高速、高精度數控銑床電主軸結（jié）構優化及其性能研究
2016-8-25 來源： 機（jī）械工程學院 作者：陳麗婷
摘要（yào）：主軸係統等窩端裝備所需的關鍵零部件是我國剌造（zào）裝備技術發展（zhǎn）過程中急需解決的瓶頸問題。論文Ｗ海天精工ＶＭＣ係列立式統床主軸為研究（jiū）對象，進行具體的結構參數設計，並對主軸係統靜動態（tài）特性及其熱態特性開展研究工作，為主軸（zhóu）係統（tǒng）產業化打下基礎。論文取得了Ｗ下研巧成果：
（１）完成了電主軸結（jié）構的初步設計，如設計主軸的整體（tǐ）布局、選擇主軸結構參數、選擇主軸電機和軸承等。並利用Ｈ維實體建模軟（ruǎn）件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ完成髙速電主軸建模工作。
（２）利用大型有限元分析軟件ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｉＫｈ對電主（zhǔ）軸係統進行結構靜力學學分析，得到其靜剛度，驗證（zhèng）了本論（lùn）文所設計電主軸滿足靜剛度要求（qiú）。
（３）為提高主（zhǔ）軸靜剛度、減小主軸質（zhì）量，論文采巧（qiǎo）ＡｎｓｙｓＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的優化模塊ＡｎｓｙｓＤｅｓｉｇｎＸｐｌｏｒｅｒ為優化工具，對電主軸係統前端懸伸（shēn）量（ａ）和前後支撐跨距 （Ｌ）進行（háng）優化設（shè）計，得到主軸係統ａ和Ｌ的最優解。
（４）利用有限元分（fèn）析軟件ＡｎｓｙｓＷｏｒｋｂｅｎｃｈ對優化後的電主軸的（de）動態性能進（jìn）行分析，得到電主軸的低階固有頻率和振型，驗（yàn）證電主軸係統的一階臨界轉速是（shì）否符（fú）合要求；然後（hòu）對電主軸進行諧響應分析，得到（dào）電主軸係統在正（zhèng）弦周（zhōu）期（qī）激勵下的固有頻率，經過分析計算得到電主軸設計轉速可有效避開共（gòng）振區間的結論。
（５）對電主軸（zhóu）內部熱源及熱（rè）生（shēng）成率進行（háng）分（fèn）析研究，模擬研究優化後（hòu）的電主軸結構的熱態性能，創造（zào）性的分（fèn）析了電主軸恒功率變速範圍內不同轉速時的熱態性能，分（fèn）別得到了熱態分析圖。通過分（fèn）析電主（zhǔ）軸的溫升情況，有針對性的提（tí）出改進措施。
關鍵詞：結構（gòu）設計，靜態特性，動態特（tè）性（xìng），熱態特性，ＡＮＳＹＳｗｏｒｌｃｂｅｎｃｈ
高速電（diàn）主軸結構的設計（jì）及Ｈ維（wéi）模型的建立
本研究中的立式統床用電主軸Ｗ寧波海天精工（gōng）集團高速、高精密ＶＭＣ係列立式錦床電主軸為研巧對象，ＶＭＣ係列現有ＶＭＣ８５０Ｌ和ＶＭＣ１０００Ｌ兩種型號（hào），其最高（gāo）轉速為１２０００ｒ／ｍｉｎ，額定功率為ｌｌｋｗ，額定（dìng）轉矩為１５Ｎ，ｍ。本設計旨在對電主軸最高轉速、額定功率（lǜ）和額（é）定轉矩都有所突破。設（shè）計目標為（wéi）電（diàn）主軸最高轉速２００００ｒ／ｍｉｎ；輸出功率不（bú）低於２５ＫＷ；扭（niǔ）矩不（bú）低於２５Ｎｉｍ；靜（jìng）剛度不低（dī）於（yú）２３５ＮＡｉｍ；銳削方式為端麵（miàn）洗削。
２．１、髙速電主（zhǔ）軸的基本結構
