高速、高精度數（shù）控銑（xǐ）床電主軸結構優化（huà）及其性能研（yán）究
2016-8-25 來源： 機械工程學院 作者：陳麗婷
摘要：主軸係統等窩端裝備所需的關鍵零（líng）部件是我國剌造裝備技術發展過程中急需解決的瓶頸問題。論文Ｗ海（hǎi）天精工ＶＭＣ係列立式統（tǒng）床主軸為研究對象，進行具體的結構參數設計，並對主軸係統靜動態特性及其熱態特性開展研究工作，為主軸係統產業化打下基礎。論文取得了Ｗ下（xià）研巧成（chéng）果（guǒ）：
（１）完成了（le）電主軸結構的初步設計，如設計主（zhǔ）軸的整（zhěng）體（tǐ）布局、選擇主軸結構參數、選擇（zé）主軸（zhóu）電機和軸承等（děng）。並利用Ｈ維實體建模軟件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ完成髙速電主軸建模工作。
（２）利用大（dà）型有限元分析軟件（jiàn）ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｉＫｈ對電主軸係統進行結構靜力學學分析，得到其靜剛度，驗證（zhèng）了（le）本論文所設計電主軸滿足靜（jìng）剛度要求。
（３）為提高主（zhǔ）軸靜（jìng）剛度、減小主軸質量，論文采巧ＡｎｓｙｓＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的優（yōu）化模塊ＡｎｓｙｓＤｅｓｉｇｎＸｐｌｏｒｅｒ為優化工具，對電主軸係統前端懸伸量（ａ）和前後支撐跨（kuà）距 （Ｌ）進行優化（huà）設計，得到（dào）主軸係統（tǒng）ａ和Ｌ的最（zuì）優解。
（４）利用有限元分析軟件ＡｎｓｙｓＷｏｒｋｂｅｎｃｈ對（duì）優（yōu）化後的電（diàn）主軸的動態性能進行分析，得到電（diàn）主軸的低（dī）階固有頻率和振型，驗證（zhèng）電主軸係統的（de）一階臨界轉速是否符（fú）合要求；然後（hòu）對電（diàn）主軸進行諧響應分析，得（dé）到電主軸係（xì）統在正弦周期激勵下的固有頻率，經過分析計算得到電主軸設計轉速可有效避開共振區間的結論。
（５）對電主軸（zhóu）內部熱源及熱生成率進行分析研究，模擬研究優化（huà）後的電主軸結構的熱態性能，創造性的分析了電主軸恒功率變速範圍內不（bú）同轉速時（shí）的熱態性（xìng）能，分別得到了熱態分析（xī）圖。通（tōng）過分（fèn）析電主軸的（de）溫升情況，有針對性的提出改進措施。
關（guān）鍵詞：結（jié）構設計，靜（jìng）態特（tè）性，動態特性，熱態特性，ＡＮＳＹＳｗｏｒｌｃｂｅｎｃｈ
高速電主軸結構的設計及Ｈ維模型的建立（lì）
本研究中（zhōng）的立式統床用電主軸Ｗ寧波（bō）海（hǎi）天精工集團高速、高精密ＶＭＣ係列立式錦床電（diàn）主軸為研巧對象，ＶＭＣ係（xì）列現有ＶＭＣ８５０Ｌ和ＶＭＣ１０００Ｌ兩種型號，其最高轉速為１２０００ｒ／ｍｉｎ，額（é）定功率（lǜ）為ｌｌｋｗ，額定轉矩為１５Ｎ，ｍ。本設計旨在對電主軸最高轉速、額定功率和額定轉矩都有所（suǒ）突破。設計目標為電主軸最高轉速（sù）２００００ｒ／ｍｉｎ；輸出功率不低於２５ＫＷ；扭矩不低於２５Ｎｉｍ；靜剛度不低於２３５ＮＡｉｍ；銳削方式（shì）為端麵洗削（xuē）。
２．１、髙速電主（zhǔ）軸的基本結構
高速電主軸的基本結構可分為Ｗ下幾個部分（fèn）：主軸（zhóu）殼體、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］。高速電主軸的結構（gòu）見圖２．１。
１．前軸承沮２．定子３．冷卻液（yè）套（tào）４．主（zhǔ）軸殼體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（sù）電主軸的結構設計
２．２．１電主軸總體結構設計
