（机械工程专业论文）高速机床传动系统特性的研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本课题是围绕c h h 6 1 2 5 卧式车削中心的研制开发而展开的。c h h 6 1 2 5 卧式车削中 心是沈阳第一机床厂承担国家8 6 3 和十五攻关“精密制造与数控关键技术研究和应用开 发”项目中的“高速、高精密数控车床”课题( n 0 2 0 0 1 b a 2 0 3 8 0 7 - - 0 1 ) 后研制与开发 的产品。 高速机床是当今的主要发展趋势之一，而高速机床对于传动系统即主轴系统和迸给 系统有很高要求，不仅要有高的主轴转速和进给速度，而且还需要具有高的主轴和进给 系统运动加速度。对于高速机床，主轴系统性能的优劣将直接影响机床的最终性能，因 此，对机床主轴系统的性能进行研究，建立机床主轴系统有限元模型，在产品的设计阶 段对其性能进行评价，对于提高机床产品的设计质量非常重要。 论文首先针对高速机床的关键部件主轴系统和进给系统的结构和动态特性进行了 研究和分析，深入研究了高速机床的进给系统，并推导了一般情况下机床进给加速度计 算公式，分析了影响进给系统加速度性能的主要因素和影响情况；还研究了高速电主轴 的传热学特性，并分析确定了主轴系统的各种热力学参数的确定方法。针对c h h 6 1 2 5 卧式车削中心，确定了对电主轴系统进行热分析所需要的各种热力学参数。 ， 其次，文中分别采用理论建模和有限元分析的方法对机床主轴系统的热力学性能和 进给系统的动态性能进行了分析和研究。包括针对c h h 6 1 2 5 卧式车削中心的第一主轴 和第二主轴进行有限元热分析并进行稳态温度场的计算；运用多刚体动力学仿真的方 法，验证上文中的进给加速度计算方法的正确性及其计算结果的准确性。 最后，本文进一步对机床主轴系统的温升热变形和进给系统的动态性能进行实验研 究，并将理论建模和有限元分析的结果与机床两个关键系统的实验结果进行对比，发现 分析计算结果与实验结果有比较好的一致性。 通过本文工作，不仅为c h h 6 1 2 5 卧式车削中心的成功设计和开发提供了主要理论 依据和支持，还为今后数控机床设计分析方法的推广和应用提供了重要参考和经验，推 动了现代设计技术在数控机床领域的应用发展。 关键词：高速机床；进给系统；主轴单元；有限元法；a n s y s ；传热学 高速机床传动系统特性的研究 t h es t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft r a n s m i s s i o ns y s t e mo f h i g hs p e e dm a c h i n et o o l a b s t r a c t t h et h e s i sd i s c m l r s e du p o nt h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to fc h h 6 1 2 5h o r i z o n t a lt u r n i n g c e n t e r c h h 6 1 2 5i sap r o d u c td e v e l o p e da f t e rs h e n y a n gn o 1m a c h i n et o o lw o r k s u n d e r t o o kt h es u b j e c t ( n o 2 0 0 1 b a 2 0 3 8 0 7 - 0 1 ) o f t h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to f h i g h s p e e dp r e c i s i o nc n c l f l t h eo f s m d yo fa p p l i c a t i o no fp r e c i s i o nm a n u f a c t u r i n ga n dn c k e yt e c h n i q u ef r o mt h ei t e m n a t i o n a l8 6 3 a n dt h e k e ys u b j e c to ft e n t hf i v ey e a r s o f o u rc o u n t r y h i g h - s p e e dm a c h i n et o o li so n eo ft h em a j o rd e v e l o p i n gt e n d e n c i e so fm o d e m m a c h i n e t 0 0 1 a n dt h eh i g h - s p e e dm a c h i n en e e d sv e r yh i g hr e q u i r e m e n t st ot h em a i nt r a n s m i t t i n g s y s t e m , i e s p i n d l es y s t e ma n df e e d i n gs y s t e m n o to n l ys h o u l di tp o s s e sv e r ys p i