内圆磨床主轴设计

内圆磨床主轴设计 摘要 电主轴是加工机床的核心部件,它的精度直接决定了整个机床的加工精度,因此,开发出一个拥有自主产权的高精密电主轴是机械行业的迫切需求。 针对这一需要,本文从以下几个方面去设计的:在电主轴的结构上运用最佳跨距计算方法,做出轴的最合理的结构;在布局上采用比较流行的内置电机,循环油冷却系统,角接触混合陶瓷球轴承,油润滑,弹簧预紧的典型形式。结构紧促缩小了主轴系统占用的空间,循环油冷却系统保证了主轴和轴承运转过程中产生的热量很快散出去,油润滑在带走轴承产生的热量同时对轴承进行了润滑;在装配上,严格要求各个环节的精度,尤其在轴承的装配上,根据实测值,采用选配法,保证了整个系统的精度;在电主轴的性能分析上,通过定量去分析电主轴的稳定性,定性去分析其动态平衡性和热稳定性,并加入了仿真分析。 所设计的电主轴,减少了中间传动环节,因此使机床的结构空间减小,同时它比传统内圆磨床转速更高,能耗更小,且传动更加平稳,因此加工精度更高,在保证加工质量的同时提高了效率。 关键词:电主轴 角接触混合陶瓷球轴承 油润滑 仿真分析 Abstract Electro-spindle is the core component of machine tools, its accuracy directly determines the machining accuracy of the machine, and therefore, developing their own property rights in a high-precision electro-spindle is an urgent demand for machinery industry. In response to this need, this paper contains the following aspects: in the structure of the spindle span, the best use of the method of calculating the shaft to make the most reasonable structure; in the layout , use the more popular of the built-in motor, cycle water cooling systems, hybrid ceramic angular contact ball bearings, oil mist lubrication, as well as spring preload of the typical form of rolling sleeve. The urgent structure reduces the space occupied by the spindle system. Circulating water cooling system to ensure the heat generated by the spindle and bearing scatter out quickly mist lubrication scatter out the heat generated by the bearings at the same time lubricate the bearings. so that when temperature rise ,the rolling Introduction sets make the elongation of axis do not affect the precision; in the assembly, the strict demands on the accuracy of all aspects, especially in the bearing assembly on the basis of measured values, using selective assembly method, to ensure the accuracy of the whole system ;in capability of analysis of the spindle, through quantitative analysis of the stability of electro-spindle, qualitative analysis of its thermal stability and dynamic balance; The designed Spindle motor reduce the transmission link in the middle, thus reducing the machine tool structure of space, while at the same time than the traditional high speed grinder, a smaller energy consumption, and the drive is more stable, so its machining accuracy is higher, and