（机械制造及其自动化专业论文）高速电主轴单元的热态性研究.pdf

h i g h - s p e e de l e c t r i cs p i n d l eu n i tt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so f r e s e a r c h b y s h a o k u a n p i n g b e ( n o r t h w e s tu n i v e r s i t y ) 2 0 0 5 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 f e n g i n e e r i n g m 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 f t 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 e l i m i n g m a y , 2 0 1 1 母k 。 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。 作者躲邵宪孕 日期m 年歹月沙日 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。 作者签名召芦秀孕 导师签名 日期：h ，年 日忱，f 年二，l 日日 厂、 月月 石 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 高速加工技术概述1 1 2 电主轴技术的发展情况2 1 2 1 国外电主轴技术的发展情况2 1 2 2 我国电主轴技术的发展情况2 1 2 3 国内、外电主轴技术的对比3 1 3 高速电主轴热态特性的研究现状5 1 4 本课题的主要研究内容6 1 5 课题的提出和意义7 1 5 1 课题的提出7 1 5 2 课题的研究意义8 1 6 本章小结9 第2 章热态特性研究的基本理论1 0 2 1 热传导的概念及传热的基本类型1 0 2 1 - 1 热传导1 0 2 1 2 对流换热1 1 2 1 3 热辐射1 l 2 1 4 复合换热1 1 2 2 热传导的分析方法1 2 2 2 1 理论解析法1 2 2 2 2 比拟( 类比) 方法1 2 2 2 3 数值计算方法1 2 2 2 4 实验方法1 3 2 3 电主轴的热变形机理1 3 2 4 热弹性理论及其解法1 4 2 4 1 平面弹塑性力学的基本理论1 5 2 4 2 有限元传热分析的基本理论1 5 2 5 本章小结1 7 第3 章电主轴的主要热源分析及测温方案1 8 高速电主轴单元的热态特性研究 3 1 电主轴的热源分析1 8 3 2 测温点的选取1 9 3 3 温度测量方法的种类及特点2 0 3 4 常用温度测量法的分析2 1 3 5 温度测量方法及实验系统2 2 3 5 1 温度测量方法的确定2 2 3 5 2 实验系统的组成2 3 3 6 本章小结2 5 第4 章电主轴单元温度及热变形的有限元分析2 6 4 1 有限元方法概述2 6 4 2a n s y s 热分析的基本步骤2 7 4 3 电主轴热变形的a n s y s 分析2 8 4 3 1 构建主轴单元的几何模型2 8 4 3 2 电主轴边界条件及载荷的确定3 0 4 3 3 热及热应力的有限元求解3 1 4 3 4 主轴三维温度场的有限元分析3 2 4 3 5 主轴关键部位的温度随时间变化的曲线3 4 4 4 本章小结3 6 第5 章电主轴单元温度及热变形的数据分析3 7 5 1 建立电主轴内、外温升变化的联系3 7 5 2 电主轴温升产生的变形量3 9 5 2 1 主轴变形量的计算4 0 5 2 2 热变形系数4 l 5 2 3 热变形量的数据分析4 2 5 3l a bv i e w 介绍4 4 5 4 温升与电主轴热变形的数据分析软件设计4 5 5 4 1 功能定义4 5 5 4 2 数据分析方法4 7 5 5 数据分析软件程序设计4 7 5 5 1 前面板设计4 8 5 5 2 主程序设计4 8 5 5 3 分析功能模块5 0 5 5 4 原始波形图与频谱分析5 0 5 5 5 主轴转速和温度的分析程序5 0 硕士学位论文 5 6 本章小结5 1 第6 章温升的控制与误差补偿措施5 2 6 1 主轴温升对回转精度的影响5 2 6 2 应对电主轴热变形的措施5 3 6 2 1 控制主轴单元热源降低发热量5 3 6 2 2 热变形的补偿措施5 3 6 3 在线补偿的基本原理5 4 6 4 在线补偿系统的设计与开发5 5 6 5 本章小结5 6 结论5 7 参考文献5 8 致谢6 2 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 3 i 硕士学位论文 摘要 高速机床是先进制造技术中的重要成就之一，逐渐成为制造业的一个明确的 发展方向，也是经济发展的必然要求。