（机械电子工程专业论文）加工中心电主轴结构设计及性能分析.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 高速切削加工技术作为集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，有着强大的生 命力和广阔的应用前景。要应用和发展高速加工技术，首先必须有性能优良的高速数控 机床，而高速电主轴是数控机床的核心，电主轴性能的好坏将直接决定高速数控机床的 性能。本研究旨在根据实际需求，以加工中心电主轴系统的结构设计和性能分析为重点， 首先对电主轴的关键技术进行了研究，对关键部分进行了初步设计，然后对电主轴的结 构进行了详细设计，最后利用有限元技术对电主轴的静动态性能进行了分析，对提高电 主轴的性能有十分重要的意义。本文在以下几个方面对高速电主轴进行了研究： 1 、结合目前高速机床电主轴存在的问题对电主轴的关键技术进行了分析，对电主 轴的轴承及其润滑技术、散热和冷却系统、刀具夹持系统和动平衡技术等进行了详细的 研究，并根据课题研究目标，对这些关键部位进行初步设计。 2 、对电主轴的整体进行了设计，包括轴承的选型及其刚度计算、电机的选型、轴 的内外径、跨距、悬伸量等关键尺寸参数的计算，并在此基础上对轴的整体刚度、回转 精度、临界转速和典型工艺条件下的切削力等进行了理论计算。 3 、建立了主轴系统的“轴承一转子一轴一轴上过盈连接件”的有限元模型，利用 a n s y s 软件对轴的静力特性进行了分析，求解出静刚度；然后对模型进行模态分析，提 取前六阶主振型和和固有频率，计算得出主轴的临界转速远高于主轴的最高转速，不会 发生共振：最后对主轴前端和轴上关键位置进行了谐响应分析，得到了主轴的动刚度以 及关键点的频率一位移响应关系，得出主轴的薄弱环节以及其在最高转速范围之内的动 态特性。通过分析验证了主轴结构的合理性，得出主轴有良好的动静态特性。 关键词：电主轴；动静态特性；有限元分析 加工中心电主轴结构设计及性能分析 a bs t r a c t h i g l l - s p e e dm a c l l i i l i n gp r o c c s s i i l g 勰锄a d v 锄c e dm a 肌f a c t 响gt e c l l i l o l o g ) ，o fc o l l e c t m g l l i g 柚ye f t i v e ，k g l lq u a l i t ) r ，l o wc o n s 啪p t i o n i i lo n e ，h 勰as 协g “t a l i 够强dab r o a d 印p l i c a t i o np r o s p e c t t oa p p l y 锄dd e v e l i 叩m g h - s p e e dp r 0 c e s s i i l gt e c h n o l o g y ，m u s tf i r s th a v e t l l ew e l lp e r f o m 蛆c ec n cm a c k n et 0 0 l s ，w k l et l l eh i g l l - s p e e dm o t o 血e d s p i i l d l ei s 也ec o r c ， 锄dt l l ep c r f 0 珊锄c eo fi tw i l ld i i 优t bd e t e m l 洫ct l l ep e r f 0 肌锄c eo f l l i g l l - s p e e dc n cm a c h i i l e k a c c o r d i l l gt 0t l l e t u a ld e m 锄d ，t h i sp 印e rt 0 0 km es 仃u c t u | ed e s i 弘a n dp e r f 0 n n 锄c e 觚a l y s i so f t h ee l c c t r i cs p i n d l e 觞m ek e yp o i l l t f i r s ts t i l d i e dt l l ek e yt e c h n o l o 鲥o fs p i i l d l ea n d c 硎酣伽tap r e l 衄血a d ，d e s i 口o f t l l ek e yp a n s ，也饥g a v ead e t a i l e dd e s i 弘o f 此姗c 眦， l a s tc 硎e do u tas 协t i c 锄dd y n 删c 姐a l y s i sb ym ef 硒t ee l 锄e n t 觚出y s i st c c l l n o l o g y ，a n da l l o ft l l e s eh a da 伊e a ts i g 面f i c 锄c et 0 岫p r o l v et l l ep e r f 0 衄a n c eo fe l e c t r i cs p 抽m e t h es t u d yw 勰 o i 酬i n 也e f o l l o w 证g a r e 鹤： 1 c o m b i i 血gw i t ht h ep r o b l 跚啮o fn l ec n c m a c h