n d l es p e e d a n df e e d i n gs p e e d ，b u ta l s oh i 【g hn m n i n ga c c e l e r a t i o no fs p i n d l ea n df e e d i n gs y s t e m s a sf o r t h el l i 曲- s p e e dm a c h i n e ，t h ef i n a lp e r f o r m a n c e sa n dt h ef i n a lm a n u f a c t u r i n gq u a l i t yo ft h e m a c h i n et o o l sw i l lb ed i r e c t l ya f f e c t e db yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs p i n d l es y s t e m i no r d e rt o i m p r o v et h eq u a l i t yo f p r o d u c t s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt h a ts t u d y i n gt h ep e r f o r m a n c eo fs p i n d l e s y s t e m , a n db u i l d i n gt h ed y n a m i cm o d e l so ft h a t , a n de v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c ei nt h e p r o c e s so f d e s i g n a tf i r s to fa 1 1 a i m i n ga tt h es t u d ya n da n a l y s i so fs t r u c t u r ea n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h e r m a lp e r f o r m a n c e so fk e yp a r t s ，s p i n d l ea s s e m b l i e sa n df e e d i n gs y s t e m s ，t h ep a p e r f u l l e rs t u d i e dt h ef e e d i n gs y s t e mo fh i g h s p e e dm a c h i n ea n ds u m m a r i z e dt h ec a l c u l a t i n g f o r m u l af o rf e e d i n ga c c e l e r a t i o no f t h em a c h i n eu n d e rg e n e r a lc o n d i t i o n sa sw e l la sa n a l y z e d t h em a j o rf a c t o r sa n da f f e c t i n gc a s eo fa f f e c t i n gt h ea c c e l e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ef e e d i n g s y s t e m , e x c e p t i n gt h a t , s t u d i e dt h et h e r m o d y n a m i c sp e r f o r m a n c eo fh i g h - s p e e db u i l t - i n m o t o r - s p i n d l e a n d a n a l y z e d a n dd e t e r m i n e dt h e d e t e r m i n i n g m e t h o do fv a r i o u s t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r so ft h es p i n d l es y s t e m a i m i n ga tc h h 6 1 2 5h o r i z o n t a lt u r n i n g c e n t e r , t h ep a p e rd e t e r m i n e dt h ev a r i o u st h e r m o d y n a m i c sp a r a m e t e r sr e q u i r e df o rt h e r m o a n a l y z i n gt h eb u i l t - i nm o t o r - s p i n d l e s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y z e da n ds t u d i e dt h et h e r m o d y n a m i c sp e