高速、高精度數控銑（xǐ）床電主（zhǔ）軸結構優化及其性能研究
2016-8-25 來源： 機械工程學院（yuàn） 作者：陳麗婷
摘要：主軸係統等窩端裝備所（suǒ）需的關鍵零部件是我國剌造裝備技術發展過（guò）程中急需解決的瓶頸問題。論文Ｗ海天精工（gōng）ＶＭＣ係列立式統床主軸為研究對（duì）象，進行具體的（de）結構參數設計，並對主軸係統靜動態特性及其熱態特性開（kāi）展研究工作，為主軸係統產業化打下基（jī）礎。論文取得了（le）Ｗ下研巧成果：
（１）完成了電主軸結構的初步設計，如設計主軸的整體布局、選擇（zé）主軸（zhóu）結構參數（shù）、選擇（zé）主軸電機和（hé）軸承等。並利用Ｈ維實體建模軟（ruǎn）件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ完成（chéng）髙速電主軸建模（mó）工作。
（２）利用大（dà）型有限元分（fèn）析軟件ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｉＫｈ對電主軸（zhóu）係統（tǒng）進行結構靜力學學分析，得到其靜剛度，驗證了本論文所設計電主軸滿足靜剛度要求。
（３）為提高主軸靜（jìng）剛度（dù）、減小主軸質量，論文采巧ＡｎｓｙｓＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的優化模塊（kuài）ＡｎｓｙｓＤｅｓｉｇｎＸｐｌｏｒｅｒ為優（yōu）化工具，對電主軸係統前端懸伸量（ａ）和前後支撐跨距 （Ｌ）進行優化設計，得到主軸係統ａ和Ｌ的最優解。
（４）利用有限元分析軟件ＡｎｓｙｓＷｏｒｋｂｅｎｃｈ對優化後的電主（zhǔ）軸（zhóu）的動（dòng）態性（xìng）能進行分析，得到電主軸的低階固有頻率和振型，驗證電主軸係統的一階臨界（jiè）轉速是否符合要求；然後對電主（zhǔ）軸進行諧響應分析，得到電主軸係統在正弦周（zhōu）期（qī）激勵下的固有頻率，經過分析計算（suàn）得到電主軸設計轉速可有效避開共振區間的結論。
（５）對電（diàn）主軸內部熱源及熱生（shēng）成率進行分析研究，模擬研究（jiū）優（yōu）化後（hòu）的電主軸結構的熱態性（xìng）能，創造（zào）性的（de）分析了電主軸恒功率變速範圍內不同轉速時的熱態性能，分別得到了熱態分析圖（tú）。通過分析電主軸的溫升情況，有針對性（xìng）的提出（chū）改進措施。
關鍵詞：結構設計，靜態特性，動（dòng）態特性，熱態特（tè）性，ＡＮＳＹＳｗｏｒｌｃｂｅｎｃｈ
高速電主軸結構的設計（jì）及Ｈ維（wéi）模（mó）型的建立
本研究中的立式統床用電主軸Ｗ寧（níng）波海天精（jīng）工集團高速、高精密ＶＭＣ係列立式錦床電主軸為研巧對象，ＶＭＣ係列（liè）現有ＶＭＣ８５０Ｌ和ＶＭＣ１０００Ｌ兩種型（xíng）號，其最高（gāo）轉速為１２０００ｒ／ｍｉｎ，額定功率為ｌｌｋｗ，額定轉矩為１５Ｎ，ｍ。本設計旨（zhǐ）在對電主軸最高轉速、額定功率和額定轉矩都有所突破。設計目標為電主軸最高轉（zhuǎn）速（sù）２００００ｒ／ｍｉｎ；輸出功率不（bú）低於２５ＫＷ；扭矩（jǔ）不低於２５Ｎｉｍ；靜（jìng）剛度不低於２３５ＮＡｉｍ；銳削方式為端麵洗削。
２．１、髙速電主軸的基本結構
