高速大功率镗铣类加工中心电主轴开发
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［ !］
点。其性能受轴承及其润滑技术、 轴承预紧力的控制、 内装电动机的发热与冷却、 主轴的动平衡、 轴上零件的 连接、 主轴轴端的设计等因素的影响。 实现了机床的零传动。电动机对执行件直接 （, ） 驱动， 具有结构简单、 组合方便、 重量轻、 惯性小、 动态 响应快、 速度和加速度大、 振动和噪声小等优点。 （/ ） 为了抑制主轴在高速运转中的发热与振动， 在设计中采用水冷系统来冷却内装式主轴电动机； 用 油 : 气润滑系统来润滑与冷却主轴轴承， 用对称式结 构， 实现主轴的精确动平衡， 以防止振动等。 （! ） 采用陶瓷滚动轴承， 与钢轴承相比在精度、 刚 度、 耐磨性以及动态、 热态特性方面具有很大优势。 （% ） 主轴结构回转部分的设计充分考虑了离心力 对主轴的温升、 润滑条件、 回转精度及零件的加工精度 所带来的影响。 !" # 高速电主轴结构设计 因主轴在高速运转时， 要求非常高， 所以选取阶梯
如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。
（ %&K_$$( ） ! 陕西省教育厅专项科研计划项目
・# !" ・
件； 后者主要用于模具制造、 汽车工业中高强度钢或耐 热合金等难加工材料和钢件的高效加工。根据高速加 工中心 （ 镗铣类） 在加工复杂模具型腔时的实际需要 及类比国外相似机床， 确定主轴部件的基本要求为： （$） 主轴最高转速为 $% &&& ’ ( )*+； （,） 电动机功率 $% （/） 主轴系统径向刚度 , ,&& 0 ( !)； （!） 主轴近 -.； 端径向跳动 -&1 &&/ ))， 远端 （ /&& )) ） 径向跳动 &1 &&" ))。 !2 " 高速电主轴结构布局 所设计的高速电主轴结构布局方式采用将交流调 速电动机
［ ?， 8］ 过盈套 作为内装电动机转子与主轴的联结紧固元
与主轴单元合二为一， 电动机置 于 主 轴
前、 后轴承之间的一体化的结构， 采用内装电动机直接 驱动。主轴部件由前后各两套高速精密角接触陶瓷球 轴承
［ %］
支撑于电主轴外壳中， 均分别用串联 安 装 方
式， 前后支承受力为外撑式。前轴承固定， 承受径向载 荷和轴向载荷。后轴承在轴向可有微量位移， 以补偿 主轴工作时的热伸长。主轴支承结构选用接触角为 $%3 的 角 接 触 混 合 陶 瓷 球 轴 承，456 公 司 的 6578&$/69! 和 6578&$$69! 轴承； 采用油 : 气润滑 系统对其润滑； 轴承的配置采用前二后二、 背对背、 定 压预紧的形式， 可以满足高速运转的要求。电动机转 子取消了键联接， 而用压配合方法安装在主轴上， 处于 前后轴承之间， 工作时由压配合产生的摩擦力来传递 转矩。电动机定子通过一个铝质冷却套安装在电主轴 的壳体中。为了有效散热， 在壳体内开设了冷却管路。 主轴系统工作时， 由冷却泵打入冷却液带走主轴单元 内的热量， 以保证电主轴正常工作。主轴为空心结构， 内部安装 ;<< 公司生产的 7=> 拉刀机构， 以实现自 动换刀。主轴后部安装有测速传感器， 可实现 ! 轴控 制。电主轴使用油 : 气润滑系统来对轴承进行润滑和 冷却。对电动机定子则采用冷却系统— — —水冷却机来 冷却。
高速大功率镗铣类加工中心电主轴开发
曹 岩! 陈卫国 " 赵汝嘉 "