傳統機床主軸的驅動形（xíng）式一般為鏈傳動、帶傳（chuán）動或者是齒輪傳動，主軸與驅動電機是分開安裝的，主軸受力較大，其動靜態性能很難得到保證。隨著主軸技術的不斷發展，實（shí）現主（zhǔ）軸的高速旋轉、高精（jīng）度、高穩定性的（de）內置電機得到了越來越廣泛的應用。根據高（gāo）速電主軸電機（jī）的裝配（pèi）位置可Ｗ分為中置式和後置式（shì），具（jù）體表述如下：
首先，主軸電機可＾式安裝在電主軸前後（hòu）軸承（chéng）組之間。此種（zhǒng）安裝方式使得（dé）主軸（zhóu）軸架構較為緊湊，主軸整體尺寸相對變短，Ｗ至於主軸剛性也會相對較好、承受功率也（yě）會相應増大。但是此種（zhǒng）結構主軸係統（tǒng）散熱相對比較困難〇］。另外一種安裝方式就是將電機安裝在主軸後軸承姐麽後，此種結構電機遠離（lí）主軸（zhóu）前端，使（shǐ）得主軸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（diàn）主軸的軸向尺寸會比較大，主軸係統岡帳很難得到保（bǎo）證，因此此中安裝方式通常用（yòng）於對剛度要求較低的小型（xíng）高速數控機床上。本論文所涉及數（shù）拉鑰床電主（zhǔ）軸輸出功（gōng）率、輸出轉矩要求都比較高，因此需要高剛度大功率才能滿（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（de）安裝方式，內置電機轉子與主（zhǔ）軸采用過盈配合，通（tōng）過過盈配合的摩（mó）擦輸出轉矩（jǔ）。由（yóu）於相對於ＶＭＣ係（xì）列現（xiàn）有型號機床，設計參數有明顯變（biàn）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，下麵首先對主軸電機和軸承組進行重新選擇。
２．２．２主軸電機的選擇
高速電主軸技術水平直接決（jué）定著數控（kòng）機床的性能，而電機的技術指標則（zé）直接決定了（le）電主（zhǔ）軸係統的技術水平，因此，如何選擇合適的電主軸顯得尤（yóu）為重要。於（yú）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（yào）求電機的散熱（rè）性能好（hǎo），還要求電機在低速下能夠輸出大功率，高速條件下又能夠恒功率運行（háng）。目前，最常使用的交流同步電機和異步電機相比，交流同步電機極限轉速更高，冷卻（què）功率更大，電機的體積相對更（gèng）小，維修也更方便。因此（cǐ）本論文中決定選擇交（jiāo）流同步電機（jī）作為驅動電機。
本論文（wén）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機。另外，由於國產電主軸功能部件如滾珠絲杠、刀架（jià）、電機等發（fā）展都相對滯後（hòu）。因此，本論文選擇西口子（zǐ）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，電機結構示意圖如（rú）圖２．３，電機的（de）主要技術、尺寸參數分別見表２．１、表（biǎo）２．２。
圖（tú）２．２西（xī）口子（zǐ）同步內裝式（shì）電機１ＦＥ１組件
圖２．３１ＦＥ１０７２－４ＷＮ１１ＢＡ內（nèi）裝電機的結構（gòu）示意圖
表２．１１ＦＥ１０７２－４ＷＮ１１ＢＡ內裝電機的技術參數
表２．２１ＦＥ１０７２－４ＷＮ１１ＢＡ內（nèi）裝電機的尺寸參數
２．２．３主（zhǔ）軸軸承的選擇
ａ）軸（zhóu）承類型的選擇
軸（zhóu）承是電主軸實現高速、高精度的前提條件（jiàn），是高速電主軸的關鍵部件。本文選擇高速電主軸軸承時，不僅（jǐn）要（yào）考慮到速度的問題，同時還要考慮軸承的剛度和（hé）抵抗（kàng）溫度變形的（de）能力口２］。因此（cǐ），本文要充分（fèn）考慮到主軸軸承與普通（tōng）軸承的差異性，選擇出最合適的軸承組。在綜合分析（xī）各種軸承的性（xìng）能之後，選擇（zé）洛陽軸承研究所研製的角接觸（chù）球軸（zhóu）承，具體參數如下表２．３：
