4356基于ANSYS的主轴系统动态特性研究【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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4356基于ANSYS的主轴系统动态特性研究【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,基于,ansys,主轴,系统,动态,特性,研究,钻研,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩
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第页共 34 页 第一章 引言 究的目的和意义 主轴部件是数控机床的重要部件之一，直接参与切削加工，对机床的加工精度，表面质量和生产率影响很大。对于数控机床产品而言，其主轴部件要有较宽的转速范围、高精度、高刚度、振动小、变形小、噪声低，而且要具有良好的抵抗受迫振动和自激振动能力的动态性能。 目前，国内的机床设计多半属于经验设计。机床结构的设计计算一直沿用一般的结构计算方法。虽然这些计算公式的导出大多是依据强度方面的理论分析，并辅以试验方法和测试技术的研究，具有一定的科学依据和可靠性。由于机床结构比较复杂，仅凭简单的计算工具，在计算时要对计算模型进行很多简化，致使计算精度较差。由于计算繁冗，时间耗费大，有些项目甚至无法计算。因而长期以来，在许多情况下仍沿用外推或类比的方法进行机床结构的设计。上述比较传统的方法获得的计算结果大多用于不同结构性能的定性分析和比较。而在实际结构设计时，仍取较大的安全系 数，结果使结 构尺寸和重量加大，不能很好地发挥材料的潜能，机床结构性能难以提高，特别是在加工中心主轴部件设计时，没有有效的计算方法，就无法对结构方案设计提供可靠的依据，只能依靠以往的经验进行局部修正，无法进行优化设计 。 本课题研究的目的是：利用有限元分析方法对机床主轴部件静、模态性能进行分析，找出现有设计的薄弱环节；再利用优化设计方法，对主轴部件结构进行优化设计，提高加工中心产品的性能和设计水平。 内外研究现状 限元方法的发展概况及应用 有限元方法的发展，其基本思想的提出可以追溯到上世 纪 40年代初。 1943年，数学家 次提出离散的概念，他将一个连续的整体离散成有限个分段连续单元的组合，并第一次尝试应用三角形单元的分片连续函数和最小势能原理相组合，来求解 转问题。航空工业的发展大大促进了有限元的进一步发展。 1956 年，美国波音飞机制造公司 人在分 第页共 34 页 析大型飞机结构时，第一次 采用了直接刚度法 ,给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确解答，从而开创了利用电子计算机求解复杂弹性平面问题的新局面。有限元或有限单元（ 一术语，是 960 年在一篇论文中首次提出的。 60年代初， 用了规则的三角形单元，从变分原理出发来求解微分方程式。 1963年到 1964年， 人证明了有限元法是基于变分原理的 里兹）法的另一种形式，此后有限元法开始巩固其地位。 1969 年，英国 授提出了等参单元的概念，从而使有限元法更加普及和完善，无论是在理论方面，还是在实践方面都得到了飞速的发展。 目前，国 内外机床厂家已经在机床设计中广泛地应用有限元分析方法，并在机床基础件（如床身、立柱、框架等）和主轴部件等的静、动态特性分析计算中取得成就。例如 人利用有限元法对车床主轴建模，并以轴承间隙，轴承刚度以及工件直径大小为设计参数，对其进行静、动态分析。实际车床的主轴进行动态分析。 高速主轴一轴承系统的动力学特性进行了详细研究，指出在高速条件下滚动轴承的刚度随转速的升高而降低，导致主轴系统的固有频率随之下降。 控车床的发展 数控机床（ 采用了数字控制技术（ 称 机械设备，就是通过数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制，实现要求的机械动作，自动完成加工任务。数控机床是典型的技术密集且自动化程度很高的机电一体化加工设备。第一台数控机床是由美国司与美国麻省大理工学院（ 1952年合作研制成功的，当时是为了加工直升飞机螺旋桨叶片轮廓的检查样板。此后，其他一些国家（如德国、英国、日本、前苏联等）都开展了数控机床的控制开发和生产。 1959 年，美国克耐杜列克公（ 次成功开发了加工中心（ 称 这是一种有自动换刀装置和回转工作台的数控机床，可以在一次装夹中对工件的多个平面进行多工序的加工（包括钻孔、锪孔、攻丝、镗削、平面铣削、轮廓铣削等。） 20 世纪 60 年代末，出现了直接数控系统 C），即由一台计算机直接管理和控制一群数控机床。年，英国出现了由多台数控机床连接而成的柔性加工系统，这便是最初的柔性制造系统（ 第页共 34 页 称 20 世纪 80 年代初，出现了加工中心或车削中心为主体，配备工件自动装卸和监控检验装置的柔性制造单元（ 称 几年，又出现了以数控机床为基本加工单元的计算机集成制造系统（ 称实现了生产决策、产品设计及制造、经营等过程的计算机集成管理和控制。数控机床的发展趋势是高速化和高精密化。 20 世纪 90 年代以来，欧、美、日各国争相开发应用高速数控机床，加快机床高速化的步伐。高速主轴单元（电主轴的转速达 15000r/高速且高加减速度的进给运动部件（快移速度 60m/削进给速度高达 60r/到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬 耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具、大功率高速电主轴、高加减速度的进给运动部件以及高性能控制系统和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，新一代高速数控机床将应用于机械制造业。 题的实用意义 我校用于实践教学的一台数控车床，配置国产经济型数控系统，床身最大回转直径 320大加工长度 750轴采用通用变频器和双速电机驱动，主轴转速范围 100车床在使用过程中发现振动严重，无法进行切槽、切断加工。本课题主要探讨如何采用有限元方法分析数控车床的主轴，并以 主轴为算例对其动静态特性进行分析，从而寻找该车床切削振动大的原因，为加工合格产品，科学合理有效地使用及今后改进该设备提供科学依据。 综合以上文献资料可以发现，国内国外对机床动静态特性的研究十分活跃，前人在这方面做了大量的工作，为我们对 控车床的主轴组件分析提供了参考。机床动静态分析的原理方法是具有共性的，用动静态分析的原理方法来分析具体的机床是有其特殊性的，所以，在有限元方法在数控车床设计中的应用方面做一些探讨是有意义的。 要研究内容 数控车床的主传动系统设计 主传动变速的参数 第页共 34 页 主传动变速系统的设计 数控车床的主轴驱动方式 主轴组件的基本要求 车床主轴常用滚动轴承及刚度计算 主轴的结构设计 基于 轴的模态分析 控车床简介 及内外公英制螺纹，且能够进行切槽和钻、镗、铰孔加工。该机床配置国产经济型数控系统。 床身上最大回转直径 320最大加工长度 750轴转速100轴电动机 （功率 3/ 控车床采用双速电机变频高速 ,并带有分级变速箱 . 控车床主轴 ,前支承采用双列圆柱滚子轴承 (后支承采用圆锥滚子轴承(2007113E)和推力轴承 ( 第二章 数控车床的主传动设计 床主传动变速系统的参数 机床主传动系统的参数有动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电机的功率，运动参数是指主运动的变速范围。 