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（ !西安工业大学机电工程学院， 陕西 西安 "$%%&’ ； 陕西 西安 "$%%!( ） "西安交通大学机械工程学院， 摘 要： 从实现电主轴的高速、 高加工精度入手， 着重从主轴静、 动态特性方面利用有限元技术进行仿真分析 和样机试验， 设计出一种高速电主轴。建立了主轴部件有限元分析模型， 包括主轴部件结构简化、 单 元类型选择及结构剖分、 约束条件建立、 载荷条件确定、 主轴部件上零件附加质量处理。样机实测数 据表明， 主轴系统静刚度符合设计要求， 静态回转精度实测值与设计值相符， 实际加工精度符合国标 对该类机床主轴系统的要求。 关键词： 虚拟原型仿真 镗铣电主轴 静态特性 动态特性 有限元分析
［ $ [ &］
性方面利用有限元技术进行仿真分析和样机试验， 设 计出一种高速电主轴， 为以后进一步研究和优化高速 电主轴奠定了基础。
。国外电
主轴已成为一种机电一体化高科技产品， 由一些技术 水平很高的专业工厂生产。我国在高速加工各关键领 域， 如大功率高速电主轴单元、 高加减速直线进给电动 机、 陶瓷滚动轴承等方面进行了研究， 总体上同国外尚 有差距。 本文针对国内各机床厂急需高速电主轴， 以高速、 大功率镗铣类加工中心电主轴为研究目标， 从实现电 主轴的高速、 高加工精度入手， 着重从主轴静、 动态特
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影响主轴组件刚度的主要因素有主ຫໍສະໝຸດ Baidu的结构尺 寸、 轴承类型与配置形式、 轴承间隙的大小、 传动件的
布置方式、 主轴组件的制造和装配质量等。机床主轴 往往有较高的刚度要求， 因此， 轴承直径的尺寸往往较 大。根据这些轴承直径尺寸所选定的滚动轴承， 其疲 劳寿命往往是富裕的， 因此常常不需要作疲劳寿命的 计算。这类轴承的选择主要取决于其精度和刚度 主要对主轴组件的径向刚度进行校核计算。 一般在设计车、 铣、 镗床的主轴组件时， 主轴的结 构尺寸和轴承的刚度、 阻尼， 主要是根据不出现切削自 激振动的条件来确定的。主轴系统的刚度， 也是根据 不出现切削自激振动的条件指定的。工程上常采用根 据自激振动稳定性确定主轴组件刚度要求的近似算法 来确 定 机 床 系 统 的 刚 度： ! , ! "# # &’( ［ ) %! （$ * !） +,-"+,-#］ 。即只要机床切削点的刚度满足上式要求， 就可以保证机床不产生自振。 根据对电主轴系统精度和刚度的验算， 确定了主 轴前轴颈直径 $ . /0 ((， 主轴内孔直径 % . 10 ((， 选 取前、 后滚动轴承之间的支承距离 & . !20 ((， 轴端的 所选前轴承 45632$147! 的径向跳 悬伸量 ’ . 30 ((， 动量 $$ . ! !(， 后轴承 45632$$47! 的径向跳动量 $% . ! !(， 主轴锥孔对支承轴颈的径向跳动量 $ . ()% * % . 28 22$0 !(， 可以满足主轴系统精度和刚度的要求。
［ "， B］ 高， 回转精度要求高， 故根据 《 机床设计手册》 选用
标准化设计。这样的配置具有： 中等的刚度和承载能 力， 后支撑一组弹簧合理预紧， 且补偿磨损， 极限转速 很高， 发热小， 轴向精度高的特性。 主轴的静刚度简称主轴刚度， 反映主轴单元抵抗 静 态 外 载 荷 的 能 力， 与负荷能力及抗振性密切相
################################################ 海交通大学学报Q ’%%! （\） ： (%$ [ (%! （ 编辑 汪 艺） # （ 收稿日期： ’%%" ! %^ ! %( ） # # 作者： 俞鸿斌， 男， $("$ 年生， 硕士研究生， 讲师， 文章编号： Z!%( 主要研究方向： 数控技术， 机械 *+X ] *+A ] *+1 等。
［ $& ， $$ ］ 关 。主轴单 元 的 弯 曲 刚 度 $ % @ & % ’ !（ 0 ( !) ） 。
