。国际上著名的电主轴生产厂家主要有：瑞士的f i s c h e r 公司、 b a g 公司和s t e p t e c 公司，德国的g m n 公司和f a g 公司，美国的p r e c i s e 公司， 意大利的g a m f i o r 公司和o e m a t 公司，日本的n s k 公司和k o y o 公司，以及瑞 典的s k f 公司等。 第l 章绪论 当前，国外专业的电主轴制造厂己可供应几百种规格的电主轴，其套筒直径 从3 2 m m 到3 2 0 m m 、转速从1 0 0 0 0 r m i n 到1 5 0 0 0 r m i n 、功率从0 5 k w 到8 0 k w 、 扭矩从0 1 n m 到3 0 0 n m 。除可满足各类高速切削的要求外，各厂家还可供应 各种规格带锥柄、用于现有普通加工中心、铣床、钻床作增速用的电主轴。最近 还出现了商品化的、轴承寿命更长的以水为介质的动静压轴承和磁悬浮轴承电主 轴以及交流永磁同步电机电主轴，使电主轴技术得到了进一步的发展。 国外中等规格加工中心电主轴的转速普遍已达到1 0 0 0 0 r m i n ，甚至更高。美 国f o r d 汽车公司和i n g e r s a l l 机床公司推出的删8 0 0 卧式加工中心主轴单元采用 液体动静压轴承，其主轴最高转速为2 5 0 0 0 r m i n 。德国g m n 公司的磁浮轴承主轴 单元的转速最高达1 0 0 0 0 0 r m i n 。i b a g 公司提供几乎任何转速、扭矩、功率、尺 寸的电主轴，产品范围很宽，其电主轴最大转速可达1 4 0 0 0 0 r m i n ，直径范围2 5 3 0 0 m m ，功率范围0 1 2 5 k w 8 0 k w ，扭矩范围o 0 2 3 1 0 n m 。用户可提出 自己希望的功率、扭矩曲线，甚至是特殊的机械结构。 国外高速切削技术的飞速发展和高速机床的迅速产品化并打入中国市场，刺 激了中国高速机床的研究和发展。洛阳轴承研究所开发的高速电主轴开始了商品 化。在1 9 9 9 年北京国际机床展览会上，国产的高速机床开始登台亮相。在中国 国际展览会c i m t 2 0 0 1 上，高速机床显示了持续增长的势头，展出的高速加工中 心和铣床的数目有了大幅度提高，而且技术更加成熟。主轴最高转速超过 1 0 0 0 0 r m i n 的国产高速机床有2 0 余台，其中，中捷友谊厂的机床最高转速达到 4 0 0 0 0 r m i n 。大连机床公司展出的五轴联动机床，主轴转速达2 0 0 0 0 r m i n 。 我国在高速加工的各关键领域如大功率高速电主轴单元、高加减速直线进给 电机、陶瓷滚动轴承等方面进行了一定的研究，但总体水平同国外尚有一定的差 距，在车间生产中实际应用的主轴转速一般很少高于1 0 0 0 0 r m i n ，快速进给速 度则在3 0 m m i n 以下。根据我国实际情况，适宜发展转速在1 0 0 0 0 r m i n 以上、 中等功率、由电机直接驱动的主轴单元，重点发展车削、铣削和磨削及加工中心 用的高速主轴单元，这种单元自身能形成一个动态性能良好的系统，可方便地组 合到多种加工工艺过程中。 1 4 本课题的来源与主要研究内容 本课题来自国家自然科学基金资助项目( 编号：5 0 3 7 5 0 0 2 ) 、北京市教委科技 计划发展项目( 编号：z z 0 7 0 4 ) 。 本课题的目的在于以高速、大功率的磨削类加工中心电主轴为研究目标，以 实现电主轴的高速、高力n - r _ 精度入手，着重从高速主轴热态特性方面利用有限元 技术进行分析研究： 北京t 业大学t 学7 眵! i + 学位论文 ( 1 ) 分析混合陶瓷球轴承摩擦发热和电机电枢的发热； ( 2 ) 分析高速电主轴热变形机理及其高速电主轴的传热机制： ( 3 ) 建立高速主轴系统的有限元分析模型，利用大型通用有限元软件a n s y s 计算高速主轴系统的稳态温度场、瞬态温度场及其热变形； ( 4 ) 总结出高速电主轴的温度场分布特点，并提出一些降低温升，改善温度 场分布，减小热变形的具体措施。 