（机械制造及其自动化专业论文）高速电主轴热变形的有限元分析.pdf

摘要 超高速加工是一种以比常规切削速度高5 1 0 倍的速度进行切削加工的先进 工艺，是当代四大先进制造技术之一。高速机床是实现高速加工的前提条件。而 高速电主轴单元则是高速机床的心脏部件。电主轴采用了中置式电机，实现了机 床的“零传动”。在高速切削机床中，由于主轴单元系统各零件刚度和精度都较高， 而负荷却不是很大，主轴因切削力引起的加工误差较小。但中置式电机的功率损 耗发热和轴承的摩擦发热不可忽视，在高速加工中，电主轴的热变形己成为影响 机床加工精度的主要因素，机床热变形造成的加工误差达到零件总加工误差的 6 0 8 0 。对高速电主轴的热态特性进行分析，以减少温升和热变形，是本文研 究的主要内容。本文首先分析了轴承的受力，轴承的接触变形和接触应力，然后 在此基础上建立了高速电主轴有限元模型，用大型有限元软件a n s y s 分析了电 主轴的温度场分布、轴承的应力变化和主轴的热变形规律，讨论了实际工况的变 化对主轴应力、热变形的影响，最后对电机中置式和电机后置式两种结构主轴的 热态特性进行了比较。 关键词：高速加工：高速电主轴；热变形：有限元法；a n s y s 兰三些查兰三兰堡圭兰堡篁三 a b s t r a c t u l t r a h i g hs p e e dm a c h i n i n g i s o n eo ft h ef o u ra d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e s ，t h ec u t t i n gs p e e do fw h i c h i s5 10t i m e sh i g h e rt h a nt r a d i t i o n a lc u t t i n g s p e e d h i g hs p e e dm a c h i n e t o o li st h e p r e c o n d i t i o n f o rr e a l i z i n gt h e h i g hs p e e d m a c h i n i n g a n dt h eh i g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e i si t sh e a r tp a r t t h em o t o r i z e d s p i n d l e i s e q u i p p e dw i t h ab u i l t - i nm o t o r ，s ot h a t “z e r ot r a n s m i s s i o n ”i sr e a l i z e d s i n c et h ep a r t s s t i f f n e s sa n dp r e c i s i o no ft h es p i n d l eu n i t sa r eq u i th i g h ，a n dt h el o a d s a r eu s u a l l yn o th e a v y , s ot h em a c h i n i n ge r r o rc a u s e db yt h ec u t t i n gf o r c ei ss m a l l c o m p a r e d w i t ht h ec o n v e n t i o n a ls p i n d l e ，t h eh e a tg e n e r a t e dd u et ol o s si nt h eb u i l t - i n m o t o ra n df r i c t i o ni nt h eb e a r i n g si ss i g n i f i c a n td u r i n gh i g hs p e e dm a c h i n i n g t h e b u i l t i n s p i n d l e s t h e r m a ld e f o r m a t i o ni sam a i nf a c t o ro nt h em a c h i n et o o l s m a n u f a c t u r i n ga c c u r a c y , a n d t h ee r r o rc a u s e d b y t h em a c h i n et o o l st h e r m a l d e f o r m a t i o ne v e nr e a c h e s6 0 一8 0 o ft h et o t a lm a n u f a c t u r i n ge r r o r so ft h ep a r t t h e t h e r m a la n a l y s i so ft h eh i g hs p e e ds p i n d l ei s q u i t en e c e s s a r yt o i no r d e rt or e d u c e t e m p e r a t u r e r i s ea n dt h e r m a ld e f o r m a t i o n ，a n dt h a ti s t h