（机械制造及其自动化专业论文）加工中心高速内装式电机主轴单元的研究.pdf

摘要 捅裴 本文论述了高速主轴发展的国内外形势 通过对国外著名加工中心主机生 产厂及主轴专业生产厂技术数据的比较和分析 提出我国目前在高速主轴领域存 在的问题 及研制加工中心高速电主轴单元的必要性和紧迫性 确定高速主轴的 结构型式为非接触驱动的电主轴结构型式 并确定主要的规格参数为 最高转速 2 0 0 0 0 r m i n 电机最大输出功率2 2k w 电机最大输出扭矩1 1 8 n m 主轴回转精度 o 0 0 1 5 m m 本文对2 0 0 0 0 r p m 2 口工中心电主轴的研制过程做了详细阐述 通过详细的理论 计算确定高速电主轴单元钓关键技术参数 如主轴前轴承直径 合适的悬伸量 用试算法试算出合理的支承跨距 利用经验公式估算主轴的径向刚度 用有限元 法分析了影响高速主轴正常运行的两个关键性问题 固有频率和热伸长 在结构 设计中 设计恒温油强制冷却结构 减小热伸长对被加工零件精度的影响 运用 平衡理论分析了高速主轴的动平衡精度和有效的动平衡方法 在结构设计中设计 了旋转组件的动平衡和整机驱动的在线二次动平衡位置 完成详细结构设计 经 过样品试制 及在试验台上的主轴温升 主轴空运转噪声 主轴单元的径向和轴 向静刚度 主轴在不同转速下运转的振动量 主轴动刚度等性能试验 对所研制 的高速电主轴单元进行了验证 最后完成在主机上的应用 本项目全面完成了课题提出的各项要求 成功地为加工中心性能 质量和水 平的提高提供了可靠的技术保证 促进了国产数控机床技术进步 其主要技术指 标达到了国内领先水平 并达到了国外同类产品的先进水平 关键词加工中心 高速电主轴 a b s t ra c t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h es i t u a t i o n o f h i g h s p e e ds p i n d l e s d e v e l o p m e n t a n a l y s e st h et e c h n o l o g yd a t ao ff o r e i g hf a m o u sm a c h i n et o o l m a n u f a c t o r ya n ds p i n d l es p e c i a l i t yp l a n t a n db r i n g sf o r w a r dt h e q u e s t i o n si nh i g h s p e e ds p i n d l ey i e l d i ti si m p o r t a n tt os t u d yt h e h i g h s p e e ds p i n d l ei no u rc o u n t r y a tl a s t t h es t r u c t u r eo fh i g h s p e e d s p i n d l e si sd e t e r m i n e d t h a ti sn o n c o n t a c td r i v i n gm o t o r i z e ds p i n d l e s t r u c t u r e t h es p e c i f i c a t i o no ft h es p i n d l ei sa sf o l l o w s m a x i m u ms p e e d 2 0 0 0 0 r m i n m a x i m u mo u t p u tp o w e r 2 2k w m a x i m u mo u t p u tt o r q u e 11 8n m r u n n i n ga c c u r a c y 0 0 0 1 5 m m t h i sp a p e rs t a t e st h ep r o c e s so fd e v e l o p i n gt h e2 0 0 0 0 r p mm o t o r i z e d s p i n d l eu s e df o rm a c h i n gc e n t e r d e s i g h st h ek e yt e c h n o l o g yd a t as u c ha s f r o n t b e a r i n gd i a m e t e r p r o p e rs u s p e n dv a l u eb y a p a r t i c u l a r c a c u l a ti o n c a c u l a t et h e p r o p e rs u p p o r t i n gs p a nb y t r i a l c a c u l a t i o n e s t i m a t et h es t a t i cr i g i d i t yo ft h es p i n d l eb yu s i n gt h e e x p e r i m e n tf o r m u l a a n a l y s e st w ok e yq u e s t i o n s 一i n h e r e n c ef r e q u e n c y a n dh e