（机械制造及其自动化专业论文）加工中心用电主轴结构设计及其仿真分析.pdf

摘要 加工中心用电主轴结构设计及其仿真分析 摘要 本文以中小型加工中心用电主轴为研究对象，对其进行结构设计，然后运用a n s y s 软件，用有限元分析方法对高速电主轴的动态特性和热态特性进行研究分析，具体包括： 1 、通过对结构设计中一些关键性技术问题的解决，如主轴单元结构参数静态估算、 电机的选型和冷却、轴承的选型和润滑冷却、主轴动平衡设计等，完成电主轴的结构设 计。 2 、对高速电主轴进行三维动态有限元建模，经a n s y s 计算分析，得到电主轴的模 态特性和谐相应特性：研究了电主轴的振型、固有频率和临界转速，分析了电主轴各部 分对频率的动态响应位移，验证了主轴结构设计的合理性，并提出改善电主轴动态特性 的措施。 3 、对高速电主轴建立二维轴对称有限元模型，经a n s y s 计算分析，得到电主轴的 温升和温度场分布情况，稳态热分析后对电主轴有限元模型施加温度载荷进行热结构耦 合分析，对电主轴的热变形和热应力情况进行分析和讨论，最后提出改善电主轴热态特 性的措施及改进建议。 关键词：电主轴；动态特性；热态特性；有限元分析；a n s y s a b s t r a c t加工中心用电主轴结构设计及其仿真分析 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa b o u tt h er e s e a r c ho fm o t o r i z e ds p i n d l e su s e di nm i d d l ea n ds m a l ls c a l e c n c m a c h i n i n gc e n t e r s f i r s t l yi th a sm a d et h es t r u c t u r ed e s i g no ft h es p i n d l e ，a n dt h e n , t h e d y n a m i ca n dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ea r es t u d i e d w i ma n s y s s o f t w a r eb yf e a d e t a i l so fs t u d i e sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ec o n s t r u c t i o no ft h em o t o r i z e ds p i n d l ei sd e s i g n e db a s e do ns o l v i n gs o m ec r i t i c a l p r o b l e m si n c o n s t r u c t i o nd e s i g ns u c ha s t h es t a t i ce s t i m a t eo ft h es p i n d l e sc o n s t r u c t i o n p a r a m e t e r , t h ec h o i c eo fm o t o ra n di t sc o o l i n g ，t h ec h o i c eo fb e a r i n g s a n da l s ot h e i r l u b r i c a t i n ga n dc o o l i n g ，d e s i g nf o r t h ed y n a m i cb a l a n c e 2 t h r e e d i m e n s i o n a lf e am o d e lo ft h em o t o r i z e ds p i n d l ea r eb u i l tu pw i t ha n s y s b a s e do nt h e3 df e am o d e l t h em o d a la n dh a r m o n i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e m o t o r i z e ds p i n d l ea r ea n a l y z e d ，a n da l s ot h ev i b r a t i o nm o d e ，n a t u r a lf r e q u e n c ya n dc r i t i c a l r o t a t i o nr a t ea r es t u d i e d p a r t so ft h es p i n d l e sd y n a m i cd i s p l a c e m e n tr e s p o n s et ot h e f r e q u e n c ya l s oa r es t u d i e d ，t h e r e f o r