高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析.doc

跬西.料技夫学论文题目:高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析申请学位学科:工学所学学科专业:机械制造及其自动化培养单位:机电工程学院硕士生:王美妍导师:文怀兴教授年月一一 睑.:.,.,.?高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析摘要随着我国国民经济的发展,为适应快速变化的市场和顾客化的产品需求,高速切削以其能够大幅度提高生产效率,改善表面加工质量,缩短生产时间,降低生产成本等优点成为制造业的重要发展方向。高速数控机床已成为制造业技术的发展方向之一。高速电主轴的性能优劣直接决定着高速数控机床的工作性能。因此,研究电主轴的特性,对高速高精度数控机床工作性能的提高有着重大的意义。电主轴电机内置的结构在实现了零传动的同时,也增加了电主轴的质量。在较高的转速下,电主轴产生较大的离心力与陀螺力矩,严重影响了电主轴的动态特性。高速加工过程中电主轴热量的积累,使电主轴产生热变形,降低了加工精度。因此,电主轴动静态特性与热态特性的研究是电主轴技术研究的重点和难点。本文以高速立式加工中心电主轴为研究对象,通过对电主轴结构的设计与分析,在有限元软件中完成了电主轴静动态特性以及热态特性的有限元分析,并通过温升实验与振动测试实验对理论分析结果进行验证。具体的工作如下:根据高速立式加工中心电主轴的基本参数与技术指标的要求,确定电机型号、轴承类型以及冷却系统等关键部件。合理选择支撑跨距与悬伸量,使其满足静态特性要求,完成电主轴基本结构的设计。利用/软件,建立了电主轴主要零部件的三维模型,并完成了电主轴的装配。通过对电主轴结构的分析,在有限元软件中建立静态特性有限元模型,对电主轴的静态特性进行分析,计算并验证了电主轴的刚度。分析影响电主轴动态特性的主要原因,在软件中建立动态特性的有限元模型,求出电主轴的六阶固有频率与振型,并计算出电主轴的临界转速。分析了电主轴的两大热源,根据热力学原理与热量计算公式计算了电主轴电机与前后轴承两大部分的生热量与相关传热系数。在软件中分析了电主轴的热态特性,得到了电主轴的稳态温度场,并提出为降低电主轴温升,应对其温升进行实时监测与控制的方法。设计了电主轴的实验平台,并完成了电主轴的温升与电主轴振动测试实验。关键词:电主轴、结构设计、动态特性、热态特性、实验平台,. ,.,? .,. ,. ,. ,. .,.:, . ., ./ .,.,. ., ., .,., ? . ,.:,目录摘要目录?绪论.课题研究的目的与意义.电主轴关键技术研究现状?.电主轴高速轴承技术.高速电主轴主要性能的设计?.高速电机设计与驱动技术.高速电主轴的润滑系统?.国内外电主轴的发展水平与研究动态?.国内外电主轴的发展水平.国内外高速电主轴技术的研究动态?.课题来源及研究内容.课题来源.课题主要技术指标?.课题研究的主要内容电主轴的结构设计与三维建模.电主轴的结构设计.主轴的基本参数?.电主轴的设计计算.电主轴电机的选用?.电主轴的支承.电主轴的冷却.电主轴的二维结构图?.电主轴三维模型的建立.电主轴主要零部件三维模型的建立?.电主轴的装配体.本章小结?.电主轴静态与动态特性的分析?.电主轴的静态特性.?.?.?.?.?.?.?.:.:.:?.?.?.?.?.?.?.?.求解?.?.:;?.?.?.?.?.:;:.;.?.;?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.;.;.;.?.?.?.?.?.电主轴测试系统介绍?.实验测试项目与测试原理.测试项目?.实验原理?.电主轴的温升测试实验.电主轴温度测试.电主轴温升测试结果?.电主轴振动测试实验?.测试仪器与测试方法?.高速电主轴振动测试结果与分析?.本章小结?.总结与展望?.总结?.展望?致 谢?.参考文献?.攻读学位期间发表的学术论文目录.原创性声明及关于学位论文使用授权的声明?.高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析绪论.