a t d i s p l a c e m e n t w h i c ha f f e c tt h eh i g h s p e e ds p i n d l ew e l l r u n n i n g i n t h ed e t a i ls t r u c t u r e d e s i g n w e d e s i g n t h e c o o l i n g s t r u c t u r e s i nw h i c ht h e 0 i 1i sc o n t r o l l e db yu s i n go i l t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e r i no r d e rt or e d u c et h ei n f l u e n c eo fm a n u f a c t u r ep r e c i s i o n t h eb a l a n c et h e o r yi su s e dt oa n a l y s i st h eb a l a n c ep r e c i s i o na n dm e t h o d o fh i g h s p e e ds p i n d l e a n dd e s i g ht h eb a l a n c ep o s i t i o nf o rt h er o t a t a r y p a r ta n dd o f i e l db a l a n c eo ft h ew h o l es p i n d l e a f t e rt h es a m p l es p i n d l e i st r i a l m a n u f a c t r u e d w ed ot h ep e r f o r m a n c et e s to nt h et e s tt a b l es u c h a st h et e m p e r a t u r er i s e t h es o u n d t h er a d i c a la n da x i c a ls t a t i c r i g i d i t y v i b r a t i o nv a l u ea td i f f e r e n ts p e e d s d y n a m i cr i g i d i t yo f s p i n d l ee t c t h i sp r o d u c tm e e to a rd e m a n d s g u a r a n t e et h ep e r f e c tp e r f o r m a n c e g o o d q u a n l i t ya n dh i g h l e v e lo fm a c h i n i n gc e n t e r p r o m o t et h ea d v a n c e m e n t i n t e c h n o l o g yo fd o m e s t i cn cm a c h i n et 0 0 1 t h a tm a i nt e c h n o l o g yd a t a s k e e pl e a d i n gi nh o m e a n da c h i e v e a d v a n c el e v e lc o m p a r e dw i t ht h ef o r e i g h p r o d u c t k e y w o r d sm a c h i n i n gc e n t e r h i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 物理量名称及符号表 p 盯 n d d r r r e c r j i q 正 足 y e p d 硝 帅 dr q 物理量名称及符号表 一主轴输出的最大扭矩 一主轴电机最大输出功率 传动效率 一主轴计算转速 一主轴直径 轴传递的额定转矩 轴材料许用切应力 一内外直径比 一轴承轴向刚度 一轴承径向刚度 一跨距惯性矩 等效悬伸惯性距 等效跨距惯性距 一主轴部件刚度 一轴端径向位移 泊松比 一材料弹性模量 一材料密度 一线膨胀系数 一质量 一液体流量 一温升 一热量 独创性声明 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 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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 猫呼 日期 刎 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留送交论文的复印件 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 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 躲坶翩姥址吼业 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的提出和意义 