（机械电子工程专业论文）高速电主轴动力学特性研究.pdf

硕士学位论文 摘要 高速电主轴作为高速机床的核心部件，其性能好坏直接影响着机床的高速加 工性能。高速电主轴动力学特性研究为电主轴的设计提供理论依据，是保证高速 电主轴性能的关键，具有重要的研究价值和意义。 本文在充分考虑了电主轴转速高、动平衡精度高、内装主轴电机及过盈连接 等因素的基础上，通过对主轴及轴上零件进行简化，将轴承支承等效为径向弹簧、 角向弹簧和阻尼器并联的形式，建立了高速电主轴动力学模型。通过对常用的传 递矩阵法和有限元法的比较，确定采用有限元法作为核心算法。计算了高速电主 轴的固有频率和主振型。通过对影响电主轴动态性能的主要因素进行深入分析， 得出了主轴跨距、附加质量、转速、预紧力、不平衡响应以及直线轴承对主轴固 有频率及前端动柔度的影响规律。根据结构动态优化理论，以降低主轴前端柔度 为优化目标，对主轴的模态进行了优化，提出了修改过盈套尺寸以及提高前轴承 刚度的措施，改善了主轴质量和刚性的分布。最后以有限元法为核心算法，以 v i s u a lc + + 为开发工具，进行了“高速电主轴动态性能分析软件”的设计。 本文对高速电主轴动力学特性进行了研究，研究结果可作为优化电主轴结 构，改善机床高速加工性能的依据，有利于高速电主轴系统的整体设计及制造。 关键词：电主轴；动力学特性；有限元法；固有频率；动柔度：振动模态 高速电主轴动力学特性研究 abstract h i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ei st h ec o r ec o m p o n e n t ，a n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa r e c r u c i a lt ot h eh i g h s p e e dm a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a c h i n e t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so nh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e si st h ek e yt oa s s u r et h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s ，a n di tp r o v i d e st h er e f e r e n c et o d e s i g nh i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s ， b a s e do nt h ed e t a i l e di n t r o d u c t i o no nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fh i g h s p e e d m o t o r i z e ds p i n d l e ss u c ha st h eh i g hs p e e d ，t h eh i g hb a l a n c ep r e c i s i o n ，t h eb u i l d _ i n s p i n d l em o t o ra n dt h ei n t e r f e r e n c ec o n n e c t i o n ，b ys i m p l i f y i n g t h es p i n d l ea n dt h e p a r to nt h es p i n d l ea n dr e g a r d i n gt h eb e a r i n ga st h ep a r a l l e lc o n n e c t i o no f t h er a d i a l s p r i n g ，t h ea n g u l a rs p r i n ga n dt h ed a m p ，t h ed y n a m i c sm o d e lo fah i g h 。s p e e d m o t o r i z e ds p i n d l ei sf o u n d e d t h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o da n dt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o da r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di sr e g a r d e da st h e c o r em e t h o db yc o m p a r i n gt w om e t h o d s t h en a t u r ef r e q u e n c ya n dt h em o d es h a p e a r ec a l c u l a t e d b ya n a l y z i n gt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e