高速机床已成为支撑国民经济发展的重要 基础装备，其技术水平的高低是衡量一个国家科学技术水平和生产力水平的重要 标志之一，也是促进装备制造业迅速发展的重要因素。高速电主轴是高速机床的 关键部件，改善电主轴的热态特性，以减少电主轴的温升和热变形是当前电主轴 研究的重要内容之一。 本课题针对高速电主轴的热态特性进行研究，并对温度变化引起的电主轴形 位偏差进行分析，具体内容如下： 1 通过对电主轴单元的主要热源分析，设计内外结合式测温方案，完成对其 主要热源的温度数据采集。 2 对电主轴单元进行a n s y s 仿真分析，得出电主轴单元的温度场和热应力分 布图，以及主轴关键部位的温度随时间变化的情况。 3 通过对电主轴单元温度及热变形量的数据分析，明确了影响主轴热变形量 的因素。并运用l a bv i e w 软件设计了温升与热变形数据分析系统。 4 对电主轴单元的温升控制与误差补偿措施进行分析和讨论，提出改善电主 轴热态特性的措施。 关键词：高速电主轴；热态特性；温升；a n s y s ；l a bv i e w 高速电主轴单元的热态特性研究 a b s t r a c t h i g hs p e e d m a c h i n et o o l i st h e i m p o r t a n t a c h i e v e m e n to fa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , g r a d u a l l y b e c o m e so n eo ft h ed e v e l o p m e n t so ft h e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yw i t hac l e a rd i r e c t i o n ，a n di st h e i n e v i t a b l er e q u i r e m e n to f e c o n o m i cd e v e l o p m e n t h i g hs p e e d m a c h i n et o o lh a sb e c o m et h ei m p o r t a n t s u p p o r t i n gn a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h et e c h n o l o g yb a s e de q u i p m e n tl e v e li s t h em e a s u r eo fan a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yl e v e la n dt h el e v e lo fp r o d u c t i v i t y , b u ta l s op r o m o t ea ni m p o r t a n tm a r ko ft h ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yr a p i d d e v e l o p m e n to fi m p o r t a n tf a c t o r s h i g h s p e e de l e c t r i cs p i n d l ei s t h ek e yp a r t so f h i g h s p e e dm a c h i n e ，i m p r o v ee l e c t r i cs p i n d l eo n e d i m e n i o nt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s ，i n o r d e rt or e d u c et h et e m p e r a t u r ee l e c t r i cs p i n d l et h e r m a ld e f o r m a t i o ni st h ec u r r e n t e l e c t r i cs p i n d l eo n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c s t h i sr e s e a r c hf o rh i g h s p e e de l e c t r i cs p i n d l eo n e d i m e n i o nt h e r m a lp r o p e r t i e so f t e m p e r a t u r