课题研究的目的与意义随着我国国民经济的发展,为适应快速变化的市场和顾客化的产品需求,高速切削以其能够大幅度提高生产效率,改善表面加工质量,缩短生产时间,降低生产成本等优点成为制造业的重要发展方向。为提高机床和工具行业的开发创新能力,提高我国工业产品的整体竞争力,带动一系列相关高新技术产业的发展,需要加强高速切削技术的基础研究,包括高速机床的结构设计,高速切削刀具系统、高速切削润滑与冷却系统、高速切削机床控制系统等的研发与产业化,建立高速切削数据库,制订高速切削技术标准。高速立式加工中心,属于高效、精密加工设备,用于箱体类、板盘类、阀类、凸轮和模具等基础零部件的加工,以高速铣削加工为主,可实现铣、钻、攻、镗等多种切削加工方式,是汽车、航空航天、船舶、模具和仪器仪表等制造行业急需的重要高档数控机床。作为装备制造业的战略性产业,高速数控机床已成为制造业的技术发展方向之一。高速主轴的性能优劣直接决定着高速数控机床的工作性能。主轴单元主要由主轴,轴承,机架与动力源等结构组成。主轴单元组成对数控机床的高速加工的加工精度、加工范围以及稳定性都起着关键性作用。为满足高速加工高速高精度的要求,主轴单元应具有高刚度、高回转精度、温升小、低功耗、高可靠性等特点。与此同时,主轴的动平衡、支承、润滑和冷却等都发挥着重要的作用。高速主轴单元主要分为电主轴、气动主轴和水动主轴三大类。高速主轴单元类型不同,输出的功率也大相径庭。高速数控机床要求主轴要有较高的角加速度与角减速度,以实现短时间内的升降速与指定位置的快速准停。传统主轴的传送带系统在高速下不但会产生噪音和振动,发生打滑现象,而且会增加转动惯量,使高速机床的快速准停很难实现。随着变频调速系统与电机矢量控制技术等的迅猛发展,传统的高速机床的电主轴系统已经大大简化,带传动与齿轮传动已被基本取代。电主轴作为高速立式加工中心的核心部件,是一种新兴的机床主轴结构。电主轴是“高频主轴的简称,是内装式电动机主轴单元,英文称谓为。它把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零传动,具有结构紧凑、机械效率高、可获得极高的回转速度和回转精度、噪声低、振动小统进行分析。还需考虑支撑刚度的非线性,电主轴的热态特性对电主轴动态特性的影响,并根据分析结果对电主轴进行动态优化设计。高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析年,公司开发了滚动轴承的分析软件。同年,我国的电主轴研究人员根据热路网络热流量平衡原理在计算机上完成了轴承温度场的仿真。洛阳轴承所开发的轴承系统的温度场软件可对基本的轴承传热模型和辐射模型进行分析。.高速电机设计与驱动技术电主轴的电机与轴身两者相结合,主轴的旋转部分即为电机的转子。因此,理论上可以把电主轴看成一个电机,高速下的动平衡即为研究重点。从机械的角度考虑电主轴高速化的问题主要是轴承的发热与振动问题。从设计的角度考虑,主要是定转子的功率与发热问题。从控制与驱动的角度看主要是调速性能问题。异步型电主轴的功率容量增大时,转速增高时,需配备中心冷却系统以降低主轴温升,同时需对轴承采用恒压预紧方式,以避免主轴轴向热变形带来的影响。与之相比,同步型电主轴优点表现在:转子不发热,减少了电主轴的热变形问题;转子无损耗,电主轴的功率密度大,工作效率高。并且转动惯量小,易于快速启动和准停,低速性能好,易于实现精密控制。.高速电主轴的润滑系统与油气润滑相比,油脂润滑的速度要远落后于油气润滑。定时定量的油气润滑是指每隔一定的时间间隔注一次润滑油,并且可通过定量阀精确地控制每次润滑油的量。油气润滑的方式通常是指润滑油在压缩空气的带动下,被吹入陶瓷球轴承。.国内外电主轴的发展水平与研究动态.国内外电主轴的发展水平我国高速电主轴的开发和生产已经近年,但国内高档的高速加工中心主轴多为进口产品,由于加工中心用电主轴涉及电主轴高速旋转、润滑技术、驱动控制、准停、准速、准位等机械与电气多方面技术,因此具有较大的技术难度,目前国内高档的高速加工中心主轴多为进口国外产品。国外电主轴最早用于内圆磨床,世纪年代,随着数控机床和高速切削技术的发展和需要,逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床。