HMC80卧式加工中心电主轴热、动态特性分析及耦合研究.pdf

氇 了 学校代号 l 7 3 l 氕 I 学号 0 8 2 0 8 0 2 0 3 0 2 2 密级 公开 兰州理工大学硕士学位论文 H M C 8 0 卧式加工中心电主轴热 动态 特性分析及耦合研究 膏 1 l 曩 一 I b T h eA n a l y s i sa n dC o u p l i n gS t u d yo fH M C 8 0H o r i z o n t a lM a c h i n i n g C e n t e rM o t o r i z e dS p i n d l eT h e r m a lC h a r a c t e r i s t i ca n dD y n a m i c C h a r a c t e r i s t i c b y Z H A OY u e c h a o B E T a i y u a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 2 0 0 8 At h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e R e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f M a s t e ro fE n g i n e e r i n g M e c h a n i c a lD e s i g na n dT h e o r y i nt h e G r a d u a t eS c h o o l o f L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y S u p e r v i s o r A s s o c i a t eP r o f e s s o rS h e nH a o M a y 2 0 1 1 咖4 8哪4 5 哪8帅8iiii劓 Y l i p 一 一 A h q 兰州理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均 已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 穴 歇建 B 觏 M 年f 只扩名B 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 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 本人授权兰州理工大学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 本学位论文属于 l 保密口 在一一年解密后使用本授权书 2 不保密瓯 请在以上相应方框内打 作者签名 定善灸超作者签名 衣芝 彦久惩 刷磁辄 哪谗 日期 2 剜年j 月 E 1 日期夕 年多月y 日 J r 0 硕士学位论文 目录 摘要 I A b s t r a c t I I 第一章绪论 l 1 1 课题背景 1 1 1 1 课题来源 1 1 1 2 课题研究的主要内容 1 1 1 3 课题研究的意义及目的 2 1 2 电主轴概述 3 1 2 1 电主轴概念 3 1 2 2 电主轴单元系统组成 3 1 2 3 电主轴单元特点 一4 1 3 电主轴技术的发展及研究现状 4 1 3 1 电主轴的发展现状 4 1 3 2 电主轴的发展趋势 5 1 3 3 电主轴热态特性的研究现状 6 1 3 4 电主轴动态特性的研究现状 一7 第二章电主轴单元的动态特性分析 一9 2 1 电主轴动态特性分析概述 9 2 2 主轴支承型式与轴承选择 9 2 3 主轴轴承的预紧与刚度 1 0 2 2 电主轴的模态分析 1l 2 2 1 模态分析的理论基础 l l 2 2 2 电主轴的A N S Y S 模态分析的建模和网格划分 1 2 2 2 3 电主轴模态分析的加载与求解 1 3 2 2 4 电主轴临界转速分析 1 4 2 3 电主轴的谐响应分析 1 5 2 3 1 谐响应理论分析 1 5 2 3 2A N S Y S 中的谐响应分析 一1 5 2 3 3 激振力的确定 1 5 2 3 4 电主轴的谐响应分析 1 7 2 4 提高电主轴动态特性的措施 1 8 2 5 本章小结 1 9 第三章电主轴单元的热态特性分析 2 0 口 一7 一 r 叫 j 1 I H M C S 0 卧式加工中电主轴热 动态特性分析及耦合研究 3 1 电主轴的热源和散热分析 2 0 3 1 1 电主轴的热源分析 2 0 3 1 2 电主轴的散热分析 2 0 3 1 3 电主轴电机的发热计算 2 0 3 1 4 电主轴轴承的发热分析与计算 2 2 3 2 电主轴的传热 2 2 3 2 1 电机定子与循环冷却油间的对流换热 2 2 3 2 2 电机定子转子气隙传热 2 4 3 2 3 转子端部传热 2 5 3 2 4 轴承与油一一气润滑的对流换热 2 5 3 2 5 电主轴与周围空气的换热 2 7 3 3 电主轴的稳态热分析 2 7 3 3 1A N S Y S 热分析的基本原理 2 7 3 3 2 电主轴热分析的建模及网格划分 j 2 8 3 3 3 电主轴热载荷的计算 一2 8 3 3 4 电主轴热分析边界条件的确定 