高（gāo）速電主軸的基本結構可分為Ｗ下幾個部分：主軸殼體（tǐ）、主軸芯軸、內裝式電機、高速軸承、冷卻潤滑係統（tǒng）、拉刀係統等［４９］。高速（sù）電主軸的結構見圖２．１。
１．前軸承沮２．定子３．冷卻液套４．主軸（zhóu）殼體５．出水管６．進氣管
７．主軸芯軸８．轉子９．進（jìn）水管１化後軸（zhóu）承組
圖２．１高速（sù）電主軸（zhóu）的結（jié）構圖
２．２、高速（sù）電主軸的結構設計
２．２．１電主軸總體（tǐ）結構（gòu）設計
傳統機床主（zhǔ）軸的驅動形式一般為鏈傳動、帶傳動（dòng）或者是齒輪傳動（dòng），主軸與驅動電機是分開安裝（zhuāng）的，主軸受力較大（dà），其動靜態性能很難得到保證。隨著主軸技（jì）術的不斷發展，實現主軸的高速旋轉、高精度（dù）、高穩定性的內置（zhì）電機（jī）得到了越來越廣泛（fàn）的（de）應用。根據高速電主軸電（diàn）機的裝配位（wèi）置可Ｗ分為中置式和後置式，具體表述如下：
首先（xiān），主軸電機可＾式安裝（zhuāng）在電主軸前後軸承組之（zhī）間。此種安裝方式使得主軸軸架構較為緊湊（còu），主軸整體尺寸相（xiàng）對變短，Ｗ至於主軸剛性也會相（xiàng）對較好、承受（shòu）功率也會相應増大。但（dàn）是此種結（jié）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將電機安裝在主軸（zhóu）後（hòu）軸承（chéng）姐（jiě）麽後，此種結構電機遠離主軸前端，使得（dé）主軸（zhóu）前端的徑向尺寸能夠有效減小，同時電機的散熱也更方便。但是，如此安裝的缺點就是電主軸的軸向尺寸會比較大，主軸係統岡帳很（hěn）難得到保證，因此此中安裝方式通常用於對剛度要求較（jiào）低的小型高速數控機床上。本論文所涉及數拉鑰床電主軸輸出功率、輸出（chū）轉矩要求都比較（jiào）高，因此需要高（gāo）剛（gāng）度大功率才能滿（mǎn）足要求，因此其總體結構布局適合（hé）選用內置電機安（ān）裝於軸承組之間的安裝方式，內置電機轉（zhuǎn）子與主（zhǔ）軸采用過盈（yíng）配合，通過過盈配合的摩擦輸出轉矩。由（yóu）於相（xiàng）對於ＶＭＣ係列現有型號機床（chuáng），設計參數有明（míng）顯變化，現有機床主軸所選用的電機Ｗ及軸承顯然己（jǐ）不能滿足要求，下麵首先對（duì）主軸電機和（hé）軸（zhóu）承組進行（háng）重新選擇。
２．２．２主軸（zhóu）電機（jī）的選擇
高速電主軸技術水（shuǐ）平直接決（jué）定著數控機床的（de）性能，而電（diàn）機的技術（shù）指標（biāo）則直接決定了電主軸係統（tǒng）的技術水平，因此（cǐ），如何選擇合適的（de）電主軸顯得尤為重要。於電主軸係統結構相對緊湊的結構特性，在對電主軸進行選擇時要求電機的散熱性能好（hǎo），還要求電機在（zài）低速（sù）下能夠輸出大功率，高速條件下又能夠恒功率運行。目前，最常使用的交流同步電機和異步電機相比，交流（liú）同步電機極（jí）限轉速更高，冷卻功率更大，電機（jī）的體積（jī）相對更小，維修也更（gèng）方便。因此本論文（wén）中決定選擇交流同步電機作為驅動電機。