一般情况下， 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。 主轴结构如图 $ 所示， 特点如下： （$） 具有结构紧凑、 易 于 平 衡、 传动效率高等优
［ $% ］
中质量， 将使主轴部件的固有频率降低， 有可能发生共 振。所以必须研究电主轴单元的动态特性， 分析主轴 单元的各阶固有频率和振型。进行模态分析时， 高阶 模态的固有频率较高， 不会产生共振。因此只分析最 低几阶模态， 然后根据薄弱环节采取措施。 !; " %; $; $ 主轴部件有限元建模 主轴部件的结构简化 加工中心电主轴是一个多阶梯空心的圆柱体， 须 经过一定简化后， 方可进行有限元分析。主轴部件在 以下方面进行简化： （$ ） 各处倒角简化成直角， 忽略空 刀槽； （%） 润滑油孔、 工艺孔、 螺纹孔等均按实体处理； （1） 主轴轴承简化成弹性元件； （!） 主轴上电动机转 子、 锁紧螺母、 中间隔套等零件简化成集中质量。 %; $; % 单元类型的选择及结构剖分 主轴部件几何形状、 约束情况以及所承受的载荷 都对称于主轴， 所以其各点的位移、 应力和应变也都对 称于主轴， 是轴对称问题。在 7<, ) =:469>?49 中将 轴对称问题定义为 %@ 9A’-B((CD<’+ 之后， 就可以将空 间轴对称问题转化为平面问题来处理。常采用轴剖面 等参数建立有限元分析模型。首先对电主轴单元作如 下简化： （$ ） 支承位置简化。将角接触球轴承的串联组配 简化为前后各两个支承， 支点位置在两接触线与主轴 轴线的交点处； （% ） 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。即梁的径向 采用弹性边界元模拟轴承支承； （1） 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； （!） 静态分析时， 转子的重量作为轴上的均布载 荷处理； （0） 动态分析时， 轴上附加的转子质量转化为相 应轴段的密度增加值， 而刚度仍为原轴段刚度。可将 主轴部件离散 %E% 个实体单元， ! 个弹簧元素单元模 型。 %; $; 1 约束条件的建立 合理确定有限元模型约束条件是成功地进行有限 元分析的基本条件。约束条件的确定， 应尽可能符合 原结构的实际情况。对于本结构不考虑主轴部件的轴 向变形， 仅研究其径向变形。该主轴部件是两端定位 方式， 这种定位方式在有限元模型中很难建立， 因此在 前支承处将 + 向约束置于主轴轴肩一点上， 同时限制 该点在 , 向运动； 在后支承处选一点约束主轴 , 向运 动， 由于点约束会引起应力集中， 约束作用点用两个实
.
.Q .
高速电主轴的性能要求与设计
主轴部件的基本要求 电主轴通常装备在高速加工中心上， 在设计电主
轴时要根据用户的工艺要求， 采用典型零件统计分析 的方法来确定高速电主轴的基本性能参数。机床厂对 同一尺寸规格的高速机床， 一般会分两大类型， 即 “高 速型” 和 “ 高刚度型” ， 分别进行设计。前者主要用于 航空、 航天等工业加工轻合金、 复合材料和铸铁等零
件。经过计算确定了基本过盈量 ! # @ /?1 8? !)。进 而选取阶梯过盈套大端配合为 "?%1 ? （ 7? ( ’% ） （ 实际 最大过盈量是 %? !)， 最小过盈量是 ,! !)） 。取小端 的过盈量 "?%1 / （ 7? ( A% ） （ 实际最大过盈量是 8, !)， 最小过盈量是 !& !)） 。 主轴端部采用德国 7=> 刀柄与主轴联结。刀柄 的短锥和端面可以同时与主轴相应结合面紧密接触， 具有很高的联结精度和刚度。当主轴高速旋转时， 尽 管主轴端会产生扩张， 短锥的收缩得到部分伸张， 仍能 与主轴锥孔保持良好的接触， 主轴转速对联结刚度影 响小。主轴密封结构采用非接触式空气密封， 密封效 果好。 高速加工时， 当切削速度超过某一值后， 随着速度 的升高， 切削力、 切削温度反而下降。所以， 主轴部件 承受的径向载荷、 轴向载荷均不大， 由于电主轴转速