h i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e ，t h e r u l e st h a tt h es p i n d l es p a n ，t h ea d d e dm a s s ，t h e r o t a t e s p e e d ，p r e t i g h t e n i n g f o r c e ，t h eu n b a l a n c er e s p o n s e a n dl i n e a r b e a r i n g i n f l u e n c et h ec 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 ea c q u i r e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nt h e o r y , t h em o d es h a p eo ft h eh i g h - s p e e d m o t o r i z e ds p i n d l ei so p t i m i z e dt oa i mf o rr e d u c i n gt h ef r o n td y n a m i cc o m p l i a n c eo 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 e ，a n dt h em e a s u r e sa b o u ta m e n d i n gt h ed i m e n s i o n o ft h ei n t e r f e r e n c es l e e v ea n di m p r o v i n gt h eb e a r i n gs t i f f n e s sa r er a i s e d t h e d i s t r i b u t i o no ft h es p i n d l em a s sa n ds t i f f n e s si sr e f o r m e d a tl a s t ，t h es o f t w a r eo f t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so nh i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e si sd e s i g n e d b yt h ed e v e l o p m e n tt o o lo f v i s u a lc + + i n t h i sp a p e r t h ed 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 dm o t o r i z e ds p i n d l e sa r er e s e a r c h e di n t h i sp a p e r t h er e s u l tc a no p t i m i z et h es t r u c t u r eo fh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s a n di m p r o v et h em a c h i n i n gc 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 a c h i n e ，a n di t i s f a v o r a b l et ot h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fh i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s k e yw o r d s ：m o t o r i z e ds p i n d l e ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；f i n i t e e l e m e n t ； n a t u r a lf r e q u e n c y ；d y n a m i cc o m p l i a n c e ；t h em o d eo fv i b r a t i o n i i 硕士学位论文 b d d 。 d 女 e 瞰】 吲 k 】 三 y 口 q f ( 勐 n p 爿 矿 蛾 五 糟。 f 眇 皴上零簧宽凌 转轴外径 等效质量直径 等效刚度直饪 弹牲摸量 系统的质量怨阵 系统的阻尼矩眸 祭统的刚度矩阵 系绞瓣广义坐标矢量 线位移 角位移 力矩 剪力 单元长度 单元所受外力 密度 截面积 缀嚣楼蛙矩 特征僮 特征向量 固有角频率 霆有频率 临界转速 广义力 动柔度矩阵 角速疫 r 阶模态质爨 r 阶模态刚度 r 阶模态阻尼比 闻距 辅承豁径蠢骶艘 轴承的角刚艘 参振质量 藏线辜垂承剐痰 不平衡力 偏心距 半径 h l m m r a d n m m n r a d s h z r m l n n 糙翔 n m m n m m k g n m m n m m m m 璎m m m 矛 融m m m 喇 ； h 2 4 黼k 黼 缈珥e舅d&巧吩酶r。