（机械制造及其自动化专业论文）电主轴系统热动态特性分析与研究.pdf

独创性声明 l i | i i i | | 1 5 i i y 17 8 8117 本人声明所呈交的沦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， 论文中彳、= 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：【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。 签名少一日肌删 关于论文使用授权的说明 本人完令了解北京工业人学有天保帮、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交沦文的复印件，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心遵。、) 二此规定) 签名：! 旦鳌一导师签私：碰 几期：砂叫 摘耍 摘要 以高切削速度、高进给速度、高加工精度为主要特征的高速切削和高速加工 是当今先进制造技术之一。高速高精度数控机床是实现高速加j i ：的关键冈素，而 高速主轴足高性能机床的核心部件。随着电气传动技术的迅速发展和n 趋完善， 高速数控机床丰传动系统的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动 和齿轮传动。机床丰轴山内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩 短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一 的 传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此 可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。电主轴单元的结构设计、热态特性和动 态特性在很大程度上决定了高速数控机床的加工质量和切削能力，也是影响其加 工精度的重要因素。对主轴单元进行热态特性和动态特性的研究，对进一步提高 高速机床的工作性能有十分重要的意义。 本文以高速磨削类加工数控机床川电主轴为研究对象，以实现电主轴的高 速、高精度为目标，采用有限元方法，运用a n s y s 软件，对电主轴的热态特性和 动态特性进行研究，具体i ：作如下： ( 1 ) 本文首先介缁了高速电主轴基本结构和工作原理，分析了高速电丰轴 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。陀进行分 析，在此基础卜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 轴热念特性的主要措施。 ( 2 ) 分析了电主轴单元中所采用的特殊轴承形式一角接触混合陶瓷球轴承 的结构形工及高速运转下的受力及动态特性，对其刚度进行了计算，在此基础对 电卡轴进行模念分析，研究了电主轴的固有频率、振型，并通过实验说明了轴承 的颁紧力对卡轴币元i 直i 有频率的影响情况，为优化主轴结构和改善电主轴的动态 特一阽提供必要的理论依据，为高速电主轴的研究丌发和应用莫定了皋石出。 关键词高速咆一卜轴；热念特性；动态特性；有限元 a b s t r a c t a bs t r a c t h i g hs p e e dc u t t i n ga n dh i g hs p e e dm a e h i n i n gt a k i n gh i g hc u t t i n gs p e e d ，h i g h f e e d s p e e da n dh i g hm a c h i n i n gp r e c i s i o na sm a i nc h a r a c t e r si so n eo 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 0 1 0 9 yn o w a d a y s h i g hs p e e dn cm a c h i n et o o lw i t hh i g hs p e e d a n dh i g hp r e c i s i o ni sm ek e yf a c t o rt or e a l i z et h eh i 曲s p e e dm a c h i n i n g h i g hs p e e d s p i n d l ei st h ec o r ec o m p o n e n to fah i g h p e r f o r m a n c em a c h i n et 0 0 1 w i t ht h ef a c tt h a t t h ep r o m p t n e s sd e v e l o p i n ga n db e i n gp e r f e c t e do ft h ee l e c t r j cd r i v et e c h n o l 0 2 y ， s y s t e m a t i cm a c h i n e r yo ft h eh i 曲s p e e dn cm a c h i n et o o l m a i nd 订v es t r u c t u r eh a s a l r e a d yg o te x t r e m e l ys i m p l i f i c a t i o n ，h a sc a n