（森林工程专业论文）th5650立式加工中心电主轴的热分析.pdf

摘要：近几十年来，随着科学技术发展，机床产品与设备也日益向高速、高效、精 密、多功能和自动化方向发展。一种将交流高频电机和主轴合二为一的新型主轴系统 电主轴技术被广泛地应用于高速机床产品之上。由于电机内置并且工作时轴承高 速旋转，整个系统特别是主轴部分的温升以及温度场的分布状况直接决定着整台机床 加工性能的优劣。本论文就是以交大昆机生产的t h 5 6 5 0 立式加工中心的电主轴为分 析对象，为提高其热性能指标而立题并展开研究的。 为了分析电主轴的热态特性，本研究采用有限元理论建立电主轴的热模型，然 后进行温度场、热应力场分析；最后确定并分析对电主轴热态特性影响较大的因素并 提出改进措施。 本文就轴承的发热及计算、传热边界条件的计算和分析，电主轴温度场和应力场 的分析，改善电主主轴热态特性的方法方面作了深入的分析。在假定主轴空载运行在 其设计的最高转速n w x = 8 ，0 0 0 形加的工况下，本次研究完成的主要工作如下： ( 1 ) 分析轴承在预紧情况下的运动关系和受力关系。分析轴承发热的原因并计 算每个轴承的发热量，分析影响轴承发热量的主要因素。 ( 2 ) 利用传热学的基本原理和相关公式，计算各部分的对流换热系数( 即有限 元热分析模型的边界条件) 。 ( 3 ) 在大型有限元计算机分析软件a n s y s 9 0 中，建立电主轴的2 d 轴对称几何 模型。划分网格、细化局部网格使之成为有限元模型。 ( 4 ) 根据( 1 ) 、( 2 ) 计算结果，对有限元模型施加载荷与热边界条件；利用a n s y s 程序计算各单元节点的稳态温度值。 ( 5 ) 根据计算结果分析电主轴关键部位的温度场变化情况以及温升情况，讨论 改善电主轴热态特性的措施以及提出改进建议。 ( 6 ) 借助a n s y s 分析软件对电主轴有限元模型旌加温度载荷后所产生的结构 应力场进行计算；对关键部件和部位的热应力情况进行分析和讨论。 通过对电主轴的热分析和热应力的分析，得出如下结论： ( 1 ) 当电主轴内达到热平衡时，通过对电主轴进行热分析，理论分析结果显示 由于轴承自身发热以及受到电机转子发热的影响，主支承轴承外圈的平均温 度接近5 0 0 c ，四个轴承滚珠的最高温度均超过5 0 0 c ，各轴承的平均温度接 近于设计的临界最高温度5 0 0 c 。 ( 2 ) 主轴轴向外表面最高温度为5 6 3 1 5o c ，最低温度为2 5 6 6 3 。c ，温差接近3 1 。c ： 通过对热应力的进一步分析表明整个主轴的轴向应力跨度很大，这对主轴的 热位移影响较大。 ( 3 ) 由于电主轴特殊的结构形式，运转时产生的热量不能通过更多有效的途径 传出，以致在关键部位中的温升或温度梯度很大；目前现有的散热途径不合 理( 如：电机一一主轴一一机箱) 或效果不佳( 如：轴承外圈恒温油冷却系 统) 。 综合上述分析结果，提出改善电主轴热态特性的建议： ( 1 ) 在转子与主轴间增加隔热套，或者增加对电机部分的轴向强追对流换热措 施。 ( 2 ) 改变或增加主轴的散热途径，如考虑对主轴中心采用恒温油冷却方式。 ( 3 ) 改进主支承部分恒温油冷却系统的结构形式和冷却油的牌号。 本文的分析和计算过程为高速、精密类的主轴系统的热分析提供了一种理论分 析、建模的方法。本次研究直接为t h 5 6 5 0 立式加工中心的电主轴建立了理论模型， 其结果为以后实验验证以及电主轴热态特性的提高与改进提供了理论依据。 关键词：电主轴，热态特性，冷却，热传导，轴承 i i a b s t r a c t ：i nt h el a t ed e c a d e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e e t m o l o g y , m a c h i n e t o o lp r o d u c t sa n de q u i p m e n t sa l s od e v e l o pt oh i g h - s p e e d ，e f f i c i e n t ，p r e c i s e ，m u l t i f u n c t i o n a n da u t o m a t i o n t h en e ws p i n d l es y s t e m ，w h i c hi sn a m e dm o t o r i z e ds p i n d l e ，u n i t e sh i g l l 丘e q u e n c ya l t e r n a t i n g c u r r e n tm a c h i n et os p i n d l e ，i sw i d e l ya p p l i e dt oh i g h s p e e dm a c h i n e t o o lp r o d u c t s a sar e s u l to fm o t o ru n i t e dt os p i n d l ea n dr u n n i n ga th i g hr e v o l u t i o n 也e j w h o l es y s t e me s p e c i