j j l et 0 0 l s m o t o r 讫e ds p i l l d l e ，c a r r i e do n 觚孤a j y s i so f t l l ek e yt e c l l i l o l o g y m a d ead e t a i l e d 徽a r c ho ft l l eb e 撕n g s 她di t sl u b r i c a t i o n t o c h n o l o g y ，t l l es p i n d l e sh e a to u t p u t 强dc o l o l i i l gt c c h n o l o g y ，细lc l 唧i n gs y s t 锄舭d d y n a i n i ce q u i l i b r i 岫t c c h n o l o g y ，t l l e na c c o r d i i l gt 0t l l er 豁e a r c hg o a l s ，g a v eap r e l i i l l m a r y d e s i g no f t h e s ek e y p a n s 2 c a r r i e do n 趾0 v e r a l ld e s i 鲷o f t h es p i n d l e ，i i ：忆l u d i n gt l l eb e a r i n gs e l e c t i o n 锄ds t i 腼髓s c a l c u l a t i o n ，加o t o rs e l e c t i 0 也ac a l c u l a t i o no ft l l ei n n e ra n d0 u t e r 击锄c t e r s p a 玛o v 砒觚g 锄d s oo nc r i t i c a ld i m e i l s i o np 趾觚l e t e r s o nt h j sb a s i s ，c 秭e do nt l l em e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n so ft t l e s h a f t ，跚c h 勰o v e r a ns t i f m e s s ，m t a t i o n c m c y 嘶t i c a ls p e e d 锄d 饥l 竹i l l gf o r c ei 1 1t 1 1 et y p i c a l p r o c e s sc o n d i t i o 璐 3 e 驰出l i s l l c dm e 觚t ee l 锄e n tm o d e lo ft h es p i n d l es y s t e m 七e a r i n g s r o t o r s h a r - t h e 访t e 疵r e n c ec 0 衄e c 6 0 np a j t s a n dc 秭c do nt l i es t 撕cc h 锄c t 甜s t i c s 锄a l y s i so f 也es p i n d l e b ym ea n s y s f 细a r e ，t og e tt l l es t a t i cs t i f m e s s ；m e 玛m a d et l l em o d a l 锄a l y s i s ，e x 仃a c t i n g t l l ef i r s ts i 】【o r d c rv i b r a t i o nm o d e 觚dn a t i 聃l 舶q u e n c y 阳dt l l r 0 u g i lt h ec a l c u l a t i o 玛0 b t 咖c d t 1 1 a tn l ec r i t i c 耐s p e c do f t h es p i l l d l ei sm u c h m g l l e r 血吼i t sl l i g l l e s ts p e e d ，w o u l dn o t0 c c w r e n 锄c e ；l 嬲t 训c do u tt l l eh 锄o l l i cr e s p o 船e 锄a l y s i so fm e 的n t - 胁d 锄dt l l ek e y p 0 s i t i o no fm es p m d l e ，g o tt l l ef r e q u 胁c y _ d i s p l e m e n tr e s p o l l s er e l a t i o 璐l l i po f t l l ek e y p o i n t s a n d 也ed y i l 锄缸cs t i f 董n c 鼹o f 也es p i n d l e ，也吼d b t a i n e dt 1 1 ew e a l 【l i i l l 【a n d 也ed y n 锄i c c h 蝴c t e r i s t i cw i t h 访t l l es c o p eo ft 1 1 em 双曲帆s p e e d b yn l e s e 锄a l y s e s h a dc o n 血1 t l e dm a t m es t m c t u r ei