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(机械工程专业论文)加工中心电主轴系统设计与分析.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
大连理工大学专业学位硕十学位论文 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质量的高速机床,而高速电主轴是高速数控技术和加 工中心的关键部件。电主轴系统的静态、动态刚度是影响性能主要难题之一。因此,在 设计时对其进行详细的静、动态分析,对于进一步提高高速机床的工作性能有十分重要 的意义。 本文对电主轴设计的诸多技术问题进行了阐述,并针对本课题提出解决方法,完成 电主轴的结构设计。运用a n s y s 软件,用有限元分析法对高速电主轴的动静态特性进 行了研究分析,具体包括: ( 1 ) 提出电主轴结构设计中一些关键性的技术问题( 如轴承选型、电机的选择、动 平衡设计、主轴的润滑密封形式、冷却形式等) ,并逐一加以解决,完成电主轴结构设 计。 ( 2 ) 应用p r o e 和a n s y s 软件对主轴建立准确的三维有限元模型,并对高速电主轴 单元在典型工艺参数下主轴所受切削力、电主轴刚度等进行有限元分析,得出了电主轴 的静刚度。 ( 3 ) 应用a n s y s 动态分析功能,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;并通过分析得出了电主轴的动态特性。 关键词:电主轴;有限元分析;静动态特性;模态分析;谐响应 加工中心电主轴系统设计与分析 t h es n u c t l ed e s i g na n dc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s o f m a c h i n i n gc e n t e rm o t o r i z e ds p i n d l es y s t e m a b s 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 ri n c r e a s i n g p 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 h i g h - s p e e dm a c h i n et o o li st h e p 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 dm o t o r i z e ds p i n d l e i sac r i t i c a lu n i t o f t h eh i g h - s p e e dn cm a c h i n et o o la n dt 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 cs t i f f n e s s o 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 yi n f l u e n c e si t sf u n c t i o n s o ,i ti si m p o r t a n tt oo p t i m i z et h ec o n s t r u c t i o nd e s i g no ni m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h e h i g h - s p e e dm a c h i n et o o lb ys t u d y i n gt 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 so fh i g h s p e e d m o t o r i z e ds p i n d l e 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 df i n d o 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 eb yf e m d e t a i l so fs t u d i e sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) t h ec o n s t r u c t i o no f t h em o t o r i z e ds p i n d l ei sd e s i g n e db a s e do ns o l v i n gs o m ec r i t i c a l p r o b l e mi nc o n s t r u c t i o nd e s i g n 。