a l l ys p i n d l e st e m p e r a t u r ea s c e n d i n ga n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n d e t e r m i n e st h em a c h i n e sp r o c e s s i n gq u a l i t y t h ed i s s e r t a t i o ni sa b o u tt h er e s e a r c ho f t h 5 6 5 0v e r t i c a lm a c h i n i n gc e n t e rm a n u f a c t u r e db yt h el i m i t e dc o r p o r a t i o no fx i a n t r a n s p o r t a t i o nu n i v e r s i t y & k u n m i n gm a c h i n i n gt 0 0 1 1 1 1 ea i mo ft h et h e s i sa n ds t u d yi s t oe n h a n c et h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo f t h em a c h i n i n gc e n t e r i no r d e rt oa n a l y z et h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i s u s e dt ob u i l dt h et h e r m a l m o d e lo ft h em o t o r i z e ds p i n d l e t h e n t h et e m p e r a t u r ef i e l d sa n d t h et h e r m a l s t r e s sf i e l d so fs t r u c t u r ea r ea n a l y z e d i nc o n c l u s i o n f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e t h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i co fm o t o r i z e ds p i n d l em o s tw e r ef o a n da n da n a l y z e db e f o r et h e i m p r o v e d m e a s u r e sa r eb r o u g h tf o r w a r d i nt h i sp a p e r , i ti sm a i n l yf o c u so na s p e c t ss u c ha st h ep r i n c i p l eo fb e a r i n g sh e a t g e n e r a t i o na n dc a l c u l a t i o n ，h e a tt r a n s f e rb o u n d a r yc o n d i t i o n s a n a l y s i sa n dt a l c u l a t i o n ，t h e a n a l y s i so fm o t o r i z e ds p i n d l e st e m p e r a t u r ef i e l d sa n dt h e r m a l s t r e s sf i e l d s m e a s u r e st o i m p r o v et h em o t o r i z e ds p i n d l e st h e r n l a lc h a r a c t e r i s t i c o nt h er u n n i n gc o n d i t i o no fi t s d e s i g n e dm a xr e v o l u t i o na t8 ，0 0 0 r m i n ，m a i nr e s e a r c h e sw h i c hh a v ea c h i e v e da r e1 i s t e da s b e l o w ： ( 1 ) t h eb e a r i n g s m o v e m e n ta n dm e c h a n i c a lc i r c u m s t a n c e si sa n a l y z e do n l ec o n d i t i o n o fe n d u r i n gp r e l o a d t h ec a u s e so fb e a r i n g sh e a tg e n e r a t i o na r er e v e a l e d ，a n d c a l c u l a t et h eh e a tg e n e r a t i o na m o u