em a i nt o p i co ft h i sp a p e r i n t h i sp a p e r ，t h ef o r c e sa c t e do nt h eb e a r i n g st o g e t h e rw i t ht h ec o n t a c td e f o r m a t i o na n d c o n t a c ts t r e s sa r e a n a l y z e d t h a tb a s e do nt h ea n a l y s i s ，t h e m o t o r i z e ds p i n d l ei s m o d e l e d ，t e m p e r a t u r e f i e l d ，t h ec h a n g eo ft h eb e a r i n g ss t r e s s ，a n d t h et h e r m a l d e f o r m a t i o no ft h e s p i n d l e a r ea l ld o n e b ya n s y ss o f t w a r e a tl a s t ，a t h e r m a l c h a r a c t e r i s t i c c o m p a r i s o nb e t w e e nt h e b u i l t i n s p i n d l ea n dt h e b u i l t o u t s p i n d l e i s m a d e k e y w o r d s ：h i g h s p e e dm a c h i n i n g ；h i g h s p e e ds p i n d l e ；t h e r m a ld e f o r m a t i o n t h e r m a ls t r e s s ；f e m ；a n s y s n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超高速切削技术产生的历史背景和理论基础 制造业创造了人类社会财富的6 0 - 8 0 ，是国民经济的支柱产业。制造技术水 平和设备制造能力的高低，是一个国家科技水平和综合国力的重要标志。以数控 机床为基础的柔性制造自动化技术的发展与应用，大大降低了零件加工的辅助时 间，极大的提高了生产效率。可以说，数控技术的发明和推广应用，是现代制造 技术发展史上第一块具有革命性意义的里程碑。加工中心、柔性制造单元( f m c ) 和柔性制造系统( f m s ) 的应用，解决了自动换刀、自动装卸工件等问题，在更大 的程度上提高了整个零件加工的自动化水平。计算机集成制造系统( c i m s ) 和自 动化工厂( a f ) 更使制造自动化技术达到空前的高度。从提高生产率的角度看， 机床和生产过程自动化的实质，归根到底是以加快空行程动作的速度和提高零件 生产过程的连续性、从而缩短辅助工时为目的的一种技术手段。 i 普通铣床n c 目w n cb f c 加工中心 曾通刀具l装可转位刀片的刀具 i 系统刀具 图1 13 0 年切削时间的变化 ( f i g 1 1 t h ec h a n g e so fc u t t i n gt i m ei nt h en e a r e s t3 0y e a r s ) 但是辅助动作速度的提高是有一定限度的。例如目前加工中心自动换刀时间 已经缩短为1 s ，快速空行程速度已经提高到6 0 8 0 m m i n 。再提高空行程速度不 广东工业大学工学硕士学位论文 但在技术上有困难，经济上不合算，且对提高机床的生产率的意义也不大，矛盾 的主要方面已经转向切削工时。只有大幅度地降低切削工时( 即提高切削速度和 进给速度等) ，才有可能在提高机床生产率方面出现又一次新的飞跃。这就是近 2 0 年来超高速切削技术得到飞速发展的历史背景。图1 1 所示为1 9 6 0 1 9 9 0 年 间零件加工切削时间和辅助时间的变化情况。 由图可见，1 9 7 0 1 9 8 0 年间，由于数控机床和加工中心的大力发展，零件加工 的辅助工时迅速下降；而8 0 年代以来，由于高速切削技术的逐渐推广应用，零件 加工中的切削工时开始呈现较大幅度的下降。 高速切削的起源可以追溯到2 0 世纪3 0 年代初。德国的切削物理学家萨洛蒙 ( c a r ls a l o m o n ) 博士于1 9 3 1 年4 月提出了高速切削假设，发表了著名的超高速 切削理论。萨洛蒙根据实验，提出了两个令人感兴趣的假设。他指出( 见图1 2 ) ： 在常规的切削速度范围( 图中的a 区) 内，切削温度随着切削速度的增大而提高。 但是，当切削速度增大到某一数值v 。后，切削速度再增大，切削温度反而下降， 并指出：v 。之值与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料，存在一个从v 到 v 。的速度范围，在这个速度范围内( 图中的b 区) ，由于切削温度太高( 高于刀 具材料允许的最高温度t 。) ，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。这个 范围被称之为”死谷”( d e a dv a l l e y ) ”。 