本（běn）論文所設計電主軸前述設計要求，選擇最高轉速、最大輸出功率和最高輸出功率都（dōu）能夠達到設計要求的（de）電機。另外，由於國產電主軸功能部件如滾珠絲杠、刀架、電機等發展都相對滯後。因此，本論文選擇西口（kǒu）子係列（liè）進口電機，具體型號為ｌＦＥｌ（Ｔ／２－４ＷＮｌｌＢＡ，電機外形如圖２．２所示，電機結構示意圖（tú）如圖（tú）２．３，電機（jī）的主要技（jì）術、尺寸參數分別見（jiàn）表２．１、表２．２。
圖２．２西（xī）口子同步內裝式電機１ＦＥ１組件
圖２．３１ＦＥ１０７２－４ＷＮ１１ＢＡ內裝電機的結構示意（yì）圖
表２．１１ＦＥ１０７２－４ＷＮ１１ＢＡ內裝（zhuāng）電機的（de）技術參數
表２．２１ＦＥ１０７２－４ＷＮ１１ＢＡ內裝電機的尺寸參數
２．２．３主軸軸承的選擇
ａ）軸承類型的選擇
軸承是電主（zhǔ）軸實現高速、高（gāo）精度的前提條件，是高速電主軸的關鍵部件。本文選擇高速電主軸軸（zhóu）承時，不僅（jǐn）要考慮到速度的（de）問題，同時還要考慮軸承的剛度和抵抗溫度變形的能力口（kǒu）２］。因此，本文要充分考慮到主（zhǔ）軸軸承與普通軸承的差異性，選擇出最合適的軸承組。在綜合分（fèn）析各種軸承的性能之後，選擇洛陽軸承研究所研製的角接觸球軸承，具（jù）體參數如下表２．３：
表２．３角接（jiē）觸球軸承參數
ｂ）軸承的（de）配置方式
主軸係統前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求都（dōu）較高。但是角接觸球軸承的為點（diǎn）接觸（chù）式受力方式又使得軸承的剛度較低。因此，為了（le）能夠（gòu）滿足係統對支撐能力和支承剛度的要求，我們必須合理選（xuǎn）擇軸（zhóu）承組配（pèi）置型式。所謂軸承姐配是指將兩（liǎng）個或多個軸承配合Ｗ姐為單位使用。由（yóu）兩（liǎng）個Ｗ上軸（zhóu）承組成的配置為多聯組配，此配置型式能夠大幅度提高電主軸的整（zhěng）體剛（gāng）度，但是考慮到組成多練配姐軸承的的個體差異，每個軸承的（de）誤（wù）差各不相同（tóng），累積誤差會隨著軸承組（zǔ）配數的增多而變大，反而不利於實現主軸的高速運轉。因此，不能（néng）為了提高係統剛度而一味增加軸承個數，應該同時考慮高速電主軸（zhóu）係統對高（gāo）速性能的要求３１。本論文最終研（yán）巧決定采用兩個軸承（chéng）沮配的雙（shuāng）聯配置方式。其中軸承雙聯（lián）配置方式又分為背靠背（ＤＢ）、麵對麵（ＤＦ）和串聯（ＤＴ）Ｈ種（zhǒng）形式，各種雙聯結構形式圖分別如（rú）圖２．４所示（shì），
圖２．４軸承雙（shuāng）聯配置形（xíng）式
分析Ｗ上Ｈ種配置（zhì）形式，由於背對背組合的支撐剛度值相對較大。因此，本文最終采（cǎi）用背靠背的組配方式（shì），並在兩軸承之間（jiān）加隔離套，電主軸軸承組在主軸（zhóu）係統內的（de）安裝方式為：前端的軸後端的（de）軸承在主軸軸向方向可遊動。送樣配置不僅可滿足電主軸的高速性與整體剛度的要求，而且可＾：＾部分補償主軸（zhóu）的熱（rè）變形（xíng）。
Ｃ）軸承的（de）潤滑
由於軸承在高速旋轉的電主軸上滾（gǔn）珠與內外圈及保持架之間會產生摩擦力（lì）的作用，而軸承摩擦（cā）力引起的軸（zhóu）承損壞、發熱Ｗ及變形是（shì）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（xìng）能Ｗ及提高（gāo）軸承的壽命有至關重要的作用。軸（zhóu）承（chéng）滴滑是（shì）指：套（tào）圈、滾動體和保持架之間的潤滑劑能（néng）夠形成的澗滑油膜，該（gāi）潤滑油膜可Ｗ將套圈、滾動體和保持架進行隔離作用，降低軸承各（gè）部件之間的磨損（sǔn）與摩擦，確保軸承能夠運行良好。