高速電主軸的基（jī）本結構可分為Ｗ下幾（jǐ）個部分：主軸殼體、主（zhǔ）軸芯軸、內裝式電機、高速軸承、冷卻潤滑係統、拉刀係統等［４９］。高速電主軸的結構見圖２．１。
１．前（qián）軸承沮２．定子３．冷卻液套４．主軸殼（ké）體５．出水管６．進氣管
７．主軸芯軸８．轉子９．進水管１化後軸承組
圖２．１高速電主軸的結構圖
２．２、高速電主軸的結構設計
２．２．１電主軸總體結構設（shè）計
傳統機床主軸的驅動（dòng）形式一般為鏈傳動、帶（dài）傳動（dòng）或者是齒（chǐ）輪傳動，主軸與驅動電機是分開安裝的，主軸受力較大，其（qí）動靜態性能很難得到保證。隨著主軸技術的不斷發展，實現主軸的高速旋轉、高精度、高穩定性的內置電機得到了越（yuè）來越廣泛的（de）應用。根據高速電主軸電機的（de）裝配位置可Ｗ分為中（zhōng）置式和後置式，具（jù）體（tǐ）表述如下：
首先（xiān），主軸電機可＾式安（ān）裝在電主軸前（qián）後軸承組之間。此種安（ān）裝方式使得主軸軸架構較為緊湊，主（zhǔ）軸整體尺寸相對（duì）變短，Ｗ至於主軸（zhóu）剛性也會相對較好、承受功率也會相應増大。但是此種結構主軸係統散熱相對比較困難（nán）〇］。另外一種安裝方式就是（shì）將電機安（ān）裝在主（zhǔ）軸後軸承姐麽後（hòu），此（cǐ）種結構（gòu）電（diàn）機（jī）遠離主軸前端，使（shǐ）得主軸前（qián）端（duān）的徑向尺寸能夠有效減（jiǎn）小，同時電機的散熱也更（gèng）方便。但是，如此（cǐ）安裝的缺點就是電（diàn）主軸的軸向尺寸會比較大，主軸係統岡帳很難得到保證，因此此中安裝方式通常用於對剛度要求較低（dī）的（de）小型高速（sù）數控機床（chuáng）上。本論文所涉及數拉鑰床電主軸輸（shū）出功率、輸出轉（zhuǎn）矩（jǔ）要求（qiú）都比較高，因（yīn）此需（xū）要高剛度（dù）大功率才能（néng）滿足要求，因此其總體結構布局適合選用內置電機安裝於軸承組之（zhī）間的安裝方式，內置電機轉子與主軸采（cǎi）用過盈配合，通過過盈配合的摩擦輸出轉矩。由於相對於ＶＭＣ係列現有型號機床，設計參數有明顯變化，現有機床主軸所（suǒ）選用的電機Ｗ及軸承顯然己不能滿（mǎn）足要求，下麵首先對主軸電機和軸承組進（jìn）行重新選擇。
２．２．２主軸電機的選擇
高速電主軸技術（shù）水平直接決定著數控機床的性能，而電機的技術指標則直接決定了電（diàn）主軸係統的技術水平，因此，如何選擇合適的電主軸顯得尤為重要。於（yú）電主軸係統（tǒng）結構相對緊湊的結構特性，在對電主軸進行選擇時要求電（diàn）機的散（sàn）熱性能好，還要求電（diàn）機在低速（sù）下能夠輸出大功率，高速條件下又（yòu）能夠恒功率運行。目前，最常使用的交流同步電機（jī）和異步電機相比（bǐ），交（jiāo）流同步電機極限（xiàn）轉速更高，冷卻功（gōng）率更大，電機的（de）體積相對更小，維修也（yě）更方便。因此本論文中決定選擇交流同步電機作為驅動電（diàn）機。