it improve the quality of machining and processing efficiency. Key words:electro-spindlehybrid ceramic angular contact ball bearings oil lubrication Micro-Milling Machine 目录 摘要 I Abstract II 目录 I 第1章 绪论 1 1.1本课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 研究的意义 1 1.2国内外发展现状 2 1.2.1国内发展现状 2 1.2.2国外发展现状 2 1.3电主轴的工作原理 3 1.4电主轴的关键技术 3 1.4.1润滑技术 4 1.4.2动态性能 4 1.4.3电主轴新技术的展望 5 2.1设计原始数据及设计 6 2.1.1主轴设计原始参数 6 2.1.2初定轴上零件的装配 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 6 2.1.3轴上零件的定位 6 2.2主轴主要尺寸的确定 6 2.2.1主轴轴径的确定 按扭转强度条件计算 6 2.2.2主轴前段悬身量的选择 9 2.2.3主轴支撑跨度L的选择 9 2.2.4轴的强度校核 9 2.3主轴临界转速的校核 12 2.4电主轴结构设计 12 2.4.1电主轴的性能参数与整体结构 12 2.4.2电主轴的结构设计与分析 13 2.4.3电主轴的建模 13 2.4.5电主轴设计制造的几个关键技术问题 17 第3章 轴承系统的计算 19 3.1轴承径向的刚度计算 19 3.2轴向预紧力 19 3.3预紧力的计算 20 3.4高速角接触陶瓷球轴承分析 21 第4章 电主轴主轴单元静态特性虚拟仿真分析 23 4.1主轴单元静态特性分析 23 4.2结构静力分析 23 4.3电主轴单元静力分析模型简化、单元类型选择、建模与网格划分 23 4.4高速电主轴单元静力分析加载、约束与求解 24 4.5高速电主轴模态分析 25 4.6模态分析 25 4.7高速电主轴模态分析模型简化、建模 26 4.8高速电主轴模态分析加载、约束与求解 26 结论 30 参考文献 31 致谢 32 第1章 绪论 高速电主轴是高速机床的核心部件,它将机床主轴与电机轴合二为一,即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部,也被称为内装式电主轴,其间不再使用皮带或齿轮传动副,从而实现机床主轴系统的“零传动”。具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点,并改善了机床的动平衡,避免振动和噪声,在超高速机床中得到了广泛的应用。它应用于不同机床中分为:钻铣主轴、加工中心主轴、雕刻机主轴、磨床用电主轴等。随着高速加工技术的迅猛发展和广泛应用,各工业部门特别是航天、航空、汽车、摩托车和模具加工等行业,对高速度、高精度数控机床的需求与日俱增。这迫切需要开发出更加优质的高速电主轴。目前国内外的电主轴专业生产厂家多达几十家,以德国的GMN公司与瑞FISCHER公司最为著名。GMN公司还兼产机床用精密主轴轴承,其最高精度(UP级)高于ISO和ABEC 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的最高精度(P2和ABEC9),本研究所使用的混合陶瓷球轴承即选用该公司的产品。瑞士IBAG公司电主轴产品的质量也比较好,该公司最近推出了以油为介质的静压轴承电主轴和商品化的磁悬浮轴承电主轴。德国CYTEC公司只有15年的电主轴生产历史,近来推出高达800N?m的大转矩电主轴和装备有自行开发的环形力矩伺服电动机的双摆角电主轴而引人注目国内电主轴的生产以洛阳轴承研究所最为有名,在上世纪70年代初即开始研发内孔磨削用电主轴,80年代,曾经从德国GMN公司引进过生产电主轴的技术。近来,该所开发的加工中心、高速铣床和车床用电主轴,已与国产高速机床和国产并联(虚拟轴)机床配套,投入 使用。迄今已发展到100多个品种的电主轴,功率从0.2~75kW,最高转速可达150000 r/min。同时,该所还兼营精密机床用主轴轴承,且有少量出口。 1.1本课题研究的意义 电主轴是高速加工机床的核心功能部件。由于电主轴性能的好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率,因此,各工业发达国家都十分关注高速电主轴的研究与发展,纷纷投入巨资,装备精良的加工和测试设备,建立恒温、洁净的装配环境,形成了不少电主轴的专业生产基地。电主轴的研究工作在国外开展较早,现在已进入实际应用阶段。我国自上世纪70年代初期自行研制内磨砂轮电主轴开始,发展至今,高速电主轴的各项性能指标与国外尚有一定的差距。为了加快我国高速加工技术的发展与应用,加速数控机床产品的更新换代,研发具有自主知识产权的性能优异的高速电主轴显得十分迫切。现在,世界各工业发达国家都把生产高速机床作为其重要的发展目标,高速机床的生产能力和技术水平己经成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志。