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1、 高速电主轴系统罗一萌 0901011102(沈阳理工大学,沈阳 110159)摘要：高速加工能显著地提高生产率和降低生产成本，是一项非常有前景的先进制造技术。实现高速加工的首要条件是高质量的高速机床，而高速电主轴是高速数控技术和加工中心的关键部件。与传统的传动方式相比，高速电主轴使用内装式电机，取消了诸如齿轮、皮带等中间传动环节，实现了机床的“零传动”。电主轴的结构设计、动静态特性在很大程度上决定了高速数控机床的加工质量和切削能力，也是影响其加工精度的重要因素。主轴结构的研究和动静态特性的优化，对于进一步提高高速机床的工作性能有十分重要的意义。本文采用有限元分析方法，运用 ANSYS 软件，
2、对电主轴的结构和动静态特性进行了深入的研究，具体包括：1分析了高速电主轴的结构特点及其对动静态特性的影响，并从满足其动静态特性的角度，对本课题电主轴的结构进行了设计。关键词：高速电主轴 动静态特性 有限元法 ANSYSAbout High-speed motorized spindleLUOYiMeng 0901011102（Shenyang University of Technology，Shenyang 110159 ）AbstractAbstract：Highspeed machining is a promising advanced manufacturing technology
3、 for increasing productivity and reducing production costs dramaticallyHigh。 High-speed motorized spindle is a critical unit of the highspeed NC machine tool and the machining centerCompared with conventional spindle，highspeed motorized spindle is equipped with a builtin motor，SO that power transmis
4、sion devices such as gears and belts are eliminated and“zero transmission”is realized Toa great extent，the construction design，the static and dynamic performances of the motorized spindle determine machining qualities and cutting capabilities，and are the important factors influencing the precision o
5、f the highspeed NCmachinet001In this paper，the design and construction，the static and dynamic characteristics of the motorized spindle are studied thoroughly using ANSYS software by FEMDetails of studies areas follows，1The construction of the highspeed motorized spindle and the influences on the sta
6、tic and dynamic performances of spindle are studied，and the construction of the motorized spindle is designed based on satisfying the static and dynamic performancesKeyKey wordswords：Highspeed motorized spindle Static and dynamic performance Finite element method ANSYS0 前言用提高加工速度的方法来提高生产率一直 是制造技术领域十
7、分关注并为之不懈奋斗 的重要目标。高速加工就是近年来发展起来的一种集高效、优质和低耗于一身的先 进制造工艺技术。高速加工技术是指采用 超硬材料刀具磨具和能可靠的实现高速运 动的高精度、高自动化、高柔性的制造设 备，以大幅度地提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代 制造加工技术。高速主轴单元包括动力源、 主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速 机床的核心部件。这四个部分构成一个动 力学性能及稳定性良好的系统，在很大程 度上决定了机床所能达到的切削速度、加 工精度和应用范围。高速主轴单元的性能 取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴 承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关 技术，其中
8、一些技术又是相互制约的，包 括高速和高刚度的矛盾、高速和大转矩的 矛盾等。从目前发展现状来看，主轴单元 形成独立的单元而成为功能部件以方便地 配置到多种加工中心及高速机床上，而且 越来越多地采用电主轴类型。电主轴的关 键技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电 机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀 柄接口和刀具夹紧方式以及刀具动平衡等。 高速大功率主轴单元的基本方案是采用集 成内装式电主轴，这种结构基本上取消了 带传动和齿轮传动等中间传动环节，其主 轴由内装式电机直接驱动，从而把机床主 传动链的长度缩短为零。1 高速电主轴单元1.1 电主轴的定义电主轴是最近几年在数控机床领域出现 的将机床主轴与主轴
