ANSYS高速切削加工技術的發展對機床電主軸的性（xìng）能提出了越來越高的要求。電主軸技術繼續向（xiàng）高（gāo）速度、高剛度、高精（jīng）度、高速大功率、低速大（dà）轉矩、快速啟停等方向發展。目（mù）前代表高速電主軸先進技術水平（píng）的公（gōng）司主要有德國GMN、西門子、瑞士（shì）IBAG、美（měi）國Setco、意大利Omlet、Faemat、Gamfior、日（rì）本大（dà）隈等。例（lì）如， IBAG 公司生產的電主軸最大轉速可達140 000 r /min，直徑範圍33 ～ 300 mm，功（gōng）率範圍0 ． 125 ～ 80 kW，扭矩範圍0． 02 ～ 300 N·m。德（dé）國（guó）CYTEC 公司（sī）生產的數控銑床和車床用（yòng）電主（zhǔ）軸的最大扭矩達到了630 N·m; 機床電主軸的啟、停加速度可達（dá）到lg 以上（shàng），全速啟、停時間在l s 以內。國內生產的加（jiā）工中心用電主軸轉速大多集中在15 000 ～ 25 000 r /min，功率一般都低於50 kW，靜（jìng）動態性能與國際先進水平相比也相差（chà）較大［1］。提高電主軸性能需要從主軸、軸承、電動機、潤滑、控製等多方（fāng）麵技術（shù）入手，其中提（tí）高主軸的剛度、減輕其（qí）質量都有助於提高（gāo）電主軸的靜動態性能。國內外也嚐試采（cǎi）用工程陶瓷等新型材料製造高速主軸，但仍處於研（yán）究探索階段。工程陶瓷具（jù）有（yǒu）密度小、彈性模量大、膨脹係數小、阻尼係數較大等優良特性。本研究采用工程陶瓷（cí）作為高速電主軸材料，對其設計及（jí）動靜態性能進行了研究（jiū）。

      1 高（gāo）速陶瓷電主軸的結構設計

      1． 1 陶瓷電主軸（zhóu）材料的選擇

      為了減小主軸質量（liàng）和（hé）轉動慣量、提高主軸係統（tǒng）的靜剛度、動剛度、熱剛度以及定向停急（jí）停功能，主軸材料盡（jìn）可能具（jù）有彈性模量大、阻尼係數大、密度小、熱容量大、熱脹係數小以及加工性能好等特點。通過表1中各種材料的分析比較，本設計選用熱壓Si3N4作為主軸材料。熱壓Si3N4具有良好的綜合機械性能，在（zài）各種（zhǒng）應用中已證明其強度及抗疲勞的可靠性［2］。

      1． 2 陶瓷電主軸（zhóu）的結構（gòu）設計

      目前高速電主軸廣泛采用（yòng）混合陶瓷球軸承。混合陶瓷球（qiú）軸承分為兩類: 一類是滾動體用（yòng）陶瓷材料( 熱（rè）等靜壓Si3 N4) 製成，而內外圈仍用軸承鋼製造; 另一類（lèi）為滾動體和內（nèi）圈用陶瓷材料製造，而外圈仍用軸（zhóu）承鋼（gāng）。軸（zhóu）承鋼和陶瓷材料（liào）的膨脹係（xì）數不一樣，為使陶瓷主軸和軸承內圈相互匹配，本（běn）設（shè）計（jì）采（cǎi）用內圈和滾珠都為陶瓷材（cái）料（liào）而外圈為軸承鋼的（de）角接觸混合陶瓷球軸承。混合陶（táo）瓷球軸承接（jiē）觸角為18°，背對背配置形式（shì）。根據高（gāo）速電主軸設（shè）計資料確（què）定主軸直徑、軸端懸伸、主軸跨距等結構參數［3］。該電主軸采（cǎi）用HSK 無鍵高速刀柄，適於高速（sù）輕載加工。