r f o r m a n c eo ft h e s p i n d l ea s s e m b l ys y s t e ma n dt h ed y n a m i cc h a r a e t e r i s t i eo nt h ef e e d i n gs y s t e mt h r o u g h t h e o r e t i cm o d e l sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss e p a r a t e l y ，i n c l u d i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o fn o 1s p i n d l ea n dn o 2s p i n d l ea n dc a l c u l a t i o no ft h es t e s d y - s t a t et e m p e r a t u r ef i e l d a i m i n ga tc h h 6 1 2 5 ，a l s ov a l i d a t e dt h ec o r r e c t n e s so fc a l c u l a t i n gm e t h o do ff e e d i n g 大连理工大学专业学位硕士学位论文 a c c e l e f a 虹o na n dv e r a c i t yo fc a l c u l a t i n gr e s u l t sw h i c ha r em e n t i o n e da b o v et h r o u g ht h e e m u l a t i o n a lm e t h o do f p o l y - r i g i d l yb o d yd y n a m i c s i na d d i t i o n , t h e p a p e rf u r t h e re x p l a i n e d t h et e s ts t u d i e so f w a n n i n g - u pt h e r m o d e f o r m a t i o nf r o mt h es p i n d l es y s t e ma n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ef e e d i n gs y s t e ma n d c o m p a r e dt h er e s u l t so ft h e o r e t i cm o d e l sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw i t l lt h et e s t e dr e s u l t s o ft w ok e ys y s t e m so ft h em a c h i n e ，f i n d i n gt h eb e t t e rc o n s i s t e n c yo fa n a l y z i n gc a l c u l a t i o n r e s u l t sa n dt e s t e dr e s u l t s r e s e a r c ho ft h ep a p e rw i l lo f f e rt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n ds u p p o r tf o rt h es u c c e s s f u l d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f c h h 6 1 2 5 h o r i z o n t a lt u r n i n gc e n t e ra n di m p o r t a n tr e f e r e n c ea n d e x p e r i e n c ef o rs p r e a d i n ga n da p p n n gt h ed e s i g nm e t h o d so fc n cm a c h i n e si nf u t u r e , t h e r e f o r e s p r e a d i n gt h ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n to f m o d e md e s i g nt e c h n i q u e si nt h ef i e l do f c n cm a c h i n e s k e yw o r d s ：h i g h - - s p e e dm a c h i n e r y , f e e d i n gs y s t e m , s p i n d l eu n i t s ，a n s y s ，h e a tt r a n s f e r i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 邹藏 邀 年月日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 一个国家高速加工的技术水平，很大程度反映在高速机床的设计和制造技术上。