摘要
電主軸是加工機(jī)床的核心部件，它的精度直接決定了整個(gè)機(jī)床的加工精度，因此，開(kāi)發(fā)出一個(gè)擁有自主產(chǎn)權(quán)的高精密電主軸是機(jī)械行業(yè)的迫切需求。
針對(duì)這一需要，本文從以下幾個(gè)方面去設(shè)計(jì)的：在電主軸的結(jié)構(gòu)上運(yùn)用最佳跨距計(jì)算方法，做出軸的最合理的結(jié)構(gòu)；在布局上采用比較流行的內(nèi)置電機(jī)，循環(huán)油冷卻系統(tǒng)，角接觸混合陶瓷球軸承，油潤(rùn)滑，彈簧預(yù)緊的典型形式。結(jié)構(gòu)緊促縮小了主軸系統(tǒng)占用的空間，循環(huán)油冷卻系統(tǒng)保證了主軸和軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量很快散出去，油潤(rùn)滑在帶走軸承產(chǎn)生的熱量同時(shí)對(duì)軸承進(jìn)行了潤(rùn)滑；在裝配上，嚴(yán)格要求各個(gè)環(huán)節(jié)的精度，尤其在軸承的裝配上，根據(jù)實(shí)測(cè)值，采用選配法，保證了整個(gè)系統(tǒng)的精度；在電主軸的性能分析上，通過(guò)定量去分析電主軸的穩(wěn)定性，定性去分析其動(dòng)態(tài)平衡性和熱穩(wěn)定性，并加入了仿真分析。
所設(shè)計(jì)的電主軸，減少了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此使機(jī)床的結(jié)構(gòu)空間減小，同時(shí)它比傳統(tǒng)內(nèi)圓磨床轉(zhuǎn)速更高，能耗更小，且傳動(dòng)更加平穩(wěn)，因此加工精度更高，在保證加工質(zhì)量的同時(shí)提高了效率。
關(guān)鍵詞：電主軸 角接觸混合陶瓷球軸承 油潤(rùn)滑 仿真分析
Abstract
Electro-spindle is the core component of machine tools, its accuracy directly determines the machining accuracy of the machine, and therefore, developing their own property rights in a high-precision electro-spindle is an urgent demand for machinery industry.
In response to this need, this paper contains the following aspects: in the structure of the spindle span, the best use of the method of calculating the shaft to make the most reasonable structure； in the layout , use the more popular of the built-in motor, cycle water cooling systems, hybrid ceramic angular contact ball bearings, oil mist lubrication, as well as spring preload of the typical form of rolling sleeve. The urgent structure reduces the space occupied by the spindle system. Circulating water cooling system to ensure the heat generated by the spindle and bearing scatter out quickly mist lubrication scatter out the heat generated by the bearings at the same time lubricate the bearings. so that when temperature rise ,the rolling Introduction sets make the elongation of axis do not affect the precision； in the assembly, the strict demands on the accuracy of all aspects, especially in the bearing assembly on the basis of measured values, using selective assembly method, to ensure the accuracy of the whole system ；in capability of analysis of the spindle, through quantitative analysis of the stability of electro-spindle, qualitative analysis of its thermal stability and dynamic balance；
The designed Spindle motor reduce the transmission link in the middle, thus reducing the machine tool structure of space, while at the same time than the traditional high speed grinder, a smaller energy consumption, and the drive is more stable, so its machining accuracy is higher, and it improve the quality of machining and processing efficiency.
Key words：electro-spindle hybrid ceramic angular contact ball bearings oil lubrication Micro-Milling Machine
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目錄
摘要 I
Abstract II
目錄 I
第1章 緒論 1
1.1本課題研究的意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.2.1國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.2.2國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.3電主軸的工作原理 3
1.4電主軸的關(guān)鍵技術(shù) 3
1.4.1潤(rùn)滑技術(shù) 4
1.4.2動(dòng)態(tài)性能 4
1.4.3電主軸新技術(shù)的展望 5
2.1設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì) 6
2.1.1主軸設(shè)計(jì)原始參數(shù) 6
2.1.2初定軸上零件的裝配方案 6
2.1.3軸上零件的定位 6
2.2主軸主要尺寸的確定 6
2.2.1主軸軸徑的確定 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算 6
2.2.2主軸前段懸身量的選擇 9
2.2.3主軸支撐跨度L的選擇 9
2.2.4軸的強(qiáng)度校核 9
2.3主軸臨界轉(zhuǎn)速的校核 12
2.4電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
2.4.1電主軸的性能參數(shù)與整體結(jié)構(gòu) 12
2.4.2電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 13
2.4.3電主軸的建模 13
2.4.5電主軸設(shè)計(jì)制造的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 17
第3章 軸承系統(tǒng)的計(jì)算 19
3.1軸承徑向的剛度計(jì)算 19
3.2軸向預(yù)緊力 19
3.3預(yù)緊力的計(jì)算 20
3.4高速角接觸陶瓷球軸承分析 21
第4章 電主軸主軸單元靜態(tài)特性虛擬仿真分析 23
4.1主軸單元靜態(tài)特性分析 23
4.2結(jié)構(gòu)靜力分析 23
4.3電主軸單元靜力分析模型簡(jiǎn)化、單元類型選擇、建模與網(wǎng)格劃分 23
4.4高速電主軸單元靜力分析加載、約束與求解 24
4.5高速電主軸模態(tài)分析 25
4.6模態(tài)分析 25
4.7高速電主軸模態(tài)分析模型簡(jiǎn)化、建模 26
4.8高速電主軸模態(tài)分析加載、約束與求解 26
