（材料加工工程专业论文）高速电主轴“转轴轴承”系统动态特性建模研究.pdf

西华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。 学位论文作者签名：赧菇 e i 弧：o l f ，西 指导撕张侧受 甚期：勘小巧t | 厂 西华大学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，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 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，西 华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：胡绔 日期：加，参f 两华大学硕上学位论文 摘要 高速化加工技术能显著地提高生产效率，提高产品制造质量，降低生产成本。尤其 在模具制造领域，高速化加工使得模具制造周期大大缩短，为最终由模具成型的产品迅 速占领市场创造了强有力的先决条件，这些优点都是传统的模具制造加工工艺所不具备 的。要发展和应用高速加工技术，首先必须有性能优良的高速数控机床，而高速机床的 加工精度，很大程度上取决于高速主轴动态特性，建立高速主轴动态特性模型是研究其 动态特性最重要最基本的工作。得到准确可靠的动态特性模型后，可利用其评价现有高 速主轴设计合理性，预测现有高速主轴工作性能，优化结构设计。 本文以四川普什宁江机床有限公司某型号高速电主轴的生产为基础，利用数值计算 与模态实验相结合，建立了基于有限元法的较为可靠的高速电主轴“转轴一轴承”系统 动态特性模型，并利用该模型预测了自由模念和约束模态下的“转轴一轴承”系统频响 特性，同时研究了部分结构设计参数对系统动态特性的影响。本文的主要工作及其成果 如下： 分别利用传递矩阵法和有限单元法建立了高速电主轴“转轴一轴承 系统的动力学 模型。两种模型的计算结果均表明，本文研究的“转轴一轴承”系统设计合理。但通过 与模态实验分析结果比较，认为有限元模型更能准确地用于真实的“转轴一轴承”系统 动态特性研究。 基于锤击法对“转轴一轴承”系统进行自由模态实验，并借组模态置信准则( m a c ) 验证了模态实验的准确性和可靠性。根据自由模态实验数据，从弹性阻尼单元自由度耦 合和单元刚度调节着手，修正了之前建立的有限元模型。该有限元模型计算的转轴一弯、 二弯固有频率相对于实验模态分析的误差分别为4 1 4 和6 9 7 ，且计算所得频响函数 曲线与实验模态分析所得曲线在一定频晌范围内吻合度较高。 利用修正的有限元模型预测了“转轴一轴承”系统在约束边界条件下的动态特性， 并通过约束锤击模态实验验证了该模型的预测结果。其中，两者获得的转轴一弯和二弯 固有频率十分接近，相对误差分别为0 5 7 和0 8 4 。 利用修正的边界约束有限元模型，研究了部分结构设计参数对“转轴一轴承 系统 动态特性的影响，提出了理论上可通过调节某些设计参数来提高“转轴一轴承 系统第 1 阶固有频率思路。 基于修正的有限元模型，研究了转轴材料刚度对“转轴一轴承”系统动态特性的影 响。结果表明，相对于结构刚度而言，材料刚度对“转轴一轴承 系统的动态特性基本 无影响。 速电土轴“转轴轴承”系统动态特性建模研究 “转轴一轴承”系统；动态特性；固有频率；临界转速；模 两华人学硕十学位论文 a b s t r a c t h i g hs p e e dm a c h i n i n g ( h s m ) t e c h n o l o g yc a nc o n s i d e r a b l ya c c e l e r a t et h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c y ，p r o m o t et h em a n u f a c t u r i n gq u a l i t i e s o f p r o d u c t s a n dr e d u c et h ec o s to f p r o d u c t i o n s e s p e c i a l l yi n t h ea r e ao fm o l dm a n u f a c t u r i n g ，t h eh s mt e c h n o l o g yc a n s i g n i f i c a n t l ys h o r t e nt h ep e r i o do fm o l dm a n u f a c t u r i n ga n dc r e a t et h ef a v o r a b l ec o n d i t i o n sf o r t h ep r o d u c t