目前,世界上形成许多电主轴功能部件专业制造商,比较著名的有瑞?士的公司、公司、德国的公司、公司、公司、意大利的公司、美国的公司、日本公司和公司等,它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。国外生产的电主轴如图.所示具有以下特点:电主轴功率大、转速高;采用高速高刚度轴陕西科技大学硕士学位论文承陶瓷、液体动静压、空气润滑与磁悬浮轴承;精密加工与精密装配工艺水平高;配套控制系统水平高。图国外数控机床用电主轴目前,瑞士的米克朗公司生产的电主轴速度达/且均采用矢量控制,在低速时可输出大扭矩。意大利公司生产的加工中心用电主轴最高转速达到/,美国公司推出了动静压轴承的电主轴,瑞士公司推出在电主轴部件上装有在线自动动平衡装置的产品,应用在加工中心上,每换一次刀进行一次包括刀具质量在内的自动动平衡,可在一秒钟内消除%由动不平衡所引起的振动。国内电主轴如图.所示与国外电主轴相比,我国的电主轴广泛用于小型模具加工和印制电路板加工行业,适用于常规零件、工模具、木工件的加工。国产电主轴已经大量装备在我国全自动轴承内表面磨床上。加工中心用电主轴涉及电主轴高速旋转、润滑技术、驱动控制、准停等机械与电气多方面技术,因此具有较大的技术难度。图.国内数控机床用电主轴目前国内研究的电主轴技术也有所发展,其中河南省洛阳轴承研究所已经高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析研制开发了个系列的余种电主轴产品,该系列产品额定转速从到,功率从.到,但其产品主要是用于轴承内圆磨削的高速电主轴。汉川机床有限责任公司也先后研制出.和的大功率电主轴,锥孔振摆仅为./,与日本电主轴的指标十分接近,最大噪声,不加冷却的情况下最大温升低于,重量仅,但其最高转速只能达到/。.国内外高速电主轴技术的研究动态电主轴的特性主要包括两个方面:电主轴动静态特性与电主轴的热态特性。电主轴的动静态特性主要包含电主轴的变形、固有频率与临界转速的计算。热态特性主要为电主轴在工作时温升情况。电主轴的研究方法主要为解析法、近似理论解法和数值解法。解析法因其在求解过程比较复杂,有时甚至是无解,在工程实际中很少应用。近年来,由于计算机技术的发展,主轴单元特性的研究进入了一个新的阶段。各种新的计算机研究方法如:古典结构分析法、传递矩阵法、有限差分法、有限单元法和结构修正法等。其中有限元法是常用的数值方法。在电主轴特性研究方面:年.等学者研究了气压轴承和球轴承两种不同类型的轴承对电主轴动力学性能产生不同的影响,得出两种类型轴承分别在低阶与高阶下的固有频率。.建立了电主轴的整体动力学模型主要包含电主轴壳体、转轴及轴承部分,首先把轴承划分为有限元非线性单元,估测了轴承刚度、接触力和主轴单元的固有频率,该模型的建立与分析充分考虑到了离心力和陀螺力矩对主轴单元特性的影响。年,英国曼彻斯特大学的.,.,.,将以前用于研究电主轴温升的几种方法进行比较,并找出了各个方法测量原理的相关性。同时,通过热成像照相机测量出了对合金进行高速加工时的温度测量结果。因此,在电主轴发热、加工时温度分布情况方面的研究有所发展。年, ,将传统的矩阵转换法与琼斯哈里斯非线性辗压轴承模型相结合,研究了改变结构参量后对电主轴系统振动性的影响。研究结果表明,轴间、电机尺寸,以及轴承参数对电主轴的动态特性影响很大【】。.,. ,在分析了人工神经网络无法准确建立电主轴热态分析模型之后,提出了一种自回归动态热量模型,在该种模型下,可以对影响电主轴热态特性的非线性时变因素一一冷却套,电机空气间隙等进行研究。研究结果表明自回归动态热量模型的分析结果比之前的热态分析模型更加精确。近些年来在国内,很多的研究人员也在对这一课题进行深入的研究。国内陕西科技大学硕士学位论文目前在高速电主轴动态分析方面的主要研究是由中国纺织大学完成的。他们主要采用传递矩阵法进行主轴的临界转速的分析。在热态特性研究方面,年,黄晓明等研究人员,通过分析电主轴中内嵌式电机的损耗发热和轴承的摩擦发热的原因与发热量的计算,以及对油水冷却系统与油气润滑系统的研究,在有限元分析软件中建立了高速电主轴温度场的有限元模型,计算出了电主轴的温度场,并提出如何改进高速电主轴温度场分布的主要措施【】。