e ，t h er a t i o n a l i t yo f t h es p i n d l ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o na r e v a l i d a t e d a tl a s t ，s o m em e a s u r e sf o ri m p r o v i n gt 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 d s p i n d l ea r eb r o u g h tf o r w a r d 3 t w o d i m e n s i o n a lf e am o d e lo ft h em o t o r i z e ds p i n d l ea r eb u i l tu pw i t ha n s y s b a s e do nt h e2 一df e am o d e l ，t h ec h a n g eo ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h et e m p e r a t u r er a i s i n g s i t u a t i o no ft h em o t o r i z e ds p i n d l ea r ea n a l y z e d ，t h e nt h et h e r m a la n ds t r u c t u r ec o u p l i n g a n a l y s i sa r es t u d i e db yl o a d i n gt e m p e r a t u r ea f t e rs t a t i ct h e r m a la n a l y z e ，t h e r m a ld e f o r m a t i o n a n dh e a ts t r e s so ft h em o t o r i z e ds p i n d l ei sa l s oi na na n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n a tl a s t ，s o m e m e a s u r e sf o ri m p r o v i n gt h et h e r m a lc 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 eb r o u g h t f o r w a r d k e yw o r d s ：m o t o r i z e ds p i n d l e ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ；t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ；a n s y s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：叠塑少峰月 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：聋塑 矽彦年多月铂 硕士学位论文 加工中心用电主轴结构设计及其仿真分析 1 绪论 1 1 电主轴概述 1 1 1 电主轴概念 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一体化 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。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，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。 主轴部件是加工中心的主要功能部件，是决定机床高速化和高精度的关键部分，始 终是机床技术发展的基础。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”( 如图1 1 所示) 【l l 。它在英文中有多种称谓，如e l e c t r o s p i n d l e ， m o t o r s 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 出f 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 t d r i v e s 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。 