， 高速电主轴动力学特性研究 两点间的模态柔度 r 阶主模态 激振角频率 惯性能 弹性能 阻尼能 惯性能分布率 弹性能分布率 阻尼能分布率名c：g矿矿，u 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑整声鹋：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 人帮集 奉，均已在文中以疆确方式标羁。本入完全意识到本声嬲鲍法律后巢 由本入承整。 作者签名：历勿杉 日期：恤咱r 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，同意学 校保留并向豳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 阅鞠螫阗。本入授权濑嘉大学可以将本学位论文熬全帮或部分内容编入有关 数据库避行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复稍手段保存帮汇编本学位 论文。 本学位沦文属于 1 、保密翻，在l 年解密屠暹嗣本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上栩成方框内打“”) 作者签名： 导籍签襄： 。修抄 趁渺 日期：7 , o 。牛年妒月日 鏊麓：p 。飞霉r 黉f 蠢 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 制造业是国民经济的基础产业。制造能力与水平是衡量一个国家综合实力的 主要指标。任何一个工业发达国家无不走过了一段兴机械、强制造之路。近几十 年来，伴随着科学技术的发展及其在制造技术中的应用，出现了数控技术、超高 速加工技术、精密和超精密加工以及虚拟制造等先进制造技术。这些先进制造技 术的应用大幅度地提高了劳动生产率，改善了产品质量，降低了生产成本，并将 制造技术提升到了一个新的层次。 1 1 1 高速加工技术 上世纪8 0 年代以来，以数控机床为代表的自动化加工技术在制造业内的广 泛应用大大地提高了机械加工的自动化程度，尤其是柔性制造系统( f m $ ) 和计 算机集成制造系统( c i l $ ) 更是大幅度地压缩了辅助时间，可以称为制造技术的 一次飞跃。但是，只靠柔性自动化来压缩“辅助工时”是远远不够的。低切速的 数控技术，决不是先进制造技术。为了进一步提高机床的生产效率，必须极大地 提高零件加工的切削速度和进给速度，以便大幅度地降低零件加工的“切削工时” 。高速加工技术就是在这样的历史背景下，在攻克了诸多技术难关后，从9 0 年代起蓬勃发展起来的，现已在工业发达国家得到了广泛的应用，并己取得了极 其显著的技术和经济效益，已成为现代制造技术发展中不可抗拒的历史潮流，也 是我国面向2 1 世纪优先发展的一项高新技术。 什么是高速加工? 至今国际上尚无明确、统一的定义。一般认为，凡切削速 度、进给速度高于常规值5 - 1 0 倍以上的加工方法，就叫做高速加工d , 2 1 。高速切 削的理论研究最早可追溯到上世纪3 0 年代，即1 9 3 1 年4 月德国切削物理学家萨 洛蒙( c a r l s a l o m o n ) 发表的高速切削理论。萨洛蒙指出：在常规的切削速度范围 内，切削温度随着切削速度的增大而提高。但是当切削速度超过某一数值以后， 切削速度增大，切削温度反而降低。并指出这一速度值与工件材料的种类有关。 这说明每一种工件都存在一个速度范围，在此速度范围内由于切削温度太高切削 加工不可能进行，但如果能超越这一速度区，则有可能进行高速切削加工。这一 理论是研究高速加工的理论依据 3 , 4 1 。目前适用于进行高速切削的加工中心，其 主轴转速一般都在1 0 0 0 0 r m i n 以上，有的高达6 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 r m i n ，主轴轴承的 d n 值高达2 x1 0 6 ，主电机功率l5 8 0 k w 。近年来，国内外各工业部门，特别是 航空航天、汽车工业、模具加工和摩托车工业等对高速加工中心的需求量与日俱 裹遮电主辅磁力学簿瞧研究 增，美、目、德、瑞士和意大耐等工业发达阉家已生产多种商品化产品。 袭1 近年嵇黼擞产鑫毒翻鼍牵心翻k 0 椒臻【5 】 制造商k i t a m u r a马扎巍牧搿新泻铁：e e x c e l l oh u i l e r - h i ( 鞫剿) ( 强零)( 珏率)( 强零)( e t 率)( 美国)l i e ( 德国 枫疼 s o n i c m i | l s u p e r - 4 0 0 a 5 5 一a 1 2 sv z 4鼗控蠹鼹船工中心 型号 烟二f = 中心加工中孙加工中心加工中心磨床 疑高转速 2 0 0 0 02 5 0 0 04 0 0 0 05 0 0 0 0 4 5 0 0 0 6 0 0 0 0 ( r r a i n ) 鼹夫逡绘蘧菠 0 莲20 2 s 0 8 30 3 3 0 3 30 了 ( m s - 1 ) 主轴功率( k w ) 2 0 81 8 。