床主传动功率 机床主传动功率 P 可根据切削功率 ，由下式确定： （ 第页共 34 页 数控机床的加工范围一般较大，切削功率 其主切削抗力 z v/60000=M n/95500( (式中： 主切削力（） M 切削扭矩（ N v 切削速度（ m/ n 主轴转速（ r/ 或 Pc=f 1000( (式中 单位切削功率 s) v 切削速率 (m/s) f 进给量 (mm/r) 切削深度 (主传动的总效率一般可取为 控机床的主传动多采用调速电机和有限的机械变速传动来实现，传动链较短，因此效率可取较大值。 主传动中各传动件的尺寸都是根据其传动功率确定的，如果传动功率定得过大，将使传动件的尺寸粗大而造成浪费，电动机常在低负荷下工作，功率因素很小而浪费能源。如果功率定得过小，将限制机床的切削加工能力而降低生产率。因此要准确合适地选用传动功率。由于加工情况多变，切削用量变化范围大，加之对传动系统因摩擦等因素消耗的功率也难以掌握，因此单纯用理论计算的方法来确定功率尚有困难，通常用类比、测试和理论计算等几种方法相比较来确定。 床的主传动功率 典型工况选为：用硬质合金车刀加工；工 件 :45 钢，硬度 229削用量为 2f r, 100m/s ；刀具的几何参数为： 15, r 75, s=00, 01=刀面带卷屑槽。 经查资料可得其单位切削功率 2305 10s) 单位切削力 P 2305N/由 Pc=f 1000 =2035 102 1000 = 床的主传动功率 =第页共 34 页 车床主轴运动参数 极限切削速度 据典型工艺，并考虑该机床加工工序的种类、工艺要求、刀具和工件材料来选取极限切削速度，见表 表 单位： m/ 典型工艺和加工条件 硬质合金刀具半精或加工碳钢件 150用高速钢刀具加工丝杆螺纹或铰孔 2主轴的极限转速（ r/ 1000 1000 计算车床主轴极限转速时的加工直径，按经验分别取 和 D。最后确定的 100r/800r/主轴的调速范围 Rn= ( 计算转速 车床主轴转速不仅取决于切削速度而且还决定于工件的直径。车床最低几级转速常用于光整车削、车削大直径的螺纹等，并不需要传递全部功率。主轴所传递的功率或扭矩与转速之间的关系，称为车床主轴的功率或扭矩特性 轴应能传递运动源的全部功率。在这个区域内，主轴的输出扭矩应随转速的降低而加大。从 个区域内的各级转速并不需要传递全部功率。主轴的输出扭矩不再随转速的降低而加大，而是保持一时的扭矩不变，所能传递的功率，则随转速的降低而降低。主轴能传递全部功 率的最低转速称为主轴的计算转速。 无级传动时 nj=（ 第页共 34 页 控车床主传动分析 传动分析 控车床主传动采用通用变频器和普通异步交流电动机驱动。电动机为, 转速为 720/1440r/率为 3/频器选用的是用变频器，额定容量 定输出电流 动功率 P 3主轴极限转速和调速范围 极限转速： 800r/ 00r/速范围（由 得）： Rn=8 计算转速（ nj=38r/主传动系统分级变速器级数 Z 主轴恒功率调速范围 800/238=动机恒功率调速范围（ 接的双速电动机，可视为电动机在9011440r/恒功率调速范围 ）： 440/901= 则 Z= 10 10 = =2，所以分级变速箱公比 结论 主轴电动机功率偏小。主轴分级变速箱公比 以车床转速在 380950r/当于此时电机功率最低只有 3 380/950 主轴恒功率调速段实际是电动机接成 （ ,由变频器进行恒转矩调速。 电动机转速范围为 1440 379r/频器的频率范围为 503 主传动的计算转速为 238r/ 第页共 34 页 第三章 主轴组件 主轴组件的基本要求 主轴组件是机床的重要组成部分之一。主轴组件通常由主轴、轴承和安装在主轴上的传动件等组成。车床工作时，由主轴夹持着工件直接参加表面成形运动。所以主轴组件的工作性能，对加工质量和机床生产率有重要影响。 对车床主轴组件的要求，和一般传动轴组件有共同之处，就是都要在一定的转速下传递一定的扭矩；都要保证轴上的传动件和轴承正常的工作条件。但是主轴又是直接带着工件进行切削的，机床的加工质量，在很大程度上要靠主轴组件保证。因此，对于主轴组件，又有许多特殊要求。 转精度 主轴组件的 旋转精度，是指装配后，在无载荷、低速转动（用手转动或低速机动转动的条件下，主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值。 当主轴以工作转速旋转时，与低速时相比，其旋转精度有所不同。这个差异，对于精密和高精度机床是不能忽略的。这时，还应测定它在工作转速下旋转时的 主轴组件的旋转精度决定于组件中各主要零部件如主轴、轴承等的制造精度和装配、调整精度。运动精度则还决定于主轴转速、轴承的设计和性能以及主轴组件的平衡。 静刚度 静刚度 或简称刚度，反映了机床或部、组、零件抵抗静态外载荷的能力。主轴组件的弯 曲刚度 K，定义为使主轴前端产生单位位移，在位移方向所需施加的力。 K=P/ （ N/ m） 影响主轴弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量和配置形式及预紧，滑动轴承的型式和油膜刚度，前后支承的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的却置方式，主轴组件的制造和装配质量等。目前对主轴组件的弯曲刚度标准尚无统一规定。 第页共 34 页 振性 工件的振动会影响工件的表面质量、刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，还会产生噪声，影响工作环境。如果发生切削自激振动，将严重影响加工质量，甚至可能使切削无法进行下去。 影响抗振性的主要因素是主轴组件的静刚度、质量分布和阻尼（特别是主轴前轴承的阻尼）。主轴的固有频率应远大于激振力的频率，使它不易发生共振。 变形 主轴组件的热变形使主轴伸长，使轴承的间隙发生变化。如果主轴轴承是滑动轴承，则温升使润滑油的粘度下降，从而降低轴承的承载能力。温度使主轴箱发生热膨胀，使主轴偏离正确位置。如果前、后轴承温升不同，还将使主轴倾斜。 由于受热膨胀是材料的固有性质，因此高精度机床如加工中心等要进一步提高加工精度，往往受到热变形的限制。 磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度。磨损后对精度有影响的部位首先是轴承，其次是安装夹具、或工件的部位如锥孔等。如果主轴装有滚动轴承，则支承处的耐磨性决定于滚动轴承，与轴颈无关。如果装有滑动轴承，则轴颈的耐磨性对精度的保持影响很大。为了提高耐磨性，一般机床的上述部位应淬硬至 约 1用高频淬火。 床主轴常用滚动轴承 承选型 主轴滚动轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响主轴组件的工作性能。 滚动轴承摩擦 阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定工作，在数控机床上广泛采用。但与滑动轴承相比，滚动轴承噪音大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗振性略差并且对转速有很大限制。数控机床主轴组件在可能的条件下，尽量使用滚动轴承，特别是大多数立式主轴和主轴装在套筒内能够作轴向移动的主轴。这时因滚动轴承可以用润滑脂润滑以 第页共 34 页 免漏油。滚动轴承根据滚动体的结构分为球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承三大类。 主轴支承分径向和推力支承。角接触轴承包括角接触球轴承和圆锥滚子轴承，兼起径向和推力支承的作用。