高 速机床不仅要求具有高的主轴转速，而且要求具有高的进给速度和加速度，这是实现高 速加工所必需的。因此，在对高速机床的研究过程，对高速主轴系统和高速进给系统的 研究是非常重要的。 1 1 高速机床的发展趋势 数控机床是国民经济的重要基础装备，其技术水平的高低和拥有量的多少是一个国 家工业化、现代化的重要标志，它关系到国家的战略地位，体现一个国家的综合实力水 平。在以前的几十年里，在机械加工技术的研究和发展上，主要精力集中在减少加工过 程的辅助时间和提高加工精度两个方面。以数控机床为基础的柔性制造自动化技术的发 展和应用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大地提高了生产率。因此可以说，以数 控机床为基础的加工自动化技术，是现代制造技术中最辉煌的成就之一“1 。 由于加工零件的辅助时间大幅度降低，在机械加工中的总工时中切削所占的时间比 例就变得越来越大。因此，要想进一步提高机床的生产率，只有大幅度地降低切削工时， 才有可能在提高机床生产率方面出现新的飞跃“1 。 在高速切削技术方面，1 9 7 6 年美国的v o u g h t 公司研制了一台高速铣床，最高转速 达到了2 0 0 0 0 r r a i n 。特别引人注目的是，联邦德国d a r m s t a d t 工业大学生产工程与机床 研究所( p 邢) 从1 9 7 8 年就开始系统地进行高速切削机理研究，对各种金属和非金属材料 进行高速切削试验；联邦德国组织了几十家企业并提供了2 0 0 0 多万马克支持该项研究工 作。自2 0 世纪8 0 年代中后期以来，商品化的高速切削机床不断出现，高速机床从单一 的高速铣床发展成为高速车床、钻铣床乃至各种高速加工中心等瑞士、英国、日本也相 继推出自己的高速机床。日本日立精机的h g 4 0 0 t i i 型加工中心，主轴最高转速达 3 6 0 0 0 4 0 0 0 0 r m i n ，工作台快速移动速度为3 6 4 0 m m i n 。采用直线电机的美国i n g e r s o l l 公司的h v m 8 0 0 型高速加工中心，最高进给移动速度可达6 0 m m i a 。 1 2 高速加工技术的发展 从德国c a r l j s a l o m o n 博士提出高速切削概念以来，高速切削技术的发展经历了高 速切削的理论探索、高速切削应用探索、高速切削的初步应用、高速切削的逐步成熟等 阶段。特别是2 0 世纪8 0 年代以来各工业发达国家相继投入了大量人力和财力进行高速 切削技术方面研究，使此技术得以迅速发展。 高速机床传动系统特性的研究 高速切削( h s c - m g hs p e e dc u t t i n g ) 技术是一项先进的制造技术，其速度一般比常规 切削高出5 1 0 倍以上，例如在试验室中，铝合金加工已达6 0 0 0 r e r a i n ；而在实际生产 中也达到了1 0 0 0 1 2 0 0 m m i n 。加工时间短，工效高，成本低；高速排出的切屑带走了 大量的切削热，且传熟时间短、工件温升低、内应力和热变形小，精度高；切削系统的 工作频率远离机床的低阶固有频率，工件的表面粗糙度好；可加工淬硬钢( 壬妇l c 4 5 6 51 ， 取代电加工和磨削加工；可省去切削液，实现干切削加工；可加工刚性较差的零件和薄 壁零件“1 。近年来，随着高速切削机床、刀具和相关技术的迅速发展，高速切削技术在 模具、航空、航天、高速机车、汽车和机床等行业得到广泛的应用。 进入2 0 世纪8 0 年代以来，高速切削技术己经成为现代数控加工技术的重要发展方 向之一哪。高速切削加工的巨大吸引力在于实现高速切削的同时，保证了高速切削的高 精度。高速加工是制造工业史上继数控加工之后的又一项重大创新，促进和带动了一系 列相关技术的发展，如高速电主轴、直线进给直接驱动、高性能数控、高动态机床结构 和高速切削刀具系统等。 1 3 高速机床的国内现状 高速切削和精密加工技术在国内的研究及应用起步较晚，进入2 0 世纪9 0 年代以来 已普遍引起关注。适用于于高速，高精密机床的高档数控系统和开放式数控系统正在深 入研究中，但目前主要还是依赖进口。目前国内正逐步开始推广应用高速切削和高精密 技术，主要是应用在航空航天、模具和汽车工业，加工铝合金和铸铁较多。 北京机床研究所生产的立式加工中心，其主轴转速达8 0 0 0 r m i n ，功率达7 5 k w 的 立式加工中心。同济大学、广东工业大学分别对主轴单元动特性和直线电机的应用技术 进行了系统的研究。东北大学研究了热压氮化硅陶瓷轴承，建立了超高速磨削实验台， 能进行磨削转速为2 0 0 m s 的磨削加工试验。在2 0 0 5 年第九界北京国际机床展览会中大 连亿达日平推出了b h 4 s 卧式加工中心最高转速已达1 0 0 0 0 r r a i n ，快速达3 6 m r a i n ，江 苏多棱推出的t h 5 6 4 0 立式加工中心最高转速达1 5 0 0 0 r r a i n ，这两台展品可以说明国内 机床生产厂家也深刻体会到未来机床的发展趋势，在主轴转速及快移速度方面已跨上了 一个新台阶，但与国外同行相比差距仍很大。 