sm a d eb ym o l dt oo c c u p yt h em a r k e ts w i f t l y t h ec o n v e n t i o n a lm a c h i n i n g t e c h n o l o g yd o s en o th a st h e s ea d v a n t a g e si n h s m f o rd e v e l o p i n ga n da p p l y i n gh s m t e c h n o l o g y ，i ti se s s e n t i a lt oo w nh i g h s p e e dn cm a c h i n et o o l sw i t he x c e l l e n tp r o c e s s i n g p e r f o r m a n c e t h ep r o c e s s i n gp r e c i s i o no fh i g h - s p e e dn c m a c h i n et o o l si sg r e a t l yd e c i d e db y 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 hs p e e ds p i n d l e t h u s ，t h em o s tc r u c i a la n df u n d a m c l t a l r e s e a r c hw o r ki st oe s t a b l i s ht h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sm o d e lo fh i g hs p c c dm o t o r i z e d s p i n d l e b a s e do nt h ea c c u r a t ed y n a m i cm o d e l ，t h es t r u c t u r ed c s i g no fm o t o r i z e ds p i n d l ec r d b ea s s e s s e da n do p t i m i z e d ，a n dt h ew o r k i n ga b i l i t i e sc a nb ep r e d i c t e da sw e l l a c c o r d i n gt op r a c t i c a lp r o d u c t i o no fp u s hn i n gj i a n gm a c h i n et o o ll t d o fs i c h u a n p r o v i n c e jt h i st h e s i s ，t h a tc o m b i n e dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n “w i t he x p e r i m e n t a lm o d a la n a l ) 幽， e s t a b l i s h e dar e l i a b l ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sm o d e la b o u tt h es h a f t b e a r i n gs y s t e mo f h j g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e b a s e do nt h em o d e l ，t h ef r e q u e n c yr e s p o n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h es y s t e mi nf r e es t a t u sa n dc o n s t r a i n e ds t a t u sw e r ep r e d i c t e dr e s p e c t i v e l ya n dt h ee f f e c t so f s o m ed e s i g np a r a m e t e r so nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mw e r es t u d i e d t h em a i n a c h i e v e m e n t si nt h et h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： t h et h e o r e t i