实现工业化 是中国近2 0 年的发展目标 有数据表明 在中国工业中 制 造业占工业总产值的7 7 6 所以工业化的中心是制造业 随着科学技术的进步 高新技术产业不断涌现 国内各行业对数控机床质量及性能要求也越来越高 加 工中心是集机 电 液 气 计算机和信息控制等各种技术于一体的机电 体化 的典型产品 最能体现高速 高效 超精 数字化及结构紧凑等当今最先进 最 流行的技术水平 3 它广泛应用于能源 交通 原材料 农机 军工 轻纺织机 械 汽车 模具等各个工业部门的机械制造领域中 在整个数控机床总拥有量中 约占3 0 以上 它的技术水平高低及其在金属切削机床产量和总拥有量中的百分 比是衡量一个国家机械工业制造水平的重要标志 从第一台加工中心的问世发展到现在 它在精度和速度方面已经历了多次革 命 尤其在汽车 航空领域 被加工零件的形状越来越复杂 零件要求的精度也 越来越高 深孔加工和细孔加工零件越来越多 这就对数控加工设备提出更高的 要求 3 功能强大的功能部件对机床的发展起着重要作用 在科技和工业高度发 展的今天 在产品市场竞争日趋激烈的时代 功能部件只有实现专业化生产 形 成强大的产业 才能使其各类产品上品种 上规格 上档次 上水平 主轴部件是加工中心的主要功能部件 是机床实现高精度 高效率 高可靠 性的关键部件 主轴部件的性能高低直接影响加工中心的品质 作为关键部件的 主轴功能部件首先应有优良的高速 高精度运动特性 为满足主机配置需要应进 行系列化 工程化设计与制造 使主轴单元成为一个新颖 高水准 可供选择 批量生产 供货的优质部件 1 这对于国产加工中心的产业化和提高加工中心总 体品质有着十分重大的意义 1 2 国内外高速主轴的发展现状 1 2 1 国外高速主轴的发展现状 高速主轴理论在1 9 世纪3 0 年代已有报道 1 1 9 世纪8 0 年代才走出实验室 5 e 6 o 仅仅是这几年 工业上才开始对高速加工进行试验 并逐渐在航空 汽车 北京工业大学工学硕士学位论文 模具等行业推广应用 3 国际上大功率高速钻铣削电主轴技术发展很快 主轴转 速不断提高 主轴其它性能参数如主轴电机功率 输出扭矩也在不断的提高 使 主机的加工范围更加扩大 2 0 0 1 年德国汉诺威的欧洲国际机床展览会上 瑞士 m i k r o n 的子公司 s t e p t e c 公司展出了刀柄为h s k a 6 3 的内装式电主轴 其转 速可达到2 4 0 0 0 r m i n 功率为2 0 2 9 k w 另一种刀柄直径较小h s k e 4 0 的电主轴 其转速可达到4 2 0 0 0 r m i n 功率为1 0 1 3 k w 瑞士i b a g 公司展出了刀柄为h s k e 6 3 的内装式电机主轴单元 其转速可达到3 0 0 0 0 r m i n 主电机功率为3 0 k w 而德 国c y t e c 公司刀柄为h s k a 6 3 的电主轴 其转速可达到1 8 0 0 0 r m i n 这些产品 都具有功率大 刚度高及调速范围宽的特性 完全适用于高速 高效切削 国外 高速主轴的发展趋势主要表现在以下方面 1 主轴单元由传统传动结构向电机内装式主轴结构方向发展最初的加工 中心主轴采用齿轮或皮带传动动力 由于在主轴上受到传动件横切力的作用 其 转速最高达到8 0 0 0 r m i n 主轴精度仍只能停留在普通级 主轴单元的高速化发 展受到限制 3 随着电机技术的发展主轴转速在8 0 0 0 r m i n 以上的数控机床主轴 逐渐被内装式电主轴单元代替 内装式电主轴是将电机的转子热装在精密的主轴 上 电机的定予线圈固定在主轴套筒内 通过交流无级变频调速使主轴获得所需 工作速度和扭矩 这种非接触式驱动方式 它具有调速比大 调速方法简单 传 动平稳 结构简单 振动噪声小和使用维修方便等优点 1 这种主轴结构 功率 损耗小 转动惯量小 快速响应好 能够实现高速 高加速度及定角速度的快速 准停 c 轴控s u 采用交流变频调速和矢量控制电气驱动 实现宽调速 3 并且 这种结构的主轴为主轴模块的复合化发展提供了便利条件 目前发展的虚拟 并 联 机床和五面体加工机床由于结构的限制 必须采用内装式电主轴结构型式 2 主轴单元向高速 大功率 大扭矩方向发展高速大功率电机是加工中心 电主轴的核心部件 随着数控机床的不断发展和刀具技术 高速进给技术的进步 要求机床主轴功能部件的转速越来越高 精度也越来越高 在要求电主轴单元 实现高速化的同时 同时在电机的低速段需要输出尽可能大扭矩 以满足在同一 台机床上进行低速重切削和高速精加工的要求 扩大机床的使用范围 提高生产 第1 苹绪论 效率 电主轴电机的开发目前国内外广泛选用交流变频调速异步电机 但随着相 关技术的突破 含稀有材料永磁铁集成式无刷直流电机渴望问世 它具有传递扭 矩大 电机体积小 结构紧凑 效率高 调试性能和高速特性好等突出优势 主轴电机在磁路设计对采用双绕阻的结构 实现大功率的高速绕阻区和大扭矩的 低速绕阻区 当加工某些特殊零件如小孔钻削时 使用机床的高速性能 当需要 重切削提高生产效率时 使用机床的低速大扭矩性能 该主轴电机的高低速切换 特性扩大了机床的使用范围 充分发挥出机床的使用性能 在主轴电机的控制器 方面也得到了大力发展 近年来采用新型的控制器 如矢量变换控制 直接转矩 控制和基于d s p 控制器 