s u c ha sc h o i c eo fb e a r i n g , c h o i c eo f m o t o r , d e s i g no fd y n a m i c b a l a n c e ,s t y l eo fl u b r i c a t i o na n ds e a l ,s t y l eo fc o o l i n g , a n ds oo n ( 2 ) t h e3 df e m m o d e li se s t a b l i s h e du s i n gp r o ea n da n s y sa c c u r a t e l y c a l c u l a t et h e s t a t i cs t i f f n e s so fm o t o r i z es p i n d l ew i mt y p i c a lc u t t i n g p a r a m e t e rb yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 邸) b a s eo nt h ed y n a m i c - a n a l y s i sf u n c t i o no fa n s y s ,t h em o d a la n dh a r m o n i cr e s p o n s e 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 i l t i l ea r ea n a l y z e d ,a n da l s ot 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 dc r i t i c a lr o t a t i o nr a t ea r es t u d i e d t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e db ya n a l y z e k e yw o r d s :m o t o r i z e ds p i n d l e ;f e m ;s 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 ;m o d a l a n a l y s i s ;h a r m o n i c i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用内容和致谢的地方外, 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果,也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目:加工生! 坠电主独丕统遮让皇盆蚯 作者签名:透壅圭 日期:鲨丘年么厶月上厶日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定,在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学,允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,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。 学位论文题目: 作者签名: 导师签名: 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究的意义 随着科学技术不断发展,数控机床的发展也越来越快,数控机床正朝着高性能、高 精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展,对于现代机床来说,高速切削比常规切削 具有下列优点: ( 1 ) 随切削速度的提高,进给速度也可以相应提高,以便基本保持每齿切削厚度不 变,单位时间内的材料切除率可大大增加,极大地提高了加工生产率: ( 2 ) 在切削速度增加到一定值后,切削力可降低3 0 以上,尤其是径向切削力的大幅 度减少,特别有利于提高薄壁件等刚性差的零件的加工精度; ( 3 ) 在高速切削状态下,9 5 以上的切削热还来不及传给工件时,就被切屑迅速带走, 工件基本上保持冷态,因而特别适合于加工容易热变形的零件; ( 4 ) 高速切削时,机床的激振频率特别高,它远远离开了机床关键部件的基本阶固 有振动频率范围,使机床工作平稳、振动小,因而能加工出非常精密且光洁的零件; ( 5 ) 采用高速切削可以得到很高的零件加工表面质量,可以达到磨削的水平; ( 6 ) 高速切削可以加工常规切削无法加工的高硬度材料( 可达6 2 h r c 左右) ,可以钻 o l m m 以下的小孔 ( 7 ) 可以在无冷却液的情况下进行干切削。 实现高速加工的首要条件和关键技术之一,是研究和开发性能优良的高速数控机 床,高速加工的主要特征是采用5 1 0 倍于常规切削速度进行切削加工,因此要求主轴 转速高,输出的转矩和功率要大,并且在运转中保持良好的动态特性和热特性。 