c a lm o d e l so ft h es h a f t b e a r i n gs y s t e mw e r ee s t a b l i s h e db yu s e di nt h e t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ( t m m ) a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，r e s p e c t i v e l y t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h et h e o r e t i c a lm o d e l ss h o wt h a tt h es h a f t - b e a r i n gs y s t e md e s i g ni s r e a s o n a b l ea n da v a i l a b l e h o w e v e r ，t h ef e mi sr e g a r d e da sam o r ea c c u r a t et h e o r e t i c a l m e t h o di nt h et h e s i st h r o u g hc o m p a r i n gw i t he x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i s ( e m a ) af r e em o d a le x p e r i m e n tb a s e do ni m p a c tm e t h o dw a su s e di nt h es h a f t b e a r i n gs y s t e m ， a n dt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t sw e r ev e r i f i e db ym o d a la s s u r a n c e c r i t e r i o n ( m a c ) a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t sd a t a ，t h ei n i t i a lf e m w a sm o d i f i e dt h r o u g h c o u p l i n gd o fa m o n gs p r i n g d a m p e ru n i t sa n dr e a d j u s t i n g u n i t - s t i f f n e s s t h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h er e s u l t sf r o mm o d i f i e df e mc a l c u l a t i o na n df r o me m ai sq u i tl i t t l e ，a m o n gw h i c h t h en a t u r ef r e q u e n c yd e v i a t i o nc o r r e s p o n d i n gt ot h ef i r s ta n ds e c o n dd e f o r m e dm o d es h a p ei s 4 1 4 a n d6 9 7 ，r e s p e c t i v e l y t h ef r f ( f r e q u e n c yr e s p o n df u n c t i o n ) c u r v e sf r o m m o d i f i e df e mc a l c u l a t i o na n df r o me m aa r es i m i l a ri nac e r t a i nf r e q u e n c yr e g i o n u t i l i z i n gm o d i f i e df e m ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs h a f t b e a r i n gs y s t e mw h e r e b o u n d a r yc o n s t r a i n e dw e r ep r e d i c t e d a n dt h r o u g ht h ei m p a c tm o d a le x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t s l 高速l 