高速机床技术主要包括高速单元技术和机床整机技术。单元技术包括高速主轴、高速进给系统、高速CNC控制系统等。机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全设施、加工坏境等。高速机床是实现高速加工的关键设备,高速电主轴作为高速机床的核心部件,是高速技术的体现,它的开发为机床高速化提供了必要的技术准备。高速电主轴由于结构的特殊性,尚有许多新问题需要解决。我国的高速电主轴技术与工业发达国家有不小的差距,研究工作刚刚起步,应加大对这方面研究的投入。本课题即是基于以上分析所设立的。 1.2国内外发展现状 1.2.1国内发展现状 国内电主轴的研究始于20世纪60年代,主要用于零件内 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面磨削,这种电主轴的功率低,刚度小。并且它采用无内圈式向心推力球轴承,限制了高速电主轴的生产社会化和商品化。20世纪70年代后期至80年代,随着高速主轴轴承的开发,研制了高刚度、高速电主轴,它被广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领域。在20世纪80年代末以后,由磨用电主轴转向铣用电主轴,它不仅能加工各种形体复杂的模具,而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铣用电主轴,推动了高速电主轴在铣削中的应用。此外,食品工业的固体饮料;染化工业的染料;医药工业的药品等粉状和粒状物质均需用高速离心干燥技术来生产,而高速离心干燥设备也需要高速电主轴技术。高速拉伸电主轴的应用也促进了我国有色管材精密冷成型技术的发展。高精度硅片切割机用电主轴,促进了电子工业设备的更新和进步。利用高速电主轴的优良性能,还可以开发多种高性能试验机。目前国内研究高速电主轴的科研机构有我国河南省洛阳轴承研究所,他们能自行研究开发电主轴,其dmn值达到了很高的水平;广州钜联高速电主轴有限公司研发的大功率静压轴承电主轴曾获得日内瓦国际专利技术博览会金奖;广东工业大学高速加工和机床研究所也开发了数控铣床高速电主轴。其主要技术指标为:电主轴的额定功率是13.5kW,最高转速为18000r/min,在额定转速500r/min时产生最大输出转矩为85Nm。在我国的安阳市,有一家中外合资的电主轴生产厂家??安阳莱必泰机械有限公司,它拥有先进的电主轴、机床主轴设计和制造技术。该公司研制生产的加工中心电主轴,采用先进技术,配有矢量闭环控制系统,能对主轴实行恒功率调速,准停制动。功率为3.7~25kW,恒功率段1500~12000r/min。采用进口高速精密轴承,旋转件经高精度平衡。该系列产品具有高精度、高刚度、高速度、低噪声、低振动、低温升等优点,系99国家火炬计划项目。 1.2.2国外发展现状 国外高速电主轴技术由于研究较早,技术水平也处于领先地位,电主轴已越来越多地应用到工业制造业中。著名的有瑞士的Fisher公司、Ibag公司、德国的GMN公司、Hofer公司、Siemens公司、意大利Faemat公司、Gamfior公司及美国Ingersoll公司、日本Okuma公司和Fanuc公司等,它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点: (1)功率大、转速高。 (2)采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承,主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承,特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。(3)精密加工与精密装配工艺水平高。 (4)配套控制系统水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。并在此基础之上,这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床。 如瑞士米克朗公司,就是世界上著名的精密机床制造商。它生产的机床配备最高达60000r/min的高速电主轴,可以满足不同的切削要求,所有的电主轴均装有恒温冷却水套对主轴电机和轴承进行冷却,并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑。所有的电主轴均采用矢量控制技术,可以在低转速时输出大扭矩。 1.3电主轴的工作原理 电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上,定子冷却套固定在主轴箱体孔内,形成完整的主轴单元。通电后直接带动主轴运转。省去了带轮或齿轮传动,实现了机床的零传动,提高了效率。具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动 态特性好等优点,并改善了机床的动平衡,避免振动和噪声,在超高速机床中得到了广泛的应用。如图1-1所示: 图1-1 主轴工作原理 1.4电主轴的关键技术 1.4.1润滑技术 主轴轴承常见的润滑方式有脂润滑、喷射润滑、环下润滑、油雾润滑及油气润滑等。