本論文所設計電主軸前述設計（jì）要求，選擇（zé）最高轉速、最大輸出功率和最高輸出功率都能夠達到設計要求的電（diàn）機。另外，由於（yú）國產電主軸（zhóu）功能部件（jiàn）如滾珠絲杠、刀架、電機等發展都相對滯後。因此，本（běn）論文選擇（zé）西口子係列進口電機，具體型號為ｌＦＥｌ（Ｔ／２－４ＷＮｌｌＢＡ，電機外形如圖２．２所示，電機結構（gòu）示（shì）意圖如圖２．３，電機的主要技術、尺寸參數分別見表２．１、表２．２。
圖２．２西口子同步內裝式電機（jī）１ＦＥ１組（zǔ）件
圖２．３１ＦＥ１０７２－４ＷＮ１１ＢＡ內裝電機的結構示意圖
表２．１１ＦＥ１０７２－４ＷＮ１１ＢＡ內裝電機的技術參數
表２．２１ＦＥ１０７２－４ＷＮ１１ＢＡ內裝（zhuāng）電（diàn）機的尺寸（cùn）參數
２．２．３主軸軸承的選擇
ａ）軸承類型的選擇
軸承是（shì）電（diàn）主軸實現高速、高精度的前提條件，是高速電主（zhǔ）軸的關（guān）鍵部件（jiàn）。本文選擇高速電主軸軸承時，不僅要考慮到速度的問題，同時還要考慮軸承的剛度和（hé）抵抗溫（wēn）度變形的能力口（kǒu）２］。因此，本文要充分考慮到（dào）主軸軸承與普通（tōng）軸承的差異性，選擇出最合適（shì）的（de）軸（zhóu）承組。在綜合分析各種（zhǒng）軸承的性能之後，選擇（zé）洛陽軸承研究所研製的角接觸球軸承，具體參數如下表２．３：
表２．３角接觸（chù）球軸承參數
ｂ）軸承的（de）配（pèi）置方式
主軸係統前（qián）後軸承姐是主軸係統的重要支撐部件，因此，主軸係統對軸承的支撐能力和剛度要（yào）求都較高。但是角接觸（chù）球軸承的（de）為點接觸式受力方式又使得（dé）軸承的剛度較低。因此，為了能夠滿足係統對支撐能力和支承剛度的要求（qiú），我們必須合理選擇軸承組配置型式。所謂軸（zhóu）承姐（jiě）配是指將兩個或多個軸承配合Ｗ姐（jiě）為單位使用。由兩個（gè）Ｗ上軸承組成的配置為多聯（lián）組配，此配置型式能夠大幅度提高電主軸的整體剛度，但是考慮到組成多練（liàn）配姐軸承的的個體差異（yì），每（měi）個軸承的誤差各不相同，累積誤差會隨著（zhe）軸承組配數的增多而變大，反而不利於實現主（zhǔ）軸的高速運轉。因此，不能為了提高係（xì）統剛度而一味（wèi）增加軸（zhóu）承個數，應該同時考慮高速電主軸係統（tǒng）對高速性能的要求３１。本論文最（zuì）終研巧決（jué）定采用兩個軸承沮（jǔ）配的雙聯配置方式。其中軸承雙聯（lián）配置方式（shì）又分為背（bèi）靠（kào）背（ＤＢ）、麵對麵（ＤＦ）和串聯（lián）（ＤＴ）Ｈ種形式（shì），各種雙聯結構形式（shì）圖（tú）分別如圖２．４所示，
圖２．４軸承雙聯配置形式
分（fèn）析（xī）Ｗ上Ｈ種配置形式，由於背對背組合的支撐剛度值相對（duì）較大。因此，本文最終采用背靠背的組配方式，並在兩軸承之間加隔離套，電（diàn）主軸軸（zhóu）承組（zǔ）在主軸係統內的安裝方式為：前（qián）端的軸後端的軸承在主軸軸向方向可遊動（dòng）。送樣配置不僅可滿足（zú）電主軸的高速性（xìng）與整體剛度的要（yào）求，而且可＾：＾部分補（bǔ）償（cháng）主軸的熱變形。
Ｃ）軸承的潤滑
