866高速磨床电主轴振动特性的实验研究及磨床发展方向

1、先进制造技术课程论文Advanced manufacturing technology class paper班级：08营姓名：史海廷学号：08060416高速磨床电主轴振动特性的实验研究及磨床发展方向08营 史海廷 08060416摘 要：本文介绍高速精密实验磨床直线电机带动电主轴进行磨削加工时，伺服刚度的调节方法，分析了 电主轴一砂 轮接杆系统高速旋 转时引起振动的原因， 提出了改进的方法， 取得了很好 的效果。 为了提高砂轮的线速度，实现高速精密磨削加工，对砂轮驱动和轴承转速要求很高。电主轴单元采用内装 式电动机直接驱动主轴。电主轴单元具有刚性好、旋转精度高、温升小、稳定性好、功耗低和寿

2、命长等优 点，在高速精密磨床上具有广泛的应用前景。 电主轴的转速一般在 10 000r/min 以上，有的甚至高达 60 000-100000r/min ，所以砂轮一主轴系统即便有很小的不平衡量，也会产生非常大的离心力，造成机床 剧烈振动，影响加工精度和表面质量，甚至损坏砂轮及主轴。因此对砂轮一主轴系统动态特性及动平衡技 术的研究越来越受到重视。关键词：高速磨床 实验分析 影响 振动测试 发展趋势High-speed grinding machine electric spindle vibrationcharacteristics of experiment research, grinde

3、r developmentdirectionAbstractThis paper introduces high speed precision linear motor drive electric experimental grinder spindle for grinding, servo stiffness adjustment methods, analyzed the electric spindle a wheel connect high-speed bar system caused vibration reasons and puts forward the improv

4、ing method, and good results have been achieved. In order to improve the grinding wheel linear, realize high speed precision grinding machining, grinding wheel drive and bearing of speed demanding. Electric spindle unit adopts of built-in type direct drive motor spindle. Electric spindle unit has go

5、od rigidity, rotating high precision, small temperature, good stability, low power dissipation and advantages of long life, at high speed precision grinding machine has a broad prospect of application. Motorized spindle speed generally in 10 000r/min above, some even reach 60 000-100000r/min, so gri

6、nding wheel spindle system even if there is a small balabcing, also can produce very big centrifugal force, causing severe vibration machine, affect machining precision and surface quality and even damage grinding wheel and the spindle. Therefore for grinding wheel spindle system dynamic characteris

7、tics and a dynamic balance technology research is more and more attention.Key words ： High-speed grinding machine Experimental analysis influence Vibration testing Development trend 引言：本文系统的介绍了高速磨床在工厂生产中的应用，以及高速磨床发展演变的历史， 从不先进到现今，从低端到高端的过程。还有的就是介绍了高速磨床的性能，作用及特点 。一、振动测试系统1主轴横向进给伺服刚度的调节 本磨削系统的高速电主轴是安装

8、在直线电机的转子之上的，通过 PMAC106，容易被机床设计师接受。实验证明，装有陶瓷球轴承的高速电主轴 在不带砂轮接杆的情况下，各速度段上运转平稳，振动速度值只在小范围内波动，总体变 化趋势是随着转速的提高而增大，但未超过1.5mm/s，满足电主轴单元高速高精加工的要求。经分析得出，电主轴一接杆系统高速运转时的较大振动很可能是由于砂轮接杆的中心不 对称引起的简谐强迫振动。2.砂轮接杆对振动特性的影响砂轮接杆是电主轴和砂轮的重要连接部分，中心不对称是电主轴一砂轮系统动不平衡的重 要影响因素。由于材料组织分布不均匀，机械加工误差以及装配误差等原因，可能造成通 过砂轮接杆重心的主惯性轴与旋转中心不

9、重合。且电主轴高速运转时，其前端由于离心力 的作用会使主轴膨胀，但接杆的膨胀量不如主轴的膨胀量大，因此彼此联接的刚度会下降 ，引起砂轮及夹紧机构质心偏离。因而当电主轴带动砂轮进行高速磨削时，即便电主轴一 砂轮系统有很小的不平衡量，也将产生较大的不平衡离心力，导致剧烈振动，影响零件的 加工精度和表面质量。重新设计制造主轴砂轮接杆后，将其与电主轴采用较大的过盈配合 ，这样不仅可以消除主轴轴端的膨胀，而且能使接杆重心和电主轴重心的主惯性轴与旋转 中心基本重合，避免因为旋转部件的中心不对称引起的振动。为了验证分析的准确性，我 们对电主轴一砂轮接杆系统再次进行振动实验，图2为电主轴转速达到20000r/

10、min时频谱的FFT/FT细化图。图2显示改进后的电主轴一接杆系统在高速运转至20000r/min时，最大的振动幅值基本上保持在10m/s2左右，其余各频率点为 5m/s2左右，振动平稳，满足高速精密磨 削加工的要求。从Coi nvDasp2003采集的各速度段的振动频谱看，电主轴转速从3000r/min升至20000r/min时，各速度段运转平稳，振动幅值总体随着速度的提高而增大，但 只是在小范围内波动。表 1为砂轮接杆改进前后电主轴运转至20000r/min时，振动较大的几个频率点的幅值对比。改进后运行至20000r/min时，振动幅值最大处较接杆改前的幅值减小了 200%多，振动幅值较小

11、，运行平稳，最大处的幅值也没有超过15m/s2。表1前后振动实验幅值对比-序号Hz接杆改前 幅值m/s:接杆改后 輻值m/s:125.394L62133325078345510.743742126.781041499-6022.2714.585125.0020,4910486150.3916.729.10高速超高速精密磨削是未来磨削加工的发展方向，而高速主轴一砂轮的动平衡技术是发展 超高速精密磨削的关键技术之一。以上分析和实验证实，砂轮接杆的制造及安装精度是电 主轴高速运转时振动的重要影响因素之一，如何有效控制和减小电主轴高速运转时引起的 动不平衡问题，是制约高速、超高速电主轴发展的关键技术。