sm t i o n a l ，a i l dt h es p i n d l eh 鹤a 粤r o o dd y n 刹c 觚ds t a 廿cc h a r a c t 耐s t i c k e yw o r d s ：m o t o r i z e ds p i n d l e ；s t a t i c & d y n a l i l i cs t a t ec h a m c t 盯；f e a i i 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 高速切削加工技术的应用及发展 1 1 1高速切削加工技术及其理论基础 作为国民经济支柱产业的制造业，是衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志， 高速切削技术是加工制造技术的一次革命性突破，是未来切削加工技术的重点发展方 向。高速切削技术是指利用超硬材料的加工刀具和高转速、高精度、高自动化的制造装 备，以实现切除效率、加工质量、加工精度大幅度提升的先进制造技术。高速切削是一 个相对的概念，通常认为普通切削速度的5 1 0 倍就是高速切削，也有人认为主轴转速 达到1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 r r l 妇就是高速切肖i j 。 p 、 越 辑 襄 霹 图1 1 萨洛蒙曲线 f i g 1 1 1 1 ”s a i o m o na i n 他 高速切削起源于2 0 世纪3 0 年代，1 9 3 1 年4 月，德国切削物理学家卡尔萨洛蒙( c 矾 s a l 锄o n 博士提出了高速切削假设，阐述了著名的超高速切削理论，即所罗门原理： 萨洛蒙博士指出，如图1 1 所示，在常规切削速度范围内( a 区) ，随着切削速度的增 大，切削温度及刀具磨损程度呈线性增加，切肖l j 速度达到时，刀具会因无法承受如此 高的温度和磨损而不能继续使用，但是当切削速度增加到某一数值( 一般常规切削速 度的5 6 倍) 后，切削温度和刀具磨损速度反而随着切削速度的增加而降低。当速度 达到以上时，切削温度已经降到t 。以下，又处于刀具允许的切削条件范围之内，因而 加工中心电主轴结构设计及性能分析 对于每一种工件材料，存在一个从“的速度范围( b 区) ，在这个速度范围内，由 于切削温度太高( 高于刀具材料允许的最高温度t 。) ，任何刀具都无法承受，切削加工 不可能进行，而处于以上切削速度的加工，就是高速切削加工。实践证明随着切削 速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状发展，所需单位切削力在初期呈上升趋势， 而后急剧下降，这说明高速切削比常规切削轻快，两者的机理也不同。 高速切削速度比常规切削速度几乎高出一个数量级，正是萨洛蒙理论的出现，才得 以使高速切削在理论上成为可能。高速加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效 率的技术，其切削速度范围与工件材料的种类、加工方式有关。目前所得到的不同材料 的切削速度范围如表1 1 所示“】【列，不同加工方式的加工速度范围如表1 2 所示b 1 。 表1 1 不同工件材料的大致切削速度范围 t a b 1 1t h ea p p r o x i m a t ec u n i n gs p e e d 舢g eo fd i f j e 打e n tw o 出p i e c em a t e r i a l s 1 1 2 高速切削技术特点及应用 高速加工能显著地提高生产率和降低生产成本，是一项非常有前景的先进制造技 术。高速切削具有以下优点： ( 1 ) 高速加工的突出优点在于切削速度和进给速度可以同时成倍数的提高。在相 同加工对象及模式下，比起普通铣削，高速铣削的进给速度可提高5 1 0 倍，因此，单 位时间内的材料切除量可以大大增加，可达到常规切削的3 6 倍及以上：同时机床空 行程速度大副提高，大大减少了空运行时间，从而极大地提高了机床的生产率。 ( 2 ) 在切削速度达到一定值后，切削力可降低3 0 以上，尤其是径向切削力的大 副减少，特别有利于薄壁类和薄板类等刚性较差的零件的高速精密加工。 ( 3 ) 高速加工中工件热变形的可能性减小。在高速切削时，切屑的切除产生在极 短的瞬间，9 5 9 8 甚至更多的切削热未及传递给工件，就被切屑飞速带走，可基本上 2 西华大学硕士学位论文 保持加工冷态，这非常有利于加工对温度和热变形十分敏感的零件，特别适用于加工镁 合金零件。 ( 4 高速切削时，由于切削机理的变化，加工更为平稳，由振动产生的加工误差 更小，加工精度和加工表面质量都得到较大程度的提高。高速加工条件下，表面硬化层 深度和微观组织的热损伤都有所减小，同时在加工表面残存的应力也更小，因此已加工 表面的热化学变化和机械物理变化较小，可以保证零件有较好的使用性能。所以高速切 削不仅可以大大减少加工工序，提高加工效率，而且可以用于精密件加工和表面有特殊 要求的零件的加工。 ( 5 ) 由于高速切削，零件的单件加工时问缩短了；在一台机床上经一次装夹就能 完成零件所有的粗、半精、精加工，提高了效率；高速加工提高了零件表面粗糙度质量， 免去了后续的光整加工以及一部分电加工工序。