2 9 3 4 电主轴热一结构耦合分析 3 0 3 5 改善本课题电主轴的热态特性 3 2 3 6 本章小结 3 4 第四章电主轴动态特性与热态特性耦合研究 3 5 4 1 预紧力对主轴动态特性的影响 3 5 4 1 1 预紧力对轴承刚度的影响 3 5 4 1 2 预紧力对固有频率的影响 3 6 4 2 预紧力对主轴热态特性的影响 3 7 4 3 热态特性对动态特性的影响 3 9 4 4 动态特性对热态特性的影响 4 2 4 4 1L M S 软件简介 4 2 4 4 2 电主轴温升试验 4 2 4 4 3 电主轴振动试验 4 4 4 4 4 振动对轴承温升的影响 4 7 4 5 本章小结 4 7 结论与展望 4 8 参考文献 5 0 致谢 5 4 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录 5 5 一 r l 硕士学位论文 摘要 电主轴单元的结构设计 热态特性和动态特性在很大程度上决定了高速数控 机床的加工质量和切削能力 也是影响其加工精度的重要因素 对主轴单元进行 热态特性和动态特性的研究 对进一步提高高速机床的工作性能有十分重要的意 义 本文以H M C 8 0 9 i b 式加工中心用电主轴为研究对象 以实现电主轴的高速 高 精度为目标 采用有限元方法 运用A N S Y S 软件 对电主轴的热态特性和动态特性 进行研究 具体工作如下 1 主轴动态特性的分析 确定了电主轴的支承型式并计算了电主轴前后轴承的径向刚度 建立电主轴 动态分析的三维有限元模型 利用A N S Y S 软件对电主轴进行模态特性分析和谐相应 分析 分析电主轴的振型 固有频率和临界转速 计算了电主轴在一般工况下的 切削力 研究电主轴前端面对频率的动态响应位移 并提出改善电主轴动态特性 的措施 2 主轴单元热态特性的分析 确定了电主轴热分析的边界条件和热载荷 建立电主轴热分析的二维有限元 模型 利用A N S Y S 软件对电主轴进行稳态热分析和热一结构耦合分析 分析电主轴 单元的温升变化及温度场分布情况 对电主轴的热变形和热应力分布情况进行分 析和讨论 研究温升对电主轴性能的影响 并提出改善电主轴热态特性的措施 3 热态特性和动态特性的耦合影响研究 由前面的分析结果得出影响主轴动态特性和热态特性的关键因素 进而建立 热态特性和动态特性的联系 应用A N S Y S 软件对建立起来的耦合模型进行有限元分 析 为主轴的热态特性和动态特性的关系做出定性的分析 关键词 电主轴 动态特性 热态特性 耦合 H M C 8 0 卧式加工中电主轴热 动态特性分析及耦合研究 A b s t r a c t M o t o r i z e ds p i n d l es t r u c t u r ed e s i g n t h e r m a la n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sn o to n l y l a r g e l yd e t e r m i n et h eq u a l i t yo fh i g h s p e e dC N Cm a c h i n et o o l sa n dc u t t i n gp r o c e s s i n g c a p a b i l i t y b u ta l s oa f f e c tt h em a c h i n i n ga c c u r a c ya ni m p o r t a n tf a c t o r M o t o r i z e d s p i n d l et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t u d y t of u r t h e r i m p r o v et h ew o r kp e r f o r m a n c eo fh i g h s p e e dm a c h i n et o o l si sv e r yi m p o r t a n t I nt h i s p a p e ra n dt ot h eH M C 8 0m o t o r i z e ds p i n d l ea sa ne x a m p l e T oa c h i e v eh i g h s p e e d s p i n d l e h i g ha c c u r a c ya st h eg o a l u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h eu s eo fA N S Y S s o f t w a r e S p i n d l et h e r m a la n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ss t u d y t h es p e c i f i cw o r ka s f o l l o w s 1 A n a l y s i so fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm o t o r i z e ds p i n d l e D e t e r m i n et h et y p eo fm o t