結(jié)論 30
參考文獻(xiàn) 31
致謝 32
第1章 緒論
高速電主軸是高速機(jī)床的核心部件,它將機(jī)床主軸與電機(jī)軸合二為一,即將主軸電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部,也被稱為內(nèi)裝式電主軸,其間不再使用皮帶或齒輪傳動(dòng)副,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”。具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn),并改善了機(jī)床的動(dòng)平衡,避免振動(dòng)和噪聲,在超高速機(jī)床中得到了廣泛的應(yīng)用。它應(yīng)用于不同機(jī)床中分為:鉆銑主軸、加工中心主軸、雕刻機(jī)主軸、磨床用電主軸等。隨著高速加工技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用,各工業(yè)部門特別是航天、航空、汽車、摩托車和模具加工等行業(yè),對(duì)高速度、高精度數(shù)控機(jī)床的需求與日俱增。這迫切需要開(kāi)發(fā)出更加優(yōu)質(zhì)的高速電主軸。目前國(guó)內(nèi)外的電主軸專業(yè)生產(chǎn)廠家多達(dá)幾十家，以德國(guó)的GMN公司與瑞FISCHER公司最為著名。GMN公司還兼產(chǎn)機(jī)床用精密主軸軸承，其最高精度（UP級(jí)）高于ISO和ABEC標(biāo)準(zhǔn)的最高精度（P2和ABEC9），本研究所使用的混合陶瓷球軸承即選用該公司的產(chǎn)品。瑞士IBAG公司電主軸產(chǎn)品的質(zhì)量也比較好，該公司最近推出了以油為介質(zhì)的靜壓軸承電主軸和商品化的磁懸浮軸承電主軸。德國(guó)CYTEC公司只有15年的電主軸生產(chǎn)歷史，近來(lái)推出高達(dá)800N·m的大轉(zhuǎn)矩電主軸和裝備有自行開(kāi)發(fā)的環(huán)形力矩伺服電動(dòng)機(jī)的雙擺角電主軸而引人注目國(guó)內(nèi)電主軸的生產(chǎn)以洛陽(yáng)軸承研究所最為有名，在上世紀(jì)70年代初即開(kāi)始研發(fā)內(nèi)孔磨削用電主軸，80年代，曾經(jīng)從德國(guó)GMN公司引進(jìn)過(guò)生產(chǎn)電主軸的技術(shù)。近來(lái)，該所開(kāi)發(fā)的加工中心、高速銑床和車床用電主軸，已與國(guó)產(chǎn)高速機(jī)床和國(guó)產(chǎn)并聯(lián)（虛擬軸）機(jī)床配套，投入使用。迄今已發(fā)展到100多個(gè)品種的電主軸，功率從0.2~75kW，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)150000 r/min。同時(shí)，該所還兼營(yíng)精密機(jī)床用主軸軸承，且有少量出口。
1.1本課題研究的意義
電主軸是高速加工機(jī)床的核心功能部件。由于電主軸性能的好壞在很大程度上決定了整臺(tái)機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率，因此，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都十分關(guān)注高速電主軸的研究與發(fā)展，紛紛投入巨資，裝備精良的加工和測(cè)試設(shè)備，建立恒溫、潔凈的裝配環(huán)境，形成了不少電主軸的專業(yè)生產(chǎn)基地。電主軸的研究工作在國(guó)外開(kāi)展較早，現(xiàn)在已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。我國(guó)自上世紀(jì)70年代初期自行研制內(nèi)磨砂輪電主軸開(kāi)始，發(fā)展至今，高速電主軸的各項(xiàng)性能指標(biāo)與國(guó)外尚有一定的差距。為了加快我國(guó)高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，加速數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的更新?lián)Q代，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的性能優(yōu)異的高速電主軸顯得十分迫切?，F(xiàn)在，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都把生產(chǎn)高速機(jī)床作為其重要的發(fā)展目標(biāo)，高速機(jī)床的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平己經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志。高速機(jī)床技術(shù)主要包括高速單元技術(shù)和機(jī)床整機(jī)技術(shù)。單元技術(shù)包括高速主軸、高速進(jìn)給系統(tǒng)、高速CNC控制系統(tǒng)等。機(jī)床整機(jī)技術(shù)包括機(jī)床床身、冷卻系統(tǒng)、安全設(shè)施、加工壞境等。高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵設(shè)備，高速電主軸作為高速機(jī)床的核心部件，是高速技術(shù)的體現(xiàn)，它的開(kāi)發(fā)為機(jī)床高速化提供了必要的技術(shù)準(zhǔn)備。高速電主軸由于結(jié)構(gòu)的特殊性，尚有許多新問(wèn)題需要解決。我國(guó)的高速電主軸技術(shù)與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家有不小的差距，研究工作剛剛起步，應(yīng)加大對(duì)這方面研究的投入。本課題即是基于以上分析所設(shè)立的。
1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)電主軸的研究始于20世紀(jì)60年代,主要用于零件內(nèi)表面磨削,這種電主軸的功率低,剛度小。并且它采用無(wú)內(nèi)圈式向心推力球軸承,限制了高速電主軸的生產(chǎn)社會(huì)化和商品化。20世紀(jì)70年代后期至80年代,隨著高速主軸軸承的開(kāi)發(fā),研制了高剛度、高速電主軸,它被廣泛應(yīng)用于各種內(nèi)圓磨床和各個(gè)機(jī)械制造領(lǐng)域。在20世紀(jì)80年代末以后,由磨用電主軸轉(zhuǎn)向銑用電主軸,它不僅能加工各種形體復(fù)雜的模具,而且開(kāi)發(fā)了用于木工機(jī)械用的風(fēng)冷式高速銑用電主軸,推動(dòng)了高速電主軸在銑削中的應(yīng)用。此外,食品工業(yè)的固體飲料；染化工業(yè)的染料；醫(yī)藥工業(yè)的藥品等粉狀和粒狀物質(zhì)均需用高速離心干燥技術(shù)來(lái)生產(chǎn),而高速離心干燥設(shè)備也需要高速電主軸技術(shù)。高速拉伸電主軸的應(yīng)用也促進(jìn)了我國(guó)有色管材精密冷成型技術(shù)的發(fā)展。高精度硅片切割機(jī)用電主軸,促進(jìn)了電子工業(yè)設(shè)備的更新和進(jìn)步。利用高速電主軸的優(yōu)良性能,還可以開(kāi)發(fā)多種高性能試驗(yàn)機(jī)。目前國(guó)內(nèi)研究高速電主軸的科研機(jī)構(gòu)有我國(guó)河南省洛陽(yáng)軸承研究所,他們能自行研究開(kāi)發(fā)電主軸,其dmn值達(dá)到了很高的水平；廣州鉅聯(lián)高速電主軸有限公司研發(fā)的大功率靜壓軸承電主軸曾獲得日內(nèi)瓦國(guó)際專利技術(shù)博覽會(huì)金獎(jiǎng)；廣東工業(yè)大學(xué)高速加工和機(jī)床研究所也開(kāi)發(fā)了數(shù)控銑床高速電主軸。其主要技術(shù)指標(biāo)為:電主軸的額定功率是13.5kW,最高轉(zhuǎn)速為18000r/min,在額定轉(zhuǎn)速500r/min時(shí)產(chǎn)生最大輸出轉(zhuǎn)矩為85Nm。在我國(guó)的安陽(yáng)市,有一家中外合資的電主軸生產(chǎn)廠家——安陽(yáng)萊必泰機(jī)械有限公司,它擁有先進(jìn)的電主軸、機(jī)床主軸設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。該公司研制生產(chǎn)的加工中心電主軸,采用先進(jìn)技術(shù),配有矢量閉環(huán)控制系統(tǒng),能對(duì)主軸實(shí)行恒功率調(diào)速,準(zhǔn)停制動(dòng)。功率為3.7～25kW,恒功率段1500～12000r/min。采用進(jìn)口高速精密軸承,旋轉(zhuǎn)件經(jīng)高精度平衡。該系列產(chǎn)品具有高精度、高剛度、高速度、低噪聲、低振動(dòng)、低溫升等優(yōu)點(diǎn),系99國(guó)家火炬計(jì)劃項(xiàng)目。
