高速電主軸系統(tǒng)

1、?高速電主軸系統(tǒng)羅一萌0901011102(沈陽理工大學(xué)沈陽110159)摘要：高速加工能顯著地提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本，是一項非常有前景的先進(jìn)制造技術(shù)。實現(xiàn)高速加工的首要條件是高質(zhì)量的高速機(jī)床，而高速電主軸是高速數(shù)控技術(shù)和加工中心的關(guān)鍵部件。與傳統(tǒng)的傳動方式相比，高速電主軸使用內(nèi)裝式電機(jī)，取消了諸如齒輪、皮帶等中間傳動環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動”。電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計、動靜態(tài)特性在很大程度上決定了高速數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量和切削能力，也是影響

2、其加工精度的重要因素。主軸結(jié)構(gòu)的研究和動靜態(tài)特性的優(yōu)化，對于進(jìn)一步提高高速機(jī)床的工作性能有十分重要的意義。本文采用有限元分析方法，運用ANSYS軟件，對電主軸的結(jié)構(gòu)和動靜態(tài)特性進(jìn)行了深入的研究，具體包括：1分析了高速電主軸的結(jié)構(gòu)特點及其對動靜態(tài)特性的影響，并從滿足其動靜態(tài)特性的角度，對本課題電主軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。關(guān)鍵詞：高速電主軸動靜態(tài)特性有限元法ANSYSAboutHighspeedmotizedspindle?LUOYiMeng0

3、901011102（ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110159）AbstractAbstract：High—speedmachiningisapromisingadvancedmanufacturingtechnologyfincreasingproductivityreducingproductioncostsdramaticallyHigh。Highspeedmotizedspindl

4、eisacriticalunitofthehigh—speedNCmachinetoolthemachiningcenterComparedwithconventionalspindle，high—speedmotizedspindleisequippedwithabuilt—inmot，SOthatpowertransmissiondevicessuchasgearsbeltsareeliminated“zerotransmissio

5、n”isrealizedToagreatextent，theconstructiondesign，thestaticdynamicperfmancesofthemotizedspindledeterminemachiningqualitiescuttingcapabilities，aretheimptantfactsinfluencingtheprecisionofthehigh—speedNCmachi001Inthispaper，t

6、hedesignconstruction，thestaticdynamicacteristicsofthemotizedspindlearestudiedthoughlyusingANSYSsoftwarebyFEMDetailsofstudiesareasfollows，1Theconstructionofthehigh—speedmotizedspindletheinfluencesonthestaticdynamicperfman

7、cesofspindlearestudied，theconstructionofthemotizedspindleisdesignedbasedonsatisfyingthestaticdynamicperfmancesKeyKeywdswds：High—speedmotizedspindleStaticdynamicperfmanceFiniteelementmethodANSYS?0前言用提高加工速度的方法來提高生產(chǎn)率一直是制造技術(shù)

8、領(lǐng)域十分關(guān)注并為之不懈奮斗的重要目標(biāo)。高速加工就是近年來發(fā)展起來的一種集高效、優(yōu)質(zhì)和低耗于一身的先進(jìn)制造工藝技術(shù)。高速加工技術(shù)是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠的實現(xiàn)高速運動的高精度、高自動化、高柔性的制造設(shè)備，以大幅度地提高切削速度來達(dá)到提高件。結(jié)構(gòu)的動力特性是指它抵抗受迫及自激振動的能力。由于機(jī)床工作時既不可避免地要產(chǎn)生受迫振動，又有可能產(chǎn)生自激振動，因此所設(shè)計的主軸部件應(yīng)該對這兩類性質(zhì)不同的振動都具有良好的抵抗能力，以滿足預(yù)定的加工