c e l e dw h e e ld v ea n dt h eg e a rd r i v e m a i n l y t h em o t o r i z e ds p i n d l eo fm a c h i n et o o li sd i r e c td r o v eb yab u i l t i n m o t o r ，t h e r e b y ；t h em a i nt r a n s m i s s i o nc h a i nl e n 舀ho fm a c h i n et o o lh a sb e e ns h o n e n e d f o rz e r o ，a n dr e a l i z e d “z e r ot r a n s m i s s i o n ”o fm a c h i n et 0 0 1 t h a tt h ed r i v es t r u c t u r e f o mo ft h em o t o “z e ds p i n d l ea n dm o t o r t w oc o m b i n e di n t o o n e m a k e st h e m o t o r i z e ds p i n d l ec o m p o n e n tb ei n d e p e n d c n tr e l a t i v e l y 仔o mt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m a n dt h ew h o l es t r u c t u r eo ft h em a c h i n et o o l ，b em a d ea s “t h em o t o r i z e d s p i n d l e u n i t ”t h ep o p u l a rn a m e “t h em o t o z e ds p i n d l e ”t h e r e f b r e i 。oag r e a te x t e n t ， t h ec o n s t t l j c t i o n d e s i g n ， t h et h e r n l a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d d y n a m i cp e r 矗r r n a n c e so ft h em o t o r i z e ds p i n d l ed e t e r n l i n em a c h i n i n gq u a l i t i e sa n d c u t i o n gc a p a b i l i t i e s ，a n da r et h ei m p o r t a n tt a c t o r si n f l u e n c i n gt h ep r e c i s i o no ft h eh i 2 h s p e e dn cm a c h i n et 0 0 1 i ti s i m p o r t a n tt os t u d yt h et h e r n l a lc h a r a c t c r i s t i c sa n d d y n a m i cp e r f o r n l a n c e so ft h em o t o r i z e ds p i n d l eo ni m p r o v i n gt h ep e r f o n n a n c eo ft h e h i g hs p e e dm a c h i n et 0 0 1 ( 1 ) t h i sp a p e rt a k e st h em o t o 订z e ds p i n d l cu s e di n ah i g hs p e e dg r i n d i n g m a c h i n et o o la st h es t u d yo b j e c t ，r e a l i z i n gh i g hs p e e d ，h i g h a c c u r a c ya sat a r g e t ， s t u d i e st h et h e n n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cp e r f o m a n c e so ft h em o t o r i z e ds p i n d l e i nf e mb a s e do nt h es o f t w a r ea n s y s s p e c i f l cd e t a i l so ft h ep a p e ra r ea sf 0 1 l o w s ：i n t h l sp a p e r ，t h eb a s i cs t l l l 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 d m a c h i n ga r e i n t r o d u c e df i r s t l y t h et h e r n l a l p r o p e n 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 eo i l a i r1 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 d s p i n d