因此，综合几方面的因素，可大幅度降 低加工成本。 自从提出高速切削技术以来，经过半个世纪的探索和研究，随着数控机床、刀具技 术、电脑软硬件技术的发展，8 0 年代末高速切削开始正式应用于实际，9 0 年代开始快 速发展并广泛应用于模具、汽车、航空航天等领域的各种合金材料、铝、钢、铸铁及碳 纤维塑料等复合材料的加工，其中铝合金和铸铁加工最为普遍，高速切削技术在机械、 电子、航空航天、国防、冶金、食品、化工、医药和光学领域内显示出旺盛的生命力和 广阔的应用前景。 高速切削技术事实上是一个非常庞大而复杂的系统工程，它涵盖了机床材料及结 构、c n c 系统控制和通讯、高效润滑冷却、高速主轴系统、高精度快速进给系统、刀 具夹持系统、高性能刀具、高效高精度测试技术、高速切削工艺以及适合高速加工的编 程软件与编程策略等诸多相关的硬件和软件技术。 因高速切削具有以上有别于普通切削的特点，所以高速切削加工的实现不仅要有超 硬耐磨刀具，还需要能提供高速切削条件的高速精密机床。由于涂层、陶瓷、立方氮化 硼和聚晶金刚石等新型刀具材料研制成功和发展，新型刀具对各种加工材料的经济合理 切削速度已有大幅度提高，开发适应高速切削的机床成为当前机床领域的热点。 1 2 电主轴技术的发展 主轴是高速机床的主要工作部件，也是整个机床的核心功能部件，而电主轴因为结 构上的优越性和具有其他类型主轴无法代替的性能优势，几乎是高速机床主轴的唯一选 择。电主轴的结构形式和性能将直接决定机床的性能，因此研究电主轴系统非常有意义。 3 加工中心电主轴结构设计及性能分析 1 2 1 电主轴技术概述 传统主轴是驱动电机通过皮带、齿轮副等中间传动装置带动主轴旋转进行工作，电 主轴( m o t o r i z e d s p i n d l e ) ，即电机内置式主轴，是将无外壳高速电机空心转子直接热装 在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，其间不再使用皮带、齿 轮及联轴器等中间传动部分，电机直接驱动轴体，从而实现“零传动”的电机、轴体一 体化主轴功能部件，因此又被称为内装式电主轴( b u i l d i i lm o t o r s p 砌e ) 。由于当前电 主轴主要采用的是高频交流电动机，故也称为“高频主轴”( h i g hf r e q u e n c ys p i l l m e ) 。 由于没有中间环节，有时又被称为“直接传动主轴”( d i r e c td r i v es p i n d l e ) 。 编码器 定子转子冷却套轴承 轴体 轴承座 泄漏孔主轴外壳 泄漏孔 轴承座 图1 2 电主轴的典型结构图 f i g 1 2 1 1 弛t y p i c a ls t f l l c t u r ed m w i n go ft h em o t o r i z 。ds p i n d l e 电主轴是一个复杂的系统，包括空心转轴、前后轴承、电机定子和转子、冷却套、 外壳等基本机械部件以及专门的冷却系统、变频驱动器、润滑装置、报警及停车装置、 控制系统等一系列支持电主轴运转的外围设备，具体结构如图1 2 所示。 电主轴单元是一种技术含量很高的机电一体化产品，涉及机械、电机、驱动与控制、 支承、润滑密封、材料热处理及振动等诸多领域，是一个相对独立、完整的智能型功能 部件，与高速轴承技术、油气润滑技术、精密制造与装配技术、电机设计与制造、高速 驱动与精密数控技术等紧密相关1 。 与传统机床主轴相比，电主轴具有如下特点h 1 ： 4 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) 主轴由内装式电机直接驱动，省去了电机与主轴之间的变速装置，具有结构 紧凑、机械效率高、振动小、精度高和噪声低等特点。 ( 2 ) 如果采用交流电机，利用交流变频技术，可以实现转速范国内的无级变速， 能够针对不同的工况和负载状况对转速和扭矩进行实时调整。 ( 3 利用与电机配套的闭环矢量、伺服控制技术，不但可以实现低速大转矩、高 速大功率的功能，而且可以满足精确定位停机和c 轴加工需求。 ( 4 ) 电主轴更容易实现高速化，具有较好的稳定性和动态性能，可以更好的满足 高速、高效、高精加工的要求。 ( 5 ) 由于省去了中间环节的外力作用，主轴运行更平稳，本身不存在对轴承的额 外冲击，使主轴轴承在良好工作环境下运转，寿命得到延长。 ( 6 ) 主轴和转子的直接结合，使主轴成为真正意义上的独立功能部件，能够根据 不同的机床类型和型号配置相应电主轴，使主轴标准化、专业化、单元化和规模化生产 逐渐成为现实。 1 2 2 国外电主轴技术现状及发展趋势 由于国外发达国家制造业底蕴丰厚，综合技术水平较高，且对高速电主轴技术研究 较早，所以电主轴单元发展较快，技术水平也处于领先地位，并且随着变频技术及数字 技术发展的日趋完善，逐步形成了一系列标准产品，在机床行业得到普遍应用。目前国 外主要工业发达国家均有装备优良的电主轴专业生产厂家，可以批量的生产用于高速数 控机床和加工中心的电主轴，最为著名的有瑞士的m a g 公司、s t e p t e c 公司和 f i s c h e r 公司，日本的k o y o 公司和n s k 公司，德国的f a g 公司和g m n 公司，美 国的p l 嗵c i s e 公司，瑞典的s k f 公司以及意大利的f o 卧嗄a t 公司和g a m f i o r 公司 等旧。