常見的（de）潤滑方式主要有脂潤滑和油潤滑，澗滑方式可由（yóu）速度參數Ｄｍ（其中（zhōng）Ｄｍ為軸（zhóu）承中徑，ｎ為最（zuì）高轉速值）來確定。通常，當小於１．０Ｘ１０６時（shí），軸承采用脂（zhī）潤滑；當Ｄｍ，ｎ大（dà）於１．０Ｘ１０６時，軸承采用油潤滑４］。此次設計中軸承（chéng）的Ｄｍ，ｎ值為：Ｄｍ？ＩＩ＝＾？ｎ＝？２００００＝１．４ＳＸ１〇６，所Ｗ本電主軸的（de）軸承采用油潤滑的潤滑方式（shì）。油潤滑分為（wéi）：油霧潤滑、油氣潤滑和（hé）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（lán）種油潤（rùn）滑方式的利（lì）弊條件下決定選擇油氣潤滑方式。
ｄ）軸（zhóu）承的預緊
為了提高（gāo）主軸係統的旋轉精度和增強主軸係統的整體剛度。需要對軸承組進行適當的預緊，這樣可Ｗ部（bù）分消除軸承的徑向間隙，還可Ｗ對補償軸向間隙，進而提高電主軸係統的加工精度，延長主軸係統特別是軸承（chéng）組的壽命。由於工（gōng）作量的關係，本論文中無法完成對（duì）電主軸係統軸承預緊力的計（jì）算，根據本設汁軸承（chéng）需要進行輕度（dù）預緊，輕度預緊時（shí）選用軸承的預（yù）緊力大小（xiǎo）為前軸承０Ｎ，後軸承９０Ｎ。
２．２．４主軸單元（yuán）主要結構參數的（de）確定
根據Ｗ上兩節選定的軸承和電機尺寸，可（kě）初步確定主軸中Ｈ段軸段的（de）長度和直徑（jìng）。即電機（jī）軸段直徑（jìng）５８ｍｍ，軸段長暫定２００ｍｍ；前軸承軸段直徑６０ｍｍ，軸段（duàn）長３０ｍｍ；後軸承軸段直徑５０ｍｍ，軸段長２８ｍｍ。如此便初步確定了電（diàn）主軸係統巧軸三段主要軸段長度。下麵來確定主軸內孔徑ｄ、主軸前端懇（kěn）伸量（liàng）ａ和主（zhǔ）軸支（zhī）撐跨跑Ｌ。
（１）主軸內孔徑（jìng）ｄ的確定
電主軸內孔主要用於通過拉刀機構等，為減輕主軸重量，在選擇（zé）主軸內孔直徑ｄ時，在滿足結構要求及不削弱主軸剛度的前提（tí）下，盡量取較大值。結合ＶＭＣ係列現有主軸拉刀係統直（zhí）徑，最後取ｄ＝２５ｍｍ。
（２）主軸前（qián）端（duān）懸伸量ａ的確定
在進行（háng）就削加工時，刀尖處（chù）受力通過刀（dāo）柄最先傳到（dào）主軸係（xì）統前端懸伸處，因此前懸伸對主軸的綜合剛度有（yǒu）較（jiào）大影響，因此在進行設計時，必須（xū）使主軸的前端懸伸量盡量小。此外，在確定ａ的（de）具體值（zhí）時還要考慮主軸係統其他部（bù）件的安裝尺寸和結構，綜合各（gè）方麵取主軸（zhóu）的懸伸量ａ＝５０ｍｍ。
（３）主（zhǔ）軸支撐跨距Ｌ的確定