ec h a n g e ，a n dt h ee l e c t r i cs p i n d l ef o r ma n dp o s i t i o nd e v i a t i o na n a l y s i s ，t h e c o n c r e t ec o n t e n ta sf o l l o w s ： 1 t h r o u g ht h e m a i ns p i n d l eu n i to fe l e c t r i c i t yh e a ts o u r c e sa n a l y s i s ，d e s i g n c o m b i n e dt y p et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tp r o g r a m ，c o m p l e t et oi t sm a i nh e a ts o u r c e t e m p e r a t u r ed a t ac o l l e c t i o n 2 t oe l e c t r i cs p i n d l eu n i ta r ea n s y ss i m u l a t i o na n a l y s i s ，o b t a i n se l e c t r i cs p i n d l e u n i tt e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n ，a n ds p i n d l ek e yp a r t so f t e m p e r a t u r ec h a n g e sw i t ht i m e 3 t h r o u g ht h ee l e c t r i cs p i n d l eu n i 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 n d a t a a n a l y s i s ，c l a r i f i e st h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h e r m a ld e f o r m a t i o na x i s a n du s i n gt h e l a bv i e ws o f t w a r ed e s i g nt e m p e r a t u r er i s ea n dt h e r m a ld e f o r m a t i o nd a t aa n a l y s i s s y s t e m 4 e l e c t r i cs p i n d l eu n i to ft e m p e r a t u r ec o n t r o la n de r r o rc o m p e n s a t i o ni sa n a l y z e d a n dd i s c u s s e dm e a s u r e sf o ri m p r o v i n ge l e c t r i cs p i n d l e ，a n dp u t sf o r w a r dt h em e a s u r e s o n e d i m e n i o nt h e r m a lp r o p e r t i e s k e yw o r d s ：h i g hs p e e de l e c t r i cs p i n d l e ；t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s ；t e m p e r a t u r e r i s e ；a n s y s ；l a bv i e w 硕士学位论文 第1 章绪论 目前，电主轴技术已经较为广泛地应用到机床制造业中，较为著名的公司有 瑞士的f i s c h e r 公司和i b a g 公司；德国的g m n 公司、f a g 公司和s i e m e n s 公司： 意大利的g a m f i o r 公司和f o e m a t 公司；美国的i n g e r s o l l 公司；日本的n s k 公司 和f a n u c 公司等，它们的技术水平引领着国际同行业的发展。国外电主轴制造厂 商可以提供的电主轴的规格为：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 0 r m i n ，功率从0 5 k w 到8 0 k w ，扭矩从0 i n m 到3 0 0 n m 。高速电主 轴是以d n 值( 主轴轴径或主轴轴承内径尺寸d 与主轴最大转速n 的乘积) 来定义 的。