1.2.2國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外高速電主軸技術(shù)由于研究較早,技術(shù)水平也處于領(lǐng)先地位,電主軸已越來(lái)越多地應(yīng)用到工業(yè)制造業(yè)中。著名的有瑞士的Fisher公司、Ibag公司、德國(guó)的GMN公司、Hofer公司、Siemens公司、意大利Faemat公司、Gamfior公司及美國(guó)Ingersoll公司、日本Okuma公司和Fanuc公司等,它們的技術(shù)水平代表了這個(gè)領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平。這些公司生產(chǎn)的電主軸較之國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的有以下幾個(gè)特點(diǎn):
（1）功率大、轉(zhuǎn)速高。
（2）采用高速、高剛度軸承。國(guó)外高速精密主軸上采用高速、高剛度軸承,主要有陶瓷軸承和液體動(dòng)靜壓軸承,特殊場(chǎng)合采用空氣潤(rùn)滑軸承和磁懸浮軸承。 （3）精密加工與精密裝配工藝水平高。 （4）配套控制系統(tǒng)水平高。這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤(rùn)滑與精密控制系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補(bǔ)償精密控制系統(tǒng)等。并在此基礎(chǔ)之上,這些外國(guó)廠家如美國(guó)、日本、德國(guó)、意大利和瑞士等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已生產(chǎn)了多種商品化高速機(jī)床。
如瑞士米克朗公司,就是世界上著名的精密機(jī)床制造商。它生產(chǎn)的機(jī)床配備最高達(dá)60000r/min的高速電主軸,可以滿足不同的切削要求,所有的電主軸均裝有恒溫冷卻水套對(duì)主軸電機(jī)和軸承進(jìn)行冷卻,并通過(guò)高壓油霧對(duì)復(fù)合陶瓷軸承進(jìn)行潤(rùn)滑。所有的電主軸均采用矢量控制技術(shù),可以在低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出大扭矩。
1.3電主軸的工作原理
電主軸就是直接將空心的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝在主軸上，定子冷卻套固定在主軸箱體孔內(nèi)，形成完整的主軸單元。通電后直接帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。省去了帶輪或齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的零傳動(dòng)，提高了效率。具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn),并改善了機(jī)床的動(dòng)平衡,避免振動(dòng)和噪聲,在超高速機(jī)床中得到了廣泛的應(yīng)用。如圖1-1所示：
圖1-1 主軸工作原理
1.4電主軸的關(guān)鍵技術(shù)
1.4.1潤(rùn)滑技術(shù)
主軸軸承常見(jiàn)的潤(rùn)滑方式有脂潤(rùn)滑、噴射潤(rùn)滑、環(huán)下潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑及油氣潤(rùn)滑等。脂潤(rùn)滑不需任何附加設(shè)備，但只用于低速場(chǎng)合。噴射潤(rùn)滑是直接用高壓潤(rùn)滑油對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，功率消耗大，成本高。環(huán)下潤(rùn)滑是一種改進(jìn)的潤(rùn)滑方式，分為環(huán)下油潤(rùn)滑和環(huán)下油氣潤(rùn)滑。油或油氣從軸承內(nèi)圈噴入軸承內(nèi)，在離心力的作用下，潤(rùn)滑油更易于到達(dá)軸承潤(rùn)滑區(qū)，因而比普通的噴射潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑效果好，可進(jìn)一步提高軸承的轉(zhuǎn)速。而對(duì)于角接觸陶瓷球軸承轉(zhuǎn)速比較高，如果采用普通油氣潤(rùn)滑，將造成潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軸承不易標(biāo)準(zhǔn)化，裝配困難。考慮到經(jīng)濟(jì)性市場(chǎng)上的電主軸多為油霧潤(rùn)滑方式。
油霧潤(rùn)滑方式的優(yōu)點(diǎn)可以概括為：（1）油霧能隨壓縮空氣彌散到所有需要潤(rùn)滑的磨擦部位?？梢垣@得良好而均勻的潤(rùn)滑效果；（2）壓縮空氣比熱小、流速高，很容易帶走磨擦所產(chǎn)生的熱量。（3）大幅度降低了潤(rùn)滑油的耗量。（4）較稀油循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧，占地面積小，動(dòng)力消耗低，維護(hù)管理方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，成本低；（5）由于油霧具有一定的壓力，因此可以起良好的密封作用，避免了外界的雜質(zhì)、水分等侵入磨擦副。
1.4.2動(dòng)態(tài)性能
追求優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能是研發(fā)高速電主軸最根本的目標(biāo)，動(dòng)態(tài)性能的好壞是衡量電主軸質(zhì)量的最重要指標(biāo)。其動(dòng)態(tài)性能的好壞，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
(1) 剛度和精度電主軸的剛度包括徑向剛度與軸向剛度，是以軸端的測(cè)量值來(lái)表示的。影響電主軸剛度因素主要有軸的材料與結(jié)構(gòu)、軸承及軸承座剛度及前后支承軸承的配置方式等。剛度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
其中F：載荷；δ：變形。
在材料力學(xué)中，可近似地認(rèn)為懸臂梁自由端的撓度與載荷成線性關(guān)系，但在電主軸中，這樣近似將帶來(lái)較大誤差。電主軸長(zhǎng)度相對(duì)較短，長(zhǎng)徑比較小，軸端懸伸長(zhǎng)度也較短，因此，軸本身的剛度與支承部位的總剛度（包括軸承及軸承座的剛度）處于同一量級(jí)，軸承的剛度變化將直接影響電主軸的剛度。而軸承的剛度是隨軸承預(yù)緊力及轉(zhuǎn)速的變化而變化的。預(yù)緊力增大時(shí)，軸承的軸向及徑向剛度均增大；而轉(zhuǎn)速升高時(shí)，傳統(tǒng)上都認(rèn)為軸承剛度降低，即所謂的剛度軟化。
(2) 臨界轉(zhuǎn)速
臨界轉(zhuǎn)速是電主軸的一個(gè)重要參數(shù)，它是指電主軸的轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。由于轉(zhuǎn)軸是連續(xù)質(zhì)量分布系統(tǒng)，因此在理論上有無(wú)限多個(gè)臨界轉(zhuǎn)速。電主軸工作時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制最高轉(zhuǎn)速在其第一階臨界轉(zhuǎn)速之下，一般不超過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速的70%。因此臨界轉(zhuǎn)速?zèng)Q定著電主軸的最高工作轉(zhuǎn)速，影響著電主軸的振動(dòng)水平，臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算與研究是電主軸設(shè)計(jì)的必要環(huán)節(jié)。影響電主軸臨界轉(zhuǎn)速的因素主要有：轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)、軸承布置方式、軸承剛度、刀具（或砂輪）參數(shù)等。電主軸生產(chǎn)廠家向用戶提供的技術(shù)資料中都對(duì)安裝在電主軸上的刀具重量、長(zhǎng)度、直徑及刀具的不平衡量有明確的限制。因?yàn)檫@些參數(shù)均會(huì)影響主軸的臨界轉(zhuǎn)速。
(3) 動(dòng)平衡
