【正文】 真誠祝愿母校興旺發(fā)達(dá)，名甲天下。因此，我首先要向本學(xué)科組及其它各位授課老師表示衷心的感謝。 （ 6）本設(shè)計進(jìn)行了主 軸臨界轉(zhuǎn)速的校核，有效地防止了軸因出現(xiàn)共振而發(fā)生劇烈震動，從而造成加工件的報廢。 （ 2）在軸承的選擇方面，選擇高速角接觸陶瓷軸承，它因密度小，在高速運轉(zhuǎn)時離心力小，從而有利于提高電主軸的高速性能，它熱膨脹系數(shù)小，適用于高速，發(fā)熱量大，溫差大的環(huán)境，從而 保證了加工精度，另外，這類軸承彈性模量和硬度高，所以相同載荷下變形小，因而提高了轉(zhuǎn)子 —— 軸承系統(tǒng)的動態(tài)平衡。前六階振型圖如 45 至 410 所示。 ANSYS 提供了七種模態(tài)提取方法，對于轉(zhuǎn)子動力學(xué)、軸承問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。元素具有塑性、潛變、膨脹、應(yīng)力強化，大變形和大應(yīng)變的特性。 高速電主軸模態(tài)分析模型簡化、建模 與靜力分析相似，對電主軸模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析時對模型進(jìn)行如下簡化 :將角接觸球軸承簡化為彈性支承，支點位置在接觸線與主軸軸線的交點處；認(rèn)為軸承只具有徑向剛度，不具有角剛度；每個軸承在圓周方向等效分布四個彈簧，忽略軸承負(fù)荷及轉(zhuǎn)速對軸承剛度的影響，視軸承剛度為一個不變的常數(shù)；電機轉(zhuǎn)子、前后軸承鎖緊套、編碼器鎖緊套、與軸芯為過盈配合，其過盈量設(shè)計原則為在主軸在受載狀態(tài)下達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時仍保持有 1 林 m 的過盈，在 簡化時認(rèn)為電機轉(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，在建模時按一體化處理。(]{[) } (]{[ tFtxKtxCtxM ??? (44) 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)點位移和外力向量。 圖 44 應(yīng)力圖 高速電主軸模態(tài)分析 模態(tài)分析是在動力學(xué)分析過程中必不可少的一個步驟。 對電主軸有限元模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，得出如圖 41 所示有限元網(wǎng)格： 圖 41 有限元網(wǎng)格圖 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)，計算其磨削力并分解成徑向力與切向力在主軸前端加 X， Y 向加載 NN FpFPnt 75,15 0 21 ????。 在主軸受到靜 態(tài)力作用時，系統(tǒng)的運動方程式不存在加速度和速度的藕合項，即有 : }{}]{[ FxK ? (43) 對上式進(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算與主軸的靜 變形計算相似，只需修改外力向量即可。 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，就可將彈性體的動力問題轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的靜力問題即化為彈性體的平衡問題來處理。簡而言之，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 單元靜剛度的計算。m) Si3N4陶瓷 3240 106 314 1600 700 軸承鋼 106 206 700 2500 泊松比 熱導(dǎo)率/[W/(m Si3N4 材料許多性能明顯優(yōu)于軸承鋼，更適合用作軸承材料。 預(yù)緊力的計算 軸承在安裝時，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 21 合，使軸承產(chǎn)生變形實際上達(dá)到預(yù)緊載荷比下表中的預(yù)載荷數(shù)值高。就本設(shè)計而言對于高速電主軸應(yīng)采用定壓預(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)緊軸承其相對位置在使用過程中會隨轉(zhuǎn)速及外載的變化而有所改變。從而減少軸承內(nèi)部的摩擦和發(fā)熱，延長軸承的使用壽命。在軸向預(yù)緊力 205N，轉(zhuǎn)速由 0 升至 36000r/min 時，陶瓷球軸承的徑向剛度由108N/m 降至 108N/m 降幅達(dá) 39%當(dāng)轉(zhuǎn)速增至 100000r/min 時，對應(yīng)徑向剛度為 108N/m，降幅為 67%。在 75000r/min 以下，陶瓷球軸承的剛度下降趨勢比鋼球軸承要緩慢， 轉(zhuǎn)速與軸向預(yù)緊力對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。國內(nèi)學(xué)者的相關(guān)研究工作則較少，在部分問題所得出的結(jié)論甚至相互矛盾。 19 第 3 章 軸承系統(tǒng)的計算 超高速加工是機械制造業(yè)近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，而電主軸是高速加工機床的核心功能部件，它正向著高速化方向發(fā)展。該轉(zhuǎn)子與主軸之間以過盈配合來傳遞扭矩，其過盈量按最大扭矩計算，并同時考慮轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力作用，因為離心力較大時，使轉(zhuǎn)子本體有徑向膨脹的趨勢，會抵消部分過盈量。本設(shè)計確定的動平衡精度為 級。 循 環(huán)冷卻的潤滑油進(jìn)入軸承 ， 潤滑 油起到潤滑作用 的同時 帶走軸承產(chǎn)生的熱量 ，從而起到 可冷卻 的 效果。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。 本設(shè)計采用了外循環(huán) 油 冷卻 和潤滑一體 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)置電機定子的外面加一鋁質(zhì)的外套，外套的外壁開有 環(huán)形 槽。而內(nèi)置電機的兩邊就是主軸軸承，電機的發(fā)熱會直接影響軸承的潤滑效果，熱量積累過多時，甚至?xí)龎碾姍C。 圖 213 端蓋圖 電主軸設(shè)計制造的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題 (1) 電主軸的熱穩(wěn)定性分析 電主軸的內(nèi)部熱源有兩個，一個是內(nèi)置電機，另一個是主軸軸承。 圖 29 主軸圖 夾具 如圖 210 所示，夾具的主要作用是使電主軸相對內(nèi)圓磨床有一個正確的相對位置關(guān)系，有定位和夾緊作用， 夾緊力主要是通過螺釘連接時的預(yù)緊力而產(chǎn)生的。 電主軸的建模 電主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是利用代表目前機械 CAD 領(lǐng)域新標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化設(shè)計軟件CATIA 來建立總體結(jié)構(gòu)模型，基于 CATIA 軟件對電主軸總 體結(jié)構(gòu)的主要零部件 14 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。 件（ 10）為平衡塊，其主要是通過在其上鉆孔使軸達(dá)到動平衡，保證其旋轉(zhuǎn)的精度。因為電主軸軸承為高精密件，電主軸裝配車間對空氣的潔凈度是有一定要求的，灰塵的存在會影響軸承的壽命 。 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 電主軸的性能參數(shù)與整體結(jié)構(gòu) 表 24 電主軸的性能參數(shù) 參數(shù)名稱 設(shè)計轉(zhuǎn)速 軸向預(yù) 緊力 基礎(chǔ)油 噪聲 軸向靜剛 度 軸向竄動 量 數(shù)值或要求 36000r/min 205N 10抗磨油 80 dB (A) 50 (N/μm) (μm) 參數(shù)名稱 設(shè)計功率 潤滑方 式 油 冷卻流量 徑向靜 剛度 主軸內(nèi)孔 跳動量 主軸端面 跳動量 數(shù)值或要求 kW 油 潤滑 4 (l/min) 85(N/m) 5 (μm) 5 (μm) 13 表 24 列出了擬 設(shè)計 的 MD140W36/ 型高速磨削用電主軸的各項性能參數(shù)。 ??ca 〈 ?1? =60，因此，此軸設(shè)計的合格。 因此根據(jù)經(jīng)驗，和實際的電主軸尺寸，初設(shè)，主軸支撐跨度 L=160mm。懸身量 a 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 a ，提高主軸剛度，初步確定是可設(shè) a =D1=35mm。前端軸承的左端用螺母定位。對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。 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 5500080％＝ 44000 r/min。對于磨床， 通過計算的 后端的直徑設(shè)為 25mm 。又由于其工作時有較 大的力 ,所以要求內(nèi)部要有一定的韌性。在做軸的機構(gòu)設(shè)計時，通常用這種方法初步估計軸徑。 軸上零件的定位 兩端分別用軸承蓋加以定位，軸上的軸承采用過盈連接防止徑向轉(zhuǎn)動，軸向用軸肩加以固定，定子用過盈連接固定。 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)計的前提，它決定著軸的基本形式。為解決主軸軸向伸長導(dǎo)致軸承負(fù)載增加的問題，一些新款電主軸的軸向預(yù)緊力是由自動控制的液壓阻尼系統(tǒng)來施加的。 (3) 提高動態(tài)性能及加工精度的新技術(shù)動態(tài)性能好及加工 精度高是對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)。 (2) 自動化程度將進(jìn)一步提高。 電主軸新技術(shù)的展望 (1) 繼續(xù)向高速重載方向發(fā)展。對高速電主軸的動平衡要求 是很高的。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。 (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(yīng)的轉(zhuǎn)速。 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，這樣近似將帶來較大誤差。其動態(tài)性能的好壞，主要體現(xiàn)在以下幾個方面 ?？梢垣@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。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(dá)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(jìn)一步提高軸承的轉(zhuǎn)速。如圖 11 所示 ： 圖 11 主軸工作原理 電主軸的關(guān)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。 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。并在此基礎(chǔ)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(dá)國家已生產(chǎn)了多種商品化高速機床。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。 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(lǐng)先地位 ,電主軸已越來越多地應(yīng)用到工業(yè)制造業(yè)中。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) ,能對主軸實行恒功率調(diào)速 ,準(zhǔn)停制動。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。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 ,而且開發(fā)了用于木工機械用的風(fēng)冷式高速銑用電主軸 ,推動了高速電主軸在銑削中的應(yīng)用。 本課題即是基于以上分析所設(shè)立的 。機床整機技術(shù)包括機床床身、冷卻系統(tǒng)、安全設(shè)施、加工壞境等。為了加快我國高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)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。 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。m 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(jì) 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(jìn)過生產(chǎn)電主軸的技術(shù)。 目前國內(nèi)外的電主軸專業(yè)生產(chǎn)廠家多達(dá)幾十家，以德國的 GMN 公司與瑞 FISCHER公司最為著名。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(yīng)用。 針對這一需要，本文從以下幾個方面去設(shè)計的：在電主軸的結(jié)構(gòu)上運用最佳跨距計算方 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，循環(huán) 油 冷卻系統(tǒng)，角接觸混合陶瓷球軸承，油 潤滑，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轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量很快散出去，油 潤滑在帶走軸承產(chǎn)生的熱量同時對軸承進(jìn)行了潤滑；在裝配上，嚴(yán) 格要求各個環(huán)節(jié)的精度，尤其在軸承的裝配上，根據(jù)實測值，采用選配法，保證了整個系統(tǒng)的精度；在電主軸的性能分析上，通過定量去分析電主軸的穩(wěn)定性，定性去分析其動態(tài)平衡性和熱穩(wěn)定性 ，并加入了仿真分析。它 應(yīng)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。 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(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。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。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(dá)國家都十分關(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。 現(xiàn)在，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都把生產(chǎn)高速機床作為其重要的發(fā)展目標(biāo)，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(biāo)志。高速機床是實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵設(shè)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(zhǔn)備。 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(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。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(shè)備也需要高速電主軸