切 削 温 度 t j c _ t 口 v v 。 v 2 切削速度v ( “m i n ) 图l 一2萨洛蒙曲线 ( f i g 1 2s a l o m o n c u r v e ) 第一覃绪论 萨洛蒙的思想给后来的研究者一个非常重要的启示：如果切削速度能越过“死 谷”，而在超高速区( 图中的c 区) 进行工作，此时切削温度较低，就有可能用 现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削工时，成倍地提高机床的生 产效率。 图2 一l 的横坐标是对数坐标，v ，之值约为v 值的1 0 倍左右。也就是说，高速 切削的速度一般为常规切削速度的1 0 倍左右。 在证实和应用萨洛蒙理论方面，美国科技界和工业界做了许多领先的工作。 美国于1 9 6 0 年前后开始进行超高速切削试验。在德国，超高速切削得到了国家研 究技术部的鼎力支持，在d a r m s t a d t 工业大学h s c h u l z 教授领导下，联合德国 4 1 个企业对高速切削进行了全面深入的研究，取到了国际领先水平的丰硕成果。 日本也于6 0 年代就着手超高速切削机理的研究。法国、瑞士、英国、原苏联、意 大利和澳大利亚等国在超高速切削方面也做了不少工作。 1 2 超高速切削的应用与高速电主轴的发展现状 1 2 1 超高速切削的优点 与常规切削相比较，高速切削具有下列优点：( 1 ) 随切削速度的提高，进给 速度也可相应提高，以便基本保证每齿切削厚度不变，单位时间内的材料切除率 可大大增加，极大地提高了生产率；( 2 ) 在切削速度增加到一定值后，切削力可 降低3 0 以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于对薄壁件等刚性差 的零件的加工：( 3 ) 在高速切削状态下，9 5 以上的切削热还来不及传递给工件 和刀具，就被切屑带走，工件可基本保持冷态，因而特别适合于加工容易热变形 的零件；( 4 ) 高速切削时，机床的激振频率特别高，它远远离开了“机床一工件 一刀具”工艺系统的基本阶固有振动频率范围，使机床工作平稳振动小，因而能 够加工出非常精密且光滑的零件；采用高速切削可以得到很高的零件加工表面质 量，高速铣削和高速车削常常可以达到磨削的水平；( 5 ) 高速切削可以加工常规 切削无法加工的高硬度零件，可取代磨床加工，实现硬切削；可以在无冷却的情 况下进行干切削”。 ! 查! ；些奎兰三兰矍圭兰堡兰圣 1 2 2 高速切削的应用 高速切削技术的问世，加快了汽车、模具、航空、光学、精密机械等产品的 更新换代速度，促进了这些部门制造技术及装备的提升，从而加快了社会进步。 从二十世纪九十年代至今，高速加工在国内外掀起了应用的热潮。 九十年代以来，高速加工中心和高速切削技术投入了实际应用。高转速( 主 轴转速1 0 0 0 0 r m i n 以上) 、快进给速度( 进给速度在5 0 6 0 m m i n 以上) 以及快速 换刀技术的应用，出现了高速、高效的多坐标生产型加工中心，配合各种新型刀 具的发展应用，使高速加工技术日臻成熟，加工中心的生产效率大幅提高，出现 了以高速加工中一t l , 为主体的新型柔性自动线一高速柔性生产线。高速柔性生产线 不仅可加工同样产品范围内的零件，而且可加工变形产品、换代产品以及新产品。 这种生产线以其高柔性和高效率，越来越多地被汽车生产企业采用。 高速铣削特别适合以轻合金加工为主的飞机制造业。因为飞机上的许多零件 采用薄壁、细筋结构，其单壁刚度较差，不允许有较大的吃刀深度，因此，提高 生产效率的唯一途径就是提高切削速度和进给速度：采用整体实一t l , 材料制造大型 零件，需要在整块毛坯上切除大量材料，其切削工时占整个零件制造总工时的比 例很大。采用高速铣削，材料的切除率比传统的加工工艺提高3 倍以上；飞机和 发动机的一些零件还采用镍基合金和钛合金，这些材料属于难加工材料，用传统数 控机床加工，切削速度很低。如采用超高速切削，则其切削速度可提高到1 0 0 1 0 0 0 m m i n ，为常规切速的1 0 倍左右。 模具是制造业中用量大，影响面广的工具产品。模具机械加工的主要任务是 加工出型腔的曲面形状。模具加工中，大部分的加工时间是花在半精加工和精加 工上。由于模具大多是用高硬度、耐磨损的合金材料制造，用普通的机械加工方 法，加工难度较大；加工后要花很多时间手工修光铣削刀纹，所有在我国至今仍 广泛采用电火花( e d m ) 成形加工工艺。电火花加工对零件表面的机械物理性能 也有损害，常常会产生一些微细裂纹，电加工之前要做好电极，加工后还要进行 费力费时的手工研磨或抛光，这些都是造成加工模具低效率的主要原因。 而采用高速切削可加工淬硬钢，硬度可达h r c 6 0 左右；可得到很高的表面 第一章绪论 质量，表面粗糙度低于r a 0 6u1 1 1 ；可以得到以铣代磨的加工效果，还节省了大量 修光时间：而且粗、精加工可一次完成，极大的提高了模具生产效率。结合 c a d c a m 技术，与传统模具开发方式相比较，采用高速切削后，模具的制造周 期可缩短约4 0 。高速切削应用于模具制造业。将会很大程度提高产品的生产效 率和质量。 在机械制造的其他领域，高速加工技术也得到越来越广泛的应用。 