主轴 轴承，可选用圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承和角接触球轴承。 主轴轴承，主要应根据精度、刚度和转速来选择。为了提高精度和刚度，主轴轴承的间隙应该是可调的。线接触的滚子轴承比点接触的球轴承刚度高，但在一定温升下允许的转速较低。下面简述几种常用的数控机床主轴轴承的结构特点和适用范围。 双列圆柱滚子轴承（ 内孔为 1： 12的锥孔，与主 的锥形轴颈相配合，轴向移动内圈，可把内圈胀大，以消除径向间隙或预紧，这种轴承只能承受径向载荷。 列双列圆柱滚子轴承内圈可分离， 类轴承多用于载荷较大、刚度要求高、中等转速的地方。 双向推力角接触球轴承 种轴承与双列圆柱滚子轴承相配套，用来承受轴向载荷。 角接触球轴承，这种轴承既可以承受径向载荷，又可承受轴向载荷。常用的接触角有两种： 250和 150。其中 250的编号为 7000号为 7190超轻型。 150的编号为 7000特轻型；或编号为7190超轻型。角接触球轴承多用于高速主轴，随接触角的不同有所区别， 250 的轴向刚度较高，但径向刚度和允许的转速约低，多用于车、镗、铣加工中心等主轴； 150 的转速可更高些，但轴向刚度较低，常用于轴向载荷较小，转速较高的磨床主轴或不承受轴向载荷的车、镗、铣主轴后轴承。这种轴承为点接触，刚度较低，为了提高刚度和承载能力，常用多联组配的办法 . 承精度 轴承的精度，分为 2、 4、 5、 6、 0 五级其中 2 级最高， 0 级为普通精度级。主轴轴承以 4级为主（记为 4）。高精度主轴可用 求较低的主轴或三支承主轴的辅助支承可用 。 和 一般不用。此外又规定了 2 种辅助精度等级 殊精密级）和 精密级。它们的旋转精度相当于 和，而内、外匿的尺寸精度则分别相当于 和 。由于轴承的工作精 第页共 34 页 度主要决定于旋转精度，箱体孔和主轴轴颈是根据一定的间隙和过盈要求配作的。因此，轴承内、外径的公差即使宽些也不影响工作精度，但却降低了成本。 不同精度等级的机床，主轴轴承的精度可参照表 控机床 ,可按精密级或高精度级选用。 表 轴轴承精度 机床精度等级 前轴承 后轴承 普通精度等级 4（ 4（ 高精度级 P) 承的刚度 滚动轴承在 0游隙下，轴承在外载荷作用下的变形为： 点接触的球轴承： r= r= （ 线接触滚子轴承 r= a= (式中 r、 a 径向和轴向变形（ m）； 接触角（ 0） 滚子的有效长度，等于滚子长度扣除两端倒角（ 作用于单个滚动体的径向和轴向载荷（ N） 5 (用于轴承上的径向和轴向载荷（ N） i、 z 滚动体的列数和每列的滚动体数 第页共 34 页 零游隙时轴承的刚度： K=当为球轴承： Kr=r= (Ka= (当为滚子轴承： K r=r=( (Ka=a= (式中 K r 、 轴承的径向和轴向刚度（ N/ m）。 由上述公式可知，滚动轴承刚度是载荷的函数。它随载荷的增大而增大。计算时，如果外载荷无法确定，可取额定动载荷的 1/10 作为轴承载荷，计算结果一般代表轴承刚度。 对于滚子轴承，刚度与载荷的 幂成正比，载荷对刚度的影响不大，因此计算时可以不考虑预紧。 对于球轴承，刚度与载荷的 1/3次幂成正比，预紧力对刚度的影响是明显的，计算时应考虑预紧力。有轴向预紧力 C。时的径向和轴向载荷分别为： ( (式中 径向和轴向外载荷（ N） 预紧力（ N） ， 接触角（ 0） 轴轴承刚度计算 轴前支承采用 列圆柱滚予轴承，精寰等级相当于 ；后支承采用 锥滚子轴承和 底推力轴承，精度等级相当于 轴轴承径向刚度如下： 表 轴轴承径向刚度 前轴承 后轴承 轴向刚度 1316N/ m 729N/ m 296N/ m 第页共 34 页 轴的结构设计 主轴的构造和形状主要决定于轴上所安装的传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装方法等。同时，还应考虑主轴的加工和装配的工艺性。为了便于装配，常把主轴作成阶梯形。 主轴头部的构造，应保证夹具、顶尖或刀具的准确安装，并便于装卸，还应尽量缩短主轴端的悬伸长度。主轴头部已标准化。 车床主轴是空心的，为了能通过较粗的棒料，中孔直径常希望大一些，但中孔对主轴刚度是有影响的， d/D（ 分别为中孔和主轴的直径）不宜大于 轴直径的选择 在设计之初，由于确定的只是一个设计方案，尚未确定具体构造。因此，只能根据统计资料，初步选择主轴直径。 车床、铣床以及其他一些机床的主轴上有多种零件。因装配的需要，主轴直径常是从前向后逐段减少的。因此，后轴颈的直径往往小于前轴颈。车床和铣床主轴的后轴颈的直径等于（ D。 轴材料及热处理 主轴允许受载后的弹性变形是很小的，由此引起的应力也很小。因此在一般情况下，强度不是需要考虑的主要问题。只有重载主轴，或因构造上的原因，主轴不得不设计得很细时，才需考虑强度问题。 在几何形状一定时， 主轴的刚度决定于材料的弹性模量。各种钢材的弹性模量几乎没有什么差别，因此刚度不是选择材料的依据。 主轴材料的选择，主要应根据耐磨性和热处理后变形的大小来选择。一般普通机床的主轴，可以采用 45 或 60 优质碳钢，调质到 250 左右。在头部锥孔，定心轴颈或定心锥面等部位，高频淬硬至 55。如果支承为滑动轴承，则轴颈处也需淬硬，硬度同上。精密机床的主轴，希望淬火应力要小，这时可用 400162渗碳淬硬。 主轴结构 （ 如图 ） 5（ 后端轴颈的直径 65（ 通孔直径38(前端锥孔为莫氏锥度 5号，材料 45 钢。 第页共 34 页 图 第四章 基于 轴的静力分析 轴静力分析概述 性静力分析的基本步骤 静力分析用来计算结构在固定不变载荷作用下的响应，如反力、位移、应变、应力等，也就是探讨结构受到外力后变形、应力、应变的大小。所谓固定不变的载荷作用，指结构受到的外力大小、方向均不随时间变化。静力分析中固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。一般来讲，静力分析所施加的载荷包括外部施加的作用力和压力、稳态的惯性力（如重力和离心力等）、位移载荷（如支座位移等）、温度载荷等。 构建有限元模型 创建有限元模型、设置单元类型、设定单元选项、定义单 元实常数、设置材料属性、划分网格。 施加载荷求解 定义分析类型（静力分析）、施加载荷和边界条件、求解。 后处理 供两种后处理方式， 者用于整个模型在某一载荷步（时间点）的结果。后者处理模型中特定点在所有载荷步（整个 第页共 34 页 瞬态过程）的结果。结果均用彩色云图、矢量图和列表来显示。 床主轴组件弯曲刚度 机床主轴组件（包括主轴、轴承和 6005钢工件）弯曲刚度 K，定义为使主轴前端产生单位位移，在位移方向所需施加的力，如图 K=P/ (N/ m) （ 虽然多数机床可以用弯曲刚度作为衡量主轴组件刚度的指标，但也有例外。例如钻床，钻头有两个刀刃，径向力互相抵消，轴向力虽很大，但在主轴上作用距离很短，主切削力是一个力偶。因此，钻床主轴的刚度指标是扭转刚度 N/L= (N m2/ (式中 作用的钮矩（ N m） L 扭矩的作用距离（ m） 扭转角（ 主轴弯曲刚度尚无标准，文献资料，从下列几个方面，提出了一些对主轴组件的刚度要求： 静态弹性变形对加工精度的影响有的资料推荐，可以根据复映误差来规定机床 根据主轴组件的变形占机床系统综合变形的比例确定组件的刚度。 有些文献推荐了一些主轴刚度的数值。例如有的资料推荐，在额定载荷作用下，主轴端部的变形，不得超过精度标准规定的主轴端部径向跳动的 1/3。有的工厂认为在额定载荷下，最大挠度）， 大倾角 y与 如果主轴上装有电动机转子（内连式电动机），则转子处的挠度不得超过电动机转子与定子之间的气隙的 1/10。 有的资料推荐，车床 250 320，主轴前端静刚度为 K100N/ m ， 00， K=120N/ m。