目前电主轴最大转速可达3 0 0 0 0 0 r m i n ( 日本的s e s e i ) ，直径范围3 3 3 ，功率范固1 2 5 w 1 5 0 k w ( 瑞士的a g 公司) ，最大扭矩可达6 0 0 n m ( 德国 的c y t e c ) 。2 0 0 1 年美国c i l l c i 胁撕公司为宇航工业生产的s u p e r m a c h 大型高速加工 中心，其电主轴最高转速为6 0 0 0 0 蛐，最大功率可达8 0 k w 。总体上看，国外的高速 电主轴具有功率大、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。电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面 叭1 0 1 ： ( 1 ) 继续向速度更高、刚度更大的方向发展。随着轴承及轴承润滑技术、动平衡 技术、超硬刀具技术及刀具与主轴接口技术的发展，电主轴已经具备向高速、高刚度发 展的条件，并且已经成为目前的普遍发展趋势。 5 加工中心电主轴结构设计及性能分析 ( 2 ) 向低速大转矩、高速大功率方向发展。从提高工件加工效率方面考虑，往往 要求数控机床能够同时满足对毛胚进行低速重切削的粗加工和后续的高速精加工，尽量 实现零件在一台机床的一次性成型，所以对电主轴要求低速时大扭矩、高速时大功率是 一个必然的发展趋势。 ( 3 ) 电机类型与控制方式向多样化方向发展。国内外应用最为广泛的感应电动机 因功率因数低、效率不高而逐渐被永磁同步电机代替，同步电机具有径向尺寸小、转动 惯量小、控制精度高等特点，有利于提高转矩密度和功率，在电主轴方面的应用会日渐 增多。目前的主流控制方式是矢量控制方式，对于同步电机多采用低速恒功率、高速恒 转矩的控制方式，对于控制精度的要求更高，需要电主轴有更短的启、停时间和更高的 加速度，以进一步提高加工效率。 ( 4 ) 进一步向高精度、高可靠性和高工作寿命方向发展。随着竞争的日渐激烈， 对于数控机床的精度和可靠性，用户提出了更为严格的要求，因此作为机床核心部件和 主要工作部件的电主轴，对其加工精度、稳定性和使用寿命的要求也就更高。 ( 5 ) 轴承的类型向多样化方向发展，轴承润滑方式向油气润滑方式发展。随着陶 瓷复合轴承技术的日渐成熟，混合陶瓷角接触球轴承已逐渐取代传统的钢制角接触球轴 承成为电主轴的主流轴承配置，另外磁悬浮轴承、气体动静压轴承、液体动静压轴承也 都得到较好的发展，已经有成熟的产品系列化地投入市场。目前的主流润滑方式是油气 润滑，少数低速电主轴仍采用油脂润滑，过去的油雾润滑方式已经不适应目前对于环保 和节能的要求，正逐渐被淘汰。 ( 6 ) 刀具接口技术逐步趋向于h s k 刀柄形式。由于离心力的作用，传统的 c a t ( 7 ：2 4 ) 刀具接口形式会产生连接不紧密、刀具窜动等现象，已不能满足电主轴高 速条件下的使用要求。h s k 刀具接口形式具有良好的动静态联接特性、高重复定位精度、 高可靠性和可传递大扭矩等特点，可以满足高速条件下的高精度要求，已逐渐得到国外 电主轴主流厂商的青睐。 ( 7 ) 向智能化、多功能方向发展。在智能化方向，表现为各种故障检测诊断和相 关的安全保护措施，例如轴承温升监控、松刀时轴承卸载保护、换刀连锁保护、电机过 载和过热保护、轴向位置变化自动补偿、刀具磨损和损坏信号监控、主轴振动信号监测 和故障异常诊断等。在多功能方向，主要表现为c 轴传动、轴中空通冷却液、轴向定位 精密补偿、角向准停、低速转矩放大、换刀自动动平衡、换刀中空吹气技术等。 另一个发展趋势是，电主轴将会如直线导轨一样成为机床标准部件专业厂家生产的 高质量系列化产品，取代各机床厂家自己生产的传统主轴。 6 西华大学硕士学位论文 1 2 3 国内电主轴技术现状及发展趋势 中国机床行业近几年取得了世界瞩目的快速发展，其中数控机床发展最为迅速，在 多轴、高速、精密、复合以及自动化程度等方面都取得了明显的进步，尤其在数控机床 的品种和高速化发展上进展明显。国内电主轴技术领域以洛阳轴承科技股份有限公司 ( 原机械部洛阳轴承研究所) 为代表，自从1 9 5 8 年由其为主研制的第一台电主轴问世 以来，目前该公司已经自主研发成功国内最为先进的扭矩为2 0 0 n m 、最高转速为 5 0 0 0 侃m i i l 的一系列用于加工中心的电主轴1 。除此之外，国内的电主轴企业还有无锡 开源、安阳莱泰等开发生产磨削用电主轴的老企业和新成长起来的无锡博华、靖江星晨、 济宁博特等一批专业新公司。目前国内已开发生产了转速从3 0 0 0 2 4 0 0 i n 的各种 用途电主轴，涵盖内外表面磨肖l j 、加工中心、高速数控雕铣、高速数控车、p c b 板数控 钻铣、高速旋碾、高速离心、高速试验等领域n 刁。国内作为商品供应市场的电主轴最高 转速可达1 5 0 0 0 0 r m i n ，最大输出转矩可达1 0 0 0n m ，最大输出功率可达1 5 0 l ( w 。 虽然我国的电主轴技术已经取得较大的进展，但是不论在产品的质量、种类方面， 还是在产品的性能、标准化等方面与发达国家仍然存在不小的差距n 钔。