由于電主軸的轉(zhuǎn)速很高，因此即使微小的動(dòng)不平衡量，也會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，引發(fā)振動(dòng)。對(duì)高速電主軸的動(dòng)平衡要求是很高的。不但要求各零部件各自進(jìn)行動(dòng)平衡，而且裝配后還要進(jìn)行整體動(dòng)平衡，在裝夾或更換刀具后，對(duì)刀具也要進(jìn)行動(dòng)平衡。有的國(guó)外產(chǎn)品在刀具裝夾端設(shè)有在線自動(dòng)平衡裝置，每更換一次刀具，該裝置可自動(dòng)測(cè)出動(dòng)不平衡量，并自動(dòng)使該裝置上的兩個(gè)圓盤相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，從而達(dá)到動(dòng)平衡。對(duì)于電主軸的動(dòng)平衡要求，一般都按ISO標(biāo)準(zhǔn)G0.4 級(jí)，即在最高轉(zhuǎn)速時(shí)，由殘余動(dòng)不平衡量引起的振動(dòng)速度最大允許值為 0.4mm/s 。
1.4.3電主軸新技術(shù)的展望
(1) 繼續(xù)向高速重載方向發(fā)展。德國(guó) GMN 公司提供的產(chǎn)品樣本上，電主軸的最高轉(zhuǎn)速為180000r/min ,國(guó)內(nèi)洛陽(yáng)軸承所也有轉(zhuǎn)速為 150000r/min 的電主軸產(chǎn)品供應(yīng)。在載荷方面，目前額定轉(zhuǎn)矩最大的電主軸是瑞士STRP-TEC公司的產(chǎn)品，額定轉(zhuǎn)矩達(dá)350N·m。
(2) 自動(dòng)化程度將進(jìn)一步提高。電主軸屬高科技產(chǎn)品，其自動(dòng)化程度越來(lái)越高。最新的電主軸產(chǎn)品有的裝備了在線自動(dòng)平衡裝置，刀具更換后或加工過(guò)程中，由不平衡量引起的振動(dòng)超過(guò)規(guī)定值時(shí)，會(huì)對(duì)不平衡量進(jìn)行 在線自動(dòng)平衡。刀具的夾緊與松開(kāi)也配備了自動(dòng)控制的氣壓或液壓裝置。
(3) 提高動(dòng)態(tài)性能及加工精度的新技術(shù)動(dòng)態(tài)性能好及加工精度高是對(duì)電主軸最根本的要求，也是電主軸生產(chǎn)商追求的根本目標(biāo)。由于熱膨脹和轉(zhuǎn)速的影響，電主軸在高速時(shí)會(huì)產(chǎn)生百分之幾的軸向位移，即降低了加工精度。GMN公司及 FISCHER 公司均可提供主軸伸長(zhǎng)的自動(dòng)補(bǔ)償裝置。通過(guò)直接或間接測(cè)得軸端的伸長(zhǎng)量，相應(yīng)控制機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)在主軸軸向進(jìn)行補(bǔ)償。為解決主軸軸向伸長(zhǎng)導(dǎo)致軸承負(fù)載增加的問(wèn)題，一些新款電主軸的軸向預(yù)緊力是由自動(dòng)控制的液壓阻尼系統(tǒng)來(lái)施加的。根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速，預(yù)緊力會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)，阻尼作用可用來(lái)降低軸承的振動(dòng)水平。
第2章 主軸的設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)
2.1.1主軸設(shè)計(jì)原始參數(shù)
表2－1 主軸設(shè)計(jì)原始參數(shù)
電流
相數(shù)
旋向
功率
頻率
電壓
轉(zhuǎn)速
12A
3
從軸伸端看順時(shí)針
5.5
600HZ
350
36000RPM
由于電主軸是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的部件所以設(shè)計(jì)要滿足如下要求：
(1)使砂輪軸裝配后周前端徑向跳動(dòng)、軸向端面跳動(dòng)均不大于0.005mm；
(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，初步具備精度設(shè)計(jì)的能力。
其次砂輪軸系必須滿足機(jī)床的性能要求，適應(yīng)工作條件，性能可靠，此外還應(yīng)適應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，成本低，效率高和操作維護(hù)方便以及具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。
2.1.2初定軸上零件的裝配方案
軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，它決定著軸的基本形式。所謂的裝配方案，就是軸上主要零件的裝配方向，順序和相互關(guān)系。電主軸軸上主要零件是轉(zhuǎn)子平衡塊以及軸承。考慮它們之間安裝順序根據(jù)實(shí)際的情況可以是兩端軸承固定支承，軸上從左向右依次裝上平衡塊，定子，平衡塊。
2.1.3軸上零件的定位
兩端分別用軸承蓋加以定位，軸上的軸承采用過(guò)盈連接防止徑向轉(zhuǎn)動(dòng)，軸向用軸肩加以固定，定子用過(guò)盈連接固定。具體過(guò)盈量一方面可以查閱相關(guān)的手冊(cè)，另一方面可以參考相關(guān)的設(shè)計(jì)。
2.2主軸主要尺寸的確定
主軸主要參數(shù)有：主軸前后支撐直徑D1和D2，主軸前段伸長(zhǎng)量a和軸支撐跨度L，這些參數(shù)直接影響著主軸的旋轉(zhuǎn)精度和剛度。
2.2.1主軸軸徑的確定 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算
這種方法是只按軸所受的扭矩來(lái)計(jì)算軸的強(qiáng)度；如果還受有不大的彎矩時(shí)，則用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法予以考慮。在做軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常用這種方法初步估計(jì)軸徑。對(duì)于不大重要的軸，也可以作為最后計(jì)算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
(2-1)
式中:——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為；
T ——軸所受的扭矩，單位為；
——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為；
n ——軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；
P ——軸傳遞的功率，單位為；
d——計(jì)算截面處軸的直徑，單位為mm；
——許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，單位為；
軸常用的幾種材料的及值見(jiàn)表2-2：
表2－2 軸的材料比較
軸的材料
Q235-A,20
Q275,35(1Cr18Ni9Ti)
45
40Cr,35SiMn38SiMnMo,3Cr13
/
15~25
20～35
25～45
35～55
149～126
135～112
126～103
112～97
由上式可得軸的直徑
（2-2）
式中，查上表。
對(duì)于電主軸由于其高速運(yùn)轉(zhuǎn)，所以要求所用材料具有良好的耐磨性。又由于其工作時(shí)有較大的力,所以要求內(nèi)部要有一定的韌性。在此次設(shè)計(jì)中軸的材料選用40Cr查表的＝110，由原始條件的功率為P=5.5KW,轉(zhuǎn)速為36000r/min代入上述公式(2-1)得：
考慮到實(shí)際工作條件和可靠性的要求在此設(shè)計(jì)中取軸的最小直徑為25mm。
對(duì)于前端由于是空心軸所以利用公式:
（2-3）
式中，即空心軸的內(nèi)徑與外徑的比值，通常取
代入（2）公式
考慮實(shí)際的情況，在本設(shè)計(jì)中前端的軸徑取30mm。根據(jù)電主軸的實(shí)際情況，其極限轉(zhuǎn)速比較高，而且同時(shí)有軸向載荷和徑向載荷的作用所以在本次設(shè)計(jì)中所選用的軸承是角接觸球軸承。對(duì)于磨床，，通過(guò)計(jì)算的后端的直徑設(shè)為25。因此，前端的軸承選擇的類型為B7006C/HQ1P4。而后端的軸承選擇的類型為B7005C/HQ1P4。
表2－3 軸承參數(shù)
軸承代號(hào)
D
D
B
額定載荷Cr(KN)
a
極限轉(zhuǎn)（r/min）
脂 油
B7006C/HQ1P4
30
55
13
9.1
15°
37000
55000
軸的極限轉(zhuǎn)速一般為軸承極限轉(zhuǎn)速的80％左右，從上表可以看出，軸的極限轉(zhuǎn)速為55000×80％＝44000 r/min。