年,熊万里等从轴承热态特性、轴承动态特性、主轴系统动态热态性能设计及电主轴整体热态特性等角度出发,对影响电主轴工作性能的一些关键技术进行分析,并介绍了国内外电主轴的相关技术研究进展状况【:】。年,胡秋等研究人员分析了高速电主轴单元热变形机理与散热机制,描述了主轴单元热态特性要求。在有限元分析软件中完成了对高速电主轴的热、结构耦合分析。并且通过对电主轴有限元模型中的边界条件的改变,分析了在不同转速、冷却结构设计、润滑方式、电机选择条件下,电主轴热、结构特性情况,并对所得结果进行了比较分析。根据分析比较结果,提出了相关能够改善电主轴热态特性的一些措施,为电主轴冷却结构的优化设计奠定了基础【。林伟青等研究人员,提出了一种新的研究思路,将虚拟样机技术应用于高速电主轴热态特性研究中,研究结果通过对实现虚拟电主轴的热态特性分析所需的关键技术的阐述,电主轴三维建模的研究,热态特性如何获取,热应力与热变形分析方法,补偿控制方法等,为电主轴设计提供了依据。该方法研究的整个设计过程中均采用数字化,并且实现了人机结合下的计算机辅助设计分析,使得电主轴的设计效率和质量有所提高】。年,肖曙红等研究人员通过分析运行时电主轴产生的各种热源及发热量,在有限元软件中合理的建立了电主轴的热.结构耦合的有限元分析模型,并根据传热学原理计算出电主轴复杂热边界在各种状况下的对流换热系数,最终在有限元分析软件中计算了电主轴的温度场,并完成了电主轴的热变形仿真【:?】。年,王保民等研究人员分析了高速电主轴的发热和散热特性,并在有限元软件了建立了高速电主轴热态特性的有限元模型。通过边界条件的加载,计算出了电主轴的稳态温度场。同时,分析得到了润滑冷却系统对电主轴温升的影响因素。最后提出:提高电主轴冷却润滑系统的冷却效率不能有效控制转子轴的温升,但是可控制轴承的温升。因此,为提高电主轴的加工精度而降低转子轴的温升,必须研究转子轴的冷却途径和方法。,陈红蕾等研究人员,采用内部空间域离散化理论研究了高速电主轴的温度场。通过建立电主轴的有限元仿真系统,求解已经离散化的有限元单元,得出若干个热传导方程,并通过求解这些温度场方程,得到了所高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析需的温度场分布图【】。本课题主要是对高速电主轴动静态特性以及热态特性的研究,从以上参考文献可得知,在进行电主轴动静态分析时,首先要建立正确的物理模型,使其接近高速电主轴在实际的工作过程中情况。同时考虑载荷,支撑,轴承等,进而对电主轴的静态特性变形量即刚度以及动态特性中的固有频率、临界转速等参数进行分析。在热态分析过程中,首先要建立正确的热态特性的有限元模型,对电主轴实际工作过程中两大热源电机以及轴承的发热量进行计算,同时对冷却套以及轴身与空气接触处的对流换热系数进行计算,将计算得到的发热量与对流换热系数分别加载在电主轴的有限元模型上,计算得出高速电主轴稳态温度场的分布图,为电主轴冷却方法的提出奠定基础。.课题来源及研究内容.课题来源国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项.课题主要技术指标主轴最高转速不低于/;输出功率;扭矩 ;回转精度:主轴端部.,处.;温升不大于;噪声。平均无故障时间达到小时。.课题研究的主要内容本课题以高速立式加工中心电主轴为研究对象,通过对电主轴结构的分析以及三维模型的建立,一方面采用有限元分析法,在有限元分析软件中,建立合理的电主轴动静态的有限元分析模型,对高速电主轴的静态特性、动态特性固有频率与临界转速进行分析计算。在有限元软件中的热态分析模块中,建立电主轴的热态有限元分析模型,分析计算电主轴电机定子、转子、前轴承、后轴承的发热量,以及对流换热系数,分析得出电主轴的稳态温度场。另一方面,在电主轴测试平台上,对电主轴振动特性以及温升特性进行测试。通过传感器的数据采集得到在不同转速下电主轴的圆度误差以及轴心轨迹。通过热电偶得到运转一定时间后电主轴在不同转速下的温度变化趋势。最后,将有限元分析结果与实验测试结果进行对比,提出改善电主轴特性的措施。具体研究内容如下:结合高速立式加工中心电主轴的基本参数与技术指标的要求,初步确定出电机型号、轴承类型以及冷却系统等关键部件。