乜主轴“转轴轴承”系统动态特性建模研究 p r e d i c t e dw e r ec e r t i f i e d ，a m o n gw h i c ht h en a t u r ef r e q u e n c yd e v i a t i o nc o r r e s p o n d i n gt ot h e f i r s ta n ds e c o n dd e f o r m e dm o d es h a p ei s0 5 7 a n d0 8 4 ，r e s p e c t i v e l y t h r o u g hr e s e a r c h i n g ，i nm o d i f i e df e m ，t h ee f f e c t so fs o m ed e s i g np a r a m e t e r s ( d p ) o n t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs h a f t - b e a r i n gs y s t e m ，t h et h e s i sf i n d st h a t t h ef i r s tm o d e f r e q u e n c yo ft h es y s t e mc a nb et h e o r e t i c a l l yp r o m o t e db ya d j u s t i n gt h e s ed p b a s e do nt h em o d i f i e df e m ，t h ee f f e c to ft h ee l a s t i c i t ym o d u l u so fs h a f tm a t e r i a lo nt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs h a f t b e a r i n gs y s t e mw a ss t u d i e da sw e l l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e e f f e c to ft h ee l a s t i c i t ym o d u l u so fs h a f tm a t e r i a lh a sa l m o s tn o t h i n gw h i c hc o m p a r ew i t h s t r u c t u r es t i f f n e s so ft h es y s t e m k e y w o r d s h i g h s p e e d m o t o r i z e d s p i n d l e ；s h a f t - b e a r i n gs y s t e m ；d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ；n a t u r a lf r e q u e n c y ；c r i t i c a ls p e e d ；m o d a la n a l y s i s i v 两华人学硕十学位论文 目录 摘要1 1 绪 仑1 1 1 引言1 1 2 课题研究的背景、来源和意义1 1 2 1 背景1 1 2 2 来源。2 1 2 3 意义3 1 3 高速电主轴的结构特点、工作原理及关键技术3 1 3 1 高速电主轴构成3 1 3 2 高速电主轴的工作原理4 1 3 3 高速电主轴的关键技术5 1 4 国内外研究现状8 1 4 1 电主轴动力学理论建模研究现状8 1 - 4 2 电主轴动力学实验建模研究现状：1 0 1 5 本文研究的主要内容1 2 1 6 本章小结1 2 2 高速电主轴“转轴一轴承”系统动态特性理论建模研究1 3 2 1 引言。- ：1 3 2 2 传递矩阵模型1 3 2 2 1 传递矩阵法定义。1 3 2 2 2 传递矩阵模型建立方法1 4 2 2 3 “转轴一轴承 系统的传递矩阵模型。1 4 2 2 4 传递矩阵模型计算结果分析与讨论1 9 2 3 有限元模型2 0 2 3 1 有限单元法定义2 0 2 3 2 有限元模型建立方法2 0 2 3 3 “转轴一轴承”系统的有限元模型2 1 2 3 4 子空间迭代法与模态叠加法2 2 2 3 5 固有频率计算结果分析与讨论2 3 2 4 本章小结2 4 3 高速电主轴“转轴一轴承”系统动态特性实验建模研究2 5 v 两华人学硕十学位论文 引言2 5 实验模态分析2 5 3 2 1 实验模态分析的定义2 5 3 2 2 实验模态分析理论2 5 实验模态分析系统建立2 8 3 3 1 实验系统2 8 3 - 3 2 测点布局3 0 3 3 3 边界条件3 1 3 3 4 预实验3 2 3 3 5 正式实验过程3 5 3 3 6 自由模态实验分析结果与讨论3 6 自由模态实验分析与理论模型计算结果讨论3 9 3 4 1 自由模态实验分析与理论模型计算结果对比3 9 3 4 2 实验模型分析和理论模型计算的频晌函数对比3 9 3 4 3 有限元模型修正1 弹性阻尼单元自由度耦合4 l 3 4 4 有限元模型修正2 弹性阻尼单元刚度调整4 1 3 5 “转轴一轴承”系统在约束边界条件下的动态特性建模研究4 4 3 6 设计参数对“转轴轴承”系统动态特性的影响4 7 3 6 1 电机转子外径。