脂润滑不需任何附加设备,但只用于低速场合。喷射润滑是直接用高压润滑油对轴承进行润滑和冷却,功率消耗大,成本高。环下润滑是一种改进的润滑方式,分为环下油润滑和环下油气润滑。油或油气从轴承内圈喷入轴承内,在离心力的作用下,润滑油更易于到达轴承润滑区,因而比普通的喷射润滑和油气润滑效果好,可进一步提高轴承的转速。而对于角接触陶瓷球轴承转速比较高,如果采用普通油气润滑,将造成润滑结构复杂,轴承不易标准化,装配困难。考虑到经济性市场上的电主轴多为油雾润滑方式。 油雾润滑方式的优点可以概括为:(1)油雾能随压缩空气弥散到所有需要润滑的磨擦部位。可以获得良好而均匀的润滑效果;(2)压缩空气比热小、流速高,很容易带走磨擦所产生的热量。(3)大幅度降低了润滑油的耗量。(4)较稀油循环润滑系统结构简单轻巧,占地面积小,动力消耗低,维护管理方便,易于实现自动控制,成本低;(5)由于油雾具有一定的压力,因此可以起良好的密封作用,避免了外界的杂质、水分等侵入磨擦副。 1.4.2动态性能 追求优良的动态性能是研发高速电主轴最根本的目标,动态性能的好坏 是衡量电主轴质量的最重要指标。其动态性能的好坏,主要体现在以下几个方面。 1 刚度和精度电主轴的刚度包括径向刚度与轴向刚度,是以轴端的测量值来表示的。影响电主轴刚度因素主要有轴的材料与结构、轴承及轴承座刚度及前后支承轴承的配置方式等。刚度的数学表达式为: 其中F:载荷;δ:变形。 在材料力学中,可近似地认为悬臂梁自由端的挠度与载荷成线性关系,但在电主轴中,这样近似将带来较大误差。电主轴长度相对较短,长径比较小,轴端悬伸长度也较短,因此,轴本身的刚度与支承部位的总刚度(包括轴承及轴承座的刚度)处于同一量级,轴承的刚度变化将直接影响电主轴的刚度。而轴承的刚度是随轴承预紧力及转速的变化而变化的。预紧力增大时,轴承的轴向及径向刚度均增大;而转速升高时,传统上都认为轴承刚度降低,即所谓的刚度软化。 2 临界转速 临界转速是电主轴的一个重要参数,它是指电主轴的转子?轴承系统发生共振时对应的转速。由于转轴是连续质量分布系统,因此在理论上有无限多个临界转速。电主轴工作时,应严格控制最高转速在其第一阶临界转速之下,一般不超过一阶临界转速的70%。因此临界转速决定着电主轴的最高工作转速,影响着电主轴的振动水平,临界转速的计算与研究是电主轴设计的必要环节。影响电主轴临界转速的因素主要有:转轴结构、轴承布置方式、轴承刚度、刀具(或砂轮)参数等。电主轴生产厂家向用户提供的技术资料中都对安装在电主轴上的刀具重量、长度、直径及刀具的不平衡量有明确的限制。因为这些参数均会影响主轴的临界转速。 3 动平衡 由于电主轴的转速很高,因此即使微小的动不平衡量,也会产生很大的离心力,引发振动。对高速电主轴的动平衡要求是很高的。不但要求各零部件各自进行动平衡,而且装配后还要进行整体动平衡,在装夹或更换刀具后,对刀具也要进行动平衡。有的国外产品在刀具装夹端设有在线自动平衡装置,每更换一次刀具,该装置可自动测出动不平衡量,并自动使该装置上的两个圆盘相对转动一定角度,从而达到动平衡。对于电主轴的动平衡要求,一般都按ISO标准G0.4 级,即在最高转速时,由残余动不平衡量引起的振动速度最大允许值为 0.4mm/s 。 1.4.3电主轴新技术的展望 1 继续向高速重载方向发展。德国 GMN 公司提供的产品样本上,电主轴的最高转速为180000r/min ,国内洛阳轴承所也有转速为 150000r/min 的电主轴产品供应。在载荷方面,目前额定转矩最大的电主轴是瑞士STRP-TEC公司的产品,额定转矩达350N?m。 2 自动化程度将进一步提高。电主轴属高科技产品,其自动化程度越来越高。最新的电主轴产品有的装备了在线自动平衡装置,刀具更换后或加工过程中,由不平衡量引起的振动超过规定值时,会对不平衡量进行 在线自动平衡。刀具的夹紧与松开也配备了自动控制的气压或液压装置。 3 提高动态性能及加工精度的新技术动态性能好及加工精度高是对电主轴最根本的要求,也是电主轴生产商追求的根本目标。由于热膨胀和转速的影响,电主轴在高速时会产生百分之几的轴向位移,即降低了加工精度。GMN公司及 FISCHER 公司均可提供主轴伸长的自动补偿装置。通过直接或间接测得轴端的伸长量,相应控制机床的数控系统,由数控系统在主轴轴向进行补偿。为解决主轴轴向伸长导致轴承负载增加的问题,一些新款电主轴的轴向预紧力是由自动控制的 液压阻尼系统来施加的。根据不同的转速,预紧力会自动调节,阻尼作用可用来降低轴承的振动水平。 第2章 主轴的设计 2.1设计原始数据及设计 2.1.1主轴设计原始参数 表2-1 主轴设计原始参数 电流 相数 旋向 功率 频率 电压 转速 12A 3 从轴伸端看顺时针 5.5 600HZ 350 36000RPM 由于电主轴是高速运转的部件所以设计要满足如下要求: 1使砂轮轴装配后周前端径向跳动、轴向端面跳动均不大于0.005mm; 2结构设计合理,初步具备精度设计的能力。 其次砂轮轴系必须满足机床的性能要求,适应工作条件,性能可靠,此外还应适应结构简单,尺寸紧凑,成本低,效率高和操作维护方便以及具有良好的结构工艺性。 