高速电主轴也称为电机内装式主轴单元,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”,它具有结构紧凑、惯性小、转速高、动态特性好等诸多优点, 因而在高速机床中得到了广泛的应用。作为数控机床的核心功能部件,高速电主轴动态 性能的好坏将直接关系到机床的加工精度和可靠性。 电主轴的机械结构虽然比较简单,但制造工艺的要求却非常严格。这种结构相应的 带来一系列新的技术难题,诸如内置电动机的散热、高速主轴的动平衡、主轴支承及其 润滑方式的合理设计等问题。这些问题必须妥善地得到解决,才能确保主轴稳定可靠 的高速运转,实现高效精密加工。而电主轴系统的静态、动态刚度是影响性能主要难题 之一,因此在设计时对其进行详细的静、动态分析并优化,对于进一步提高高速机床的 工作性能有十分重要的意义。 加工中心电主轴系统设计与分析 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外电主轴技术与发展趋势 国外电主轴最早用于内圆磨床,上世纪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,成为近年 来机床技术所取得的重大成就之一【l 】。随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用 的需要,对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求,目前国外从事高速数控机床电 主轴研发与生产的企业主要有如下几家:德国g m n 、西门子、瑞士i b a g 、美国s e t c o 、 意大利o m l e t 、f a e m a t 、g a m f i o r 、日本大隈等,其中尤以g m n 、i b a g 、o i l e r 、s e t c o 、 g a m m f i e r 等几家的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。 这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点: ( 1 ) 功率大、转速高; ( 2 ) 采用高速、高刚度轴承;国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承,主要有 陶瓷轴承和液体动静压轴承,特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。 ( 3 ) 精密加工与精密装配工艺水平高; ( 4 ) 配套控制系统水平高。 在此基础之上,这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家 已生产了多种商品化高速机床。如瑞士米克朗公司,就是世界上著名的精密机床制造商。 它生产的机床配备最高达6 0 0 0 0 r m i n 的高速电主轴,可以满足不同的切削要求。 国产电主轴和国外产品相比较,无论是性能、品种和质量都有较大差距,国产电主 轴产品和国外的相比较,主要存在以下差距: ( 1 ) 在电主轴的低速大转矩方面,国外产品低速段的输出转矩可以达到3 0 0 n m 以 上,有的更是高达6 0 0 多n m ( 如德国的c y t e c ) ,而国内目前则多在1 0 0 n m 以内【2 1 。 ( 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 0 r 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 0 r 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( 瑞士i b a g 大连理工大学专业学位硕士学位论文 等) 、磁浮轴承电主轴( 瑞士i b a g ) 的成熟商品,在我国则仍然处于科学研究或小批量试 制之中。 ( 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【3 1 。 ( 7 ) 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。 另外,国外公司在关键部件的研发上具有很强的前瞻性和创新能力,国际上涉及电 主轴的比如编码器系统、刀具接口、电机工作制等的国际标准和产品都是他们相关企业 制定和生产的,这是他们最具有优势的地方。 电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面: ( 1 ) 继续向高速度、高刚度方向发展;由于高速切削和实际应用的需要,随着主轴 轴承及其润滑技术等相关诸多技术的发展,数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的 普遍趋势,并且,随之电主轴的刚度越来越大,满足了数控机床高速、高效和精密加工 发展的需要。 ( 2 ) 向高速大功率、低速大转矩方向发展。根据实际使用的需要,多数数控机床需 要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求,因此,机床电主轴 应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。 ( 3 ) 进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展。用户对数控机床的精度 和使用可靠性提出了越来越高的要求,作为数控机床核心功能部件之一的电主轴,要求 其本身的精度和可靠性随之越来越高。同时,由于采用了特殊的精密主轴轴承、先进的 润滑方法以及特殊的预负荷施加方式,电主轴的寿命相应得到了延长,其使用可靠性越 来越高。 ( 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。除了常规的钢制滚动轴承外,近 年来陶瓷球混合轴承越来越得到广泛的应用,润滑方式有油脂、油雾、油气等,尤其是 油气润滑方法( 又称o i l - a i r ) ,由于具有适应高速、环保节能的特点,得到越来越广泛 的推广和应用;滚动轴承的预负荷施加方式除了刚性预负荷( 又称定位预负荷) 、弹性预 加工中心电主轴系统设计与分析 负荷( 又称定压预负荷) 之外,又发展了一种智能预负荷方式,即利用液压油缸对轴承施 加预负荷,并且可以根据主轴的转速、负载等具体工况控制预负荷的大小,使轴承的支 承性能更加优良。 ( 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。在多功能方面,有角向停机精确定位( 准停) 、c 轴传动、换刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密 补偿、换刀自动动平衡技术等。在智能化方面,主要表现在各种安全保护和故障监测诊 断措施,如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、 主轴振动信号监测和故障异常诊断、轴向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监测和 自动控制、刀具磨损和损坏信号监控等。 1 2 2 高速电主轴静动态特性研究的现状 机床主轴的静动态特性主要就是固有频率、受力变形、临界转速、动态响应等。正 是由于主轴的重要性,长期以来,人们对主轴进行了广泛的研究。 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,开始出现最佳支撑跨距的计算,使主轴结构设计有了很大的进步,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【4 】。 近2 0 年来,由于计算机技术和计算技术的进步,主轴单元的动力学特性研究进入 新的研究阶段。出现了有限差分法、结构分析法、有限元法、结构修正法,模态法等大 量方法。 例如,在国外,1 9 8 8 年s a d e g h i p o r 将动柔度分析引入对主轴系统的动力特性和动 态设计的研究之中 5 1 。1 9 9 2 年,s p u r g 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【6 】。1 9 9 7 年,美国普渡大学的b e r t r j o r g e n s e n 和y u n g c 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 【7 1 。同年,t s u t s u m i 等人研究了滚动轴承的动态性能对主轴振动特性的影响。y h l a n d 建 立了仅受球轴承几何缺陷激励的无阻尼主轴一轴承系统的线性分析模型,该模型在主轴 的中、低速有效【8 】。美国p u r d u eu n i v e r s i t y 的h o n g q il i 运用综合动态分析方法对高速主 轴轴承进行了分析,得到了轴承与高速主轴之间的相互关系【9 】。c h i w e i 对高速机床主 轴特性用模态分析进行了研究【m 】。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 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,并对主轴进行了动态修改【1 1 1 。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 ) 0 2 】。同年, 北京工业大学的黄旭东等采用实验方法对复杂的主轴部件进行了动态特性分析【1 3 】。1 9 9 9 年,沈阳工业学院的史安娜等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【1 4 1 。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 滚到控制理论的基础上,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【l5 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【16 】。