由於軸承在高速（sù）旋轉的電主軸上滾珠與內外圈及（jí）保持架（jià）之（zhī）間會產生摩擦力的作用，而軸承摩擦力引起的軸承損壞、發熱Ｗ及變形是軸承失效的主要因素，因此軸承潤滑對保證係統的高速、高精度性能Ｗ及提高軸承的壽命有至關重要的作用。軸（zhóu）承（chéng）滴滑是指：套圈（quān）、滾動體和保持（chí）架之（zhī）間的潤滑劑能夠形成的澗滑油膜，該潤（rùn）滑油膜可Ｗ將套圈、滾動體和保持架進行隔離（lí）作用，降低軸承各部（bù）件之間的磨損與摩擦，確保軸承能夠運行良好。
常見的潤滑方式主要有脂潤滑和（hé）油潤滑，澗滑（huá）方式可由速度參數Ｄｍ（其中Ｄｍ為軸承中徑，ｎ為（wéi）最高轉速值）來確定。通常，當（dāng）小於１．０Ｘ１０６時，軸承（chéng）采用脂潤滑；當Ｄｍ，ｎ大於１．０Ｘ１０６時（shí），軸承采用油潤滑４］。此次設計中軸承的Ｄｍ，ｎ值為：Ｄｍ？ＩＩ＝＾？ｎ＝？２００００＝１．４ＳＸ１〇６，所Ｗ本電主軸（zhóu）的軸承采用油潤滑的（de）潤（rùn）滑方式。油潤滑分為：油霧潤滑、油氣潤滑和噴油潤滑。綜合考慮本設計主軸軸承的相關參數レッ及工作運斤狀態，再綜合分析蘭種油潤滑方式的（de）利弊條件下決定選擇油氣潤滑方式。
ｄ）軸承的預緊
為了提高主軸係統的旋轉精度和增強主軸（zhóu）係統的整體剛度。需要（yào）對軸承組進行適當的預緊，這樣（yàng）可Ｗ部分消（xiāo）除軸承的徑向間隙，還可Ｗ對（duì）補償軸向間隙，進而（ér）提高電（diàn）主軸係（xì）統的（de）加工精度，延長主軸係（xì）統特別是軸承（chéng）組的壽命。由於工作量的關係（xì），本論文中無法完成對電主軸係統軸承預緊力的計算，根據本設汁軸承需要進行輕度預緊，輕度預緊時選用軸承的預緊（jǐn）力大小為前軸承０Ｎ，後軸承９０Ｎ。
２．２．４主軸單元主要結構參數的確定
根據Ｗ上兩（liǎng）節選定的軸承和電機（jī）尺寸，可初步確定主軸中Ｈ段軸段（duàn）的（de）長度和直徑。即電機軸段（duàn）直（zhí）徑５８ｍｍ，軸段長暫定２００ｍｍ；前（qián）軸承軸段直徑６０ｍｍ，軸（zhóu）段長３０ｍｍ；後軸承軸段直徑（jìng）５０ｍｍ，軸段（duàn）長２８ｍｍ。如此便初步確定了（le）電主軸係（xì）統巧軸三段主要（yào）軸段長度。下麵來確定主軸內（nèi）孔徑（jìng）ｄ、主軸前端懇伸量ａ和主軸支撐跨跑Ｌ。
（１）主軸內孔徑ｄ的確定
電主軸內孔主要（yào）用於通過拉刀機構等，為減輕（qīng）主軸重量，在選擇主軸內孔直徑ｄ時，在滿足結構要求及不削弱主軸剛度的（de）前提下，盡量取較大值。結合（hé）ＶＭＣ係列現有主軸拉刀係統直徑，最後取ｄ＝２５ｍｍ。
（２）主（zhǔ）軸前端懸伸量ａ的確定
在進行就削加工時，刀尖（jiān）處受力通過刀柄最先傳到主軸係統前端懸伸處，因此前懸伸對主軸的綜合剛度有較（jiào）大（dà）影響，因此在進行設計時，必須使主軸的前端懸伸量盡量小。此外（wài），在確定ａ的具體值時（shí）還要考慮主軸係統其他部件的安裝尺寸和結構，綜合各方麵取主軸的懸伸量ａ＝５０ｍｍ。
（３）主（zhǔ）軸支撐跨距Ｌ的確定