图11 电主轴 l 一连接装置2 一轴承外圈套筒3 一电机冷却液套筒4 一矢量控制 5 位置传感器6 一刀具接口7 一主轴轴承组 1 绪论 硕士学位论文 1 1 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发热的问题，从而需要设计专门用于冷 却电动机的油冷或水冷系统；高频电动机要有变频器等驱动器，以实现主轴转速的变换； 高速轴承有时要有专门的润滑装置以及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。 电主轴单元系统一般有以下部件及系统组成【2 】： ( 1 ) 电动机接受驱动控制器提供的中频电，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 轴内腔的热交换器。 ( 4 ) 松拉刀系统为电主轴单元实现气( 液) 动松拉刀而设置在转轴体内的机构。 ( 5 ) 松刀气、液压缸 电主轴松刀时向松拉刀机构提供动力源的部件。 ( 6 ) 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。 ( 7 ) 刀具冷却系统在统一设计前提下，电主轴单元对刀具冷却通道采取统筹兼顾 的措施。 ( 8 ) 编码安装调整系统加工中心、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 1 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。 1 2 电主轴应用现状及其发展趋势 1 2 1 电主轴的应用现状 传统机床主轴是由电动机通过变速和传动装置驱动主轴旋转而工作的，与机械主轴 相比，电主轴具有结构简单紧凑、效率高、振动小和精度高等优点，已经成为现代高速 数控机床主轴的主要形式，在机械、电子、航天航空、国防、冶金等各个领域内得到广 2 硕士学位论文加工中心用电主轴结构设计及其仿真分析 泛应用。 ( 1 ) 齿轮加工机床上的应用【3 】2 0 0 7 年9 月在德国汉诺威举行的欧洲机床展上 世界各国的齿轮加工机床制造商展出了各自的最新技术和最新产品，齿轮加工机床如滚 齿机和磨齿机普遍采用电主轴和力矩电机，使机床的转速进一步提高，高精度、高速高 效、复合化、智能化及信息化仍将是今后齿轮机床的发展方向。 ( 2 ) 功能复合的加工中心【4 】功能复合的目的是进一步提高机床的生产效率，使 用于非加工辅助时间减至最少，如果再配以电主轴提高主轴转速，则能更好地提高效率， 提高加工精度。像我国广州敏嘉公司研制的车铣复合中心采用自行研制的电主轴，在滚 珠丝杠行业的市场占有率极高，这也是国产机床发展的一个亮点。 ( 3 ) 高速切削【5 j高速切削是电主轴应用比较广泛的领域，国内外众多公司也都 在这方面进行不断的研究和开发。德马吉公司最近开发了一个系列化的适应各种工件尺 寸和加工任务的高速切削技术以及五轴联动高速铣技术。这个产品线满足了全方位要 求，超坚固结构设计构成超高速运动的基础，高频高转速h s k 主轴为标准配置，全部 直线轴和旋转轴全部采用直接驱动技术。 ( 4 ) 气静压电主轴的研制与应用【6 】气静压电主轴是一个功能部件，在国外已应 用于高速精密磨削、铣削、雕刻和难加工材料的微小孔钻削及抛光等。它是空气静压轴 承应用的一个重要方面，涉及的行业范围广数量大。美国p o p e 公司、英国w e s t w i n d 公司、日本东芝公司等，都已进行专业化生产，并有系列产品供应。 ( 5 ) 电主轴应用于医学设备r 7 】德国k a v o 电主轴主要运用于牙科类医用产品、 电磨头等高速旋转轴的场合，速度可达8 0 0 0 0 r m i n ，运行相当平稳。 1 2 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，人们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【8 】： ( 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。 ( 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 绪论硕士学位论文 ( 5 ) 向快速起、停方向发展为了缩短辅助时间，提高效率，要求数控机床电主 轴的起、停时间越短越好，因此需要很高的起停加速度。 ( 6 ) 向超高速方向发展对于某些特殊零件的加工和特殊行业，要求切削工具的 转速越高越好，如微型轴承的小孔磨削加工，油泵油嘴的小孔磨削加工等所用的电主轴 转速都已经达到1 5 0 0 0 0 r m i n 。 1 3 电主轴对高速加工及现代数控机床发展的意义 以高切削速度、高进给速度、高加工精度为主要特征的高速加工是当代四大先进制 造技术之一。要发展和应用高速加工技术，首先必须有性能优良的高速数控机床，而数 控机床性能的好坏则首先取决于高速主轴，其性能的好坏在很大程度上决定了整台高速 机床的加工精度和生产效率。 