本课题的意义在于通过对高速电主轴系统的热态特性的有限元分析，掌握高 速电主轴热态特性的变化规律，为改善高速电主轴的热态特性提供必要的理论依 据，为促进我国高速加工技术的发展做一点实际工作。 第2 章，盎速i 乜主轴的结构、t 作原理及热态特性 第2 章高速电主轴的结构、工作原理及热态特性 2 1 高速电主轴的基本结构 高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对电主轴各个部分进行精 心设计和制造。电主轴基本机构原理如图2 1 所示。 轴壳 角接触陶瓷球轴承 油气入口 出水口 图2 1 高速电主轴的结构原理图 f i g2 - 1h i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 2 1 1 电主轴技术参数 本课题使用洛阳轴研科技股份有限公司生产的电主轴，型号为g d z 2 4 a ，其 部分技术参数见表2 1 。 表2 1 无外壳电机部分技术参数 t a b l e2 - 1s p e c i f i c a t i o n so ff r a m e l e s ss p i n d l em o t o r 额定功率 i 最高转速 i 额定转速i 额定功率消耗l频率 2 1 2 轴壳和转轴 轴壳是高速电主轴的主要部件。轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的 综合精度。通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电动机定子，必须 开放一端。大型或者特种电主轴，为方便制造、节省材料，可将轴壳两端均设计 成开放型。高速、大功率和超高速电主轴，应该严格控制整机装配精度。 转轴是高速电主轴的主要回转主体，其制造精度直接影响电主轴的最终精 度。成品转轴的行为公差和尺寸精度要求都很高。当转轴高速运转时，由偏心质 北京t 业人学t 学硕i j 7 ：何论文 量引起的振动，严重影响其动态性能。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。 2 1 3 主轴轴承 高速电主轴的支承部件是高速精密轴承。本课题选用目前在高速电主轴上应 用最广泛的混合陶瓷球轴承。该类轴承的滚动体使用瓯j 陶瓷球，轴承内外套 圈仍为g c r l 5 钢套圈。戳4 陶瓷的密度只有轴承钢的4 0 ，因此高速下陶瓷球 的离心力较钢球小，从而减少了对轴承外圈的压力，再辅以适当的润滑方式，就 可实现轴承的高速性。由于戳4 陶瓷球的热膨胀系数很小，弹性模量是钢的1 5 倍，所以轴承运转发热时，陶瓷球轴承的滚道间隙变化很小，相同负荷条件下， 陶瓷球轴承的位移约为钢轴承的8 0 ，刚度可以提高约2 0 。据研究表明，混合 陶瓷球轴承与同规格、同精度的钢轴承相比，其寿命可提高3 - 6 倍，速度可提高 6 0 ，轴承温升可降低3 5 4 0 。 高速电主轴一般采用角接触球轴承，本课题采用的接触角为1 5 0 的角接触混 合陶瓷球轴承，其技术参数见表2 2 。为提高主轴刚度，可以采用背靠背组配的 结构，该结构适用于轴向拉压不定的负载情况，并具有较高刚度，同时也能实现 较高的主轴转速。 表2 2 混合陶瓷球轴承的技术参数 t a b l e2 2s p e c i f i c a t i o n so fc e r a m i cr o i l i n gb e a r i n g 参数前轴承后轴承 型号7 0 0 9 c7 0 0 7 c 内径d ，1 1 1 1 1 1 4 53 5 外径d m m 7 5 6 2 滚动体数日z 6 僧 2 01 8 原始接触角口o 1 51 5 预紧力气，n 1 5 51 l l 润滑方式油气润滑 弹性模量e ，n m 轴承钢：2 0 6 x1 0 1 1 甄4 ：3 1 4 x1 0 密度p ，k g m 3 轴承钢：7 8 0 0 甄4 ：3 2 0 0 泊松比y轴承钢：0 3 甄4 ：0 2 6 2 1 4 定子与转子 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 第2 帚高速电手轴的结构、丁作原理及热态特忭 内腔带有冲制嵌线槽。