点。其性能受轴承及其润滑技术、 轴承预紧力的控制、 内装电动机的发热与冷却、 主轴的动平衡、 轴上零件的 连接、 主轴轴端的设计等因素的影响。 实现了机床的零传动。电动机对执行件直接 （, ） 驱动， 具有结构简单、 组合方便、 重量轻、 惯性小、 动态 响应快、 速度和加速度大、 振动和噪声小等优点。 （/ ） 为了抑制主轴在高速运转中的发热与振动， 在设计中采用水冷系统来冷却内装式主轴电动机； 用 油 : 气润滑系统来润滑与冷却主轴轴承， 用对称式结 构， 实现主轴的精确动平衡， 以防止振动等。 （! ） 采用陶瓷滚动轴承， 与钢轴承相比在精度、 刚 度、 耐磨性以及动态、 热态特性方面具有很大优势。 （% ） 主轴结构回转部分的设计充分考虑了离心力 对主轴的温升、 润滑条件、 回转精度及零件的加工精度 所带来的影响。 !" # 高速电主轴结构设计 因主轴在高速运转时， 要求非常高， 所以选取阶梯
如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。
（ %&K_$$( ） ! 陕西省教育厅专项科研计划项目
・# !" ・
件； 后者主要用于模具制造、 汽车工业中高强度钢或耐 热合金等难加工材料和钢件的高效加工。根据高速加 工中心 （ 镗铣类） 在加工复杂模具型腔时的实际需要 及类比国外相似机床， 确定主轴部件的基本要求为： （$） 主轴最高转速为 $% &&& ’ ( )*+； （,） 电动机功率 $% （/） 主轴系统径向刚度 , ,&& 0 ( !)； （!） 主轴近 -.； 端径向跳动 -&1 &&/ ))， 远端 （ /&& )) ） 径向跳动 &1 &&" ))。 !2 " 高速电主轴结构布局 所设计的高速电主轴结构布局方式采用将交流调 速电动机
［ ?， 8］ 过盈套 作为内装电动机转子与主轴的联结紧固元
与主轴单元合二为一， 电动机置 于 主 轴
前、 后轴承之间的一体化的结构， 采用内装电动机直接 驱动。主轴部件由前后各两套高速精密角接触陶瓷球 轴承
［ %］
支撑于电主轴外壳中， 均分别用串联 安 装 方
式， 前后支承受力为外撑式。前轴承固定， 承受径向载 荷和轴向载荷。后轴承在轴向可有微量位移， 以补偿 主轴工作时的热伸长。主轴支承结构选用接触角为 $%3 的 角 接 触 混 合 陶 瓷 球 轴 承，456 公 司 的 6578&$/69! 和 6578&$$69! 轴承； 采用油 : 气润滑 系统对其润滑； 轴承的配置采用前二后二、 背对背、 定 压预紧的形式， 可以满足高速运转的要求。电动机转 子取消了键联接， 而用压配合方法安装在主轴上， 处于 前后轴承之间， 工作时由压配合产生的摩擦力来传递 转矩。电动机定子通过一个铝质冷却套安装在电主轴 的壳体中。为了有效散热， 在壳体内开设了冷却管路。 主轴系统工作时， 由冷却泵打入冷却液带走主轴单元 内的热量， 以保证电主轴正常工作。主轴为空心结构， 内部安装 ;<< 公司生产的 7=> 拉刀机构， 以实现自 动换刀。主轴后部安装有测速传感器， 可实现 ! 轴控 制。电主轴使用油 : 气润滑系统来对轴承进行润滑和 冷却。对电动机定子则采用冷却系统— — —水冷却机来 冷却。
高速大功率镗铣类加工中心电主轴开发
曹 岩! 陈卫国 " 赵汝嘉 "