2.1.2初定轴上零件的装配方案 轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提,它决定着轴的基本形 式。所谓的装配方案,就是轴上主要零件的装配方向,顺序和相互关系。电主轴轴上主要零件是转子平衡块以及轴承。考虑它们之间安装顺序根据实际的情况可以是两端轴承固定支承,轴上从左向右依次装上平衡块,定子,平衡块。 2.1.3轴上零件的定位 两端分别用轴承盖加以定位,轴上的轴承采用过盈连接防止径向转动,轴向用轴肩加以固定,定子用过盈连接固定。具体过盈量一方面可以查阅相关的手册,另一方面可以参考相关的设计。 2.2主轴主要尺寸的确定 主轴主要参数有:主轴前后支撑直径D1和D2,主轴前段伸长量a和轴支撑跨度L,这些参数直接影响着主轴的旋转精度和刚度。 2.2.1主轴轴径的确定 按扭转强度条件计算 这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度;如果还受有不大的弯矩时,则用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。在做轴的机构设计时,通常用这种方法初步估计轴径。对于不大重要的轴,也可以作为最后计算结果。轴的扭转强度条件为: 2-1 式中:??扭转切应力,单位为; T ??轴所受的扭矩,单位为; ??轴的抗扭截面系数,单位为; n ??轴的转速,单位为r/min; P ??轴传递的功率,单位为; d??计算截面处轴的直径,单位为mm; ??许用扭转应力,单位为; 轴常用的几种材料的及值见表2-2: 表2-2 轴的材料比较 轴的材料 Q235-A,20 Q275,351Cr18Ni9Ti 45 40Cr,35SiMn38SiMnMo,3Cr13 / 15~25 20~35 25~45 35~55 149~126 135~112 126~103 112~97 由上式可得轴的直径 (2-2) 式中,查上表。 对于电主轴由于其高速运转,所以要求所用材料具有良好的耐磨性。又由于其工作时有较大的力,所以要求内部要有一定的韧性。在此次设计中轴的材料选用40Cr查表的=110,由原始条件的功率为P5.5KW,转速为36000r/min代入上述公式2-1得: 考虑到实际工作条件和可靠性的要求在此设计中取轴的最小直径为25mm。 对于前端由于是空心轴所以利用公式: (2-3) 式中,即空心轴的内径与外径的比值,通常取 代入(2)公式 考虑实际的情况,在本设计中前端的轴径取30mm。根据电主轴的实际情况,其极限转速比较高,而且同时有轴向载荷和径向载荷的作用所以在本次设计中所选用的轴承是角接触球轴承。对于磨床,,通过计算的后端的直径设为25。因此,前端的轴承选择的类型为B7006C/HQ1P4。而后端的轴承选择的类型为 B7005C/HQ1P4。 表2-3 轴承参数 轴承代号 D D B 额定载荷CrKN a 极限转(r/min) 脂油 B7006C/HQ1P4 30 55 13 9.1 15? 37000 55000 轴的极限转速一般为轴承极限转速的80%左右,从上表可以看出,轴的极限转速为55000×80%=44000 r/min。 为了提高其运转时的精度采用双联轴承配置。查机械设计手册可得轴承的基本尺寸。从而得出与轴承配合轴段的长度。对于后端轴承轴向定位一端用轴承盖,一端用轴肩定位,轴肩的高度取h3mm,得与转子配合得轴段得直径为30mm。对于这段轴的左端动平衡块与轴肩之间留出1mm的热变形余量,为了对平衡快进行轴向的定位,左端的轴肩高度h=3mm,此时轴肩的直径为36mm。接着要装左端的轴承,为了拆卸的方便可在设定一个轴肩段,此轴肩段的高度h=3mm。所以此轴段的直径为36mm。前端轴承的左端用螺母定位。轴向零件的圆角和倒角尺寸可见零件图。图2-1和图2-2为主轴的3维建模。 图2-1 主轴3维建模平面图 图2-2 主轴3维建模立体图 2.2.2主轴前段悬身量的选择 主轴前段悬身量是指主轴定位基面至前支撑径向支反力作用点之间的距离。悬身量决定于主轴端部的结构形式和尺寸,在满足结构尺寸的要求的前提下,应尽量减少悬身量,提高主轴刚度,初步确定是可设D135mm。 2.2.3主轴支撑跨度L的选择 主轴的支撑跨度是指两支撑支反力作用点之间的距离,是影响主轴组件刚度的重要参数。主轴组件刚度主要取决于主轴自身的刚度和主轴支撑的刚度。主轴自己的刚度与支承跨度成反比,,即主轴轴径,悬身量确定以后,跨距越大,主轴端部变形越大,主轴弹性变形引起的主轴端部变形,则随着跨度的增大而减小,跨度越大,轴承刚度对主轴的影响越小。因此根据经验,和实际的电主轴尺寸,初设,主轴支撑跨度L160mm。 2.2.4轴的强度校核 首先,应确定磨削时的磨削力,而且磨削时轴主要受的力为切向力和法向力,因此查资料得,磨削力的经验公式为:(2-4) (2-5) 查表可知各个参数得, ,,,,,, 。 代入公式(2-4),(2-5),可分别计算出150N,75N。 主轴力的简图如图2-3所示: 图2-3 主轴受力结构简图 由静力平衡方程,求得支反力: 131.25N, 36.75N 做出剪应力图和弯矩图,如图2-4,2-5所示: 图2-3 主轴受力结构简图 图2-4 剪应力图 图2-5 弯矩图 所以,最大弯矩为:M5880Nmm 根据扭矩公式: 9550000 ,得: 95500001500Nmm 产生的扭矩为*d/2150*152250 Nmm T+1500+22503750 Nmm 对于空心轴,W0.1 , ,代入公式,可得: W2531.25 根据第三强度理论公式 ,得,因为选用的是40Cr,所以60。 