l e i sm o d e l e da n di t s s 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 n l l a ld e f o r n l a t i o na n a l v s i sb v 矗n i t ee l e m e n t 1 1 1 e t h o di sa l s od o n cu s i n ga n s y ss o n w a r e a 1 1 dt h em a i n1 1 1 e a s u r c st o i m d r o v e t h e n l l 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 d1 1 1 0 l 【) “7 e ds p i n d l ca r e b r o u 三h tf o r w a r d ( 2 ) t h cs t r u c t u r ef o n n ，t h ef o r c i n ga 1 1 d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ep e c u l i a r b e a r i n gf o h no t s i 3n 4a n g u l a r c o n t a c tb a l lb e a n n g sa d o p t e di nt h em o t o r i z e ds p i n d l e u n i to nt h eh i g hs p e e dc o n d i t i o na r ea n a l y z e d ，a n dt h es t i f f n e s si sa l s oc a l c u l a t e d o n t h i sb a s i s ，t h ed y n a m i cc 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 ei s a n a l y z e d ，a n dt h e e f r ：c to nt h en a t u r a lf e q u e n c yb yt h ep r e - t i g h t e n i n gf o r c ei sa l s os u p p l i e db yt h e 摘耍 e x p 甜m e n tw h i c hp r o v i d e st h en e c e s s a r yt h e o 叫b a s i sf o ro p t i m i z i n gt h es t m c t u r ea n d i m p r 0 v i n gd y n a m i cb e h a v i o r so ft h em o t o r i z e ds p i n d l e ，a l s oe s t a b l i s h e sab a s i sf o rt h e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o na b o u tt h eh i 曲s p e e ds p i n d l e k e y w o r d sh i g h - s p e e ds p i n d l e ；t l h e 门m a lc h a r a c t e s t i c s ； d y n a m i cc h a r a c t e n s t i c s ； f i n i t ee l e m e n tn l e t h o d 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论7 1 1 课题研究的f 1 的和意义7 1 2 国内外电主轴热动态特性研究概述8 1 2 1 国内外高速电主轴发展现状8 1 2 2 电手轴热态特性研究现状9 1 2 3 电主轴动态特性研究现状1 0 1 3 本课题的来源与主要研究内容1 2 第2 章电主轴的结构及原理1 3 2 1 高速电主轴的基本结构1 3 2 1 1 电丰轴电机13 2 1 2 主轴轴承1 4 2 1 3 电卞轴轴承涧 亍系统15 2 1 4 电主轴的冷却系统15 2 2 高速r c l 卡轴的工作原理1 6 2 3 本章小结17 3 章电主轴热载荷及边界条件l8 3 1 电主轴的热裁简18 3 1 1 电卡轴电机的发热分析1 9 3 1 2 电主轴轴承的发热分析2 l 3 2 电主轴热边界研究2 3 3 2 1 电机与冷却水的对流换热2 3 3 2 2f 乜机定、转了的换热2 4 3 2 3 轴承的传热一2 5 3 2 4 主轴d ，j 后密闭环的对流换热2 6 3 2 5 - i 轴系统周围空气的换热2 6 3 3 接劁! 