（机械工程专业论文）卧式加工中心主轴系统设计.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 在目前的机床领域，新型加工中心主轴要求具有高精度、高速度、高刚性等特性 高速度用于加工铝件等轻金属，大扭矩高刚性用于加工铸铁件和钢件。随着陶瓷轴承技 术的发展，将这几种优点集成在一根主轴上体现成为可能，大连机床集团的h d r 5 0 机 床正是装备具有上述优点的主轴系统的加工中心。本课题主要研究内容是对大连机床集 团有限责任公司h d r 5 0 卧式加工中心主轴系统设计。 研究了陶瓷球轴承在卧式加工中心主轴上应用技术。应用陶瓷球轴承来实现主轴转 速的提高，使主轴的最高转速能够达到1 0 0 0 0 r m i n 。 研究了一种保证主轴高转速下刚性保持方法。采用前4 后1 的主轴轴承支持结构， 即前端采用4 个超高速角接触轴承后端采用1 个圆柱滚子轴承，来实现主轴的高速度的 同时并能保证主轴前端的轴向及径向的高刚性。 对主轴系统进行了温度场分析。根据主轴二维结构图进行p r o e 三维建模，得到主 轴三维模型j 利用大型通用有限元软件a n s y s 对主轴热特性进行了仿真计算，求得主 轴的热变形。采用恒温油冷却装置，可以使主轴在相对稳定的温度下工作，来保持较高 的加工精度。通过对样机噪声、转速、温升试验来检验主轴设计和计算机热分析结果。 理论和试验均证明该主轴的目标特性均已达到设计要求，在同一根主轴上集成高精 度、高速度、高刚性等特性成为现实。 关键词：有限元方法；机床；主轴轴承；a n s y s ；样机试 卧式加工中心主轴系统设计 a bs t r a c t i nt h en e wf i e l do fm a c h i n et o o l ，m a i ns p i n d l eo fn e wt y p em a c h i n i n gc e n t e ri sr e q u i r e d w i t hh i g hp r e c i s i o n ，h i g l ls p e e d ，h i g hr i g i d i t ya n dh i g hs p e e d h i g hs p e e ds p i n d l eb eu s e dt o m a c h i n i n ga l u m i n u mp a r t s ，h i g ht o r q u ef o rm a c h i n i n gc a s t i n g sa n ds t e e lp a r t s a l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g yo fc e r a m i cb e a r i n g ，a d dt h ea d v a n t a g e si nt h es a m es p i n d l eb e c o m e p r o b a b l e d m t g sh d r 5 0h o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e rh a st h em a i ns p i n d l es y s t e mw h i c h h a st h o s ea d v a n t a g e s t h i sp a p e ri st h em a i nr e s e a r c ht h em a i ns p i n d l es y s t e mo fh d r 5 0 h o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e rd e s i g n t h i sp a p e rh a sr e s e a r c ht e c h n o l o g yo ft h ec e r a m i cb a l lb e a r i n g sa p p l i c a t i o no nm a i n s p i n d l eo fh o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e r a p p l i c a t i o no fc e r a m i cb a l lb e a r i n g t oi m p r o v et h e i n c r e a s es p e e do fs p i n d l e ，m a k et h em a xs p e e do fs p i n d l ec a l lr e a c h10 0 0 0 r m i n t h i sp a p e rh a sr e s e a r c hm e t h o do fh i g hs p e e ds p i n d l et ok e e pr i g i d i t y u s et h es p e c i a l s t r u c t u r e 、析t l lf o u ra n g u l a rc o n t a c t sb e a r i n go nt h ef r o n to f t h es p i n d l ea n do