主轴轴承在油脂润滑条件下的d n 值最大只能达到o 5 1 0 6 m m r m i n ；在油 气润滑条件下d n 值最大能达到1 0 1 0 6 m m r m i n ；在采用角接触陶瓷球轴承后， d n 值最大只能达到2 0 1 0 6 姗r m i n 。而我国在高速电主轴方面的研究尚处 于初级阶段，有很多方面需要改进。其中，在高速电主轴热态特性方面的研究尤 其需要继续进行深入细致的研究，从而推动高速电主轴技术的发展。加强高速电 主轴相关领域的研究无疑将大大增强我国在装备制造业方面的实力，缩短与发达 国家在装备制造业方面的差距，从而增强我国整体的经济实力。 1 1 高速加工技术概述 2 0 世纪3 0 年代，德国c a r l j s al e m o n 博士提出高速切削的概念，直到 2 0 世纪8 0 年代才走出实验室乜1 ，各工业发达国家相继投入了大量人力和财力进 行高速切削技术方面研究，使此技术得以迅速发展。从此，高速切削技术成为了 现代数控加工技术的重要发展方向之一。高速切削加工的巨大吸引力在于实现高 速切削的同时，保证了加工的高精度。高速加工是制造业史上继数控加工之后的 又一项重大创新，促进和带动了一系列相关技术的发展，如高速电主轴、直线进 给直接驱动、高性能数控、高动态机床结构和高速切削刀具系统等。 高速机床是实现高速加工的前提和基础条件口1 。目前，工业发达国家都把生 产高速机床作为其重要的发展目标，高速机床的生产能力和技术水平已经成为衡 量一个国家制造技术水平的重要标志。 高速机床加工已在航空、航天、汽车以及超精密微细加工领域获得了广泛应 用。高速机床主要应用有如下几个领域： ( 1 ) 大批量生产领域； ( 2 ) 薄壁零件加工领域； ( 3 ) 难加工材料领域； 高速电主轴单元的热态特性研究 ( 4 ) 超精密微细加工领域。 电主轴是高速机床的核心部件，其性能决定着高速机床的性能。电主轴具有 如下主要特点h 1 ： ( 1 ) 电主轴由内装式电机直接驱动，取消了带轮、齿轮联轴器等中间变速装 置和传动件，消除了传动误差； ( 2 ) 减小了主轴的振动和噪声，提高了主轴的回转精度。电动机内置于主轴 两支承之间，可以较大地提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率，从 而提高了其临界转速。电主轴可以确保正常运行转速低于临界转速，保证高速回 转时的安全； ( 3 ) 电主轴采用交流变频调速和矢量控制，具有输出功率大、调速范围宽和 功率与扭矩特性好的特点； ( 4 ) 电主轴机械结构简单，转动惯量小，快速响应性好，能实现很高的速度、 加速度和定角度的快速准停。高速加工的最终目的是为了提高生产率，因此要求 主轴在最短的时间内实现高转速的速度变化，也就是要求主轴回转时具有极大的 角加速度，达到这个要求最经济的方法就是采用电主轴。 1 2 电主轴技术的发展情况 1 2 1 国外电主轴技术的发展情况 目前国外从事高速机床电主轴研发与生产的企业主要有：德国g m n 公司、西 门子公司、瑞士i b a g 公司、美国s e t c o 公司、意大利o m e l e t 公司、f o r m a t 公司、 g a m f i o r 公司、日本的n s k 公司和f a n u c 公司等。其中以g m n 公司、i b a g 公司、 s e t c o 公司、o m e l e t 公司、g a m f i o r 公司等几家的技术水平代表了世界先进水平。 电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面i ( 1 ) 继续向高速度、高刚度方向发展； ( 2 ) 向高速大功率、低速大转矩方向发展； ( 3 ) 进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展； ( 4 ) 电主轴内装电机性能和形式多样化； ( 5 ) 向快速启、停方向发展； ( 6 ) 轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化； ( 7 ) 刀具接口逐步趋于h s k 、c a p t o 刀柄技术： ( 8 ) 向多功能、智能化方向发展。 1 2 2 我国电主轴技术的发展情况 我国在电主轴技术方面的研究起步较早，2 0 世纪5 0 年代末、6 0 年代初就已 经将电主轴应用于工业生产中，但多用于专用内圆磨床，如轴承行业、油泵油嘴 2 硕士学位论文 行业中的专用内孔磨床等。“九五 期间，洛阳轴承研究所研制出拥有自主知识产 权的数控铣床用内装式电主轴单元，转速为8 0 - - 2 4 0 0 0 r m i n ，功率为2 5 2 9 k w ， 扭矩为4 8 6 n m 。产品综合精度接近或达到同期国际水平。 在电主轴技术方面还需要加大研究与开发的力度，其中大功率、高速主轴单 元技术是关键技术之一。