為了提高其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的精度采用雙聯(lián)軸承配置。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得軸承的基本尺寸。從而得出與軸承配合軸段的長(zhǎng)度。對(duì)于后端軸承軸向定位一端用軸承蓋，一端用軸肩定位，軸肩的高度取h=3mm，得與轉(zhuǎn)子配合得軸段得直徑為30mm。對(duì)于這段軸的左端動(dòng)平衡塊與軸肩之間留出1mm的熱變形余量，為了對(duì)平衡快進(jìn)行軸向的定位，左端的軸肩高度h＝3mm，此時(shí)軸肩的直徑為36mm。接著要裝左端的軸承，為了拆卸的方便可在設(shè)定一個(gè)軸肩段，此軸肩段的高度h＝3mm。所以此軸段的直徑為36mm。前端軸承的左端用螺母定位。軸向零件的圓角和倒角尺寸可見(jiàn)零件圖。圖2-1和圖2-2為主軸的3維建模。
圖2-1 主軸3維建模平面圖
圖2-2 主軸3維建模立體圖
2.2.2主軸前段懸身量的選擇
主軸前段懸身量是指主軸定位基面至前支撐徑向支反力作用點(diǎn)之間的距離。懸身量決定于主軸端部的結(jié)構(gòu)形式和尺寸，在滿足結(jié)構(gòu)尺寸的要求的前提下，應(yīng)盡量減少懸身量，提高主軸剛度，初步確定是可設(shè)=D1=35mm。
2.2.3主軸支撐跨度L的選擇
主軸的支撐跨度是指兩支撐支反力作用點(diǎn)之間的距離，是影響主軸組件剛度的重要參數(shù)。主軸組件剛度主要取決于主軸自身的剛度和主軸支撐的剛度。主軸自己的剛度與支承跨度成反比，，即主軸軸徑，懸身量確定以后，跨距越大，主軸端部變形越大，主軸彈性變形引起的主軸端部變形，則隨著跨度的增大而減小，跨度越大，軸承剛度對(duì)主軸的影響越小。因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，和實(shí)際的電主軸尺寸，初設(shè)，主軸支撐跨度L=160mm。
2.2.4軸的強(qiáng)度校核
首先，應(yīng)確定磨削時(shí)的磨削力，而且磨削時(shí)軸主要受的力為切向力和法向力，因此查資料得，磨削力的經(jīng)驗(yàn)公式為：
（2-4）
（2-5）
查表可知各個(gè)參數(shù)得，
，，，，，， 。
代入公式（2-4），（2-5），可分別計(jì)算出=150N，=75N。
主軸力的簡(jiǎn)圖如圖2-3所示：
圖2-3 主軸受力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
由靜力平衡方程，求得支反力：
131.25N， =36.75N
做出剪應(yīng)力圖和彎矩圖，如圖2-4,2-5所示：
圖2-3 主軸受力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖2-4 剪應(yīng)力圖
圖2-5 彎矩圖
所以，最大彎矩為：M=5880Nmm
根據(jù)扭矩公式: =9550000 ，得：
=9550000=1500Nmm
產(chǎn)生的扭矩為=*d/2=150*15=2250 Nmm
T=+=1500+2250=3750 Nmm
對(duì)于空心軸，W=0.1 , ，代入公式，可得：
W=2531.25
根據(jù)第三強(qiáng)度理論公式
，得，因?yàn)檫x用的是40Cr，所以=60。
〈=60，因此，此軸設(shè)計(jì)的合格。
2.3主軸臨界轉(zhuǎn)速的校核
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得，主軸的臨界轉(zhuǎn)速公式：
(2-6)
在所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表19.5-3取。又知：
，，。
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)得：
所以軸的臨界轉(zhuǎn)速為：
因?yàn)檩S的轉(zhuǎn)速所以不會(huì)產(chǎn)生劇烈震動(dòng)而破環(huán)機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.4電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.4.1電主軸的性能參數(shù)與整體結(jié)構(gòu)
表2-4 電主軸的性能參數(shù)
參數(shù)名稱
設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速
軸向預(yù)緊力
基礎(chǔ)油
噪聲
軸向靜剛度
軸向竄動(dòng)量
數(shù)值或要求
36000r/min
205N
10#抗磨油
<80 dB
(A) >50 (N/μm)
<1.5 (μm)
參數(shù)名稱
設(shè)計(jì)功率
潤(rùn)滑方式
油冷卻流量
徑向靜剛度
主軸內(nèi)孔跳動(dòng)量
主軸端面跳動(dòng)量
數(shù)值或要求
5.5 kW
油潤(rùn)滑
>4 (l/min)
>85(N/m)
< 5 (μm)
< 5 (μm)
表2-4列出了擬設(shè)計(jì)的 MD140W36/5.5型高速磨削用電主軸的各項(xiàng)性能參數(shù)。
電主軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)并不算復(fù)雜，但由于其應(yīng)用于高速精密加工，故對(duì)其高速工況的運(yùn)轉(zhuǎn)精度有很高的要求，相應(yīng)地對(duì)制造工藝要求也比較嚴(yán)格，另外，設(shè)計(jì)中還必須考慮內(nèi)置電動(dòng)機(jī)散熱、 高速主軸的動(dòng)平衡、主軸支承方式、軸承預(yù)緊方式及軸承潤(rùn)滑等技術(shù)難題。
2.4.2電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
圖2-6 電主軸裝配圖
如圖2-6所示，件1是主軸，前端的螺紋孔主要作用是為了連接磨削工具砂輪。最左端的保護(hù)蓋（件4）為保護(hù)件，以防灰塵進(jìn)入軸承內(nèi)部。因?yàn)殡娭鬏S軸承為高精密件，電主軸裝配車間對(duì)空氣的潔凈度是有一定要求的，灰塵的存在會(huì)影響軸承的壽命。曲路密封蓋（件2）擰緊在轉(zhuǎn)軸上，與密封蓋之間形成迷宮密封，也是為了保持主軸軸承內(nèi)部潔凈并且防止漏油。主前支承是一對(duì)串聯(lián)的角接觸混合陶瓷球軸承，夾在兩個(gè)軸承之間的環(huán)狀零件是隔套，主要作用是對(duì)軸承提供預(yù)緊力，并且能使?jié)櫥驼Ａ魅?。件?）是堵頭，其主要作用是防止?jié)櫥吐冻觥＜?0）為平衡塊，其主要是通過(guò)在其上鉆孔使軸達(dá)到動(dòng)平衡，保證其旋轉(zhuǎn)的精度。件（11）和件（12）是轉(zhuǎn)子和定子，其主要是形成軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。用圓螺母（件25）壓緊形成的預(yù)緊力作用在軸承外圈上，實(shí)現(xiàn)了后軸承的預(yù)緊。件（19）為循環(huán)油管的進(jìn)油接頭和出油接頭，其主要作用是形成既可以潤(rùn)滑又可以起到冷卻循環(huán)油路系統(tǒng)。
2.4.3電主軸的建模
電主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是利用代表目前機(jī)械CAD領(lǐng)域新標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件CATIA來(lái)建立總體結(jié)構(gòu)模型，基于CATIA軟件對(duì)電主軸總體結(jié)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了準(zhǔn)確的創(chuàng)建，給出了電主軸總體的裝配示意圖和各主要零件示意圖。
總裝配圖如圖2-7所示，內(nèi)圓磨床電主軸與砂輪的裝夾是通過(guò)螺紋鏈接的，摩擦力和螺紋預(yù)緊力正好相同，因此，達(dá)到越磨越緊的效果，使砂輪有較好的裝配精度。
圖2-7 總裝配圖
電主軸裝配圖如圖2-8所示，此圖表現(xiàn)了電主軸的一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因?yàn)殡娭鬏S內(nèi)部結(jié)果很復(fù)雜，因此還要以裝配圖為主。
圖2-8 電主軸裝配圖
主軸如2-9所示，主軸是電主軸的關(guān)鍵零件，它的加工精度直接影響整個(gè)電主軸的加工工件的精度，它的疲勞強(qiáng)度也是設(shè)計(jì)應(yīng)該校核的重點(diǎn)，因此第四章給出了其anysy分析，對(duì)主軸進(jìn)行了虛擬仿真。
圖2-9 主軸圖
夾具如圖2-10所示，夾具的主要作用是使電主軸相對(duì)內(nèi)圓磨床有一個(gè)正確的相對(duì)位置關(guān)系，有定位和夾緊作用，夾緊力主要是通過(guò)螺釘連接時(shí)的預(yù)緊力而產(chǎn)生的。
圖2-10 夾具圖