根据主轴设计方面的知识,合理选择支撑跨距与悬伸量,已达到刚度的基本要求,完成电主陕西科技大学硕士学位论文轴基本结构的设计。在/软件中,建立出电主轴主要零部件的三维模型,并完成电主轴的装配图与剖面图。通过对电主轴结构的分析,在有限元软件中建立合理的静态特性有限元模型,对分析单元进行选择,分析参数进行设置,完成对电主轴的静态特性的有限元分析,计算并验证电主轴的刚度。对影响电主轴动态特性的主要原因进行分析,在软件中建立动态特性的有限元模型,完成电主轴的模态分析,求出电主轴的前六阶固有频率与振型,并完成电主轴的临界转速的计算。分析电主轴的主要热源,结合热力学原理与热量计算公式计算出电主轴电机与前后轴承两大部分的生热量与相关传热系数、对流换热系数。在软件中建立电主轴热态特性的有限元模型,分析出电主轴的热态特性,得到电主轴的稳态温度场,并提出为降低电主轴温升,应对其温升进行实时监测与控制。搭建电主轴的实验平台,在该实验平台上并完成电主轴的温升与电主轴振动测试实验。并将理论分析结果与实验分析结果进行比较。高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析电主轴的结构设计与三维建模.电主轴的结构设计.主轴的基本参数电主轴的基本电参数如表.所示。表.电主轴的基本电参数主要技术精度要求为:电主轴锥孔/.带标准杆远端/.四点平均值轴向窜动.动态振动值./主轴噪音动态运行小时后温升外型尺寸与结构要素为:外型安装尺寸:油缸尺寸安装法兰尺寸为 中心节园为. ,安装.内六角螺钉。结构要素:油气润滑方式前轴承组./ :后轴承组./ 松拉刀机构带油缸带卸载功能、带中空通水及气,刀柄为.电主轴转速与电压、电流、功率与扭矩之间的关系如图.所示为电主轴转速与电压、电流、功率与扭矩之间的关系曲线。从图中可以看出:/范围内变化时,电主轴的电流、功率与转速呈线转速在一性关系随转速的增大而增加,扭矩与电压值保持不变。转速在/一/范围内变化时,电压值由增加至;功率保持不变;扭矩、电流随转速的增加呈曲线趋势递减。:/:. ./ 气,:。/.争 。一一一一一一一一一一高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析径的关系为:. 鱼:冬:/:一要:一 、, 万/式中:、足一空心主轴与实心主轴的刚度厶、,一空心主轴与实心主轴的截面惯性矩从上式可以看出,.时,对刚度的影响不大,但当占.时,刚度直线下降。主轴悬伸量主轴悬伸量通常用字母表示,它是指主轴的前支承的径向支反力的作用点到主轴前端面的距离。如图.所示。主轴的悬伸量对主轴的刚度影响很大,实验分析表明,悬伸量越小,主轴的刚度越大,抗振性越好,缩短悬伸量可以提高主轴刚度,改善主轴抗振性,因此,在设计过程中,应尽量选择较小的悬伸量。图?主轴悬伸量示意图 。在满足电主轴结构要求的条件下,取主轴的悬伸量为主轴最佳跨距主轴的跨距对主轴的性能影响很大,它是指主轴前后支承之间的距离,合理跨距的选择在主轴设计中尤为重要。主轴受力后发生弯曲,其所受载荷与产生挠度之间的关系为:嚣和式中。一主轴受力后产生的挠度陕西科技大学硕士学位论文一主轴前端所受的载荷卜一主轴的跨距如图.所示口一主轴的悬伸量如图.所示将主轴柔度/与主轴跨距与悬伸量之比/的关系绘制成曲线如图.,一所不。从图.可以看出:在刚性支承,弹性主轴的情况下,主轴的柔度与/呈线性关系图中直线所示,柔度随/口值的增加而增大;图中益线表示弹性支承与刚性主轴的情况,在支承变形很小的情况下,近似考虑支承受力后的变形为线性变形。由材料力学可知:.丢【鲁等】图主轴柔度与/关系筒图式中:墨一前支承的刚度墨一后支承的刚度故主轴柔度为:.蚩。友乒孚】图.中曲线表明:在刚性主轴,弹性支承的情况下,当/值在小范围内变化时,柔度随/值的增大而减少,当/值再次增大,柔度随/值的增大缓慢降低。换言之,在/值很小时,刚度随/值的增大而增大,当/值增加到一定大小后,刚度随该值的变化缓慢。图.中曲线所示为实际情况,主轴前端受力后,支承与主轴都发生了高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析变形,因此,实际的情况是以上两种情况的综合,因此得到的总挠度的公式为:砉刍击【/【,了】,故总柔度为:砉刍去【,了】从图.