4 7 3 6 2 前轴承组间距4 8 3 6 3 后轴承距离轴端位置4 8 3 6 4 前轴承组距离轴端位置4 9 3 7 本章小结。4 9 4 面向“转轴轴承”系统动态特性的轴及轴承材料选取5 1 4 1 引言5 1 4 2 本文高速电主轴转轴的选材与热处理5 1 4 2 1 转轴选材5 1 4 2 2 高速电主轴转轴新材料的研发与应用现状m 1 5 2 4 2 3 转轴热处理5 2 4 3 本文高速电主轴轴承的材料选取5 3 4 4 转轴材料刚度对高速电主轴“转轴一轴承”系统动态特 生的影响5 3 4 4 1 不同材料刚度对应的自由边界条件有限元模型5 3 v i 两华人学硕十学位论文 4 4 2 有限元模型计算结果与讨论5 3 4 5 本章小结5 4 5 结论与展望_ 5 5 5 1 结论。5 5 5 2 展望5 5 参考文献5 7 附录a 传递矩阵法及二分法部分程序代码。5 9 5 9 攻读硕士学位期l 日j 学术论文及科研情况6 0 致谢6 1 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 引言 高速数控机床是装备制造业领域中实现高速加工技术的核心产业，其发展程度标志 着一个国家制造业发达与否。在人类社会高度发达的今天，时间就是金钱，效率就是生 命。高速化加工能显著地提高生产效率，提高加工质量，降低生产成本。高速化作为数 控机床产业主要发展方向之一，其前景可谓一片光明。尤其在模具制造领域，高速化加 工使得模具制造周期大大缩短，为最终由模具成型的产品迅速占领市场创造了强有力的 先决条件，这些优点都是传统的模具制造加工工艺所不具备的。据统计分析，目前在工 业发达国家已有8 5 以上的模具电加工工序被超高速加工所替代，超高速加工在国际模 具制造工艺中的主流地位已经确立【1 1 。 高速化加工技术的主体是高速机床，高速化加工技术的水平高低也反映在高速机床 的设计制造技术上。要发展和应用高速加工技术，首先必须有性能优良的高速数控机床， 而高速机床的工作性能，很大程度上取决于高速主轴【舶。高速主轴作为高速机床的核心 功能部件，是体现高速机床设计水平高低的主要途径。高速主轴，特别是高速电主轴在 全球机械、电子、航空航天、国防工程等领域所表现出来的旺盛生命力表明，各工业国 家都密切关注高速主轴单元技术的研究与发展，该技术必将掀起工业革命新的高潮，引 领高速加工技术迈上一个新的台阶。 1 2 课题研究的背景、来源和意义 1 2 1 背景 高速化加工技术较常规加工技术最突出的特点是高切削速度和高进给速度。通常将 切削速度在常规情况下的5 1 0 倍以上的切削i j n - r - 定义为高速切削或超高速切削 ( u l t r a - h i g hs p e e dc u t t i n g ) 。表1 1 将常规加工和高速加工中涉及到的部分技术参数进行 了对比。 高速电主轴“转轴轴承”系统动态特性建模研究 表1 1常规切削加工和高速切削加工的部分技术参数对比 3 】 t a b1 1c o n v e n t i o n a lc u t t i n gv s h i g hs p e e dc u t t i n g 刀具直径( m m ) 6 主轴转速( 叼嗍) 2 0 0 0 进给速度( m m m i n ) 4 0 0 切削速度沏m 伽) 1 2 0 0 切削深度( m m ) 0 5 6 2 4 0 0 0 4 0 0 0 4 8 0 0 0 2 一般地，高速主轴由多个零部件和构件自成一体使之成为系统且相对于机床整体结 立存在，故冠以“单元 以突出其整体性和特殊性。常见的高速主轴单元类型主要 主轴单元、气动主轴单元以及水动主轴单元等。不同类型的高速主轴单元输出功率 较大。其中，高速电主轴单元结构紧凑、惯性小、振动小、响应快等优点使其在高 轴单元中脱颖而出。 简单来说，高速电主轴单元是电动机与主轴结合在一起，将机床主传动链长度缩短 的传动结构形式，俗称电主轴( m o t o r i z e ds p i n d l e ) 。 虽然高速化加工技术有许多优点，如单位时间的切削效率高、切削力小、适合加工 薄壁零件和细长杆件、适合加工易产生热变形的零件等，但某些方面也存在着较为突出 的问题，例如安全与可靠性、噪声与振动。