【正文】 ................. 20 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 主軸單元靜態(tài)特性分析 ................................................................................ 23 結(jié)構(gòu)靜力分析 ................................................................................................. 23 電主軸單元靜力分析模型簡化、單元類型選擇、建模與網(wǎng)格劃分 ........ 23 高速電主軸單元靜力分析加載、約束與求解 ............................................ 24 高速電主軸模態(tài)分析 .................................................................................... 25 模態(tài)分析 ......................................................................................................... 25 高速電主軸模態(tài)分析模型簡化、建模 ........................................................ 26 高速電主軸模態(tài)分析加載、約束與求解 .................................................... 26 II 結(jié)論 .............................................................................................................................. 30 參考文獻 ...................................................................................................................... 31 致謝 .............................................................................................................................. 32 1 第 1 章 緒論 高速電主軸是高速機床的核心部件 ,它將機床主軸與電機軸合二為一 ,即將主軸電機的定子、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副 ,從而實現(xiàn)機床主軸系統(tǒng)的“零傳動”。具有結(jié)構(gòu)緊 湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點 ,并改善了機床的動平衡 ,避免振動和噪聲 ,在超高速機床中得到了廣泛的應用。它 應用于不同機床中分為 :鉆銑主軸、加工中心主軸、雕刻機主軸、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) ,對高速度、高精度數(shù)控機床的需求與日俱增。這迫切需要開發(fā)出更加優(yōu)質(zhì)的高速電主軸。 目前國內(nèi)外的電主軸專業(yè)生產(chǎn)廠家多達幾十家，以德國的 GMN 公司與瑞 FISCHER公司最為著名。 GMN 公司還兼產(chǎn)機床用精密主軸軸承，其最高精度（ UP 級）高于 ISO 和 ABEC 標準的最高精度（ 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CYTEC 公司只有 15 年的電主軸生產(chǎn)歷史，近來推出高達 800Nm 的大轉(zhuǎn)矩電主軸和 裝備有自行開發(fā)的環(huán)形力矩伺服電動機的雙擺角電主軸而引人注目 國內(nèi)電主軸的生產(chǎn)以洛陽軸承研究所最為有名，在上世紀 70 年代初即開始研發(fā)內(nèi)孔磨削用電主軸， 80 年代，曾經(jīng)從德國 GMN 公司引進過生產(chǎn)電主軸的技術(shù)。近來，該所開發(fā)的 加工中心、高速銑床和車床用電主軸，已與國產(chǎn)高速機床和國產(chǎn)并聯(lián)（虛擬軸）機床配套，投入使用。迄今已發(fā)展到 100 多個品種的電主軸，功率從~75kW，最高轉(zhuǎn)速可達 150000 r/min。同時，該所還兼營精密機床用主軸軸承，且有少量出口 。 本課題研究的意義 電主軸是高速加工機床的核心功能部件。