1 2 3 高速电主轴技术的发展 要发展和应用高速加工技术，首先就必须要有性能优良的高速数控机床，而 高速机床的工作性能，首先取决于高速主轴，它的性能如何，在很大程度上决定 了机床所能够达到的最高极限转速和加工能力。 交流变频主轴电机和主轴单元之间有三种传动方式：( 1 ) 主轴电机和主轴单 元做平行轴布置，其间用同步齿形带传动；( 2 ) 主轴电机和主轴单元作同轴布置， 其间用连轴器连接并传动；( 3 ) 主轴电机和主轴单元合二为一，即所谓的内装电 动机式主轴，或叫“电主轴”。 图1 - 3 电主轴的典型结构 ( f i g 1 - 3t y p i c a ls t r u c t u r a lo fh i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e ) 广东工业大学工学硕士学位论文 随着电气传动技术( 变频调速技术、电机矢量控制技术等) 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 传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电机直接驱动，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，使主轴部件从机床的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”( m o t o r i z e ds 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，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数 的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。电主轴典型的结构和系统组成如图 1 3 所示。 国外高速电主轴技术发展较快，中等规格的加工中心的主轴转速目前已普遍 达到1 0 0 0 0 r m i n 甚至更高。1 9 7 6 年美国的v o u g h t 公司首次推出一台超高速铣床， 采用了b r y a n t 内装式电机主轴系统，最高转速达到了2 0 ，0 0 0 r m i n ，功率为15 k w 。 到9 0 年代末期，电主轴发展的的水平是：转速4 0 ，0 0 0r m i n ，功率4 0k w ( 即所 谓的“4 0 4 0 水平”) 。但2 0 0 1 年美国c i n c i n n a t i 公司为宇航工业生产了s u p e r m a c h 大型高速加工中心，其电主轴最高转速达6 0 ，0 0 0r m i n ，功率为8 0k w 。 目前世界各主要工业国家均有装备优良的专业电主轴生产厂，批量生产一系 列用于加工中心和高速数控机床的电主轴。其中最著名的生产厂家有：瑞士的 f i s c h e r 公司、i b a g 公司和s t e p t e c 公司，德国的g m n 公司和f a g 公司， 美国的p r e c i s e 公司，意大利的g a m f i o r 公司和f o e m a t 公司，日本的n s k 公司和k o y o 公司，以及瑞典的s k f 公司等公司。高速电主轴生产技术的突破， 大大推动了世界高速加工技术的发展与应用。 从8 0 年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现，超高速机床从单 一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种加工中心等。德国、美 国、瑞士、英国、法国、日本也相继推出了自己的超高速机床。其中日本工业界 善于吸取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，尤其在超高速切削机床 的研究和开发方面后来居上，现已跃居世界领先地位。日本厂商现己成为世界上 超高速机床的主要提供者。在我国，也开始有厂家生产超高速机床。 中国机床工具行业近几年的快速发展，受到世界机床制造业界瞩目。代表当 第一章绪论 今机床技术发展主流的数控机床，更是异军突起，国产数控机床在高速、多轴、 复合、精密以及自动化等方面都取得了明显的进展。尤其在数控机床的高速化和 品种发展上进步明显。在c i m t 2 0 0 3 届展会的高速加工中心展品有3 0 多台，占参 展国产加工中心总数的3 0 。在高速加工中心展品中，宁江机床集团公司的n j 一5 h m c 4 0 卧式加工中心最高主轴转速达4 0 0 0 0 r m i n ，快速行程达6 0 m m i n 。 在高精度产品中有北京机床研究所的高速立式加工中心，成都托普数控机床公司 的p m c 6 0 0 高速立式加工中心，大连机床集团有限公司的d h s c 5 0 0 高速卧式加 工中心，沈阳机床股份有限公司的b w 6 0 h s l 卧式加工中心等“。 高速加工机床的涌现及超高速切削技术的发展，带动了相关技术及数控功能 部件的专业化生产。数控功能部件是指数控系统、主轴单元、数控刀架和转台、 滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装置等。它们是数控机 床的核心组成部分。