热叭分析2 7 3 3 1 接触热阻形成机理2 7 3 ，3 ，2 接触热的汁算2 8 3 4 本章小结3 0 第4 章电主轴系统的温度场分析3l 4 1 温度场问题i ， 勺仃限r 已砰论3 l 4 1 1 汕 度场| 、u j 题的基本方程3l 4 1 2 椭合分f j i 仃限，己法3 2 4 2 妾角：问题3 3 4 2 1 接触| 、u j 题慨述3 3 4 2 2a n s y s 软件接触分析3 4 4 2 3 参数设酣3 6 4 3 主轴温艘场分l i 3 6 北京t 业人学t 学硕f 学化论史 4 3 1a n s y s 热分析步骤3 6 4 3 2 模型建立和网格划分3 7 4 3 3 电主轴稳一瞬念温度场分析4 0 4 3 4 电卡轴热变形分析4 4 4 4 主轴温升和热变形实验4 5 4 4 1 电卡轴温度测黾4 6 4 4 2 电主轴热变形测量4 7 4 5 本草小结5 0 第5 章电主轴动态特性分析5 1 5 1 电丰轴的动力学分析概述51 5 1 1 模念分析的理论皋础5 1 5 1 2 偕响j 逦分析的理论基础5 2 5 2 角接触陶瓷球轴承刚度分析5 3 5 2 1 径向刚度5 3 5 2 2 轴向刚度5 4 5 3 电主轴的动态特性分析5 6 5 3 1 电丰轴模态分析5 6 5 3 2 f = ! l 主轴谐呼4 应分析5 9 5 3 3 激振实验测试6 1 5 4 热念特性对动念特性影n 向6 4 5 5 本章小结6 7 结论与展望6 8 参考文献6 9 l j l 寸录7 l 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 7 致谢7 8 一v 1 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 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j i 业的努力目标，也是制造技术领域要不断解决得问题。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继数控技术之后，使制造技术 产生第二次革命性飞跃的一项高新技术【l 】。 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。它不仅具有极高的生产率，可以显著地提高零件的加工精度 和表面质量，而且在材料的去除机理上也产生了本质性的变化，是实现一些难加 工材料、低刚度零件切削加1 ：的高效手段。表1 1 对高速加工与传统加工进行了 比较。 表l ll 岛速加i ：j j 传统加i ：的比较 t a b l e1 - lt 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 、 酱通c n c 机床带 塑! 零类别 警午通c n c 机床 h f k h s c 高迷机眯 技术参数、 快换i u 上轴 、 川l “径m m 666 土轴转速r m i n2 0 0 02 0 0 0 02 4 0 0 0 计算进给速度m m m i n 6 0 0 4 0 0 01 0 0 0 0 实际进给速度m m m i n 4 0 01 5 0 04 0 0 0 切深m m 0 5o 20 2 切宽m m o 5o 2o 2 切削速度m m 3 m i n 1 2 0 0 1 8 0 0 4 8 0 0 表 1 1 i 粗糙度“m 64 52 4 力i ：时问h 9 4 26 2 82 3 6 高速机床是实现高速切削的物质皋础，而高速电主轴单元则是高速机床的 “核心”部件和技术关键。相比传统的主轴，高速电主轴的主要形式是将 j 轴电 机的定子、转子直接装入主轴组件的内部形成机电一体化的电主轴，实现机床t 轴系统的“零传动”f 2 】，具仃调速范宽、结构紧凑、转动惯黾小、启动与停l l 二 速度快、易于实现7 己级凋速和精密控制等优点。 高速电主轴作为高迷机床的核心部件，同时也是该类机床的1 i 婴热源。在商 速机床中，电主轴单已各零件的闪0 度和精度都比较高，工作负荷卸不人，电主轴 因切削力引起的力工误差比较小。然而，电手轴中电机的发热和轴承的摩擦发热 印足不可避免的。丰轴单元的热变形己经成为影响加t 精度| i n i 嘤冈袭己达硎 北京i 业人号：t 7 ：帧f ! 学位论丈 零件总加： 误差的6 0 8 0 。因此强烈要求能够系统地预测在不同工作环境下 的机械性能o j 热变形之问的相互影响。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汁和控制。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皋础，已成为实现高速切 削的关键。 同时用在高精度机床上的电主轴，不但要求t 轴转速高，而且要求其旋转精 度也高、并日振动小。因此，在电t 轴的设计阶段，必须对它进行动力学特性分 析，以确定其各阶临界转速和各阶振型【3 1 。对于高速轴系，其转子动力学性能的 分析和设汁是直接决定主轴性能设计的一项罩要内容。主轴的转子动力学性能如 何，对整台机床能甭实现高速加。i ：以及加工精度、丰轴轴承的寿命和其它关键部 件的正常工作等方面都有着至关重要的影响。另外，陶瓷角接触球轴承具有制造 精度高、极限转速高、承载能力强，能同时承受径向和轴向载荷等特点而被广泛 地应用于高速机床主轴的支承中。轴承内部各元件的运动及所受载荷比较复杂， 特别足高速球轴承巾，离心力和陀螺力矩作用的结果使轴承的运转状态发牛变 化，影响剑轴承的变形与载荷关系特性，从而影响剑球轴承支撑的转子系统的动 力学。降能。i 天l 此，设汁高速电t 轴时对其进行动静态分析也是十分必要的。 当电卡轴在高速运转情况f ，经过一段时i 、日j ，温度达到半衡后，由j ：各个部 件的热胀冷缩，导敛电主轴和轴承受力发生变化，使得主轴的动态特性与冷却时 候会有筹别。如果存设计之初对其问的关系能够进行分析，做出定性分析。对电 主轴的设计和性能提高就非常必要了。 1 2 国内外电主轴热动态特性研究概述 1 2 1 国内外高速电主轴发展现状 存幽外，电主轴已成为种机电一体化的高科技产品，山螳技术水平很高 的专业工厂生产。