曲线中可以看出,柔度有最小值,即刚度有最大值,当,厶时,即可得主轴刚度的最大值。故,值为最佳跨距。一般取/值为.。观察曲线可知,最佳跨距右端的柔度比左端柔度值变化缓慢。而在最佳跨距值附近,柔度变化不大。因此,在设计中应尽量满足最佳跨距。.电主轴电机的选用电主轴的电机选用日本三菱集团生产的.电机,如图.所示。,?皿哑. 田哑?田 叮一 。?.一一?、皿哪图 型电机结构简图 一 电机低速与高速下功率扭矩一回转速度的特性曲线如下图.所示。定常时功率一回转速度特性曲线高速转动功率肿低速转动。定常时功率一回转速度特性曲线承、支承结构特点指的是采变动范围承润滑较滚动体数动支承是高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析指采用滑动轴承的一种支承方式,与滚动轴承相比,在抗振性、旋转精度与径向尺寸方面都优于滚动轴承。但对于立式主轴而言,选用滑动轴承很难解决主轴漏油问题。轴承类型的选择轴承的选择根据主轴的转速、支承能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。通过对不同类型轴承特性的对比,结合电主轴的结构特点:结构紧凑,电机内置,发热量大,散热困难。因其应用于高精度的高速立式加工中心,故选择法国角接触陶瓷球轴承。单个的角接触陶瓷球轴承可同时承受径向和一个方向的轴向载荷,极限转速较高,在单独承受径向载荷时,会引起轴向分力。因此,多成组使用。角接触陶瓷球轴承的材料为氧化硅,密度为钢的/,线膨胀系数比钢小得多,弹性模量比轴承钢大。在高速条件下,与钢制的滚动轴承相比,质量轻,并且产生的离心力与陀螺力矩较小,使得压力与摩擦减少,进而减少了轴承大发热量。因其滚动体线胀系数小,温升低,因此轴承工作时的预紧力会缓慢变化。弹性模量与轴承刚度有关,弹性模量越大,刚度就越大,因此角接触陶瓷球轴承的刚度比钢制滚动轴承大。通过对比,选用的前轴承的型号为 /,后轴承的型号为/。如表.所示为所选用轴承的部分主要技术参数。表?轴承的技术参数? 轴承的配置方式轴承的配置方式一般由刚度、转速、承载能力、抗振性和噪音等要求来决定。为满足高速立式加工中心高速、高精度的要求,电主轴的配置方式为前轴承采用三联角接触陶瓷球轴承,后支承采用两联角接触陶瓷球轴承。陕西科技大学硕士学位论文前轴承外侧的两个角接触陶瓷球轴承大口朝向电主轴的工作端,能够承受轴主要方向的轴向力,第三个角接触陶瓷球轴承与靠近轴端的两个轴承大朝向相反,这样的轴承配置方式使这三联角接触陶瓷球轴承有较大的支承,使得电主轴承受颠覆力矩的能力得到提高。后轴承采用的是一对同向安装的角接触陶瓷球轴承,且轴承的大口均朝向轴的工作端,用于承受电主轴工作时电主轴自身的重力。轴承的润滑轴承的润滑在电主轴工作时发挥着重大的作用,轴承的润滑剂具有以下的:降低摩擦阻力、散热、减小接触应力、吸收振动以及防止锈蚀。轴承的润滑方式很多,一般分为脂润滑、油润滑及附体润滑三大类。油润包含油浴润滑、飞溅润滑、喷油润滑和油雾润滑。对于高速电主轴而言,用油雾润滑和油气润滑两种方式。油雾润滑适用于轴承转速很高的情况下,这种润滑方式可以避免因润滑时过多,油的内摩擦增大而导致轴承工作时的温度增高。在油雾发生器中润滑油变成油雾作用于轴承上,一方面可以对轴承起到润滑的作用,另一方面由于油雾的温度低于液体润滑油的温度,所以对轴承也有一定的冷却作用。由于油雾会随空气四处飘散,对环境的污染较严重。油气润滑是指将润滑油与压缩空气按一定的比例混合后,压缩空气带动润滑油通过润滑油管道到达轴承处,喷油嘴直接将润滑油喷洒在轴承上,不仅对轴承起到润滑作用,而且压缩空气可以带走轴承的部分热量,对轴承也起到了一定的冷却作用。与油雾润滑相比,油气润滑不会对环境造成污染,因此,选择电主轴轴承的润滑方式为油气润滑。.电主轴的冷却在高速运转时,电主轴主要的两大热源为电机与轴承。由于电主轴的电机嵌套在轴身上,电机产生的热量与轴承高速运转时产生的摩擦热以热传导、热辐射以及对流的方式传递给轴身,热量积累使轴身发生热变形,严重影响加工精度,不能满足高速立式加工中心高精度的要求。本课题电主轴的冷却系统是以水冷的方式对电主轴进行冷却。