此方面研究包括： ( 1 ) 主轴系统热态特性的研究； ( 2 ) 主轴系统的润滑与冷却技术的研究； ( 3 ) 内装式高速大功率主轴电机及其矢量控制调速和监控系统； ( 4 ) 主轴材料与结构；高速精密陶瓷滚动轴承、液体动静压混合轴承设计与 开发； ( 5 ) 主轴系统动态特性及柔性主轴及其轴承弹性支承技术的研究； ( 6 ) 主轴单元的自动平衡装置； ( 7 ) 主轴的多目标优化与虚拟设计技术研究； ( 8 ) 主轴换刀技术的研究。 2 0 0 6 年，国务院发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 年- 2 0 2 0 年) 中提到：“制造业是国民经济的主要支柱。我国是世界制造大国，但还不是 制造强国 【5 1 ；随着世界产业向发展中国家转移，我国正日益成为制造业产业基 地，国际经济界普遍认为，中国将成为世界工厂。 现代信息技术、新材料的发展，特别是微型计算机的普及应用，推动现代机 械制造技术发生了深刻的发展，概括起来主要表现在两个方面，一是向着以提高 产品加工的生产效率为主的高度自动化方向发展，另一个是向着以提高产品质量 为主的精密化方向发展。 装备制造业是机械制造业的重要组成部分，体现了一个国家制造业的发展水 平，也是机械工业发展和振兴的重点领域。目前，我国装备制造业发展非常迅猛， 已取得了很大的成绩，但还有很多的薄弱环节。在技术方面，装备制造业许多关 键性技术( 如刚度、热变形、振动、噪音、精度补偿等) 还需要进一步得到解决； 发展机床所需的基础技术和应用技术科研工作薄弱；很多关键零部件和关键技术 都是从国外进口口1 。高进口率的关键零部件和技术会给产业的发展带来极大的风 险阳1 。我国机床技术落后的现状给行业发展造成了很大的阻碍，这个问题必须尽 快给予解决。 总之，针对上述领域，集中有限的人力、物力协同攻关，取得具有自主知识 产权的核心技术对我国装备制造业的振兴及长远发展将具有重要意义。 1 2 3 国内、外电主轴技术的对比 国内从事电主轴研究与生产的洛阳轴承研究所、浙江大学和广东工业大学等 3 高速电主轴单元的热态特性研究 位总体上来说与上述国外公司相比在产品研发以及技术的创新能力上不具有优 ，但是具有相对的成本优势。国外数控机床主轴公司往往只负责主轴的总体设 、技术研发以及零部件装配和测试工作，其余的关键零部件例如：主轴轴承； 装电机；主轴松、拉刀机构：动力油缸或气缸；主轴轴承润滑油品等全部实行 购。在产业的分工与合作上具有很强的组织性和互补性，同时由于分工的细致， 床主轴生产商与各附件生产商之间形成了良性的循环，各自针对本专业的关键 术投入人力物力进行科技攻关，由此带动了国外电主轴行业的整体技术进步。 观国内厂商，各自为战，技术资源分散，除洛阳轴研科技作为原来国家轴承行 的技术归口所拥有一定的综合研发实力外，其他的企业基本上是在模仿国内外 行的产品进行生产，技术实力较弱，创新能力不强。在涉及电主轴轴承润滑、 部件材料选取以及加工工艺、内装式主轴电机、松拉刀接口、主轴轴承润滑油 等方面没有自己独立的知识产权和核心技术，尤其是在电主轴的附件领域如伺 驱动控制器、编码器、动力油缸或气缸、智能传感器等方面表现的更为突出， 本上被国外产品完全占有。这也是直到目前为止制约国产高档数控机床发展的 键原因所在。 国产电主轴和国外产品相比较，尚存在一些差距，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 在电主轴的低速大转矩方面，国外产品低速段的输出扭矩可以达到 o n 哪以上，有的更是高达6 0 0 n 髓( 如德国的c y t e c ) ，而国内目前则多在1 0 0 n 恤 以内。 ( 2 ) 在高速方面，国外用于加工中心电主轴的转速已经达到7 5 0 0 0 r m i n ( 意 大利c a m f i o r ) ，而我国则多在2 0 0 0 0 r m i n 以下。其它用途的电主轴，国外已经 达到了2 5 0 0 0 0r m i n ( 英国w e s t w i n d 公司d 1 7 3 3 ) ，而我国电主轴的最高转速为 1 5 0 0 0 0r m i n 。 ( 3 ) 在电主轴的润滑方面，国外高速电主轴轴承已经普遍采用先进的油气润 滑技术，而我国则仍然以油脂润滑和油雾润滑为主。 ( 4 ) 在电主轴的功能和性能方面，国外已经在发展多功能、高性能的数控机 床用电主轴产品，而我国仍然以常规产品为主要发展方向。 ( 5 ) 在电主轴的支承技术方面，国外已经有动、静压液( 气) 浮轴承电主轴、 磁浮轴承电主轴的成熟产品，我国在这方面则仍然处于科学研究或小批量试制阶 段。 ( 6 ) 在其它与电主轴相关配套技术方面，如电主轴内装电机闭环矢量控制技 术、交流伺服技术、停机角向准确定位( 准停) 技术、c 轴传动技术、快速启动与 停止技术、h s k 刀柄制造与应用技术、主轴智能监控技术等，国内仍然不够成熟， 或不能满足实际应用需要。 ( 7 ) 电主轴在高速运转时产生的摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起主 4 硕士学位论文 轴单元的温升和热变形，将直接影响机床的最终的加工性能，因此必须对主轴单 元的热态特性进行分析研究与控制补偿。 ( 8 ) 在产品的品种、数量及制造规模方面，尽管国内已经有部分企业在从事 电主轴的研究和制造，但仍然以磨床用电主轴为主，对于数控机床用高速电主轴， 则仍然处于小量开发和研究阶段，远没有形成系列化、专业化和规模化生产，还 无法与国外先进水平相比，远远不能满足国内市场日益增长的需要，还不具备与 国外产品相抗衡的能力。 1 3 高速电主轴热态特性的研究现状 机械加工中传热和热变形对加工精度的稳定性影响是逐步被人们所认识的。 最先被注意的是工件热变形，机床热变形影响加工精度稳定性的问题发现得比较 晚。1 9 3 3 年，瑞士对坐标镗床热变形进行了测量和研究，发现了坐标镗床热变形 影响机床的定位精度。对于其它机床的热变形研究还要晚一些。直到2 0 世纪5 0 年代，人们对机床热变形的规律还不甚了解。在机床上对精密零件进行加工时， 其尺寸精度的保证主要还是依靠操作工人边测量、边调整和边加工来实现。2 0 世 纪6 0 年代中期以前，对机床热变形的试验研究仅限于在各类机床的试验阶段，并 且局限于定性分析。随着航天技术及微电子工业的发展和机械加工日益精密化、 自动化和高效化，机床热变形对加工精度的影响逐渐得到研究人员的重视。 随着全球经济的飞速发展，对生产效率的要求也越来越高。这就要求高速加 工设备的核心部件一一电主轴的转速不断提高。随着机床主轴转速的提高，切削 进给速度和加速度的加大，机床发热将急剧上升。对于高速机床来说，热变形所 引起的加工误差可占总体误差的3 0 - 7 0 阳3 。热误差是影响机床加工精度稳定性的 重要因素，而主轴系统的热变形引起的误差是引起机床热变形误差的主要因素。 大量的实践与研究表明，主轴系统运行中所产生的热量是整机热源中的重要来源 之一，由此引起的热变形误差又是引起机床热变形误差的重要因素。因此，主轴 系统的热特性分析与研究对保证机床精度稳定性至关重要，是高速高精度机床必 须要考虑和解决的关键技术问题之一。由于电主轴的结构特点，使得其在高速运 转时，主轴的温升非常明显。如果不能妥善处理主轴的温升，会降低机床的加工 精度，严重时会使主轴轴承“抱死 。目前，电主轴的温升控制问题已成为制约高 速电主轴发展的关键因素之一。如何提高对电主轴温度参数的测量精度和实现对 主轴热变形的在线补偿与控制显得尤为重要。利用单片机数据采集技术对电主轴 的关键热源进行测量监控，一方面可以提高高速机床运行的稳定性并为对机床的 热误差控制补偿提供数据；另一方面有利于设备日常运行数据的收集口们。 对于机床热特性的研究工作不能简单地靠直接经验，而要靠科学的研究方法。 研究机床热变形应基于精确的测试；进而研究其机理，分析其规律，将正确的感 5 高速电主轴单元的热态特性研究 认识提高到理性认识。随着电子计算机的应用、有限元技术的推广和新测试手 的出现，使机床热变形的研究进入了定量分析阶段。世界上一些国家已经系统 进行了机床热变形试验研究和理论探讨，并初步建立了热变形研究理论基础。 我国在2 0 世纪5 0 年代开始了机床热变形的研究，在2 0 世纪6 0 年代初，我 很多单位都进行了热变形研究。1 9 8 4 年成立了全国机床热变形研究会，标志我 机床热变形的科研和学术活动进入了新的阶段。 国外方面，1 9 5 5 年，l u n d e r g 和p a l m g r e e n 通过实验研究提出的轴承摩擦力矩 验公式，成为计算轴承摩擦热的基础n 们。1 9 8 8 年，日本的n s k 研究中心的一些 者对陶瓷轴承在高速下的力学与发热数学模型进行了深入研究，并进行了实验 证1 。1 9 9 9 年美国普渡大学( p u r d u eu n i v e r s i t y ) 的b e r nb o s s m a n s 和j a yf t u 授提出了一个有限差分模型来描述高速电主轴能量分布，分析了电主轴的传热 制n 幻。同年f f a r c a s 学者研究了油脂润滑参数对滚动角接触轴承使用寿命的影 响n 羽。2 0 0 1 年b e r nb o s s m a n s 和j a yf t u 教授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n 钔。2 0 0 2 年，新加坡学者s h y e o 对超高速磨削电 主轴使用油气润滑的特征进行了深入研究n 朝。