电主轴单元以其结构紧凑、效率高、精度高的优点被广泛应用于各个领域，对现代 数控机床的发展及高速加工技术产生了深远的影响，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 促进了高速加工技术与机床的发展。电主轴是由内装式电动机直接驱动，更 容易满足高速加工对机床“高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求，与机床高速 进给系统、高速刀具系统一起组成高速切削所需要的必备条件。 ( 2 ) 简化结构，促进机床结构模块化。电主轴可以根据用途、结构、性能参数等 特征形成标准化、系列化产品，供主机选用，从而促进机床结构模块化。 ( 3 ) 降低机床成本，缩短机床研制周期。标准化、系列化的电主轴产品易于形成 专业化、模块化生产，实现功能部件的低成本制造；采用电主轴后，机床结构的简单化 和模块化，也有利于降低机床成本；此外，还可以缩短机床研制周期，适应目前快速多 变的市场趋势。 ( 4 ) 改善机床性能，提高其可靠性。采用电主轴结构的数控机床，由于结构简化， 传动、连接环节减少，因此，提高了机床的可靠性；功能完善、性能优良、质量可靠的 电主轴功能部件使机床的性能更加完善，可靠性得到进一步提高。 ( 5 ) 实现某些高档数控机床的特殊要求。有些高档数控机床，如并联运动机床、 五面体：3 口- r 中心、超小孔加工机床等，必须采用电主轴才能满足完善的功能要求。 1 4 电主轴的结构和性能研究现状 1 4 1 电主轴结构研究现状 从电主轴的结构形式来看，早期主轴单元的结构比较简单，主轴仅由两套轴向预紧 面对面配置的3 2 0 c 系列圆锥滚子轴承支承。圆锥滚子轴承具有承受较大轴向和径向联 合载荷的能力，径向和轴向刚度高，主轴单元具有良好的动力学特性。由于这种主轴单 4 硕士学位论文加工中心用电主轴结构设计及其仿真分析 元的速度性能受到限制，在高速场合很少采用，其d m n 值一般小于0 6 x 1 0 6 ( d r a n 值为轴 承高速化参数，其中d l n 为轴承中径，n 为主轴转速) 。 近年来，为适应机床提高生产效率和加工精度的需要，进一步改善主轴单元的结构， 如在传动端用双联配置的主轴轴承代替双列圆柱滚子轴承进一步提高速度性能，工作端 可以采用双联、三联甚至四联配置的主轴轴承以适应不同的刚度性能要求，采用定位和 定压预紧以及定压和定位预紧转换，以适应主轴单元不同的速度和刚性要求，d m n 值可 达到2 5 x 1 0 6 。 根据主电动机与主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴单元主要有两种结构布局设 计方式【9 】： ( 1 ) 主电机置于主轴前、后轴承之间。它采用两支承结构，前轴承比后轴承尺寸大， 均分别用串联安装方式，前后支承受力方式为外撑式。后支承选用小尺寸轴承，虽然会 降低速度回数值，这对主轴整体刚性影响不大，但它改变了工作条件，对保持整个轴系 的使用寿命十分有利。这种结构的优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，输出 功率大，较适合大中型高速机床。 ( 2 ) 主电动机置于主轴后轴承之后。即主轴箱和主电机作轴向的同轴布置，这种 方式减少了电主轴前端的悬伸量，电机的散热条件较好，但整个电主轴单元的出力较小， 轴向尺寸大，常用于小型高速机床。 1 4 2 电主轴动态特性研究现状 当主轴在切削过程中出现较大的振动时，会使刀具出现剧烈的磨损或破损，也会增 加主轴轴承和机床导轨承受的动态载荷，从而降低其寿命和精度保持性。因此，机床的 主轴必须有良好的动态特性，机床的主轴一轴承系统的动态特性在很大程度上决定了机 床的加工质量和切削能力，动态特性是衡量主轴的性能的主要指标。 国内外对很多专家学者对电主轴的动态特性做了很多研究分析，取得了不少研究成 果。美国的l a w r e n c el i v e r m o r e 国家重点实验室基于t i m o s h e n k 梁理论用影响系数法建 立含轴承参数的电主轴系统动力学模型，着重研究了切削力、刀具质量和自转速度对转 子固有频率的影响【l0 】；u n i v o fb r a d f o r d 着重研究了滚动轴承滚动单元如轨道、滚子表 面波纹度对主轴动态特性的影响【l l j ；2 0 0 2 年，k u w a i t 大学的m o h a m m e d a a l 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【1 2 ，i 2 0 0 3 年b w h u a n g 等学者研究了气压轴承和球轴承对电主轴动力学性能影响的差别，得出了气压轴承在低 阶固有频率低于球轴承，但在高阶情况下二者差别很小，以及二者在不同速度下稳定区 域不相同等结论【l 引。 在我国，从事这一研究领域的研究也逐渐增加。