〈60,因此,此轴设计的合格。 2.3主轴临界转速的校核 查机械设计手册得,主轴的临界转速公式: 2-6 在所设计的结构中 查机械设计手册表19.5-3取。又知: ,,。 根据轴的结构得: 所以轴的临界转速为: 因为轴的转速所以不会产生剧烈震动而破环机器的正常运转。 2.4电主轴结构设计 2.4.1电主轴的性能参数与整体结构 表2-4 电主轴的性能参数 参数名称 设计转速 轴向预紧力 基础油 噪声 轴向静刚度 轴向窜动量 数值或要求 36000r/min 205N 10#抗磨油 80 dB A 50 N/μm 1.5 μm 参数名称 设计功率 润滑方式 油冷却流量 径向静刚度 主轴内孔跳动量 主轴端面跳动量 数值或要求 5.5 kW 油润滑 4 l/min 85N/m 5 μm 5 μm 表2-4列出了拟设计的 MD140W36/5.5型高速磨削用电主轴的各项性能参数。 电主轴的机械结构并不算复杂,但由于其应用于高速精密加工,故对其高速工况的运转精度有很高的要求,相应地对制造工艺要求也比较严格,另外,设计中还必须考虑内置电动机散热、 高速主轴的动平衡、主轴支承方式、轴承预紧方式及轴承润滑等技术难题。 2.4.2电主轴的结构设计与分析 图2-6 电主轴装配图 如图2-6所示,件1是主轴,前端的螺纹孔主要作用是为了连接磨削工具砂轮。最左端的保护盖(件4)为保护件,以防灰尘进入轴承内部。因为电主轴轴承为高精密件,电主轴装配车间对空气的洁净度是有一定要求的,灰尘的存在会 影响轴承的寿命。曲路密封盖(件2)拧紧在转轴上,与密封盖之间形成迷宫密封,也是为了保持主轴轴承内部洁净并且防止漏油。主前支承是一对串联的角接触混合陶瓷球轴承,夹在两个轴承之间的环状零件是隔套,主要作用是对轴承提供预紧力,并且能使润滑油正常流入。件(8)是堵头,其主要作用是防止润滑油露出。件(10)为平衡块,其主要是通过在其上钻孔使轴达到动平衡,保证其旋转的精度。件(11)和件(12)是转子和定子,其主要是形成轴的转动。用圆螺母(件25)压紧形成的预紧力作用在轴承外圈上,实现了后轴承的预紧。件(19)为循环油管的进油接头和出油接头,其主要作用是形成既可以润滑又可以起到冷却循环油路系统。 2.4.3电主轴的建模 电主轴的内部结构是利用代表目前机械CAD领域新标准的参数化设计软件CATIA来建立总体结构模型,基于CATIA软件对电主轴总体结构的主要零部件进行了准确的创建,给出了电主轴总体的装配示意图和各主要零件示意图。 总装配图如图2-7所示,内圆磨床电主轴与砂轮的装夹是通过螺纹链接的,摩擦力和螺纹预紧力正好相同,因此,达到越磨越紧的效果,使砂轮有较好的装配精度。 图2-7 总装配图 电主轴装配图如图2-8所示,此图表现了电主轴的一些内部结构,因为电主轴内部结果很复杂,因此还要以装配图为主。 图2-8 电主轴装配图 主轴如2-9所示,主轴是电主轴的关键零件,它的加工精度直接影响整个电主轴的加工工件的精度,它的疲劳强度也是设计应该校核的重点,因此第四章给出了其anysy分析,对主轴进行了虚拟仿真。 图2-9 主轴图 夹具如图2-10所示,夹具的主要作用是使电主轴相对内圆磨床有一个正确的相对位置关系,有定位和夹紧作用,夹紧力主要是通过螺钉连接时的预紧力而产生的。 图2-10 夹具图 外壳如图2-11所示,电主轴的外壳也是很重要的零件,因为,电主轴的冷却系统和润滑系统都是设计在外壳上的,并且定子也是和外壳相连接,键槽也是开在外壳上,所以外壳是设计的重点。 图2-11 壳体图 防尘盖如图2-12所示,因为电主轴轴承为高精密件,电主轴装配车间对空气的洁净度是有一定要求的,灰尘的存在会影响轴承的寿命,因此,需要设计防尘盖。 图2-12 防尘盖图 前轴承端盖如图2-13所示,端盖主要的作用是为了是轴承有轴向定位的,使轴承相对轴具有正确的位置。 图2-13 端盖图 2.4.5电主轴设计制造的几个关键技术问题 1 电主轴的热稳定性分析 电主轴的内部热源有两个,一个是内置电机,另一个是主轴轴承。电主轴将电机集成于主轴内部,无疑在其内部增加了一个热源。电机的发热主要有定子绕组的铜耗及转子绕组的铁损发热,其中定子绕组的发热约占电机发热总量的三分之二以上。另外电机转子在主轴内部的高速搅动, 使内腔中的空气也会发热,这些热源产生的热量主要通过主轴壳体和主轴向外散发。而内置电机的两边就是主轴轴承,电机的发热会直接影响轴承的润滑效果,热量积累过多时,甚至会烧坏电机。另一方面,电机的发热会使主轴伸长,影响加工精度。许多精密机床在开始加工前,要空运转一段时间,目的是让机床主轴达到热平衡,然后才开始加工,以免主轴的热膨胀影响加工精度。因此,在设计中,必须要设置良好的电机冷却系统。 本设计采用了外循环油冷却和润滑一体系统,在主轴外设有冷却油箱和冷却油循环泵,在内置电机定子的外面加一铝质的外套,外套的外壁开有环形槽。电主轴工作时,循环油泵连续地将冷却油压入电主轴内,在环形槽流动,并形成循环,将电机产生的热量带到电主轴外,达到冷却电机的目的。