n to fe v e r yb e a r i n g ，a n a l y z et h em a i nf a c t o r sw h i c h h a v ea ne f f e c tu p o nb e a r i n g sh e a tg e n e r a t i n g ( 2 ) b yu s i n gt h eh e a tt r a n s f e rf u n d a m e n t a la n dr e l a t e de x p r e s s i o n s ，t h em o t o r i z e d s p i n d l e s c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s ( t h et h e r m a lb o u n d a r yc o n d i t i o n so f f e m ) a r ec a l c u l a t e d ( 3 ) c h o o s i n ga n s y s 9 0e d i t i o ns o f t w a r ea sa n a l y z i n gt o o l ，t h em o t o r i z e ds p i n d l e sf i n i t e e l e m e n tg e o m e t r i c a la x i s s y m m e t r i c2 dp l a n em o d e li sb u i l tu p t h e n ，a f t e rt h em o d e l w a sm e s h e da n dr e f i n e d t h ef e mi sb u i l tu p ( 4 ) u s i n gt h er e s u l t sf r o m ( 1 ) 、( 2 ) s t e p s ，t h ef e m sl o a d i n g sa n dt h e r m a lb o u n d a r y c o n d i t i o n sa r ed e f i n e da n di o a d e do n ；a n s y ss o f t w a r ec a l c u l a t e sn o d e s s 把a d ys t a t e t e m p e r a t u r e sa u t o m a t i c a l l y ( 5 ) t h et e m p e r a t u r ef i e l da n d t e m p e r a t u r e sa s c e n d i n go fc r i t i c a lc o m p o n e n t s a r e a n a l y z e d ，a n dm e a s u r e sh o wt oi m p r o v et h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i co ft h em o t o r i z e d s p i n d l ea r ed i s c u s s e da n db r o u g h tf o r w a r do nt h em o d e l ( 6 ) t h em o t o r i z e ds p i n d l ef e m ss t r e s sf i e l di sc a l c u l a t e da n df o r m e di na n s y ss o f t w a r e a f t e rt r a n s f o r m e dc a l c u l a t e dt e m p e r a t u r ea sal o a d i n go nn o d e s ；t 1 1 e n t h et h e r m a l s t r e s so f c r i t i c a lc o m p o n e n t sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d a f t e rt h et h e r m a la n dt h e r m a l s t r e s sa n a l y s i so ft h em o t o r i z e ds p i n d l ei sf i n i s h e d h e r ec o m e st oc o n c l u s i o n sa sb e l o w ： ( 1 ) t h et h e r m a ls t e a d ys t a t ea n a l y s i so fm o t o r i z e ds p i n d l es h o w s 血a tt h ea v e r a g e t e m p e r a t u r e s o fm a i nb e a r i n g so u t e rg r o o v e sa p p r o a c h 5 0 ”c ，t h eb a l lb e a r i n g s m a x i m a lt