2 0 0 1 年，浙江大学的蒋兴奇在考虑 1 绪论硕士学位论文 轴承载荷和变形的非线性特性及摩擦热的影响的情况下，建立了主轴变形和固有频率的 计算方法【1 4 1 ；2 0 0 3 年，无锡机床股份有限公司的蔡英等基于r i c c a t t i 传递矩阵法，对 m k 2 1 2 0 a 型内圆磨床的高速主轴系统进行了动力学特性分析【l 习；中国科学技术大学的 王硕桂研究了电主轴转速超过一阶临界转速时的运行形态，电主轴作为挠性轴工作时端 部跳动对轴系的横向挠度的影响，得到随着轴承刚度和阶数的增加，轴系的横向变形会 变小的结论【1 6 ；2 0 0 5 年，洛阳轴承研究所的徐浩等对高速磨床主轴用陶瓷球轴承在不 同转速和载荷及润滑条件下的运转特性进行试验，结果表明：陶瓷球轴承在高速下较钢 制轴承摩擦力矩小、温升低、有良好的运转特性【1 7 】。 1 4 3 电主轴热态特性研究现状 电主轴的结构特点是电动机的定子直接安装在壳体内，这对电动机的散热极其不 利。同时，由于高速运转，主轴轴承摩擦引起的发热和温升也是不可避免的，由此引起 的热变形如果处理不当会严重地降低机床的加工精度。对于高精度、高速机床来说，热 变形引起的误差比其他普通机床的误差更为突出，已成为其进一步提高精度和转速的主 要制约因素。 合理的热态特性设计是高速大功率电主轴设计中的重要技术环节，国内外很多专家 学者都对高速电主轴热态特性做了大量研究，推动了电主轴在高速机床上的应用。美国 的普渡大学用有限差分法，建立电主轴的热分析模型，分析高速电主轴的能量分布、热 传导等热性能，并分析了主轴发热的定量特性【1 8 】【1 9 1 ；2 0 0 2 年韩国的s u n - m i nk i m 对高 速电主轴轴承的热态特性进行了详细的研究，研究了轴承预紧力、过盈等的变化【2 0 1 1 2 1 1 ； 2 0 0 4 年，普渡大学的学者h o n g q il i 使用动态热力学分析了轴承结构对主轴所产生的影 响【2 2 】；c h i w e il i n 等学者则建立了综合的电主轴热态与动态模型，研究了轴承预紧力对 轴承刚度以及整个主轴的动力学性能的影响和离心力对主轴动力学性能的影响并得出 结论，认为高速电主轴在高速下刚度变小主要是由于离心力的影响【2 3 】。 我国的清华大学在测量主轴热误差的基础上，用逐步回归方法建立了多元线性回归 模型，为机床的设计与制造提供了参考依据，也为机床的误差补偿提供了模型【2 4 】；中国 工程物理研究院的胡秋、何东林利用a n s y s 对高速电主轴进行了热一结构耦合分析， 提出了改善电主轴热态特性的措施，为电主轴冷却结构设计提供了参考【2 习；广东工业大 学通过对电主轴支承的不同类型并结合不同的润滑方式对电主轴热态特性进行了大量 分析研究，取得了很多理论成果【2 6 】。但总的说来，国内在高速电主轴热态特性方面的研 究水平与发达国家相比仍有很大的差距。 6 项士学位论文加工中心用电主轴结构设计及其仿真分析 1 5 本课题研究内容 1 5 1 本课题研究主要内容 本课题以高速、大功率的铣削加工中心用电主轴为研究目标，以提高主轴系统性能 为目的，从主轴结构、动态特性、热态特性等几个方面对电主轴进行研究： ( 1 ) 通过对结构设计中一些关键性技术问题的解决，如主轴单元结构参数静态估 算、电机的选型和冷却、轴承选型、润滑冷却、动平衡设计等，完成电主轴的结构设计。 ( 2 ) 建立电主轴有限元分析模型，利用a n s y s 软件对设计的电主轴进行动态特性 的有限元分析，主要进行稳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，并研究电主轴各部分对频率的动态响应位移，验证主轴结构设计的合理性， 并提出改善电主轴动态特性的措施。 ( 3 ) 建立电主轴有限元分析模型，利用a n s y s 软件对设计的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。 本课题的研究意义在于通过电主轴动态特性、热态特性的有限元分析，分析电主轴 高速运行中的两大变形问题振动变形和热变形，为优化电主轴结构和改善电主轴的 动态特性、热态特性提供必要的理论依据，为高速电主轴的研究开发和应用奠定理论基 础。 1 5 2 主要技术指标 根据普通的中小型铣削加工中心技术参数和实际应用的需要，又结合本课题进行的 是动态特性和热态特性分析，确定主要技术指标如下： 最高转速：1 0 0 0 0 r m i n ，基本转速：8 0 0 0 r m i n 动平衡精度：g 1 ( 整体) 几何精度：主轴端部径向跳动小于等于3 9 m ； 温升：电主轴温升低于6 0 度。 7 2 电主轴结构设计硕士学位论文 2 电主轴结构设计 2 1 电主轴基本结构及其工作原理 高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对电主轴各个部分进行精心设计 和制造。电主轴的基本结构包括以下几个部分：轴壳、转轴、轴承、定子与转子，对电 主轴的结构设计主要就是围绕这几个部分展开的。 高速电主轴的工作原理是：电主轴的电动机部分由产生旋转磁场的定子绕组和把电 能转化为机械能的转子组成。