n ec y l i n d r i c a lr o l l e r b e a r i n go nt h ee n do ft h es p i n d l e b yt h i sm e t h o dt or e a l i z eb o t hh i g hs p e e da n dr i g i d i t yo fa x i a l a n dr a d i a l t h i sp a p e rm a d et h et e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i so ft h es p i n d l es y s t e m b a s e do n2 d d r a w i n gf o rs p i n d l ep r o e3 dm o d e l i n g ，3 dm o d e lb eu s e df o rt h eu n i v e r s a lf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ea n s y ss p i n d l et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i cs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nt h et h e r m a ld e f o r m a t i o n o f t h es p i n d l e u s i n gt h e r m o s t a t i co i lc o o l i n gd e v i c e ，c a l lm a k et h es p i n d l ei nar e l a t i v e l ys t a b l e t e m p e r a t u r et ok e e pw o r k i n ga n dh i g hm a c h i n i n ga c c u r a c y t h r o u g ht h ep r o t o t y p en o i s e ，s p e e d ， t e m p e r a t u r ee x p e r i m e n t st ot e s td e s i g na n dc o m p u t e rt h e r m a la n a l y s i sa x i s t h e o r ya n de x p e r i m e n tp r o v e st h i ss p i n d l et a r g e tc h a r a c t e r i s t i c sa r et om e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ，i nt h es a m es p i n d l eh a v eh i g l ls p e e d ，h i 曲r i g i d i t ya n dh i g hs p e e db e c o m er e a l i t y k e yw o r d s ：f i n i t ee t e m e n tm e t h o d ；s p i n d t eb e a r i n g ；m a c h i n et o o t s ；a n s y s ；m o d e t m a c h i n e ；p r o t o t y p e s t e t 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：里i 盎垄王生! 堂圭垫丕统遮! 士 作者签名： 主妇难日期：4 年月二卫日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 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： 日期： 年丘月4 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1课题提出的意义 制造业是国家综合国力的表征之一，而机床作为制造业的上游产业更是能源交通、 航空航天等工业和研究领域的基础。在国家大力发展装配制造业的今天，对加工中心技 术的研发给我们的国家带来了深远的影响。近年来，随着信息技术、计算机技术、微电 子技术等高新技术的不断发展和需求，制造业领域也发生了深刻的变化。以c i m s 为代 表，相关的先进制造技术不断推陈出新，如柔性制造、并行工程、敏捷制造等。而作为 先进制造技术的基础设备加工中心的完善和创新也一直是人们的关注的焦点之一。 卧式加工中心( 以下简称卧加) 作为加工中心中的高端产品更是焦点中的核心，具有高 速化、高精度化、复合化、高技术含量化以及环保化【1 1 1 2 1 1 3 】等特点。 卧加主要用于汽车、飞机、电力、船舶和机车车辆等工业领域，适合于加工箱体类 零件。另外，一些新兴的高科技项目，如现代医药产业、数字通讯技术、微电子器件及 机电一体化产品等，都需要卧加来武装。卧加的制造和应用水平严重制约着这些相关领 域的发展。