其中，振动是目前高速机床行业面临的最大 挑战，特别是在模具制造过程中。由于模具材料的强度和硬度都很高，加之常采用悬伸 量较大的刀具加工模具型腔，因此加工过程极易发生颤振【l 】。若排除机床外部传递的振 动因素，机床振动的主要振源是旋转件不平衡所产生的受迫振动、颤振和断续切削的周 期性激励。而要深入研究旋转件( 特别是高速主轴单元) 的振动特性，建立其动力学模 型是最重要也是最基本的步骤。 1 2 2 来源 基于2 0 0 9 年国家科技重大专项“高速卧式加工中心”( 项目编号2 0 0 9 z x 0 4 0 0 1 0 2 3 ) 之子课题“加工中心高速主轴动刚度分析及智能优化设计技术”的资助，以四川普什宁 江机床有限公司某型号电主轴的生产实际为基础，结合国内外高速电主轴动态特性研究 现状，提出了“高速电主轴转轴一轴承系统动态特性建模研究 这一课题，旨在建 立较为可靠的高速电主轴“转轴一轴承 系统动态特性模型，并在此基础上研究设计参 数对系统动态特性的影响。 西华大学硕士学位论文 1 2 - 3 意义 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，也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，产生了巨大的经济效益。高速电主轴单元作为 机床核心功能部件、机床实现高速化的关键重要部件，其动态特性决定了机床业的发展 水平。因此电主轴在设计过程中，其动态特性也成为工程师最关心的问题之一，开展电 主轴动态特性的分析和实验研究工作，有利于我国高速化加工产业的发展，具有极其重 要的工业价值及科学意义。 本文研究采用理论建模和实验建模相结合的方法建立较为可靠的电主轴动力学模 型，填补了普什宁江有限公司在电主轴动态特性研究方面的空白，同时也为其提供了十 分珍贵的模型数据，以便为该公司的电主轴进一步发展打下坚实理论基础。 1 3 高速电主轴的结构特点、工作原理及关键技术 1 3 1 高速电主轴构成 s 图1 1 电主轴典型结构示意 f i 9 1 1 at y p i c a lm o t o r i z e ds p i n d l e 高速电主轴主要由轴壳、转轴、轴承以及电机转子和定子构成，图1 1 是其典型结 构示意。 ( 1 ) 轴壳 轴壳与电机定子过盈装配在一起，并带有冷却套。轴壳的尺寸精度与形位精度是电 主轴综合精度的直接影响因素之一。由于要装入电机定子，故须开放轴壳的一端。 ( 2 ) 转轴 高速电主轴“转轴轴承”系统动态特性建模研究 作为电主轴主要回转件的转轴采用热压方式与电机转子过盈装配，过盈量约为 0 0 1 m m 。转轴动平衡必须进行严格校正，其他与之配合的零件要一同做动平衡实验，否 则会严重影响电主轴动态特性。转轴的制造精度直接影响电主轴最终精度。转轴为空心 结构，内装拉刀机构。 ( 3 ) 轴承 电主轴核心支承部件。与普通机械主轴用轴承不同，高速电主轴轴承须具备高速性 能好、动载荷承载能力强、润滑性能好、发热量小等特点。目前，国内使用最广泛的是 陶瓷球轴承，其d m n 值可高达3 1 0 6 。 ( 4 ) 轴端结构 轴端结构的锥孔结合面是电主轴最关键的结合面之一，须具备五个方面的特点：定 位精度高；动力传输快；传递高速运动能力强；较高的动、静刚度与阻尼以及传输介质 的能力。现代机床广泛采用b t 工具系统( 锥度7 ：2 4 ) 和德国h s k 工具系统( 锥度1 ：1 0 ) 【4 】 o 综上，电主轴主要具备如下优剧5 】： 主轴由内置电动机直接驱动，省去了带轮、齿轮、联轴器等中间变速和传动装置， 传动链长度为零，具有结构简单紧凑、效率高、振动小和精度高等特点。 为适应机床工作时各种工况和负载变化的需要，采用交流变频技术，电主轴可以 在额定转速范围内实现无级变速。 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，延长了使用寿命。 电主轴比其他形式的主轴更易于实现高速化，动态精度和稳定性更好，可以满足 数控机床进行精密加工和高速切削的需要。 电主轴内置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载 时大转矩，及高速高精度轻载时大功率的要求，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。 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。 1 3 2 高速电主轴的工作原理 电主轴动力来源于电机，电机由定子绕组和转子组成。前者由具有高导磁率的优质 矽钢片压制而成，可产生电磁场能量；后者即转轴，作用是把电能转化为机械能。