困际上著名的l 乜l 主轴生产厂家主要有：瑞上的邢a ：抱r 公司、 删g 公司和s 刀p 一陋c 公司，德幽的g 肘公司和尉g 公r 订，荚h 的朋e c 腾e 公司， 意大利的例m 丌( 娟公司和0 目幽7 1 公刊，h 本的m 公州和k d y o 公司，以及瑞 典的脒f 公司等l4 1 。 当日，j ，幽外专业i ，| 勺电i 矧啸0 造。已- l j j 供应几百种规格的f l lj i 轴，尺会简白径 从3 2 删7 7 到3 2 0 聊、4 ：0 速从1 0 0 0 ，7 ，j ，? 剑15 0 0 0 ，砌7 i 肌功：红从0 5 k f 维| j 8 0 k 、扭矩 从0 1 m 7 到3 0 0 。除可满足符类商速切削的要求外，各厂家还i l j 供j 妙箭利规格 带锥柄、用j ：现有普通加工q j 心、铣床、钻床作增速用的电f 轴。最近还出现了 商品化的、轴承寿命更k 的以水为介质的动静爪轴承和磁悬浮轴承电主轴以及交 流永磁同步f u 机电1 碑l | | ，使f u 上轴技术搿到了进一一步的发展。 泵1 币绪论 囝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 砌砌，甚至更高。美 同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m 徊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 砌砌。德国g j 愀司的磁浮轴承主轴 单元的转速最高达1 0 0 0 0 0 砌加。删g 公司提供几乎任何转速、扭矩、功率、尺 寸的电卡轴，产品范围很宽，其电主轴最人转速可达1 4 0 0 0 0 砌砌，直径范围2 5 3 0 0 肌朋，功率范围o 1 2 5 k w 8 0 k ，扭矩范围o 0 2 3 1 咖。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。瑞士公司生产的删7 d d 高速加 工中心，装有胛系列陶瓷轴承电主轴，主轴径向圆跳动在o 5 2 o m 之间，主 轴转速己经达到4 2 0 0 0 砌砌( 1 2 k 阶，切削速度提高了5 1 0 倍，可对精密和薄壁 零件快速连续加工，生产成本减少2 0 一8 0 。意大利的一些公司的精密机床， 使用装有内置电动机和陶瓷球轴承的电主轴，主轴转速达3 0 0 0 0 砌砌( 1 似肌用 于加工质量高达9 0 0 蛔、精度达1 5 微米的壳体零件。美国公司生产的h 聊型高速 机床，主轴转速达2 0 0 0 0 所”砌( 2 5 k 聊。 近年来，国际上大功率高速铣削和钻削电主轴技术发展很快。德固g m 公 司在d 口，2 甩s 砌门厂。i ：业大学协助下丌发的h c 系列高速电主轴，h 本踊公司m 系列， 意大利g f 公卅的剧功、胱系列，瑞士s 珏汐一陋c 公司的陀系列电主轴都具 有功率大、刚度高及凋速范围广的特性，完全适用丁高速、高效切削。随着实际 应用的需要和机床技术的进步，对数控机床用电主轴提m 了越来越多高的要求， 其总体发展趋势足：人功率、高转速、高卡轴回转精度，其中，主轴转速不小于 1 0 5 砌m ，功率不小于1 0 0 k ，主轴山转精度在5 0 胛朋以下。 幽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困市场，刺 激了中罔高速机床的研究和发展。洛阳轴承研究所丌发的高速电羊轴丌始了商品 化。在1 9 9 9 年北京围际机床展览会上，田产的高速机床丌始登台亮相。在中国 国际展览会c i m t 2 0 0 8 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 5 0 0 0 0 砌砌的困产岛速机眯有2 0 余台，其中，中捷友渲厂的机床最高转速达剑 8 0 0 0 0 砌砌。大连机床公司展出的血轴联动机床，主轴转速达4 0 0 0 0 砌砌。 我固在高速加i ：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、陶瓷滚动轴承等力嘶进行了一定的研究，但总体水平同国外尚有一定的差 距，往j i i 、珂j 生产巾实际应用的主轴转速一般很少高于1 0 0 0 0 砌砌，队速进给速度 则台1 3 0 ， ，”i ，2 以下。据有关资料显示，困产电主轴所占份额还1 i 足田内市场总额 的三分之，远远1 i 能满足hz 蠢发j 隧的凼内 i j 场的需求。 1 2 2 电主轴热态特性研究现状 迄今为l l ：，人们肘心速f um 帅，j 热态特。陀仍缺乏足够的了解，凼极人地限 北京t 业人学t 学硕y 产化论文 制了高速电主轴的有效应用。高速电主轴在高速下会冈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，因此当自订在困际上对高速电主轴热态特性的 研究已成为热点。1 9 9 8 年，韩国学者j i nk y u n gc h o i 等用大型有限冗软件a n s y s 分析了五轴加工中心的主轴一轴承热念特性，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，则有限元法是丰轴系统热态分析的 合适工具。2 0 0 3 年美国普渡大学的b e mb o s s m a n n s 和j a vf 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。