转子是中频电动机的旋转部分，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。由于电主轴单 元是机械主轴和电动机转子的合成体，因此其精度要求高于一般主轴，加工难度 更大，需要很好的工艺分析和正确的工艺路线。 由于高速电主轴的极限转速高，为了保证电主轴运行的稳定性，防止振动发 生，电动机转子与主轴的联结也采用了同主轴轴承紧固相似的结构。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。由于主轴的转速高，在高速 下，会产生很大的离心力，转子与主轴在径向上将产生不同的膨胀，这将会影响 到主轴与转子的配合。过盈量大小的配合将会影响到主轴传递转矩的能力，甚至 松动，产生振动；过盈量太大，将会使得装配难度加大，影响装配精度，甚至破 坏配合表面。因此，必须对电动机转子与机床主轴间的过盈量进行认真研究，以 适应高速电主轴设计工作的需要。 2 2 高速电主轴单元的冷却润滑系统 2 2 1 轴承的油一气润滑系统 轴承的润滑主要是为了降低摩擦阻力和减轻磨损，保证轴承j 下常运转。合理 的润滑对提高轴承的性能、延长轴承的寿命有重要的意义。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，一般根据速度因数d 。n 值选 择。其中，d 。为轴颈中径，i l l l n ；n 为工作转速，r m i n 。本课题采用油气润 滑系统( 图2 2 ) 来解决高速电主轴中陶瓷球轴承的润滑与冷却问题。 压缩空气 图2 2 油气润滑系统原理图 f i g2 - 2o i l - g a sh e a te x c h a n g ec o o l i n gs y s t e mf o rm o t o r i z e ds p i n d l e 油一气润滑系统的基本原理是：利用具有一定压力的压缩空气和由定量分配 北京t 业人学t 学硕f j 学位论丈 器每隔一定时间定量输出微量的润滑油，在一定长度的管道中混合，通过压缩空 气在管道中的流动，带动润滑油沿管道内壁不断地流动，把油气混合物输送到安 装于轴承近处的喷嘴( 孔径# l m m ) ，经喷嘴射向内圈和滚动体的接触点实现润滑 和冷却，达到“最佳供油量”和“压缩空气进行冷却”的效果。 油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润滑外还有带走热量和密封的作用。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，使用油气润滑的轴承温 升可比使用脂润滑时降低5 8 0 c ，比油雾润滑降低9 1 6 0 c ，随着d 。n 值的增 大，降温的效果更明显i 2 。 2 2 2 电机定子油一水热交换冷却系统 本课题高速电主轴的油一水热交换冷却系统结构如图2 3 所示。 图2 3 电主轴油一水热交换循环冷却系统 f i g2 - 3o i l - w a t e rh e a te x c h a n g ec o o l i n gs y s t e mf o rm o t o r i z e ds p i n d l e 油泵连续输出大流量的冷却油，通过电机定子冷却套的螺旋槽与电机定子产 生热交换，再经输出回路进入“壳管式油一水热交换器”与水进热交换，使油冷 却后，流回油池，实现循环冷却根据主轴电机的要求，冷却油的入口温度瓦在 1 0 - - - , 4 0 0 c 之间，温升丁不得超过1 0 0 c1 1 6 1 。 2 3 高速电主轴的工作原理 高速电主轴的工作原理是：高速电主轴的电动机部分由产生旋转磁场的定子 绕组和把电能转换为机械能的转子组成。高速电主轴的定子和转子之间的空隙是 第2 币鬲理吧土轴的结构、t 作原理及热态待代 形成功率输出有效部分的主要部位。电主轴持续工作功率主要取决于电动机的机 械效率和冷却效果，机械效率的高低则主要取决于轴承高速化参数d 。