s 2 2 1 83 51 2 主轴辘承类鼙陶瓷霉蠢承陶瓷黼澉晦瓷辎承陶瓷辅承磁浮轴承 磁浮辜壶蕊 蹇蘧麓工技术之所以链褥裂逐遮耱发震秘广泛匏应嗣，是出予它鞫常娥热工 方法糖比，有许多突蹬翡蕊点社j ： ( 1 ) 单位时间的丰葶料切除率可增嬲3 6 倍，匿j 毙生产效率极高。 ( 2 ) 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 薄壁细麓件( 如靛空靛天) 麓麓德精密搬工。 8 骖5 锯9 8 辫留蘩蒸霰密嚣飞逮带走，塞不及传泠二 = 眷，工髂可麓本媒骛 冷态，阂嚣特剽遗零予热工容翁熬变形酶零俘。 ( 4 ) 离速加工时机床的激振频举特别高，远离“枫床刀具一工件”工艺系 统麴露蠢簇率，王佟平稳振动小，瓣嚣麓热王出 鬻光滚、霉零壤密瓣零 譬，馕 如高速铣削和商速率削常可达到廉削的水平。同时由于切屑是在瞬间被切离工 件，工传装瑟豹残余应力非常小，这对靛窆簸天工业产潞寿特殊重鬻豹意义。 一黢滋来，离速蕊工中心郡楚全数控辍藤鞫塞精发瓿床，英黄裁粒缀校魏簸 犬特点蹙实现了枫泳的“零传动”。这种传动方式的主要特点是：取潲了从驱谚 电机至工作部件( 主轴，工作台等) 之间的一切中间机械传动环节( 皮黹、齿轮、 滚珠丝枉、螺母等) ，把传动链的长度缩小为零，赦称“零传动”。零健动不但大 大麓稼了凝庆瓣传翡与维穆，要羹要黥是显萋蘧疆离了辍凑动态灵敏发、麓工凌 艘稿工佟可靠穗。这是为满足超离遮勰工要求蠢产雯懿耱瑟型传韵方式，是穰 床设计瑗论与制造技术的一个重大创新。有人也称这种零传动机床h q 傲“下一代 激掇凑”。 2 硕士学位论文 1 1 2 电主轴概述 高速加工一个最根本最核心的特点和技术就是实现高的切削速度，因此高速 主轴单元成为高速加工机床最关键部件。高速主轴单元的类型主要有电主轴、气 动主轴、水动主轴。不同类型输出功率相差较大，高速加工中心主轴需在极短的 时间内实现升降速，并在指定位置快速准停。这就要求主轴有很高的角减速度和 角加速度。如果通过皮带等中间环节，不仅会在高速状态打滑、产生振动和噪音， 而且增加转动惯量，给机床快速准停造成很大困难。目前，多数高速加工中心主 轴采用内装式主轴电机一体化的主轴单元，即所谓内装式电机主轴( b u i l d i n m o t o rs p i n d l e ) ，简称电主轴。它采用无外壳电机，将带有冷却套的电机定子装 配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围 完全由变频交流电机控制，使变频电机和机床主轴合二为一【7 】。电主轴是近年来 在数控机床领域出现的将机床主轴与电机融为一体的新型技术方案，它融合了高 速轴承技术、高速电机技术、高速刀具技术、冷却润滑技术、现代变流技术以及 先进的计算机控制技术等，代表了未来高速主轴单元的发展趋势。 表1 2 日本东京机床展览会展出机械调查结果( 2 0 0 1 ) 【7 机床回转数r r a i n主轴径m i l l轴承材质驱动方式 d n 值( 1 0 4 ) 加工中心3 0 0 0 06 5陶瓷 内藏主轴电机 1 9 5 数控铣床 2 0 0 0 03 0 陶瓷内藏主轴电机 6 0 加工中心 8 0 0 01 0 0钢 齿轮 8 0 加工中心 5 0 0 0 04 0 陶瓷内藏主轴电机 2 0 0 加- | 二中心 1 5 0 0 07 0 陶瓷直接驱动 1 0 5 加工中心4 0 0 0 04 5陶瓷内藏主轴电机1 8 0 加工中心2 5 0 0 07 0陶瓷内藏主轴电机 1 7 5 电主轴的主要特点”1 ： ( 1 ) 电主轴系统减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿轮传动误差。 ( 2 ) 减少了主轴的振动，减小了噪声，提高了主轴的回转精度。 ( 3 ) 用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调速范围宽，功率一扭矩特性 好。 ( 4 ) 机械结构简单，转动惯量小，快速响应性好，能实现很高的速度和加速度 及定角度的快速准停。 电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床 的动平衡，避免振动和噪声，在高速加工领域上得到了广泛的应用。 由于高速电主轴的工作转速极高，这就对其结构设计、制造和控制系统的设 高速电主辍动力学特性研究 计提出了非常严格的要求，并带来了一系列技术难题。麓速电主轴的主疆技术难 点包括： ( 1 ) 电主轴应能传递足够的力矩，适应从粗加工到精加工的变化，能窳现长时 澜运行，并保证5 0 0 0 hi 奠上的使用鸯命。 ( 2 ) 主辘豹教熬寒冷帮。褰速烹霉霆单元一般交主睾囊、辘承、蠹装式惫撬耪刃 舆夹持装置4 部分组成。内装电机擞大大简化了主轴单元结梅，但电机缴热使电 主轴热态特性和劫态特性变差。目前豳际上一般采用油气润滑和喷射润滑等技术 解决发热问题，并将冷却液通过电主轴通向刀柄以起到冷却作用。 ( 3 ) 电主轴必须经过严格豹动平衡。一般认为8 0 0 0 r m i n 是高速加工中的最 僬主毒交转速，在翅瑟毫瓣转速下皇辍运转部分懿微小不乎囊蘩会弓| 发缀大瓣离心 力，激起机床的振动，影响加工精度霸袭面品质。 ( 4 ) 主轴轴承及其润滑。