2 0 0 3 年美国普渡大学( p u r d u e u n i v e r s i t y ) 的c h i - w e il i n 等学者建立了电主轴的综合热态与动态模型，研究了 轴承预紧力对轴承刚度以及整个主轴动力学性能的影响以及离心力对主轴动力学 性能的影响u 们。 国内长期从事高速电主轴相关领域研究的机构主要有洛阳轴承研究所、浙江 大学和广东工业大学等单位。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，并开发了s y b t e m 的计算程序n 。2 0 0 3 年台湾学者j e n q s h y o n g c h e n 提 出了电主轴的基于热误差的热变形数学模型，并且进行了实验，验证说明该模型 具有较高的精度和鲁棒性n 钔。浙江大学的蒋兴奇分析了高速精密角接触球轴承的 发热特性和热传递特性，并对电主轴的发热与传递特性进行了计算n 引。从上世纪 9 0 年代广东工业大学高速加工研究室开始从事高速加工方面的研究，张伯霖、肖 曙红教授对高速电主轴设计制造中存在的问题以及高速电主轴的热态特性等进行 了研究，并应用p a l m g r e n 经验公式计算了轴承内部发热，并分析了轴承主要参数 对发热的影响乜们。国家高效磨削工程技术研究中心的何晓亮采用节点网络法对电 主轴轴承、主轴、轴承座为一体的系统建立了温度场计算模型，求出了系统各关 键点的温升情况，并分析了影响轴承温升的因素心。 总体上我国在高速电主轴热态特性方面的研究深度与工业发达国家相比还有 一定的差距，仍然需要继续进行深入细致的研究。 1 4 本课题的主要研究内容 针对重大专项中所采用的某型号高速加工中心1 5 0 0 0 r m i n 电主轴单元进行 6 硕士学位论文 研究，并结合产品研发过程中的实际问题确定了本课题的主要研究内容为： 1 对高速电主轴单元的主要热源进行分析，研究适用于主轴单元的测温方 法，设计出合理的测温方案。电主轴单元的热量传递示意图如图1 1 。 2 在a n s y s 有限元分析软件中对高速电主轴的三维模型进行分析，研究电主 轴单元在一定工作条件下的温度场分布、应力场分布图以及主轴热关键点的温度 随时间变化的情况。 图1 1 电主轴的热传递示惫图 3 利用数据处理软件对温度数据进行分析，建立电主轴的温升关键部位的内 部温度与外部温度之间的联系，寻求电主轴单元实际温升较为准确的情况。分析 电主轴单元在不同工作条件下的主轴温度与热变形量之间的联系，研究主轴的转 速、运行时间等因素对主轴单元的温升及主轴热变形量的影响。 4 运用l a bv i e w 8 2 0 软件系统，设计主轴转速、温升与热变形的数据实验 测试控制软件系统。 5 对电主轴温升的控制方法与误差的补偿方法进行研究，设计误差在线补偿 系统，实现对主轴热变形量误差的控制和补偿。 1 5 课题的提出和意义 1 5 1 课题的提出 一个国家高速加工的技术水平，很大程度反映在高速机床的设计和制造技术 上。高速机床不仅要求具有高的主轴转速，而且要求具有高的进给速度和加速度， 这是实现高速加工所必需的。因此，在对高速机床的研究过程中，对高速主轴系 7 高速电主轴单元的热态特性研究 和高速进给系统的研究是非常重要的。 对于电主轴系统，研究主轴系统的热态性能，分析其对机床最终性能的影响。 于高速主轴系统来说，主轴单元的热特性所引起的误差将直接影响机床最终能 达到的加工性能，因此有必要对高速机床主轴系统热特性进行研究，分析其对 床性能的影响。对机床主轴单元的热变形量进行分析计算，确定准确的数据来 证机床的自身精度要求，也是非常重要的。 本课题是以国家科技重大专项研发高速加工中心( “高档数控机床与基础制 装备”科技重大专项课题2 0 0 9 z x 0 4 0 0 1 - 0 1 5 ) 项目中的高速电主轴单元为研究 象，对主轴的热态特性进行深入的理论研究，并进行相关的实验分析。该项目主 对主轴单元的热关键点进行分析，采用先进的温度测量方法；计算机床运行时 生的热量及主轴的温升，研究高速电主轴系统的传热学特性，确定电主轴系统 热力学参数；分析主轴受热后的热变形量，采用有限元分析的方法，对主轴单 的热一变形量的耦合特性进行分析和研究；研究误差补偿方法，设计合理的误差 偿系统，确保主轴单元的自身精度。 项目中高速电主轴单元的最大加速度为l g ( g 为重力加速度) ，最大进给速度 5 0 m m i n ，最高主轴转速1 5 0 0 0 r m i n ，最大线速度为1 5 7 m s ，d n 值为1 - 5 6 f i l m r m i n ，综合性能在国内处于领先地位。对这样一台加工中心的研制和开 需要解决许多关键技术问题。为此，需要对机床床身结构动态特性、高速电主 的动平衡精度、高速电主轴的温度平衡等关键技术问题进行理论计算、有限元 析和系统动态仿真等研究工作。 5 2 课题的研究意义 本课题重点研究高速加工中心电主轴单元的热态特性问题。