支撐（chēng）跨距（Ｌ）就是指主軸係統前後兩支承軸承姐徑向支承力的中也作用點間的距（jù）離。支撐跨距是影響主軸係統整體剛度的關（guān）鍵因素，因此在設計主軸係統時，支撐（chēng）跨距的確定（dìng）至（zhì）關重（chóng）要。理論研究可知，當主軸係統（tǒng）前端拐度最小值時，支撐跨距（jù）存在最優值Ｌ０即最佳跨距。此時，主軸的靜（jìng）剛度達到最大值。但是在（zài）實際設（shè）計中，最佳跨距（jù）是很難獲得的，因此相關專家根據經驗製定了（le）最優跨距範圍（wéi）公式ｉｙＬ０＝０．７５？１．５０。當主軸（zhóu）係統支撐跨距在這個範圍內時，主（zhǔ）軸的靜（jìng）剛度也即處於一個良（liáng）好的狀態。根據文獻［５５］，最佳跨距與前懸伸量關（guān）係式如下：
最後，綜合主（zhǔ）軸的整體結構布局，選取Ｌ＝２８２ｍｍ？Ｌ／Ｌｇ＝１．４支撐跨跑取值在合理跨距範圍之內。
２．３、高（gāo）速電主軸Ｈ維實體模型的建（jiàn）立
２．３．１高速電主（zhǔ）軸主要零部件Ｈ維模型的建立
主軸蒼軸、內置電機、前／後軸承姐、冷卻套、主軸殼體（tǐ）、軸承端蓋、係統密封件等（děng）都是高速電主軸係統的主要零部件。本論文采用大型蘭維實體造型軟件８〇１１４＼￥〇＆８來完成高速電主軸主要結構的＾維建模。下麵１＾芯軸、軸承模型的建模為（wéi）例，給出在ＳｏＭＷｏｒｋｓ中高速電主軸主要零部件Ｈ維模型的具體建立方式（shì）。
（１）芯（xīn）軸模型的建立（lì）
根據電主軸巧軸的結構（gòu）特征，總軸（zhóu）是軸對（duì）稱（chēng）的中空階梯軸。我們可（kě）Ｗ利用ＳｏｌＭＷｏｒｋｓ旋轉功能模塊進（jìn）行建模。首先，依據設計尺寸進（jìn）行轉（zhuǎn）軸繪製草圖（tú），隻繪製芯（xīn）軸上半（bàn）部分草圖即可，然後ＷＺ軸為旋轉（zhuǎn）中也（yě）軸（zhóu）對草圖進行％０°旋轉建立芯軸Ｈ維實體模型，如（rú）圖２．５所示。當然建模過程也可Ｗ采用逐段拉伸，最後拉伸切除內孔的方式（shì）來建（jiàn）立。
（２）刖（yuè）、後軸承模（mó）型的建立
本論文（wén）中所選用的軸承為角接觸球軸承，前後軸承建模方式（shì）相同，這裏僅Ｗ前軸承的Ｈ維建模為例進行具體描述。由於軸承是裝配體，所首先要建立軸承的各（gè）部件即內圈、外圈、保持架和滾動體的模型（xíng），然後再利用ＳｏｌＭＷｏｒｋｓ裝配功能模塊將（jiāng）它們組裝起來。建立軸承各元件的方法為：過（guò）旋轉、邊倒角的方法（fǎ）建立（lì）軸承內、外圏模型，並且建立參考平（píng）麵Ｗ便後續裝配工作；滾珠模型的（de）獲（huò）得，的首先通過旋轉特（tè）征（zhēng）建（jiàn）立單個滾動體，然後再對（duì）滾動體（tǐ）進行（háng）圓周陣列；保持架的建模（mó）過程相對複雜，需要通過拉伸、拉（lā）伸切除、圓周陣列等特征才可Ｗ實現。
主軸係統前軸承各元件的Ｈ維建模（mó）完成之（zhī）後，進入ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的裝配模塊，首先（xiān）導入軸承外圈（quān），並約（yuē）束其中屯、位（wèi）置與（yǔ）原點重合，然後導入滾動體模型和保持架模型，將滾動（dòng）體和保持架通過中必線和參考（kǎo）平麵重合等約束方式進行裝配，然後將裝配在一起（qǐ）的滾珠保持架裝入軸承外圈，最後導入裝配內圈（quān），並確定拾（shí）當（dāng）的（de）約束（shù）類型。至此（cǐ），前軸承的建模完成，圖２．６、２．７為前、後軸承（chéng）的模型。
圖２．５電主軸轉軸模型
圖２．６前軸承
圖２．７後軸承