并进行电动机和控制器一体化的仿真计算 以提高主 轴电机快速响应特性 在此基础上完成了全局优化r l i3 0 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此向技术 著名的有瑞士的f i s h e r 公司 i b a g 公司 德 国的g m n 公司 s i e m e n s 公司 他们的技术水品代表了这个领域的世界先进 水平 8 例如德国的g m n 公司运用高速变频器供电异步电动机 转速最高达 1 8 0 0 0 0r m i n 功率最大可达7 0k w 拥有各种先进的电气驱动和控制技术 如 可实现准停的变频驱动 变频精度在0 5 以内的优化矢量控制 带c 轴功能的 矢量控制 目前国外各大企业先后推出自己的产品 f i s c h e r 公司生产的电主轴 系列 功率可高达i 0 0k w 转速高达1 5 0 0 0 0r r a i n 德国s i e m e n s 公司生产的 铣削用电主轴f 2 8 5 a 1 5 3 2 其主轴最高转速1 5 0 0 0r m i n 最大输出功率3 2k w 最大输出扭矩3 0 0 n m 刀柄型号是h s k a l 0 0 瑞士m i k r o n 的立式加工中 山u c p l 0 0 0 主轴转速2 4 0 0 0r m i n 主电机功率2 5 k w 刀柄型号是h s k a 6 3 日本牧野的立式 加工中心a 5 5 e 主轴转速1 2 0 0 0 r m i n 刀柄型号是b t 4 0 主电机功率1 8 5 k w 意 大利g a m f i o r 公司的数控铣床用电主轴的最高转速可达到7 5 0 0 0 r m i n 磁悬浮轴 承 在国外及台湾地区 已经形成主轴单元专业化生产 如瑞典s k f 德国f a g 日本n s k 瑞士s t e p t e c i b a g f i s c h e r 等是专业化生产主轴部件的生产厂 部分生产厂的主要技术性能指标见表卜1 北京工业大学工学硕士学位论文 表卜1 国外专业主轴生产厂产品的主要技术指标 t a b l e l lm a i nt e c h n o l o g yd a t a so ff o r e i g h p r o d u c t 产品型号 主轴晟高转电机功率刀柄型式主轴结轴承润滑 速 r m i n k w 构型式方式 h v c l 4 0 1 0 4 2 瑞士s t e p t e c 公司 4 2 0 0 0 i o 1 3 h s ke 4 0 电主轴油气润滑 h v c e 1 0 1 2 瑞士s t e p t e c 公司 1 8 0 0 0 1 0 1 3 b t 4 0 电主轴油气润滑 h v c 2 3 0 2 4 2 4 瑞士s t e p t e c 公司 2 4 0 0 0 2 4 3 1 h s k a 8 3 电主轴油气润滑 h v c s 2 8 7 4 0 1 5 瑞士s t e p t e c 公司 1 5 0 0 04 0 5 2h s k a 1 0 0电主轴 油气润滑 2 4 1 6 0 2 4 0 0 0 1 0 1 2 8h s k a 6 3电主轴脂润滑 瑞典s k f 2 4 2 4 02 4 0 0 03 0 3 5h s k a 6 3 电主轴油气润滑 瑞典s k f 1 4 3 2 0 1 4 0 0 0 3 0 3 7 h s k a 1 0 0 电主轴油气润滑 瑞典s k f 从表中数据可以看出 国外用于加工中心主轴单元h s 艮e 4 0 刀柄的最高转 速己达4 2 0 0 0r r a i n h s k a 6 3 刀柄的最高转速已达2 4 0 0 0r r a i n h s k a 1 0 0 刀柄 的最高转速已达1 4 0 0 0r m i n 3 高速主轴模块逐渐向复合化方向发展总结2 0 0 5 年北京国际际床展 我 们发现 多功能摆动头主轴模块在立卧加工中心主机上的应用越来越多 其摆动 轴是利用涡轮 涡杆的传动方式 其执行轴是采用内装式电机主轴的传动方式 为普通三轴机床配备五轴及多轴功能 1 2 2 国内高速主轴的发展现状 内装式电机主轴在我国2 0 世纪的5 0 6 0 年代主要在磨床主轴上应用 直 到9 0 年代后期 由洛阳轴承研究所 北京机床研究所研制开发了应用于不同类 型机床上的电主轴 主轴转速最高达到1 0 5 0 0 0 r m i n 九五 期间 洛阳轴承研究所研制出拥有自主知识产权的加工中心和数 控铣床用内装式电主轴单元 主轴转速8 0 2 4 0 0 0 r m i f l 功率2 5 2 9 k w 扭矩 第1 犟绪论 4 8 6 n m 其噪声低 振动小 松 拉刀结构性能可靠 且具有主轴内冷却功能 产品综合精度接近或达到同期国际水平 产品性能得到主机厂认可 装备了许多 国产加工中心和数控镗铣床 北京机床研究所在9 9 年国际机床展览会上展出了 主轴转速在5 0 1 2 0 0 0 r m i n 的加工中心用内装式电主轴 主轴电机功率是1 5 2 2 k w 电机输出的最大扭矩为2 0 4 n m 主轴锥孔的实际回转精度达到1 m 高于国 标规定精密加工中心的制造精度值 其主轴轴承采用国外的陶瓷球轴承 润滑为 油气润滑方式 当时市场上还没有油脂润滑的转速在l0 0 0 0 r m i