主机技术水平的不断提高，要求配套的功能部件也必须迅速 提高自身的水平。功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水 平，都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展 速度。没有高质量的功能部件，数控机床的迅速发展也将成为一句空话”3 。 国产电主轴技术水平的高低必然影响产品在主机上的应用。我国数控机床的 发展历程充分证明，数控功能部件产业发展的滞后，始终是制约我国数控机床发 展的瓶颈问题之一。功能部件跟不上，发展数控机床将成为空话。我国数控机床 整体技术水平的发展和提高，最终离不开先进的功能部件产业的支持。我们要抓 住目前的黄金发展机遇，学习国外同行的先进技术，探索国际合作途径，共同为 做大做强数控功能部件产业，为国产数控机床的发展而努力奋斗。 1 3 高速主轴单元的热变形问题及其研究现状 机床工作时，在内、外热源的作用下，主轴系统的各个部分会产生不同程度 的温升。升温后，主轴和机床其他部件的空间相对位置和尺寸都将与温升前不同， 形成不同的温度场，进而产生不同程度的热变形，导致加工误差。在超高速机床 中，热变形引起的误差尤为突出，因为主轴系统各零件的刚度和精度都较高，负 荷却不是很大，主轴因受力产生的弹性变形所引起的加工误差常常是很小的，主 广东工业大学t 学硕士学位论文 轴单元的热变形已经成为影响加工精度的主要因素，己达到零件总加工误差的 6 0 8 0 “。然而在高速下，运动副之间的摩擦发热和温升却非常严重，如不采 取有效措施，则所引起的热变形就很大。 但是，内部的热源和接触热传导会随着轴承环境的变化以及工作环境的变化 ( 如：转速、冷却条件) 而变化。热变形特别容易受到环境的几何形状以及包括 环境温度在内的热边界条件的影响。在环境多变的生产中，强烈要求能够系统地 预测在不同工作环境下的机械性能与热变形之间的相互影响。因此，在设计阶段， 就需要系统地、定量地分析、预测这些热一结构间的相互影响，来完成机床的优 化设计和控制。因此，研究高速电主轴单元的热变形，进而为机床的热补偿提供 理论基础，已成为实现高速切削的关键。 迄今为止，人们对高速电主轴的热态特性仍缺乏足够的了解，因而极大地限 制了高速电主轴的有效应用。高速电主轴在高速下会因热的原因而在瞬间出现故 障，甚至连警报信号都来不及发出，因此当前在国际上对高速电主轴热特性的研 究已成为热点。1 9 9 8 年，韩国学者j i nk 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一轴承热态特性，分析结果与实验所得数据相近。研 究结果表明，如果选用合适的主轴传热系数，则有限元法是主轴系统热态分析的 合适工具。2 0 0 1 年美国普渡大学的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”。2 0 0 1 年韩国 的s u n m i n k 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 0 2 年，k u w a i t 大学的m o h a m m e da 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。2 0 0 3 年b w h u a n g 等 学者研究了各种轴承对电主轴动力学性能的影响“。2 0 0 3 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“：而c h i w e i l i n 等学者则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”“。 国内从事这一领域研究的主要是洛阳轴承研究所、广东工业大学、浙江大学 等单位。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 第一章绪论 名为s y b t e m 的计算程序“。浙江大学的蒋兴奇教授分析了高速精密角接触球 轴承的发热特性和热传递特性，并对实际电主轴的发热与传递特性进行了计算 “，做了和s u n m i nk i m 相类似的工作。广东工业大学的超高速加工与机床研究 室在张伯霖教授的带领下，从上个世纪9 0 年代初就开始了对高速主轴的研究工 作，开发出国内第一台高速电主轴单元“7 “1 。2 0 0 3 年，研究生黄晓明对高速电主 轴的热态特性进行了有限元分析，得出了电主轴的温度场分布及各种工况对轴承 温升的影响曲线：1 。2 0 0 3 年，台湾学者w e i y a oh s u 等也提出高速电主轴的热 态数学模型，并通过试验进行了验证”。但现有的研究，大部分上都是对轴承单 独建模，再把轴承发热和电机发热等因素考虑进去。不能完整地、动态地考虑轴 承发热、电机发热、预紧力变化、部件的变形等热一结构之间的相互影响。 1 4 本课题的来源与主要研究内容 1 4 1 课题的来源 国家科技部“十五”重点攻关项目( n o 2 0 0 l b a 2 0 3 8 1 5 ) ：高速主轴单元的 研究开发与应用。 1 4 2 课题研究的主要内容 本课题以高速、大功率的镗铣类加工中心电主轴为研究对象，着重从主轴热 一结构耦合方面利用有限元技术进行分析研究。