我国在高速、商精密机床技术领域进行了一定程度的研究。并在近几年有了很大发 展，但总体水平同国外尚有一定的差距。为了尽快推进我国高速切削加工技术的发展， 国内机床厂商正在通过引进国外先进技术，进行消化吸收，掌握关键技术，生产高速加 工设备，以满足国内市场的需求，缩短同国外的差距。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 4 文献综述 迄今为止，众多的国内外机床生产厂家对于高速机床的主要关键部件高速电主轴的 热态特性和高速进给系统的动态性能仍缺乏足够的了解，因而极大地限制了高速电主轴 和高速迸给系统在实际生产产品中的有效应用。 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己成为热点。1 9 9 8 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 分析了五轴加工中心的主轴轴承热态特性，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 u n s 和j a y f 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 nk i m 对高速电主轴轴承的热态特性进行了研究，研究了轴承预 紧力、过盈等的变化闭嘲。2 0 0 2 年，k u w a i t 大学的m o h a m m e da a l f a r e s 研究) 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 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1 。 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封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 n k i l n 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机床的研究工作“” 1 5 o2 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、部件的变形等热结构之间的相 互影响，本课题运用现代设计技术成功填补了这一方面的理论和实践的空白，为今后高 速机床的研制开发提供了重要的参考和经验。 由于高速切削机床生产率和精度要求高，其中，高速进给系统通过尽可能高的进给 速度和加速度以及足够的持续迸给力或功率，来保证极高的生产率；通过尽可能高的迸 给轨迹精度和几何精度来保证高精度，并且要求它不会对机床结构的动力特性和热稳定 性产生持续的不利影响。这取决于高速进给系统的结构设计，元件的形式和质量，调节 原理和控制系统的效能“”。在设计本课题的高速进给系统时，传统的静力学和动力学理 论己不足以支承研发工作的完成，而国内现有的可指导机床设计的理论书籍在高速进给 高速机床传动系统特性的研究 系统动态性能方面能提供的资料少之又少，本课题创造性的使用多刚体动力学分析方法 对所设计的高速机床进给系统进行动态性能仿真，弥补了高速进给系统动态性能方面的 理论欠缺，为本课题的成功和今后的高速机床的研发工作也提供了经验和参考。 1 5 本文的主要内容 ( 1 ) 在大量查阅国内外资料的基础上，研究高速切削的概念、产生和发展趋势以及 高速机床的现状和发展趋势：研究国外高速机床技术的发展与应用情况，以及我国高速、 机床的发展现状和发展趋势。 ( 2 ) 对高速机床结构设计关键技术问题进行分析和说明，对高速机床关键部件的结 构合理性和关键技术问题研究。 ( 3 ) 高速机床主轴系统的热力学特性对机床性能有非常重要的影响。针对c h h 6 1 2 5 卧式车削中心的主轴系统进行热特性研究，研究其对机床性能的影响。分析主轴系统热 力学特性和确定热力学参数，并采用有限元的方法建立主轴系统的热力学模型，对电主 轴系统进行热分析，研究其对主轴系统性能的影响。 ( 4 ) 所运用研究的分析计算方法，需要通过机床性能试验对进行分析和验证，研究 分析计算的准确性。针对c h h 6 1 2 5 卧式车削中心进行了主轴系统和进给系统性能试验， 并将试验结果进行分析，并与计算分析结果进行对比，研究所采用的计算方法的可行性。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 高速机床结构设计中的关键技术 2 1 高速机床的关键部件系统 实现高速切削加工的核心研究内容主要有：高速切削机理、高速加工技术、高速加 工用刀具技术、高速加工工艺技术、以及高速加工测试技术等，其中高速机床是实现高 速加工的前提和基础条件。性能良好的机床是实现高速切削的基础。现在工业发达国家 都把生产高速机床作为其重要的发展目标，高速机床的生产能力和技术水平已经成为衡 量一个国家制造技术水平的重要标志。 高速机床技术主要包括高速单元技术和机床整机技术。高速加工机床能否达到理想 加工状态，主要取决于高速加工机床的关键单元。