目前国产的高转 速、高精度数控机床和加工中心所应用的电主轴，仍然主要从国外进口。最近及今后一 段时间，国内着重研发能够实现高速大功率、宽调速范围、高回转精度、高可靠性、高 工作寿命、能实现快速制启动、准确定位、自动对刀等要求的高标准电主轴单元n 钔。 1 2 4 国内外高速电主轴技术的差距及应采取措施 国产电主轴和国外产品相比较，无论在技术水平、性能指标方面，还是在种类、数 量、生产规模方面，都有较大差距，而在实际应用中国内产品可靠性低、使用寿命短， 平均无故障时间与国外相差几乎一倍。整体上来说，国内外电主轴技术的差距主要体现 在高速轴承的研铆、电机及控制技术、高速和高精度情况下的冷却技术和振动的抑制、 主轴关键零件的制造、主轴零件与电机的装配问题等方面，这些也是制约我国高速电主 轴发展的关键因素，其中的可靠性设计与性能试验技术是制约国产电主轴系统发展的技 术瓶颈n 目。具体来说，国产电主轴与国外电主轴产品相比较，主要存在如下差距n e 】【1 7 1 ： ( 1 ) 在转速方面。国外加工中心用电主轴最高转速可达7 5 0 0 0 r m i n ，国内电主轴 多在2 0 0 0 0 r m i n 之下；其他类型的电主轴，国外最高转速为3 0 0 0 0 m ，m i n ，我国最高转 速则为1 5 0 0 0 啪n i n 。 ( 2 ) 在输出转矩方面。目前国外电主轴低速区间的最大输出转矩可达3 0 0 n m ，而 我国大多数仅在l o o n m 以内。 7 加工中心电主轴结构设计及性能分析 ( 3 ) 在轴承采用方面。国外应用最多的是高速、高刚度混合陶瓷球轴承，磁悬浮 轴承、液体动静压轴承和气体动静压轴承也得到一定程度的实际应用。而我国的陶瓷球 轴承无论是产量还是质量还都不稳定，目前国内高速电主轴用轴承多数依赖进口，也有 一部分采用国产的钢质角接触球轴承，但工作寿命有待于进一步提高。 ( 4 ) 在关键技术指标d i n n 值( 是指主轴轴承的平均直径( 舢) 与主轴的极限转速 ( r m i n ) 的乘积) 方面。国外电主轴轴承的d l l l n 值一般在1 0 0 万以上，磁悬浮轴承的 d i n n 值可达4 0 0 万以上；而国内轴承的d l i l n 值一般不超过1 0 0 万。 ( 5 ) 在电主轴的轴承润滑方面。国外普遍采用高效而环保的油气润滑，而我国大 多数仍采用油脂润滑或是油雾润滑。高速润滑油脂一般采用以矿物油为基础的锉基脂， 国内对此的研制还很落后，一般都是通过进口；油雾润滑在国内使用最为广泛，但由于 对环境有一定的污染，国外已不再使用。 ( 6 ) 精密装配与精密加工工艺水平差距较大。电主轴的一些关键零部件必须进行 精密或超精密加工，例如主轴、前后轴承座、箱体等，一般要求微米级或是更高等级的 加工精度，对表面粗糙度、垂直度和同心度的要求也都极为严格，由于我国基础工业比 较薄弱，在材料和热处理方面有一定差距，特别是在主轴加工的关键工序、关键零件的 制造技术上有一定的差距。 ( 7 ) 在电主轴产品的规格、品种、数量等方面，国内主要停留在理论研究和小批 量研发试制阶段，系列化、专业化程度不够，对于国内加工中心和数控机床所需电主轴， 绝大多数仍依赖进口明。 就我国来说，要想提高电主轴的整体水平，首先应进行规范化、标准化、系列化开 发、设计与制造，不断提高电主轴的转速等技术性能指标和产品质量的可靠性，同时要 掌握电主轴的关键技术与方法，解决影响电主轴性能和质量的关键技术问题。可以实行 自主开发与技术引进并举的策略，加速国产数控机床用电主轴技术实用化、成熟化和先 进化的进程，缩短与发达国家之间的差距。对于一些关键零部件，要想提高其制造水平， 可通过引进国外先进的制造设备来解决，比如现在的河南洛阳轴承研究所已从g m n 公 司引进高速成对轴承制造技术用于轴承的加工n 1 。 1 3 本文研究的目的和意义 制造业创造的财富占人类社会财富的6 0 8 0 ，是国民经济的支柱产业，制造技 术水平和装备制造能力的高低，是一个国家科技水平和综合国力的重要标志n 例。高速 切削加工技术作为制造业领域的先进制造技术之一，其重要性和对加工制造领域的影响 不言而喻，而研究和开发性能优良的高速机床，是实现高速加工的前提条件和关键因素。 8 西华大学硕士学位论文 随着我国制造业的快速发展，机床市场极为火爆，从2 0 0 1 年起，我国已连续7 年保持 了世界第一机床消费大国的地位，特别是数控机床，连续多年增长率在3 0 左右瑚1 。 然而，我国的机床技术水平与世界发达国家相比还有较大的差距，尤其是作为高速机床 核心功能部件的电主轴技术，其各项性能指标、品种、质量与国外相比差距更大，远不 能满足国内数控机床和加工中心发展的需求。目前国产的高转速、高精度数控机床和加 工中心所用的电主轴，仍然主要从国外进口，从而严重制约我国高速数控机床的发展啪1 。 电主轴的发展不仅在很大程度上影响现代数控机床和高速加工技术的发展，还可以带动 高性能刀具、检测与控制等一系列相关技术的发展幢扣。所以研究高速电主轴十分有意义。 本课题的目的在于综合国内外电主轴技术的最新进展，结合国内电主轴行业的现 状，设计一个用于卧式加工中心的高速、大功率、高刚度的高端电主轴，并对其动静态 特性进行分析，以求为高速、高精度电主轴的设计及性能分析提供一个思路，以弥补目 前国内电主轴行业对加工中心用高速电主轴研究和开发不足的状况，同时为主轴结构优 化和动静态特性的改进提供必要的理论依据，为高速电主轴的研究和应用增砖添瓦。 