本文分析了轴承的受力，包括轴 承的接触变形和接触应力，然后在此基础上建立了高速电主轴有限兀模型，用大 型有限元软件a n s y s 对本课题的主轴单元的热态特性进行了全面的分析，研究 了电主轴单元的温度场分布、主轴轴承的变形及其应力变化规律、主轴端部的热 变形规律；讨论了各种工况对主轴热特性的影响；最后对电机中置式和电机后置 式两种结构主轴的热态特性进行了比较。 本课题的意义在于通过对高速电主轴一轴承系统的热态特性进行有限元分 析， 掌握主轴热态特性的变化规律，从而为新产品的设计提供依据，为完成攻关 项目“高速电主轴的研究开发和应用”，为促进我国高速电主轴产业化的发展做一 些实际工作。 9 第二章高速电主轴的结构及冷却润滑系统 2 1 高速电主轴的结构 根据国家“十五”科技攻关项目的要求，所设计的高速电主轴结构如图2 1 所示。该电主轴的主轴部件由前后两套角接触陶瓷球轴承支承。前轴承固定，承 受径向载荷和双向轴向载荷；后轴承在轴向浮动，可以有微量位移，以补偿主轴 工作时的热伸长。前后轴承均采用定位式预紧，并用过盈套固定在主轴上。使用 的无外壳主轴电机直接安装在主轴箱内，位于主轴前后轴承之间。电机的空心转 子6 用压配合的方法，直接装在机床的主轴2 上，带冷却套的电机定子7 则安装 在主轴单元的壳体中。这样，电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体 就是电机座，实现了变频电机与机床主轴的一体化。主轴内部安装o t t 公司生产 的h s k 拉刀机构。主轴后部安装有测速传感器，可对主轴进行c 轴控制。主轴 轴承采用油一气润滑系统进行润滑和冷却。电机则采用油一水热交换系统进行冷 却。该电主轴结构紧凑、刚度高、轴向尺寸短、扭矩特性好。 2 2 高速电主轴的热源 2 2 1 高速电主轴的热源 超高速电主轴在工作时主要存在两大热源：内装式电机的电枢发热和主轴轴 承发热。 主轴电机的空转功耗所产生的热是机床的主要热源；在高速运转条件下的主 轴轴承，也会产生大量的摩擦热，更严重的是，电机转子产生的大量热量直接通 过主轴传递给轴承，使轴承的温升更高，这就加速了轴承的磨损而使精度丧失， 严重时，甚至发生金属粘结烧伤现象，使轴承失效。 1 n 第二章高速电主轴的结构及冷却润滑系统 o_puid鼍n乞。苦皇pa兰上等i _ n 畦 匦霉旱手暴叫守制惺tn匾 域似皿1_【 广|丑曩幂受 巾删毒删 h 錾督韫世幂柱 o o t t 1 奎三些奎耋三兰堡圭兰堡丝兰 可用图2 2 所示的装置测量高速电主轴轴承的热源强度“。试验时，高速电主轴 的内装式电机不启动，其动力从电动机经联轴器输入。在联轴器上安装转矩传感器和 转速传感器，测得电主轴的转速和转矩。由于主轴上无外载荷，该转矩就是电主轴在 这一转速下的总摩擦力矩。根据总摩擦力矩m ( n m ) 以及转速n ( r m i n ) 就可算 出空转摩擦功率损耗n ，也就是电主轴的轴承热源强度，如式( 2 1 ) 所示。 n = 坠9 5 5 0 ( k w ) ( 2 1 ) 、， 跌轴器和传感器 图2 2 商速电主轴轴承热源强度的测量 ( f i g - 2 - 2m e a s u r i n gh e a ti n t e n s i t yf o rh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e ) 高速电主轴的轴承热源强度越大，表明主轴系统在空转条件下的能耗越大， 引起热变形的可能性也越大，主轴系统的热态特性就越差。主轴轴承热源强度与 主轴系统的结构、轴承的型号等都有密切的关系。此外，轴承热源强度还是主轴 系统工况条件的函数，摩擦力矩、热生成、接触压力、热变形、装配间隙、轴承 内部间隙、主轴的转速以及运转时间不同等情况的变化，热源强度也不同。 2 2 2 高速电主轴的电机 本课题所用的主轴电机是德国l n d r a m a t 公司生产的1 m b 2 0 0 h 一4 b a 0 6 6 a 1 型 无外壳电机( f r a m e l e s ss p i n d l em o t o r ) ，其额定功率p 。为1 9 9k w ，额定转速” 。为2 3 4 0r m i n ，最高转速 为1 8 ，0 0 0r m i n ，额定扭矩m 。为1 2 4 n m ，额 定功率损耗为3 8k w 。其中2 3 由定子产生( 2 5 3 k w ) ，1 3 由转子产生( 1 2 7 k w ) 。 第二章高速屯主轴的结构及冷却润滑系统 2 2 3 高速电主轴的轴承 电主轴是高速机床的“心脏部件”，是高速、精密且承受较大径向和轴向切削 负荷的旋转部件。其轴承首先必须满足高速运转的要求，并具有较高的回转精度 和较低的温升；其次，必须具有尽可能高的径向和轴向刚度；此外，还要具有较 长的使用寿命，特别是保持精度的寿命。因此，轴承的性能对电主轴的使用功能 极为重要。目前，电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴 承。 滚动轴承具有刚度高、高速性能好、结构简单紧凑、标准化程度高、品种规 格繁多、便于维修更换、价格适中和便于选择等优点，因而在电主轴中得到最广 泛的应用。电主轴一般采用适应高速且可同时承受径向和轴向负荷的精密角接触 球轴承。 