ANSYS高速切削加（jiā）工技術的發展對機床電主軸的性能提出了越來越高的要求。電主軸技術繼續向高速度、高剛度、高精度、高速大功率、低速大轉（zhuǎn）矩、快速啟停等方向發展。目前（qián）代表（biǎo）高（gāo）速電主軸（zhóu）先進技術水平的公司主要有德國GMN、西門子、瑞士IBAG、美國Setco、意大利Omlet、Faemat、Gamfior、日本（běn）大隈等。例如（rú）， IBAG 公司生產的電主軸最大轉速可（kě）達140 000 r /min，直徑範圍（wéi）33 ～ 300 mm，功率範圍0 ． 125 ～ 80 kW，扭矩範圍0． 02 ～ 300 N·m。德（dé）國CYTEC 公司生產的數控銑床（chuáng）和車床用電主軸（zhóu）的最大扭矩達到了630 N·m; 機床電主軸的啟、停加（jiā）速（sù）度可達到lg 以（yǐ）上，全速啟、停時間在l s 以（yǐ）內。國內生產的加工中心用電主軸轉速大多集中在15 000 ～ 25 000 r /min，功率（lǜ）一般都低於50 kW，靜動態（tài）性能與國際先進水平相比也相差較大［1］。提高電主軸性能需要從主軸、軸承、電動機、潤滑、控製等多方麵（miàn）技術入手（shǒu），其中提高主軸的剛度、減輕其質量都有助於提高（gāo）電主軸的（de）靜動態性能。國內外也嚐試采用工（gōng）程陶瓷等新型材料製造高（gāo）速主軸，但仍（réng）處（chù）於研究探索階段。工（gōng）程陶瓷具有密度小、彈性模量大、膨脹（zhàng）係數小、阻尼（ní）係數較（jiào）大等優良特性。本研究采用工程（chéng）陶瓷作為高速電主軸材（cái）料，對其設計及動靜態性能進（jìn）行了研究。

      1 高速陶瓷電主軸的結構設（shè）計（jì）

      1． 1 陶瓷電主軸材料的選擇

      為了減小（xiǎo）主（zhǔ）軸質量和（hé）轉動（dòng）慣量、提高主軸係統的靜剛度、動剛度、熱剛度以及定向停急停功能（néng），主（zhǔ）軸材料盡可能（néng）具有彈（dàn）性模量大、阻尼係數大、密度小、熱容量大（dà）、熱脹係數小以及加工（gōng）性能好等特點。通（tōng）過表1中各種材料的分析比較，本設計選用熱壓Si3N4作為（wéi）主軸材料。熱壓Si3N4具有良好的綜合機械性能，在各種應用中已證明其（qí）強度（dù）及抗疲勞的可靠性［2］。

      1． 2 陶（táo）瓷電主軸的結構設計

      目前高速（sù）電主軸廣泛采用混合陶瓷球軸承。混合陶瓷（cí）球（qiú）軸承（chéng）分為（wéi）兩類（lèi）: 一類是滾動體用（yòng）陶瓷材料（liào）( 熱等靜壓Si3 N4) 製成，而（ér）內外圈仍用軸承鋼製造; 另一類為滾動體和內圈用陶瓷材料（liào）製造，而外圈仍用軸承鋼。軸承鋼和陶（táo）瓷材料的膨脹係數不一樣，為使陶瓷主軸和軸承內圈相互匹配，本設計采用內圈和滾珠都為陶瓷材料而（ér）外圈為軸承鋼的角接觸混合（hé）陶瓷球軸承。混合陶瓷球軸承（chéng）接（jiē）觸角為18°，背對背配置形式。根據高速電主（zhǔ）軸設計資料確定主軸直徑、軸端懸（xuán）伸、主（zhǔ）軸跨距（jù）等結構參數［3］。該電主軸采用HSK 無鍵（jiàn）高速刀柄，適於高速輕載（zǎi）加工。

      高速陶瓷電主軸結構示意圖如圖1 所示。設計實例（lì）參數: 主軸電動機: W13 /17． 5 － 4 － 155e 型變頻調速（sù）電動機，電動機額定功率80 kW，額定轉矩229 N·m;主軸最高轉（zhuǎn）速30 000 r /min; 額定轉速3 000 r /min; 主軸軸承類（lèi）型，前軸承SKF C71912FB /P7，後軸承SKFC71910FB / P7 ; 主（zhǔ）軸跨距L為280 mm; 主軸懸伸量a為70 mm; 主軸前端直（zhí）徑D 為70 mm。電動（dòng）機轉子（zǐ）的長度為145 mm，階梯套與主軸前後配合麵長度均為40 mm，轉（zhuǎn）子外徑為108 mm。前後支（zhī）撐處主軸內孔直（zhí）徑（jìng）均為26 mm。階梯套4 與主軸為（wéi）可拆卸過盈聯接，采取油浴熱壓裝配。為了（le）更換前軸承，階梯套應方便拆卸，階梯套上有2 個對稱（chēng）油孔，通過向（xiàng）小孔（kǒng）中注入壓力油使階梯套內凹處前後端麵產生壓力差而卸下階梯套［4］。