尤其在我国，虽然我国的机床厂家普遍掌握了立式加工中心的制造技术，但 能够制造卧加的中国企业为数不多，能够做好卧加的更是风毛麟角。以至于我国的很多 制造厂家要花几倍的价钱进口国外的卧加，甚至于关乎国家安全的军工。所以作为一名 卧加的设计人员深感责任重大。 主轴是卧加机床的核心部件之一【8 】，加工中心的高精度、高速度、高刚性均要在主 轴上有所体现，主轴也是最代表机床技术水平的关键部件。近几年美国、日本、德国、 意大利、英国、加拿大和瑞士等工业强国争相投入巨资大力开发主轴技术。著名的有德 国的g m n 公司、s i e m e n s 公司、意大利的g a m f i o r 公司及日本三菱公司和安川公司等， 它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平，这些高水准主轴普遍具有功率大、转 速高，采用高速、高刚度轴承，精密加工与精密装配工艺水平高和配套控制系统水平高 等特点 4 1 。 随着现代制造技术向高精度、高效率及高度自动化方向的发展，机床在工作过程中 的热变形控制问题已成为提高机械加工精度的一个关键问题。可以这样讲，离开了热变 形的控制就无机床高精度可言。据德国阿亨工业大学布鲁宁( h b r a u n i n g ) 分析，在用 现代机床加工零件的制造误差中，机床热变形所引起的制造误差可占总误差的5 0 ，英 国伯明翰大学匹克林尼克( j p e c l e n i k ) 的调查表明，在精密加工中这个比例高达4 0 7 0 蝌5 】【6 j 【7 】，日本的恒野一昭也有类似的估计。 卧式9 n - r 中心主轴系统设计 1 2国内外主轴发展现状： 1 2 1 机械加工的高速化 能源危机后大家意识到提升加工能率的重要性，加工技术的研究发展也以提升加工 能率及加工精度为目标，因此高速切削加工受到重视。高速切削加工方面的研究可追述 至1 9 3 0 年代s a l o m o n 开始进行研究，他所提出的重要论点是“提升切削速度并不会影 想到刀具寿命 ，可见提升加工能率是颇具吸引力的。为确认高速切削加工的效果，美 国则是以航空产业为中心，开始做基础的研究；德国也在1 9 7 9 年以d a r m s t a d t 大学为中 心开始进行高速切削加工研究，确认了高速切削加工的效果并发展至今日实用化的成 果。传统切削领域加工能率与加工精度是无法兼顾，而进入高速切削领域则可同时提升 加工能率及加工精度( 如图1 1 ) 圈一圈 图1 1 高速加工概念图 f i g 1 1 p i c t u r eo fh i g hs p e e dm e c h i n i n g 加工中心主轴高速化的演进如图1 2 ，在1 9 8 0 年以前仍以油脂润滑为主，d m n 轴承 节圆直径( m m ) ( 即轴承内径和外径的平均值) x 旋转速度( r p m ) 】值多在5 0 x 1 0 4 以 下，等到油气润滑技术发展出来使d m n 值推升至1 0 0 x 1 0 4 ，在陶瓷斜角滚珠轴承研发出 囊t釜 大连理工大学专业学位硕士学位论文 来后d m n 值快速推升到2 0 0 x 1 0 4 ，到1 9 9 0 年喷射润滑技术发展出来使d m n 值达到 3 0 0 x 1 0 4 ，而在d m n 值8 0 1 0 0 x 1 0 4 的领域大多使用陶瓷斜角滚珠轴承及油脂润滑。在 d m n 值超过3 0 0 x 1 0 4 以上不再使用滚动轴承，而以气浮轴承或磁浮轴承取代。在1 9 9 8 年日本国际工具机展m o r is e i k i 新推出的立式综合加工机s v - 4 0 0 ，即采用“非接触式 磁浮轴承 的高速主轴最高转速达到7 0 0 0 0r m i n 。 开发年代 图1 2 主轴高速化发展史 f i g 1 2 h i s t o r yo fh i g hs p e e ds p i n d l e 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高 产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其 列为5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会( c i i 冲) 将其确定为2 l 世纪的中心研 究方向之一。 在轿车工业领域，年产3 0 万辆的生产节拍是4 0 秒辆，而且多品种加工是轿车装备 必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋， 刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些 卧式加工中心主轴系统设计 筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料”掏空”的方法来制造机翼、机身等大型 零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度 和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 从e m 0 2 0 0 1 展会情况来看，高速加工中心进给速度可达8 0 m m i n ，甚至更高，空 运行速度可达1 0 0 m m i n 左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司， 已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国c i n c i n n a t i 公司的 h y p e r m a c h 机床进给速度最大达6 0 m m i n ，快速为1 0 0 r n m i n ，加速度达2 9 ，主轴转速 已达6 0 0 0 0 r m i n 。