外殼如圖2-11所示，電主軸的外殼也是很重要的零件，因?yàn)椋娭鬏S的冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)都是設(shè)計(jì)在外殼上的，并且定子也是和外殼相連接，鍵槽也是開(kāi)在外殼上，所以外殼是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
圖2-11 殼體圖
防塵蓋如圖2-12所示，因?yàn)殡娭鬏S軸承為高精密件，電主軸裝配車間對(duì)空氣的潔凈度是有一定要求的，灰塵的存在會(huì)影響軸承的壽命，因此，需要設(shè)計(jì)防塵蓋。
圖2-12 防塵蓋圖
前軸承端蓋如圖2-13所示，端蓋主要的作用是為了是軸承有軸向定位的，使軸承相對(duì)軸具有正確的位置。
圖2-13 端蓋圖
2.4.5電主軸設(shè)計(jì)制造的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
(1) 電主軸的熱穩(wěn)定性分析 電主軸的內(nèi)部熱源有兩個(gè)，一個(gè)是內(nèi)置電機(jī)，另一個(gè)是主軸軸承。電主軸將電機(jī)集成于主軸內(nèi)部，無(wú)疑在其內(nèi)部增加了一個(gè)熱源。電機(jī)的發(fā)熱主要有定子繞組的銅耗及轉(zhuǎn)子繞組的鐵損發(fā)熱，其中定子繞組的發(fā)熱約占電機(jī)發(fā)熱總量的三分之二以上。另外電機(jī)轉(zhuǎn)子在主軸內(nèi)部的高速攪動(dòng)，使內(nèi)腔中的空氣也會(huì)發(fā)熱，這些熱源產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)主軸殼體和主軸向外散發(fā)。而內(nèi)置電機(jī)的兩邊就是主軸軸承，電機(jī)的發(fā)熱會(huì)直接影響軸承的潤(rùn)滑效果，熱量積累過(guò)多時(shí)，甚至?xí)龎碾姍C(jī)。另一方面，電機(jī)的發(fā)熱會(huì)使主軸伸長(zhǎng)，影響加工精度。許多精密機(jī)床在開(kāi)始加工前，要空運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，目的是讓機(jī)床主軸達(dá)到熱平衡，然后才開(kāi)始加工，以免主軸的熱膨脹影響加工精度。因此，在設(shè)計(jì)中，必須要設(shè)置良好的電機(jī)冷卻系統(tǒng)。
本設(shè)計(jì)采用了外循環(huán)油冷卻和潤(rùn)滑一體系統(tǒng)，在主軸外設(shè)有冷卻油箱和冷卻油循環(huán)泵，在內(nèi)置電機(jī)定子的外面加一鋁質(zhì)的外套，外套的外壁開(kāi)有環(huán)形槽。電主軸工作時(shí)，循環(huán)油泵連續(xù)地將冷卻油壓入電主軸內(nèi)，在環(huán)形槽流動(dòng)，并形成循環(huán)，將電機(jī)產(chǎn)生的熱量帶到電主軸外，達(dá)到冷卻電機(jī)的目的。電主軸的軸承也是主軸內(nèi)部主要熱源之一。由于電主軸的轉(zhuǎn)速很高dmn值大，滾珠與滾道之間的相對(duì)滑動(dòng)速度很大,摩擦發(fā)熱非常嚴(yán)重。另外，高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致很高的離心力，因此，更加劇了摩擦生熱。
實(shí)際調(diào)查表明，軸承溫度過(guò)高是導(dǎo)致軸承失效的最主要原因。因此，電主軸的開(kāi)發(fā)應(yīng)充分考慮電主軸的散熱問(wèn)題。軸承的散熱主要是通過(guò)油潤(rùn)滑方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。循環(huán)冷卻的潤(rùn)滑油進(jìn)入軸承，潤(rùn)滑油起到潤(rùn)滑作用的同時(shí)帶走軸承產(chǎn)生的熱量，從而起到可冷卻的效果。如圖2-14所示：
圖2-14 液體冷卻示意圖
(2) 在很高的轉(zhuǎn)速下，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)部分微小的不平衡量都會(huì)引起巨大的離心力，造成主軸的振動(dòng)，影響加工精度和表面質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)及制造工藝上都應(yīng)盡可能減小不平衡質(zhì)量。對(duì)于高速電主軸，動(dòng)平衡精度一般應(yīng)達(dá)到 G01～G0.4（，e 為質(zhì)量中心與回轉(zhuǎn)中心之間的距離，ω為轉(zhuǎn)軸的角速度）級(jí)。本設(shè)計(jì)確定的動(dòng)平衡精度為 G0.4 級(jí)。
為達(dá)到動(dòng)平衡精度要求，首先要在設(shè)計(jì)上盡量使各轉(zhuǎn)動(dòng)件實(shí)現(xiàn)自身的平衡，其次軸上各轉(zhuǎn)動(dòng)件包括加工時(shí)軸端安裝的砂輪在安裝前都要分別進(jìn)行各自的動(dòng)平衡，裝配完畢后再進(jìn)行整體動(dòng)平衡。在設(shè)計(jì)電主軸時(shí)，必須嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)對(duì)稱原則，軸上的運(yùn)轉(zhuǎn)部件與軸之間應(yīng)避免采用鍵聯(lián)接的形式。電主軸結(jié)構(gòu)中與主軸連接的最主要的轉(zhuǎn)動(dòng)部件是內(nèi)置電機(jī)的轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子與主軸之間以過(guò)盈配合來(lái)傳遞扭矩，其過(guò)盈量按最大扭矩計(jì)算，并同時(shí)考慮轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力作用，因?yàn)殡x心力較大時(shí)，使轉(zhuǎn)子本體有徑向膨脹的趨勢(shì)，會(huì)抵消部分過(guò)盈量。另外，配合面的粗糙度也是計(jì)算過(guò)盈量所必須考慮的。在轉(zhuǎn)子與主軸裝配前，轉(zhuǎn)子硅鋼片的外徑應(yīng)預(yù)留一定的加工余量，用熱壓法裝配完畢后，再對(duì)轉(zhuǎn)子外徑進(jìn)行精車，以減小偏心質(zhì)量。在電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩個(gè)端蓋上對(duì)稱地加工出16個(gè)小螺紋孔，根據(jù)動(dòng)平衡機(jī)的測(cè)試結(jié)果，在螺紋孔內(nèi)旋入螺釘，并調(diào)節(jié)至適宜深度，達(dá)到完全動(dòng)平衡后，再用環(huán)氧樹(shù)脂將平衡螺釘固化。
第3章 軸承系統(tǒng)的計(jì)算
超高速加工是機(jī)械制造業(yè)近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，而電主軸是高速加工機(jī)床的核心功能部件，它正向著高速化方向發(fā)展。因此，研究分析電主軸的動(dòng)態(tài)性能變得越來(lái)越重要，而臨界轉(zhuǎn)速特性，尤其是一階臨界轉(zhuǎn)速特性，是電主軸動(dòng)態(tài)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，分析計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速是電主軸動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。影響電主軸臨界轉(zhuǎn)速的因素很多，軸承的徑向剛度、軸向預(yù)緊力與刀具組件參數(shù)的變化均會(huì)不同程度地引起電主軸臨界轉(zhuǎn)速的變化。在高速工況下，軸承的徑向剛度隨轉(zhuǎn)速的升高呈非線性變化，不能簡(jiǎn)單地將軸承剛度按常數(shù)處理,圍繞高速主軸的動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題，國(guó)外學(xué)者早已開(kāi)展研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者的相關(guān)研究工作則較少，在部分問(wèn)題所得出的結(jié)論甚至相互矛盾。對(duì)于提高預(yù)緊力可提高軸承剛度，進(jìn)而能提高轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，有關(guān)研究國(guó)內(nèi)外學(xué)者也已做了不少工作，所采用的方法多為實(shí)驗(yàn)測(cè)定或近似的數(shù)值計(jì)算。
3.1軸承徑向的剛度計(jì)算