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（ !西安工业大学机电工程学院， 陕西 西安 "$%%&’ ； 陕西 西安 "$%%!( ） "西安交通大学机械工程学院， 摘 要： 从实现电主轴的高速、 高加工精度入手， 着重从主轴静、 动态特性方面利用有限元技术进行仿真分析 和样机试验， 设计出一种高速电主轴。建立了主轴部件有限元分析模型， 包括主轴部件结构简化、 单 元类型选择及结构剖分、 约束条件建立、 载荷条件确定、 主轴部件上零件附加质量处理。样机实测数 据表明， 主轴系统静刚度符合设计要求， 静态回转精度实测值与设计值相符， 实际加工精度符合国标 对该类机床主轴系统的要求。 关键词： 虚拟原型仿真 镗铣电主轴 静态特性 动态特性 有限元分析
［ $ [ &］
性方面利用有限元技术进行仿真分析和样机试验， 设 计出一种高速电主轴， 为以后进一步研究和优化高速 电主轴奠定了基础。
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主轴已成为一种机电一体化高科技产品， 由一些技术 水平很高的专业工厂生产。我国在高速加工各关键领 域， 如大功率高速电主轴单元、 高加减速直线进给电动 机、 陶瓷滚动轴承等方面进行了研究， 总体上同国外尚 有差距。 本文针对国内各机床厂急需高速电主轴， 以高速、 大功率镗铣类加工中心电主轴为研究目标， 从实现电 主轴的高速、 高加工精度入手， 着重从主轴静、 动态特
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影响主轴组件刚度的主要因素有主ຫໍສະໝຸດ Baidu的结构尺 寸、 轴承类型与配置形式、 轴承间隙的大小、 传动件的
布置方式、 主轴组件的制造和装配质量等。机床主轴 往往有较高的刚度要求， 因此， 轴承直径的尺寸往往较 大。根据这些轴承直径尺寸所选定的滚动轴承， 其疲 劳寿命往往是富裕的， 因此常常不需要作疲劳寿命的 计算。这类轴承的选择主要取决于其精度和刚度 主要对主轴组件的径向刚度进行校核计算。 一般在设计车、 铣、 镗床的主轴组件时， 主轴的结 构尺寸和轴承的刚度、 阻尼， 主要是根据不出现切削自 激振动的条件来确定的。主轴系统的刚度， 也是根据 不出现切削自激振动的条件指定的。工程上常采用根 据自激振动稳定性确定主轴组件刚度要求的近似算法 来确 定 机 床 系 统 的 刚 度： ! , ! "# # &’( ［ ) %! （$ * !） +,-"+,-#］ 。即只要机床切削点的刚度满足上式要求， 就可以保证机床不产生自振。 根据对电主轴系统精度和刚度的验算， 确定了主 轴前轴颈直径 $ . /0 ((， 主轴内孔直径 % . 10 ((， 选 取前、 后滚动轴承之间的支承距离 & . !20 ((， 轴端的 所选前轴承 45632$147! 的径向跳 悬伸量 ’ . 30 ((， 动量 $$ . ! !(， 后轴承 45632$$47! 的径向跳动量 $% . ! !(， 主轴锥孔对支承轴颈的径向跳动量 $ . ()% * % . 28 22$0 !(， 可以满足主轴系统精度和刚度的要求。
［ "， B］ 高， 回转精度要求高， 故根据 《 机床设计手册》 选用
标准化设计。这样的配置具有： 中等的刚度和承载能 力， 后支撑一组弹簧合理预紧， 且补偿磨损， 极限转速 很高， 发热小， 轴向精度高的特性。 主轴的静刚度简称主轴刚度， 反映主轴单元抵抗 静 态 外 载 荷 的 能 力， 与负荷能力及抗振性密切相
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［ $& ， $$ ］ 关 。主轴单 元 的 弯 曲 刚 度 $ % @ & % ’ !（ 0 ( !) ） 。
一般情况下， 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。 主轴结构如图 $ 所示， 特点如下： （$） 具有结构紧凑、 易 于 平 衡、 传动效率高等优
