电主轴设计的几个关键问题_张世珍

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内， 所设计的主轴满足机床的使用要求。图 $ 是第 " 阶频率对应的振型图。
由上图可以看出， 主轴后端热伸长量大于主轴前 端热伸长量。后端最大热伸长为 (+ (,. ! ))， 主轴前 端最大热伸长是 (+ (". . ))。
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主轴冷却系统设计
电主轴结构由于电动机位于主轴单元中， 自然散
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在计算热伸长时， 将主轴在距头部端面 &’( )) 处作 * 向固定， 主轴系统的热伸长情况如图 ’ 所示。 图 ’ 表明， 整个主轴系统向后作 * 向热伸长量较 大， 伸长量最大值为 (+ ",! ))， 主轴前端作 * 向伸长 的最大量为 (+ &(- ))。
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在结构设计时设计了油冷和气冷循环结构， 使用 恒温油对前后轴承及电动机进行强制冷却， 带走大部 分热量； 通过外加气冷装置使腔内气体实现流动， 带走 部分热量。现模拟冷却正常运行状态， 分析主轴的热 伸长， 同样将主轴在距头部端面 &’( )) 处作 * 向固 定， 其结果如图 , 所示。
电主轴设计的几个关键问题
张世珍 ! 刘炳业 " 范晋伟 ! 常文芬 "
（ !北京工业大学机电工程学院， 北京 $"""%% ； 北京 $""$"% ） "北京机床所精密机电有限公司， 摘 要： 论述用于立式加工中心的电主轴设计时轴承的合理选择， 使用有限元分析了 !" """# $ %&’ 主轴的固 有频率特性以及电动机和轴承发热对主轴精度的影响， 完成了高速主轴单元的结构设计。 关键词： 加工中心 高速电主轴
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考
文
献
王硕桂， 严红日5 高速电主轴端部跳动对电主轴横向振动的影响5 机 械研究与应用， "((- ， &% （-） ： &( 6 && 789:;< =<， >?9: 15 @A<95 B9CDEF<F 8G HICJ<9: K89G<:?JCL<89 IGGIKLIF 89
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直线振动电动机磁路工作气隙设计
分， 因此需要调整混合阀的排出量和时间调整器， 控制 轴承的供油量， 实现轴承合适的润滑量。此外， 流动的 气体可以带走高速运行时轴承所产生的大量的热， 这 对主轴精度的保证、 发热量的控制、 切削性能的提高有 良好的效果。
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主轴动态性能分析
机床工作时， 主轴不仅受到静态力的作用， 同时还
受到诸如由于断续切削、 材料硬度或加工余量的变化、 主轴部件不平衡、 轴承存在缺陷和切削过程的再生自 振等所引起的冲击力或交变力的干扰， 从而使主轴产 生振动。为确保机床的安全运行， 主轴的工作转速 # 必须远离其临界转速 # $ 。一般情况， 对于工作转速低 于其一阶临界转速的主轴， # 4 ( % 5! # $" ； 对于工作转速 高于其一阶 临 界 转 速 的 主 轴， " % ’ # $& 4 # 4 ( % 5 # $& 6 " 。 本文采用有限元法分析所研制高速电主轴单元的固有 频率及其振型， 可简单将主轴系统看作刚性梁为两个 弹簧所支持的系统， 系统模型如图 ’ 所示。
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的主轴零件上， 定子热装于冷却套上， 形成一个完整的 结 主轴单元， 如图 $ 。通电后定子直接驱动主轴运转， 构简单紧凑， 功率损耗小， 转动惯量小， 快速响应好， 能 够实现高速、 高加速度及定向停止 （ ! 轴控制） ， 采用
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点距离大， 能够承受两个方向的轴向载荷和径向载荷， 整个系统的动态刚性较好。轴承滚动体采用 $%&’ 陶 离心力影响小， 瓷材料， 其重量比同直径钢球轻 ’() ， 可以延长高速旋转轴承的寿命。陶瓷材料的线膨胀系 数小， 高速旋转时轴承的热变形比钢球滚动体小。通 过使用陶瓷滚动体， 角接触球轴承降低了高速旋转时 的滑动与自旋转滑动， 寿命提高 * + ’ 倍。 !, ! 轴承预负荷的确定 为提高主轴刚度， 给轴承施加一定的预负荷。轴 承预负荷有定位预负荷与定压预负荷两种方式， 合适 的预负荷可以增加轴承的疲劳寿命， 降低噪声， 抑制滚 动体的旋转滑动， 减小高速旋转时轴承滚动体与内外 圈滚道接触角的变化， 并能影响整个系统的阻尼特性。 轴承预负荷方式对刚度的影响见图 - 。