o r i z e ds p i n d l eb e a r i n gs u p p o r ta n db e f o r ea n da f t e r b e a r i n g r a d i a ls t i f f n e s sw e r ec a l c u l a t e d E s t a b l i s h m e n tt h r e e d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n tm o d e lf o rm o t o r i z e ds p i n d l ed y n a m i ca n a l y s i s u s i n gA N S Y Ss o f t w a r ef o r m o t o r i z e ds p i n d l em o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i s A n a l y s i so f s p i n d l ev i b r a t i o nm o d e s n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dc r i t i c a ls p e e d C a l c u l a t i o no ft h e s p i n d l ei nt h eg e n e r a lc o n d i t i o no ft h ec u t t i n gf o r c ea n ds t u d yt h ef r e q u e n c yo f m o t o r i z e ds p i n d l ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ef r o n tf a c eo ft h ed i s p l a c e m e n t T h em a i n m e a s u r e st oi m p r o v et h ed y n a m i cc 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 ep u t f o r w a r d 2 A n a l y s i so ft h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so fM o t o r i z e ds p i n d l e D e t e r m i n et h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dt h e r m a ll o a d so fm o t o r i z e ds p i n d l et h e r m a l a n a l y s i s U s i n gA N S Y Ss o f t w a r e t h e r m a lC h a r a c t e r i s t i c so fm o t o r i z e dm o t o r i z e d s p i n d l ef o r f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s m a i n l yf o rs t e a d y s t a t et h e r m a l a n a l y s i sa n d t h e r m a ls t r u c t u r a l c o u p l e da n a l y s i s A n a l y s i so f m o t o r i z e ds p i n d l et e m p e r a t u r e c h a n g e sa n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fm o t o r i z e ds p i n d l et h e r m a ld e f o r m a t i o na n d t h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ft e m p e r a t u r ee f f e c t so ns p i n d l e p e r f o r m a n c e T h em a i nm 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 ft h e m o t o r i z e ds p i n d l ea r ep u tf o r w a r d 3 T h ec o u p l i n go ft h e r m a la n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s T h er e s u l t so b t a i n e db yt h ei m p a c to ft h ef r o n tm o t o r i z e ds p i n d l ed y n a m i c sa n d