n 以上的中型加 工中心用主轴轴承 该主轴应用于加工中心上既能实现机床的高速精加工 又 能满足用户低速大进给量切削 高速内装式电机主轴的发展速度很快 在2 0 0 5 国际机床展览会上又有许多 厂家推出用于不同加工设备上的电主轴产品 山东济宁博特精密丝杠制造有限公 司采用油脂润滑 水冷却方式生产的j s z d 5 8 6 0 0 5 5 x 铣削用电主轴 最高转速 6 0 0 0 0 r m i n 北京机床研究所展出主轴转速在1 2 0 0 0 r m i n 的油脂润滑电主轴 与主轴相配套的外围设各明显减少 大大节省的制造成本 高速电主轴作为数控 机床的主要功能部件 逐渐向专业化方向发展 1 2 3 目前存在的问题 中国已是世界第4 制造大国 特别是近年来 汽车工业的飞速发展 国内 的市场需求依然强劲 但是 中国并非制造强国 制造业存在技术力量薄弱 规 模小 产品档次较低等问题 从加工中心的发展来看 必须及时和持续地进行关 键功能部件的研究和开发 才能够满足不断发展和变化的市场需求 作为关键部 件的主轴单元功能部件与国外水平相比 差距还是比较大的 在指标和性能上无 法与国外的主轴专业生产厂家相比 主要表现在有以下几个方面 1 主轴结构优化设计方面 不能运用现代设计方法 精确计算高速主轴运 转的动力性能和由于运动带来的精度问题 2 主轴高速运转时由于动不平衡产生的振动 噪声对主轴的影响很大 目 前国内对高速运转的主轴不平衡信号的采集 分析 校正等有 定的难度 必须 采取措施 深入研究 北京工业大学工学硕士学位论文 3 高速精密主轴的装配条件受到限制 装酉b 工艺尚在摸索阶段 因此需要 科学的 可靠的手段来严格保证 4 主轴是数控机床的切削轴 在高速运转时产生大量的热 由于温度场的 分布不断变化 使轴承预紧力发生变化 机械磨损增加 应从理论上深入分析 探讨达到最佳合适值 5 内装式电机主轴 由于主轴电机直接与前后轴承相接 电机的发热直接 影响精密主轴的精度 因此在主轴系统的材料的选择 冷却系统 散热结构的设 计方面制约高速精密主轴的发展 鉴于上述情况 国家加大了主轴功能部件的投入力度 九五 项目攻关 研制出加工中心皮带传动式高速型主轴单元 最高转速为8 0 0 0 r m i n 内装式电 机主轴单元最高转速1 0 0 0 0r m i n 其噪声低 振动小 松 拉刀结构可靠 主 轴具有内冷功能 十五 项目攻关 再次将高性能主轴部件的研制列入其中 要求加工中心皮带传动式高速型主轴单元最高转速为1 0 0 0 0 r m i n 内装式电机 主轴单元最高转速1 5 0 0 0r m i n 提高主轴回转精度和刚度 降低高速下主轴的 温升 为国内主机厂家提供高质量 接近国外先进水平的主轴单元 这对国产加 工中心发展起到很大的推动作用 但与国外高速主轴的发展相比 我们还存在一 定的差距 有待对这一领域问题的深入研究 1 3 课题的来源及主要研究内容 1 3 1 课题的来源 为进 步装备我国的数控设备 改进数控设备的使用性能 提高我国数控设 备在国际上的竞争力 我们致力于加工中心关键功能部件 高速主轴部件的研 究 研制出用于加工中心的内装式电主轴单元 1 3 2 课题的主要技术指标 1 主轴最高转速2 0 0 0 0 r m i n 2 电机最大输出功率2 2k w s 3 3 电机的最大输出扭矩1 1 8 n i n 4 主轴单元动平衡精度等级为g o 4 级 第l 章绪论 5 主轴回转精度 o 0 0 1 5 r a m 6 主轴温升不超过2 0 0 满足机床的使用需要 1 3 3 课题的主要研究内容 1 主轴转速为2 0 0 0 0 r m in 的高速主轴单元结构优化设计在高速主轴单 元支承形式的选择 前后轴承跨距的合理设计 主轴轴系动态性能分析计算等项 进行优化设计和研究 2 主轴单元动平衡技术的研究分析校正质量的确定方法 确定动平衡 等级 采用双面二次加重法保证动平衡精度等级的实现 3 主轴单元高速运转的热态性能技术的研究从主轴单元结构的设计 冷 却结构设计和热补偿等方面来改善其热态性能 对主轴单元的热态平衡和冷却技 术进行研究 1 4 本章小结 本章认真分析了国内外高速主轴的发展情况 指出国内外在高速主轴领域 发展的差距及国内高速主轴发展的薄弱环节 提出所研究课题的必要性 确定 合理的技术参数和课题需要研究的内容 运用先进的研究方法对关键技术问题 进行深入的研究 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章关键技术的研究 加工中心的主轴部件可带着刀具作旋转运动来完成对工件的切削 因此主 轴部件的性能直接影响零件的加工质量和切削生产率 是决定机床性能和经 济技术指标的重要因素 2 1 对主轴部件基本要求 加工中心的主轴部件应满足以下几点基本要求 1 速度适应性达到所需的最高转速和转速范围 这主要决定于轴承 的类型和结构润滑和散热条件以及主轴的动平衡 2 主轴回转精度主轴的径向误差会影响被加工试件的圆度 主轴的 轴向误差将影响被加工试件的波纹度和表面形状误差 主轴的角度误差会影 响被加工试件的孔的圆柱度 产生上述误差的主要原因是轴承的缺陷 与轴 承配合件的形位公差 前后轴承的同轴度以及主轴运行时的激振所致 3 动 静刚度主轴静刚度是指主轴抵抗 静态力 引起变形的能力 它随着外力的作用点和方向而异的 