2 0 0 4 年韩国的 s u n m i n 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 5 】【6 | 。2 0 0 6 年，k u w a i t 大学的m o h a m m e d a 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【7 】。2 0 0 7 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向【8 】o2 0 0 8 年普渡大学的学者h o n g q i “使用动态热力学分析了轴承结构对主轴所产生的影响；而c h i w d 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 卡轴的动力学性能的影n 向和离心力对主轴动力学性能的影响并得出结论，认为高 速r 【! 主轴在高速下刚度变小主要是由于离心力的影响【明。 国内从事这一领域研究的主要足济阳轴承研究所、j 一东工、l k 大学、东南大学、 浙江人学等单位。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， 并了l ：发了名为s y b t e m 的计算干罕序。浙江人学的将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阡，并对：实际电主轴的发热与传递特性进jj ：了计 算【“，做了和s u n m i nk i m 相类似的工作。东南人学的郭策应用有限已法，埘机 床整机和主轴系统的动态和热念特性都作了细致的分析和研究，突破了刈机床静 态、类比、经验的传统研究方法。浙汀大学提出了机床误差补偿技术和热敏感点 理论，为机床温度测? 工的选取提供了依据，另外提出了机床热误筹反馈补偿控制 策略，得到了令人满意的结果，近年来，浙江人学又进行了人j 。i ：智能在机床l ：j 屹 用的研究 研究高速f 乜t 轴热态特性的主要任务足分析计算主轴的热源、温升、温度场 和热位移场。可川的计算方法自很多种，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，有时甚至足无解，所以在f ：程实际中j 用 较少。有限元模型的建立刈此自 良火的指导意义，同f j 订，埘丁热念分析和热误差 补偿和温度控制方法， 般在主轴系统设计完成后进行研究，大都j 逦用于精密、 超精密机j i 未， i ：设计阶段，方案可以通过有限元分析软什进行模拟，从而削断力 案i 吖j - 生和效粜；而刘于热态优化i 殳汁方法米说，更j u 普遍地采用虚拟评价，确 定较优的设计方案，从而减少后期火链的实验研究和样机试制的投入资金，同时 也缩短了丌发剧期。 1 2 3 电主轴动态特性研究现状 第l 幸绪论 高速电主轴作为高速机床的核心部件日益向高速度、高刚度的方向发展，要 使高速机床安全可靠地工作，保证所加工零件的高精度，高速电丰轴必须具有良 好的动态特性。因此，必须对它进行动力学研究。 主轴单元的动静态特性包括主轴的变形、固有频率、临界转速和动念响应等。 对其研究的方法有很多种，主要有解析法、近似理沦解法和数值解法等。由于解 析法的求解过程比较复杂，有时甚至足无解，所以在工程实际中应用较少。数值 解法足以离散数学为基础、以计算机为工具的一种解法，它虽刁i 如解析法精确， 但对于复杂的情况常能得到满意的解答，因此数值解法在工程上应用广泛。近2 0 年来，山于计算机和计算技术的发展，丰轴单元的动力学特性研究进入新的研究 阶段。 在国外，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，同时忽略了轴承刚度的非线性【】。美国普渡大学的b e r 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变形模型，并与离散的卡轴动态模 型结合住一起，这一模型可以得到二一轴固有频率、轴承刚度和热变彤的较精确的 结果【1 2 】。2 0 0 7 年，h o n g q i l i 使用动念热力学分析了轴承结构对辛轴所，_ 乍的影响； c h i w e il i n 等学者则建立了综合的电主轴热念和动态模型，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m 结论，认为高速电主轴在高速下刚度叟小是因为离心力的影响。 幽内很多高校和研究所都在从事这一领域的研究。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 n s y s 对电主轴的动静态特性进行了分析【1 3 】。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情况 下，建立了主轴变形和固有频率的计算模型【l4 1 。2 0 0 5 年，幽家高效磨削工程技术 研究中心在轴承高速时的热态特性做了研究和实验，还把主轴、轴承和轴承座作 为一个系统进行了热态分析【l 引。2 0 0 8 年，洛阳轴承研究所的徐浩等对高速磨床t 轴崩陶瓷球轴承住不i r 0 转速和载荷及润滑条件下的运转特一阼进行试验【| 6 l ，结果表 明：陶瓷球轴承征高速下较钢制轴承摩擦力矩小、温升低、有良好的运转特性。 对于以滚动轴承为支承的高速电羊轴的热动力学特件的研究仍然不充分，以 往的研究，往往将滚动轴承简化为静态非线。陀支承坼元，或哲利川静念情况下的 模态试验来确定轴系的转子动力学特。陆。