轴承愚决定主轴寿命和负载容量的关键部件。高速 电主轴可采用的轴承有：陶瓷球轴承，磁浮轴承，空气静压轴承和液体动静压轴 承。轴承性能的掇商及轴承润滑，也是高速电主轴的主要技术难点之一”1 。 1 2 国内外技术现状 1 2 1 电主轴的研究现状 国外关于电主轴的研究开展较早，现己逐渐应用到机械制造业中。在该领域， 端士、美重、德困、意大剥窥日本簿幽处于领先地位“3 。瑞士i b a g 公司生产 貔l f 系歹l 电主辜蠡l ( 侵建鸯瓷轴承) 嚣凝大输警功率为1 8 子瓦，校蔽转速达2 4 0 0 0 转分：德国c y t e cs y s t e m s 公司生产的c y s p e e d 系列电主轴最高转速达4 0 0 0 0 转分( 最大输出功率为2 0 千瓦) ，最大输出功率为5 0 千瓦( 极限转速1 0 0 0 0 转分) ；意大利f a m u p 公司生产的精密机床用电主轴最大功率达2 4 千瓦，极限 转速为3 0 0 0 0 转分，装备该电主轴驹m c xe v o l u t i o n 攫多功能精密枫廉霹以热 王窭重达9 0 0 予亮、精凄为l 。5 徽寒翡壳俸零锋；焚鞫i n g e r s o t l 公避生产静 h v m 6 0 0 型多功能商速机床进给装鬣使用直线电枫，避给速度达7 6 米分，沿x 、 y 轴的加速度为l g ，沿z 轴加速度为1 5 9 ，其电主轴规格为：s 1 工况下的功率 为3 8 千瓦，极限转速2 0 0 0 0 转分，最大扭矩为5 0 n 1 1 1 ，从启动到达到极限转 遗的时间仅为1 5 秒”；瑞士d i x i 公司的w a h l i w 5 0 裂卧式加工中心，巢髑电主 霉蠹结穆、主辘转速为3 0 0 0 0r m i n 。曩本三劳穰橇公司生产懿h t 3 a 鹜式熬工中， 采用陶瓷轴承的嘏主轴，主轴转速为4 0 0 0 0r m i n 婚j 。酲前，一些主轴魄机厂商 如西门子( s i e m e n s ) 等已达到可掇供专门作为电主轴用的电机定予和转子，由 机床厂装配到主轴配件上去。除德圈s i m e n s 、日本f a n u c 等公司的众多产品中 包括电主轴辨，琨已出现专业生产厂。倒如，瑞士著名的m i c r o n 机床厂宣布其 硕士学位论文 集团成员s t e p t e c 公司脱离机床业务而专业生产电主轴部件，还应提及的是， 绝大多数电主轴生产厂为在精密加工和装配方面有特长的机械厂，甚至是精密机 床制造改行过来的( 如s t e p t e c ) 。这是因为电主轴的主要特征和难点在高精度 的缘故。以上说明，过去认为最难实现专业化生产的机床主轴部件业已开始专业 化生产了f l 。国外机床主轴部件生产的专业化对其机床工业生产和技术的发展， 竞争力的提高将产生极为深刻的影响，有着里程碑的意义。 我国电主轴的研制和开发始于上世纪6 0 年代，主要种类是内表面磨削电主 轴。这种电主轴功率小、刚度低。由于采用无内圈式向心推力球轴承，限制了高 速电主轴生产社会化、商品化。7 0 年代后期至8 0 年代，随着高速主轴轴承的开 发，研制了高刚度、高速电主轴，被广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领 域。如在电子加工行业中应用的的高速印刷电路板钻削用主轴d z z 2 4 微型钻轴 是油脂润滑型电主轴。还有兼作钻、铣用的d z x l5 型钻削电主轴，以后又相继 开发带刀库、带气缸的新型高速钻削电主轴。我国高速电主轴由磨用转向铣用是 从8 0 年代末开始，它不仅能加工各种形体复杂模具，而且开发了用于木工机械 用的风冷式高速铣用电主轴，推动了高速电主轴在铣削中的应用。我国国内电主 轴生产厂主要有洛阳轴承研究所和安阳莱必泰公司等，它们生产的电主轴还远达 不到国外电主轴生产厂商的技术水平。由于在高转速下空耗功率急剧增加，因此 国内的高速电主轴产品不能适应于高速加工，尤其是高速高效加工，而主要适用 于对调速精度要求不高的钻削、铣削以及雕刻机械1 1 4 。 1 2 2 主轴动力学的技术发展 好的产品，一定要有好的性能，除了高速电主轴的设计和制造以外，主轴的 动力学特性分析，也是高速电主轴系列技术中至关重要的一项技术。主轴单元的 动力学特性包括主轴的固有特性、动力响应和动力稳定性。主轴单元的动力学特 性影响速度和精确性能，国内外有关研究早在本世纪2 0 年代就开始，大致可分 为三个阶段：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，开始出现最佳支承距的计算，使主轴结构设计有了很大的 改进，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；近2 0 年来， 由于计算机和计算技术的发展，主轴单元的动力学特性研究进入新的研究阶段。 各种计算机分析方法相继问世，如古典结构分析法、传递矩阵法、有限差分法、 有限元法和结构修正法。有限差分法只能把主轴近似成b e r n o l i 梁，有限元法可 以分析b e r n o l i 梁和t i m o s h e n k o 梁，但必须对轴承载荷和变形关系进行线性化， 同时对轴承载荷进行积分以求出广义载荷【l “。