流体静压轴承为非直接触式轴承，具有磨损小、寿命长、旋转精度高、阻尼 特性好( 振动小) 等优点。用于机床电主轴上，在加工零件时可使刀具寿命长、 加工表面质量高。气体静压轴承电主轴的转速可高达1 0 0 ，0 0 0 - - 2 0 0 ，0 0 0r m i n 。其 缺点是刚度差，承载能力低，在机床上一般只限用于小孔磨削和钻孔。 磁悬浮轴承电主轴在空气中回转，其d m n 值可以高出滚动轴承的l - 4 倍， 最高线速度可高达2 0 0m s ( 陶瓷球轴承为8 0m s ) 。这种轴承温升低，回转精 度极高( 可高达0 1 a n ) ，主轴轴向尺寸变化也很小，是一种很有发展前途的电主 轴。但价格很高，这限制了它在工业上的推广应用，其结构如图2 3 所示 2 。 图2 3 采用磁浮轴承的电主轴 ( f i 9 2 - 3m o t o r i z e d - s p i n d l ew i t hm a g n e t i cb e a r i n g s ) 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 本课题选用的是采用的接触角为1 5 。的角接触混合陶瓷球轴承( 其技术参数 见表2 1 ) ，采用背靠背方式组配。该类轴承的轴承内外套圈仍为g c r l 5 钢套圈， 而滚动体使用s i 3 n 。陶瓷球。试验研究表明，混合陶瓷球轴承与同规格、与同精 度的钢轴承相比，其寿命可提高3 6 倍，速度可提高6 0 ，轴承温升可降低3 5 4 0 。相同负荷条件下，陶瓷球轴承的位移约为钢轴承的8 0 ，刚度可以提高约 2 0 。经计算得知，本课题采用的前轴承内外圈接触区的发热量分别为1 5 2 4 8w 、 1 9 5 1 6w ，后轴承内外圈接触区的发热量分别为9 7 1 3w 、1 2 4 1 8w ，则前、后 轴承的总发热量q f 、q ，分别为3 4 7 6 4 w 、2 2 1 3 1 w “。 表2 1 混合陶瓷球轴承的技术参数 ( t a b l e2 一ls p e c i f i c a t i o n so fc e r a m i cr o l l i n gb e a r i n g s ) 参数前轴承后轴承 型号7 0 1 4 c d h c p 4 a d b a7 0 1 2 c d h c p 4 a d b a 内径d ( m m )7 06 0 外径d ( m m )1 l o9 5 内圈沟道曲率半5 7 54 9 5 外圈沟道曲率半5 7 5 49 5 滚动体直径d 1 1 1 1 2 59 5 2 5 滚动体数目z 。1 91 8 原始接触角。1 5 。1 5 o 预紧力f 。( n )1 5 51 1 l 润滑方式 油一气润滑 弹性模量e ( n 轴承钢：2 0 6 1 0 s i ，n 4 ：3 1 4 1 0 “ 密度p ( k g m 3 )轴承钢：7 8 0 0s i ，n a ：3 2 0 0 泊松比r轴承钢：0 3s i ，n 。：o 2 6 2 3 高速电主轴单元的冷却润滑系统 2 3 1 高速电主轴的散热状态分析 在内外热源的作用下，高速电主轴各部分的温度有高低的差异，而热量总是 从高温处向低温处传递。传热有三种基本的方式：导热、对流和辐射。在这三种 1 4 第二章高速电主轴的结构及冷却润滑系统 基本的方式的作用下高速电主轴与周围环境进行热交换：定子产生的热量一部分 通过对流由油一水热交换冷却系统的冷却油吸收并带走，另一部分通过对流和辐 射传递给定子周围的空气；转子产生的热量一部分通过导热直接传递给主轴和轴 承，另一部分通过对流及辐射传递给定子；高速电主轴的各外表面则与周围的空 气进行对流和辐射换热。电机定子、转子中产生的热量传递如图2 - 4 所示。 图2 4 高速电主轴散热示意图 ( f i g 2 4h e a ts i n k i n go fh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e ) 2 3 2 主轴电机定子的冷却系统一一油一水热交换系统 流阅 电机 图2 5 电主轴定子油水热交换冷却系统 ( f i g 2 _ 5o i l - w a t e rh e a te x c h a n g ec o o l i n gs y s t e mf o rm o t o r i z e ds p i n d l e ) 1 5 广东工业大学工学硕士学位论文 本课题高速电主轴的油一水热交换冷却系统如图2 5 所示。油泵连续输出大 流量的冷却油，通过电机定子冷却套的螺旋槽与电机定子产生热交换，再经输出 回路进入“壳管式油一水热交换器”与水进热交换，使油冷却后，流回油池，实 现循环冷却。根据主轴电机的要求，冷却油的入口温度如在l o 4 0 。c 之间， 温升彳r 不得超过l o c ”“。 2 3 3 主轴轴承的润滑冷却系统一一油一气润滑系统 为了降低摩擦阻力和减轻磨损，保证轴承正常运转，正确的润滑极为重要， 稍有不慎，将会造成轴承因过热而烧坏。选用合理的润滑对提高轴承的性能、延 长轴承的使用寿命有重要的意义。适合高速主轴轴承的润滑方式有：油脂润滑、 油雾润滑、油气润滑、喷射润滑。 油脂润滑为一次性永久润滑，不需任何附加装置和特别维护，但其温升较高， 允许轴承工作的最高转速较低，一般能做到的d m n 值在1 1 0 。