电主轴的轴承也是主轴内部主要热源之一。由于电主轴的转速很高dmn值大,滚珠与滚道之间的相对滑动速度很大,摩擦发热非常严重。另外,高转速导致很高的离心力,因此,更加剧了摩擦生热。 实际调查表明,轴承温度过高是导致轴承失效的最主要原因。因此,电主轴的开发应充分考虑电主轴的散热问题。轴承的散热主要是通过油润滑方式来实现的。循环冷却的润滑油进入轴承,润滑油起到润滑作用的同时带走轴承产生的热量,从而起到可冷却的效果。如图2-14所示: 图2-14 液体冷却示意图 2 在很高的转速下,主轴运转部分微小的不平衡量都会引起巨大的离心力,造成主轴的振动,影响加工精度和表面质量。因此,在设计及制造工艺上都应尽可能减小不平衡质量。对于高速电主轴,动平衡精度一般应达到 G01~G0.4(,e 为质量中心与回转中心之间的距离,ω为转轴的角速度)级。本设计确定的动平衡 精度为 G0.4 级。 为达到动平衡精度要求,首先要在设计上尽量使各转动件实现自身的平衡,其次轴上各转动件包括加工时轴端安装的砂轮在安装前都要分别进行各自的动平衡,装配完毕后再进行整体动平衡。在设计电主轴时,必须严格遵守结构对称原则,轴上的运转部件与轴之间应避免采用键联接的形式。电主轴结构中与主轴连接的最主要的转动部件是内置电机的转子。该转子与主轴之间以过盈配合来传递扭矩,其过盈量按最大扭矩计算,并同时考虑转速对转子产生的离心力作用,因为离心力较大时,使转子本体有径向膨胀的趋势,会抵消部分过盈量。另外,配合面的粗糙度也是计算过盈量所必须考虑的。在转子与主轴装配前,转子硅钢片的外径应预留一定的加工余量,用热压法装配完毕后,再对转子外径进行精车,以减小偏心质量。在电机转子的两个端盖上对称地加工出16个小螺纹孔,根据动平衡机的测试结果,在螺纹孔内旋入螺钉,并调节至适宜深度,达到完全动平衡后,再用环氧树脂将平衡螺钉固化。 第3章 轴承系统的计算 超高速加工是机械制造业近年发展起来的一项高新技术,而电主轴是高速加工机床的核心功能部件,它正向着高速化方向发展。因此,研究分析电主轴的动态性能变得越来越重要,而临界转速特性,尤其是一阶临界转速特性,是电主轴动态性能的一个重要指标,分析计算临界转速是电主轴动态设计的一个重要环节。影响电主轴临界转速的因素很多,轴承的径向刚度、轴向预紧力与刀具组件参数的变化均会不同程度地引起电主轴临界转速的变化。在高速工况下,轴承的径向刚度随转速的升高呈非线性变化,不能简单地将轴承刚度按常数处理,围绕高速主轴的动态特性问题,国外学者早已开展研究。国内学者的相关研究工作则 较少,在部分问题所得出的结论甚至相互矛盾。对于提高预紧力可提高轴承刚度,进而能提高转子的临界转速,有关研究国内外学者也已做了不少工作,所采用的方法多为实验测定或近似的数值计算。 3.1轴承径向的刚度计算 B7006C/HQ1P4型角接触陶瓷球轴承与同规格钢制滚动轴承的径向刚度在不同轴向预紧力下随转速的升高而变化的情况。轴承径向刚度随转速的升高而非线性变化,总的变化趋势为先下降后上升。在75000r/min以下,陶瓷球轴承的刚度下降趋势比钢球轴承要缓慢, 转速与轴向预紧力对轴承径向刚度的影响即陶瓷球轴承的径向刚度性能优于钢球轴承。当转速高于某一临界值时,轴承径向刚度的变化趋势 将由下降转为上升。对于钢球轴承,径向刚度相对转速的变化由下降变为上升的临界点在25000r/min左右,而陶瓷球轴承则在100000r/min以上。另外,预紧力的增加可明显提高轴承径向刚度,在较低转速时效果尤为明显。在轴向预紧力205N,转速由0升至36000r/min时,陶瓷球轴承的径向刚度由1.38×108N/m降至0.84×108N/m降幅达39%当转速增至100000r/min时,对应径向刚度为0.46×108N/m,降幅为67%。由此可知,在研究高速主轴的临界转速时,必须计及转速对轴承径向刚度的影响,而不能按静态时的常量处理。 3.2轴向预紧力 合适的预紧可以增加轴承的刚度,提高旋转精度,降低振动噪声,延长使用寿命。机床主轴用角接触轴承,由于常常处于高速轻载状态,适当的预紧可以防止轴承高速旋转时钢球发生公转打滑及陀螺旋转现象,减小钢球的自旋滑动。从而减少轴承内部的摩擦和发热,延长轴承的使用寿命。 图3-1 定位预紧 图3-2 定压预紧 如图所示角接触轴承常用的预紧方式有定压预紧和定位预紧定位预紧是通过预选定的内外圈隔套或垫圈使组配轴承内圈之间和外圈之间处于,某一固定的位置,从而使轴承获得合适的预紧。定位预紧的轴承在使用过程中,其相对位置是不会改变的,由于工作温度的变化会引起轴及轴承座的尺寸以及组配轴承间的定位部件尺寸发生变化,因此,直接影响到轴承预紧力的变化。 定压预紧是利用螺旋弹簧,碟形弹簧等预紧装置,使轴承得到合适的预紧。由于弹簧的刚性一般比轴承的刚性小的多,因此,定压预紧轴承其相对位置在使用过程中会随转速及外载的变化而有所改变。但是预紧力的大小是由预紧装置本身决定的,所以,其值基本不变,并且也不受工作温度的影响。 预紧的方法和预紧力大小的选择对预紧的效果影响很大。对机床主轴轴承来说,当要求高刚度时宜采用定位预紧;而当轴承处于高速运转状态时,为防止或减小滚动体的公转打滑以及陀螺运动时轴承应采用合适的定压预紧。就本设计而言对于高速电主轴应采用定压预紧。 