主轴静刚度不足将造成加工的尺寸误差 和形状误差 影响到主轴部件的正常工作 降低其工作性能和寿命 容易引 起切削的振颤 从而降低加工质量 限制机床功率的充分利用而影响切削生 产率 机床工作时 主轴不仅受到静态力的作用 同时还受到诸如由于断续切 削 材料硬度或加工余量的变化 主轴部件不平衡 轴承或传动齿轮中存在 缺陷和切削过程的再生自振等所引起的冲击力或交变力的干扰 从而使主轴 产生振动 其结果 轻者影响到加工精度和表面质量 严重者则会破坏刀具 或主轴部件中的传动件 使加工无法进行 因此 要求主轴部件不仅应具备 一定的静刚度 同时还应具备抵抗由于断续切削 材料硬度或加工余量的变 化而引起振动的能力 4 热稳定性主轴部件温度的变化 造成主轴的轴向伸长 轴线对基 准平面的不垂直和不平行 配合间隙变化 造成加工误差 影响主轴部件的 工作性能m 1 第2 章关键技术的研究 5 精度保持r l 生和可靠性主轴部件的精度直接影响被加工零件的质量 因此其精度保持性和精度可靠性对加工中心的质量和可靠性起着决定性作 用 2 2 高速主轴单元结构优化设计 22 1 主轴总体结构设计 传统的主传动是电机驱动皮带或齿轮带动主轴旋转完成机床的主运动 那么在主轴上除了受到刀具加工的切削力外 还受到功率传动件的横切力o 如图2 一l 所示 图2 1传统主轴的主传动简图 f i g 2 im a i nd r i v i n gs k e t c ho ft r a d i t i o ns p i n d l e 这种传动方式对动态旋转精度的影响非常大 为满足主轴高速旋转 传递大扭矩及运转平稳性的要求 采用内置电机非接触驱动的传动方式 小 3 以下简称电主轴 主轴电机转子直接热装于精密的主轴零件上 主轴电机 的定子固定在主轴套筒上 通过电磁技术 定子直接驱动主轴实现转动 这 种主轴的特点为无诸如皮带 齿轮功率传动元件 可获得高速旋转动平衡 并能精确控制主轴回转的加减速 高速性能好 整体动态性能好 这种结构 的主轴改善了机床的动平衡 避免了由于主轴系统的主传动运动而产生的振 动和噪声 有利高精密机床的平衡对称结构设计 电主轴的结构型式如图2 2 所示 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 2 电主轴结构图 f i g 2 2s t r u c t u r eo fm o t o r i z e ds p i n d l e 由图可知 电主轴基本结构是 主轴电机位于两支承之间 电机的转子 热装于加工中心的主轴零件上 电机的定子与主轴箱的箱体连接在一起 利 用电磁驱动方式驱动主轴旋转 在主轴的后端安装有用于速度和位置反馈的 传感器 可以准确地反馈主轴的旋转速度和主轴的准停位置 2 2 2 主轴单元主要技术参数的确定 2 2 2 1 主传动系统的功率和转矩特性 1 主轴电机选用f a n u c 内装式主轴电机 其型号为 db 1 1 2 l 2 0 0 0 0 i 2 主轴电机的机械特性曲线如图2 3 所示 t 0 m w 斛l n 曲 h h 酾 h i g h 懈 d i n 慧 图2 3 电机特性曲线 f i g 2 3c u r v eo ft h es p i n d l em o t o r 1 0 第2 章关键技术的研究 3 主轴输出的最大扭矩 膨 9 5 5 0 p r n m 式中纷一主轴输出的最大扭矩 n m p 一主轴电机最大输出功率 k w 叮 从电动机至主轴的传动效率 对于精密机床取q o 8 5 仉 主轴计算转速 r m i n 低速绕组时主轴最大输出扭距胙9 5 5 0 气磊竽 6 7 6n m 2 1 高速绕组时主轴最大输出扭距膨 9 5 5 0 坚皇坚 堕 1 8 8n m 8 0 0 0 2 2 2 2 主轴主要参数的确定主轴的主要参数是指 主轴平均直径皿主 轴内孔直径吐主轴悬伸量a 主轴支承跨距l 参考图2 4 所示 图2 4 主轴主要参数示意图 f i g 2 4m a i np a r a m e t e rs k e t c hm a po fs p i n d l e 1 主轴外圆直径口的确定依据 机械工程手册5 机械零部件设计部 分的内容 空心轴外径可按以下经验公式计算 膨衙j 南 协z 式中口 空心圆轴外径 m 卜轴传递的额定转矩 n 哪 北京工业大学工学硕士学位论文 i i r 轴材料的许用切应力 m p a 内外直径比 由电机转矩曲线知 轴传递的额定转矩7 8 x 1 0 4 n 哪 主轴材料选用2 0 c r m n m o 则其 r 4 0 5 2 m p a 取 r 5 0m p a 拟选 主轴平均内径4 3 5 4 a m 平均外径d e 7 3 6 m m 则y d o d o o 4 8 膨 鼍竽 根据实际使用及主轴结构的设计 取前轴承直径z 7 0 m m 2 主轴内径d 的确定依据 机床设计手册3 知厶 o 7 凸 加工中心数控铣床主轴内径出拉杆直径 5 i 3 所以取d 3 5 4 m m 3 主轴悬伸量a 的确定主轴悬伸量是指主轴前端面到前支承径向反 力作用中点的距离 在综合考虑主轴结构及主轴部件的刚度的基础上 确定 日 1 2 3 5 8 m 4 主轴支承跨距z 的确定主轴支承跨距是指相邻两支承的支承反力作 用点之间的距离 合理确定主轴支承跨距 可获得主轴部件的最大静刚度 在本次设计中 