9、电机融为一体的新技 术。高速数控机床主传动系统取消了带轮 传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动 机直接驱动，从而把机床主传动链的长度 缩短为零，实现了机床的“零传动” 。这种 主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传 动结构形式，使主轴部件从机床的传动系 统和整体结构中相对独立出来，因此可做 成“主轴单元” ，俗称“电主轴” 。 1.2 高速电主轴电机概述电主轴的核心部件是无外壳主轴电机， 正确设计电机的电磁参数是十分重要的： 首先其磁通密度要高，以增大单位体积输 出功率，缩小定转子体积。其次，电机的 机械特性电气特性，需要和高速加工相适 应，满足机床在宽调速范围内对功率和扭 矩的要求。再次，转子
10、在高速旋转时应有足够的强度。另外由于电主轴是在高频窄 波下工作的，通常在其外壳产生强烈的感 应电流。对定子进行屏蔽，采用特殊浸漆 工艺，外壳接地也是必要的。无外壳主轴 电机有两种驱动和控制方式：变频器控制 和矢量控制。对于普通变频器，其控制特 性为恒扭矩控制，输出功率与转速成正比。 这种驱动器在低速时不够稳定，不能满足 进行粗加工时低速大扭矩的要求，也不具 备主轴准停和轴控制功能，但价格便宜， 一般用于磨床和普通的高速铣床等。2 高速电主轴的特性2.1 高速电主轴的静态特性 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，它反映主轴单元 抵抗静态外载荷的能力，与负荷能力及抗 振性密切
11、相关。主轴单元的弯曲刚度足， 定义为使主轴前端产生单位径向位移 d 时， 在位移方向所需施加的力 f，即 K=FJ(Nttm) (21) 主轴单元的轴 向刚度，定义为使主轴轴向产生单位位移 时，在轴向所需施加的力。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。它与主轴单元的悬伸量、跨距、几 何尺寸、主轴材料的物理性能及轴承刚度 有关 2.2 高速电主轴的动态特性机床的主轴一轴承系统的动态特性在很 大程度上决定了机床的加工质量和切削能 力。当切削过程中出现较大的振动时，会 使刀具出现剧烈的磨耗或破损，也会增加 主轴轴承和机床导轨承受的动态载荷，从
12、 而降低其寿命和精度保持性。自激振动是 一种表现形式更为剧烈的振动，当切削过 程出现自激振动时，被加工表面会出现明 显的波纹而恶化其表面质量，并伴随有刺 耳的噪声。如果振动剧烈则切削将无法正 常进行，因而不得不降低切削用量，致使 机床的切削功率不能得到正常发挥，从而 降低机床的切削效率和金属切除率。在大 多数场合下，主轴一轴承系统是主要的动 态薄弱环节，也是构成自激振动的主导部件。结构的动力特性是指它抵抗受迫及自 激振动的能力。由于机床工作时既不可避 免地要产生受迫振动，又有可能产生自激 振动，因此所设计的主轴部件应该对这两 类性质不同的振动都具有良好的抵抗能力， 以满足预定的加工精度和生产率
13、的要求。 对于高速机床，一方面由于激振力的幅值 和频率随转速提高成比例的增加，而加工 精度的要求提高，所允许的幅值又减小， 使受迫振动的问题逐渐突出；另一方面， 切削用量较小，对抵抗切削白振能力的要 求又有所降低，因此在设计和评价高速机 床的主轴部件时，切削自振和受迫振动都 应该加以考虑。电主轴由于转子是一个集 中质量，将使固有频率下降，有可能发生 共振。因此，识别和确定电主轴单元系统 的振型和固有频率，是评价其动态性能的 一项重要指标。3 高速电主轴的优点和发展3.1 高速电主轴的优点高速电主轴具有结构紧凑，重量轻，惯 性小，噪声低，响应快等优点，而且转速 高，功率大，简化机床设计，易于主轴
14、定 位，是高速主轴单元中的一种理想结构。 电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨耐热， 寿命是传统轴承的几倍。 3.2 国外高速电主轴的发展方向 国外电主轴技术的发展趋势国外电 主轴最早用于内圆磨床，上世纪 80 年代， 随着数控机床和高速切削技术的发展和需 要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、 数控铣床等高档数控机床，成为近年来机 床技术所取得的重大成就之一。随着机床 技术、高速切削技术的发展和实际应用的 需要，对机床电主轴的性能也提出了越来 越高的要求，目前国外从事高速数控机床 电主轴研发与生产的企业主要有如下几家： 德国 GMN、西门子、瑞士 IBAG 等，其中 尤以 GMN、IBAG 等几家
15、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 :功率大、转速高。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。精密加工与精密装配工艺水 平高。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，就是世界上着名的精 密机床制造商。它生产
16、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。 3.3 我国高速电主轴的发展方向 高速电主轴对数控机床的发展以及金属 切削技术的影响对于数控机床模块化设计、 简化机床结构、提高机床性能方面的作用。(1)简化结构，促进机床结构模块化。 电主轴可以根据用途、结构、性能参数等 特征形成标准化、系列化产品，供主机选 用，从而促进机床结构模块化。(2)降低机 床成本，缩短机床研制周期。一方面，标 准化、系列化的电主轴产品易于形成专业 化、规模化生产，实现功能部件的低成本 制造；另一方面，采用电主轴后，机床结 构的简单化和模块化，也有利于降低机床 成本。此外，还可以缩短机床研制周期， 适应目前快速多变的市场趋势。(3)改善机 床性能，提高可靠性。采用电主轴结构的 数控机床，由于结构简化，传动、连接环 节减少，因