t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ek e yf a c t o r s t h e r e b ye s t a b l i s h i n gt h e r m a la n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fc o n t a c t a p p l i c a t i o no fA N S Y Ss o f t w a r et os e tu pt h ef i n i t ee l e m e n t 硕十学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 课题来源 本课题的研究得到了国家科技重大专项 高速立 卧式加工中心 项目中的 分项一一加工中心电主轴的研究 项目编号 2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 1 一1 5 的支持 图1 1H M C 8 0 卧式加工中心整体外观图 1 1 2 课题研究的主要内容 12345 6 l 主轴2 前轴承3 前轴承冷却水套4 电机转子 5 电机定子6 电机冷却水套7 后轴承 图1 2H M C 8 0 卧式加工中心电主轴结构简图 H M C 8 0 卧式加T 中电主轴热 动态特性分析及耦合研究 本课题主要应用A N S Y S 有限元软件对H M C 8 0 卧式加工中心电主轴部件进行 热态 动态性能分析 以及应用A N S Y S 软件的耦合场分析功能对电主轴的热态 动态性能进行耦合分析 并进行主轴的温升和振动试验 主要内容有以下几个方 面 1 主轴动态特性的分析 建立电主轴有限元分析模型 利用A N S Y S 软件对电主轴进行动态特性的有限元 分析 主要进行模态特性分析和谐响应分析 分析电主轴的振型 固有频率和临 界转速 并研究电主轴前端面对频率的动态响应位移 并提出改善电主轴动态特 性的措施 2 主轴单元热态特性的分析 建立电主轴有限元分析模型 利用A N S Y S 软件对电主轴进行热态特性的有限元 分析 主要进行稳态热分析和热一结构耦合分析 分析电主轴单元的温升变化及 温度场分布情况 对电主轴的热变形和热应力分布情况进行分析和讨论 研究温 升对电主轴结构的影响 并提出改善电主轴热态特性的措施 3 热态特性和动态特性的耦合影响研究 由前面的分析结果得出影响主轴动态特性和热态特性的关键因素 进而建立 热态特性和动态特性的联系 应用A N S Y S 软件对建立起来的耦合模型进行有限元分 析 并结合电主轴的温升和振动试验 为电主轴的热态特性和动态特性的关系做 出定性的分析 1 1 3 课题研究的意义及目的 高速加工技术是继数控加工技术之后 给机械制造业带来革命性变化的又一 项先进技术 高速加工技术越来越受到人们的关注 它不仅可获得更高的生产率 而且还可获得很高的加工质量 并可降低生产成本 因而被认为是2 1 世纪最有发 展前途的先进制造技术之一 高速机床是实现高速切削加工的前提和条件 高速 数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一 是装备制造业的战略性产业 其技术水平的高低和拥有量的多少也是衡量一个国家制造业水平高低的标志 电 主轴单元是数控机床的核心部件 是高速主轴单元中一种理想结构 其性能的好 坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率 电主轴单元的特性包括电主轴单元的热特性和动态特性 电主轴单元中轴承 的摩擦发热是不可避免的 由轴承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 因此在高速机床中 电主轴的热特性成为影响加工精度的一个主要 因素 并限制了电主轴转速的提高 所以 电主轴单元的热态特性分析与设计对 保证机床的精度稳定性至关重要 对电主轴进行动力学分析 确定其临界转速和各阶振型 对于高速轴系 其 2 硕 学位论文 转子动力学性能的分析和设计是直接决定主轴性能设计的一项重要内容 主轴的 转子动力学性能如何 对整台机床能否实现高速加工以及加工精度 主轴轴承的 寿命和其它关键部件的正常工作等方面都有着至关重要的影响 本课题以H M C 8 0 卧式加工中心用电主轴单元为研究对象 对主轴一轴承系 统的动态特性和热态特性进行理论分析 科学计算 运用计算机辅助设计方法 以确保主轴具有良好的回转精度 为电主轴单元的量化设计提供基本的理论依据 1 2 电主轴概述 1 2 1 电主轴概念 随着电气传动技术 变频调速技术 电动机矢量控制技术等 的迅速发展和日 趋完善 高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化 基本上取消了皮带 轮传动和齿轮传动 机床主轴由内装式电动机直接驱动 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 这种主轴电动机与机床主轴 合二为 一 的传动结构形式 使主轴部件从机床传动系统和整体结构中相对独立出来 因此可做成 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 i c 