e m p e r a t u r e se x c e e d5 0 ”c ，a n dt h ea v e r a g et e m p e r a t u r e so fm a i nb e a r i n g c l o s et o5 0 ”cw h i c hi st h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r e sd e f i n e db ym a n u f a c t u r e r ( 2 ) t h et h e r m a la n a l y s i ss h o w st h a ts p i n d l e so u t e rs u r f a c e st e m p e r a t u r e sv a r y i n gf r o m 5 6 3 1 5 ”ct o2 5 6 6 3 ”c ，t h et e m p e r a t u r e s d i f f e r e n c ec l o s e st o3 1o c ：t h ef i = ! l t h e r s t r u c t u r ea n a l y s i ss h o w st h a tt h es t r e s sg r a d si sl a r g e ，i tw i l lh a v ea ng r e a te f f e c t so n s p i n d l e st h e r m a ld i s p l a c e m e n t s ( 3 ) o w i n gt 0i t ss p e c i a ls t r u c t u r a lf o r m ，t h eq u a n t i t yo fh e a tg e n e r a t e dw h e nr u n n i n gc a l l n o tb et r a n s f e r r e db ym o r er a t i o n a la n de f f e c t i v er o u t e s ，s ot h et e m p e r a t u r e sa s c e n d i n g o rg r a d sa r el a r g ei nc r i t i c a lc o m p o n e n t s i tm e a n st h a ts o m eh e a tt r a n s f e rr o u t e sa r e u n r e a s o n a b l e ( s u c ha sr o u t e ：m o t o r s p i n d l e l a t h eb e d ) o ri n e f f e c t i v eo nh e a tt r a n s f e r ( s u c ha st h ec o o l i n go i ls y s t e mo f b e a r i n gs l e e v e ) s u m m i n gu pt h ea n a l y t i c r e s u l t sa b o v e ，m e a s u r e so nm o d i l y i n gt h et h e r m a l c h a r a c t e r i s t i co ft h em o t o r i z e ds p i n d l ea r eb r o u g h tf o r w a r da sb e l o w ： ( 1 ) a d d i n gah e a ti n s u l a t i o nb u s hb e t w e e nr o t o ra n ds p i n d l e ；a d d i n gap a r a l l e la x i s f o r c e d c o n v e c t i o na i r f l o wt o w a r dm o t o r sl o c a t i o n ( 2 ) m o d i f y i n go ra d d i n gs p i n d l e sc o o l i n gr o u t e s ，s u c h a s a d o p t i n gt h eo i lc o o l i n g a p p r o a c hi n s i d et h es p i n d l e ( 3 ) m o d i l y i n gt h eo i lc o o l i n gs y s t e m ss t r u c t u r ea n do i l st y p ei nm a i nb e 撕n g sl o c a t i o n n ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ni n t h i sp a p e rp r o v i d e sak i n do ft h e o r e t i c a n a l y z i n g m e t h o do nt h o s ew h i c hh a v eh i g hs p e e d ，p r