万值，叱 为轴承中径，刀为主轴转速。 电主轴的线圈相位互差1 2 0 0 ，安放在定子铁心的槽内，通以三相交流电，三 相线圈各自形成一个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相叠加，合成一个 强度不变，磁极朝一定方向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。 异步电动机的同步转速甩由输入电动机定子线圈的频率厂和电动机定子的极对 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。在加速和制动过程中，通过提供相当于最大转矩的 频率进行加减速，以免电动机温升过高。由于电动机旋转磁场的方向取决于输入 定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可以改变电主轴的旋 转方向。 电主轴运转中，将会产生如振动、轴承发热、精度低和寿命低等问题。所以 从转速提出相应的功率参数、体积参数和刚度参数，作为定性评价高速电主轴的 可比度 p =ka易(2-1)t ，v ， 式中只功率参数，只= 昱以； 圪体积参数，圪= d f l n 2 ； k 常数，取k 8 3 6 1 0 - 5 ； 彳单位线负荷； b 空气隙磁通密度。 上式表明，只和圪值一经确定，电主轴的电磁负荷彳易也就可以大致确定。 增大只值必将导致圪或彳易增大。提高圪值要受到临界转速以及转子表面线速 度的限制；a b 的提高易导致电主轴的功率下降和温度升高；值增大，使轴承 的动载荷增大，振动加大，降低轴承的寿命。理论分析及实验表明：轴承是制约 电主轴的功率输出和精度的主要部件。所以，高速主轴轴承是电主轴的核心部件， 使用丸，l 值高的主轴轴承可以有效地提高电主轴的性能。吒以值就是反映电主 轴功率和转速的一个重要特性参数。 2 4 高速电主轴的热态特性 2 4 1 高速电主轴的热变形机理 机床主轴在工作时处于内外热源的作用下，而且这些热源一般来说都是非恒 北京t 业人学t 学硕l j 学位论文 定的。由于加工条件不同，变化的程度也不同；主轴各零部件的材料、形状、结 构各不相同，各自热惯性也不相同；再加上连接件之间结合面热阻、主轴表面不 尽相同的传热状况等因素，使主轴形成了一个复杂多变的温度场。在这样的温度 场作用下，主轴构件材料产生了热应力、热位移，而热应力场、热位移场随着材 料物理特性、零部件形状以及支承联接状态的不同而不同，从而使主轴系统的热 变形问题更加复杂，给研究主轴系统热变形带来很大的困难。 在加工过程中，影响机床加工精度的热源可分为内热源和外热源两大类( 见 图2 4 ) ，其作用过程如图2 5 所示【1 7 j 。 图2 _ 4 内外热源的分析不意图 f i g2 - 4m a i nh e a ts o u r c e so f m o t o r i z c ds p i n d l e 主轴系统的温升，通常是指在无外加载荷和无外部热源影响的条件下的典型 区域温度与环境温度的差值。工程上多用主轴前轴承的外圈作为测量系统温升的 典型区域。系统的温升越高，零配件的热变形越大，引起精度丧失的可能性越大， 系统的热态特性就越差。但是，影响主轴系统工作精度的关键因素并不是温升， 而是温度场的分布，也就是温度场对主轴轴线的对称性和温度梯度。也就是说， 如果系统的温升较高，但只要温度梯度不大，系统各点的温差不大，而且温度场 对主轴是对称分布的，那么，因温升引起的误差也不会很大。反之，即使系统温 升不高，但由于各点的温差大或温度场的不对称，也会造成很大的和难以补偿的 加工误差。 在温度上升的过程中，主轴本身将产生轴向伸长( 与轴承配置等具体结构有 关) ，主轴前后支承的中心位置在径向将升高。由于前支承的直径和负荷通常比 后支承大，因此前支承的发热量也比后支承大，故前支承和前箱壁的温度也要比 后支承和后箱壁的温度高，热变形的结果将使主轴的工作端“抬头i 墙j 。 