由于電主軸性能的好壞在很大程度上決定了整臺機床的加工精度和生產(chǎn)效率，因此，各工業(yè)發(fā)達國家都十分關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試設備，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外開展較早，現(xiàn)在已進入實際應用階段。我國自上世紀 70 年代初期自行研制內(nèi)磨砂輪電主軸開始，發(fā)展至今，高速電主軸的各項性能指標與國外尚有一定的差距。為了加快我國高速加工技術(shù)的發(fā)展與應用，加速數(shù)控機床產(chǎn)品的更新?lián)Q代，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的性能優(yōu)異的高速電主軸顯得十分迫切。 現(xiàn)在，世界各工業(yè)發(fā)達國家都把生產(chǎn)高速機床作為其重要的發(fā)展目標，高速機床的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平己經(jīng)成為衡量一個國家制造技術(shù)水平的重要標志。高速機床技術(shù)主要包括高速單元技術(shù)和機床整機技術(shù)。單元技術(shù)包括高速主軸、高速進給系統(tǒng)、 高速 CNC 2 控制系統(tǒng)等。機床整機技術(shù)包括機床床身、冷卻系統(tǒng)、安全設施、加工壞境等。高速機床是實現(xiàn)高速加工的關鍵設備，高速電主軸作為高速機床的核心部件，是高速技術(shù)的體現(xiàn)，它的開發(fā)為機床高速化提供了必要的技術(shù)準備。高速電主軸由于結(jié)構(gòu)的特殊性，尚有許多新問題需要解決。我國的高速電主軸技術(shù)與工業(yè)發(fā)達國家有不小的差距，研究工作剛剛起步，應加大對這方面研究的投入。 本課題即是基于以上分析所設立的 。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)電主軸的研究始于 20世紀 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)社會化和商品化。 20 世紀 70 年代后期至 80年代 ,隨著高速主軸軸承的開發(fā) ,研制了高剛度、高速電主軸 ,它被廣泛應用于各種內(nèi)圓磨床和各個機械制造領域。在 20世紀 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雜的模具 ,而且開發(fā)了用于木工機械用的風冷式高速銑用電主軸 ,推動了高速電主軸在銑削中的應用。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)來生產(chǎn) ,而高速離心干燥設備也需要高速電主軸 技術(shù)。高速拉伸電主軸的應用也促進了我國有色管材精密冷成型技術(shù)的發(fā)展。高精度硅片切割機用電主軸 ,促進了電子工業(yè)設備的更新和進步。利用高速電主軸的優(yōu)良性能 ,還可以開發(fā)多種高性能試驗機。目前國內(nèi)研究高速電主軸的科研機構(gòu)有我國河南省洛陽軸承研究所 ,他們能自行研究開發(fā)電主軸 ,其 dmn 值達到了很高的水平；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)瓦國際專利技術(shù)博覽會金獎；廣東工業(yè)大學高速加工和機床研究所也開發(fā)了數(shù)控銑床高速電主軸。其主要技術(shù)指標為 :電主軸的額定功率是 ,最高轉(zhuǎn)速為 18000r/min,在額定轉(zhuǎn)速 500r/min時產(chǎn)生最大輸出轉(zhuǎn)矩為 85Nm。在我國的安陽市 ,有一家中外合資的電主軸生產(chǎn)廠家 —— 安陽萊必泰機械有限公司 ,它擁有先進的電主軸、機床主軸設計和制造技術(shù)。該公司研制生產(chǎn)的加工中心電主軸 ,采用先進技術(shù) ,配有矢量閉環(huán)控制系統(tǒng) ,能對主軸實行恒功率調(diào)速 ,準停制動。功率為 ～ 25kW,恒功率段 1500～ 12020r/min。采用進口高速精密軸承 ,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、低溫升等優(yōu)點 ,系 99 國家火炬計劃項目。 國外發(fā)展現(xiàn)狀 國外高速電主軸技術(shù)由于研究較早 ,技術(shù)水平也處于領先地位 ,電主軸已越來越多地應用到工業(yè)制造業(yè)中。著名的有瑞士的 Fisher 公司、 Ibag 公司、德國的 GMN 公司、 Hofer 公司、 Siemens 公司、意大利 Faemat 公司、 Gamfior 公司及美國 Ingersoll 公司、日本 Okuma 公司和 Fanuc 公司等 ,它們的技術(shù)水平代表了 3 這個領域的世界先進水平。這些公司生產(chǎn)的電主軸較之國內(nèi)生產(chǎn)的有以下幾個特點 : （ 1）功率大、轉(zhuǎn)速高。 （ 2） 采用高速、高剛度軸承。國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 動靜壓軸承 ,特殊場合采用空氣潤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)子自動平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補償精密控制系統(tǒng)等。并在此基礎之上 ,這些外國廠家如美國、日本、德國、意大利和瑞士等工業(yè)發(fā)達國家已生產(chǎn)了多種商品化高速機床。 如瑞士米克朗公司 ,就是世界上著名的精密機床制造商。它生產(chǎn)的機床配備最高達 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主軸電機和軸承進行冷卻 ,并通過高壓油霧對復合陶瓷軸承進行潤滑。所有的電主軸均采用矢量控制技術(shù) ,可以在低轉(zhuǎn)速時輸出大扭矩。 電主軸的工作原理 電主軸就是直接將空心的電動機轉(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。通電后直接帶動主軸運轉(zhuǎn)。省去了帶輪或齒輪傳動，實現(xiàn)了機床的零傳動，提高了效率。 具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點 ,并改善了機床的動平衡 ,避免振動和噪聲 ,在超高速機床中得到了廣泛的應用。如圖 11 所示 ： 圖 11 主軸工作原理 電主軸的關鍵技術(shù) 4 潤滑技術(shù) 主軸軸承常見的潤滑方式有脂潤滑、噴射潤滑、環(huán)下潤滑、油霧潤滑及油氣潤滑等。脂潤滑不需任何附加設備，但只用于低速場合。噴射潤滑是直接用高壓潤滑油對軸承進行潤滑和冷卻，功率消耗大，成本高。環(huán)下潤滑是一種改進的潤滑方式，分為環(huán)下油潤滑和環(huán)下油氣潤滑。油或油氣從軸承內(nèi)圈噴入軸承內(nèi)，在離心力的作用下，潤滑油更易于到達軸承潤滑區(qū)，因而比普通的噴射潤滑和油氣潤滑效果好，可進一步提高軸承的轉(zhuǎn)速。而對于角接觸陶瓷球軸承轉(zhuǎn)速比較高，如果采用普通油氣潤滑 ，將造成潤滑結(jié)構(gòu)復雜，軸承不易標準化，裝配困難。考慮到經(jīng)濟性市場上的電主軸多為油霧潤滑方式。 油霧潤滑方式的優(yōu)點可以概括為： （ 1）油霧能隨壓縮空氣彌散到所有需要潤滑的磨擦部位。可以獲得良好而均勻的潤滑效果；（ 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）大幅度降低了潤滑油的耗量。（ 4）較稀油循環(huán)潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單輕巧，占地面積小，動力消耗低，維護管理方便，易于實現(xiàn)自動控制，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。 動態(tài)性能 追求優(yōu)良的動態(tài)性能是研發(fā)高速電主軸最根本的目標，動態(tài)性能的好壞是衡量電主軸質(zhì)量的最重要指標。其動態(tài)性能的好壞，主要體現(xiàn)在以下幾個方面 。 (1) 剛度和精度電主軸的剛度包括徑向剛度與軸向剛度，是以軸端的測量值來表示的。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)學表達式為： dFK=dδ 其中 F：載荷； δ：變形。 在材料力學中，可近似地認為懸臂梁自由端的撓度與載荷成線性關系，但在電主軸中，這樣近似將帶來較大誤差。電主軸 長度相對較短，長徑比較小，軸端懸伸長度也較短，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，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緊力及轉(zhuǎn)速的變化而變化的。預緊力增大時，軸承的軸向及徑向剛度均增大；而轉(zhuǎn)速升高時，傳統(tǒng)上都認為軸承剛度降低，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)生共振時對應的轉(zhuǎn)速。由于轉(zhuǎn)軸是連續(xù)質(zhì)量分布系統(tǒng)，因此在理論上有無限多個臨界轉(zhuǎn)速。電主軸工作時，應嚴格控制最高轉(zhuǎn)速在其第一 階臨界轉(zhuǎn)速之下，一般不超過一階臨界轉(zhuǎn)速的 70%。因此臨界轉(zhuǎn)速決定著電主軸的最高工作轉(zhuǎn)速，影響著電主軸的振動水平，臨界轉(zhuǎn)速的計算與研究是電主軸設計的必要環(huán)節(jié)。影響電主軸 5 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)資料中都對安裝在電主軸上