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 【l 。同年,杨曼云等利用m s cn 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 8 1 。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 学特性分析【l9 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 1 2 0 a 型内圆磨床的高速主轴系统进行了动力学特性分析【2 0 】。2 0 0 4 年,广东工业大 学的胡爱玲应用a n s y s 对高速电主轴动静态特性进行了研究【2 1 1 。2 0 0 7 年,湖南工业大 学的黄幼玲应用a n s y s 对高速电主轴进行分析和优化设计【2 2 】。 总之,随着计算机技术及计算方法的发展,对于电主轴的研究仍会更加深入的开展 下去。本课题主要任务是在总结前人的经验的基础上,在对轴承刚度、最佳跨距、预紧 力的计算,对主轴受力状态分析及更加有效的有限元模型的建立,对模型进行动态分析 及优化等方面,进行进一步的探讨。 1 3 本课题的提出及主要研究内容 1 3 1 课题的提出 高速加工对于提高机械制造工业的产品质量和生产效率有极其显著的作用。其加工 效率大大高于传统切削加工。正因为如此,国内的n - r n 造业对高速机床的需求越来越 大,要求的水平也越来越高。 h d r 系列作为大连机床集团新开发的高速卧式加工中心系列产品,是主要定位于 中高端市场的高速机床,该机床该机床可以在高转速下保证高的加工精度和零件的表面 质量,对铝合金、石墨、淬硬钢、超硬合金等材料的加工有独到之处,适合航空、航天、 汽车、制鞋等领域的薄壁零件及模具加工。 加工中心电主轴系统设计与分析 要满足机床的高速性就必然要求机床的主要零部件具有足够的强度和刚度以及优 良的整机固有特性。这些都是保证加工精度和高速性的基本因素。由于机床要完成一定 加工工艺,因此对机床提出了较高的刚度和加工精度要求。机床的加工性能与其动态性 能关系非常密切。其动态性能( 振动、噪声、稳定性等) 是影响其工作性能及产品质量最 重要的性能指标。作为高速机床主要部件的主轴系统,其动态特性在很大程度上决定了 机床的加工质量和切削能力。因此,主轴系统应确保具有较好的抗振性。 而高速电主轴结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好,可以改善主轴系统的动平 衡,减少振动和噪声,是高速机床主轴单元的理想结构。虽然电主轴具有这些优点,但 由于系统包括多个组件,相应地系统结合部就比较多,系统整体刚度则会下降,从而当 主轴在以超高速运转进行实际切削加工时,容易引发整个系统的共振。振动会使得刀具 磨损或破损加剧,同时也增加机床导轨承受的动态载荷,从而降低整机的寿命和机床的 精度保持性。同时,动态切削力也会引起机床的受迫振动,从而影响加工精度和表面品 质。 目前国内大的机床生产企业所需的电主轴一般都从国外进口,或引进图纸加工组 装。基本没有设计研发高质量电主轴的经验,本课题是在借鉴国外电主轴基本结构的基 础上,对加工中心电主轴进行系统设计和分析,并对其可行性进行了阐述。 1 3 2 本课题的研究内容 论文主要利用a n s y s 有限元软件对主轴部件进行静、动态特性分析,及基于性能 和成本的多目标结构优化设计,主要内容有以下几个方面: ( 1 ) 电主轴部件的结构设计。根据机床整体的布局及使用条件,设计电主轴部件的 结构。重点分析电主轴设计中的几项关键技术,如:主轴支承轴承的选择、支承跨距、 轴承配合过盈量、冷却、润滑等。 ( 2 ) 对影响主轴性能的重要参数分析分析计算,如:主轴支承轴承预紧及刚度、主 轴拉刀力、切削条件等。 ( 3 ) 机床主轴部件的有限元建模。在p r o e 中建立主轴部件的简化c a d 模型,并 将其导入到a n s y s 中得到主轴系统零部件的几何模型,进而建立机床主轴系统的有限 元模型。 ( 4 ) 主轴部件的有限元分析。利用通用有限元分析软件a n s y s 进行主轴和主轴部 件的静力分析和动力学分析,得到主轴的静、动态特性。 ( 5 ) 由机床主轴系统的静、动态性能分析结果中,查找现有设计的薄弱环节。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 电主轴部件结构设计 作为一款高速卧式加工中心用的电主轴,不仅要求转速高,输出的扭矩和功率要大, 还要求具有较高的主轴回转精度和在高速运转中保持具有良好的刚度、抗震性及热稳定 性。根据该机床在加工复杂模具型腔时的实际需要及类比国外同规格的机床,确定主轴 部件的基本要求为: ( 1 ) 主轴最高转速为1 0 0 0 0 r m i n ; ( 2 ) 电机额定功率为2 5 k w ; ( 3 ) 动平衡精度:g 0 4 ; ( 4 ) 主轴前端径向跳动:o 0 0 3 m m ; ( 5 ) 。