1 4 本文研究的主要内容 本研究旨在根据实际需求，以卧式加工中心高速电主轴系统的结构设计和性能分析 为重点，应用计算机辅助设计技术、有限元分析技术等，进行电主轴的设计、分析及研 究。本文将在以下几个方面展开工作： ( 1 ) 深入了解目前国内电主轴的现状以及国内外的研究情况，指出目前国内外电 主轴领域的差距和应改进的措施。 ( 2 ) 分析目前电主轴存在的散热和冷却、电主轴的振动及动平衡、轴承的润滑及 散热、刀具夹持系统等技术难题，并根据设计目标对这些关键部分进行初步设计。 ( 3 ) 对电主轴单元进行整体设计，包括尺寸结构设计、轴承的选型与相关的设计 计算、电机选用及性能测试、主轴单元主要性能参数的计算及校核、回转精度的设计等。 ( 4 ) 对电主轴进行分析及优化：采用a n s y s 软件进行主轴的静态性能分析、动 态性能分析、谐响应分析等，得到电主轴的动静态特性，并在此基础上进行优化设计。 1 5 本章小结 本章简要介绍了高速切削技术理论基础、应用和发展以及高速机床的关键技术；详 细介绍了高速电主轴技术的发展历程及应用现状，国内外电主轴技术现状及发展趋势， 国内外电主轴技术的差距和应采取的措施；由此引出对本课题的研究目的和意义，提出 本课题的主要研究内容，为下文研究对象主要技术指标的确定和关键技术的分析及设计 打下基础。 9 加工中心电主轴结构设计及性能分析 2高速电主轴关键技术探讨 高速电主轴是一个集多种技术于一体的系统，其中关键技术的研究状况将决定电主 轴的水平。在电主轴的结构设计中，选择良好性能的电机、合理的选配轴承、采取减小 振动的各项措施、设计有效的冷却系统以及确定主轴与电机转子的最优过盈配合量是电 主轴设计的关键。 2 1主要技术指标 参考高速加工中心技术参数，结合国内电主轴技术现状和实际生产应用的需要，根 据本课题的研究目的，确定该课题研究的电主轴的主要技术指标如下： ( 1 ) 最高转速2 0 0 0 0 r m i n ，额定转速不低于7 0 0 0r m i n ； ( 2 ) 最大输出功率3 5 k w ： ( 3 ) 最大输出扭矩1 8 0 n - m ； ( 4 ) 动平衡精度等级为g o 4 级： ( 5 )回转精度不大于0 0 0 1 5 衄； ( 6 ) 温升不超过2 0 0 c 。 2 2 电主轴的整体布局设计 根据电动机与轴承相对位置的不同，电主轴的整体结构布局主要有两种形式陋钔： ( 1 )电机在主轴前后支承之间 这种布置形式是目前大多数电主轴都采用的基本的结构布局形式，一般配备前后两 套轴承，都是采用成对串联的方式，但因前后支承作用有所不同所以选用的轴承形式不 同，前支承一般采用深沟球轴承或是轴向推力轴承，后支承一般采用圆柱滚子轴承。这 种布置形式的优点是整体轴向尺寸小，轴体刚度大，适合于功率较大的大中型高速机床。 缺点是电机内置较深，发热量大且散热条件较差，需要配套高效且稳定可靠的冷却系统。 ( 2 )电机在主轴后支承之后 这种布置形式的主轴箱和电机处于轴向串联，虽然减少了前支承之前的轴杆悬伸 量，但因整机轴向尺寸较大，刚度并不大，且主轴出力较小，不适合大转矩、大功率的 工况，但电机的散热条件较好，整机径向尺寸较小，轻便灵活，所以常用于小型数控机 床，尤其是木工机械和用来加工模具型腔的精密加工中心。 本文研究的加工中心电主轴，经常在高速、大功率、大转矩工况下工作，为实现较 高的加工精度和加工质量，保证足够的刚度，采用电机在前后支承之间的布置形式。 l o 西华大学硕士学位论文 2 3 轴承及其润滑技术研究 轴承是决定电主轴寿命和负载大小的关键部件。电主轴的轴承应满足高速转动的要 求，具有较高的回转精度和较低的温升，同时具有尽可能高的轴向和径向精度、足够 的承载能力等。根据目前国内外对此的研究现状，电主轴可采用的轴承类型有静压轴承、 动静压混合轴承、磁悬浮轴承和滚动轴承等。 轴承润滑冷却技术是电主轴研究领域的关键技术之一，润滑冷却效果的好坏，将直 接决定轴承的发热、承载、工作转速和使用寿命，从而影响电主轴的刚度、精度、最高 转速和使用寿命，因此有必要对高速电主轴轴承的润滑冷却技术进行详细研究。 2 3 1轴承类型的选择 ( 1 ) 静压轴承 静压轴承是一种利用压力泵将润滑剂强行泵入轴承和轴之间的微小间隙的滑动轴 承。静压轴承为非接触式轴承，具有磨损小、寿命长、旋转精度高、阻尼特性好( 振动 小) 等优点，用在电主轴上，可使刀具寿命延长、表面加工质量提高。按润滑剂的种类 可以分为两类，一类是液体静压轴承，主要使用油为润滑剂，另一类是气体静压轴承， 使用气体作润滑剂，通常是使用空气作为润滑剂。 在气静压轴承中，采用气体作介质，由于气膜的均化效应，其旋转精度比轴承和轴套 表面的圆度误差值小很多，采用气静压轴承的电主轴旋转精度可达0 1 岬。气静压轴承 工作时与轴颈没有任何接触，没有磨损，在介质洁净、主轴使用合理的条件下，可以达 到相当长的使用寿命；气静压轴承摩擦力矩极小，消耗的功率也极小，产生的热量非常 少，温升很小，所以电主轴的热变形较小：另外，采用气静压轴承的电主轴可以较好 地保持刀具的锋锐性，降低加工零件表面粗糙度值堙耵，非常适合高精度加工的需要。