12、三、平面磨床发展趋势目前，国际上平面磨床工作台往复速度最高可达200m/min，工作台的加速度50m/s2。当然，这都是采用直线电机后才达到了这个水平。确实，新功能部件的使用对提高机床主 机的性能起了非常大的作用。1高速行程磨削高速行程磨削，也称为快速短行程磨削，这种方法是以高的工作台速度和高的加速度进行 磨削加工。虽然，这种方法已有20多年的历史，但最近几年的发展较快。传动方式由原来的直流电机齿带或滚珠丝杠传动变为采用直线电机驱动，其运动速度更快，效率更高，应 用范围更广。近2年，欧洲高速行程磨削得到较快的进步，由欧盟支持的一项称为AGNETA的课题，由BLOHM、INA、ROLLS-ROY

13、CE 等厂家和大学共同参与，经过几年基础研究和应用研究，2004年9月就取得成功，实现了该工程预定的2个主要目标一一减少加工费用40%和减少磨削时间50%。从磨削机理看，高速行程磨削并不是一种全新的 加工方式，而是平面磨削的变型或是平面磨削的延伸。总之，高速行程磨削技术是一种新 的有效的平面磨削方法，对于难加工材料和硬质材料具有很大的潜力。2、磨削加工中心的小型化、实用化和复合化/磨削加工中心的发展已有 20多年的历史，随着磨削加工技术和计算机技术的不断进步，磨 削加工中心的制造水平不断提高。磨削加工中心是一种柔性的磨削加工系统，它的技术基 础是机电一体化和计算机技术。磨削加工中心一般可分为加

14、工中心延长型和常规磨床延长 型二种。从2005年欧洲机床展览会看，所展出的磨削加工中心都是磨床延长型，机床从原 来单纯的磨头交换发展到砂轮和铳、钻等刀具混合型交换，以便在工件一次装夹后就完成 所有工序的加工。因此，磨削加工中心的发展趋势是小型化、实用化和复合化。磨床从总 体上增强了与硬切削技术竞争的能力。3、强大的自主创新能力国外一流的机床制造企业都有强大的自主创新能力，在每届重要的机床展览会上都能发现 有创新的亮点。比如在 2005年的欧洲机床展览会上，MAEGERLE公司展出了一台最新的 MFP数控磨床，该机在世界上首次采用最新的驱动技术和西门子最新一代的SINUMERIK在线控制的数控装

15、置。新的驱动技术除了现有的静压导轨以外，还在X轴上首次采用静压丝杠。这个新部件确保把通常采用丝杠产生的振动降低到最小，提供比用直线驱动高15倍之多的动态刚性。其优点是：最大的阻尼特性和进给力，加上在丝杠轴和螺母之间无磨损的 运行。此外，与直线驱动相比，能量消耗要低10倍以上，不会产生任何热量。机床除了有优良的性能、精度以外，必须有美观的外型和色彩。机床的外型和色彩都具有时代的特征 ，从大圆角演变到小圆角和直线条，从比较繁复演变到简洁。色彩从单色变为双色或多色 ，甚至绘有图案。当前在直线条的基本格局下，在造型和细节方面有一些变化，使机床更 美观大方。4、磨床发展呈现四大变化 高速、复合、高精度、

16、高刚性仍是金切机床的发展主调，但又有新的变化。复合，已 从原来的为复合而复合转为从实用高效考虑为主，如车、铣复合，车、铣、钻的复合，铣 床和电火花的复合；从功能上看，复合型机床的针对性很强，针对某类零件考虑；从精度上看，定位精度V 2m,重复定位精度 1出的机床已比比皆是；从主轴转速来看，8.2kW主轴达60000r/min , 13kW达42000r/min，高速已不是小功率主轴的专有特征；从刚性上看 ，已出现可加工60HRC硬度材料的加工中心。模块化的设计在机床制造中已应用得炉火纯青。横向系列、纵向系列、全系列、跨系 列的模块化设计，在展品中体现得淋漓尽致，无论是大隈、牧野等为代表的日本机

17、床，还 是Haas、Cincinnati等为代表的美国机床，同样两台展品，外形上看，好象完全一样，但功 能则完全不同，所构成的模块很多则是通用的。全自动的概念已发生变化。传统的全自动机床是用一只气动或液动的机械手实现工件 的自动上、下料，但展览上有超过10台以上的加工中心和车削中心，采用真正意义的多关节串联式机器人，来实现工件的上、下料，包括完工零件的堆放。控制的范围加大，组线 的灵活性加强，同时辅助配套的机械大大减少。环保要求越来越高。在展出的展品中，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝 对没有切屑或切削液外溅的现象。另一方面，大量的工业清洗机和切削液处理机系统的展 出，亦同时反映现代制造业对环保越来越高的要求。5、根本在于设计创新平磨是磨床类机床中发展潜力最大的机床。在完成传统的平面磨削功能外，以平磨的 床身、拖板、台面、磨头等大件为基础，可以演变成外圆、曲线、工具、无心等磨床，如k.o.lee公司的C1020N2外圆磨床和B6062PC2工具磨的基础就是平磨。我国应在完成平磨规格 系列的完善后，跳出传统的平面磨削的思维转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上去 进一步发展，形成具有我们自己特色的技术和产品。模块化设计将是贯穿产品设计全过程的一条主线，无论是机床技术发展的潮