高速加工机床单元技术的研究内容主 要包括：高速主轴单元、高速进给系统和高速c n c 控制系统等。高速机床整机技术研究 内容主要包括：机床床身、冷却系统、安全措施和加工环境等。 c h h 6 1 2 5 卧式车削中心为对置式双主轴结构，两主轴均采用内装式电主轴，并同 时配备了伺服动力刀架，是具有钻、铣削功能的高速、高效车削中心。c h h 6 1 2 5 卧式 车削中心的进给系统要求具有高加、减速度为9 8 m s 2 ，快速移动速度为3 0 m r a i n ，最高 主轴转速为7 0 0 0 r r a i n ，开创了国内高速车削中心的先例。该机床性能指标要求高，在 研制和开发的过程中需要解决许多关键技术问题。为此沈阳第一机床厂与东北大学合 作，引入现代产品设计技术，使用有限元分析、多刚体系统动力学分析、实体建模和虚 拟装配等技术，成功地解决了这些关键技术问题。 图2 1c t t h 6 1 2 5 卧式车削中心整机结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo f c h h 6 1 2 5h o r i z o n t a lt u m i n gc e n t e r 高速机床传动系统特性的研究 为了对c h h 6 1 2 5 卧式车削中心进行分析，首先采用三维实体建模软件建立车削中 心的三维实体模型，这不但可以实现车削中心的虚拟装配，检查是否存在干涉问题，而 且可以为进一步研究车削中心性能作准备。图2 1 为虚拟装配后的c h h 6 1 2 5 卧式车削 中心整体结构图，图中显示机床床身、主轴箱、刀架和进给机构的布置情况。机床外形 图如图2 2 所示。 图2 2c 1 f l - 1 6 1 2 5 卧式车削中心外观效果图 f i g 2 2o u t l i n eo f c h h 6 1 2 5h o r i z o n t a lt u r n i n gc e n t e r c h h 6 1 2 5 卧式车削中心实际上是一台高速车铣床，车铣床是集车、铣于体的机 床，使机床具有更大的加工范围。车削的旋转成为旋转进给运动，适合于加工对称旋转 体的零件，可以满足一些特殊零件的高精度加工要求，特别是动力刀架上的高速铣头， 不仅可以高速切削，而且可以进行高速精加工，获得非常高的效率和加工质量，一些需 要在圆柱面上铣削出各种凹槽的零件非常适合使用该类机床。 2 ，1 1 高速机床的主轴系统 高速主轴部件是高速机床最为关键部件之一，同时高速主轴单元的设计是实现高速 加工的最关键技术之一“1 。早期的主轴单元结构简单，主轴由两套轴向预紧的面对面安 装的圆锥滚子轴承来支承，因此具有较大的轴向和径向承载能力。该种主轴单元的速度 性能受到一定的限制。 高速主轴在离心力作用下产生振动和变形，高速运转时产生的摩擦热和大功率内装 电机产生的熟会引起温升和热变形，将直接影响机床的最终的加工性能，因此必须对其 进行严格控制。高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴等。不同类型的主轴输出 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 功率相差较大。高速主轴要在极短的时间内完成升降速，并在指定的位置快速准停，这 要求主轴具有很高的角加速度。主轴的驱动如果通过皮带等中间环节，不仅会在高速状 态打滑、产生振动和噪音，而且增加了转动惯量，机床主轴快速准停非常困难。高速加 工机床主轴系统在结构上几乎都是采用交流伺服电机直接驱动的集成结构形式，集成化 主轴有两种形式：一种是通过联轴器把电机与主轴直接联接，另一种是把电机转子和主轴 做成一体。 目前，多数高速机床主轴采用内装式电机主轴( b u i l d i n m o t o r s p i n d l e ) ，简称“电主 轴”。电主轴采用无外壳电机，将带有冷却套的电机定予装配在主轴单元的壳体内，转 子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速完全通过交流变频控制实现，将变频电 机和机床主轴合= 为一m 。 电主轴主要具有以下特点”1 ： ( 1 ) 电主轴系统取消了高精密齿轮等传动件，消除了传动误差： ( 2 ) 减小了主轴的振动和噪声，提高了主轴的回转精度。电动机内置于主轴两支承之 间，可以较大地提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率，从而提高了其临界 转速，电主轴可以确保正常运行转速低于临界转速，保证高速回转时的安全； ( 3 ) 电主轴采用交流变频调速和矢量控制，具有输出功率大、调速范围宽和功率一扭 矩特性好的特点； ( 4 ) 电主轴机械结构简单，转动惯量小，快速响应性好，能实现很高的速度和加速度 和定角度的快速准停。高速加工的最终目的是为了提高生产率，因此要求主轴在最短的 时间内实现高转速的速度变化，也就是要求主轴回转时具有极大的角加速度，达到这个 要求最经济的方法就是采用电主轴。 在高速主轴单元中，由于机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对主轴单元 提出了较高的静刚度和工作精度要求。高速机床主轴单元的动态性能在很大程度上决定 了机床的加工质量和切削能力。