电主 4 西华大学硕士学位论文 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 于轴承高速化参数队咒值。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，便可改变电主轴的旋转方向5 1 。 1 3 3 高速电主轴的关键技术 建露调压装霄 图1 2 高速电主轴单元配置 f i 9 1 2c o n f i g u r a t i o no f m o t o r i z e ds p i n d l e 2l1 21 1 图1 3 高速电主轴结构简图 1 轴壳2 转轴3 过盈套4 电机转子5 气隙6 电机定子 7 冷却水套8 陶瓷球轴承9 润滑系统入口 1 0 冷却水出口1 1 接电源1 2 冷却水入口 f i 9 1 3 c o n s t r u c t i o no f m o t o r i z e ds p i n d l e 一套完整的高速电主轴单元如图1 2 所示，其组件包括电主轴本身、动力部分、变 频装置、润滑装置、冷却装置、供气装置、编码器、拉刀机构等。图1 3 为高速电主轴 单元内部结构简图。由于电主轴工作转速极高，因此其设计、制造、控制方面的要求都 极为苛刻，尤其是在轴承、润滑、散热和动平衡方面。 ( 1 ) 支承技术 主轴支承( 轴承) 技术是电主轴的一项关键技术。轴承的大小、排布方式，润滑方 式决定着电主轴的最高转速，并且轴承也决定着主轴的使用寿命和负载容量。目前国内 外数控机床采用较多的轴承形式有：陶瓷球轴承、动静压轴承和磁悬浮轴承。其中最广 泛的是混合陶瓷球轴承。 支承的类型 i 、陶瓷球轴承 高速电主轴“转轴轴承”系统动态特性建模研究 陶瓷球轴承由内圈、外圈、陶瓷球( 滚动体) 、保持架四个原件组成。陶瓷球( 滚 动体) 是轴承的核心原件；内圈的外表面和外圈的内表面都有一周凹槽，用于限制陶瓷 球的轴向移动；保持架则将陶瓷球均匀隔开，防止彼此间的摩擦。 陶瓷球材料为氮化硅陶瓷，这种材料的优点主要体现在： 1 0 密度仅为轴承钢的4 0 ； 2 。硬度为轴承钢的2 3 倍； 3 。弹性模量为轴承钢的1 5 倍； 4 。热膨胀系数仅为轴承钢的2 5 ； 5 。不导电、不导磁、耐高温、低热导率； 6 。自润滑性好。 表1 2 说明了陶瓷轴承的发展历程。 表1 2 陶瓷轴承发展历程b 3 t a b1 2 d e v e l o p m e n th i s t o r yo fc e r a m i cb e a r i n g s 年代科研工作者国别研究成果及结论 结晶玻璃陶瓷作滚动体进行疲劳试验。发现结晶陶瓷的破坏形 1 9 6 0 c a r t e r 美国式与轴承钢的破坏形式相似。在相同应力条件下，陶瓷材料的寿命 z a r e t s k y 仅是轴承钢的l o 。 利用热压碳化硅和氧化铝作滚动体。在温度高于8 1l k 的环境 1 9 6 3 t a y l o r 美国下试验，结果表明这两种陶瓷材料的刚性都比轴承钢好，耐腐蚀性 的温度范围要比轴承钢大得多。 ，9 6 8h a r r i s 美国轴承萎凳套霉嚣蒹票喜惹j ，喜塞窨釜蠹主誓喜晶票豢? 氮化硅作 1 9 7 2n a s a 美国研制出世界上第一套陶瓷轴承。 1 9 8 7 藤原孝志日本 钢的羹芝筹冀喜荽? 的额定动载荷比轴承钢高额定静载荷比轴承 进入2 0 世纪9 0 年代以后，轴承产品的质量已经成为衡量国家工业实力的一个重要 标志，为此世界各大工业强国无一不在开发、生产陶瓷轴承。当今世界上最著名的轴承 巨头主要有：s k f ( s w e d e n ) 、f a g ( g e r m a n y ) 、n s k ( j a p a n ) 、t e m k e n ( u s ) 、 r o s v ( r u s s i a ) 等。此外还有法国、英国、意大利、韩国、台湾等国家和地区也在积极 致力于开发陶瓷球轴承。 西华大学硕士学位论文 i i 、液体动静压混合轴承 兼具液体静压和动压轴承的特点，降低了油泵功耗，启动力矩小，速度调节范围大， 刚性和承载能力较高。 m 、磁悬浮轴承 又称磁力轴承。依靠多幅电磁铁产生相反磁力，使主轴悬浮在空气中。轴颈与轴承 不接触，径向间隙保持在l m m 左右，并通过控制伺服装置使其高速回转。主要由电磁 铁组、位置传感器、电流放大器及控制伺服装置等组成。由于近年来d s p 芯片技术的 飞速发展，结构更加紧凑、简单、适用。机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需 润滑、无环境污染，但成本高、发热问题不易解决。 支承的预紧 给轴承加预负荷( 预紧) 的目的是：消除轴承轴向游隙，提高轴承的刚度，改善转 轴的跳动精度以及防止在高速旋转时轴承滚动体打滑。