主轴弯曲刚度: 1 0 0 0 n 1 1m ( 6 ) 温升:1 5 ( 7 ) 噪声:7 5 d b 电主轴作为高精密部件,其设计大体包含了如下关键技术【2 3 】: ( 1 ) 电主轴轴承的选择及其预紧技术; ( 2 ) 轴上零件连接技术; ( 3 ) 电主轴的动平衡技术; ( 4 ) 高速电主轴轴端的设计; ( 5 ) 电主轴的热稳定性: 本章将就以上关键技术,在具体设计过程中加以详细分析,并提出针对于本课题的 解决方法。 2 1主轴一轴承系统设计 2 1 1主轴轴承的选择 主轴轴承是主轴组件的重要组成部分,它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、 润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。 目前,电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。磁悬浮轴 承电气控制部分相当复杂,制造成本很高;流体静压轴承须根据具体机床专门设计,标 准化程度低,所以它们的推广应用受到了很大的限制。滚动轴承是高速电主轴最常用的 支承元件,而且首选角接触球轴承,因为其具有较好的高速性能。但滚球高速运转时会 产生巨大的离心力和陀螺力矩,离心力增大会增加滚珠与滚道间的摩擦,而陀螺力矩增 大则会使滚珠与滚道间产生滑动摩擦,使轴承摩擦发热加剧,因而降低轴承的寿命。为 加工中心电主轴系统设计与分析 了提高轴承的高速性能,常采用两种方法:一是减小滚球的直径,如采用已标准化的 7 1 9 0 0 系列主轴轴承;另一种则是采用新型的陶瓷( s i 3 n 4 ) 材料做滚珠,由于s i 3 n 4 陶瓷 材料的密度仅为轴承钢的4 0 ,因而这种轴承的高速性能明显高于全钢轴承【2 4 1 。目前国 外绝大多数高速机床主轴均采用这种轴承。 为了满足电主轴高速、高刚度、低温升等设计性能要求,本设计电主轴的支承采用 了角接触混合陶瓷球轴承。这种轴承的内、外圈仍为钢质,滚珠为s i 3 n 4 陶瓷材料。此 种轴承相对于钢制轴承有如下优势: ( 1 ) 高速性能好s i 3 n 4 陶瓷的密度只有轴承钢的4 0 ,且直径小、离心力小,与同 规格的钢制轴承相比,转速可提高6 0 以上,抗疲劳能力强,寿命长。 ( 2 ) 动刚度高由于s i 3 n 4 弹性模量是钢的1 5 倍,且采取小球密珠结构,即球径小 了,球数增加了。根据球轴承的刚度与球径的1 3 次幂、球数的2 3 次幂成正比,所以, 陶瓷轴承的主轴动刚度高。 ( 3 ) 温升低由于s i 3 n 4 的导热率低,并有良好的摩擦特性和力学性能,所以温升低, 与钢轴承比,温升可降低3 5 , - , 6 0 。 ( 4 ) 热稳定性好由于s i 3 n 4 ,这样是轴承的预紧力稳定,即热稳定性好。 为适应电主轴高速、较高刚度运转的需要,经过对国外同类产品的分析,以及对自 身机床机构布局的考虑,决定采用了如图2 1 的支承结构型式。 擀面、j隧姗畿l 一虹谐 ,。一r ,t ?、,、 、 ,7 | | l , | , 、 | 一 | t、, | , | | 一17 f ? j k ,k 一 裹 ( ) j 殷、j 反 歹杉 j + ? 。 , 图2 1 主轴支承形式 f i g 2 1 s w l eo fs p i n d l es u p p o r t 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 此种支承结构的特点是:前侧采用4 列( d b b ) 组合超高速角接触球轴承,定位预 紧;后侧采用超高速单列圆柱滚子轴承,浮动支承。虽然d b b 组合形式使其高速性有 一定减弱,但由于其作用点距离大,非常适合于力矩载荷大的用途,其径向及轴向刚度 都非常好。 经过多方比较,决定选用日本n s k 公司生产的r o b u s t 系列超高速轴承。其参数 见表2 1 : 表2 1 轴承参数 t a b 2 1 s p e c i f i c a t i o n so fb e a r i n g s 参数前轴承后轴承 型号 10 0 b n r lo h t y n d b b l p 4 n 1 0 1 4 r s t p c c l p 4 内径i t l r n 1 0 07 0 外径l l l m1 5 01 1 0 宽度i n m 2 42 0 接触角 1 8 o 极限转速r m i n1 6 8 0 0 ( 油润滑)1 6 0 0 0 ( 油润滑) c ,( 额定动负荷) k n 3 62 7 8 c 。( 额定静负荷) k n 3 62 8 5 2 1 2 主轴电机的选择 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的,通常在其 外壳产生强烈的感应电流。对定子进行屏蔽,采用特殊浸漆工艺,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,单价便宜,一 般用于磨床和普通的高速铣床等。矢量控制驱动器的控制特性是:低速段为扭矩驱动, 中、高速段为恒功率控制。