采 用气体静压轴承的电主轴具有转速和回转精度高、振动和噪声小、使用寿命长、摩擦功 耗小、无污染、温度适应性强、生产率高等特点。 气静压轴承的缺点是：与滚动轴承相比刚度较差，不适合多冲击和变载荷的加工条 件，径向承载能力较低，尤其不适合重载工况，对压缩空气的清洁度要求较高，使用费 用和维护费用较高，因此不适合用于高速加工中心电主轴。空气静压轴承多用于高速轻 载和超精密的场合。 液体静压轴承用润滑油作承压介质，具有回转精度高、刚性较高、转动平稳、无振 动的特点，但由于结构复杂，在高速条件下，液面搅动，功率消耗大，温升较高，无法 适应高速电主轴的工况哺1 。 ( 2 动静压混合轴承 加工中心电主轴结构设计及性能分析 动静压混合轴承是在静压轴承的基础上发展起来的一种新型多楔油膜轴承，它综合 了静压轴承和动压轴承的优点，克服了静压轴承供油系统过于复杂庞大和高速下发热严 重的问题，避免了动压轴承启停时易发生干摩擦的弱点，具有结构紧凑、调速范围宽、 高速性能好、动静态刚度高等优点啪1 。缺点是这种轴承必须进行专门设计，单独生产， 标准化程度低，价格较高，使用维护较为复杂，目前在超高速主轴单元中较少应用。 ( 3 ) 磁悬浮轴承 图2 1 磁悬浮轴承原理图 f i g 2 1 s c h 锄a 6 cd i a g r 锄o fm a g n e t i cs u s p e n s i o nb 耐n g 磁悬浮轴承又称为磁力轴承，它的原理是在轴颈圆周方向上布置多个互为1 8 0 度的 电磁铁，在轴的径向产生多对均布的吸力( 或斥力) ，从而把主轴悬浮在空气中，其工作 原理如图2 1 所示。磁悬浮轴承是非接触式轴承，轴承与轴颈的径向间隙约为l 毫米。 主轴工作时，因受力而发生一个极为微弱的空间位置改变，对应的位置传感器可以测出 这一变化值，然后传递给反馈与自动控制装置，控制装置通过调节相应位置的磁力，使 主轴快速的回到理想位置，从而实现主轴始终绕理想回转中心高速旋转的目的。 磁悬浮轴承是目前唯一投入实用的可以实现主动控制的先进轴承，具有许多传统轴 承不可比拟的优点嗍：转速极高；摩擦损失小；寿命长，维护成本低；不需要润滑系统， 结构紧凑，无污染；能够进行实时监控和智能反应，具有极高的可控性，可以实现工作 性能的最优化。 磁悬浮支承电主轴的缺点是：需要辅助支承、额外的传感器和控制系统，机械结构 复杂；发热问题更突出，必须有很好的冷却系统：价格昂贵，通常是普通电主轴的两倍。 所以目前磁悬浮电主轴的实际应用并不是很多，但它是一种很有发展前途的电主轴，随 1 2 西华大学硕士学位论文 着相关技术的不断发展，其成本的不断降低和性能的不断提高，会在实际生产中得到越 来越广泛的应用。 ( 4 滚动轴承 滚动轴承具有刚度高、高速性能好、结构简单紧凑、标准化程度高、品种规格繁多、 便于维修更换等优点，因而在电主轴中得到最广泛的应用。但是随着高速机床技术水平 的发展，电主轴的速度和功率较以往有很大的提高，使用环境和条件与过去相比更加苛 刻和复杂，普通的滚动轴承已逐渐不能适应使用要求。 现在以球轴承为例进行计算分析，球轴承在运行过程中，滚珠既有公转又有自转， 会产生陀螺力矩和离心力，其计算公式分别如下： 离心力c = 三删屯以 ( 2 1 ) z 陀螺力矩以= 魄如p ( 2 2 ) 其中： 取滚动体直径，聊； 夕滚动体材料密度，姆朋3 ； q 滚动体公转角速度。脚s ； 屯轴承节圆直径，所： 滚动体自转速度，口d s ： 滚动体转动惯量，堙m ? ； 滚动体自转轴与坐标平面间的夹角，刎。 通过公式2 1 、2 2 可以看出，滚珠离心力的大小与轴承转速的平方成正比关系，滚 珠陀螺力矩与轴承转速和自转速度成正比关系，轴承在高速运行时，滚珠产生的巨大陀 螺力矩和离心力会加剧轴承的磨损和温升，导致轴承使用寿命的降低啪1 。从以上两公式 还可以看出，滚珠离心力与滚珠的材料密度以及滚珠直径的三次方成正比，滚珠陀螺力 矩还与滚珠转动惯量以及滚珠自传速度成正比，对于实心球体，其转动惯量，= 2 5 棚尺3 ， 所以要想减小陀螺力矩和离心力，通常有减少滚珠直径( 如已经标准化的7 1 9 0 0 系列主 轴轴承) 和选用轻质材料制造滚珠这两种方法。减少滚珠直径会降低轴承的刚度，而且 会使轴承结构变得复杂，而后者相对来说是更可取的，采用氮化硅陶瓷材料代替钢制成 滚动体，而其他部分仍采用钢作为材料的滚动轴承，称之为混合陶瓷轴承，简称陶瓷轴 1 3 加工中心电主轴结构设计及性能分析 承。工程陶瓷材料( 甄4 ) 耐热、耐腐蚀和耐磨性能优异，而且重量轻，可以适应高速 电主轴轴承的严酷工作环境。 从表2 1 可以看出，与普通钢制滚动轴承相比，混合陶瓷轴承有以下优点： ( 1 ) 质量轻。陶瓷材料密度仅为3 2 1 8 1 0 3 堙m 3 ，同样大小陶瓷滚动体的重量 仅为钢质滚动体的4 0 ，这样能减少离心力和打滑，使陶瓷球轴承比传统轴承的转速提 高2 0 4 0 。 ( 2 )刚性好。陶瓷的弹性模量为3 1 4 1 0 7 a ，是钢的1 5 倍，因此能提高轴 承刚度1 5 2 0 ，有效地提高加工精度和减轻机床主轴的振动。 ( 3 ) 线性膨胀系数低。陶瓷的线膨胀系数为3 2 1 0 “，约为钢的2 5 ，可以 有效减少轴承滚动体的变形。 ( 4 ) 硬度高。硬度能达到h v l