第2 章高速电土轴的结构、t 作原理及热态特性 l 热源l ll t 作条件 发热 l i i 热态特性、边界条件 l 非均匀温度场 几何变形 各部分变形 相对位置 加工精度下降i 图2 5 主轴热变形机理图 f i g2 - 5s p i n d l ed e f o r m a t i o nc a u s e db yh e a tg e n e r a t i o n 2 4 2 高速电主轴的热源 高速电主轴的热变形主要是由电机发热与主轴轴承发热引起的。机床在加工 过程中，电机输出功率是它在空转时消耗的功率与切削时消耗的功率的总和。在 高速加工中，机床的空转功耗所转化的热成为高速加工机床的主要热源。主轴轴 承在高速运转中，存在着复杂的摩擦现象，加剧了发热强度，直接影响电主轴系 统的热变形。同时，由于电机发热传递给轴承，使轴承的温升更高，这就加速了 轴承的磨损而使精度丧失，严重时，甚至发生金属粘结烧伤现象，使轴承失效。 高速电主轴的轴承热源强度可用图2 6 所示的装置进行测量1 1 9 j 。 试验时，高速电主轴的内装式电机不启动，其动力从电动机经联轴器输入。 在联轴器上安装转矩传感器和转速传感器，测得电主轴的转速和转矩。由于主轴 上无外载荷，该转矩就是电主轴在这一转速下的总摩擦力矩。根据总摩擦力矩 m ( n m ) 以及转速n ( r m i n ) 就可算出空转摩擦功率损耗，也就是电主轴的轴 承热源强度，如式( 2 2 ) 所示。 n ：m n ( k w l( 2 2 ) 北京t q k 人学t 学硕f j 学位论文 图2 6 高速电主轴轴承热源强度的测量 f i g2 - 6m e a s u r i n gh e a ti n t e n s i t yf o rh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 高速电主轴的轴承热源强度越大，表明主轴系统在空转条件下的能耗越大， 引起热变形的可能性也越大，主轴系统的热态特性就越差。主轴轴承热源强度与 主轴系统的结构、轴承的型号、配置和预紧、润滑剂以及传动方式等都有密切的 关系。此外，轴承热源强度还是主轴系统工况条件的函数，转速和运转时间不同， 热源强度也不同。 2 4 3 高速电主轴的散热分析 在内外热源的作用下，高速电主轴各部分的温度有高低差异，而热量总是从 高温处向低温处传递，这就是传热。传热的三种基本方式是：导热、对流和辐射。 在这三种基本的方式的作用下高速电主轴与周围环境进行热交换：定子产生的热 量一部分通过对流由油一水热交换冷却系统的冷却油吸收并带走，另一部分通过 对流和辐射传递给定子周围的空气：转子产生的热量一部分通过导热直接传递给 主轴和轴承，另一部分通对流及辐射传递给定子；轴承产生的热量一部分传递给 轴承座和主轴，另一部分通过对流由油气润滑系统的润滑液吸收并带走；高速 电主轴的各外表面则与周围的空气进行对流和辐射换热。 2 5 本章小结 本章主要介绍了高速电主轴的结构特点、工作原理及其冷却润滑系统，并详 细分析了高速电主轴的热态特性，确定了高速电主轴的发热热源。 第3 帝高速f t l t 轴热源的发热汁剪： 第3 章高速电主轴热源的发热计算 3 1 电机定子和转子的发热计算 本课题使用的交流感应电机为对称的三相交流感应电机，整个电机的有效输 入功率p 订一加可以由下式通过式( 3 1 ) 确定 p d 一加= 4 3 u i c o s q ， ( 3 - 1 ) 电压u 和电流，的大小可以测出，相位角矽决定有效功率和实际功率的相对 大小。有效的电输入功率转化为机械输出功率，并以多种形式的损耗散失。 电机定子和转子的发热来源于电机的损耗。电机的损耗一般分为4 类：机械损 耗、电损耗、磁损耗和附加损耗【2 引。前三类损耗通常称为主要损耗。附加损耗 在总的损耗中所占的比例很小，约为额定功率的1 5 。研究发现，在电动机 高速运转条件下，有近1 3 的电动机发热量是由电动机转子产生的，并且转子产 生的大部分热量都通过转子与定子间的气隙传入定子中，只有少部分热量直接传 入主轴和端盖上，其余2 1 3 的热量产生于电动机的定子。假定电动机的额定功率 损耗全部转化为热量，则其中2 3 热量由定子产生，1 1 3 由转子