e c i s el e v e l i n gs p i n d l es y s t e m s t h er e s e a r c h f o c u so nt h 5 6 5 0m o t o r i z e ds p i n d l ea n di t sr e s u l t sw i l lg i v ea na d v i c eo nt h em a c h i n i n g c e n t e r se x p e r i m e n t sa n dm e a s u r e st oi m p r o v et h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i co fm o t o r i z e d s p i n d l e k e y w o r d s ：m o t o r i z e ds p i n d l e ，t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c ，c o o l i n g ，h e a tt r a n s f e r , b a l lb e a r i n g i v 一一 声明 本人声明所呈交的论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，论文中不包含他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院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：角 日期： 兰翌鱼：! ：丝 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文：提交论文一年后，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 琦；兰 导师签名： 茎3 丛丛日期：型! 垃! 垡 1绪论 1 绪论 1 1 电主轴概述 近2 0 年来，特别是9 0 年代以来，随着商品经济的发展，市场竞争越来越激 烈，高速切削技术应运而生。随着高速加工机理、高速主轴单元、高加( 减) 速直 线进给电机及高性能控制系统等关键技术的发展，为高速加工技术在制造领域的成 功应用提供了基本条件。目前高速切削技术己成为当今先进制造技术的一个重要发 展方向。因此高速加工技术发展异常迅速，高速的加工中心及其相关设备在国际机 床市场上已非常流行。 对于高速加工的速度范围日前尚无统一的界定，通常将加工速度比常规加工速 度高5 1 0 倍以上的加工称为高速加工。与常规加工相比，高速加工的主要特点是主 轴转速特别高，达每分钟几万转甚至几十万转。其主要优点： 单位时间内材料的切削量可提高3 - 6 倍；切削力减小3 0 ，特别是径向切 削力大幅降低，从而可提对高薄壁工件和细长杆件等刚性较差的工件的加 工精度。 工作中，9 5 以上的切削热被切屑迅速带走，工件基本保持冷态，因而特 别适合于加工易产生热变形的零件。 此外，高速加工的激振频率一般远高于机械加工系统的低阶固有频率，因 而工作平稳、振动小，能加工出非常精密的薄壁零件；其表面质量接近磨 削的水平，故可省去铣削后通常的精加工工序。 早在2 0 世纪3 0 年代，德国切削物理学家萨洛蒙( c a r l s a l o m o n ) 就对高速切削技 术进行了研究。萨洛蒙发现，当切削速度超过某一数值后，随切削速度增大，切削 温度不升反降，这与常规速度切削现象正好相反，而且这一临界速度值与工件材料 的特性有关f 2 】。美国相关机构在上世纪7 0 年代进行了高速切削试验，结果表明：切 削力下降，表面质量提高，加工效率提高3 倍左右 3 】。其它西方发达国家也在高速 加工技术方面做了许多工作，尤其德国，在高速加工机床、刀具、控制系统及相关 技术方面，均走在世界的前列。日本对于高速加工的机理研究也比较旱，并积极地 将相关先进技术应用于制造领域，9 0 年代以来，日本己成为世界上为数不多的主要 高速机床的供应者之一。 t h 5 6 5 0 立式加工中心电主轴的热分析 高速主轴单元是实现高速加工的核心功能部件，现代高速机床主轴多数采用内 装式主轴、电机一体化的结构形式，即电机定子装配在主轴套筒内，电机转子和主 轴做成一体，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”。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制成“主轴单元”，俗称“电 主轴”。它在英文中有多种称谓，如e l e c t r o - s p i n d l e 、m o t o rs p i n d l e 和m o t o r i z e d s p i n d l e 等等。电主轴是一种智能型功能部件，它不但转速高、功率大，还都具备一 系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠和安 全。图1 1 是典型的电主轴结构示意图。 