加工一薄壁飞机零件，只用3 0 m i n ，而同样的零件在一般高速铣床加 工需3 h ，在普通铣床加工需8 h ；德国d m g 公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分 别达1 2 0 0 0 f f m m 和l g 。 在加工精度方面，近l o 年来，普通级数控机床的加工精度已由1 0pm 提高到5u m ，精密级加工中心则从3 - - 5um ，提高到1 1 5 | lm ，并且超精密加工精度已开始进 入纳米级( 0 0 1um ) 。 在可靠性方面，国外数控装置的m t b f 值已达6 0 0 0 h 以上，伺服系统的m t b f 值 达到3 0 0 0 0 h 以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的 发展，应用领域进一步扩大。 1 2 2 加工中心主轴发展特点 目前加工中心主轴高速切削加工的水准随着机器性能提升及刀具技术的精进，已有 相当程度的进步并广泛应用在各种加工材料上，表l 所示为目前高速切削加工已能达到 的技术水准。 表1 1 q2 2 1 0 0 0 0 i 主轴电机参数 t a b 1 1p a r a m e t e ro fs p i n d l em o t o ra2 2 10 0 0 0 i 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 1 ) 轴承形式 滚动轴承：轴承及润滑技术的进步是主轴高速化的重要关键，目前陶瓷轴承及油气 润滑已广泛的应用在高速主轴上，d m n 值可达到2 0 0 x 1 0 4 ；陶瓷轴承与特殊油脂润滑其 d m n 值已可达到1 5 0 x 1 0 4 ，且更符合环保，市场上超过8 成以上的高速主轴使用滚动轴 承。 表2 陶瓷轴承与钢材轴承性能比较 t a b2 c a p a b i l i t yc o m p a r ew i t h c e r a m i cb e a r i n g 气静压轴承：在d m n 值超过2 0 0 x 1 0 4 时滚动轴承与油气润滑已无法达到性能要求， 高速主轴需使用气静压轴承，除刚性值较低外有发热低、振动小、精度高等优点，常应 用在超精密加工领域。 磁气轴承：在超高速d m n 值超过3 0 0 x 1 0 4 时，主轴需使用磁气轴承，高速主轴可主 动监控，依位移感测器的回馈信号进行控制电磁铁吸力，可控制刚性及位置补偿，表3 所示为使用磁气轴承的高速主轴特性，其成本高是最大的缺点。 表3 磁气轴承的高速主轴特性 t a b 3 g a s - m a g n e t i cb e a r i n g ss p i n d l es y s t e m sf e a t u r e 特殊机能具体的效果 非接触磁气轴承 主轴状态监控和电子控制 非接触磁气轴承 无接触摩擦寿命长 可超高速运转 轴承间隙大不受粉尘的影响 摩擦的动力损失相当小 振动控制的高精度旋转运动 无需润滑，无环境污染，运转成 本低，可在高温或低温的环境运转。 可控制轴承刚性 可控制主轴变位 可监控作用在主轴的外力 安全诊断及保养机能 卧式加工中心主轴系统设计 ( 2 ) 润滑方式 常使用的润滑方式有3 种。 油脂润滑：油脂润滑是最简易的润滑方式，使用陶瓷轴承d m n 值可达1 0 0 x 1 0 4 ， 其使用量为图6 的b 区，温升需严格控制避免油脂劣化以使轴承损坏。在环保的诉 求下油脂润滑最被推荐，新推初的油脂以可大幅提升d m n 值。 油气润滑：在d m n 值超过1 0 0 x 1 0 4 可使用油气润滑，以压缩空气混入微量油润滑 及冷却轴承，使用的油量如图6 的b 区，d m n 值可达2 0 0 x 1 0 4 ，寿命长。 射润滑：在高速时无法使用油气润滑带走热时，则使用喷射润滑以大量的油直接 冲轴承带走热量，使用的油量如图6 的e 区，d n m 值可达3 0 0 x 1 0 4 。 ( 3 ) 传动形式 主轴高速旋转除轴承及润滑方式非常重要，在与驱动马达联结的方式亦相当重要， 分别探讨如下： 齿轮传动式：在传统切削加工使用相当广范，低速时即可全功率输出，可得到高 扭力，因齿轮在高速转动时振动噪音问题不易克服，高速主轴很少使用齿轮传动式。 图1 3 齿轮主轴 f i g 1 3 g e a rs p i n d l e f e a r l 2 - 5 - 6 1 ( s h i f tb yc y l i n d e r ) 、 、 g e a r l - 2 - k e y - 3 - 4 k e y 大连理工大学专业学位硕士学位论文 皮带传动式：皮带传动式无齿轮高速时振动及噪音问题，可使用在较高的转速，但 心轴受到侧向力振动较大。