坯缺陷、 加工和装配等原因， 使质量分布不均匀， 形成 一定的偏心。当转子转动时就产生不平衡的离心力， 从而使整个主轴系统产生有害的振动和噪声， 降低轴 承及整个主轴系统的使用寿命， 影响到整个主轴系统 的动态工作精度。因此要求精密主轴的动平衡精度达 到 /(+ - 。在结构设计时， 设计了双面动平衡位置环， 旋转零件组装后， 在动平衡机上作一次动平衡。试机 时， 如果必要可作在线动平衡， 保证高速主轴运行平 稳。 鉴于以上分析， 在电主轴结构设计时， 采用前端固 定， 后端浮动的支承方式。前端四列背对背角接触球 轴承， 主轴的径向和轴向全部固定； 后端选用圆柱滚子 轴承， 轴承内圈、 滚子可与主轴一起， 沿着外圈滚道作 轴向移动。减小热伸长对主轴的影响， 精度保持性好。 具体结构如图 &( 所示。
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主轴单元的动平衡
高速旋转的主轴， 由于转动部件材质的不均匀、 毛
热条件较差， 电动机在高速运转过程中， 电动机内部功 率损耗所产生的热量， 高速运转的轴承由于摩擦产生 的热量， 很容易传入主轴和壳体中使主轴及箱体产生 热位移， 直接影响主轴的性能。 本文采用有限元法模拟电主轴单元无冷却运行的 发热情况， 其温度场的分布如图 % 所示。
结语
本文运用有限元分析法分析影响高速电主轴单元
的两个关键问题， 固有频率和热伸长， 完成电主轴单元 的结构优化设计。所研制的主轴单元经过性能试验的 测试， 其前后轴承的温升不超过 &(0 ， 主轴前端最大 伸长量不超过 (+ ($ ))， 主轴后端最大伸长量不超过 (+ &. ))， 其精度指标达到了精密加工中心的标准规 定。该主轴单元已成功运用于立式加工中心的主机 上， 并在 1234"((! 展会上展出。 参
图 ! 是主轴组件划分网格图， 计算时利用分块兰 索斯法 （ 789:; <3=:>9?） 提取主轴系统的固有频率和振 型。
主轴系 统 前 * 阶 的 固 有 频 率 为 (0 @"A -. B>， !.’0 -5 B>， 5A*0 "- B>。第 " 阶固有频率 ’" C (0 @"A -. B> ， 由此可确定主轴使用的最低工作转速应大于 55 D E F%=。第 - 阶频率 ’- C !.’0 -5 B>， 是使用极限转 速 -( ((( D E F%= 的 "0 .@ 倍， 在 安 全 系 数 -( ) 的 范 围
由图 - 可看出， 定位预负荷比定压预负荷对刚度 的影响大， 因此在主轴单元结构设计中采用定位预负 荷的方式。 !, " 轴承润滑方式的确定 目前， 对于 ! " # 值大于 ".( 万的精密主轴轴承， 油 脂润滑不能满足其高速要求， 因此采用专用润滑器对 前后轴承进行油 / 气润滑。润滑器一条管路通干燥的 清洁空气， 气体压力在 (0 ’ 123， 一条管路通润滑油， 油和气在混合阀中混合成如图 * 所示的油滴状， 然后 通过倍压喷嘴给轴承供油， 在轴承滚动体之间形成油 膜。油膜太厚轴承发热量大， 油膜太薄， 轴承润滑不充
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高速高刚性轴承的确定
立式加工中心的主轴， 一般情况 W"X 的时间用于
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电主轴基本结构特点
电主轴是将空心的电动机转子直接热装于高精度
铣削平面， 承受径向力， Y"X 的时间用于钻孔， 承受轴 向力。就高速而言， 目前高精密主轴轴承的 " # $ 值可 达到 %Z" 万。为实现主轴转速 %" """ D S P-4， 选 "# $ 值 大于 $Z" 万的轴承作前后支承。 !% 4 轴承型式的确定 主轴前轴承选用低发热超高速角接触球轴承， 轴 承组合方式为四列背对背中间加隔套方式， 有效作用
潘尚峰 黄礼强
（ 清华大学精密仪器系， 北京 $%%%&’ ） 摘 要： 工作气隙是影响直线同步振动电动机工作性能的主要因素之一， 寻求合理结构的工作气隙是电动机 设计工作中十分重要的内容。文章首先针对隐极式结构的直线振动电动机， 从理论上定性分析了电 磁推力与工作气隙结构参数的关系， 总结出合理工作气隙结构设计的依据。最后采用电磁场有限元 分析软件验证了得出的结论， 结果证明这些结论是正确的， 可以在直线同步振动电动机工作气隙设 计中采用。 关键词： 直线振动电动机 非圆车削 磁路设计 有限元分析