这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,因此启动时可是电主轴瞬间( 1 2 s ) 达到最高速。这种驱动器用角度 加工中心电主轴系统设计与分析 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【2 l 】。 本课题选用日本f a n u c 公司生产的曲1 6 0 l l 1 3 0 0 0 i 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,有 比较理想的特性曲线。该电机特性曲线如图2 2 所示 2 0 一 耄 亘 8 1 0 0 4 0 3 0 一 妻 三 2 0 言 。 1 0 低速绕组 s 32 5 、2 2 k ws2 1 0 m l ” 嗡 1 5 k ws 1c o n t 慷150 0 06 0 02 0 o m o t o rs p e e d t r a i n l i 罱速绕组 3 0 k ws 23 0 m i n b 2 5 k w1 1c o n t 、 | f 2 1t 0 0 05 0 0 01 0 0 0 01 3 0 0 0 m o t o rs p e e dim i n 一1l 5 0 0 4 0 0 3 0 0 e 导2 0 0 1 0 0 o 4 2 0 n ms 32 5 7 3 5 0 n n l :1 0 h价 入 2 j 8 n m : s i c or 1 :! i 、 i、 、 q m 、4 0 :、 乏7 2 n m 5 0 01 5 0 0 1 1 5 n ms 23 0 r a i n 9 5 n m 虫, c o n t n 、 、 、 ,2 9 n m 1c, 0 02 4 n m 7。 z - 。 图2 2 电机特性曲线 f i g 2 2 c h a r a c t e r i s t i co fm o t o r 啪 啪 o ilu毛兰口童 5挖侣 大连理工大学专业学位硕士学位论文 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 3 主轴轴承的预紧与刚度 为了提高轴承的刚度,抑制振动及高速回转时滚珠公转和自转的滑动,提高轴的回 转精度等,在主轴上使用的滚动轴承均需预紧。 轴承预紧后,内部无间隙,滚动体从各个方向支承主轴,有利于提高运动精度。滚 动体的直径不可能绝对相等,滚道也不可能绝对正圆,因而预紧前只有部分滚动体与滚 道接触。预紧后,滚动体和滚道都有了一定的变形,参加工作的滚动体将更多,各滚动 体的受力将更为均匀。这些都有利于提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动, 则由于各个方面都有滚动体支承,可以提高抗振性。但是,预紧后发热较多,温升较高; 且太大的预紧将使轴承寿命下降,故预紧要适量。 预紧的方式主要有定位预紧和定压预紧。定位预紧是将轴承内外圈在轴向固定,以 初始预紧量确定其相对位置,运转过程中预紧量不能自动调节。随着转速的提高,轴承 滚子发热膨胀、内外圈温差增大、滚子受离心力及轴承座的变形等因素影响,使轴承预 紧力急剧增加,这是超高速主轴轴承破坏的主要原因。但这种预紧方式对增加轴承刚度 更为有效,即定位预紧时由负荷引起的位移较小;定压预紧是一种利用弹簧或者液压系 统对轴承实现预紧的方式。在高速运转中,弹簧或液压系统能吸收引起轴承预紧力增加 的过盈量,以保持轴承预紧力不变,这对超高速主轴特别有利。但在低速重切削条件下, 由于预紧结构的变形会影响主轴的刚性,所以定压预紧一般用在超高速、载荷较轻的磨 床主轴或者轻型超高速切削机床主轴上。 一般情况下,轴承手册中预紧力表所载为一对轴承背靠背( 或面对面) 的预紧力。 对于多联组配的轴承,应乘以下列系数:三联为1 3 5 ;四联,三个同向与第四个背靠背 为1 6 0 ;四联,两两同向,相互背靠背为2 0 0 。这些数值只是装配前的预紧力。装配后, 由于过盈,内圈将胀大,外圈将缩小,故预紧力将加大。装配以后的预紧力可按下式计 算【2 7 】: c = 崩以f o ( 2 1 ) 式中f p ,f o 装配后与装配前的预紧力( n ) f 轴承系数,见图2 3 ( 对于7 0 0 0 0 系列轴承) f 1 接触角系数( c i = 2 5 。时,f 。= l ;q = 1 5 。时,特轻和轻型为1 0 7 , 超轻型为1 1 0 ) 预紧级别系数( 轻预紧为0 9 2 ,中预紧为1 ,重预紧为1 0 8 ) 加工中心电主轴系统设计与分析 2 4 2 2 2 o i 8 、i 6 1 4 i 2 i o 1 04 0鼬1 2 01 6 02 0 d 2 4 0 d m m 图2 3 轴承系数线图 f i g 2 3 c h a r a c t e r i s t i co f m o t o r 对于一对预紧后的角接触球轴承的静态径向刚度可以采用如下简易计算公式【3 3 】: k r = 1 7 7 2 3 6 xg 2 见了n 蛊p ) 1 倍( n u m )( 2 2 ) z 滚动体数量; d b 滚动体直径5 q 轴承接触角; f 预紧力。 