在低速时皮带传动效率差不适合低速重切削，在高速时皮带 与空气磨擦噪音相当大，在d m n 值超过1 0 0 x 1 0 4 时应改用其它传动方式。 图1 4 皮带传动式主轴 f i g 1 4 b e l td r i v e rs p i n d l e 直联式：为减少心轴受到侧向力引起振动，马达与主轴由联轴器联结，转速可较皮带传动式主 轴高、体积大、重量重，但成本较内藏式主轴便宜，转速可到2 0 0 0 0 r p m 。 图1 5 直联式主轴 f i g 1 5 d i r e c tc o n n e c t i o n 卧式加工中心主轴系统设计 电主轴：在高速切削加工上应用最广，体积小、重量轻最适合高速移动，同时零件 数少，动平衡校正及对心度容易，振动低。 图1 6 电主轴 f i g 1 6h i g hf r e q u e n c ys p i n d l e ( 4 ) 转速 加工中心高速切削加工所需要的转速主要依工件的材料、切削刀具的材料及切削刀 具直径等决定。以b t 4 0 规格的高速主轴转速多在1 5 0 0 0 r p m 以下，以1 0 0 0 0 r p m 及 1 2 0 0 0 r p m 最多。以b t 5 0 规格的高速主轴转速多在1 2 0 0 0 r p m 以下，以1 0 0 0 0 r p m 最多。 应用在轻合金等材料的高速切削加工主轴，主轴转速多在2 0 0 0 0 r p m 以上，刀柄规格常 用h s k a 6 3 ，较大工件加工使用h s k a 1 0 0 。 ( 5 ) 功率 在提高加工能率的目标上，主轴的功率是否足够也是我们所关注的，在高速切削加 工追求高切除率，高速主轴的功率较传统主轴高出许多，不过机器刚性也要能匹配，否 则仅发挥部分功率机床就会出现振动。在国内工具机厂有部份机种直接换装高速主轴， 其主要目标为提升切削速度加工轻合金或软性材质，并非需要高切除率，可使用较小功 率。 大连理 大学专业学位硕士学位论文 ( 6 ) 刚性 主轴刚性不足时将会影响到加工精度，但是刚性超过功能需求将会造成主轴轴承寿 命降低，c l _ r a n 值较低时可使用定位置预压，高速旋转时因温升使预压加重，可采用轴承 间隔环冷却，对缓和预压增加有不错的效果，c t r m a 值较高时可使用定压预压，以确保预 压值。在d m n 值较低时可使用油脂润滑，其刚性值须比使用油气润滑低，避免因预压 过大时温升高加速油脂劣化，而缩短主轴寿命。 1 2 3 国内加工中心主轴的未来发展 高速切削加工时代的来临并已逐渐成为切削加工的主流，其缩短了制造时程、提升 了加工精度及降低了成本。在迈向高速切削加工领域，国内工具机厂朝高速切削加工机 发展刻不容缓，其关键模组高速主轴的国产化亦是重要课题。在日本工具机厂因规模大 产量大其所需的高速主轴列为各工具机厂的发展重点，欧洲工具机厂则部份自制及部份 使用主轴专业厂之高速主轴。国产高速加工机能否快速切入这个市场，高速主轴的开发 及制造将扮演重要的角色。主轴转速提高相对其零件需求精度也较高，对高速主轴零件 要求尺寸精度在3 m m 以内、几何精度在2 m m 以内、表面粗度在0 8 z 以内及组装须在 洁净室内，确实是一个相当大的技术瓶颈。如能集合数家工具机厂所需之高速主轴的量， 由专业主轴厂建立标准厂房环境，引进精密加工设备，将可突破高速主轴国产化的瓶颈。 1 3 本论文主要研究内容： 根据国内外机床热变形的研究现状和发展趋势，结合传统理论计算及计算机技术， 本文着重开展了以下几方面的研究： ( 1 ) 主轴的设计参数的确定。 ( 2 ) 主轴的轴承型式的选取。 ( 3 ) 主轴进行热分析。 ( 4 ) 通过试验对分析及设计结果进行检验。 卧式加工中心主轴系统设计 2 主轴设计 2 1h d r 5 0 机床主轴研发背景及简介 2 0 0 7 年大连机床集团，在进行了广泛的市场调研及国外机型的考察后，决定开发一 种具有国际先进水平的卧式加工中心，机床规格5 0 0 x 5 0 0 。h d r - 5 0 卧式加工中心是大 连机床集团( d m t g ) 研制开发生产的具有国内先进水平的卧式加工中心机床，该机床 广泛使用于军工、航天、汽车、模具、机械制造等行业的箱体零件、壳体零件、盘类零 件、异形零件的加工，零件经一次装夹可自动完成四个面的铣、镗、钻、扩、铰、攻丝 的多工序加工，为了达到国际先进水平，我们为机床确定了三大目标：高精度、高速度、 高刚性。由技术中心加工中心研究所承担设计任务，主轴系统由本人承担研发设计。 该主轴设计要求： 主轴转速：1 0 0 0 0 印m 主轴速度档数：2 ( m s ) 主轴最大扭矩： 1 6 5 n m 主轴内锥度：n o 4 0 主轴轴径：中7 5 刀柄形式：b t 4 0 拉钉形式：4 5 。 人i 生理工大学专业学位硕士学位论文 图21 整机图片 f i g2 ip i c t u r eo f m a c h i n i n g 。e m e r 卧式加工中心主轴系统设计 图22 主轴 f i g2 2 p i c t u r eo f s p i n d l e 22 主轴参数设定 主轴箱和立柱 22 1 主轴目标参数设定 在开发h d r 5 0 机床目标要达到国内领先的水平，所以在主轴的指标选择上要体现 三大原则：高速度、高刚性、高精度。