一般地，预紧越充分，提高刚度 和旋转精度效果越好；但同时温升也越高，可能造成轴承烧伤失效。因此，不同的转速 和负载对应有最佳预紧力值。 ( 2 ) 润滑技术 高速电主轴的润滑主要是指轴承的润滑。润滑方式必须选择与使用条件和使用目的 相匹配的润滑方法，否则极易造成轴承过热烧损。当前电主轴主要有三种润滑方式：脂 润滑、油雾润滑、油气润滑。表1 3 列出了三种润滑方式各自的特点、使用条件等。 表1 3 润滑方式及其特点p 1 t a b1 3 l u b r i c a t i n gs t y l e & f e a t u r e 高速电主轴“转轴轴承”系统动态特性建模研究 包括油气润滑、喷油润滑、环下润滑等新型少油润滑技术，是未来高速电主轴润滑 技术的发展目标。这些润滑方式不仅能对每套轴承单独进行精确润滑，使得润滑效率极 高，还能大幅降低轴承发热以及建设环境污染。 ( 3 ) 冷却技术 高速加工过程中发热不可避免，而高速电主轴单元由于动力来源是置于内部的电 机，故其散热极不理想。若不控制发热量，电主轴会产生热变形，从而导致整个机床的 精度丧失。采用热稳定性好的材料来制造电主轴是一个方面的措施，但是降低热源的发 热才是关键。因此必须有冷却系统的保障，才能使电主轴及机床保持恒温。 高速电主轴内部热源主要有两个：内置电机发热和轴承摩擦生热。针对前者，常对 电机定子进行强制冷却，采用定子循环水冷却方法；油气润滑可以有效降低轴承摩擦发 热，当然，选择混合陶瓷球轴承也必不可少。 ( 4 ) 动平衡技术 高速电主轴最高转速在1 0 0 0 0 r m i n 以上，在如此高转速下即使微小的不平衡量也会 产生巨大的离心力，严重影响电主轴的动态特性，机床甚至因此剧烈振动。因此，必须 对转轴( 包括电机转子) 进行严格的动平衡实验，达到转子动平衡指标。 调教动平衡主要有以下一些工艺措施及注意事项： 设计中对称性的保证； 转子在装配前，外圆要留一定加工余量，在热压装入转轴后再进行精车； 转子的端盖上，对称加工出1 6 2 4 个直径不等的螺孔( m 4 或m 6 ) 。根据动平 衡试验机的结果，通过旋入相应的平衡螺钉并改变其旋入深度调节转轴动平衡直至达 标，而后用环氧树脂将平衡螺钉固化。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 电主轴动力学理论建模研究现状 ( 1 ) 轴承的理论模型 从整个轴承理论模型建立的发展情况来看，对滚动轴承理论模型的研究主要经历了 三个阶段：静力学分析、拟动力学分析、动力学分析。 静力学分析是基于h e r t z 接触理论，对滚动体与内、外圈滚道之间受力情况进行分 析。s t 胁e c k 【6 】在此基础上建立轴承静力分析模型，并推导出滚动体的最大载荷与径向载 荷之间的关系。此后p a l m g r e n 等人【7 】对轴承在径向、轴向和力矩载荷作用下的变形与滚 动体载荷分布进行了分析。但静力学模型的局限性十分明显，仅根据简单的力学关系和 理想的运动状态分析轴承的受力和运动是不够的。 西华大学硕士学位论文 j o n e s 8 】在1 9 5 9 1 9 6 0 年提出了套圈滚动控制理论，在此基础上建立拟动力学设计分 析模型，并首次将滚动体的离心力和陀螺力矩等因素添加到模型中。1 9 6 0 - 1 9 7 3 年期间， 高速轴承的完整设计几乎都按照此模型来进行。h 秭s 【9 】在1 9 7 1 年考虑了弹性流体动力 润滑作用，提出了轴承刚度的非线性模型，进一步发展了球轴承的拟静力学分析设计方 法，但仍不足以全面描述滚动轴承的动态特性。 w a i t e r 1 0 】在1 9 7 1 年首先提出了轴承的动力学设计分析方法，但从工程实用性角度 考虑，轴承的动力学设计分析方法尚难以应用。g u p t a 1 1 】贝0 对滚动轴承中各零件间相对 运动关系作了详细分析，同时考虑了惯性力的影响因素，建立了能模拟任何运转条件下 轴承的动力学模型。欧阳土中【1 2 】在此基础上，通过对模型运动坐标的变换、考虑弹性流 体力润滑的牵引性能建立了轴承运动微分方程，并对该方程的数值计算方法进行了研 究。滚动轴承动力学模型比起静力学模型和拟动力学模型与工程实际吻合更好，不过对 研究工作者的数学功底与算法思维要求也更高。 w a r d l e 1 3 】等人在1 9 8 3 年提出了简化的轴承刚度经验模型，由于该模型简单，且易 于在电主轴设计中使用，故本文也采用了该轴承模型。 ( 2 ) 电主轴动力学理论建模 目前，对机械结构动态性能的研究主要有三种基本方法，即理论建模及分析方法、 实验建模及分析方法和二者相结合的方法f l4 1 。其中，理论建模及分析方法是基于结构动 力学原理，根据结构设计、经验和相关资料建立机械结构动力学模型