这些方法各有优缺点，随着设计 质量要求的提高，只有更加全面地考虑各种因素对主轴单元动力学特性的影响， 高速逸主李鸯动力学褥缝研究 尤其是过去被简化或忽略因素的影响，才能得到更加接j 庭实际的分析计算结果。 飙想传上说，我国电主轴豹研铡和应用水平同世界先进水平还有稳当豹差 距，适坜需要趣头怒上。高速电烹辕荜元技术楚割约我萄高速加工技术发展懿耀 颈。为了赶上高速加工技术发展的潮流，我圈正在不断加大对高速加工关键功能 部件一一高速电主轴单元的研究力度。国家璃效磨削工糍技术研究中心承担了国 家科技帮十五辩技攻关项番赢邃主轴单元戆磷究开发与逡溺懿磷究，本漂嚣 是以此项目为背景展开的。 1 3 研究内容与惫义 1 3 1 研究目的与方法 电主轴的研究与开发是一项庞大的系统工程。性能是决定电主轴研发成败的 关疆。蠢予毫主麓爨有蹇逮凄、鬻耱疫、裹嘲度兹“三离”将洼，撬麓龟主裁的 动态特性、延长其使愕寿命、保证工作时的稳定性与可纛性，隧及降低运转中的 噪声己成为目前研究人员面临的蘑要任务。 本谍题的研究内容为高速瞧主辘动力学姆性磷究。镪摆对电主辍系统的固有 频率、振动模态隧及不平衡嘀应簿问题进行研究，分聿斤影嚷电主轴动力学特性鼹 主要因索，优化电主轴的振动模态。为电主轴系统在实际应用中转遮、结构参数 和控制参数的选取提供基本的依据，为电主轴结构的优化提供参考。 藿肉终关予主毒交擎元动力孥褥毪分幸嚣豹繇究已繇较艘熬。瑰舂文簸镑蔻骜逶 机床主轴的动力学特性的研究介绍较为充分，但针对电主轴动力学特性分析的研 究目前还比较少，然丽，高速电主轴在结构上与普通的机床主轴有较大的不同， 困越在凌力学特蛙戆要求上也避不羁豹，本文以毫速龟主辘捧为研炎对象，具有 一定的研究意义和研究价值。当今的祝床工娥正以提高生产效率和勰工精度为霞 标飞速发展，提高主轴单元的性能具有重要的作用，提商主轴动力学分析的精度 是提高主辘性能的关键。目前在主轴的动力学分析中，从以发表的文献看，传统 酶骰法楚酶去轴承赫弹往丽将蒸律为霞定支窳来考虑，h a r r i s 泣q 对这章孛辅承佟 为固定支承的主轴进行了详细的分析，并绘出了理论解；徐【l7 j 将轴承简化为径 向压缩弹簧，详细介绍了传递缀阵法在主轴动力学分丰斤中的应用；孙i l8 j 给出了 主麓动力学分辑熬鸯疆元解。在烹毒囊魂力学分糖熬过程中辍承夔蘧他对分援结象 具有重鼷的影响，无论是忽略轴承的弹性还建将轴承简化为径向压缩弹簧，都没 有充分考虑力矩载荷的影响以及轴承的运动剐度变化和弹性流体动力润滑作用， 这样产生豹误差较大；接递矩簿法帮有限元滋作为转予动力学分专厅的主要算法， 各有优点和不足，充分介绍和分析这两种方法昭特点戬及各自酶适黼范围，对离 速电主轴的动力学特性计算具有指导作用。因此，本文的研究目的柱于，将传统 6 硕士学位论文 的主辘动力学特性的分耩方法以及机攘结鞫的优化理论，运 i 别高速电主轴这 新的研究对象上，充分考虑高速电主轴与酱通的机床主轴结构上的差异性，在保 证分析精度的基础上，究分考虑轴承在各个方向的自由度，并计入非线性影响， 对轴承邀行更合理的简化，建立高速电主轴的分析模型，进行离速电主轴动力学 耱往分爨秘鳝梅饶纯。魄竣馋递矩阵法帮旁羧元法戆诗算壤凌秘效率，确立核心 算法，设计高速电主轴动力攀特性计算分毒厅软件，为后续貌研究工作提供一个脊 力的计算分析工具。 1 3 2 研究内容 本漯瑟的主要虑鬈有以下三方嚣： ( 1 ) 离速遣主辘系统动力学建摸及爨、瀚态往轻静分褥。麓速龟主辘壹予舀 身所其有的“三高”特性，奠结构与普通的机床主轴有较大警别，比如：采用肉 装式电机，无齿轮传动等。因此在进行动力学分析以前，必须根据电主轴的结构 特点，建立高速电主轴的动力学分析模型。本文在充分考虑电主轴热变形、直线 轴番刚艘黥影酶以及滚动皴承支承刚度交化的影响的基础上，一方面建立便于运 爱篱遴怒阵法；手篓麴超麓遮主辘系统兹集中溪量模鍪；另一方蠢建立运爱有袋元 法计算的一维梁结构有限元模型。为分析计瓣作准备。在转子渤力学领域，常用 的计算方法有两种：传递矩阵法和有限元法。这两种方法各有优缺点：传递矩阵 法存储空间少，计算速度快，但常常会产生漏根现象，而且数德稳定性差；有限 元法斡特点是计算精度高，数值稳定性好，并虽很多成熟的计露程序可供利用， 不会产生灞裰凌蒙，毽占蘧麴存疆空闯大，诗箨速度毯浸。本文涛分裂运矮这瑟 种方法进行高速电主轴动力学特性的分析计簿。 ( 2 ) 影响高速电主轴系统动力学特性的因索及性能优化。本文在建立高速电 主轴的幼力学模型并计算高速电主轴系统的临界转速及主振型的基础上，采用数 值计算和仿真分析的方法，一方面研究主轴参数( 主轴跨距、附搬集中质量、隧 热疆恁) 、不平簿羲应戬及麓承参数对主秘系绞动力耱洼( 动鬃波) 豹影豌蔑建； 另一方灏根据机床结构的动态优化原理，以降低主轴系统蔚蛹动柔度为目标，找 出薄弱模态和该模态的薄弱环节，对主轴系统的模态进行优化。 ( 3 ) “高速主轴动力学特性计算分析软件”的开发。在上述研究的基础上， 本文综合电主轴热变形、滚动轴承支承刚度变化等因素，以有限元法为主要算法， 冀v i s u a le + + 为开发工舆，送露“毫逮电烹李囊动力学特瞧诗舞分褥较馋”懿 设计。 1 3 3 研究意义 高遮机床是实现高速加工的装备基础，而高速主轴则是离遮机床的“核心” 部俸，它的 堡能直接决定了机密静超高速热工性熊，对高速主辍进行动力学分攒 高速泡主辘萄力学褥毪研究 是保证高速主轴性能的关键，所以以高速主轴为研究对魏，通过计算机仿真，进 亍高速电主轴的动力学分静亍具有熏要的意义。 