      高速陶瓷電（diàn）主軸結構示意圖如圖1 所示。設計實例參數: 主軸電動（dòng）機（jī）: W13 /17． 5 － 4 － 155e 型變頻調速電動機，電動機額定功率80 kW，額定轉矩229 N·m;主軸最高轉速30 000 r /min; 額定轉速3 000 r /min; 主軸軸承類型，前軸（zhóu）承SKF C71912FB /P7，後軸承（chéng）SKFC71910FB / P7 ; 主軸跨距L為280 mm; 主軸懸（xuán）伸量a為70 mm; 主軸前端直徑D 為70 mm。電動機（jī）轉子的長度為145 mm，階梯套與（yǔ）主軸前後配合麵長度均為40 mm，轉子外徑為108 mm。前後支撐處主軸內孔直徑均為26 mm。階梯套4 與主軸為可拆卸過盈（yíng）聯（lián）接，采取油浴熱壓（yā）裝配。為了更換前軸承，階梯套應方便拆卸，階梯套上有2 個對稱油孔，通過向小孔中注入壓力油使階梯套內凹處前後端麵產生壓力（lì）差而卸下階梯套［4］。

      2 陶瓷主軸靜（jìng）態性能分析

      利用（yòng）ANSYS 軟件對所設計陶瓷電主軸進行分析（xī），選用SOLID45 三維實體結構單元（yuán）對主軸進行網格劃分。電（diàn）動機轉子與階梯（tī）過盈套（tào）筒視為一整（zhěng）體。軸承被視為彈簧－ 阻尼（ní）單元（yuán），將每個軸承用4 個沿圓周均勻分布的（de）彈簧等效［4］。每個均布的彈簧都用1 個彈簧－阻尼單元COMBIN14 模擬（nǐ）。根據（jù）所選用軸承得到前軸承剛度為272. 6 N/μm，後軸承剛度為201. 3 N/μm。在建立模（mó）型約束時，根據軸承受力情況，限製彈簧－ 阻

      尼單元外部節（jiē）點自由度。前端軸承限製主（zhǔ）軸的軸向位移（yí），故前支承2 個軸承內部8 個節點添（tiān）加軸向自由度的約束; 後軸承為軸向自由端，內部節點不限製自由度。主軸邊界條件（jiàn）的設定為在主軸前端麵處施加徑向力Fr = 4 386. 3 N( 按典型加工參數確定（dìng）) 。經過（guò）網（wǎng）格（gé）劃分、定義約束，並加（jiā）入負載後便得到有（yǒu）限（xiàn）元模型，如圖2 所示。

      陶瓷主軸變形雲圖如圖3 所（suǒ）示( 鋼主軸略) ，主軸靜態變形為17. 9 μm，計算（suàn）得到靜（jìng）剛度為245 N/μm。陶瓷主軸的靜態變形和靜剛度與鋼主（zhǔ）軸對（duì）比如表2 所示。

      的靜剛度（dù），提高幅度較大。陶瓷電主軸靜剛度較（jiào）高的原因是熱壓Si3N4陶瓷的彈性模量較高所（suǒ）致。

      3 高速陶瓷電主軸動態性能分析

      3． 1 高速陶（táo）瓷電主軸的模態分析

      對（duì）陶瓷主軸係統有（yǒu）限元模型采用ANSYS 中的Block Latnczos 模態（tài）提取法，模態分析計算後得到六階振動特性雲圖( 固有頻（pín）率與振型) ，如圖（tú）4 所示。圖4a所示陶瓷（cí）主軸的一階固有頻率為零，對應的主振型為主軸的剛體位（wèi）移（yí）。由圖（tú）4b ～ f 可以看出，由於二、三階的固有振動頻（pín）率很接近，近似相等，而且其振型表現為正交，因此可將其視為重根; 同（tóng）理五、六階同樣也可以看作重根。