［ $% ］
中质量， 将使主轴部件的固有频率降低， 有可能发生共 振。所以必须研究电主轴单元的动态特性， 分析主轴 单元的各阶固有频率和振型。进行模态分析时， 高阶 模态的固有频率较高， 不会产生共振。因此只分析最 低几阶模态， 然后根据薄弱环节采取措施。 !; " %; $; $ 主轴部件有限元建模 主轴部件的结构简化 加工中心电主轴是一个多阶梯空心的圆柱体， 须 经过一定简化后， 方可进行有限元分析。主轴部件在 以下方面进行简化： （$ ） 各处倒角简化成直角， 忽略空 刀槽； （%） 润滑油孔、 工艺孔、 螺纹孔等均按实体处理； （1） 主轴轴承简化成弹性元件； （!） 主轴上电动机转 子、 锁紧螺母、 中间隔套等零件简化成集中质量。 %; $; % 单元类型的选择及结构剖分 主轴部件几何形状、 约束情况以及所承受的载荷 都对称于主轴， 所以其各点的位移、 应力和应变也都对 称于主轴， 是轴对称问题。在 7<, ) =:469>?49 中将 轴对称问题定义为 %@ 9A’-B((CD<’+ 之后， 就可以将空 间轴对称问题转化为平面问题来处理。常采用轴剖面 等参数建立有限元分析模型。首先对电主轴单元作如 下简化： （$ ） 支承位置简化。将角接触球轴承的串联组配 简化为前后各两个支承， 支点位置在两接触线与主轴 轴线的交点处； （% ） 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。即梁的径向 采用弹性边界元模拟轴承支承； （1） 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； （!） 静态分析时， 转子的重量作为轴上的均布载 荷处理； （0） 动态分析时， 轴上附加的转子质量转化为相 应轴段的密度增加值， 而刚度仍为原轴段刚度。可将 主轴部件离散 %E% 个实体单元， ! 个弹簧元素单元模 型。 %; $; 1 约束条件的建立 合理确定有限元模型约束条件是成功地进行有限 元分析的基本条件。约束条件的确定， 应尽可能符合 原结构的实际情况。对于本结构不考虑主轴部件的轴 向变形， 仅研究其径向变形。该主轴部件是两端定位 方式， 这种定位方式在有限元模型中很难建立， 因此在 前支承处将 + 向约束置于主轴轴肩一点上， 同时限制 该点在 , 向运动； 在后支承处选一点约束主轴 , 向运 动， 由于点约束会引起应力集中， 约束作用点用两个实
.
.Q .
高速电主轴的性能要求与设计
主轴部件的基本要求 电主轴通常装备在高速加工中心上， 在设计电主
轴时要根据用户的工艺要求， 采用典型零件统计分析 的方法来确定高速电主轴的基本性能参数。机床厂对 同一尺寸规格的高速机床， 一般会分两大类型， 即 “高 速型” 和 “ 高刚度型” ， 分别进行设计。前者主要用于 航空、 航天等工业加工轻合金、 复合材料和铸铁等零
件。经过计算确定了基本过盈量 ! # @ /?1 8? !)。进 而选取阶梯过盈套大端配合为 "?%1 ? （ 7? ( ’% ） （ 实际 最大过盈量是 %? !)， 最小过盈量是 ,! !)） 。取小端 的过盈量 "?%1 / （ 7? ( A% ） （ 实际最大过盈量是 8, !)， 最小过盈量是 !& !)） 。 主轴端部采用德国 7=> 刀柄与主轴联结。刀柄 的短锥和端面可以同时与主轴相应结合面紧密接触， 具有很高的联结精度和刚度。当主轴高速旋转时， 尽 管主轴端会产生扩张， 短锥的收缩得到部分伸张， 仍能 与主轴锥孔保持良好的接触， 主轴转速对联结刚度影 响小。主轴密封结构采用非接触式空气密封， 密封效 果好。 高速加工时， 当切削速度超过某一值后， 随着速度 的升高， 切削力、 切削温度反而下降。所以， 主轴部件 承受的径向载荷、 轴向载荷均不大， 由于电主轴转速