1 一连接装置 5 一位置传感器 2 一轴承外圈套筒 6 一刀具接口 3 一电机冷却液套筒4 矢量控制 7 一主轴轴承组 图1 1 电主轴的典型结构 f i g 1 - 1t h et y p i c a ls t r u c t u r eo f m o t o r i z e ds p i n d l e 1 2 电主轴的基本结构及其技术 通常来说，高速主轴单元包括电机、主轴、轴承和机架四个部分；它是高速机 床的核心部件，其性能在很大程度上决定了整台机床所能达到的切削速度和加工精 度。高速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、 动平衡、噪声等多项相关技术，其中些技术又是相互制约的，比如高速和高刚度 2 1绪论 的矛盾、高速和热稳定及高速和大转矩的矛盾等等。 1 2 1 变频高速电机 变频电机的转子是用压配合的方法安装在机床主轴上，处于前、后轴承之间， i 则被称为电机中置式结构；处于前后轴承的后部，被称为电机后置式结构。通过这 种压配合产生的摩擦力来实现大转矩的传递。电动机的定子通过一个冷却套固装在 电主轴的壳体中。于是电动机的转子就是机床的主轴，电主轴的壳体就是电动机座， 成为一种不同于传统的新型主轴系统。 1 2 2 支承轴承及其润滑 主轴支承技术是高速电主轴的关键技术之一。通常在转速低于1 0 0 0 0 r m i n 的电 主轴单元中，多采用钢制角接触球轴承作为主要支承。高于1 0 , 0 0 0 r m i n 的电主轴 单元中，由于滚珠离心力的大小与其公转角速度的平方成正比，因此离心力会变得 很大。另外，高速转动时，滚珠自转轴线在空间不断变化，滚珠将受到陀螺力矩的 作用。早期的电主轴其支承轴承都采用普通钢球轴承，由于离心力和陀螺力矩的作 用，使得滚珠与滚道的接触应力急剧增加，摩擦与温升增加，从而限制了主轴的极 限转速，电主轴的高速性能及其优良特性不能得到充分发挥。后来，随着陶瓷球滚 动轴承制造技术的发展与进步，才为高速电主轴的开发与应用提供了新的发展空 间。目前主要采用速度、刚度、温升和寿命等性能均较优的氮化硅( s i 3 n 4 ) 陶瓷球滚 珠，内外圈材料仍是轴承钢的轴承作为支承，称为混合轴承( h y b r i db e a r i n g ) 。此 外，其他一些如磁浮轴承、动静压轴承同样具有这些优势，也逐渐成为电主轴的主 要选择支承形式h 。 作为支承的角接触轴承必须在轴向预紧情况下才能正常工作。预紧不仅可消除 轴承的轴向游隙，还可以提高轴承刚度、主轴的旋转精度，抑制振动和钢球自转时 的打滑现象等。一般说来，预加载荷越大，提高刚度和旋转精度的效果就越好；但 是另一方而，预加载荷越大，温升就越高，可能造成烧伤，从而降低使用寿命，甚 至不能正常工作。所以，针对不同转速和负载的电主轴来选择轴承最佳的预加载荷 值，就成为电主轴制造厂家一个较为重要的技术诀窍。 通常，主轴前后支承均采用两个( 或多个组配) 接触角约为1 5 0 的角接触球轴 承，接触角安排为“0 ”形布局，多数是外径定心的保持器。 t h 5 6 5 0 立式翻工中心电盎辘的热分橱 至予轴承润滑方式，兰轴轴承常见的润滑方戏霄月鬟润滑、油雾润滑及油气润滑 等。多数厂家提供两种选箨：滴自誊帮浦气。油腊淹一次性、永久澹撂，不震带油 泵等装晷，允许懿最意速度较低；油气为空气与泊的灞会，压缩空气( 来崮工厂气 源，经精蹦过滤器) 常供，疆润滑漓则采取宠时、必嚣静簸小量方式供给，允许静 簸嵩速度较筒。至予油嚣润槽，会污染环境，仅裔少数厂家采用。 以下热同一尺寸规格下，允许的最商转速取决予滚球类型和满滑方式的搭氍： a 、陶瓷球滚子配漓，气( 或池雾) 澜涛的允许转速簸赢。 1 3 、铜球鬣滴气润滑，等价于陶瓷球醌油脂的允许转速，属次高，较a 情况约低 1 0 2 0 。 c 、钢球熙瀵脂澜1 遐鲍允谗转速最低，眈b 情况最高转速约低1 0 。般采用迷离 筹鞋压缩空气外姨的密瓣方式、轴承等级逶鬻湾a b e c 7 或a b e c 9 美强标礁) 。 1 2 + 3 循环冷却系统 电主辅给主轴部件带来狠多燕谣效应，但瞧带来最大、也许是唯一的负效应， 这就是电机需要冷却。只肖功攀较小( 约 o 5 k w ) 和莱些采用油雾润滑者例外。冷郯 方式一般采用含添艇剡魏循环农藏酒，稳应趣配舔管潞和控溢冷帮装蔻。它除冷帮 电机外，还附带冷却支承，妇冷却液在毫槐和前支承的外环夹屡( 一般在电机夕 竞切 肖鼷旋冷鞠液横) 肉锾环。这蒇饺整个主轴部件温舞低显惺定，膏利子轴承的预载， 凝终又有剩予圭轴的刚度和糖度，可以抵偿冷却增加成本的负效应。 冷却液温控制系统，在环境漂度 o 屯埘o o c 豹袈馋下，一般可控潮在2 0 0 c 2 5 0 c 范萄肉菜设定的温度，精度为o 7 0 c ，特殊要求可达- + 0 3 0 c 。 1 2 4 其他附属韶件 瞧主轴通常述装各种安全报謦装澄( 如电渤槐高温报警、冷帮液流量过低报警、 浦气润滑教擞警等) 、主轴转速及负载大小照示投袭、铡攘装置、主轴热伸长蠡动补 偻装置、在线裔动平衡装翟及松紧刀具用韵气压绒液压装置等。 1 3 鼠裳轴的动态- 陡能 追求优篷的动态性能是研发离遮电主辘最根本的强掭，动态性能的磐坏是獭甓 电主轴质爨的簸藿要搔标。箕动态性髓体现在戳下冗个方藩。 一4 - 1绪论 1 3 1 刚度和精度 电主轴的刚度包括径向刚度与轴向刚度，常以轴端的测量值来表示。