高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对高 速电主轴的各个部分进行精心设计和制造。c h h 6 1 2 5 卧式车削中心的主轴采用电主轴 结构。 轴壳是高速电主轴的主要部件，轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精 度。通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电机定予，必须开放一端。大型 或特种电主轴，可将轴壳两端均设计成开放型。高速、大功率和高速电主轴，其转子直 径往往大于轴承外径，为控制整机装配精度，应将后轴承安装部分设计成无间隙配合。 转轴是高速电主轴的主要回转体，它的制造精度直接影响电主轴的最终精度。成品 转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高。转轴高速运转时，由偏心质量引起的振动，将 高速机床传动系统特性的研究 会严重影响其动态性能，必须对转轴进行严格动平衡，安装在转轴上的零件也应随转轴 一起进行动平衡测试。 高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承。因电主轴的最高转速取决于轴承的大 小、布置和润滑方法，所以轴承必须具有高速性能好、动负荷承载能力高、润滑性能好 和发热量小等优点。近年来相继研制开发了陶瓷轴承和磁浮轴承。磁浮轴承的高速性能 好、精度高，容易实现在线监控和故障诊断，但这种轴承由于电磁测控系统复杂，价格 十分昂贵，至今还未能得到广泛应用。应用最多的高速主轴轴承是混合陶瓷球轴承，即 滚动体使用热压s i 3 n 4 陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。混合陶瓷球轴承生产的标准化程度 高，使用时对机床结构改动小，便于维护保养，特别适合高速运行场合。它的d n 值可 以达到2 7x 1 0 6 ( r a m r r a i n ) ，用其组装的高速电主轴，能兼得高速、高刚度、大功率和长 寿命等优点。 高速电主轴的润滑主要是指主轴轴承的润滑，一般以脂润滑和油雾润滑两种方式为 主。在d n 值较低的电主轴中，脂润滑是较常见的轴承润滑方式。采用脂润滑的高速电 主轴具有结构简单、使用方便、无污染和通用性强的特点，存在的主要问题有主轴湓升 较高和工作寿命较短。 高速电主轴在将电能转化为机械能的同时，也有一部分转化为热能。所有这些热能 无法完全通过风扇和机壳向外扩散，必须加以控制。电主轴产生的热量大部分由电机的 定予产生，因此可以在电机定子外设计一个通入冷却液的套筒，用循环冷却液体吸收和 带走电机产生的热量。高速电主轴的冷却系统主要依靠冷却液的循环流动来实现，流动 的冷压缩空气也能起到一定的冷却作用。 电主轴的核心部件是无外壳主轴电机，正确设计电机的电磁参数是十分重要的。电 机的机械特性和电气特性应满足机床在高调速范围内对功率和扭矩的要求。另外转子在 高速旋转时应该有足够的强度。通过设计计算，c h h 6 1 2 5 卧式车削中心选用德国 i n d r a m a t 公司生产的电主轴配件。第一主轴采用1m s 2 4 1h 6 d a 型号定子和1m r 2 4 1 h 1 0 9 8 型号转子。第二主轴采用i m s1 6 0 n 4 c - a1 型号定子和j m r1 6 0 n a 0 6 0 型号转 子，电主轴的其他零部件由我厂自行选择设计完成。理论上可以实现主轴快启动、低噪 声水平、容易实现c 轴功能和与移动坐标轴实现插补。但是在实际的设计使用过程中， 实现上述功能还需要解决一系列的关键技术问题。 c h h 6 1 2 5 卧式车削中心主轴轴承采用了日本n s k 高精密陶瓷球轴承，它具有线 涨系数低、弹性模量大、极限转速高和抗振动性能好的特点。主轴轴承预紧程度不但直 接影响轴承的支承刚度，而且直接关系到轴承的生热，进而影响轴承的使用寿命。对于 大连理工大学专业学位硕士学位论文 轴承来说，还需要采用合理的冷却方式，解决电主轴在高速旋转时的热传导问题。 c h h 6 1 2 5 机床第一主轴和第二主轴结构图分别如图2 3 和图2 4 所示。 电机反馈进气口电主轴转子电主轴定子进气口主轴 ，图2 3c 琳6 1 2 5 卧式车削中心第一主轴结构示意图 f i g 2 3s t r u c t u r eo f t h ef i r s ts p i n d l ea s s e m b l yo f c h h 6 1 2 5h o r i z o n t a lt u r n i n gc e n t e r 图2 4c h h 6 1 2 5 卧式车削中心第二主轴结构示意图 f i g 2 ，4s l r u c t u r eo f t h es e c o n ds p i n d l ea s s e m b l yo f c h h 6 1 2 5h o r i z o n t a l t u m i n gc e n t e r 主轴电机的转子由空心套筒、叠压的矽钢片和两端的平衡环组成，每个平衡环的圆 周上均布大小相同的螺孔，用以精确地校正主轴和转子的动平衡。