其中,对于陶瓷球轴承需要乘以材料修正系数1 3 。对于四联组合,两两同向,相 互背靠背的组合需乘以系数2 o o 。 本课题所选用的n s k 公司的d b b 组合超高速角接触球轴承,采用独特的1 8 。接 触角,其预紧力和组合轴承刚度可以在产品样本直接中查到: 超轻预紧预紧力:1 0 0 n ;轴向刚度:1 6 2n i xm ;径向刚度:7 2 9n pm ; 轻预紧预紧力:7 2 0 n ;轴向刚度:2 3 0n um ;径向刚度:1 0 3 5n pm ; 中预紧预紧力:1 9 8 8 n :轴向刚度:3 7 6n 1 ti l l ;径向刚度:1 6 9 2n um ; 对于后支承的圆柱滚子轴承,其轴向允许有微小的位移,以补偿主轴受热产生的轴 向拉伸。其刚度可用下式计算: k ,= 3 3 9 p 1 艺o 。8 亿) o 。9c o s l 9 口( n i xm ) ( 2 3 ) k o = 1 4 4 3 霹1 e o 1 z 0 9s i n l 9 口( n i x m )( 2 4 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 l ( f ,磁径向和轴向刚度( n i lm ) ; f r ,f a 轴承的径向和轴向载荷( n ) ; l 。滚子有效长度( r a m ) ; z 滚动体数量; i 滚动体列数; q 接触角 ( 。) 。 对于本题的圆柱滚子轴承,接触角为0 。,只承受径向载荷。f r - - - - 4 6 5x1 0 4 n ; l a = 1 2 m m :i - 1 ;z = 2 0 。其刚度为: k r = - 3 3 9x2 9 2 9 7 3 0x1 4 8 2 3 = 1 0 7 4n pm 2 1 4 主轴组件的前悬伸和跨距设计 主轴前支承作用点至主轴前端的距离a ( 图2 4 ) 称为前悬伸。前后支承点之间的距 离l 称为跨距。 图2 4 主轴受力简图 f i g 2 4 s k e t c ho ff o r c e ds p i n d l e f 主轴悬伸长度对主轴刚度影响很大。主轴悬伸长度越短,其刚度越高。前悬伸a 与 主轴前端结构的形状尺寸、前轴承类型、组合方式和轴承的润滑与密封有关。本题通过 对主轴前端密封形式、换刀机械手位置,及机床整体布局等多方面考虑,将悬伸长度定 位1 5 8 m m 。 在主轴部件中,合理的选择跨距是主轴部件设计中的一个关键问题。若跨距选择的 不合理,则主轴在外力的作用下,主轴端部将产生较大的位移,并引起机床的振动,严 重影响被加工件的加工精度和光洁度。 综合刚度k ,是主轴组件的一个重要参数,通常可以直接等效于主轴的刚度。它定 义为在主轴端面作用一个载荷f ,k 为载荷f 与变形6 之比: 加工中心电主轴系统设计与分析 k = ;( n 1 tm )( 2 5 ) 跨距l 对综合刚度k 的影响不是单向的。如l 较大,则主轴变形较大;如l 较小, 则轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。所以,l 有一个最佳值,l 太大或太小都会 降低综合刚度。而且,如果实际跨距l 小于最佳跨距k ,则综合刚度将急剧降低;如 果大于l o ,则刚度降低是很缓慢的 2 5 1 。此外,还要考虑到由于轴承的径向跳动引起的 主轴端部的径向跳动,将随跨距的减小而加大。因此,选取的跨距宁可比k 大,这在 结构上也较易实现。 对于求得最佳跨距h ,利用传统的计算方法,既费时,又不准确。但在初始设计时 可以利用此方法求得l o ,作为参考。 通过对主轴弯曲受力分析,可以得到主轴端部位移( 总挠度) 的表达式【2 6 】: y = 嚣一o + 争+ 丢 c 1 + 每等+ 警+ 1 ( 1 t i n l , c 2 6 , y 主轴端部位移,m l l l ; f 径向力,n ; a 主轴悬伸长度,m m ; e 主轴弹性模量,n 衄2 ; i 主轴截面的平均惯性矩,舢【1 1 4 , ,2 吾( d 4 - d 4 ) ; k a 主轴前端支承的刚度,n m m ; k b 主轴后端端支承的刚度,n m m 。 由式( 2 2 ) 可以看出,直径d 、跨距l 、悬身量a 和轴承刚度对主轴端部位移的影 响。由此式也可以得到最小变形的条件为: d y :0 比 可以得到: “嚣肾詈c 鲁脚 7 , 大连理工大学专业学位硕士学位论文 这是一个三次方程式,在复数域内又一个正跟和一对共轭负根。由于所求为跨距, 固只有唯一的正实数根为正解。令兄= 1 口,= 1 + 鲁,且综合变量为: 口 五。 ,7 = 旦k (28)aa3 ,72 ( 2 8 ) 将其代人( 2 3 ) 得: 力一6 r a 一6 r n = 0 再令p = - 6 q ,q = - 6 叫,则: 凳+ p 九+ q = 0 通过卡丹公式,引入y = 兄一虽可以得到: j 1 , 令国= y 3 ,最后得到: 令孝= ( n 2 + q y 3 一寺= o 矿仰一茜_ 0 1 8 e 9 n 2 , 扣
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