主轴前轴承采用是四列背对背角接触球轴承 型号7 0 b n r l 0 x t d b b p 2 接触角口 1 8 轴向刚度 y 1 2 0 n u i l l 径向刚性0 f 7 3 0 n m 后轴承采用单列圆柱滚子轴承 型号n i o l l r x t p k r c c o p 4 y 径向刚度c 4 0 0 n 1 1 1 1 主轴跨距部分的平均外径及 墨等等2 9 6 5 9 咖 第2 覃关键技术的研冗 主轴跨距部分的平均内径d 墨窘 2 8 4 m m 主轴跨距部分的惯性矩 三6 4 d 0 一d 2 3 式中卜 主轴跨距部分的惯性矩 m m 4 代入数值可得 卢二l 9 6 5 9 4 2 8 4 4 4 2 4 x1 0 4 衄4 6 4 依据 机床设计手册3 对于不承受传动力q 的两支承主轴部件 当轴 端作用有外力f k g f 时 最佳跨距 l o i 器 0 5 4 1 7 蟊锄 鲁 1 c r l l c r 功 2 4 式中f 试算次数 e 弹性模量 k g f m m 2 c 主轴前支承的支承刚度 k g f r m c 主轴后支承的支承同4 度 k g f m m j 主轴跨距部分的惯性矩 n 4 当i 1 x q 1 4 a 时 f 0 1 3 7 6 m m 当f2 2 令f 3 7 6 时 z 0 2 3 5 7 6 1 i t 1 当i 3 令1 3 5 7 6 时 z 0 3 3 5 4 4 m m 当i 4 令l 3 5 4 4 时 f 0 4 3 5 3 8 m m 当i 5 令i 3 5 3 8 时 1 0 5 3 5 3 7 m m 7 当f 6 4 i 3 5 3 7 时 3 5 3 7 m m 由以上计算可知 主轴支承的最佳跨距1 3 5 3 7 m m 考虑主轴整体结构的 限制 取跨距i 4 3 8 7 m m 2 2 3 主轴单元静刚度分析 主轴组件的静刚度 反映了主轴组件抵抗静态外载荷的能力 主轴在切 削力作用下的变形量 或产生自激振动而使机床不能满足生产要求与主轴静 刚度的大小有直接关系 对于加工中心铣削类主轴 影响切削变形的主要是 径向弯曲静刚度 因此 在初使设计时 主要分析了主轴部件径向静刚度 2 231 主轴部件静刚度的设计验算按 机床设计手册3 所示 对整个主 轴部件进行力学简化 并计算其惯性矩和主轴部件的径向静刚度 主轴部件 受力模型如图2 5 所示 1 日9 i e 1 8 9 i 4 4 5 j l 卞l i ll 卜蚓 糨 盯目翮 l 卜 i i l 告忌 f 爿 i 卫碧 凹 q if 爿曾f f j l l ll 薹l 掣厂 州u 苴f 凼 一 df 图2 5 主轴受力简图 f i g 2 5l o a ds k e t c ho fs p i n d l e 22 32 等效惯性矩的计算 1 悬伸部分 三i a 专3 至缝l a i 协s 口f 1 i a 1 2 3 5 8 3 1 7 3 0 吾4 6 4 4 4 2 4 则l i 8 9 x 1 0 1 姗4 2 跨距部分 1 2 1 垒 二2 至生 i 垒 三 8 2 4 2 7 4 三 土掣塑 p 兰j i 箜 i i 二 生 三 7 0 4 2 7 4 所以驴2 3 0 9 2 x1 0 6 m i l l 4 1 4 垫 受二塑 篁 吾 7 0 4 3 1 4 2 6 焉 出硝 t 一0 丝三醣 堑n坐 避扣 l 神进甜 面 一 荨 第2 章关键技术的研冗 3 主轴部件刚度计算 主轴轴端位移 f 何刍 岩 击 弘i 1c 抄a z s e 籼 f 缸 浯 主轴部件的径向刚度k f r 3 5 o k g f um 3 4 3 n um 2 2 4 主轴单元固有频率分析 机床工作时 主轴不仅受到静态力的作用 同时还受到诸如由于断续切 削 材料硬度或加工余量的变化 主轴部件不平衡 轴承存在缺陷和切削过 程的再生自振等所引起的冲击力或交变力的干扰 从而使主轴产生振动 其结果 轻者影响到加工精度和表面质量 严重者则破坏刀具 对所研究的 高速主轴来说 由于本研究的主轴转速高达2 0 0 0 0r m i n 因而它的临界转速 特性是动态性能的一个重要指标 为确保机床的安全运行 轴的工作转速必 须远离其临界转速 一般情况 对于工作转速低于其一阶临界转速的轴 门 诅硒k 对于工作转速高于其一阶临界转速的轴 1 4 n 为纵坐标 画出测量温度及室温随 时间的变化曲线 表3 1 主轴单元前后轴承的温升 t a b l e 3 一it e m p e r a t u r er i s eo fs p i n d l eb e a r i n g 室温1 4 8 次数主轴转速测定时间温度 主轴前轴承主轴后轴承 l5 0 02 01 6 51 7 1 21 0 0 02 01 71 87 32 0 0 02 01 7 51 89 43 0 0 02 01 7 71 98 54 0 0 03 01 8 l2 05 65 0 0 02 018 12 0 4 76 0 0 02 01 8 2 2 1 4 87 0 0 02 01 8 8 2 1 8 98 0 0 02 01 9 2 2 2 l o9 0 0 02 01 9 2 2 24 l l1 0 0 0 02 01 9 22 3 1 21 1 0 0 02 02 02 44 1 31 2 0 