电主轴是高速加 中心的核心部件，其性能的好坏将直接影响高速加工中心的最终性能。论文针 电主轴单元的热源进行分析，确定主轴的热关键点，并收集温度数据。通过有 元分析软件对高速电主轴的三维模型进行分析，研究电主轴单元在一定工作条 下的温度场分布、应力场分布以及主轴热关键点的温度随时间变化的情况。运 数据分析软件，建立电主轴的温升关键部位的内部温度与外部温度之间的联系， 分析电主轴单元在不同工作条件下的主轴温度与热变形量之间的联系，为机床 产厂家解决实际中遇到的主轴单元温升控制与热变形补偿问题提供了理论依据 可行的方法。 在课题的研发过程中，与青海一机数控机床有限责任公司合作，双方发挥各 优势共同进行研究工作。课题研究在借鉴前人的研究成果的基础上，利用成熟 热力学理论及温度检测技术，集成创新应用温度数据的测量方法，更为准确的 述了电主轴单元的温度场分布情况。与企业结合，可以有比较明确的研究对象， 8 硕士学位论文 并与企业进行有效的信息交流与反馈，结合实际情况进行调整和检验，提高了研 发进程。 更为重要的是，所做的研究工作与工程实践紧密结合，针对高速加工中心电 主轴单元的热态特性问题进行研究，解决存在的技术难题。所取得的成果不仅可 以为该型号高速加工中心的成功研发奠定理论基础，还为今后同类高速加工中心 的温升控制与热误差补偿问题提供了相关的技术参考和方法借鉴，推动高速加工 中心的国产化进程。 1 6 本章小结 本章首先阐述了高速加工技术的产生及国内外的发展状况，介绍电主轴技术 的发展现状，及其以后的重点研究方向，分析我国在高速电主轴技术方面与国际 先进技术存在的差距。并针对高速电主轴热态特性的研究，在分析国内外的研究 内容、现状及进展的基础上，提出了本文的研究目的和内容。 9 凡是有温差的地方，就有热量自发地从高温物体传向低温物体。由于自然界 和生产过程中几乎到处存在着温度差，所以热量传递就成为自然界和生产过程中 一种非常普遍的现象。热能是物质能量的一种表现形式，传热过程则是热能的传 播过程。热量传递有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。实际的热量传递 过程往往是由其中两种或三种基本传热方式组成的。下面将这三种基本传热方式 分别介绍瞳引。 2 1 1 热传导 当物体内有温度差或两个不同温度的物体接触时，在物体各部分之间不发生 相对位移的情况下，物质微粒( 分子、原子或自由电子) 的热运动传递了热量， 这种现象被称为热传导，简称导热。只要存在温度差，物体都具有一定的导热能 描述通过平板的 ( 2 1 ) 和温度升高的方 系，称为导热的 硕士学位论文 2 1 2 对流换热 热对流指在有温差的条件下，伴随流体的宏观移动发生的因冷热流体互相掺 混而导致的热量迁移。专指流体内部互相之间的热量传递方式。工程中的传热大 都发生在不同温度的流体和固体表面之间，称为对流换热( c o n v e c t i o nh e a t t r a n s f e r ) 。对流换热是热传导和热对流两种传热机理联合作用的结果。根据引起 流体流动的不同原因，它可以分为强迫对流和自然对流两大类。 对流换热的热流速率方程为 q = a ( t - t ) ( 2 2 ) 式中： 萨表面传热系数，单位为w ( m l ) 0 一物体表面温度，单位为 f ，一流体温度，单位为 对流换热的热流速率方程又被称为牛顿冷却公式，它表明对流换热时单位面 积的换热量正比于固体表面和流体之间的温度差。 2 1 3 热辐射 热辐射是另一种传热的形式，其实质就是因物体具有温度导致以电磁波形式 进行的热量转移，物体发射热辐射射线的能力与它的热力学温度以及表面性质有 关。在比较各种实际物体表面发射热辐射能力时，通常采用发射率 ( e m is s i v i t y ) 文习惯上也称为黑度) 来描述物体与黑体发射率的差别，即 q = 霄 ( 2 3 ) 式中： o = 5 6 7 1 0 8 w ( m 2k 4 ) ，为黑体的辐射常数； 瓦一黑体表面的热力学温度，单位为k 。 2 1 4 复合换热 在实际传热应用问题中，有很多时候除了发生辐射热交换以外，还同时伴随 热表面与周围流体间的自然对流或是强迫对流换热，这种情形叫做复合换热 ( c o m b i n e dc o n v e c t i o na n dr a d i a t i o nh e a tt r a n s f e r ) 。这时表面净失去( 或净 得到) 的热量应该等于对流、辐射两部分换热量之和。于是得到复合换热表面传热 系数口 口= 晖+ ( 2 4 ) 式中： 瓯一辐射换热表面传热系数，w ( m l ) 研究方法。理 算2 们。 变量法。它的 为精确解法。 能得出这类问 分繁琐，在工 整体满足系统 似解法如积分 如果边界条件 模拟导热中的 没有内热源的 方法求得温度 换热中可以用 分析方法帮助