扶技术层面上来说，高速祝床的核心部件一电主瓣，是高技术含量产品， 其加工精度和装配精度都非常高，相对与普通机床主轴来说，其内部结构、驱动 方式、运转速度等都有很大的不潮，完全用嶷验手段来遴行动力学方面的研究， 成本太赢，效率太低，甚至不可麓镁裂。逶遵诗算孝尼嫠粪技术，维合转子魂力学 的相关理论，在虚拟的环境中对电主轴的动力学特性进行分析，可以合理确定主 轴部件的剐度和质量的分布，评价现有设计参数对主轴动力学特性的影响，优化 逮主麓豹没诗。毫速魄主辘动力学特性熬诗黪孛晁仿真分掇，在结合实骏验专歪豹基 础上，以“设计一一分析一一再设计一再分析”的设计分析理念取代传统的耗 时耗资的“设计一一宓验一一再设计一再实验”的设计思想，具有麓要的技术 榆毽1 引。 扶市绣和经济屡蕊上来说，黼矫著名酶魄主辘厂商实行技术垄断浅略。通过 对其关键技术的深入研究，开发具有我国自主知识产权的高速电主轴单元是满足 数控机床向高速化和烹轴单元化方向发展的需要，进而为接进我国高速机床行业 整体技零进步蠡下鏊实基礁。我溪已经杰霆入w t o ，要想在二卡一整纪戆激爨竞争 中争得一席之地，必缬要有自己的强大的制逡业。通过研究开发并掌握高速电主 轴的各项关键技术，w 以减少国内机械工业对国外高档机床的依赖，打破我国在 技零土受到于人、经漭土後掺暴爨豹被动弱蕊。由予中嚣基有纛价、麓素质数劳 动力资源，为了降低船工成本，世界制造监领域的许多跨謦公司纷纷将加工毹造 中心向中国转移。但怒在制造业的许多关键技术领域如高速主轴单元方面，由于 国内的磺究开发制造水平较低，发达国家利用其技术优势一直垄断麓主要市场， 高价出寮产品，控潮羲翻造监赢灞产晶在中戮市场开放的避程。懿莱我髓在意邃 主轴单元这一关键技术领域取得突破，无疑将加速世界制造业的中心向中国转移 的进程【20 1 。 综，已所述，本文的主要研究任务就是建立高速电主轴的动力学分祈模型，研 究高速电主轴的固有频率和主振烈，在此基础上，分析主轴参数、动不平衡以及 轴承参数对主弦动力学特牲豹影噫，进彳亍主辆系统的摸态德纯，最匿，结合毡人 的研究成栗，设计“商速电主轴渤力学特性计算分析软件”，为电主辎瓣结褐设 计和优化提供指导。 本文的章节内容安排如下： 第一章绪论，综述了本文繇疆究硬基帮具体谋题麓慕本凝猿、发袋背景、发 展趋势、研究内容及篡重要意义。 第二章高速电主轴系统动力举建模及静动态性能计算，分析高速电主轴的结 8 弼 学位论文 构特点，建立高遮电主轴的动力学模型，确定进行渤力学分析的核心簿法，并计 算高速电主轴的固有频率和主振勰。 第三章影响高速电主轴动力学特性的主要因素，分析主轴参数、轴承参数、 不平衡力对主轴渤力学特性的影响。 第匿章蔫逮电主辜耋动态往纯设诗，疆饔 聂主辘系统蘩壤象柔菠为瓣稼，技窭 主轴系统的薄弱模态和该模态的薄猫环节，对主辘系统的模态进行优化。 第五章“商遽电主轴动力学特性计算分析软件”的开发，综合电主轴热变形、 滚动轴承支承刚度变化等因素，以有限元法为主要算法，设计高速电主轴动力学 特性计算分析软件。 缝论部分，对全文逶行了总缝，缮毫结论，并鼹该谍题夔磊续工俸掇壅了关 于工作重点和努力方向方面的思考。 9 高速电主轴动力学特性研究 第2 章高速电主轴的性能分析计算 高速电主轴是高速数控机床的核心部件，其性能的高低直接决定着整个机床 的水平。对高速电主轴的性能进行分析和优化是电主轴设计的关键环节。建立高 速电主轴的动力学分析模型并确定分析计算的方法是进行高速电主轴性能分析 的重要手段。本章将通过对高速电主轴的结构特点进行分析，建立高速电主轴的 动力学模型，对高速电主轴的性能进行分析计算。 2 1 高速电主轴系统的结构特点 高速电主轴是采用内装式主轴电机的一体化主轴单元。它采用无外壳电机， 将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件 做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电机控制，使变频电机和机床主轴合 二为一。与传统的机床主轴相比，高速电主轴具有“高速度、高精度、高刚度” 的“三高”特性。为满足“三高”特性的要求，高速电主轴的内部结构与传统机 床主轴相比有很大的差异，这些差异主要体现主轴的结构布局、轴上零件的连接 方式、轴承以及发热与热变形这四个方面。 2 1 1 主轴的结构布局 传统的机床主轴电机与机床主轴是分离的，它们之间通过齿轮和皮带轮连 接。主轴转速的调节是通过改变齿轮的啮合来实现的。而电主轴是直接将主轴电 机装于主轴上，即电机轴与主轴一体，主轴转速的调节完全由电机控制。根据主 轴电机与主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴单元主要有两种结构布局设计方 式：( 1 ) 主电机置于主轴前、后轴承之间。它采用两支承结构，支承受力方式为 外撑式。前后轴承均分别采用串联安装方式，后支承选用小尺寸轴承，降低了速 度因数值，对主轴整体刚性影响不大，对保持整个轴系的使用寿命十分有利。优 点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，功率大，较适合于大中型高速机床； ( 2 ) 主电机置于主轴后轴承之后。