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 对作为高速切削机床代表的加工中心和数控铣床而言，一般是指最高转速 1 0 0 0 0 d m i n 的主轴系统，并相应具有高的角加( 减) 速度，以实现主轴的瞬时升降速与起 停。为适应制造业对机床加工精度愈来愈高的要求，高速切削主轴还应有较高的回转精 度，通常要求主轴的径向跳动小于3um ，轴向窜动小于5l jm ，此外，主轴也要有足够 的静、。动刚度，以承受一定的切削负荷和保持高的回转精度。高速度：主轴转速1 0 0 0 0 转分；高刚性：主轴刚度2 0 0 n um ；主轴扭矩2 0 0 n m 高精度：主轴周期性轴向蹿动 5um ；主轴锥孔的径向跳动5um ；主轴寿命：2 0 0 0 0 h 左右( 相当于5 年的机床寿命) ； 主轴刀柄采用：b t 4 0 规格( 蝶簧拉刀力7 8 0 0 n ) 。 2 2 2 主轴的主要设计参数的确定 主轴的主要参数是指：主轴平均直径d ( 或主轴前轴颈直径n ) ；主轴内孔直径d ； 主轴悬伸量a 和主轴支承跨度1 。 以上参数直接影响主轴的工作性能。但为简化问题，主要是从静刚度条件出发来确 定这些参数。即选择d 、d 、a 、1 使主轴能获得最大静刚度，也就是使主轴轴端位移最 小，同时兼顾其他怕要求，如高速性、抗振性等。 其步骤如下： 按机床类型，根据主轴传递的功率或取大加工直径，用类比的方法初步确定。 主轴平均直径d ( 或主轴前轴颈直径d ) ，为不使主轴温升过高和保证轴承寿 命，要验算滚动轴承的速度因数d n 值。 在不削弱主轴刚度的原则下确定主轴内孔直径d ，同时满足该类机床对孔径的要 求。 主轴主轴悬伸量a 取决于主轴端部结构，为提高主轴部件刚度，应使其尽量小， 根据己定的主要参数，往往在具体结构设计时需作适当变动，然后再进行刚度、转速等 验算或一定的试验后最终确定。 2 2 3 主轴平均直径d 的确定 主轴平均直径对主轴部件刚度影响较大。加大直径d ，可减少主轴本身弯曲变形引 起的主轴轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移，从而提高主轴轴部刚度。但加大直 径受到轴承d n 值的限制，同时造成相配零件尺寸加大、制造困难、结构庞大各重量增 加等，因此在满足刚度要求下应取小值。 卧式加工中心主轴系统设计 ，i ， - 。 ， ，r 7。 1 1 - ， 图2 3 铣床的n d i 统计曲线 f i g 2 3n d is t a t i s t i c a lc u r v eo fm i l l i n gm a c h i n e 刚度要求较高而最高转速n m a x 较低的铣床，按区域i 确定d 值，且应验算滚动轴 承的d n 值，若前支撑为滚动轴承，因其径向截面尺寸小，故无需在验算。高速铣床主 轴和径向截面尺寸要求小的主轴，可按区域i i 来确定d l 值，以获得较小的径向截面尺寸。 h d r 5 0 主轴转速较高应按照区域i i 来，选定主轴轴径，设计时主要有类比分析的 方法来确定主轴前轴颈直径d l ( 或平均直径d ) ，结合图表和类比分析的方法确定主轴 前轴承内径d - - 矽7 5 。 2 2 4 主轴内孑l 直径d 的确定 主轴内孔直径与机床类型有关，确定孔径d 的原则是，为减轻主轴重量，在满足对 空心主轴孔径要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下，应尽量取大值。 主轴本身的刚度k 正比于抗弯断面惯性i ， 即： k 空，k 实= 如如= 1 一( d i d ) 4 根据上式，可绘出主轴孔径d 对刚度的影响曲线如下： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 0 名 0 7 5 篓0 6 z 0 4 0 ，2 。、 、 、 i l l | 图2 4 孔径d 对刚度的影响曲线 f i g 2 4 c u r v eo fd i aa n dr i g i d i t y d 一主轴平均直径；d 一主轴平均孔径；k 定一直径为d 的实心主轴；k 牵一直径为d ，孔径 为d 的空心主轴刚度。 由图可知，当d d 4 0 5 时，内孔d 对主轴刚度几乎无影响，可忽略不计，所以常 取孔径d 的极限值d ( m a x ) 为：d ( m a x ) 0 7 5 k 立，即刚度削弱小于2 5 ， 若孔径再大，主轴刚度就会急剧下降。推荐：铣床d = 拉杆直径+ ( 5 - 1 0 ) m i l l h d r 5 0 主轴直径d = 7 2 5 ，b t 4 0 主轴拉杆直径2 7 ，考虑到主轴拉刀蝶簧尺寸，主轴 内孔孔径取3 3 d ( = 3 3 ) 0 9 。 2 2 5 主轴主轴悬伸量a 的确定 、主轴悬伸量a 是指主轴前端面到前支承径向反力作用中点( 一般即主轴前径向支承 中点) 的距离，它主要取决于主轴端部结构形式和尺寸、前支承的轴承配置和密封装置 等，有的还与机床其他结构参数有关，如工作台的行程等，因此主要由结构设计确定。 悬伸量a 值对主轴部件的刚度影响很大。