卧式铣床工作台宽 B=200 250 K=100N/ m； B=320K=120N/ m。 瑞典 主轴当作一个简支梁，支承中间承受一集中载荷，对于一般生产型机床如车床和铣床等， K 250N/ m。 根据不出现切削自激振动的条件 自激振动稳定性可用极限切削宽度 生自激振动稳定性的判别 式： 第页共 34 页 21+ )/这个公式说明，对于一定的机床，存在着一个不产生自激振动的最大（极限）切削宽度。在设计机床时，可以根据机床的尺寸和性能，事先规定一个最大切削宽度，从而求得对机床的刚度要求 K= (1+ ) 表 5 钢时的 值 切削速度v(m/50 100 200 每转或每齿进给量（ 削系数（ N/ m 角 （度） 7 80 7 2 上公式，是在假设切削力方向、机床系统主振动方向和测量机床静态变形的方向都相同的前提下推导出来的。即假设三者都在 实上，切削力 向，而是与 y 向成夹角 。机床主振动方向一般也不在 Y 向。但为了简化分析，仍假设主振动方向和测量静变形的方向相同，即都在 。因此， y/y=y 2 (1+ ) (车削外圆时 ,此 2 (1+ ) (以上式中 车铣时的切削系数（ N/ m 由试验决定 ,见表 该机床要求的极限切削宽度（ 阻尼比，见表 变动的切削力 第页共 34 页 刀具的主偏角（度）。 从表 可以看出，随着切削速度和进给量的增加，切削系数疋。逐步降低。从 和 可知，对于一定的机床和一定的切削方式， 、 、 都是一定的。 低则 增加。即用较高的切削速度和较大的进给量，可以允许较大的极限切削宽度。在设计机床时，考虑到实际使用时的切削用量是各式各样的，所以取稳定性的下限来决定极限切削宽度玩。即取切削速度为50m/给量为每转 右。这时的 允许的 是偏于安全的。 式 方向的刚度要求。考虑到主轴组件是机床系统在抗振性方面的薄弱环节，因此近似地就把主轴系统的阻尼比代入式中的 ，计算出来的 样的计算是近似的。 表 件的阻尼比 主轴组件的结构 阻尼比 说 明 滚动轴承 双列向心短圆柱滚子轴承，向心推力轴承 主轴前轴承。当轴承预加载较大或用三支承时取大值，当主轴前轴承存在间隙时取 锥滚子轴承，双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承的组合 压滑动轴承 单油楔 主轴前轴承结构，主轴转速高或直径间隙小时取大值 多没楔 体静压轴承 用小孔节流或毛细管节流，高粘度的润滑油或油膜刚度较低时取大值 轴的典型工况 表 齿轮上的作用力 切削力 径向 扭矩等 第页共 34 页 工况 圆周力（ N） 力(N) 扭矩(N m) 效成作用于主轴的力偶（ N） 主切削力（ N） 进给切削力（ N） 切深切削力（ N） 第一工况 1249 454 112 1556 3750 1500 1500 第二工况 1200 437 54 750 1800 720 720 第三工况 428 156 19 27 642 257 257 轴静力分析 轴分别有高速和低速两个齿轮（ Z=45 和 Z=90）传入运动和动力，在主轴计算转速下工作，运动和动力由低速齿轮（ Z=90）传入，此时齿轮对主轴的作用力最大（切削用量： n=238r/mm,f=r，电机输出功率 所以将该情况作为主轴的一种工况对主轴进行分析，本文中称为主轴的第一工况。主轴的第一工况虽然对主轴的作用力最大，但力的作用点较靠近主轴前支承，当在运动和动力由高速齿轮（ Z=45）传入，车床进行粗车加工时（切削用量：n=530r/f=r，电机输出功率 3此工况称为主轴第二工况。为了分析车削加工出来的的零件的直线度误差，精车加工（切削用量：n=1190r/f=r，电机输出功率 该工况称为主轴的第三工况。主轴各工况的的载荷见表 轴 析的一般过程 建立模型 1）建立 在进行静力分析时为了较好的反映实际工况，将把卡盘和工件（工件尺寸 6090一并考虑。主轴几何模型的构建，可以利用 供的绘图功能进行绘制，也可以使用 件所提供的强大绘图功能进行图形绘制。轴利用 制三维模型，利用 接口把 制的三维模型导入到 进行育限元 分析。 2)定义单元类型 单元类型（ 定义用来决定用什么形状的微元来离散主轴。括杆、梁、板、壳、实体等 200 种单元可供选择 轴分析 第页共 34 页 选用的是 体单元。 3)定义实常数 用实常数（ 定义分析模型的截面特性。对于有些单元必须输入实常数，而对于有些单元则不需要输入实常数， 4)定义材料特性 轴材料为 45 钢，弹性模量 1011 泊松比为 度为7800kg/ 5）网格的划分 结构几何模型建立后，在将它分成小网格以供后续计算。网格分得越细，计算结果的误差越小，但所需要的计算时间也就越长。单元的划分很方便，只须在相关的线或面上定义出单元的长度或要划分的比例， 可以用自适应网格划分自动生成网格。要提高分析精度，可以有以下三种方法： a. 网格细分法（ b高次单元法（ 选择高次单元进行分析； c混合并行法（ 上述两者并用。 第页共 34 页 加载求解 加载求解一般分为三个部分，即施加约束条件、施加载荷以及求解计算。分析 轴时，分成两个载荷步进行求解，一个是力载荷步，另一个是转矩载荷步， 后通过后处理中的载荷工况 (求和操作，得到主轴在弯曲、扭转和压缩状态下的应力和变形。 1)施加约束或边界条件 约束是定义一个结构的固定部分，确定结构上那些部分的那些自由度为 0。在 轴力载荷步中，在与后轴承内圈接触的主轴表面上施加约束 、，在与前轴承内圈接触的主轴表面上施加约束 、 、 ，它们都施加在实体模型上，在求解时再转化到主轴的有限元模型上。在转矩载荷步中，主轴与齿轮接触处的断面上的所有节点施加约束 、 、 。 图 轴组件力载荷步 2）施加载荷 第页共 34 页 图 根据结构的实际情况， 布力、重力及预应力等。在 深抗力和进给抗力施加在工件的切削点处，主切削力移到工件下方，该力平移产生的力矩在转矩载荷步中处理，齿轮上的作用力等效为 中力施加于主轴的力载荷步，力矩在转矩载荷步中处理（图 这些载荷均施加在主轴的有限元模型，为了将载荷施加于相应的节点上，对主轴的有限元模型加载区域进行网格细化。主轴的受扭状态，等效为一端固定，另一端作用一力偶的模型（如图 3）求解计算 供了基于直接求解法的稀疏直接求解器（ 波前求解器（ 还提供了基于迭代求解法的 求解器、 求解器、 解器。 解器适合于求解良 态问题，用于实数或复数的对称或非对称矩阵； 括病态的梁 /壳结构分析），但只对实对称刚度矩阵有效； 解器比 解器更能求解病态问题，适合于实数或复数的对称或不对称矩阵。 轴分析时，采用的是稀疏直接求解器 ( 第页共 34 页 结果评价 这一步骤包括 全部后处理功能。包括列表、图示分析结果，也可以动态显示振动模型或其他分析图形。 为用户提供了一个询问数据的功能，可将图形窗口中的光标位置的数据显示出来。 轴组件组件刚度分析 主轴组件是机床重要组成部分之一，主轴组件的工作性能，对工件的加工质量和机床生产效率均有重要影响。机床的主轴刚度则是主轴重要性能之一，它反映了机床抵抗外载荷的能力，对于高精度机床而言，主轴刚度对机床的性能影响则更为重要。设计机床主轴时，总要进行刚度验算，用有限元法分析计算主轴组件刚度是一种有效的方法主轴组件由轴承、主轴、轴上传动零件、卡盘和工组成，在分析主轴组件的刚度时，忽略轴上传动零件， 主轴的第一工况和第二工况 齿轮在主轴上的位置不一样，因此分别对两工况下的刚度进行 析，主轴的第三工况属工件的精车阶段，主轴组件的变形将直接影响工件的加工精度，为此，对工件在切深方向的位移进行分析。它们分析结果如下： 第一工况主轴组件的刚度： 图 轴组件在切深方向的变形 第页共 34 页 由图 轴组件在第一工况下，削处的刚 度 12/0/107N/m。 