對於電主軸係統的冷卻套，電（diàn）機、軸承端蓋等部件的模型的建立，都可Ｗ參照芯軸和軸承的建（jiàn）模方法來進行，這（zhè）裏不再詳細論述其建模方法。
２．３．２高速電（diàn）主軸裝配體的建立
前麵章節已完成高速電主軸全部零部（bù）件的建模，然後（hòu）利用Ｓｏ抽Ｗｏｒｋｓ裝配（pèi）功能對電主（zhǔ）軸進行裝配（pèi）。ＳｏＩｉｄＷｏｉ－ｋｓ軟件主要由下到上和由上向下（xià）兩種裝配方式：由下到上的裝配方（fāng）法（fǎ）要求設（shè）計者首先完成係統所有零部件的建模，然後通過各部件之間的約束關係進行（háng）約束（shù）裝配。這種方（fāng）法裝配過程比較簡單，但前提是必須在建模之前完成所有零部（bù）件尺寸的確定（dìng）。由上向下的裝配方式需要知道係統的整體結（jié）構關係，然後在此基礎上設計附加零部件。
本論文中起初隻能確定零部件（jiàn）一一電機Ｗ及軸承的尺寸，與軸承（chéng）組配合的軸承端蓋、外殼等一（yī）些零部件尚無法確（què）定具體尺寸（cùn）大小（xiǎo），需要在裝配過程中進斤最終的確定工作。綜上知，本文比較（jiào）適合采用首先由下到（dào）上裝配芯軸、電機和前後軸承組，然後再利用由上向下（xià）裝配電（diàn）主軸外殼、前後（hòu）軸（zhóu）承組軸承座、前後軸承組預緊裝置、前後端蓋。最終確定電主軸結構的布局和尺寸。高速電主軸Ｈ維實體裝配最終模型如圖２．８所示。
為了清楚地顯示主軸係統內部複雜的結構，建模完成（chéng）Ｗ後使用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件中的Ｘ截麵命令對（duì）模型進行（háng）１／２剖麵（miàn）命令，得到電主軸係統剖視圖如（rú）圖２．９所示。
圖２．８電（diàn）主軸的Ｓ維模型
圖２．９電（diàn）主軸（zhóu）的剖視圖（tú）
２．４、本（běn）章小結
本（běn）章海天精工集團ＶＭＣ係列主軸為依托，對電（diàn）主軸提出新的（de）設計目標（biāo），進（jìn）而對（duì）電主軸電機、軸承進（jìn）行重新選擇，然後進行電主軸整體結構布局設計、確定電主軸巧軸（zhóu）主要結（jié）構參數，通過計（jì）算確定電主軸（zhóu）支（zhī）撐跨距和前端懸伸量等結構設計參數，完成（chéng）電主軸的整體結構設計。接下來論文依據Ｈ維（wéi）軟件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ描述了高速電主軸主要零部件和裝配（pèi）體的建模方法和（hé）步驟。
投稿箱：
如果您有（yǒu）機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合（hé）作（zuò），歡迎聯係本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有（yǒu）機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合（hé）作（zuò），歡迎聯係本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更（gèng）多本專題新聞
名企推薦
專題點擊前十
| 更（gèng）多