B7006C/HQ1P4型角接觸陶瓷球軸承與同規(guī)格鋼制滾動(dòng)軸承的徑向剛度在不同軸向預(yù)緊力下隨轉(zhuǎn)速的升高而變化的情況。軸承徑向剛度隨轉(zhuǎn)速的升高而非線性變化，總的變化趨勢(shì)為先下降后上升。在75000r/min以下，陶瓷球軸承的剛度下降趨勢(shì)比鋼球軸承要緩慢， 轉(zhuǎn)速與軸向預(yù)緊力對(duì)軸承徑向剛度的影響即陶瓷球軸承的徑向剛度性能優(yōu)于鋼球軸承。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于某一臨界值時(shí)，軸承徑向剛度的變化趨勢(shì) 將由下降轉(zhuǎn)為上升。對(duì)于鋼球軸承，徑向剛度相對(duì)轉(zhuǎn)速的變化由下降變?yōu)樯仙呐R界點(diǎn)在25000r/min左右，而陶瓷球軸承則在100000r/min以上。另外，預(yù)緊力的增加可明顯提高軸承徑向剛度，在較低轉(zhuǎn)速時(shí)效果尤為明顯。在軸向預(yù)緊力205N，轉(zhuǎn)速由0升至36000r/min時(shí)，陶瓷球軸承的徑向剛度由1.38×108N/m降至0.84×108N/m降幅達(dá)39%當(dāng)轉(zhuǎn)速增至100000r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)徑向剛度為0.46×108N/m，降幅為67%。由此可知，在研究高速主軸的臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，必須計(jì)及轉(zhuǎn)速對(duì)軸承徑向剛度的影響，而不能按靜態(tài)時(shí)的常量處理。
3.2軸向預(yù)緊力
合適的預(yù)緊可以增加軸承的剛度，提高旋轉(zhuǎn)精度，降低振動(dòng)噪聲，延長(zhǎng)使用壽命。機(jī)床主軸用角接觸軸承，由于常常處于高速輕載狀態(tài)，適當(dāng)?shù)念A(yù)緊可以防止軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)鋼球發(fā)生公轉(zhuǎn)打滑及陀螺旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，減小鋼球的自旋滑動(dòng)。從而減少軸承內(nèi)部的摩擦和發(fā)熱，延長(zhǎng)軸承的使用壽命。
圖3-1 定位預(yù)緊 圖3-2 定壓預(yù)緊
如圖所示角接觸軸承常用的預(yù)緊方式有定壓預(yù)緊和定位預(yù)緊定位預(yù)緊是通過(guò)預(yù)選定的內(nèi)外圈隔套或墊圈使組配軸承內(nèi)圈之間和外圈之間處于，某一固定的位置，從而使軸承獲得合適的預(yù)緊。定位預(yù)緊的軸承在使用過(guò)程中，其相對(duì)位置是不會(huì)改變的，由于工作溫度的變化會(huì)引起軸及軸承座的尺寸以及組配軸承間的定位部件尺寸發(fā)生變化，因此，直接影響到軸承預(yù)緊力的變化。
定壓預(yù)緊是利用螺旋彈簧，碟形彈簧等預(yù)緊裝置，使軸承得到合適的預(yù)緊。由于彈簧的剛性一般比軸承的剛性小的多，因此，定壓預(yù)緊軸承其相對(duì)位置在使用過(guò)程中會(huì)隨轉(zhuǎn)速及外載的變化而有所改變。但是預(yù)緊力的大小是由預(yù)緊裝置本身決定的，所以，其值基本不變，并且也不受工作溫度的影響。
預(yù)緊的方法和預(yù)緊力大小的選擇對(duì)預(yù)緊的效果影響很大。對(duì)機(jī)床主軸軸承來(lái)說(shuō)，當(dāng)要求高剛度時(shí)宜采用定位預(yù)緊；而當(dāng)軸承處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，為防止或減小滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)打滑以及陀螺運(yùn)動(dòng)時(shí)軸承應(yīng)采用合適的定壓預(yù)緊。就本設(shè)計(jì)而言對(duì)于高速電主軸應(yīng)采用定壓預(yù)緊。
預(yù)緊力的確定可以根據(jù)赫茲彈性接觸理論，點(diǎn)接觸球軸承在外部軸向載荷的作用下的軸向變形＆a由下式計(jì)算：
（3－1）
式中c---由軸承材料,類型,結(jié)構(gòu)和尺寸等決定的常量
單套角接觸球軸承可以承受徑向的一個(gè)方向的軸向載荷,在徑向載荷作用的下,軸承內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)沿軸向方向作用的分力,必須有另一相對(duì)的外力來(lái)平衡.另外,為提高主軸系統(tǒng)的支承剛度,機(jī)床主軸軸承通常采用雙聯(lián),三聯(lián),甚至更多聯(lián)組配使用。
本研究設(shè)計(jì)的使用雙聯(lián)軸承。
3.3預(yù)緊力的計(jì)算
軸承在安裝時(shí)，有輕中重三種預(yù)緊方式，由于內(nèi)徑與軸和外徑與軸承座緊配合，使軸承產(chǎn)生變形實(shí)際上達(dá)到預(yù)緊載荷比下表中的預(yù)載荷數(shù)值高。鋼質(zhì)軸和鋼質(zhì)或鑄鐵軸承座（配合公差分別為js4和js5），安裝的預(yù)載荷可以按下式計(jì)算：
（3－2）
式中::安裝軸承的預(yù)載荷,f: 軸承系數(shù), ：接觸角修正系數(shù)。
：預(yù)載荷修整系數(shù)，軸承系數(shù)見(jiàn)圖3-3，
圖3-3 軸承系數(shù)
表3－1 軸承預(yù)載荷
軸承系列
預(yù)載荷級(jí)別
A
B
C
719AC
1
0.92
1
1.08
719C
1.1
0.92
1
1.08
70AC
1
0.92
1
1.08
70C
1.07
0.92
1
1.08
72AC
1
0.92
1
1.08
72C
1.07
0.92
1
10.8
A,B,C:表示載荷的類型，A表示輕預(yù)緊；B表示中預(yù)緊：C表示重預(yù)緊。
在此設(shè)計(jì)中我們選用的軸承為B7005C/PC和B7006C/PC雙聯(lián)配置，
從表中查得：
f=1.3 =1.07 =0.92
選用中預(yù)緊雙聯(lián)背靠背配置
=100×1.3×1.07×0.92×2×0.8＝205N
3.4高速角接觸陶瓷球軸承分析
隨著工程技術(shù)的發(fā)展，以 Si3N4為材料的角接觸陶瓷軸承正日益廣泛地被用作超高速加工主軸、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、精密機(jī)械馬達(dá)及高速透平機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)件的支承軸承。Si3N4材料許多性能明顯優(yōu)于軸承鋼，更適合用作軸承材料。由于制造工藝的難度及經(jīng)濟(jì)方面的考慮，以滾珠材料為陶瓷、內(nèi)外圈材料仍為軸承鋼的混合陶瓷軸承的應(yīng)用更為普遍。本研究中的高速電主軸的軸承即選用混合陶瓷球軸承。
表3－2 軸材料承比較
性能指標(biāo)
密度/（Kg/m3）
線膨脹系數(shù)/(℃)-1
彈性模量/(GPa)
硬度/(HV10)
抗彎強(qiáng)度/(MPa)
沖擊韌性/(MN·m)
Si3N4陶瓷
3240
3.2×10-6
314
1600
700
70.26
軸承鋼
7.85
12.5×10-6
206
700
2500
200.30
泊松比
熱導(dǎo)率/[W/(m·K)]
極限工作溫度/(℃)
磁性
絕緣性
耐腐蝕性
Si3N4陶瓷
32
1080
不導(dǎo)磁
不導(dǎo)電
好
軸承鋼
40
120
導(dǎo)磁
導(dǎo)電
導(dǎo)電
表中列出了Si3N4陶瓷與軸承鋼各性能指標(biāo)的對(duì)比情況。Si3N4材料的密度只有鋼的41%，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可大幅降低鋼球受到的離心力，從而減小滾珠對(duì)軸承外圈的壓力，利于實(shí)現(xiàn)高速性能；Si3N4 陶瓷的熱膨脹系數(shù)只有軸承鋼的1/4，許用工作溫度達(dá)1000℃，即使在較大溫度變化范圍內(nèi)，滾道間隙的變化也很小，特別適用于高速發(fā)熱轉(zhuǎn)子及航天器的大溫差操作條件；陶瓷的彈性模量是軸承鋼的1.5倍，硬度是軸承鋼的2倍多，相同負(fù)荷下，陶瓷球的變形較小，因而可顯著提高軸承的剛度，從而提高轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，所以本設(shè)計(jì)選擇高速角接觸混合陶瓷軸承。
第4章 電主軸主軸單元靜態(tài)特性虛擬仿真分析
4.1主軸單元靜態(tài)特性分析
電主軸的主軸單元設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是剛度而不是強(qiáng)度。簡(jiǎn)而言之，主軸單元的靜態(tài)特性反映了主軸抵抗靜態(tài)外載荷的能力，高速主軸單元靜力學(xué)分析實(shí)際是求得主軸單元在一定靜態(tài)載荷作用下的變形，也即主軸單元靜剛度的計(jì)算。