车床的切削稳定性如下： 工件材料 45 钢，悬臂安装，横向切削。工作尺寸为：直径 d=长度L=具材料 硬质合金， =60 =50。切削参数为：v=50m/f=r。若要求车床切削稳定性好，则 于某一型号车床，由此可确定出不不产生自激振动的最大（极限）切削宽度 要求 床稳定性一般时极限切削宽度 计算得K=107N/m，因为切削处的刚度 令，打开 求选择分析的种类，选择“ ，单击 令，打开 置对话框，要求进行模态分析设置，选择“ 在 to 本框中输入 10，单击 钮。 话框，在 本框中输入 0，在 0000，单击 4. 施加边界条件 on 择后端面所在的轴承，坐标为（ 施加 Z 的的 二 个约束。 同理施加约束在前端轴承上，坐标为（ 施加约束为 Z。在 ()的端面上施加 5进行求解 从主菜单中 S 命令，打开一下确认对话框和状态列表，要求查看列出的求解选项。 查看列表中的信息确认无误后，单击 钮，开始求解。 显示求解过程中的状态，当出现 ，就可查看结果了。 第页共 34 页 图 振型 第页共 34 页 图 图 轴组件的第四阶振型 第页共 34 页 图 振型图 振型 第页共 34 页 图 振型 图 振型 第页共 34 页 图 振型 图 振型 态分析结果与分析 振型的大小只是一个相对的量值 (位移相对值 ),它表征的是各点在某一阶固有频率上振动量值的相对比值 ,反映该固有频率上振动的传递情况 ,并不反映实际振动的数值。 第页共 34 页 模态分析计算结果见表 1 1 1 2 1 2 2 3 1 3 3 4 1 4 4 5 1 5 5 6 1 6 6 7 1 7 7 8 1 8 8 9 1 9 9 10 1 10 10 利用 控车床的主轴组件和主轴进行了模态分析，得到以下结论： 轴的固有频率与主轴的质量分布有关，当主轴上无工件时的固有频率频率比主轴上夹持工件时高；提高主轴的支承刚度，可以提高主轴的固有频率；车床在加工过程中使用尾座支撑工件，可显著提高主轴组件的固有频率。 第六章总结 控车床主传动 控车床主传动采用通用变频器和普通异步交 流电动机驱动。电动机为 ,转速为 720/1440r/率为 3/过分析计算得到以下结论： （ 1） 主轴电动机功率偏小。主轴分级变速箱公比 以车床转速在380围类功率不足。 （ 2） 电动机的 电动机转速范围为 1440 379r 频器的频率范围为503 （ 3） 主传动的计算转速为 238r 第页共 34 页 轴的静态性能。 (1)用 107N/m、 107N/m。根据不出现切削自激振动的条件判定， (2)床精车时， 因主轴组件变 形 (包括轴承、主轴箱、主轴和工件 )，由此产生的直线度误差为 10 轴组件的模态分析 主轴的固有频率与主轴的质量分郝有关，当主轴上无工件时的固有频率比主轴上夹持工件时高；提高主轴的支承刚度，可以提高主轴的同有频率；车床在加工过程中使用 基于 主轴系统动态特性研究 一 绪论 高速加工是以大幅度提高切削速度来达到提高生产率，加工精度，加工质量和降低成本的现代化制造技术。在现代制造技术中，高速切削技术已经成为一个不可阻挡的发展潮流。高速机床是实现高速切削的首要条件，而高速电主轴是高速机床的核心部分，因而对高速电主轴的动态特性进行分析，优化结构设计，对提高高速机床性能有十分重要意义。 本文应用 有限元分析法对高速电主轴的动态进行研究分析。通过对结构设计中关键性的技术问题的解决，完成电主轴的结构设计，对提高电主轴单元典型工艺参数下主轴的切削力，主轴单元结构参数和高 速电主轴单元临界转速等参数进行了静态估算。对高速电主轴进行三维动态有限元建模，经过算，获得电主轴模态和谐响应特征，研究了电主轴的固有频率，振型和临界转速，并对高转速下，主轴的前端，后端，轴承所在的四个位置以及主轴转子中部位置所发生的最大动态位移进行了分析计算，验证了主轴结构设计的合理性。 究背景和主要内容 题主要技术指标 参考 阳轴承研究所电主轴，安阳莱必特机械有限公司等电主轴生产厂家产品技术指标，确定主要技术指标如下： 功 率 转速 扭矩特性： 16本转速 9000 主轴最高转速： 15000 动平衡精度： 几何精度：主轴鼻端径跳小于或等于 3 温升：主轴前轴承外周处温升低于 25； 噪声：小于 75 题研究内容 课题的目的在于以高速，大功率的铣削加工中心为研究目标，从提高主轴系统性能入手，对电机的结构设计，动态设计，分析电主轴的结构特点及其对动态特性的影响，对动态特性进行虚拟仿真分析，研究电主轴的单元温度分布场，主轴轴承的变形及其盈利的变化规律，主轴轴端变形规律，建立主轴有限元模型，利用 设计的主轴进行模态和谐响应的有限元分析。 速切削发展的历史背景及理论基础 高速切削 (般是指在高转速和高表面进给下的立铣。例如，以很高的金属去除率对铝合金飞机翼架的凹处进行切削。在过去的 60 年中，高速切削已经广泛应用于金属与非金属材料，包括有特定表面形状要求的零件生产和硬度高于或等于 50 材料切削。对于大部分淬火到约为 32钢零件，当前的切削选项包括：在软 (退火 )工况下材料的粗加工和半精加工切削达到最终硬度 = 63 求的热处理模具的某些零件的电极加工和放电加工 (特别是金切削刀具难于接近的小半径深凹穴 ) 用适合的硬质合金、金属陶瓷、整体硬质合金、混合的陶瓷或多晶立方氮化硼 (具进行的圆柱 /平 /凹穴表面的精加工和超精加工对于许多零件，生产过程牵涉到 这些选项的组合，在模具制造案例中，它还包括费时的精加工。结果导致生产成本高和准备时间长。在模具制造业中典型的是仅生产一个或几个同一产品。生产过程中产品不断改变，由于产品改变，需要进行测量与反向设计。主要标准是模具的尺寸和表面粗糙度方面的质量水平。如果加工后的质量水平低，不能满足要求，就需手工精加工。手工精加工可产生令人满意的表面粗糙度，但是对尺寸和槽形的精度总是产生不好的影响。这种模具制造业的主要难题之一已获解决，但现在仍然需要减少或免除手动抛光，从而提高质量、降低生产成本和缩短准备时间。 高速切削发展的主 要经济和技术因素生存市场上日益激烈的竞争导致不断设置新的标准。对时间和成本效率的要求越来越高。这就迫使新工艺和生产技术不断发展。高速切削提供了希望和解决方案 材料新的更难加工的材料已经强调了发现新的切削解决方案的必要性。航空航天业的心脏是用耐热合金钢和不锈钢制造的。汽车工业使用了不同的双金属材料、小石墨铸铁 (并增加了铝的用量。模具制造业必须面对切削高硬度的淬火钢的问题，从粗加工到精加工。质量对质量的高要求是空前激烈的竞争所导致的结果。高速切削如果使用得正确，可 以在这个领域提供一些解决方案。替代手工精加工是一个例子，这对有复杂 3D 槽形的模具尤为重要。工艺对加工时间更短的要求 后勤 )的要求在大部分情况下可由高速切削解决。模具制造业内的一个典型要求是在一次装卡中完成所有完全淬火小零件的切削。使用高速切削，可以减少和免除费时费钱的 电加工 )加工。设计与发展今日竞争中的主要方法之一是销售新奇的产品。现在小汽车的平均生命周期是 4 年，计算机和配件 1 年半，手机 3 个月 这种快速的改变式样和快速的开发产品的发展的先决条件是高速切削技术。复杂产 品零件多功能表面增加了，例如新设计的涡轮机叶片有新的和优化的特性与功能。早期的设计允许用手工或机器人 (机械手 )来抛光。有新的、复杂的形状的涡轮机叶片必须通过切屑来抛光，最好是用高速切削抛光。有越来越多的薄壁工件必须用切削进行精加工的例子 (医疗设备、电子、国防产品、计算机零件 )。产品设备切削材料、刀柄、机床、控制件，特别是性与设备的巨大发展就可能满足一些要求，这些要求是新的生产方法和技术提出的，是必须满足的。 速切削的原始定义 1931 年，德国一个专利中的 论讲到： “以某一高切削速度 (比常规切削高 5 )进行切削，在切削刃上去除切屑的温度开始降低 由以上得出结论： “似乎有用常规刀具以高切屑速度提高生产率的机会。 ”不幸的是，现代研究已经能全面验证这个理论。对于不同的材料，从某一切削速度开始切削刃上的温度有相对降低。对于钢和铸铁来说，这种温度相对降低不大。但是，但是对铝和其它非金属则是大的。高速切削的定义必须依据其它因素。今日的高速切削的定义是什么？对于高速切削的讨论在一定程度上是混乱的。关于高速切削的定义，存在许多观点、许多谜团和许多方法和许多方法。让我们看一 下这些定义中的几个：在下面的讨论影响高速切削过程的参数。从实用的观点描述高速切削非常重要，这也可为高速切削的应用提供许多实用准则。实际切削速度 因为切削速度取决于主轴转速和刀具的直径，高速切削应定义为 “实际切削速度 ”高于一定水平 例外是，当在铝和其它有色金属中切削和所有材料的精加工和超精加工工序时，在淬硬工具钢中的高速切削特性。 Vf=fznz 浅深度切削非常必要的和典型的高速切削应用是切削深度 向切削深度 )和 向切削深度 )和平均切屑厚度常规 切削相比小得多的切削。因而金属去除率 Q 远比常规的小。例外是，在铝和其它有色金属中切削和所有材料的精加工和超精加工工序。 Q= apf 在淬硬工具钢中的高速切削特性在模具制造业，最大的经济工件尺寸约为 400400150 (长 宽 高 )。最大尺寸与高速切削中相对低的材料去除率有关。当然也与机床的动力特性和大小有关。如前面所述，大部分模具在完全的切削 (单次装卡 )中尺寸相当小。进行的典型工序为粗加工、半精加工、精加工和许多情况下的超精加工。圆角和圆弧的铣削总是要为后面工序的刀具留下 一定的余量。在许多情况下，要使用 3刀具。通常直径范围为 1 80 到 90%情况下，切削材料是整体硬质合金立铣刀或球头立铣刀。常常使用有大圆角的立铣刀。整体硬质合金刀具的切削刃加强了，前角为零或负 (主要用于硬度在 54 上的材料 )。一个典型的和重要的设计特点是为了得到最大弯曲强度而加厚了芯。使用有短切削刃和接触长度的球头立铣刀是有利的。另一个重要的设计特点是掏槽能力，当沿陡壁切削时，这必需的。也可以使用带可转位刀片的尺寸较小的切削刀具。特别是用于粗加工和半精加工。这些刀具应有很大的刀柄稳 定性和弯曲刚度。锥度刀柄提高了刚度，重金属制成的刀柄也提高了刚度。模具的槽形应当是浅的，不能太复杂。一些槽形也适合使用具有高生产率的高速切削。使轮廓切削刀具的路径与顺铣结合得越好，切削效果越好。 一个精加工或半精加工时应遵循的原则是采取浅深度切削。.2 mm(ae/这是为了避免刀柄 /切削刀具产生过大的弯曲，以保持模具的小公差和槽形精度。每个刀具均匀分布的余量也是保证恒定的个高的生产率的条件。当 ae/定时，切削速度和进给率应总是保持在高的水平上。这样，机械变化和切削刃上 的负载会较小，刀具寿命也提高了。 切削参数 或 层的整体硬质合金立铣刀在淬硬钢 (4的典型切削参数： (4粗加工实际切削速度 100 m/向切削速度 )：刀具直径的 6 向切削深度 )：刀具直径的 35 给量每齿 )： 半精加工实际切削速度 150m/向切削速 度 )：刀具直径的 3 向切削深度 )：刀具直径的 20 给量每齿 )：5 精加工和超精加工实际切削速度 200m/向切削速度 )： 向切削深度 )： 齿进给量 )： 当然，这些值与外杆、悬伸、应用的稳定性、刀具直径、材料硬度等有关。这些值仅是典型值和具体的某一应用的值。在对高速切削的讨论中，有时可以看到提到的切削速度值是极高和不现实的。 速切削的实用定义 是简单意义上的高速切削速度。它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的工艺。高速切削无 需高转速主轴切削。许多高速切削应用是以中等转速主轴并采用大尺寸刀具进行的。 如果在高切削速度和高进给条件下对淬硬钢进行精加工，切削参数可为常规的 4到 6 倍。在这些情况中，切削速度 能是用刀具的名义直径计算的，而不是用切削的有效直径。例如： 90角的立铣刀，直径 6 际切削速度为 250 m/ 13 262 r/头立铣刀，名义直径为 6 向切削深度 .2 有效切削直径为 际切削速度为 250 m/的主轴转速 = 36 942 r/小尺寸零件的粗加工到精加工、精加工及任何尺寸零件的超精加工中， 味着高生产率切削。 零件形状变得越来越复杂，高速切削也就显得越来越重要 。 速加工的现状 高速加工是面向 21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在航天、汽车、模具制造、光电工程和仪器仪表等行业中获得越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。 一般来说能称为高速加工中心的，其切削速度和进给速度为常规的 10倍左右，也就是说主轴的转速超过 20000r/至能达到 60000r/削速度达到 60m/至 120m/仅如此，为了降低辅助时间要求能在瞬间达到高速和在高速行程中瞬间准停。对于多轴联动的加工中心而言，同时要求在最短的时间内实现自动换刀，并最大限度地缩短切削 转工作台和叉形主轴的运动速度，要高出传统传动方式 56倍。要满足上述要求，就需要主机在具有高动、静刚度的同时，还要配备高性能的功能部件，如高速电主轴、直线电机、转矩电机、高速自动换刀机构和控制系统等。 速加工中心主要功能部件的发展现状和 趋势 对于高速加工中心而言电主轴已成为机床的核心部件，由于在高速加工领域中多采用小直径的铣刀（直径仅 而要满足 150m/上的切削速度就要求提高主轴的转速。目前，主轴转速在 2000040000r/加工中 心已经越来越普及，如瑞士 司的 设备的主轴转速已达到54000r/了适应高转速所产生的温升、振动和位移，主轴轴承采用陶瓷轴承、磁力轴承和空气轴承替代了传统轴承；同时对主轴高转速带来的温升、位移和振动进行测量、修正 和补偿，以确保主轴系统的高速度和高精度。目前德国的司已生产出采用空气轴承的主轴最高转速达 160000r/ 5 轴高精度铣床，德国 在研制 300000r/高速主轴。 对于高速加工中心而言，高的切削速度固然是主导因素，然而要实现真正的高效加工，提高进给速度和降低辅助时间尤为重要。 由于直线电机技术的迅猛发展，其速度高、加速度大、定位精度和跟踪精度高及行程不受限制的优势已充分体现在高速加工中心上，如德国德马吉公司的 快速进给速度已达到 90m/速度达到2g，相应的定位精度和重复定位精度也有大幅度提高，目前直线电机的发展已经提高到 120m/至 200m/速度达到 6g，当然如此高的加速度情况下提高机床的刚度就显得尤为重要。 对于多轴联动的高速加工中心、回转工作台和叉形主轴的摆动和回转是通过转矩电机实现的，它就和直线电机一样采用了直接驱动的方式来实现高转速和高加速度，其能达到的角加速度是传统蜗轮蜗杆传动的 6 倍，加速度可达到3g。 直线电机和转矩电机在高速加工中心上的组 合应用为高速度、高精度和高的表面质量加工模具提供了最佳条件。 作为高速加工中心重要部件之一的自动换刀装置（ 高速化也相应成为高速加工中心的重要技术指标。 快速自动换刀技术是以减少辅助加工时间为主要目的，在尽可能短的时间内完成刀具自动交换的技术方法，如采用机械凸轮机构的自动换刀装置，其速度要大大高于液压和气动换刀装置。日本 司生产的 时为了提高自动换刀时间还采用了如多主轴换刀、双主轴换刀和多机械 手换刀等方式，如奥地利 司生产的多主轴加工中心，实现了切削 国 司采用多机械手的换刀机构实现了切削 动换刀机构的发展有力地推动了高速加工的实现。 要实现高速加工必须配以高性能的 为它是决定机床加工速度、精度和加工件表面质量等性能的重要因素。