影响电主 轴刚度因素主要有轴的材料、结构、轴承及轴承座网0 度及前后支承轴承的配置方式 等。刚度的数学表达式为： k ：堡。竺( 1 1 ) d 66 式中卜载荷； 6 变形。 在材料力学中，可近似地认为悬臂梁自由端的挠度与载荷成线性关系，但在电 主轴中，这样近似将带来较大误差。电主轴长度较短，长径比小，轴端悬伸长度也 较短；因此，轴本身的刚度与支承部位的总刚度( 包括轴承及轴承座的刚度) 处在同 一量级，轴承的刚度变化将直接影响电主轴的刚度。而轴承的刚度是随轴承预紧力 及转速的变化而变化的。预紧力增大时，轴承的轴向及径向刚度均增大。有研究结 果表明【5 ，随转速升高，轴承的轴向及径向刚度均是先下降、后升高，而且轴向刚 度变化尤甚，先小幅降低后明显呈上升趋势。高速时轴承轴向刚度值远大于低速时 的刚度值。因此电主轴的刚度应区分为低速工况( 或静态) 和高速工况。 电主轴的精度主要体现在其轴端受外载荷时的变形大小、运转时的端面跳动及 圆跳动量以及因热膨胀引起的轴向伸长量等。电主轴的精度与制造精度、轴承精度、 装配精度、预加载荷及转速大小有关。其最终精度有时可以等于或高于一个轴承的 精度，这是由于装配工人在装配时，将单个轴承的误差进行相互补偿或恰当施加预 紧载荷的结果【6 】。 1 3 2 临界转速 临界转速是电主轴的一个重要参数，它是指电主轴的转子一轴承系统发生共振 时所对应的转速。由于转轴是连续质量分布系统，因此在理论上有无限多个临界转 速。电主轴工作时，应严格控制最高转速在其第一阶临界转速之下，一般不超过一 阶临界转速的7 0 。因此，临界转速决定着电主轴的最高工作转速，影响着电主轴 的振动水平。 一般情况下，影响电主轴临界转速的因素主要有：转轴结构、轴承布置方式、 轴承刚度、刀具参数等。 t h 5 6 5 0 立式加工中，l l , 电主轴的热分析 1 3 3 热稳定性 电主轴的内置电机与高速运转的轴承都将产生大量的热量。一旦散热不好，热 量将在电主轴内部的积聚从而引起主轴的轴向热膨胀、轴承内润滑油的失效、热应 力增加，严重时甚至会烧毁电机。因此，必须考虑良好的内部冷却装置，并在结构 上设法补偿转轴的轴向热膨胀，以免影响加工精度。通常，高速电主轴的内置电机 是用循环液来冷却的，并以一切可行的冷却方式带走轴承的发热。此外，轴承在设 计、安装时特意允许其有一定程度的自由膨胀。 1 3 4 动平衡 由于高速电主轴的转速很高，因此，即使微小的动不平衡量，也会产生很大的 离心力，引发振动。对高速电主轴的动平衡要求是很高的。不但要求各零部件能各 自进行动平衡，而且装配后还要进行整体动平衡；在装夹或更换刀具后，对刀具也 要进行动平衡。有的国外产品在刀具装夹端设有在线自动平衡装置，每更换一次刀 具，该装置可自动测出动不平衡量，并自动使该装置上的两个圆盘相对转动一定角 度，从而达到动平衡。 1 4 电主轴的现状及新技术展望 1 4 1 电主轴发展的现状 在国外，电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品。国际上著名的电主轴生 产厂家主要有：瑞士的f i s c h e r 公司、f b a g 公司和s t e p - t e c 公司：德国的g m n 公司和f a g 公司，美国的p r e c i s e 公司，意大利的g a m f i o r 公司和f o e m a t 公司；日本的n s k 公司和k o y o 公司，以及瑞典的s k f 公司等。 目前国外专业的电主轴制造厂可供应几百种规格的电主轴，其套筒直径从3 2 衄到3 2 0n u l l ，转速从1 0 ，0 0 0 r m m 到1 5 0 ，0 0 0 r m m ，功率从o 5k w 到8 0 k w ，扭 矩从0 1n m 到3 0 0n m 。除满足各类高速切削的要求外，各厂家还可供应各种规 格用于现有普通加工中心、铣床、钻床作增速用的带锥柄电主轴。最近还出现了轴 承寿命更长、以水为介质的动静压轴承和磁悬浮轴承电主轴以及交流永磁同步电机 电主轴，使电主轴技术得到了进一步的发展。 国外中等规格加工中心电主轴的转速达到1 0 ，0 0 0r r n i n ，甚至更高。美国f o r d 6 1绪论 汽车公司和i n g e r s a l l 机床公司推出的h v m 8 0 0 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 0r m i n 。德国g m n 公司的磁浮轴承主轴单元的转 速最高达1 0 0 ，0 0 0r m i n 。i b a g 公司可提供几乎任何转速、扭矩、功率、尺寸的电 主轴，产品范围很宽，其电主轴最大转速可达1 4 0 ，0 0 0r r a i n ，直径范围2 5 3 0 0m i l l ， 功率范围1 2 5 w 8 0 k w ，扭矩范围o 0 2 3 1 0n m 。同时还能提供用户特定的功率、 扭矩曲线，甚至是特殊的机械结构。 多年来，我国在高速加工的各关键领域，如大功率高速电主轴单元、高加减速 直线进给电机、陶瓷滚动轴承等方面进行了长期的研究，但总体水平同国外尚有一 定的差距。