表２．３角接觸球軸承參數
ｂ）軸承的配置方式
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（xì）統對軸承的支撐能力和剛度要（yào）求都較高。但是（shì）角接觸球軸承的為點接觸式受力方式又使得軸承的剛度（dù）較低。因此，為了能（néng）夠滿足係統對支撐能力和支承剛度的要求，我們必須合理選擇軸承組配置（zhì）型式。所謂軸承姐配是指將兩個或多個軸承（chéng）配合Ｗ姐為單位使用。由（yóu）兩個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（kǎo）慮到組成多練配姐軸承的的個體差異，每個（gè）軸承的誤差各不相同，累積誤差會隨著（zhe）軸承組配數（shù）的（de）增多而變大，反而不利於實現主軸的（de）高速運轉。因此，不能為了（le）提高係統剛度而一（yī）味增（zēng）加（jiā）軸承個數，應該同時考慮高速電主軸係統對高速性（xìng）能的要求（qiú）３１。本論文最終研巧決定采（cǎi）用兩個軸承沮（jǔ）配的雙聯配（pèi）置方式。其中軸承雙（shuāng）聯配置方式又分為背靠（kào）背（ＤＢ）、麵對麵（ＤＦ）和串聯（ＤＴ）Ｈ種（zhǒng）形式（shì），各種雙（shuāng）聯結構形式圖分別如圖２．４所示，
圖２．４軸承雙聯配置形式
分析Ｗ上Ｈ種配置形式，由於背對背組合（hé）的支撐剛度（dù）值相對較大。因此，本文（wén）最終采用背靠背（bèi）的組配方式（shì），並在兩（liǎng）軸承之間加隔（gé）離（lí）套，電主軸（zhóu）軸承組在（zài）主（zhǔ）軸係統內的安裝方式為：前端（duān）的軸後端的軸（zhóu）承在主軸軸向方向可遊動。送樣配置不僅可滿足電主軸（zhóu）的高（gāo）速性與整體剛度的要求，而且可＾：＾部分補償主軸的熱變形。
Ｃ）軸承的（de）潤滑
由於軸承在高速旋轉的電（diàn）主軸上滾珠與內外圈及保持架之間會產（chǎn）生摩擦力（lì）的作（zuò）用，而軸承摩擦力引起的軸承損壞、發（fā）熱Ｗ及變形是軸承失效的主要因（yīn）素，因（yīn）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（yǒu）至關重要的作用（yòng）。軸承滴滑是指：套圈、滾動體和保持架（jià）之（zhī）間的潤滑劑能夠形成的澗滑油膜，該潤滑油膜可Ｗ將套圈、滾動體和保持架進行隔離作用，降低軸承各部（bù）件之間的磨損與摩擦，確保（bǎo）軸承能夠運行良好。
常見的潤滑方式主要有脂潤滑和油（yóu）潤滑，澗滑方式可由（yóu）速度參數Ｄｍ（其中Ｄｍ為軸承中徑，ｎ為最高轉（zhuǎn）速值（zhí））來確定。通常，當小於（yú）１．０Ｘ１０６時，軸承采用脂潤滑；當Ｄｍ，ｎ大於１．０Ｘ１０６時，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本電主軸的軸承采用油潤滑的潤滑方式。油潤滑分為：油（yóu）霧潤滑、油氣潤滑和噴油潤滑（huá）。綜合考慮本設計主軸軸（zhóu）承的相關參數レッ及工作運斤狀（zhuàng）態，再綜合分析蘭種油潤（rùn）滑方式的利弊條件下決定選擇油氣潤滑方式。
ｄ）軸承的預緊
為了提（tí）高主軸係（xì）統的旋轉精度和增強主軸係統（tǒng）的整體（tǐ）剛度。需要對軸承組進行（háng）適當的預緊，這樣可（kě）Ｗ部分消（xiāo）除軸承的徑向間隙，還可Ｗ對補償（cháng）軸向間隙，進（jìn）而（ér）提高電主軸係統的加工精度，延長（zhǎng）主軸係統特別是軸承組的壽命。由於工作量的關係，本論文中無法完（wán）成對電（diàn）主軸（zhóu）係統軸承（chéng）預緊力的計算，根據本設汁軸承（chéng）需要進（jìn）行輕度預緊，輕（qīng）度預緊時選用軸承的預（yù）緊力大小為前（qián）軸承０Ｎ，後軸承９０Ｎ。