在电机定子外嵌套冷却套,冷却套的结构为矩形截面的螺旋槽形式,这种结构增大了对流换热的面积,加强了对流换热的效果。外部连接水冷机,通过改变循环水的流速来改变冷却效果。.电主轴的二维结构图如图.所示为本课题设计的电主轴结构。电主轴为中空阶梯轴,内部可通油、通气,用于实现轴承的润滑与电主轴的冷却作用。电主轴轴承选用的是陶瓷球轴承,前后轴承均采用油气润滑的方式,图.中的为油气润滑管道,为喷油嘴。电机采用日本三菱集团生产的型号为. 电机,电机转子以过盈配合的形式嵌套在轴身上,电机定子嵌套在冷却套上,为增大热交换面积,增强热交换效果,冷却套结构采用截面为矩形的螺旋槽的形式,主要用于电主轴工作过程中电机的冷却。电主轴的拉刀机构 选用自动松拉刀机构,刀柄型号为.。.主轴前端.前轴承.油气润滑管道.冷却套.电机定子.电机转子.拉杆.后轴承.喷油嘴.拉刀机构图电主轴结构图.电主轴三维模型的建立/软件简称/,是当今应用很广最为流行的一种三维实体造型软件,它以其内容丰富、功能强大等特点,被越来越多的工业设计者所使用。/软件具有强大的集成功能,内容覆盖范围广泛,可包含从设计到生产加工的整个过程。在世纪年代,一种参数化造型设计的理念由美国公司的一批设计人员提出,主要内容是基于特征、全尺寸约束、单一数据库、尺寸驱动设计修改等。年,公司推出了第一个版本的/软件,受到来自机械、自动化、电子、模具、汽车、航空航天、医疗器械等多个领域设计者的青睐。通过反馈信息的收集与实用模块与新功能的增加,/软件的使用范围日益增大。陕西科技大学硕士学位论文作为/软件核心思想的参数化造型设计理念越来越多的被应用于实际工程中。实体模型更加形象直观,因此实体模型取代了线框模型和曲面模型,同时为方便后续的分析与制造,还特别添加了实体模型的物理特性,如体积,质心、重心、质量等。/软件另一个最重要的特点就是尺寸驱动功能,该功能是指模型的形状由模型的尺寸来决定,一组相关的尺寸组方可确定出一个模型的大小。若某一尺寸发生改变,设计者通过重新确定尺寸便可得到新的设计模型。对于结构相同的系列产品的设计,该功能就显得尤为重要,设计者无需重新设计各个零件,只需做必要的尺寸修改便可得到新模型。一台机器是由不同的零件以一定的方式组成,/中的特征建模便是利用不同的特征完成对一个模型的建立。应用最多的特征为实体特征、圆孔特征、曲面特征等。通过对设计对象的抽象,对模型的结构与形状进行合理的设计,最终进行装配。特征建模的方法主要是通过二维草图的绘制借助于拉伸、旋转、扫描、混合等方法创建基础特征,再在这些基础特征之上添加圆孔、圆角等。本课题的三维建模中,主要是运用了/软件的草绘模块、零件模块与装配模块。而二维图的绘制与编辑在草绘模块中完成,通过截面绘制等一系列操作来完成三维模型的建立。因此,作为三维建模过程中的重要环节,二维图草图的绘制适用零件模块建模的主要步骤。三维实体的创建与编辑主要是在零件模块中完成的,零件模块不仅是参数化设计中最基本与最核心的设计模块,也是该软件进行产品设计与开发的主要目的。利用零件模块进行三维实体模型的建立,实际上是通过不同的特征来完成造型的设计。这些特征之间可以相互独立也可有一定参考关系,因此,在设计过程中,参考的选择就显得尤为重要。各个零件设计完成后,在/软件的装配模块中完成模型的装配,它是若干个零件按照一定的约束关系组装成一个部件或者完整的产品的过程。在该模块下,不仅可以自动更换零件,而且对新添加的零件与已有的零件进行编辑和修改。在装配过程中,设计者可以根据装配的需要临时修改零件的尺寸参数。为了直观的显示已组装的零件相互间的位置关系,可以生成爆炸图。.电主轴主要零部件三维模型的建立电主轴的主要结构包括电机定子、电机转子、轴身、拉杆、前轴承、后轴承、法兰盘、轴承座、冷却套以及端盖等。轴身模型的建立轴身的实体模型与剖面视图如图.所示。从图.中可以看出该模型为中空阶梯轴,为轴对称的旋转体,建模时首高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析先绘制截面上半部分草图与旋转轴,通过旋转特征即可得到实体模型如图。通过软件中的剖面试图命令可以得到轴身的剖面图如图所示,从图中可以看到轴身的内部结构。如图.所示为前轴承的三维模型,该模型为装配体,首先根据尺寸在草绘模块分别绘制轴承外圈、内圈和滚动体。