以下( d m 一轴承 中径，m m ；n 一工作转速，r r a i n ) 。在使用混合轴承条件下，其d m n 值可以提 高( 2 5 3 5 ) 。 图2 6油一气润滑与喷射润滑示意图 ( f i 9 2 - 6o i l - a i rl u b r i c a t i o na n di n j e c t i o nl u b r i c a t i o n ) 第二章高速电主轴的结构及冷却润滑系统 油一气润滑的油滴颗粒大，能够全部有效地进入如何区域，容易附着在轴承 接触表面；供油量较小，能够实现最小油量润滑：油、气分离，既润滑又冷却， 而且对环境无污染；防止外部杂质侵入的能力强，其d m r l 值可达2 1 0 6 以上。 因此，油气润滑在超高速主轴单元中得到了广泛的应用。喷射润滑将油一气直接 从径向送到接触应力最高处，一般只用于对电主轴要求极高的情况。油雾润滑， 尽管其价格便宜，但污染环境，损坏工人健康，其使用范围逐渐减少。 轴承 压缩空气 图2 7 油一气润滑系统原理图 ( f i g 2 7o i l a i rl u b r i c a t i o ns y s t e m ) 油一气润滑系统的基本原理如图2 7 。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 送到安装于轴承近处的喷嘴( 孔径巾l 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。 油气润滑和油雾润滑比较，具有以下的优点：( 1 ) 可以准确地提供所需的极 少油量；( 2 ) 可调节每个注油处( 各轴承) 的注油量；( 3 ) 润滑剂粘度不受极压 添加剂的限制；( 4 ) 压缩空气有冷却效果；( 5 ) 无油雾污染：( 6 ) 几乎不受注油 处的远近高低差的影响；( 7 ) 减少机油消耗量；( 8 ) 压缩空气可防止切削液、粉 尘等进入轴承”“。 广东t 业大学t 学硕士学位论文 2 4 改善主轴热特。l 生的基本思路 在温度上升的过程中，主轴本身将产生轴向伸长( 与轴承配置等具体结构有 关) ，主轴前后支承的中心位置在径向将升高，主轴轴线可能会发生倾斜。在高速 加工中，主轴单元的热变形已经成为影响加工精度的主要因素。因此，要尽量采 取措施，降低主轴的温升。 在实际应用中可用来降低主轴温升的方法有很多，具体的可以分成三大类： 减少发热，加强散热以及对主轴的热变形进行补偿，如图2 8 所示。 盈2 8改善电主轴热态特性的措施 ( f i g 2 8c o u n t e rm e a s u r e st oi m p r o v et h e r m a lp r o p e r t i e so fm o t o r i z e ds p i n d l e ) 第二章高速电主轴的结构及冷却润滑系统 2 4 1 减少主轴系统的发热 虽然超高速主轴单元取消了从驱动电机至工作部件之间的一切中间传动环节 ( 皮带、齿轮等) ，把传动链的长度缩短为零，减少了主轴系统的热源数目，但同 时又引入了一个很大的热源：主轴电机的发热。为降低电机的发热量，可以考虑 采用永磁式主轴电机。与感应式电机相比较，永磁式电机的转子不发热，从而使 得主轴的温升大大降低。但永磁电机制造与安装比较困难，成本很高，系统控制 也存在很多尚未解决的问题，目前尚未推广应用。 2 4 2 采用合理的润滑方式 实验表明，使用油一气润滑的轴承温升可比使用脂润滑时降低5 8 ，比油 雾润滑降低9 1 6 。c ，随着如n 值的增大，降温的效果更明显。油气润滑技术 已有效地应用于超高速主轴中，并取得了良好的效果。 4 0 3 0 己0 1 0 图2 - 9 油- 气润滑与油雾润滑的对比试验 ( f i 9 2 - 9t h ec o m p a r eb e t w e e nt h eo i l a i rl u b r i c a t i o na n dt h eo i l m i s tl u b r i c a t i o n ) ：童些奎兰兰堡圭兰堡丝苎 2 4 3 采用强制冷却措施 在主轴内部通入冷却液，或在主轴箱内强制通入大量的压缩空气，可以大量 带走电机产生的热量，大大降低主轴的温升，从而极大的减少主轴的热变形。 2 4 4 对热变形进行补偿 主轴热变形补偿装置可以分成两类。一类是热位移补偿。检测装置随时将主 轴轴端的热线位移和轴线的热角位移与相应的允许值进行比较。一旦超过允许值， 伺服机构就开始动作，通过机床的c n c 系统给工件或刀具一个相应方向的补偿 运动，以抵消主轴热位移所造成的加工误差。如德国的g m n 公司和瑞士的 f i s c h e r 公司都可提供主轴受热伸长的补偿装置。f i s c h e r 公司采用精密位移 传感器测出主轴伸长量。g m n 公司采用测量前轴承外环的温度，间接推算主轴 伸长量，然后再由数控系统对z 轴尺寸进行补偿。另一类为热对称补偿。由温度 传感器对系统的各个典型区的温度进行工况测量，但温度场的不对称性超过允差 时，便在对于的位置借助外部热源加热( 或冷却) ，使系统的温度场保持对称，减 少热变形”“。 第三章球轴承的受力分析和预紧措施 第三章球轴承的受力分析和预紧措施 虽然滚动轴承结构简单，只有四个元件：内圈、滚珠、