0 0 2 0 2 0 42 52 1 4 1 3 0 0 0 2 02 0 4 2 7 1 51 4 0 0 02 02 0 42 7 5 1 61 5 0 0 02 02 0 42 75 1 71 6 0 0 02 02 05 2 7 5 l81 7 0 0 02 02 0 5 2 75 1 91 8 0 0 02 02 0 42 75 2 01 9 0 0 0 2 0 2 0 42 75 2 l2 0 0 0 03 02 0 42 75 根据以上数据 绘制温度一时间曲线如图3 4 图3 5 所示 北京工业大学硕士学位论文 图3 4 前轴承温升曲线图 圈3 5 后轴承温升曲线图 f i g 3 5c u r v eo fb e a rb e a r i n gt e m p e r a t u r er i s e 由温度一时问转速表和曲线可以看出 主轴的温度随时问的增长和转速的提 高而提高 主轴转速1 5 0 0 0 r m i n 时 前轴承温升最高5 6 c 后轴承温升最高 1 2 7 前 后轴承的温升均低于2 0 c 这些数据表明主轴结构设计合理 润 滑充分 3 0 第3 章主轴单元性能试验的研究 3 3 主轴单元空运转噪声实验 1 试验目的主轴运转时 所产生的噪音是机床最重要的噪声源之一 要 控制机床噪声污染 首先要确定噪声源 通过检测 用信号分析技术寻找噪声 产生的原因 进而采取措施降低噪声 2 试验条件测试前主轴以中速 n 2 连续空运转0 5 小时 测量时测 头位置与主轴等高 距离1 m 沿主轴周边不同位置测量 然后进行试验 机床 噪声的测量 应在主轴正 反向 低 中 高速下进行 3 试验方法试验中避免了空气流动对传声器的影响 背景噪声符合测量 要求 在测试前传声器均进行过校准 并符合要求 本次测点分布及仪器配置 见图3 6 所示 t3k2636测量放大器0 2 1 3 图3 6 测点分布及仪器配置图 f i g 3 6d e t e c t i o np o i n ta n di n s t r u m e n tl a y 4 试验结果分析表3 2 为各测点在不同转速下的空运转噪声声压级测量 结果 在主轴转速为i s o g o r m i n 时 出现最高噪声声压级7 8 5d b a 并且 在主轴其它转速下 也出现7 8 0d b a 左右的噪声声压级 但均低于机床要求 的8 0 d b a 北京工业大学硕士学位论文 表3 2 各测点在不同转速下的空运转噪声声压级 t a b l e 3 2s o u n dl e v e lo fd e t e c t i o np o i n t单位 d b a 2 0 0 0 3 0 0 04 0 0 05 0 0 06 0 0 07 0 0 08 0 0 09 0 0 01 0 0 0 0 转速r r a i n1 0 0 0 测点1 6 7 56 8 06 9 56 9 i87 1 07 6 07 7 o7 2 07 7 07 3 5 测点2 8 8 58 8 56 9 o7 2 57 0 57 0 57 6 57 7 57 8 47 1 8 测点3 6 8 06 8 06 8 j57 1 o7 1 87 1 37 6 5 7 4 0 7 5 0 7 4 5 转速r r a i n 1 1 0 0 01 2 0 0 0 1 3 0 0 01 4 0 0 0 1 5 0 0 01 6 0 0 01 7 0 0 01 8 0 0 01 9 0 0 02 0 0 0 0 7 4 3 7 8 27 6 57 6 o7 4 3 7 7 5 o7 7 17 6 5测点l 7 3 07 6 o 测点2 7 58 7 8 0 7 7 07 7 3 7 8 07 8 o7 7 07 407 8 47 3 8 测点3 7 8 07 8 07 6 57 4 77 8 j57 8 27 8 37 8 0 7 5 07 6 3 4 主轴单元静刚度实验 1 试验目的静刚度指在外加载荷作用下主轴单元抵抗变形的能力 它 直接影响加工工件的精度和生产率 通过试验既能考察主轴单元的结构尺寸 轴承类型及其配置方式的适用性 还可以了解轴承的预紧状态 主轴部件的制 造及装配质量 2 试验方法主轴单元应紧固在试验台上 选择套筒作为测量基准测量 主轴端部相对套筒的位移 加载所用测力仪要有良好的线性特性 试验前先校 准 径向加载时 因条件限制无法在靠近主轴前端截面处加载 固分别在距主 轴前端截面不同距离处径向加载 线性回归出相当于在靠近主轴前端截面处加 载对应测点的位移值 轴向加载力的最大值为2 5 0 0 n 加载时5 档 分别为5 0 0 n 1 0 0 0 n 1 5 0 0 n 2 0 0 0 n 和2 5 0 0 n 径向加载力的最大值为3 0 0 0 n 加载时6 档 分别为5 0 0 n 1 0 0 0 n 1 5 0 0 n 2 0 0 0 n 2 5 0 0 n 和3 0 0 0 n 每档至少加载三次 并记录数据 去除明显不 合理的数据后 取其平均值为测量结果 测点分布和仪器配置见图3 7 所示 第3 章主轴单元性能试验的研究 合理的数据后 取其平均值为测量结果 测点分布和仪器配置见图3 7 所示 测点 轴向静刚度测试 径向静刚度测试 3 试验结果分析表3 3 是主轴轴向静刚度试验的测试结果 在测试过 程中分别在主轴轴线相对称的测点a