9、精度和生產(chǎn)率的要求。對于高速機(jī)床，一方面由于激振力的幅值和頻率隨轉(zhuǎn)速提高成比例的增加，而加工精度的要求提高，所允許的幅值又減小，使受迫振動的問題逐漸突出；另一方面，切削用量較小，對抵抗切削白振能力的要求又有所降低，因此在設(shè)計和評價高速機(jī)床的主軸部件時，切削自振和受迫振動都應(yīng)該加以考慮。電主軸由于轉(zhuǎn)子是一個集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。因此，識別和確定電主軸單元系統(tǒng)的振型和固有頻率，是評價其動態(tài)性能的一項重要指標(biāo)。?3高速電

10、主軸的優(yōu)點和發(fā)展3.1高速電主軸的優(yōu)點高速電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣性小，噪聲低，響應(yīng)快等優(yōu)點，而且轉(zhuǎn)速高，功率大，簡化機(jī)床設(shè)計，易于主軸定位，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)。電主軸軸承采用高速軸承技術(shù)，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍。3.2國外高速電主軸的發(fā)展方向國外電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢——國外電主軸最早用于內(nèi)圓磨床，上世紀(jì)80年代，隨著數(shù)控機(jī)床和高速切削技術(shù)的發(fā)展和需要，逐漸將電主軸技術(shù)應(yīng)用于加工中心、數(shù)控銑床等高檔數(shù)控機(jī)床，成

11、為近年來機(jī)床技術(shù)所取得的重大成就之一。隨著機(jī)床技術(shù)、高速切削技術(shù)的發(fā)展和實際應(yīng)用的需要，對機(jī)床電主軸的性能也提出了越來越高的要求，目前國外從事高速數(shù)控機(jī)床電主軸研發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)主要有如下幾家：德國GMN、西門子、瑞士IBAG等，其中尤以GMN、IBAG等幾家的技術(shù)水平代表了這個領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平。這些公司生產(chǎn)的電主軸較之國內(nèi)生產(chǎn)的有以下幾個特點:①功率大、轉(zhuǎn)速高。②采用高速、高剛度軸承。國外高速精密主軸上采用高速、高剛度軸承，主要有陶瓷

12、軸承和液體動靜壓軸承，特殊場合采用空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承。③精密加工與精密裝配工藝水平高。④配套控制系統(tǒng)水平高。這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補(bǔ)償精密控制系統(tǒng)等。并在此基礎(chǔ)之上，這些外國廠家如美國、日本、德國、意大利和瑞士等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已生產(chǎn)了多種商品化高速機(jī)床。如瑞士米克朗公司，就是世界上著名的精密機(jī)床制造商。它生產(chǎn)的機(jī)床配備最高達(dá)60000rmin的高速電主軸

13、，可以滿足不同的切削要求，所有的電主軸均裝有恒溫冷卻水套對主軸電機(jī)和軸承進(jìn)行冷卻，并通過高壓油霧對復(fù)合陶瓷軸承進(jìn)行潤滑。所有的電主軸均采用矢量控制技術(shù)，可以在低轉(zhuǎn)速時輸出大扭矩。3.3我國高速電主軸的發(fā)展方向高速電主軸對數(shù)控機(jī)床的發(fā)展以及金屬切削技術(shù)的影響對于數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計、簡化機(jī)床結(jié)構(gòu)、提高機(jī)床性能方面的作用。(1)簡化結(jié)構(gòu)，促進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化。電主軸可以根據(jù)用途、結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)等特征形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化產(chǎn)品，供主機(jī)選用，從而促進(jìn)機(jī)

14、床結(jié)構(gòu)模塊化。(2)降低機(jī)床成本，縮短機(jī)床研制周期。一方面，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的電主軸產(chǎn)品易于形成專業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)，實現(xiàn)功能部件的低成本制造；另一方面，采用電主軸后，機(jī)床結(jié)構(gòu)的簡單化和模塊化，也有利于降低機(jī)床成本。此外，還可以縮短機(jī)床研制周期，適應(yīng)目前快速多變的市場趨勢。(3)改善機(jī)床性能，提高可靠性。采用電主軸結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床，由于結(jié)構(gòu)簡化，傳動、連接環(huán)節(jié)減少，因此提高了機(jī)床的可靠性；技術(shù)成熟、功能完善、性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠的電主軸功能部件