      2 陶瓷主軸靜態性能分析

      利用ANSYS 軟件對所設（shè）計陶瓷（cí）電主軸進行分析（xī），選用SOLID45 三維實（shí）體結構單元對主軸進行網格劃分。電動機轉子（zǐ）與階梯過盈套筒視為一整體。軸承被視為彈簧－ 阻尼單元，將每個軸承用4 個沿圓周均勻分布的彈簧等效［4］。每（měi）個均布（bù）的彈簧都用1 個彈簧（huáng）－阻尼單元COMBIN14 模擬（nǐ）。根（gēn）據所選用軸承得到前軸承剛（gāng）度為272. 6 N/μm，後軸承剛度為201. 3 N/μm。在建立模型約束時，根據軸承（chéng）受力情況，限製（zhì）彈簧－ 阻

      尼單元外部節點自由度。前端軸承限製主軸的軸向位移，故前支承2 個（gè）軸承內部8 個節點添加軸向自由度（dù）的約束; 後軸承為軸（zhóu）向自由（yóu）端（duān），內部節點不限製自由度。主軸邊界條件的（de）設定為（wéi）在主軸前端麵處施加徑向力Fr = 4 386. 3 N( 按典型加（jiā）工參數確（què）定) 。經過（guò）網格（gé）劃分（fèn）、定義約束（shù），並加入負載後便得到有限元模型，如圖（tú）2 所示。

      陶瓷主軸變形雲圖如圖3 所示( 鋼（gāng）主軸略) ，主軸靜態變形為17. 9 μm，計算得到靜（jìng）剛度為245 N/μm。陶瓷主軸的靜態變（biàn）形和靜剛度與鋼主軸（zhóu）對比如表2 所示。

      的靜剛度，提高幅度較大。陶瓷電主軸靜剛度較高的原因是（shì）熱壓Si3N4陶瓷的（de）彈性模量較高所致。

      3 高速陶瓷電主軸動態性（xìng）能分析

      3． 1 高（gāo）速陶（táo）瓷電主軸（zhóu）的模態分（fèn）析

      對陶瓷主軸係統（tǒng）有限元（yuán）模型采（cǎi）用ANSYS 中的（de）Block Latnczos 模態提取法，模態分析計算後得到六階振動（dòng）特性雲圖( 固有頻率與振型) ，如圖4 所（suǒ）示。圖4a所（suǒ）示陶瓷主軸的一階固有頻率為零，對應的主振型為主（zhǔ）軸（zhóu）的剛體位移。由圖4b ～ f 可以看出，由於二、三階的固有振動頻率很接近，近（jìn）似相等，而且其振型表現為（wéi）正交，因此可將其視（shì）為重根; 同（tóng）理（lǐ）五、六階同（tóng）樣也可以看作重根。

      根據模態分析得到的各階固有頻率，由轉速和頻率之間的關係n = 60f( n 為轉速，r /min; f 為頻率，Hz) ，便求得陶瓷主（zhǔ）軸和鋼主軸的臨界轉速如（rú）表3 所（suǒ）示。由表3 可以看出，陶瓷主軸的各階臨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（zhóu）能（néng）夠得到更高的臨界轉速。陶瓷主軸的臨界轉速明顯提（tí）高的原因是陶瓷材料的彈性模（mó）量大和密度小。

      3． 2 高速陶瓷電主軸的諧響應（yīng）分析

      圖5 所示為陶瓷電主軸（zhóu）前端的徑向響應位移－ 頻（pín）率曲線。陶瓷主軸設計實（shí）例設定主軸最高（gāo）工作轉速為30 000 r /min，其工作頻率最高為500 Hz，由圖5 可見陶瓷主軸能有（yǒu）效避開共振區，而不會產生共振。由圖6 可知，曲線1( 即陶瓷主軸的中部節點位置) 所代表的徑向響應位移最大，即當陶瓷主軸發生共振時（shí），軸的（de）中部容易（yì）產生（shēng）破壞。

      4 高速陶瓷電主軸（zhóu）的結構優（yōu）化

      提高陶瓷主軸靜剛度可以提高其（qí）動態性能，以靜剛度為目標對（duì）陶瓷主軸做進一步優化［5］。根據陶瓷

      電主軸的結構特點，主軸前端懸伸量（liàng）決定於電主軸軸端的結構形式，故設為（wéi）定值。前後（hòu）軸承和電動機（jī）轉（zhuǎn）子的安裝位置對主軸剛度和動態特性影響較大。將（jiāng）圖（tú）1中cd 設為參數LS1，ef 為參數LS2，gh 為參數LS3，並將電動機轉子左端麵e 與前支承點d 之（zhī）間的距離設（shè）為參數LM。其他各關鍵點處的尺寸都可由這（zhè）4 個參數確定，電主軸的有限（xiàn）元分析幾何模型如圖1 所（suǒ）示。陶瓷主軸前端的橫（héng）向位移，設為參數DOFMAX; 使用（yòng）ANSYS優化模塊讀取整個主軸的應力最大值（zhí），設為參數SMAXI。優化（huà）序（xù）列如表4 所示。

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

      5 結語

      通過陶瓷電主（zhǔ）軸（zhóu）的動靜態性能分（fèn）析，得出以下結論:

      ( 1) 陶瓷主軸（zhóu）比同尺寸鋼主軸具有更高的靜態剛度，提高36. 3%。靜剛度的提高主要與主軸材（cái）料的彈性模量有關。

      ( 2) 陶瓷（cí）主軸的動態特性明顯（xiǎn）優於鋼主軸，臨界轉速較（jiào）鋼電主軸提高了17. 6% ～ 28. 4%，陶瓷主軸的臨界轉速明顯提高主要歸因於陶瓷材料的彈性模量大和（hé）密度小。由（yóu）諧（xié）響應分析可以得出，陶瓷主軸能有效避開共振區，有（yǒu）利於實（shí）現更高（gāo）速加工。

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