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 dS p i n d l e 等等 由于当前电主轴主要采用的是交 流高频电动机 故也称为 高频主轴 H i g h tF r e q u e n c yS p i n d l e 由于没有中间 传动环节 有时又称它为 直接传动主轴 D i r e c tD r i v eS p i n d l e 电主轴是一种 智能型功能部件 不但转速高 功率大 具有调速范围广 振动噪声小 而且便 于控制 能实现准停 准速 准位等功能 1 2 2 电主轴单元系统组成 电动机内置于主轴部件后不可避免地将会有电机发热和轴承发热问题 从而 需要设计专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统 高速轴承要有专门的润滑和冷 却装置 为了实现主轴转速的变换 高频电动机要有变频器等驱动器 为了保证 高速回转部件的安全 要有报警及停车用的传感器及其控制系统等一系列支持电 主轴运转的外围设备和技术 因此 电主轴 的概念不应简单理解为只是一根 光主轴套筒 而是一个完整的 在机床数控系统监控下的一个子系统 电主轴单元一般由以下部件及系统组成H 1 电动机 接受变频驱动器提供的电能 并将其转换成电主轴的机械能 2 支承 按数控机床对主轴系统的特殊要求设置的支承系统 它是决定电 主轴单元精度 刚度的主要因素 3 冷却系统 为将电主轴电动机及轴承高速运转时产生的热能带走而设置 在电主轴内腔的热交换系统 4 松拉刀系统 为电主轴单元实现气 液 动松拉刀而设置在主轴体内的机 H M C 8 0 卧式加 中电主轴热 动态特性分析及耦合研究 构 松 拉刀气 液压缸 5 轴承自动卸载系统 电主轴处于松刀状态时 用以自动卸去轴承上承受 的过大冲击负荷的系统 6 轴承润滑和冷却系统 电主轴的轴承润滑一般采用定时定量的油气润滑 油气润滑 通常是润滑油在压缩空气的携带下 被吹入轴承 润滑油对轴承起到 润滑作用 压缩空气对轴承进行冷却 7 脉冲编码系统 加工中心 大型数控机床用电主轴需具备准停 准位功 能 因此 必须在电主轴单元中安装能实现速度反馈和传递位置信号的编码器 1 2 3 电主轴单元特点 基于以上部件组成的系统结构 电主轴具有以下特点 机械结构简单紧凑 转动惯量小 快速响应好 机械效率高 振动小 主轴回转精度高 高速加工的 动态精度和静态精度稳定性好 运行平稳 主轴轴承寿命较长 可在额定转速范 围内实现无级调速 能适应各种工况和负载变化的要求 利用变频调速技术或电 机矢量控制技术 不仅可以满足强大切削力时扭矩的要求 还可以实现准确的C 轴定位和传动功能u 1 3 电主轴技术的发展及研究现状 1 3 1 电主轴的发展现状 国外对电主轴的研究开展较早 最早应用于内圆磨床 2 0 世纪8 0 年代末9 0 年 代初 随着高速切削技术的发展 电主轴逐渐应用于加工中心 数控铣床 数控 钻床等高档机床 德国G M N 公司生产的S P E C H T 5 0 0 和S P E C H T 6 0 0 高速加工中心 其主 轴均为装有混合陶瓷球轴承的电主轴 采用油气润滑冷却 主轴转速为1 6 0 0 0r m i n 功率2 2k W 瑞士M i k r o n 公司生产的H S M 7 0 0 高速加工中心 装有H F 系列陶瓷轴 承电主轴 主轴径向跳动在o 5 2 0 岬之间 主轴转速达4 2 0 0 0r m i n 功率 1 2k W 意大利的一些公司生产的精密机床主轴转速达3 0 0 0 0r m i n 功率1 7k w 美国I N G E R S O L L 公司生产的H V M 型高速机床 主轴转速达2 0 0 0 0r m i n 功率 2 5k W 德国阿享工业大学研制的D Y N A M 并联机床 主轴转速可达1 6 0 0 0r m i n 功率1 5k W 上述机床由于采用电主轴单元 提高了机床主轴的转速和加工精 度 有些加工中心的加工精度已从5p m 提高到了1l g n 近年来 国际上大功率高速铣削和钻削电主轴技术发展很快 德国G M N 公司在 D a r m s t a d t 工业大学协助下开发的H C 系列高速电主轴 日本N S K 公司的M 系列电主 轴 意大利G F 公司的E F A E M C 系列电主轴 瑞士S T E P T E C 公司的H V C 系列电主轴 都具有功率大 刚度高及调速范围广的特性 完全适用于高速 高效切削 随着 实际应用的需要和机床技术的进步 对数控机床用电主轴提出了越来越高的要求 4 硕十学位论文 其总体发展趋势是 大功率 高转速 高主轴回转精度 其中 主轴转速不小于 1 0 0 0 0 g m i n 功率不小于1 0k W 主轴回转精度在0 0 5p m 以下 目前 国际上电主轴的研究应用有以下进展 瑞士F I S C H E R 公司 推出了配有 在线自动动平衡装置的电主轴部件 加工中心每换一次刀进行一次包括刀具在内 的自动动平衡 可在1 秒钟内消除8 0 9 0 的由动平衡引起的振动 瑞士I B A G 公司 推出了静压轴承的电主轴 同时还推出了磁悬浮轴承的电主轴 且在其电主轴部 件上配备主轴轴向尺寸监测传感器 可与机床数控系统联结进行轴向尺寸补偿 美国I N G E R S O L L 公司推出了动压轴承的电主轴 永磁同步电动机的电主轴已经问 世 其转子为永久磁铁 不发热 