高速电主轴的定子和转子之间的空隙是形成功率输出有效 部分的主要部位。电主轴持续工作功率主要取决于电动机的机械效率和冷却效果，机械 效率的高低则主要取决于轴承高速化参数d m n 值，d m 为轴承中径，1 1 为主轴转速。 2 2 加工中心参数 本课题参考了普通a n - r 中心的技术参数，以下是b v 7 5 立式加工中心的一些技术参 数以供后面结构设计参考【2 7 1 。 表2 1b v 7 5 立式加工中心技术参数 主轴锥孔7 ：2 4n o 4 0 主轴直径m m7 0 刀库容量把 2 4 最大刀库直径m m 中7 5 主轴电机功率( 连续3 0 m i n ) 扭矩1 1 1 5 k w ，7 0 n m ( f a n i ，c ) 或 1 2 1 5 k w ，1 1 4 6n m ( s i e m e n s ) 2 3 电主轴结构设计 加工中心用电主轴采用变频电机与机床主轴合二为一的结构形式，电主轴的空心转 子与机床主轴直接过盈套装在一起，电主轴带冷却套的定子可以直接装在壳体上，实现 了电机与机床主轴之间的“零传动”。 本课题所设计的电主轴结构设计如图2 1 所示，完整的装配图见附录。电主轴的结 构设计主要涉及到主轴电机和轴承的选型、配置、润滑冷却等，以及主轴的结构参数确 定等。 8 硕士学位论文加工中心用电主轴结构设计及其仿真分析 图2 1 电主轴结构示意图 1 拉刀系统2 前锁紧螺母3 前轴承4 前轴承座5 前喷嘴 6 冷却油入口7 电机转子8 电机定子 9 冷却油出口l o 后喷嘴 1 1 后轴承座1 2 后轴承1 3 后锁紧螺母1 4 编码器 9 2 电主轴结构设计硕士学位论文 2 3 1 主轴整体结构参数 主轴结构参数主要包括主轴外圆平均直径d ，主轴内孔直径d ，悬伸量a ，支承跨 距l 。 2 3 1 1 主轴外圆直径d 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【2 8 】： 。编 ( 2 1 ) 式中，t 轴传递的额定转矩( n m ) ，t = 9 5 5 0 p n ，卜动力源传递的功率，1 1 一轴的转速，得t - 1 9 1n m ； f f l 轴材料的许用切应力( m p a ) ，主轴材料选用4 0 c r n i 3 2 1 ( 调质合 金钢) ，f 1 - 3 5 5 5m p a ，r 汉b - - - 5 0 m e , , ； y 内外直径比，根据所参考加工中心的尺寸参数，拟取主轴平均内径 d o = 3 6 m m ，平均外径d o = 7 5 m m ，则y = 0 4 8 。 各系数代入式( 2 1 ) ，d 满足式( 2 1 ) ，结合电机尺寸以及参考的加工中心尺寸参 数，所以取主轴平均外圆直径d = 7 5m m 。( 电机具体确定过程见本章2 3 2 节) 2 3 1 2 主轴内径d 的确定 依据机床设计手册3 知主轴内径“。x 0 7 d ，又加工中心数控机床主轴内径d _ 拉杆直径+ ( 5 1 0 ) 【2 引，根据己选电机参数，空心轴壁厚1 1m m ，所以取主轴内径 d - - 3 6m m 。( 电机参数见本章2 3 2 1 节) 2 3 1 3 主轴悬伸量a 的确定 主轴悬伸量a 指主轴前端面到前支承径向反力作用点中点的距离( 如图2 2 所示) 。 前悬伸对主轴组件的综合刚度影响很大，在进行结构设计时，应尽量缩短悬伸量a 。根 据轴承的选定，在综合考虑主轴结构及主轴部件的刚度的基础上，初步确定a = 6 5m m 。 ( 轴承具体确定过程见本章2 3 节) 1 0 图2 2 主轴主要参数示意图 硕士学位论文加工中心用电主轴结构设计及其仿真分析 2 314 主轴支承跨距l 的确定 主轴支承跨距l 是指相邻两支承的支承反力作用点之间的距离( 如图2 2 所示) 。 跨距l 对综合刚度k 的影响不是单向的，如l 较大，则主轴变形较大；如l 较小，则 轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。所以，l 太大或太小，都会降低综合刚度。满 足最小挠度条件d y d l = o 时的l 是最佳跨距l o 。当0 7 5 l l o 1 5 时，主轴组件的刚 度损失不超过5 一7 ，在工程上认为是合理的刚度损失，故在该选用范围内的跨距称 为合理跨距。结构设计时首先应争取最佳跨距，如果结果上不允许，则需修改其他参数 使其处在合理跨距范围内。 根据文献【3 0 j 【3 1 1 ，最佳跨距跟前悬伸之间可用如下关系式表示： 生： 口 + ( 2 - 2 ) 其中，7 为无量纲常数，7 = 等 e 主轴材料的弹性惯量， e = 2 1 x 1 0 5n m m 2 i 主轴截面的平均惯性矩( m m 4 ) ，对空心轴，2 云( 仇4 一九4 ) ，仇，以 胎一阮见= 瓷硼舰巩= 器瑙鸺聊掰 墨，k 为轴承刚度，前后支承均采用双联组轴承，所以，k = 2 k ( 轴承的刚度 计算见本章2 3 3 5 节) 代入各参数得r = 1 8 6 ，旦= 4 1 3 5 ，厶= 4 1 3 5 a = 2 6 8 m m 根据构造上的要求对最佳跨距进行修改，又结合电机尺寸参数，取l = 4 0 0 m m 。