例如两主轴部件，其端部均受力 p = l o o o k g f ，当悬伸量减小一半，即a ，= 1 2a 。时，主轴端位移由0 2 1 k n 减至6 5 岫。此 时，支承弹性变形引起的轴端位移，也随a 的减小而减小；悬伸量a 值对主轴部件抗振 卧式加工中心主轴系统设计 性的影响也很大。因此，确定悬伸量a 的原则，是在满足结构要求的前提下尽可能取小 值，同时应在设计时采取措施缩减a 值。 2 ，3 主轴电机及驱动方式的选择 小规格卧加通常采用主轴与电机通过联轴器直联的方式，所以电机参数就可以认为 是主轴的参数。h d r 5 0 机床采用世界主流的f a n u c l 8 i 系统，从f a n u c 电机样本中 选取了q2 2 1 0 0 0 0 i 主轴电机，其性能参数表2 1 所示。 表2 1 i ：12 2 1 0 0 0 0 i 主轴电机参数 t a b 2 1p a r a m e t e ro fs p i n d l em o t o ra2 2 10 0 0 0 i 功率特性( 星形接法) 2 6 3 il r a i n；34 0 1 i 2 2 。 、 | i t i 功率特性( 三角形掺法) 2 6 3 0 nns 4 0 y , 72 2 ， i ， ，7 多 ， ， 01 5 0 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0 扭矩特性( 星形接法)扭矩特性( 三角形掺珐) t |勇l r n l r l s 34 0 1 i 、 ： 芒= = 、 、 、 、 、 - 图表中显示a2 2 1 0 0 0 0 i 主轴电机参数，左侧与右侧图显示的由于电机后端转子接 线方式的不同电机会产生不同的性能特点，两种接线方式的切换是由电机自动转换的， 设定4 0 0 0 转分为切换节点，当电机启动时以星接形式工作当电机转速超过4 0 0 0 转分 时电机自动切换接线方式，变成角接。这样就可以达到如下效果：电机在0 - 1 5 0 0 转 侬 0 | ( ；x ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 分时是恒扭矩输出，在这个范围内主轴连续工作时最大扭矩可以达到1 4 0 n m ，4 0 分钟 工作可以达到1 6 5 n m 的扭矩；在1 5 0 0 1 0 0 0 0 转分以后是恒功率输出，连续工作电机 功率2 2 k w ，三十分钟可达2 6 k w 。因此该电机符合主轴转速 1 1 0 0 0 0 转分，主轴扭矩 2 0 0 n m 的目标设定要求，所以选择f a n u ca2 2 1 0 0 0 0 i 电机作为主轴电机。 一般说来，高速机床都是数控机床和精密机床，其传动结构的最大特点是实现了机 床的“零传动”。从机床的主传动系统来看，这种传动方式取消了从主电动机到主轴之 间一切中间的机械传动环节( 如皮带、齿轮、离合器等) ，实现了主电动机与机床主轴的 一体化。 这种传动方式有以下优点： 机械结构最为简单，传动惯量小，因而快速响应性好，能实现极高的速度、加( 减 速度和定角度的快速准停( c 轴控制) 。 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 较理想的扭矩功率特性( 图l b ) ，一次装夹既可实现粗加工又可进行高速精加工。 2 4 主轴系统结构形式设计 2 4 1 主轴轴承配置形式 主轴转速特性通常用d m n 值来恒量，目前加工中心的d m n 值范围在8 0 万- - 3 5 0 万 之间，加工中心主轴常用6 种轴承配置形式： 图2 5i 轴承配置 f i g 2 5 ic o l l o c a t i o no fb e a r i n g 如图所示i 轴承配置，前侧：超高速角接触球轴承2 列( d t ) ，后侧：超高速角 接触球轴承2 列( d t ) 。 特点：该轴承配置适用于超高速旋转主轴，虽然刚度略低，但在高速及温升性能 方面较好。 卧式加工中心主轴系统设计 该轴承配置d m n 值：采用油气润滑d m n 可以达到3 5 0 万；采用油脂润滑d m n 可以 达到2 0 0 万。 图2 6i i 轴承配置 f i g 。2 6 i ic o l l o c a t i o no fb e a r i n g 如图所示i i 轴承配置，前侧：超高速角接触球轴承2 列( d b ) ，后侧：超高速单列圆柱滚子 轴承。 特点：该轴承配置，定位预紧方式下可对应高速旋转，相比主轴式i ，其径向及轴 向刚度高。考虑到主轴的热膨胀，在r e a r 侧，可以采用轴向滑动性良好的圆柱滚子轴 承。 该轴承配置d m n 值：采用油气润滑d m n 可以达到2 5 0 万；采用油脂润滑d m n 可以达 到1 5 0 万。 图2 7i i i 轴承配置 f i g 2 7 i i ic o l l o c a t i o no fb e a r i n g 如图所示i i i 轴承配置，前侧：超高速角接触球轴承4 列( d b b ) ，后侧：超高速 单列圆柱滚子轴承。 特点：该轴承配置，相比主轴式i i ，其高速性能较弱，但径向刚性较好。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 该轴承配置d m n 值：采用油气润滑d m n 可以达到2 2 0 万；采用油脂润滑d m n 可以达 到1 3 0 万。 