内圈和外圈绘制可通过拉伸切除命令或者圆环拉伸得到。滚动体通过旋转命令完成。内圈外圈与滚动体分别绘制完成后,进入装配模块,插入需要装配的一个零件如轴承的外圈,放置后确定约束类型,再插入内圈,同样确定约束类型,最后插入滚动体,将滚动体在周向均布,设置约束条件即可得到图.所示的轴承的实体模型。通过剖面视图命令得到的剖面图如图.所示。轴身三维实体模型 轴身剖面图图轴身三维模型的建立前轴承三维模型的建立前轴承实体模型 前轴承剖面视图图前轴承三维模型的建立 后轴承的建模方法与前轴承类似,绘制后轴承的内外圈与滚动体后在装配陕西科技大学硕士学位论文模块下进行装配。电主轴前后盖的三维模型如图中图所示为电主轴的前端轴承盖,该模型主要通过拉伸切除命令、圆孔与倒圆角命令来完成。从图中可以看出拉刀系统端盖主要是阶梯圆柱体,通过拉伸命令来完成,最后通过装配模块完成螺母的装配。电主轴的其它零部件如拉杆、冷却套、电机、法兰盘、挡圈、螺母等均可通过拉伸、旋转、扫描、圆孔、倒角等特征来实现。电主轴前端轴承盖 电主轴拉刀系统端盖图电主轴前后端盖的三维实体模型 ?.电主轴的装配体完成电主轴的零部件的建模后,进入/软件中的装配模块,在该模块中可以将已经生成的零部件通过相互间的定位关系组成一个装配体,在装配过程中可以检查出零件间是否干涉,零件的设计是否能够满足要求。装配有两种方法:由底而上的装配和由顶向下的装配。由底而上的装配首先必须生成底层基本零件,然后再生成装配体,这种方法比较简单,较易掌握,多用于大规模的生产中,当零件的设计已经基本定型,整个生产过程也已经规范后,使用该方法会大大的提高生产效率。由顶向下的装配方法首先要生成装配件的布局关系,进而再生成装配件。这种方法属于一种高级的装配方法,多用于实际的工程设计之中。在实际中,大多情况都不会给出明确的一个或多个零件,再通过这些零件完成装配体。一般都首先会给出该产品的大致外观与功能后,通过这些条件再细化产品的零件,最终确定每个小零件。并且随着技术的发展,产品的功能也再次改进,每个产品功能组件的改进都会引起各个零件的变化。因此,由顶向下的装配方法是一种具有全局性的设计方法。电主轴的装配选用自底向上的装配方式,在/软件中的装配模块中选高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析择新建命令,在系统弹出的新建对话框中的类型选项区域中选择组件,并选择子类型中的设计,输入文件名后,单击确定按钮。选择插入/元件命令,插入绘制好的轴身零件,单击打开按钮后,该零件将被调入绘图区中。在装配的工具栏中选择放置菜单,在其中选择约束类型,用于约束刚插入的基础零件。约束分为五种类型:匹配、对齐、插入、坐标系与相切。匹配多用于将两个法线相反的平面定位于一个平面上,同时匹配约束还可以通过设置偏移距离来完成实体模型的约束;插入约束多用于定位于同一条轴线的两个旋转体,例如轴跟孔的装配关系;坐标系约束适用于将两个不同的实体模型的坐标系分别对齐,但是坐标原点不一定重合的情况;相切约束是指两个实体特征相切的关系,可包含曲面与曲面,曲面与平面以及轴与平面相切等约束。重复上述装配方法将电主轴的其它零件一一插入到装配体中,确定好约束关系,装配完成后的电主轴三维实体模型如图.所示。图 电主轴的三维实体模型 ?为了清楚表达电主轴的内部结构,利用/软件中的剖面视图命令,得到电主轴的剖面视图如图.所示。图电主轴的剖面视图陕西科技大学硕士学位论文.本章小结本章主要介绍了电主轴的结构组成,电主轴的主要技术参数以及在设计过程中主轴悬伸量,最佳跨距的设计计算。确定电主轴的悬伸量与最佳跨距之后确定了主轴电机的型号与主轴轴承的类型。在电主轴三维模型的建立部分介绍了在/软件中所建立的电主轴的零件图以及装配图,为清楚表达电主轴的内部结构,利用/软件中的剖面视图功能得到了电主轴三维实体模型的剖面视图。高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析电主轴静态与动态特性的分析作为机床的执行件,电主轴在高速立式加工中心中发挥着重要的作用。它主要是在承受切削力与驱动力等载荷下,支承带动刀具或者工件的旋转进行表面成形运动,完成加工。电主轴主要由轴身、内置电机、前轴承、后轴