２．２．４主軸（zhóu）單元主要結構參數的確定
根據Ｗ上兩節選定的軸承和電機尺寸，可初步確定（dìng）主軸中Ｈ段軸段的長度和直徑。即電（diàn）機軸段（duàn）直徑５８ｍｍ，軸段長暫定２００ｍｍ；前軸承軸段直徑６０ｍｍ，軸段長３０ｍｍ；後軸承軸段直徑５０ｍｍ，軸段長２８ｍｍ。如此（cǐ）便初步確定了電主軸係（xì）統巧軸三（sān）段主要軸段長（zhǎng）度。下（xià）麵來（lái）確定（dìng）主軸內孔徑ｄ、主軸前（qián）端懇伸量（liàng）ａ和主軸支撐跨跑Ｌ。
（１）主軸內孔徑ｄ的確定
電主軸內孔主要用於通（tōng）過拉刀機構等，為減（jiǎn）輕主軸重量，在選擇主軸內孔直徑ｄ時，在滿足結構要求（qiú）及不削（xuē）弱主軸剛度的前提下（xià），盡量取較大值。結合ＶＭＣ係（xì）列現有主軸拉刀（dāo）係（xì）統直徑，最後取ｄ＝２５ｍｍ。
（２）主軸前端懸伸量ａ的確定
在進行就削加（jiā）工時，刀（dāo）尖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大影響，因此在進行設計（jì）時，必須使主軸的前（qián）端懸伸量盡量小。此外，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（zōng）合各方麵取主軸的懸伸量ａ＝５０ｍｍ。
（３）主軸支撐跨距Ｌ的確定
支（zhī）撐跨（kuà）距（Ｌ）就是指主軸係統前後兩支承軸承姐徑向（xiàng）支承（chéng）力的中也作用點間的距離（lí）。支（zhī）撐跨距是影響主（zhǔ）軸係統整體剛度的關鍵因素，因此在設計（jì）主軸係統時，支撐跨距的確定至（zhì）關重要。理論研（yán）究可知，當主軸係統前端拐度最小值時，支撐跨（kuà）距存在最優值Ｌ０即最佳跨距。此時，主軸的靜剛度達到最大值（zhí）。但是在實際設計中，最佳跨距是很（hěn）難獲得的，因此相關專家根據經驗製定（dìng）了最優（yōu）跨距範圍公式（shì）ｉｙＬ０＝０．７５？１．５０。當主軸係統支撐跨距在（zài）這個範圍內時，主軸的靜剛度也即處於一個（gè）良好的狀態。根據文獻［５５］，最佳跨距與前懸伸量關係式如下（xià）：
最後，綜合主軸的整體結構布局，選取Ｌ＝２８２ｍｍ？Ｌ／Ｌｇ＝１．４支撐跨跑取值在合理跨距範圍之（zhī）內。
２．３、高速電主軸Ｈ維（wéi）實體（tǐ）模型的建立
２．３．１高速電主軸（zhóu）主要零部件Ｈ維模（mó）型的建立
主（zhǔ）軸蒼（cāng）軸、內置電機、前（qián）／後軸承姐、冷卻套、主軸殼（ké）體、軸承端蓋、係統（tǒng）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（wéi）實體造型軟件８〇１１４＼￥〇＆８來完成（chéng）高（gāo）速電主軸主要結構的＾維建（jiàn）模。下麵１＾芯軸、軸承模型的建模為例，給出在ＳｏＭＷｏｒｋｓ中高速電主軸主要零部件Ｈ維模型的（de）具體建立方（fāng）式。
（１）芯軸模型的建立
根據電主軸巧軸的結構特征，總軸是（shì）軸對（duì）稱的中空階梯軸。我們可Ｗ利用ＳｏｌＭＷｏｒｋｓ旋轉功（gōng）能模塊進行建模。首（shǒu）先，依據（jù）設計尺寸進行轉軸繪製草圖，隻繪製芯軸上（shàng）半部分（fèn）草圖即可，然後ＷＺ軸為旋轉中也軸對草圖進行％０°旋轉建立芯軸Ｈ維實體模型，如圖２．５所示。當然建模過程也可Ｗ采用逐段拉伸，最後（hòu）拉伸切除內孔的方（fāng）式（shì）來建（jiàn）立。
（２）刖、後軸承模（mó）型的建立（lì）
本論文中所選用的軸承為角接觸球軸承，前後軸承建模方式相同，這裏僅Ｗ前軸承的（de）Ｈ維建模（mó）為例進行具體描述。由於軸（zhóu）承是裝配（pèi）體，所首先要（yào）建立軸承的各部件即內（nèi）圈、外圈、保持架和滾動體的模（mó）型，然後再利用ＳｏｌＭＷｏｒｋｓ裝配功能模塊將它們組裝起來。建立軸承（chéng）各（gè）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，的首先（xiān）通（tōng）過旋轉特征建立單個滾動體（tǐ），然後再對滾動體進行圓周陣列（liè）；保持架的建（jiàn）模（mó）過程相對複雜，需要通過拉伸、拉伸切（qiē）除、圓周陣列等特征才（cái）可Ｗ實現。