( 电 机尺寸见本章2 3 2 1 节) 2 3 1 5 主轴静刚度校核 主轴的静刚度简称主轴刚度，是机床主轴系统重要的性能指标，它反映主轴单元抵 抗静态外载荷的能力。主轴单元的弯曲刚度定义为使主轴前端产生单位径向位移时，在 位移方向所需施加的力；主轴单元的轴向刚度定义为使主轴产生单位位移时，在轴向所 需施加的力。一般情况下，弯曲刚度远比轴向刚度重要，是衡量主轴单元刚度的重要指 标，通常用来代指主轴的刚度。 主轴前端在一定的外载荷p 的作用下，主轴本身及支承都要产生变形，引起主轴前 端产生位移，其总位移由两部分组成y = 儿+ 儿。儿是假设轴承为刚性支承，主轴为 2 电主轴结椅班* 弹性支承，主轴在前端受到外载荷作用后的位移：儿是假设主轴是刚体支承为弹性体 时，主轴在前端受到外载荷作用后的位移。 根据材料力学中外伸梁的挠度公式：n = 墨( ：+ 1 ) 前后支承的支反力r l 、r 2 ，刚度为k l 、k 2 时，前后支承的变形分别为4 = 导， 如= 鲁，由几何关系可拙儿= 4 + a 2 _ _ a 弛= ，( - + ；) t 马= ，；，所 以，儿= 云( t + i k i ) f a 2 + f 2 a + 孚+ 。 最后总位移为： ，= 只+ 儿= 等巴+ ， + 言 ( t + i k i f a 2 + f 2 a + 丁2 a + c z 。， 主轴单元的径向剐度 丘= ；= 刍( 圳+ 出+ i k l f a 2 甲2 a 一2 a = 2 9 0 s 。 参考国内外电主轴生产厂家的技术资料，上述计算结果表明该电主轴的结构设计是 满足刚度要求的。 2 3 2 主轴电机 2 3 2 1 电机选型 本课题研究的电主轴以中小型加工中心为主要应用对象，极限转速1 0 0 0 0 r m i n ，根 据参考的加工中心技术参数，确定电机为变频调速交流主轴电机选用西门于交流异步 电机产品，具体型号为1 p h 2 1 1 3 6 w f 4 ，如图2 3 所示其平面图如图2 4 所示，其部 分参数见表2 2 3 3 1 。 翻够够 图2 31 p h 2 1 1 3 - 6 w f 4 内置电机 硕学位论文 加i 中心用电主轴结拇设计殛其仿真分析 图2 a1 p h 2 1 1 3 - 6 w f 4 电机平面结构图 表2 2i p h 2 l l3 - 6 w f 4 电机参数 额定功率k w 额定功率损失k w 技术参数 最高转速r m i n尺寸参数 d a 额定转速r r a i n1 5 0 0o n m )d8 2 额定扭矩nr t l 2 3 2 2 电机冷却 内置式电动机由空心转予和带冷却套的定子组成，其空心转子通过热压配台的形式 直接套装在主轴上，而带冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体中，实现了变频电动机 与主轴的一体化。高速电主轴由于采用内置式主轴结构，电动机位于主轴单元主轴单元 中电动机不能采用风扇散热因此自然散热条件较差所以需要一定的冷却措施减少电 主轴电机的发热。 电主轴常用的冷却方法是利用循环冷却水降低主轴系统的温升，也可以经过油冷却 装置的冷却油强制地在主轴定于外及主轴轴承外循环，带走电主轴运转产生的热量。图 2 5 所示为本设计中电主轴采用的油水热交换冷却系统示意图。在该冷却系统中，为了 降低散热系数，采用定子循环冷却方法，对电动机定子进行强制冷却。为了保证电动机 的绝缘安全，对定子进行连续、大流量、循环油冷。其输入端为冷却油，将电动机定子 产生的热量从输出端带出，然后流经逆流式冷却交换器，将油温降到接近室温并回到油 箱，再经过压力泵增压输入到主轴输入端从而实现电主轴的循环冷却。 2 电主轴结构设计硕士学位论文 流阀 电机 图2 5 电主轴油水热交换冷却系统 2 3 3 主轴轴承 2 3 3 1 轴承选型 高速主轴单元的核心是高速精密轴承。电主轴中电机发热严重，对轴承影响较大， 当轴承突然起动会使内外圈温度产生差异( 即内圈温度高于外圈温度) ，使轴承游隙减 小，并且轴承若施加定位预载荷，又会引起热量产生，从而使轴承被卡死的机会大大增 加。因此。电主轴的轴承要求有足够的坚固性，以防止卡死情况的发生，还要求在严重 的热载荷条件下，产生较少热量且保持平稳运转，即轴承必须对外部的热扰动不敏感。 选择轴承支承是电主轴单元设计中一个非常关键的问题。 根据材料分类，目前适于高速主轴单元的轴承支承主要有陶瓷轴承、磁浮轴承、空 气静压轴承和液体动静压轴承【3 4 1 1 3 5 1 。四种轴承的优缺点比较见表2 3 。 