即主轴箱和主电机作轴向的同轴布置，这种方 式减少了电主轴前端的悬伸量，电机的散热条件较好，但整个电主轴单元的出力 较小，轴向尺寸大，常用于小型高速数控机床【2 ”。 2 1 2 主轴零件的连接方式 传统的机床主轴由于转速相对较低，对动平衡的要求也相对较低，因此轴上 的零件常采用键连接和螺纹连接的方式与主轴连接。在高速电主轴上，由于转速 的提高，所以对轴上零件的动平衡要求非常高，动平衡精度一般应达到g 1 g o 4 硕士学位论文 级。为此，电主轴的结构设计必须采用严格的对称设计思想。其机械结构的关键 零件，尤其是旋转零件，必须取消常规机械结构设计中常用的键连接和螺纹连接， 而普遍采用可拆的过盈连接1 2 2 , 2 3 j 。因为键连接和螺纹连接是高速运转情况下造 成动不平衡的主要原因，而且螺纹连接往往由于松动而出现故障，甚至事故。过 盈连接与螺纹连接相比有较明显的优点：( 1 ) 不会在轴上产生弯曲和扭转应力， 对轴的旋转精度没有影响；( 2 ) 易保证零件定位端与轴心线的垂直度，轴承预紧时 不会使轴承受力不均而影响轴承的寿命；( 3 ) 过盈套质量均匀，主轴动平衡易得到 保证；( 4 ) 一般用热套法进行安装，用注入压力油的方法进行拆卸，对主轴无损害； ( 5 ) 定位可靠，可提高主轴的刚度口又“j 。 2 1 3 电主轴用轴承 电主轴实现高速化和精密化的关键是高速轴承。传统机床用的普通钢质球轴 承材料密度大、热稳定性不好，在高速情况下，滚珠离心力和陀螺力矩急剧增加， 导致轴承摩擦加剧、温升超标，远远不能满足电主轴转速高的要求。目前，国内 外超高速机床采用较多的轴承形式主要有磁浮轴承、动静压轴承和陶瓷轴承( 主 要是混合陶瓷轴承) l “j 。 磁浮轴承是利用可控电磁力作用将转轴悬浮于空间，使转轴与定子之间没有 机械接触的一种新型高性能轴承。由于不存在机械接触，转轴可达到极高的转速。 它具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，而 且磁浮轴承还是可控轴承，转子位置能够自律，主轴刚度和阻尼可调，这对于加工 是十分有利的【2 “。由于磁浮轴承价格昂贵，控制系统复杂，发热问题不易解决，通常 只用在特殊的场合，并不适用在高速主轴单元上大面积推广。 动静压轴承是一种综合了动压轴承和静压轴承优点的新型多油楔油膜轴承， 避免了静压轴承高速下发热严重和供油系统庞大复杂，克服了动压轴承启动和停 止时可能发生的干摩擦的弱点，有很好的高速性能，而且调速范围宽。它既适合大 功率的粗加工，又适用于超高速精加工，但是这种轴承必须专门进行设计，单独生 产，标准化程度低，维护也困难。目前，在高速主轴单元中应用较少【2 。 角接触陶瓷轴承是采用陶瓷球和钢质轴承套圈的混合轴承【2 “。最常用的陶 瓷球材料是s i 3 n 4 ，s i 3 n 4 密度只有轴承钢的4 0 ，热膨胀系数只有轴承钢的2 5 ， 弹性模量则是轴承钢的1 5 倍，硬度为钢的2 3 倍，氮化硅陶瓷还具有耐高温、 不导电、不导磁、导热率低等一系列优良特性，用它作为高速轴承的滚动元件， 可以大大减小滚动元件的离心力和陀螺力矩，使轴承获得低温升、长寿命和高 d m n 值，除混合轴承外，目前国内已经开始在高速主轴上试用全陶瓷轴承，其 内外套圈、保持架和陶瓷球采用的材料有z r 0 2 、s i 3 n 4 、a 1 2 0 3 和聚四氟乙烯等 【2 8 ，2 9 ，3 0 高速电主轴动力学特性研究 2 1 4 发热与热变形 与传统的机床主轴相比，由于电主轴的转速较高，因此发热量大。电主轴内 部的两大热源：一是内装主轴电机：另一个是主轴轴承。与传统的主轴不同，电 主轴最突出的问题就是内装电机的发热。由于电机旁边就是主轴轴承，电动机的 发热会直接降低轴承的工作精度，如果主电动机的散热解决得不好，将会影响到 机床工作的可靠性和稳定性。在结构上，通常在定子绕组外部设计循环冷却系统 用循环冷却液体吸收和带走定子散发的热量，保持主轴单元壳体均匀的温度分 布。另外，约有1 3 的发热量是由电机转子产生的，转子散热条件差，又直接安装在 主轴上，通常采用减小电机径向的传热热阻的结构设计，使转子的发热量尽可能 多地通过气隙传到定子和壳体中，并由冷却液带走【3 ”。主轴轴承的发热也是电 主轴的主要热源之一。传统的机床主轴，为解决主轴轴承的发热问题，常采用油 腊润滑的方式，改善轴承的散热条件；而高速电主轴上轴承的润滑方式一般采用 润滑效果更好的油雾润滑和油气润滑【3 ”。由于高速电主轴的发热量大，由发热 导致的主轴的热变形会对电主轴的性能产生巨大的不良影响，因此，电主轴的结 构设计中，大都采用了一些特殊的结构来减小热变形所带来的影响，如：加入直 线轴承减小主轴轴向热变形对主轴轴承预紧量的改变。这些结构的加入尽管削弱 了热变形的不良影响，同时对电主轴的性能也会产生一定的影响。 高速电主轴的内部结构同传统的机床主轴的结构相比有较大的不同。这主要 体现在高速电主轴采用内装主轴电机的结构、过盈连接的连接方式、混合陶瓷或 全陶瓷轴承的支承以及改善主轴散热条件和减小热变形影响的结构设计等方面。 高速电主轴是一个新的研究对象，如何建立高速电主轴的分析模型，如何确定分 析方法，从动力学分析的角度来看这些问题都具有重大的研究价值。 2 2 高速电主轴系统建模与性能计算 2 2 1 电主轴的动力特性 主轴的静刚度简称主轴刚度，是机床主轴系统重要的性