主軸的靜剛度簡(jiǎn)稱主軸剛度，是機(jī)床主軸系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)，與負(fù)荷能力及抗振性密切相關(guān)。主軸單元的彎曲剛度K定義為使主軸前端產(chǎn)生單位徑向位移時(shí)，在位移方向所需施加的力p，即
(4-1)
主軸單元靜剛度，分為軸向靜剛度與徑向靜剛度，一般情況，彎曲剛度遠(yuǎn)比軸向剛度重要，是衡量主軸單元?jiǎng)偠鹊闹匾笜?biāo)，通常用來(lái)代指主軸的剛度。因此有必要對(duì)其靜剛度進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。
4.2結(jié)構(gòu)靜力分析
根據(jù)達(dá)朗伯原理，引入相應(yīng)的慣性力，就可將彈性體的動(dòng)力問(wèn)題轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的靜力問(wèn)題即化為彈性體的平衡問(wèn)題來(lái)處理。即有
(4-2)
式中，[M]、[C]、[K]分別為總體質(zhì)量、剛度、阻尼矩陣；
{x(t)}、{F(t)}分別為節(jié)點(diǎn)的位移和外力向量。
這就是彈性體的動(dòng)力基本方程，即用有限元素法來(lái)解彈性體的動(dòng)力問(wèn)題的基本方程。
在主軸受到靜態(tài)力作用時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式不存在加速度和速度的藕合項(xiàng)，即有:
(4-3)
對(duì)上式進(jìn)行數(shù)值求解即可求得主軸的靜變形，主軸前端的靜撓度計(jì)算與主軸的靜
變形計(jì)算相似，只需修改外力向量即可。
4.3電主軸單元靜力分析模型簡(jiǎn)化、單元類型選擇、建模與網(wǎng)格劃分
主軸是一個(gè)較復(fù)雜的超靜定梁結(jié)構(gòu)，分析計(jì)算主軸的靜剛度需要采用有限元結(jié)合
迭代法來(lái)進(jìn)行。為了計(jì)算方便，將其作為空間彈性梁處理，以下是對(duì)電主軸單元的更為詳細(xì)的簡(jiǎn)化
（1）將角接觸球軸承簡(jiǎn)化為彈性支承，支點(diǎn)位置在接觸線與主軸軸線的交點(diǎn)；
（2）認(rèn)為軸承只具有徑向剛度，不具有角剛度，如此將支承進(jìn)一步簡(jiǎn)化為徑向的壓縮彈簧質(zhì)量單元。即梁的徑向采用彈性邊界元模擬軸承支承；
（3）忽略軸承負(fù)荷及轉(zhuǎn)速對(duì)軸承剛度的影響，視軸承剛度為一個(gè)不變的常數(shù)；
（4）電機(jī)轉(zhuǎn)子、前后軸承鎖緊套、編碼器鎖緊套、與軸芯為過(guò)盈配合，其過(guò)盈量設(shè)計(jì)原則是主軸在受載狀態(tài)下達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)仍保持有l(wèi)的過(guò)盈，在簡(jiǎn)化時(shí)認(rèn)為電機(jī)轉(zhuǎn)子、前后軸承鎖緊套、編碼器鎖緊套始終與軸芯“粘著”在一起，在建模時(shí)按一體化處理。
對(duì)電主軸有限元模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，得出如圖4-1所示有限元網(wǎng)格：
圖4-1 有限元網(wǎng)格圖
4.4高速電主軸單元靜力分析加載、約束與求解
取典型精加工切削參數(shù)，計(jì)算其磨削力并分解成徑向力與切向力在主軸前端加X(jué)，Y向加載。
ANSYS運(yùn)行計(jì)算后輸出高速電主軸靜力變形圖如圖4-2所示。
圖4-2 靜力變形圖
ANSYS運(yùn)行計(jì)算后輸出高速電主軸靜力應(yīng)變圖如圖4-3所示。
圖4-3 靜力應(yīng)變圖
ANSYS運(yùn)行計(jì)算后輸出高速電主軸應(yīng)力圖如圖4-4所示。
圖4-4 應(yīng)力圖
4.5高速電主軸模態(tài)分析
模態(tài)分析是在動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程中必不可少的一個(gè)步驟。模態(tài)分析用于確定機(jī)構(gòu)或者機(jī)器部件的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，同時(shí)，也可以作為其他動(dòng)力學(xué)分析問(wèn)題的起點(diǎn)，例如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析。模態(tài)分析也是進(jìn)行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析所必需的前期分析過(guò)程。
4.6模態(tài)分析
多自由度的運(yùn)動(dòng)微分方程為：
(4-4)
式中，[M]、[C]、[K]分別為總體質(zhì)量、剛度、阻尼矩陣；{x(t)}、{F(t)}分別為節(jié)點(diǎn)位移和外力向量。
固有頻率也稱自然頻率，只與系統(tǒng)本身的特性(質(zhì)量、剛度和阻尼)有關(guān)，模態(tài)分析即是求解振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率和振型。當(dāng)彈性體的動(dòng)力基本方程中的外力向量
時(shí)，便可得系統(tǒng)的自由振動(dòng)方程：
(4-5)
求解主軸的固有頻率和振型，即求解上式的廣義特征值和特征向量。
4.7高速電主軸模態(tài)分析模型簡(jiǎn)化、建模
與靜力分析相似，對(duì)電主軸模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析時(shí)對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化:將角接觸球軸承簡(jiǎn)化為彈性支承，支點(diǎn)位置在接觸線與主軸軸線的交點(diǎn)處；認(rèn)為軸承只具有徑向剛度，不具有角剛度；每個(gè)軸承在圓周方向等效分布四個(gè)彈簧，忽略軸承負(fù)荷及轉(zhuǎn)速對(duì)軸承剛度的影響，視軸承剛度為一個(gè)不變的常數(shù)；電機(jī)轉(zhuǎn)子、前后軸承鎖緊套、編碼器鎖緊套、與軸芯為過(guò)盈配合，其過(guò)盈量設(shè)計(jì)原則為在主軸在受載狀態(tài)下達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)仍保持有1林m的過(guò)盈，在簡(jiǎn)化時(shí)認(rèn)為電機(jī)轉(zhuǎn)子、前后軸承鎖緊套、編碼器鎖緊套始終與軸芯“粘著”在一起，在建模時(shí)按一體化處理。
利用前述靜力分析建立的二維模型即可進(jìn)行模態(tài)提取，為了更真實(shí)、準(zhǔn)確、有效地對(duì)主軸單元進(jìn)行仿真分析，采用有限元進(jìn)行三維建模。本模型對(duì)軸芯選用SOUD45三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元對(duì)主軸主體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，SOLID45單元用于仿真三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。該元素由8節(jié)點(diǎn)組合而成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度。元素具有塑性、潛變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變的特性。對(duì)軸承采用彈簧一阻尼單元COMBIN14來(lái)模擬。每個(gè)軸承在周向采用四個(gè)均布的彈簧來(lái)模擬。
4.8高速電主軸模態(tài)分析加載、約束與求解
模態(tài)分析中唯一加載是零約束，本課題中前軸承為固定端，約束其全部自由度
(Ux，UY，UZ)，后軸承為游動(dòng)端，軸向不加約束即Ux不約束。ANSYS提供了七種模態(tài)提取方法，對(duì)于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、軸承問(wèn)題等阻尼不能忽視的情況下一般采用Damped(阻尼法)進(jìn)行模態(tài)提取。軸承阻尼值的確定采用相似準(zhǔn)則法導(dǎo)出，其計(jì)算方法詳見(jiàn)《機(jī)床滾動(dòng)軸承應(yīng)用手冊(cè)》。為加快計(jì)算速度，采用 QRDamped進(jìn)行模態(tài)提取。經(jīng)ANSYS運(yùn)行計(jì)算后，得到如下前六階振動(dòng)特性(固有頻率與振型)。前六階振型圖如4-5至4-10所示。
由計(jì)算可得到電主軸各階頻率(Hz)和振型如表4-1所示。
表4-1 電主軸主軸前六階固有頻率（HZ）與振型
階次
1
2
3
4
5
6
頻率
3629