首先在加工高精度空间曲面时，复杂的刀具轨迹需要庞大的加工程序，因此，程序段处理时间的长短是决定前如海德汉的 程序段的处理时间可达 缩短程序处理时间外，控制系统还具有能以纳米的分辨率进行工作的 便在高速加工的情况下获得高的加工精度和表面质量。另外，其还必须能与不同厂家的 尤其对 5轴联动加工，巨大的数据程序可以通过 大限度的缩短调整时间和编程时间。 机床行业发展趋势 虚拟轴机床由于具有运动惯量小、刚性潜力大、结构简单、造价低和 5轴 5面加工等特点，对加工模具具有很大潜力，当前虚拟机床已进入实际应用阶段。 目前，虚拟轴机床的热门产品是瑞典 立开普特）公司的 “ 三条腿 ” 机床。它配备了大功率电主轴，功率达 48高转速为 30000r/径 ?170进速 度达 65m/速度高达 20m/而切削效率很高。其工作台直径为 备 12把刀，换刀时间 510s，特别适用于模具加工。据悉，该产品已出售 100 多台，其中 6台进入中国。用虚拟轴机床组成的 在瑞典 万多台发动机。 为了进一步提高生产率，复合加工机床应运而生，如日本 床公司的 立式加工中心和车床削中心组合机以及日本 司的200Y 复合机床，都综合了加工中心和车削中心的加工功能，可完成复合 加工。一次装夹可完成车、钻、铣、攻等工序，并可达到很高的切削精度，而且夹具简单，减少了成本。又如德国的 司的 复合中心可进行成型、焊接、攻丝、车螺纹、装配和检测等工序，提供了最大限度的柔性和生产率，进一步缩短了非生产时间。 传统切削过程多采用切削液提高刀具寿命，改善加工表面质量，并利于排出切削热，但是在高速切削过程中切削液的飞溅和形成的雾状液滴将污染操作现场和影响操作者健康，而变质切削液的更换排放又会影响环境，因而发展满足环保要求的干切 削技术是绿色制造的一项重要内容。尤其要求强烈的是汽车工业，因为切削液的价格很高，典型生产线设备的刀具成本约占 50，喷淋占 30，再加上收集和处理废液带来的高昂成本，因此，其设备若换成干式加工，不仅降低了生产成本又满足了环保要求 日本 司预报了未来 20 年技术发展的新概念，它的机床模型特征是：数字化机械和数字化通信的结合，其规格参数将达到如下指标：主轴转速100000r/动加速度 8g；切削速度 660m/s（ 2马赫）；采用主轴停止机换刀；工作台最小 分度精度 1/100000；工作台转速 8000r/6轴控制 5轴同时联动，在这台干切削机床上，可同时具有车削、铣削、激光淬火、内外圆磨削及机内测量。 总之，高速加工中心是一种高技术的集成产品，是机、电、液、气及刀具等各技术领域发展的综合反映，它们既相互促进又相互制约，如加工中心高速技术的发展就要求数控系统提高运算速度，从 32位提升到 64位，分辨率的提高促进了机床定位精度的提高，生产效率的提高就要求提高主轴转速和进给速度，这就促进了电主轴和直线电机的发展，同样近年来刀具技术的发展有力地支持了机床高 速化的发展，使提高切削速度成为可能。而机床高速化也推动了刀具技术的发展，相信在不久的将来像日本 速切削的优点 1、随切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高 510倍。高速切削的材料去除率通常是常规的 3 6 倍，甚至更高。同时机床快速空程速度的大幅度提高，也大大减少了非切削的空行程时间，从而极大地提高了机床的生产率。 2、刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区窄，变形系数 减小，切削力降低大概 30%90%。同时，由于切削力小，让刀也小，提高了加工质量。 3、刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度。 4、工件表面质量好。首先 ，工件粗糙度好，其次切削线速度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小，十分容易获得好的表面质量。 5、高速切削刀具热硬性好，且切削热量大 部分被高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削，不用冷却液，减少了对环境的污染，能实现绿色加工。 6、可完成高硬度材料和硬度高达 硬钢的加工。如采用带有特殊涂层(硬质合金刀具，在高速、大进给和小切削量的条件下，完成高硬度材料和淬硬钢的加工，不仅效率高出电加工 ( 36 倍，而且获得十分高的表面质量 (基本上不用钳工抛光。 7、降低成本。 速电主轴的发展及现状 1： 向高速大功率、低速大转矩方向发展 根据实际使用的需要，多数数控机床需要 同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此，机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。如意大利 士 国 制造商生产的加工中心用电主轴，低速段输出转矩到 200国 30N m；在高速段大功率方面，一般在 50主轴的最大输出功率为 50士 51)，用于航空器制造和模具加工；更有电主轴功率达到 80 2:进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展 用户对数控机床的精度和使用可靠性提出了越来越高的要求，作为数控机床核心功能部件之一的电主轴，要求其本身的精度和可靠性随之越来越高。如主轴径向跳动在 内、轴向定位精度 时，由于采用了特殊的精密主轴轴承、先进的润滑方法以及特殊的预负荷施加方式，电主轴的寿命相应得到了延长，其使用可靠性越来越高。 低轴承振动加速度水平，为了监视和限制轴承上的振动，安装了振 动监测模块，以延长电主轴工作寿命。 3： 电主轴内装电机性能和形式多样化 为满足实际应用的需要，电主轴电机的性能得到了改善，如瑞士轴电机输出的恒转矩高转速与恒功率高转速之比 (即恒功率调速范围 )达到了 l： 14。此外，出现了永磁同步电机电主轴，与相同功率的异步电机电主轴相比，同步电机电主轴的外形尺寸小，有利于提高功率密度，实现小尺寸、大功率。 向快速启、停方向发展 为缩短辅助时间，提高效率，要求数控机床电主轴的启、停时间越短越好，因此需要很高的启动和停机加 (减 )速度。目前，国 外机床电主轴的启、停加 速度可达到 速启、停时间在 内。 4： 轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化 除了常规的钢制滚动轴承外，近年来陶瓷球混合轴承越来越得到广泛的应用，润滑方式有油脂、油雾、油气等，尤其是油气润滑方法 (又称 由于具有适应高速、环保节能的特点，得到越来越广泛的推广和应用；滚动轴承的预负荷施加方式除了刚性预负荷 (又称定位预负荷 )、弹性预负荷 (又称定压预负荷 )之外，又发展了一种智能预负荷方式，即利用液压油缸对轴承施加预负荷，并且可以根据主轴的转速、负载等具体工 况控制预负荷的大小，使轴承的支承性能更加优良。在非接触形式轴承支承的电主轴方面，如磁浮轴承、气浮轴承电主轴 (瑞士 )、液浮轴承电主轴 (美国 )等已经有系列商品供应市场。 5： 刀具接口逐步趋于 机床主轴高速化后，由于离心力作用，传统的 ： 24)刀柄结构已经不能满足使用要求，需要采用 ： 10)等其它符合高速要求的刀柄接口形式。 的传递扭矩能力、高的刀具重复定位精度和联接可靠性，特别适合在高速、 高精度情况下使用。因此， 如瑞士的 国的 大利 )。近年来由 司提出的 具接口也开始在机床行业得到应用，其基本原理与 传递扭矩的能力稍大一些，缺点是主轴轴端内孔加工困难较大，工艺比较复杂。 6： 向多功能、智能化方向发展 在多功能方面，有角向停机精确定位 (准停 )、 刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密补偿、换刀自动动平衡技术等。