主軸係統前軸承各元件的Ｈ維建模完成之後，進入ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的裝配模（mó）塊，首先導入軸承外圈，並約束其中屯、位置與原點重合，然後導入滾動體模型和保持架模型，將滾動體和保持架通過中必線和參考平麵重合等約束方式進行裝配，然後（hòu）將裝配在一起的滾珠保持架裝入軸承外圈，最後（hòu）導入裝（zhuāng）配內圈，並確定拾當的約束類型。至此，前軸承的建模完成，圖（tú）２．６、２．７為前、後軸承的模（mó）型。
圖２．５電主軸轉軸模型
圖（tú）２．６前軸承
圖２．７後軸承
對於電主軸係統的冷卻套，電機、軸承端蓋（gài）等（děng）部（bù）件（jiàn）的模型的建立，都可Ｗ參照芯軸和軸承的建模方法來進（jìn）行，這裏（lǐ）不再詳細（xì）論述其建模方法（fǎ）。
２．３．２高速電主軸裝（zhuāng）配體的建立
前麵章（zhāng）節已完成高速電主軸全部零部（bù）件（jiàn）的建模，然後（hòu）利用Ｓｏ抽Ｗｏｒｋｓ裝配（pèi）功能對電主軸進（jìn）行裝（zhuāng）配。ＳｏＩｉｄＷｏｉ－ｋｓ軟（ruǎn）件主要由下到上和由（yóu）上向下兩種（zhǒng）裝配方式（shì）：由下（xià）到（dào）上的裝配（pèi）方法要求設計者首先完成係統所有零部件的建模，然後通過各部（bù）件之間的約束（shù）關係進行約束裝配。這種（zhǒng）方（fāng）法裝配過程比較簡單，但前（qián）提（tí）是必須在建模之前（qián）完成所（suǒ）有零部件（jiàn）尺寸的確定。由（yóu）上向下的裝配方式需要知道係統的整體結構關係，然後在此基礎上設計附加（jiā）零部件。
本論文中起初隻能確定零（líng）部件一一電機Ｗ及（jí）軸（zhóu）承的尺寸，與軸承組配合的軸承端蓋、外殼等一些零部件尚無（wú）法確定具體尺寸大小，需要（yào）在裝配過程中進斤最終的確定工作。綜上知，本文（wén）比較適合（hé）采用首（shǒu）先由下到上裝配芯軸（zhóu）、電機和前後軸承組，然後再（zài）利用由上向下裝配電主軸外殼、前後軸承組（zǔ）軸承座、前後軸承組預緊裝置、前（qián）後端蓋。最終確定電主軸結構的（de）布局和尺寸。高速電主軸Ｈ維實體裝配（pèi）最終模型如圖２．８所示。
為了清楚地顯示主軸係統（tǒng）內部複雜（zá）的結構，建（jiàn）模完成Ｗ後使用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件中的（de）Ｘ截麵命令（lìng）對模（mó）型進行１／２剖麵命令，得到電主軸係（xì）統剖視圖如圖２．９所示。
圖２．８電主（zhǔ）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（gōng）集團ＶＭＣ係列主軸為依托，對電主軸提出新的（de）設計目標，進而對（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（zhóu）巧軸（zhóu）主要結構參（cān）數，通過計算（suàn）確定電主（zhǔ）軸支撐跨距和（hé）前端懸伸量（liàng）等結（jié）構設計參數，完成電主軸的整體結構設計。接（jiē）下來論文依據Ｈ維（wéi）軟件（jiàn）ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ描述了高速電主軸主要（yào）零部件和（hé）裝配體的建模方法和步驟。
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