解决了电主轴结构的最大负面效应一一内装式 电动机散热不良的问题 电主轴在我国的应用也较早 2 0 世纪5 0 年代末6 0 年代初就已经将电主轴用于 工业生产中 但多用于专用内圆磨床 直N 9 0 年代中后期 国内各科研单位或企 业才开始开发其他用途的电主轴 如印制电路板 P C B 钻床用高速电主轴 小型数 控铣床用电主轴 C D 系列数控车床用电主轴 Z D 系列P C B 行业钻 铣用电主轴 M 系列高档管材旋辗用电主轴和E D 系列系列高速离心机用电主轴等的研究与开发 我国生产的P C B 行业用钻 铣削电主轴 转速达到1 0 0 0 0 0 f f m i n 为国内P C B 行业数 控机床所普遍采用 并且代替部分进口产品 生产的磨床用电主轴 最高转速达 到15 0 0 0 0r m i n 为国内轴承行业和其他一些行业所广泛采用 有的己在进口磨床 的改造中替代进口电主轴 近年来 我国自主研制的加工中心和数控铣床用电主轴单元 转速8 0 2 4 0 0 0r m i n 功率2 5 2 9k W 转矩4 8 6N m 其噪声低 振动小 松拉刀结 构可靠 且电主轴具有内冷功能 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 并应用于许多国产加工中心和数控铣床 目前国内研究高速电主轴的科研机构有河南洛阳轴承研究所 他们能自行研 究开发电主轴 其d 刀值达到了很高的水平 广州钜联高速电主轴有限公司研发 的大功率静压轴承电主轴曾获得日内瓦国际专利技术博览会金奖 广东工业大学 高速加工和机床研究所也开发了数控铣床高速电主轴 但是与国外相比 国内电主 轴在最大扭矩 最高转速 润滑 支承 预紧力调节等方面与国际水平仍然具有 较大的技术差距 1 3 2 电主轴的发展趋势 随着实际应用的需要和机床技术的进步 对数控机床用电主轴提出了越来越 高的要求 其发展趋势主要表现在以下几个方面 1 向高速 大功率方向发展随着刀具技术 高速技术的进步和发展 要求 机床电主轴的转速越来越高 H M C 8 0 卧式加工中电主轴热 动态特性分析及耦合研究 2 向低速 大扭矩方向发展要求电主轴在能够实现较高转速的同时 低速 段要求尽可能大的输出扭矩 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 3 向高精度 高刚度方向发展精密数控机床需要主轴有高回转精度 高刚 度 因此要求电主轴采用精度高 内径尽可能大 高速性能好的轴承和先进的润 滑技术 如陶瓷球轴承 电磁轴承及油气润滑方法等 4 向精确定向 准停 方向发展加工中心等数控机床由于自动换刀 刚性攻 丝及精确传动的需要 要求电主轴能够实现切向准停功能 1 3 3 电主轴热态特性的研究现状 国外方面 1 9 5 5 年 L u n d b e r g 和P a l m g r e e n t H 3 通过试验研究提出的轴承摩擦 力矩经验公式 一直是计算轴承摩擦热的基础 B u r t o n 和S t e p h 哺 6 1 提出了轴承的 热传递模型用于预测热咬合 S t e i n 和T u H3 建立了类似于B u r t o n 和S t e p h 模型非常 复杂的轴承内部热传递网络 考虑了暂态热变化的影响 1 9 8 8 年 日本的N S K 研究 中心的H i r o t o s h iA r a m a k i 等学者对陶瓷球轴承在高速下的力学与发热数学模型 进行了深入研究 并进行了试验验证凹1 同年 韩国学者J i n K y u n 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 分析结果与试验所 得数据相近 结果表明 如果选用合适的主轴传热系数 则有限元法是对主轴系 统热态分析的合适工具旧1 1 9 9 9 年美国普渡大学 P u r d u e 的B e r nB o s s m a n n s 和J a y F T 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n 叫 2 0 0 1 年B e r nB o s s m a n n s 和J a yF 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n 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n 引 2 0 0 2 年 新加坡学者S H Y e o 对超高速磨削电主轴的使用油一气 润滑的特性进行了深入研究n 引 国内从事这一领域研究的主要有广东工业大学 洛阳轴承研究所和浙江大学 等单位 广东工业大学的张伯霖 肖曙红应用p a l m g r e n 经验公式计算了轴承内部 发热 并分析了轴承主要参数对发热的影响 引 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 的计算程序 5 l 2 0 0 0 年 浙江 大学的蒋兴奇分析了高速精密角接触球轴承的发热特性和热传递特性 并对电主 轴的发热与传递特性进行了计算n 引 2 0 0 3 年台湾学者J e n q S h y o n gC h e n g 提出了 电主轴的基于热误差的热变形数学模型 并且进行了试验验证说明该模型具有较 高的精度和鲁棒性n 2 0 0 4 