在智能化方面，主 要表现在各种安全保护和故障监测诊断措施，如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、主轴振动信号监测和故障异常诊断、轴向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监测和自动控制、刀具磨损和损坏信号监控等，如 主轴安装有诊断模块，维修人员可通过红外接口读取数据，识别过载，统计电主轴工作寿命。 国电主轴技术的现状及与国外的差距 国内从事电主轴研究与生产的企业总体上来说与国外上述公司相比在产品研发以及技术的创新能力上不具有优势，但是具有相对的成本优 势。国外数控机床主轴公司往往只负责主轴的总体设计、技术研发以及零部件装配和测试工作，其余的关键零部件例如：主轴轴承、内装电机、主轴松拉刀机构、动力油缸或气缸、主轴轴承润滑油品等全部实行采购，在产业的分工与合作上具有很强的组织性和互补性，同时由于分工的细致，机床主轴生产商与各附件生产商之间形成了良性的循环，各自针对本专业的关键技术投入人力物力进行科技攻关，由此带动了国外电主轴行业的整体技术进步。 反观国内厂商，各自为战，技术资源分散，除洛阳轴研科技作为原来国家轴承行业的技术归口所拥有一定的综合研发实力外，其他 的企业基本上是在模仿国内外同行的产品进行生产，技术实力较弱，创新能力严重不足。在涉及电主轴轴承润滑、零部件材料选取以及加工工艺、内装式主轴电机、松拉刀接口、主轴轴承润滑油品等方面没有自己独立的知识产权和核心技术，尤其是在电主轴的附件领域如伺服驱动控制器、编码器、动力油缸或气缸、智能传感器等方面表现的更为突出，基本上是国外产品包打天下。这也 是直到目前为止制约国产高档数控机床发展的关键原因所在。 速主轴的动静态特性的研究现状 主轴单元的动静态特性包括主轴的变形，共振频率，临界转速和动态响应等。其对主 轴的速度和精度性能有很大的影响，有关研究早在上世纪 20年代就开始了，大致可分为三个阶段。 上世纪六十年代以前，基本上采用经验类比法进行主轴结构和动力学特性的设计，六十年代初，开始出现最佳跨距的计算，使主轴的结构设计有了很大的改进，由于计算方法和计算手段的限制，对对动力学模型进行简化后，仍只能用图解法或解析法分析，不仅方法繁琐，使用不方便，而且计算精度低。 近二十年来，由于计算机和计算技术的发展，主轴单元动力特性研究进入了新的研究阶段。各种计算机分析方法相继问世，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。 在国内从事这一领域研究的也很多，特别是早期对普通主轴动特性的研究， 1992年，江苏工学院的付华应用试验模态与有限元计算方法相结合，对传统主轴部件进行动力特性分析，并对主轴进行动力修改。 1994 年，大连理工大学的肖署红用有限元分析法与迭代的分析方法，编制了主轴的静动态分析软件， 1999 年，沈阳工业学院的史安娜等对主轴部件建立了空间梁单元模型，并在此基础上对其进行动静态分析，同年洛阳工学院的陈全兵等在主轴的有限元法和超高速轴承的滚道理论的基础上，给出了超高速轴 2000 年，北京理工大学的刘素华利用有限元分析软件 2001 年，浙江大学的蒋兴奇考虑轴承的载荷和变形的非线性特性及摩擦热的情况下，建立了主轴变形和固有频率的计算方法，同年，杨曼云等利用 件对 式加工中心的主轴进行了动静态特性分析。武汉 理工大学的杨光等利用传递矩阵法对电主轴系统进行了动力学特性分析 ，无锡机床股份有限公司的蔡英等基于 递矩阵法，对 综合以上文献可以发现，其中的有限差分法只能把主轴近似成 ，有限元法可以分析 ， ，但必须把轴承载荷和变形关系进行线性化，同时对轴承载荷进行积分以求广义的载荷，而传递矩阵法虽然具有程序简单，所需内存小等优点，但其在计算高阶模态时，计算精度将急剧下降，有时甚至会导致有效数据的丧失。而且，除了利用特定软件进行分析，较易完成外，其他各种方法都需要进行复杂的理论计算。总之，上述方法各有优缺点，随着设计要求的提高，只有全面的考虑各种因素对主轴单元动力学特性的影响，尤其是过去被简化被忽略的因素的影响，才能得到更加接近实际的分析计算结果。 2004年，广东工业大学的胡爱玲利用 高速电主轴动静态特性的研究又前进了一步。 本课题采用 限元分析来分析高速电主轴的动态特性。 件是一种应用广泛的工程有限元分析软件，主要利用有限元法所探讨的工程系统转化成一个有限元系统，该有限系统有节点和元素组合而成，以取代原有的工程系统，有限元系统可以转化为一个数学模式，并根据该数学模式得到该有限元系统的解答，且可以通过节点，元素把结果表现出 来。完整的游侠暖模型除了节点，元素外，还包含工程系统本身所具有的边界条件，如约束条件，外力的负载等。这个软件 比上述的 有更加完善的前后处理功能，因此能更有效地建立好分析模型。 二 高速电主轴的结构设计 速电主轴轴上零件无键联结 轴 与 轴上零件过盈量的计算 计算原则：过盈配合应该保证过盈联结的结合强度和结合件的零件强度。结合强度是指外负荷的作用下，结合件之间没有相对移动，能可靠的传递给定的负荷，连接件的零件强度，是指连接件在结合压力的作用下，产生的复合应力不超过设计给定的极限值，能够安全可靠的工作。 计算方法：过盈量的计算即在保证结合强度的条件下，计算出承受外载荷的最小过盈量 和保证连接件的强度条件下所容许的最大过盈量 ，并以此来选定恰当的配合。在这种情况下，应认为所选用的过盈配合条件下，零件不发生塑性变形，甚至在最大的应力区存在一定塑性变形的条件 下，所设计的过盈配合仍能安全可靠的工作。 假设在静态下即转速为 0时，过盈连接面传递扭矩为 时，有弹性力学原理，过盈连接传递负载所需要的最小有效过盈量 可按下列公式计算： = . / 2 = 2中， ， 过盈材料和主轴材料弹性模量； 包容件与被包容件的直径比有关的系数。 结合加工工艺，装配要求，工作温度等因素并引入安全系数 等对修正，则在静态条件下，求的传递力矩或者承受轴向力所需要的最小过盈量，按下列公式进行计算： = + + + 2中， 考虑表面粗糙度影响的修正量， 考虑连接件的表面温度与装配温度之差以及主轴与过盈套材料线膨胀系数之差的其修正量， 重复拆卸引起的过盈量的减 小。 以上修正量的计算或确定可从机械设计手册中查得。 主轴高速旋转时过盈套受离心力，该离心力可引起过樱桃的内控的扩张，导致过盈量减小。当主轴材料和过盈套材料的泊松比，弹性模量和密度相差不大时， 离心力引起的过盈量减少量 可由下式计算 = +( ) 2中，是轴的转速；是主轴材料和过盈套材料的密度； v 是主轴材料和过盈套材料的泊松比； E 是主轴材料和过盈套材料的弹性模量。 有以上可知，当考虑转速影响时传递力矩或者承受轴向力所需要的最小过盈量按下式计算 =K（ ） 2中， 荷波动的影响和可靠性安全性而引入的安全系数。 有第四强度理论，过盈套和轴不产生弹性变形所容许的最大结合压力 和主轴结合面不产生塑性变形的最大结合压力 分别为 = 2 2中， ， 分别为过盈套材料的屈服强度。 在弹性范围内，过盈连接结合面不发生塑性变形所容许的最大有效过盈量 按下式计算 = d( ) 2 以 上 各 式 ， 当 转 速 为，过盈连接面传递扭矩为 ，过盈套与轴之间过盈量 应满足以下要求 2速电主轴单元结构参数估算 型工艺参数下主轴所受切削力的计算 铣刀的平均圆周切削力 已知条件 电主轴对工件进行精加工，主轴转速大于 10000r/铣工件： 45钢 刀具：高速钢立铣刀，铣刀直径 ,铣刀齿数 Z=4， 切削用量：背吃刀量 =10 侧吃刀量 =2 每齿进
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