表2 3 轴承性能比较 轴承类型 优点缺点 陶瓷轴承密度小，热膨胀系数小，弹性模量大，硬对拉伸应力和缺口应力较敏感 度高，耐高温，不导电不导磁，应用较广 磁浮轴承机械磨损小，噪声小，寿命长，无需润滑价格昂贵，发热问题不易解决 空气静压轴承主要用于高速、轻载和超精密场合造价高，只能适用于轻载场合 液体动静压轴承主要用于重载场合，有很好的高速性能，需要设计专门的液压系统，对 调速范围广 液压系统要求较高 按轴承结构分类，轴承又可以分为角接触球轴承、深沟球轴承、推力球轴承、圆柱 滚子、圆锥滚子、推力滚子轴承等等，其中角接触球轴承和圆锥滚子轴承可承受轴向、 径向联合载荷及载荷方向不明确的附加载荷。 1 4 硕士学位论文加工中心用电主轴结构设计及其仿真分析 为适应主轴高速特性，同时保证一定的刚度，整个主轴支承结构采用一端固定一端 游动的支承方式，主轴前端为固定端，后端为游动端。这种支承结构的特点是：前支承 轴向固定，后支承浮动，能适应主轴向后热伸长的需要，具有较高刚度，同时具有较好 的高速性能。 考虑到角接触球轴承能承受轴向、径向联合载荷及载荷方向不明确的附加载荷，可 以作为刚度要求比较高的前端固定端，而深沟球轴承除了径向载荷外，还能承受少量双 向的轴向负荷，可以作为游动端。前端角接触球轴承背对背安装，因为背对背组配支承 点间的距离比较大，因而产生一个较大的抗弯力矩，径向膨胀将使轴承内的过盈加大， 而轴向膨胀将使过盈减小。又角接触球轴承和深沟球轴承均为点接触，刚度较低，为提 高刚度，通常采用多联组配。又在各种不同的配置中，由于每个轴承的误差不一致，会 使整个轴承组的转速会有所下降，轴承组配数越多，主轴速度降低系数越大( 主轴速度 降低系数影响主轴最终能达到的最高速度) 。结合利弊，最后考虑前后轴承均双联组配， 得到支承结构形式如图2 1 的电主轴结构图所示。 综上所述选用轴承，前端选用高精度角接触陶瓷球轴承，后端选用高精度陶瓷深沟 球轴承。结合电机处轴径d = 8 2 m m ，以及加工中心的轴径尺寸，确定主轴前轴承直径为 7 5 m m ，后轴承直径为6 5 r a m ，选用瑞士s k f 的轴承型号分别为7 1 9 1 5 c e h c 、6 1 9 1 3 2 r z ，表2 4 为轴承技术参数【3 引。 表2 4 电主轴轴承技术参数 参数前轴承7 1 9 1 5 c e h c后轴承6 1 9 1 3 2 r z 内径d ( m m )7 56 5 外径d ( m m )1 0 59 0 宽度b ( m m ) 1 61 3 滚动体直径d b ( m m ) 9 。5 27 9 3 滚动体数目z 2 52 5 接触角a ( 。) 1 5 预紧力f o ( n ) ( 轻预紧)1 1 0 额定动载荷c ( 2 2 5 0 01 7 4 0 0 额定静载荷c o o r ) 1 6 6 0 01 2 7 0 0 油润滑极限转速( r p m ) 3 0 0 0 01 8 0 0 0 2 3 3 2 轴承的润滑 轴承的润滑主要是为了降低摩擦阻力和减轻磨损，保证轴承正常运转。 评定轴承速度性能的是速度参数d m n 值，其中d m 为轴承中径，1 1 _ 为转速，d m 值反 映了轴承滚动体的公转速度，这也是轴承转速的主要限制因素。 1 5 2 电主轴结构设计硕士学位论文 本设计中轴承d m n 值为： d m 九：d + d ：7 5 + 1 0 5 1 0 0 0 0 ：0 9 1 0 6 rminuxr n l nu 。九= = = n ” 2 2 一般电主轴的d m n 值小于等于1x1 0 6 时，这类电主轴可采用油脂润滑，d m n 值大 于于1 1 0 6 为高速或高速大功率电主轴，这类电主轴要求采用油气或油雾润滑。 油气润滑是高速精密电主轴轴承理想的润滑方式。和传统的脂润滑和油雾润滑相 比，油气润滑能适应的转速高，对车间生产环境无污染，是一种实现最小量润滑的先进 润滑方式。其压缩空气对轴承有冷却效果，可防止冷却液和空气中的灰尘进入轴承。这 种系统还有连锁作用和自动报警功能，当润滑系统尚未启动或供油不足时，电主轴会无 法起动或自动停车。 因此，考虑到润滑效果，及几种润滑方式的优缺点，本电主轴轴承采用油气润滑方 式。油气润滑系统原理图如图2 6 所示【3 7 】。 油气润滑系统的原理是：利用具有一定压力的压缩空气和由定量分配器每隔一定时 间定量输出微量的润滑油在一定长度的管道中混合，通过压缩空气在管道中的流动，带 动润滑油沿管道内壁不断地流动，把油气混合物输送到安装与轴承附近处的喷嘴( 孔径 ol m m ) ，经喷嘴射向内圈和滚动体的接触点，实现润滑和冷却，达到“最佳供油量 和压缩空气进行冷却的效果。此处不涉及此系统的具体参数，系统详细设计参数可参考 文献 3 7 】。 轴承 厥缩空气 图2 6 轴承油气润滑系统 2 3 3 3 轴承的预紧 轴承预紧的目的主要是提高主轴的旋转精度和主轴的刚度。适量的预紧，可消除轴 承的径向间隙，补偿磨损和热伸长引起的轴向间隙，使滚动体从各个方向上支承主轴， 有利于提高主轴精度、刚度以及抗振性和寿命。 1 6 硕士学位论文加工中心用电主轴结构设计及其仿真分析 轴承预紧方式有两种：定位预紧和定压预紧。定位预紧轴向内外圈的相对位置