预紧力的确定可以根据赫兹弹性接触理论,点接触球轴承在外部轴向载荷的作用下的轴向变形&a由下式计算: (3-1) 式中c---由轴承材料,类型,结构和尺寸等决定的常量 单套角接触球轴承可以承受径向的一个方向的轴向载荷,在径向载荷作用的下,轴承内部产生一个沿轴向方向作用的分力,必须有另一相对的外力来平衡.另外,为提高主轴系统的支承刚度,机床主轴轴承通常采用双联,三联,甚至更多联组配使用。 本研究设计的使用双联轴承。 3.3预紧力的计算 轴承在安装时,有轻中重三种预紧方式,由于内径与轴和外径与轴承座紧 配合,使轴承产生变形实际上达到预紧载荷比下表中的预载荷数值高。钢质轴和 钢质或铸铁轴承座(配合公差分别为js4和js5),安装的预载荷可以按下式计算: (3-2) 式中::安装轴承的预载荷,f: 轴承系数, :接触角修正系数。 :预载荷修整系数,轴承系数见图3-3, 图3-3 轴承系数 表3-1 轴承预载荷 轴承系列 预载荷级别 A B C 719AC 1 0.92 1 1.08 719C 1.1 0.92 1 1.08 70AC 1 0.92 1 1.08 70C 1.07 0.92 1 1.08 72AC 1 0.92 1 1.08 72C 1.07 0.92 1 10.8 A,B,C:表示载荷的类型,A表示轻预紧;B表示中预紧:C表示重预紧。 在此设计中我们选用的轴承为B7005C/PC和B7006C/PC双联配置, 从表中查得: f1.3 1.07 0.92 选用中预紧双联背靠背配置 100×1.3×1.07×0.92×2×0.8=205N 3.4高速角接触陶瓷球轴承分析 随着工程技术的发展,以 Si3N4为材料的角接触陶瓷轴承正日益广泛地被用作超高速加工主轴、航空发动机、精密机械马达及高速透平机等转动件的支承轴承。Si3N4材料许多性能明显优于轴承钢,更适合用作轴承材料。由于制造工艺的难度及经济方面的考虑,以滚珠材料为陶瓷、内外圈材料仍为轴承钢的混合陶瓷轴承的应用更为普遍。本研究中的高速电主轴的轴承即选用混合陶瓷球轴承。 表3-2 轴材料承比较 性能指标 密度/(Kg/m3) 线膨胀系数/?-1 弹性模量/GPa 硬度/HV10 抗弯强度/MPa 冲击韧性/MN?m Si3N4陶瓷 3240 3.2×10-6 314 1600 700 70.26 轴承钢 7.85 12.5×10-6 206 700 2500 200.30 泊松比 热导率/[W/m?K] 极限工作温度/? 磁性 绝缘性 耐腐蚀性 Si3N4陶瓷 32 1080 不导磁 不导电 好 轴承钢 40 120 导磁 导电 导电 表中列出了Si3N4陶瓷与轴承钢各性能指标的对比情况。Si3N4材料的密度只有钢的41%,在高速运转时可大幅降低钢球受到的离心力,从而减小滚珠对轴承外圈的压力,利于实现高速性能;Si3N4 陶瓷的热膨胀系数只有轴承钢的 1/4,许用工作温度达1000?,即使在较大温度变化范围内,滚道间隙的变化也很小,特别适用于高速发热转子及航天器的大温差操作条件;陶瓷的弹性模量是轴承钢的1.5倍,硬度是轴承钢的2倍多,相同负荷下,陶瓷球的变形较小,因而可显著提高轴承的刚度,从而提高转子-轴承系统的动态性能,所以本设计选择高速角接触混合陶瓷轴承。 第4章 电主轴主轴单元静态特性虚拟仿真分析 4.1主轴单元静态特性分析 电主轴的主轴单元设计的重点是刚度而不是强度。简而言之,主轴单元的静态特性反映了主轴抵抗静态外载荷的能力,高速主轴单元静力学分析实际是求得主轴单元在一定静态载荷作用下的变形,也即主轴单元静刚度的计算。 主轴的静刚度简称主轴刚度,是机床主轴系统重要的性能指标,与负荷能力及抗振性密切相关。主轴单元的弯曲刚度K定义为使主轴前端产生单位径向位移时,在位移方向所需施加的力p,即 4-1 主轴单元静刚度,分为轴向静刚度与径向静刚度,一般情况,弯曲刚度远比轴向刚度重要,是衡量主轴单元刚度的重要指标,通常用来代指主轴的刚度。因此有必要对其静刚度进行准确的计算。 4.2结构静力分析 根据达朗伯原理,引入相应的惯性力,就可将弹性体的动力问题转化为相应的静力问题即化为弹性体的平衡问题来处理。即有 4-2 式中,[M]、[C]、[K]分别为总体质量、刚度、阻尼矩阵; xt、Ft分别为节点的位移和外力向量。 这就是弹性体的动力基本方程,即用有限元素法来解弹性体的动力问题的基本方程。 在主轴受到静态力作用时,系统的运动方程式不存在加速度和速度的藕合项,即有: 4-3 对上式进行数值求解即可求得主轴的静变形,主轴前端的静挠度计算与主轴的静 变形计算相似,只需修改外力向量即可。 4.3电主轴单元静力分析模型简化、单元类型选择、建模与网格划分 主轴是一个较复杂的超静定梁结构,分析计算主轴的静刚度需要采用有限元结合 迭代法来进行。为了计算方便,将其作为空间弹性梁处理,以下是对电主轴单元的更为详细的简化 (1)将角接触球轴承简化为弹性支承,支点位置在接触线与主轴轴线的交点; (2)认为轴承只具有径向刚度,不具有角刚度,如此将支承进一步简化为径向的压缩弹簧质量单元。即梁的径向采用弹性边界元模拟轴承支承; (3)忽略轴承负荷及转速对轴承刚度的影响,视轴承刚度为一个不变的常数; (4)电机转子、前后轴承锁紧套、编码器锁紧套、与轴芯为过盈配合,其过 盈量设计原则是主轴在受载状态下达到最高转速时仍保持有l的过盈,在简化时 认为电机转子、前后轴