年 国家高效磨削工程技术研究中心的何晓亮采用节 点网络法对电主轴轴承 主轴 轴承座为一体的系统建立了温度场计算模型 求 出了系统各关键点的温升情况 并分析了影响轴承温升的因素n 引 广东工业大学 6 硕士学何论文 高速加工和机床研究所九十年代以来一直从事高速加工的研究 在国家自然科学 基金 国家科技部 十五 重点攻关项目 国家教育部 广东省自然科学基金以 及广东和江苏省有关企业的资助下 对高速加工引起的机床变革 高速电主轴设 计制造中存在的问题以及高速电主轴的热态特性 温度场 与动态特性进行了深入 地研究n 引 但总的说来 国内在高速电主轴热态特性方面的研究深度与工业发达 国家相比有一定的差距 仍有很长的路要走 1 3 4 电主轴动态特性的研究现状 国外方面 1 9 5 9 年 J o n e s 心们提出了滚道控制理论 以解决球轴承滚动体姿 态角计算问题 接着在1 9 6 0 年 J o n e s 扭门又给出了以滚道控制理论为基础的滚动 轴承动力学分析 这一理论至今仍被工程界采用着 被称为滚动轴承动力学的拟 静力学分析 随后 H a r r iS 乜2 3 发展了J o n e s 的理论 分析模型中考虑了润滑油的 牵引力特性 建立了弹流润滑理论的动力学分析方法 1 9 9 7 年 G D 和H a g iu e t a l 等研究了高速角接触球轴承的刚度和阻尼特性 充分考虑了油膜的挤压效应和赫 兹接触的弹性变形 得出了准确的轴承振幅随预紧力变化的曲线乜引 美国普渡大 学的B e r tR J o r g e n s e n 和Y u n gC S h i n 提出了一个包括热变形的轴承载荷变形模 型 并与离散的主轴动态模型结合在一起 这一模型可以得到主轴固有频率 轴 承刚度和热变形的较精确的结果心引 2 0 0 2 年 K u w a i t 大学的M o h a m m e d A A 1 f a r e s 研究了角接触轴承轴向预紧力对磨床主轴的动力学性能的影响 在忽略了离心力 及任何阻尼的影响的情况下 建立了五自由度磨床主轴的数学模型犯引 1 9 9 8 年 J o r g e n s e n 比胡等提出主轴 轴承动力学联立动力学模型 用滚动轴承分析理论计i 算了在轴向预紧力下轴承刚度随自转速度变化的非线性变化 并利用影响系数法 建立了主轴动力学方程 完成了切削力 刀具质量 主轴转速等因素对临界转速 与动态特性影响研究 2 0 0 3 年美国普度大学C h i 一W e iL i n 等学者建立了电主轴的 综合的热态与动态模型 研究了轴承预紧力对轴承刚度以及整个主轴动力学性能 的影响以及离心力对主轴动力学性能的影响 并得出结论 高速电主轴在高速下 刚度变小主要是由于离心力的影响他7 1 国内方面 1 9 9 7 年 许敏等人从轴承力学的方面 分析了电主轴用陶瓷球轴 承和钢球轴承的单位接触面积压力 刚度 旋滚比 摩擦力矩和功耗等高速性能 指标比引 2 0 0 0 年 北京理工大学的刘素华利用有限元分析软件A l g o rF E A S 对电主 轴的动静态特性进行了分析 2 0 0 1 年 浙江大学的蒋兴奇在考虑轴承载荷和变 形的非线性特性及摩擦热的影响情况下 建立了主轴热变形和固有频率的计算模 型 引 2 0 0 4 年 东南大学的蒋书运基于传递矩阵法与滚动轴承分析理论 研究了 高速电主轴的轴系动态特性分析方法 并且研发了一套电主轴动态分析与设计通 用软件 考虑了预紧力 跨距 铁芯内径和砂轮参数等对电主轴动态特性的影响 7 H M C 8 0 卧式加T 中电主轴热 动态特性分析及耦合研究 并得到优化各参数后的结果b 东南大学的科研人员根据轴承的动态方程和H J 优化理论 对高速下陶瓷角接触球轴承和钢球角接触球轴承进行了对比研究 中间 考虑了高速下离心力和陀螺力矩以及接触区接触应力和接触变形等因素的影响 剀 辽宁工程技术大学的杜福州利用赫兹空间接触理论和钢轴承的设计理论建立 了加载过程中滚动体和滚道之间接触应力和接触变形的数学模型 通过计算机程 序计算出了加载过程中各载荷点的接触面的形状参数 并对混合陶瓷轴承 全陶 瓷轴承与钢轴承的变形进行了比较 东南大学的何金平基于电主轴动态特性分 析通用软件对设计试验台进行动力学分析 确定了不同转速段轴承最小预紧力 并以低速大转矩段满足高刚性 高速大功率段控制温升为准则 综合运用电主轴 动力学特性与电主轴热态分析的理论与方法 提出了整个工作转速范围内的各转 速段的最佳预紧力口4 l 浙江工业大学的宋小华以额定动载荷的负数为目标函数建 立数学模型 运用M A T L A B 优化工具箱对混合陶瓷轴承进行优化设计 并对所加的 轴向预紧力进行了优化分析 引 综上所述 以滚动轴承为支承的高速电主轴单元的热态特性和动态特性 国 内外学者做了很多研究工作 但大部分文献还局限于主轴一轴承系统的热态特性 和动态特性分别对主轴单元性能的影响研究 考虑将电主轴单元的热态特性和动 态特性进行综合研究 分析两者耦合因素对电主轴单元性能影响的文献并不多见 因此本文在全面分析了H M C 8 0 电主轴单元的动态特性和热态特性的基础上 进一 步研究了动态特性和热态特性的耦合因素对H M C 8 0 卧式加工中心电主轴单元性 能的影响 8 硕士学位论文 第二章电主轴单元的动态特性分析 2 1 电主轴动态特性分析概述 电主轴的动态特性是指它抵抗受迫及自激振动的能力 主轴部件动态性能是 