支撐跨（kuà）距（Ｌ）就是指主軸係統前後（hòu）兩支承軸承姐徑向支（zhī）承力的中也作用點間的（de）距離。支撐（chēng）跨距是（shì）影響主（zhǔ）軸係統整體剛度的關鍵因素，因此在（zài）設計主軸係統時（shí），支撐跨距的確定至關重要。理論研（yán）究可知，當主軸（zhóu）係統前端拐度最小值時，支撐跨距存在最優值Ｌ０即最佳跨距（jù）。此時，主（zhǔ）軸的靜剛度達到最大值。但是在實際設計中，最佳跨距是很（hěn）難（nán）獲得（dé）的，因此相關專家根據（jù）經驗製定了最優（yōu）跨距範圍公式ｉｙＬ０＝０．７５？１．５０。當主（zhǔ）軸係統支撐跨距在這個範圍內時（shí），主軸的靜剛度也即（jí）處於一個良好的狀態。根據文獻（xiàn）［５５］，最佳跨距與前懸伸量（liàng）關係式如（rú）下：
最後，綜合主（zhǔ）軸的（de）整體結（jié）構布局，選取Ｌ＝２８２ｍｍ？Ｌ／Ｌｇ＝１．４支撐（chēng）跨跑取值在合（hé）理（lǐ）跨距範圍之內。
２．３、高速電主軸Ｈ維實體模型（xíng）的建立
２．３．１高速電主軸主（zhǔ）要零部件Ｈ維（wéi）模型的建立（lì）
主軸蒼軸、內置電機、前／後（hòu）軸承姐、冷卻套、主（zhǔ）軸殼（ké）體（tǐ）、軸承端（duān）蓋、係統密封件等都是高速電主軸係統的主要零部件。本論文采用（yòng）大型蘭維實（shí）體造型軟（ruǎn）件８〇１１４＼￥〇＆８來完成高速（sù）電主軸主（zhǔ）要結構（gòu）的＾維建模。下麵１＾芯軸、軸承模型的建模為例，給出在ＳｏＭＷｏｒｋｓ中高（gāo）速電主（zhǔ）軸主要零部（bù）件Ｈ維模型的具體（tǐ）建立方式。
（１）芯軸模型的建立
根據（jù）電主軸巧軸的結構特征，總軸是軸對稱的中空階（jiē）梯軸。我們（men）可Ｗ利用ＳｏｌＭＷｏｒｋｓ旋轉功能模塊進行建模。首先，依據設計尺寸進行轉軸繪製草圖，隻繪製芯軸上半部分草圖即可，然後ＷＺ軸為旋轉中也軸對草圖（tú）進行％０°旋轉建立芯軸（zhóu）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（shēn）切除內（nèi）孔的方（fāng）式來建立。
（２）刖、後軸承模型的建立
本論文中（zhōng）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（zhè）裏僅Ｗ前軸承的Ｈ維建（jiàn）模為例（lì）進行具體描述。由於軸承是裝配體，所首先要建立軸承（chéng）的各部件即（jí）內圈、外圈、保持架和滾動體的模型，然後再利（lì）用（yòng）ＳｏｌＭＷｏｒｋｓ裝配（pèi）功能模塊將它們組裝起來。建（jiàn）立軸承各元件的方法為：過旋轉、邊倒角的方法建立軸承內、外圏模型，並且建立參考平麵Ｗ便後續裝配工作；滾珠模型的獲得，的（de）首先（xiān）通過旋轉特征（zhēng）建立單個滾動體，然後再對滾動體進行圓周陣列；保持架的建模過程相對複雜，需要（yào）通過拉伸、拉伸切除、圓周陣列等特征（zhēng）才可Ｗ實現。
主（zhǔ）軸係統前軸承各元（yuán）件的Ｈ維建模（mó）完成之後，進（jìn）入ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的裝配模塊，首先導入軸承外圈，並約束其中（zhōng）屯、位置（zhì）與原點重合，然後導入滾動體模型和保（bǎo）持架模型，將滾（gǔn）動體和保持架通過中必線和參（cān）考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（jià）裝入（rù）軸承外圈，最後導（dǎo）入裝配內（nèi）圈，並確定拾當的（de）約束類型。至此，前軸承的建（jiàn）模完成（chéng），圖２．６、２．７為前、後軸承的模型。