      根據模態（tài）分析得到的各階固有頻率，由轉速和頻率之間的關（guān）係n = 60f( n 為轉速，r /min; f 為頻率，Hz) ，便求得（dé）陶瓷主軸和鋼主軸的臨界轉（zhuǎn）速（sù）如表3 所示。由表3 可以看出，陶瓷主軸的各階臨（lín）界轉速都高於同尺寸鋼主軸的對應階次臨界轉速，因此陶瓷主軸能夠得到更高的臨界轉速。陶瓷主軸的臨界轉速明顯（xiǎn）提高的原因是陶瓷（cí）材料的彈性（xìng）模量大和密度小。

      3． 2 高速陶瓷電主軸的諧響應分析

      圖5 所示為陶（táo）瓷電（diàn）主軸（zhóu）前端的徑向響應位（wèi）移－ 頻率曲線。陶瓷主軸設計實例（lì）設定（dìng）主軸最高工作轉速為30 000 r /min，其（qí）工作頻率最高為500 Hz，由圖5 可見陶瓷主軸能有效避（bì）開共振區，而不會產生共振。由圖6 可知，曲線1( 即（jí）陶瓷主軸的中部節點位置) 所代（dài）表的徑向響應（yīng）位移最大，即當陶瓷主軸發生（shēng）共振時，軸的中部容易產生破壞（huài）。

      4 高速（sù）陶瓷電主軸的結構（gòu）優化

      提高（gāo）陶瓷主軸靜剛度可以提高其動態性能（néng），以靜（jìng）剛度為目標對陶瓷主軸做進一（yī）步優化［5］。根據陶瓷

      電主軸的結構特點，主軸前端懸伸量決定於電主軸軸端的結構形式，故設為定值。前後軸承和電動機轉子的安裝位置對主軸剛度和動態特性影響較大。將圖1中cd 設（shè）為參數LS1，ef 為參數（shù）LS2，gh 為參數（shù）LS3，並將電動機轉子左端麵e 與（yǔ）前支承點d 之間的距離設為參數LM。其（qí）他各關鍵點處的尺寸都可由這4 個參數（shù）確定，電主軸的有限元分析幾何模型如圖1 所示。陶瓷主軸前端（duān）的橫向位移，設（shè）為參數DOFMAX; 使用ANSYS優化模塊讀取整個主軸的應力最大值，設為參數SMAXI。優化序列（liè）如表4 所示。

      由表（biǎo）4 可見（jiàn），在第2 次迭代後得到（dào）最優化參數（shù）。當LS1 = 74. 258 mm、LS2 = 208. 620 mm、LS3 = 75. 771mm、LM = 9. 235 9 mm 時，Min［DOFMXA］ = 11. 975μm，此時，主軸的徑向靜剛度達到最（zuì）大，為4 386. 3 /11. 975 = 366. 288 N/μm，陶瓷主軸（zhóu）總長（zhǎng）度比（bǐ）初始設（shè）計長度減小了4 mm。

      5 結語

      通過陶瓷電主軸的動靜態性能分析，得出以下結論:

      ( 1) 陶瓷主軸比同尺寸鋼（gāng）主軸具有（yǒu）更高的（de）靜態剛度，提高36. 3%。靜剛度的提高主要與主軸材料的彈性模量有關。

      ( 2) 陶瓷主軸的動態特性明顯（xiǎn）優（yōu）於鋼主軸（zhóu），臨界（jiè）轉速較鋼電主軸（zhóu）提高了17. 6% ～ 28. 4%，陶瓷主軸的臨界轉速明顯提高（gāo）主要歸因於陶瓷材料的彈（dàn）性模量大和密度小。由（yóu）諧響應分析可以得出，陶（táo）瓷主軸能有效（xiào）避開共振區，有利於實現更高速加（jiā）工。

      ( 3) 高（gāo）速陶瓷電主軸（zhóu）主要應用於高速（sù）輕載加工，因其材料特征不適於衝擊較大的低速大轉矩場合