在生产加工中实际需求的主轴转速般很少高于1 0 ，0 0 0r m i n ，快速进 给速度则在3 0 m r a i n 以下。根据我国实际情况，现阶段适用的是转速在1 0 ，0 0 0r m i n 以下、中等功率的主轴单元，用于车削、铣削和磨削及加工中心用的高速主轴单元， 这种单元自身能形成一个动态性能良好的系统，可方便地组合到多种加工工艺过程 中。 1 4 2 电主轴发展的新技术展望 从目前的发展趋势来看，电主轴在未来主要是向以下方向发展： ( 1 ) 向更高速、重载方向发展 从德国g m n 公司提供的产品资料上，电主轴的最高转速为1 8 0 ，0 0 0 r m i r a 国 内洛阳轴承所也有转速为1 5 ，0 0 0 r m i n 的电主轴产品供应。在载荷方面，目前额定转 矩最大的电主轴是瑞士s t r p t e c 公司的产品，额定转矩达3 5 0 n - m 5 1 。 ( 2 ) 主轴轴承的研究仍是热点 高速转动时，轴承的接触应力远远超过了轴承材料的许用应力，其发热、摩擦 与磨损十分严重。因此电主轴要向更高速发展，轴承技术将是第一个限制因素。目 前，气体静压轴承电主轴的转速可高达1 0 0 ，0 0 0 2 0 ，0 0 0 0 r m i n ，但刚度差，承载力 低，一般仅限于小孔磨削和钻孔。最有应用价值的当数磁悬浮轴承，已少量地应用 在电主轴上。其支承特性完全不受转速的影响。只是因其价格昂贵，控制系统复杂， 才限制了它的推广。 f 3 ) 自动化程度继续提高 电主轴属高科技机电产品，随着应用技术的发展，其自动化程度越来越高。最 新的电主轴产品有的装备了在线自动平衡装置，刀具更换后或加工过程中，由不平 衡量引起的振动超过规定值时，会对不平衡量进行在线自动平衡。刀具的夹紧与松 t h 5 6 5 0 立式加： 中一心电主轴的热分析 开也配备了自动控制的气压或液压装置。 f 4 1 提高动态性能及加工精度的新技术 动态性能好及加工精度高是对电主轴最根本的要求，也是电主轴生产商追求的 根本目标。由于热膨胀和转速的影响，电主轴在高速时会产生百分之几的轴向位移， 降低了加工精度。g m n 公司及f i s c h e r 公司均可提供主轴伸长的自动补偿装置。 根据不同的转速，预紧力会自动调节阻尼作用来降低轴承的振动水平。另外，颤振 也是影响电主轴性能的棘手问题。目前己有无颤振电主轴问世的报导。解决颤振常 用的方法有：变速加工【7 】 引、智能结构 9 1 、改变轴向载荷等方法。其根本原理多是 改变系统的固有特性( 如刚度、固有频率) 或激励特性，达到抵消或抑制颤振的目的， 但真正在工程上实现是有技术难度的。 1 5 研究内容 高速电主轴作为高速机床的核心部件，同时也是该类机床的主要热源。在高速 机床中，电主轴单元各零件的刚度和精度都比较高，工作负荷却不大，主轴的弹性 变形应起的加工误差比较小。然而，电主轴中电机的发热和轴承的摩擦发热以及运 动副产生的摩擦发热和温升却是不可避免的，同样的温升下，高精度零件的热变形 并不比低精度零件小，由此引起的热变形如果处理不当会严重地降低机床的加工精 度。对于高精度、高速机床来说，热变形应起的误差比其他普通机床的误差更为突 出，已成为其进一步提高精度和转速的主要制约因素。 国内外很多专家学者对高速电主轴热态特性做了大量卓有成效的研究，推动了 电主轴在高速机床上的应用。1 9 9 8 年，韩国学者j mk y t m gc h o i 等用大型有限元软 件a n s y s 分析了五轴加工中心的主轴轴承热态特性，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，则有限元法是主轴系统热 态分析的合适工具。1 9 9 9 年美国普渡大学的b e mb o s s m a r m s 和j a ykt u 教授提 出了一个有限差分模型来描述高速电主轴能量分布，分析了电主轴的传热机制】， 2 0 0 1 年b e m b o s s m a n n s 和j a y f 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 1 2 】。同年印度学者v - p r a j a 等分析计算了高速主轴的 轴承摩擦发热，并用有限差分及有限元法估算了主轴部件的温度分布”。 国内从事这一领域研究的主要是洛阳轴承研究所、浙江大学等单位。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，并开发了名为s y b t e m 的计 1绪论 算程序【14 1 。浙江大学的蒋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 递特性，并对实际工作的电主轴发热与传递特性进行了计算【”】。另外，广东工业大 学机电学院十多年来一直在从事电主轴的设计和支承热态特性及其改善的各种研 究和探索，他们通过对电主轴支承的不同类型并结合不同的润滑方式对电主轴热态 特性进行大量地分析研究1 6 】 1 7 【1 8 】【19 1 ，取得了很多理论成果。但总的说来，国 内在高速电主轴热态特性方面的研究水平与工业发达国家相比有很大的差距，仍有 很长的路要走。 研究高速电主轴热态特性的主要任务是分析计算主轴的热源、温升、温度场， 而目的都是获得