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，電機、軸承（chéng）端蓋等部件的模型的建立，都可Ｗ參照芯軸和軸承的建模方法來進行，這裏不再（zài）詳細論述其建模方法。
２．３．２高速（sù）電主（zhǔ）軸（zhóu）裝配體的建立
前麵章節已完成（chéng）高速電主軸全部零部（bù）件的建模，然後利用Ｓｏ抽Ｗｏｒｋｓ裝配功能對電主軸進行（háng）裝配。ＳｏＩｉｄＷｏｉ－ｋｓ軟件主要由下到上和由上向下兩種裝配方式：由下到上的裝配方法要求設計者首先完成係統所有零（líng）部件的建模，然後（hòu）通過各部件（jiàn）之間的約束關係進行約束裝配。這（zhè）種方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件尺寸的確定。由上向下的裝配方式需要知道係（xì）統的（de）整體結構關係，然後在此基礎上設計附（fù）加零部件。
本論文中起初隻能確定零（líng）部件（jiàn）一一電機Ｗ及軸承的尺寸，與（yǔ）軸承組配合的（de）軸承端（duān）蓋、外殼等一些零部件尚無法確定具體尺寸大小，需要在（zài）裝配（pèi）過（guò）程（chéng）中（zhōng）進（jìn）斤最終（zhōng）的確定工作。綜上（shàng）知，本文（wén）比較（jiào）適合采用首先由下（xià）到上裝配芯軸、電機和前後軸承組，然後再利用由（yóu）上向下（xià）裝配電（diàn）主軸（zhóu）外殼、前後軸承組軸承座、前後軸承組預緊裝置、前後端蓋。最（zuì）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（wéi）了清楚地顯（xiǎn）示主軸係統（tǒng）內部複雜的結構，建模完（wán）成Ｗ後使用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件中的Ｘ截麵（miàn）命令對模型進行１／２剖麵命令，得到電主軸係統剖視圖如圖２．９所示。
圖２．８電主軸的Ｓ維模型
圖２．９電主軸的剖（pōu）視圖
２．４、本章小結
本章海天精工集團ＶＭＣ係列主軸為（wéi）依托，對電主軸提出新（xīn）的設計（jì）目標（biāo），進而對電主軸電機、軸承進行重新選擇，然後進（jìn）行電主軸整體結構布局設計、確定電（diàn）主軸巧軸主（zhǔ）要結構參數，通過計算確定電主軸支撐跨距和前端（duān）懸伸量等結構（gòu）設計參數，完成電主軸的（de）整體結構設計（jì）。接下來論文依據Ｈ維軟件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ描述了高速電主軸主要零部件和裝配體的建模方法（fǎ）和步驟。
投稿箱：
如果您有（yǒu）機床行業（yè）、企業相關新聞稿件發表，或進（jìn）行（háng）資訊合作，歡迎聯係本網（wǎng）編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有（yǒu）機床行業（yè）、企業相關新聞稿件發表，或進（jìn）行（háng）資訊合作，歡迎聯係本網（wǎng）編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多本專題新（xīn）聞
名企推薦
專題點擊前十
| 更（gèng）多