图2 8i v 轴承配置 f i g 2 8 i vc o l l o c a t i o no fb e a r i n g 如图所示i v 轴承配置，前侧：超高速单列圆柱滚子轴承+ 角接触球轴承2 列( d b ) ， 后侧：超高速单列圆柱滚子轴承。 特点：该轴承配置，相比主轴式i i i 具有同等的旋转性能，同时在f r o n t 侧装有 圆柱滚子轴承，提高径向刚性，轴向刚性较i i i 弱，是一种可进行高速重切削的配置。 该轴承配置d m n 值：采用油气润滑d m n 可以达到2 2 0 万；采用油脂润滑d m n 可以达 到1 3 0 万。 图2 9v 轴承配置 f i g 2 9 vc o l l o c a t i o no fb e a r i n g 如图所示v 轴承配置，前侧：超高速角接触球轴承3 列( d b d ) ，后侧：超高速单 列圆柱滚子轴承。 特点：该轴承配置，相比主轴式i i ，其高速性能弱，但径向刚性好，相比主轴i i i 、 i v ，高速性及刚性都较弱。 卧式加工中心主轴系统设计 该轴承配置d m n 值：采用油气润滑d m n 可以达到1 8 0 万；采用油脂润滑d m n 可以达 到1 2 0 万。 图2 1 0v i 轴承配置 f i g 2 10 v ic o l l o c a t i o no fb e a r i n g 如图所示v 轴承配置，前侧：高刚度双列圆柱滚子轴承、高刚度双列角接触球轴承 3 列( d b ) ，后侧：高刚度双列圆柱滚子轴承。 特点：该轴承配置，高速性较弱，但径向刚性最好，是具有高刚度的主轴配置。 该轴承配置d m n 值：采用油气润滑d m n 可以达到1 0 0 万；采用油脂润滑d m n 可以达 到8 0 万。 由于h d r 5 0 机床主轴要具有高速高刚性的双重特性所以i i i 轴承配置形式最符合 设计需要，所以选定前侧：超高速角接触球轴承4 列( d b b ) ，后侧：超高速单列圆柱 滚子轴承。作为h d r 5 0 主轴支撑形式。 该轴承配置d m n 值：采用油气润滑d m n 可以达到2 2 0 万；采用油脂润滑d m n 可以达 到1 3 0 万。 2 4 2 主轴轴承型号的选择： 在确定前后轴承支撑跨距时首先确定主轴的轴承直径，直联主轴的轴径通常由主轴 电机功率和扭矩确定为2 2 k w ，主轴最大扭矩为1 6 5 m n 。在这里没有明确的计算公式，通 常采用经验类比法，确定主轴轴承内径确定为矽7 5 m m 。根据轴承系列尺寸选定主轴轴承 外径芦115 m m 。通过查n s k 精密滚动轴承样本选定轴承： 超高速角接触球轴承4 列( d b b ) 为：7 5 b n r l o h t 、d b b c c a 5 p 4 其中7 5 代表轴径，b n r 代表轴承型号；1 0 代表尺寸系列记号，x 代表类型记号( 见 表3 1 ) t y n 代表保持架记号，d b b 代表轴承组合记号，c a 代表特殊轴向游隙，p 4 代 表精度等级：i s 0 4 级。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 表2 2 轴承类型记号 t a b 2 2 t y p eo fb e a r i n g 要保证主轴工作时的高速低温的性能选择x 。 基本参数：d x d x b = 7 5 x l1 5 x 2 0 ；基本额定动载荷2 2 6 k n ；基本额定静载荷2 0 7 k n ； 极限轴向力1 9 8 k n ；极限转速油脂2 2 2 0 0 r m i n 油润滑3 4 8 0 0 r m i n ，由于是d b b 组合速 度乘系数0 6 0 ，油脂1 3 3 2 0 r m i n 油润滑2 0 8 8 0 r m i n 超高速单列圆柱滚子轴承型号为： n 1 0 1 4 r _ x t p c c g l 0 p 4 n 代表轴承型式，1 0 代表尺寸系列，1 4 代表轴径7 0 ，r s 代表类型记号参考上表， t p 代表保持架型号，c c g 代表特殊径向游隙，p 4 代表精度等级：i s 0 4 级。 基本参数：d x d x b = 7 0 x l1 0 x 2 0 ；基本额定动载荷2 7 8 k n ；基本额定静载荷2 8 5 i 斟： 极限转速油脂1 0 0 0 0 f f m i n ；油润滑1 6 0 0 0 r m i n 。 2 4 3 主轴的悬伸量a 的确定： 主轴悬伸量a 是指主轴前端面到前支承径向反力作用中点( 一般即主前径向支承中 点) 的距离【9 】，参见表2 3 卧式加工中心主轴系统设计 2 3 4 5 6 耍 | ：| = | 重 口二习 3 1 8 2 1 0 0 x l 3 1 8 2 1 0 0 x l 3 1 8 2 1 0 0 x l 2 2 1 x d l 4 2 2 6 8 0 0 0 x l 3 1 8 2 1 0 0 x l 1 7 0 x d l 4 8 0 0 0 x 1 4 6 0 0 0 x 23 1 8 2 1 0 0 x l 1 7 0 x 纠4 旁接 7 0 洲7 0 0 0 x 1 9 3 x d l 4