大多没考虑电机4 0 了对f j 捌i 的额外质 鼍分布影响，并儿没有充分考虑运转时电丰轴动态特，阽随逃瞍变化的4 0 ，一j ，i ，仃蝗 研究古 全忽略了轴承的径向和角川皮，这样简化与化实际二i2 作州的l u 一1 捌l 单几状 况巧i 棚符合，尤其在高速电_ 、i 轴中棚差更大，冈此影响管i uj 捌1 4 = i i i 系 子动力! 学 特性设计的计算精度及模念试验的l i j - f 吉度。同时，卜hj 二电主轴的发热黾：大，特太 变形对r 乜t 轴的动态特性影响也足 卜常人的。 北京t 业人学t 学硕l j 学位论艾 1 3 本课题的来源与主要研究内容 本课题的h 的在于以高速、大功率的靡削类加工中心电主轴为研究目标，以 实现电丰轴的高速、高加工精度入手，着苇从高速主轴热念和动态特性方面利用 有限元技术进行分析研究： ( 1 ) 分析混合陶瓷球轴尿摩擦发热和电机电椒的发热，高速电主轴热变形机 理及其高速电主轴的传热机制；建立高速主轴系统的有限元分析模型，利用大型 通用仃限元软件a n s y s 计算高速t 轴系统的稳态温度场、瞬态温度场及其热变 形；总结出高速电： 轴的温度场分析j 特点。 ( 2 ) 分析电主轴单元中所采川的特殊轴承形式角接触混合陶瓷球轴承的结构 形式及高速运转下的受力及动念特性，对角接触混合陶瓷球轴承的刚度进行计 算，在此基础卜对电主轴进行有限元的动力学分析，为电主轴的设计提供理论依 据。同时通过实验对比，修正模型，然后定性的分析热态和动态特性之f f i j 的影响 关系，为高速电主轴的研究丌发和应片j 奠定基础。 本课题的意义在于通过刘高速电主轴系统的热念和动态特性的有限，已分析， 掌握高速电卞轴热动态特性的变化规律，为改善高速电孚轴的特性提供必要的理 论依据和实验数据，为促进我幽高速加i ：技术的发展做一点实际工作。 第2 章电主轴的结构及原理 第2 章电主轴的结构及原理 2 1 高速电主轴的基本结构 高速电辛轴要获得好的动态性能和动态特性，必须对电主轴各个部分进行精 心设计和制造。电主轴摹本结构如图2 1 所示。 厂 1j ；| f | 承2 拉刀机构3 主轴4 圆螺母5 测迷传感器6l u 机转子7 定子8 冷却会 图2 1i u 上轴的结构图 f i g2 - lh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 图中电机置于两组轴承之间，电机转子用压配合的方法安装在主轴上，电机 定予通过冷却套安装在电卡轴的壳体中。主轴部件山前后两套角接触陶瓷球轴承 支承，自仃后两组轴承整体上为背刈背安装，自订轴承固定，后轴承在轴阳浮动，可 以有微量移动，以补偿主轴工作时的热仲长。电机采用循环水冷却系统进行冷却。 轴承采用油7 润滑，压缩气体将润滑油直接喷射到轴承滚珠体上实现了轴承的润 滑。 2 1 1 电主轴电机 小课题使f f | i 各f ； = | 轴研科技股份自限公司生产的电手轴，型号为1 5 0 m d 2 4 y ， 部分技术参数址农2 1 。 表2 1 无外壳i u 机翻j 分技术参数 t a b l c2 1s p c c i n c a l i o n so t t t a l n e l e s ss p i n d l c1 1 1 0 i o r 铆! 定j 力；簪消 额定功率i 乜j - k电流最r 岛转速额定转速频率 詹e 12 5 k w 3 5 0 v 2 6 7 2 4 0 0 0r m i n8 0 0 0r m i n0 6 2 5 k w4 0 0 h z 7 5 k w 1 6 a 主轴 乜机的转一r 山伞心轴套、叠挑的f i 夕钢片膏u 曲端的、r 衡环红i 成。每个， 衡 北京t q k 人学t 学硕f 学位论文 环的圆周上均匀布置大小相同的8 个螺孔，可在适当的螺孔中拧入平衡螺丝，以 精确地校j 下主轴和转子的动平衡。定子山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。转子足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。冷却套外圆柱面卜加j ：有蝶旋槽，与电主 轴壳体内圆卡i ：面一起形成了螺旋形的冷却管道。当电主轴处于j 1 ：作状态时，通入 冷却水带走大部分电机产生的热量。 由于高速电辛轴的极限转速高，为了保证电主轴运行的稳定性，防i = 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牛不同的膨胀，这将会影响 到主轴与转子的配合【1 7 】。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，影向装配精度，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 1 2 主轴轴承 高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承。对轴承的要求，除了需要商的 精度、足够的刚度和一定的承载能力外，吏重要的是必须适于高速运行。这种轴 承要具自高速性能好、动载荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。本课 题选用只前在高速电主轴上应用最广泛的混合陶瓷球轴承。 该类轴承的滚动体材料使用3 彳陶瓷球。3 m 陶瓷的密度只有轴承钏的 4 0 ，因此高速卜陶瓷球的离心力较钢球小，从而减少了对轴承外崮的爪力，再 辅以适当的润滑方式，就可实现轴承的高速运转。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l 叮提高3 6 倍，