衡量机床设计优劣的一项重要的性能参数 主轴部件的动态特性包括固有振动特 性分析和响应特性分析 主轴部件的动态特性对机床加工性能的影响很大 不仅 影响机床的加工精度 使用寿命 也影响着其高效率性能的发挥 6 1 高速电主轴的动态特性研究主要包含两个方面 固有振动特性分析和响应特 性分析 所谓固有振动特性分析 是通过研究无阻尼的自由振动 得到振动系统 的固有特性 即固有频率 振型及振动应力 响应特性分析是用于确定结构在承 受随时问按正弦规律变化的载荷时的稳态响应 目的是计算出结构的动力响应 并得到响应位移和响应应力 综上所述 电主轴单元的动态性能分析主要包括以下两个方面内容 模态分析 即固有频率和振型分析 谐响应分析 分析连续的周期性切削力在结构系统中产生的持续周期性响 应 得到响应位移 2 2 主轴支承型式与轴承选择 为适应电主轴高速 较高刚度运转的需要 本课题采用了如图2 1 所示的支承 型式 獬田 慈 母码愿码慈 忒媳7 A 4 杉 夕 一 l 瓣 哆钐夕 瓣 A 荔 7 6 渡n钮货盯 图2 1 主轴支承型式 此种支承结构的特点是 主轴前端采用4 Y 0 D T B T 组合高速角接触球轴承 定 9 H M C 8 0 卧式加工中电主轴热 动态特性分析及耦合研究 位预紧 后端采用超高速单列圆柱滚子轴承 轴向浮动支承 虽然D T B T 组合形式 使其高速性有一定减弱 但由于其作用点距离大 非常适合于力矩载荷大的主轴 其径向及轴向刚度都非常好 本课题选用的轴承为日本N T N 公司生产 前轴承为H S E 高速角接触球轴承 后 轴承为H S R 超高速圆柱滚子轴承 轴承参数如表2 1 所示 表2 1 轴承参数 轴承参数前轴承后轴承 型号 5S 2 L A H S E 0 2 0 C D T B T C S1 1P 4N1Ol4 H S R T 6 K C O N A P 4 内径 m i l l 1 0 0 7 0 外径 m m 1 5 0l1 0 宽度 m n l 2 4 2 0 接触角 1 5 0 佩钏阡I 取 2 8 2 0 滚动体直径 m n l l1 11 2 极限转速 r m i n 1 6 9 0 0 油润滑 2 4 7 0 0 油润滑 额定动载荷 k N 3 3 52 9 2 额定静载荷 k N 3 5 3 7 5 2 3 主轴轴承的预紧与刚度 为了提高轴承的刚度 抑制振动及高速回转时滚动体公转和自转的滑动 提 高主轴的回转精度 在主轴上使用的滚动轴承均需预紧 轴承预紧后 内部无间隙 滚动体和滚道有一定的变形 参加工作的滚动体 将增多 各滚动体的受力将更为均匀 这样有利于提高轴承的精度 刚度和寿命 如主轴产生振动 则由于各个方面都有滚动体支承 可以提高抗振性 但是 预 紧后发热较多 温升较高 且太大的预紧将使轴承寿命下降 故预紧要适量 本课题前轴承采用的预紧的方式为定位预紧 定位预紧是将轴承内外圈在轴 向固定 以初始预紧量确定其相对位置 运转过程中预紧量不能自动调节 随着 转速的提高 轴承滚子发热膨胀 内外圈温差增大 滚子受离心力及轴承座的变 形等因素影响 使轴承预紧力急剧增加 这是超高速主轴轴承破坏的主要原因 由于采用这种预紧方式时由负荷引起的位移较小 对增加轴承刚度更为有效 6 1 所以定位预紧被广泛应用于大功率高速机床主轴上 本课题前轴承采用的是轻预紧 预紧力为 7 1 C 6 9 0 N 对于一对预紧后的角接触球轴承的径向刚度可以采用如下简易计算公式口引 l O 硕 学位论文 弘1 7 7 2 3 6 Z 2 见广篝n k y 3 N m 2 2 S l 口 式中 Z 一一滚动体数量 n 一一滚动体直径 1 1 1 1 1 1 口一一轴承接触角 ol E 一一预紧力 N 其中 对于陶瓷球轴承需要乘以材料修正系数1 3 对于四联组合 两两同向 相互背靠背的组合需乘以系数2 o o 计算后 轴承径向刚度K 9 5 5N 岬 对于后支承的圆柱滚子轴承 其轴向允许有微小的位移 以补偿主轴受热变 形产生的轴向伸长 其径向刚度可用下式计算口6 l K 3 3 9 F 1 E 8 i z 0 9C O S 仉9 口 N p m 2 3 式中 K 一一径向刚度 N 岬 P 一一径向载荷 N 一一滚子有效长度 1 2m m Z 一一滚动体数量 Z 2 0 f 一一滚动体列数 汪1 口一一接触角 o 对于本课题的圆柱滚子轴承 接触角为0 0 只承受径向载荷 经计算 F 6 4 8N 则 K 7 0 0N p m 2 2 电主轴的模态分析 2 2 1 模态分析的理论基础 要研究主轴单元的动态特性 首先要建立该系统的运动微分方程 多自由度 的运动微分方程如下m 3 r r m j O c j O k 酝O 扩O 2 4 式中 阻 C k 为总体质量 阻尼 刚度矩阵 固有频率也称自然频率 只与系统本身的特性 质量 刚度和阻尼 有关 模 态分析即是求解振动系统的固有频率和振型 当弹性体的动力基本方程中的外力 向量扩O 0 时 便可得系统的自由振动方程 引 r r 阻 戈O 刚文O 医k f 0 2 5 L JL J 求解主轴的固有频率和振型 即求解E 式的广义特征值和特征向量 H M C 8 0 卧式加1 中电主轴热 动态特性分析及耦合研究 2 2 2 电主轴的A N S Y S 模态分析的建模和网格划分 为了真实 准确 有效地对主轴单元进行动态仿真分析 采用有限元进行三 维建模 建模时需要先把整个电主轴单元模型进行以下简化 1