冷却套外面加工有螺 旋槽，与主轴壳体内圆柱面一起形成冷却液管道，当电主轴运行时，通入冷却液，以吸 收和带走电机产生的热量。 电主轴的动平衡精度将会大大影响其静动态特性，动平衡精度应达到g o 4 级，这 是电主轴在高速运转时保持良好动态性能的一个重要技术指标。为此电主轴采用了严格 高速机床传动系统特性的研究 的对称设计原理，取消机床主轴与电机转子之间的键联接和螺纹联接，用过盈配合所产 生的结合力来传递电机的扭矩，保证了高速切削条件下主轴的运动精度和传动能力。 2 1 2 高速机床的进给系统 高速机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，这不仅是为了提高生产率， 也是为了达到高速切削中刀具正常工作的条件，否则会造成刀具急剧磨损，破坏加工工 件的表面质量。在进行高速切削时，为了保证零件的加工精度，随着机床转速的提高， 进给速度也必须大幅度提高，以便保证刀具每齿进给量不变；另一方面，由于大多数零 件在机床上加工的工作行程不长，一般只有几十毫米到几百毫米，进给系统只有在很短 的时间内达到高速和在很短的时间内实现准停才有意义。为了实现高速进给，除了可 以继续采用经过改进的滚珠丝杠副外，最近几年又出现了采用直线电机驱动这种新型的 高速进给方式，从结构、性能到总体布局来看，两种方式都有很大的差别，形成了两种 截然不同的高速进给系统。 ( 1 ) 滚珠丝杠副传动系统 从1 9 5 8 年美国k & t 公司生产出世界上第一台加工中心以来， “旋转电动机+ 滚珠 丝杠”至今仍然是加工中心和其他数控机床进给系统采用的主要形式。滚珠丝杠副传动 系统采用交流伺服电机驱动，进给加速度可以达到1 9 ，进给速度可以达到4 0 6 0 m m i n ， 定位精度可以达到2 0 2 51 1n l 。相对于采用直线电机驱动的进给系统，采用旋转电机带 动滚珠丝杠的进给方案，因为受工作台的惯性以及滚珠丝杠副结构限制，能够实现的进 给速度和加速度比较小。对于采用滚珠丝杠副的传动系统，为了提高进给加速度，可以 采取以下措施： 加大滚珠丝杠直径以提高其刚度，且丝杠内部作成空心结构，这样可以强制通 冷却液来降低丝杠温升。高速滚珠丝杠在运转时，由于摩擦产生温升，造成丝杠的热变 形，将直接影响高速机床的加工精度。通过采用滚珠丝杠强行冷却技术，对于保持滚珠 丝杠副温度的恒定有非常重要的作用。该项措施对于提高大中型滚珠丝杠的性能有非常 重要的作用； 选用大额定扭矩的伺服电机。为了更加合理地利用伺服电机，采用多头大导程 滚珠丝杠； 对于关键轴采用双伺服电机和双滚珠丝杠同步驱动。 另外，为了减小高速下滚珠的自旋速度和公转速度，可以采用小直径的氮化硅陶瓷 球，并且采用特殊树脂材料造成的保持架把滚珠分离开来，减小滚珠之间的摩擦、碰撞 和挤压，减少丝杠的发热和引起的噪声。也可以采用丝杠固定、螺母旋转的工作方式， 大连理工大学专业学位硕士学位论文 一避免高速运转受临界转速的限制。滚珠丝杠其进给速度一般不超过6 0 8 0 m m i n ，加 速度小于1 5 9 。它在高速加工中心上的应用仍受到一定的限制。 采用滚珠丝杠副传动实现的高速进给系统与采用直线电机驱动的进给系统相比，可 以大幅度降低成本。日本精工已经研制出了进给速度高达1 0 0 m r a i n 的滚珠丝杠。采取 的改进措施主要有采用1 6 - 3 2 m m 大导程，提高滚珠循环部分零件质量，采用多头螺纹 以增加有效圈数，改进滚道形状等。从而实现了进给系统的高速、高刚度以及高承载能 力。 ( 2 ) 直线电机进给驱动系统 直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免了滚珠丝杠、齿轮和齿条传动中的反向 间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，可获得高精度的高速移动，并具有极好的稳定 性。 直线电机的实质是把旋转电机径向剖切开，然后拉直演变而成。直线电机的转子和 工作台固连，定子则安装在机床床身上，在机床进给系统中采用直线电机后可以把机床 迸给传动链的长度缩短为零，从而实现所谓的“零传动”。 从1 8 4 5 年c h a r l e sw h e a s t o n e 发明世界上第一台直线电机以来，直线电机在运输机 械、仪器仪表、计算机外部设备以及磁悬浮列车等各行各业获得了广泛应用。国外第一 个采用直线电机的数控机床是1 9 9 3 年德国e x c e l l o 公司在汉诺威机床博览会上展出的 h s c 2 4 0 高速加工中心。该加工中心采用了德国t n d r a m a t 公司开发成功的感应式直线驱 动电机，最高的进给速度可以达到6 0 m r a i n ，进绘加速度可以达到1 昏美国i n g e r s o l l 公司在其生产的h v m 8 加工中心的三个移动坐标轴的驱动上使用了永磁式直线电机， 进给最高速度达7 6 2 m r a i n ，进给加速度达1 - 1 5 9 。意大利v i g o l z o n e 公司生产的高速卧 式加工中心，三轴采用直线电机，三轴的进给速度均达到7 0 m r a i n ，加速度达到l g 。在 c i m - 9 7 上德国西门子公司曾作了1 2 0 m m i n 直线电机高速进给表演，该公司直线