高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析精品.docx

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高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析精品

跬西.料技夫学

论文题目:

高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析

申请学位学科:

工学

所学学科专业:

机械制造及其自动化

培养单位:

机电工程学院

硕士生:

王美妍

导师:

文怀兴教授

年月

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高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析

摘要

随着我国国民经济的发展,为适应快速变化的市场和顾客化的

产品需求,高速切削以其能够大幅度提高生产效率,改善表面加工

质量,缩短生产时间,降低生产成本等优点成为制造业的重要发展

方向。

高速数控机床已成为制造业技术的发展方向之一。

高速电主

轴的性能优劣直接决定着高速数控机床的工作性能。

因此,研究电

主轴的特性,对高速高精度数控机床工作性能的提高有着重大的意

义。

电主轴电机内置的结构在实现了零传动的同时,也增加了电主

轴的质量。

在较高的转速下,电主轴产生较大的离心力与陀螺力矩,

严重影响了电主轴的动态特性。

高速加工过程中电主轴热量的积累,

使电主轴产生热变形,降低了加工精度。

因此,电主轴动静态特性

与热态特性的研究是电主轴技术研究的重点和难点。

本文以高速立式加工中心电主轴为研究对象,通过对电

主轴结构的设计与分析,在有限元软件中完成了电主轴静动

态特性以及热态特性的有限元分析,并通过温升实验与振动测试实

验对理论分析结果进行验证。

具体的工作如下:

根据高速立式加工中心电主轴的基本参数与技术

指标的要求,确定电机型号、轴承类型以及冷却系统等关键部件。

合理选择支撑跨距与悬伸量,使其满足静态特性要求,完成电主轴

基本结构的设计。

利用/软件,建立了电主轴主要零部件的三维模型,

并完成了电主轴的装配。

通过对电主轴结构的分析,在有限元软件中建立静

态特性有限元模型,对电主轴的静态特性进行分析,计算并验证了

电主轴的刚度。

分析影响电主轴动态特性的主要原因,在软件中建

立动态特性的有限元模型,求出电主轴的六阶固有频率与振型,并

计算出电主轴的临界转速。

分析了电主轴的两大热源,根据热力学原理与热量计算公

式计算了电主轴电机与前后轴承两大部分的生热量与相关传热系

数。

在软件中分析了电主轴的热态特性,得到了电主轴的稳

态温度场,并提出为降低电主轴温升,应对其温升进行实时监测与

控制的方法。

设计了电主轴的实验平台,并完成了电主轴的温升与电主

轴振动测试实验。

关键词:

电主轴、结构设计、动态特性、热态特性、实验平台

Ⅱ

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摘要目录?

绪论.

.课题研究的目的与意义..

.电主轴关键技术研究现状?

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..电主轴高速轴承技术

..高速电主轴主要性能的设计?

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..高速电机设计与驱动技术.

..高速电主轴的润滑系统?

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.国内外电主轴的发展水平与研究动态?

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..国内外电主轴的发展水平..

..国内外高速电主轴技术的研究动态?

.

.课题来源及研究内容..课题来源

..课题主要技术指标?

..课题研究的主要内容

电主轴的结构设计与三维建模.电主轴的结构设计

..主轴的基本参数?

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..电主轴的设计计算..

..电主轴电机的选用?

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..电主轴的支承.

..电主轴的冷却.

..电主轴的二维结构图?

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.电主轴三维模型的建立...电主轴主要零部件三维模型的建立?

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..电主轴的装配体.本章小结?

..

电主轴静态与动态特性的分析?

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.电主轴的静态特性..?

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求解?

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....电主轴测试系统介绍?

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.实验测试项目与测试原理..测试项目?

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..实验原理?

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.电主轴的温升测试实验.

..电主轴温度测试..电主轴温升测试结果?

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.电主轴振动测试实验?

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..测试仪器与测试方法?

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..高速电主轴振动测试结果与分析?

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.本章小结?

..

总结与展望?

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.总结?

.展望?

致谢?

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参考文献?

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攻读学位期间发表的学术论文目录.

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明?

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高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析

绪论

.课题研究的目的与意义

随着我国国民经济的发展,为适应快速变化的市场和顾客化的产品需求,

高速切削以其能够大幅度提高生产效率,改善表面加工质量,缩短生产时间,

降低生产成本等优点成为制造业的重要发展方向。

为提高机床和工具行业的开

发创新能力,提高我国工业产品的整体竞争力,带动一系列相关高新技术产业

的发展,需要加强高速切削技术的基础研究,包括高速机床的结构设计,高速

切削刀具系统、高速切削润滑与冷却系统、高速切削机床控制系统等的研发与

产业化,建立高速切削数据库,制订高速切削技术标准。

高速立式加工中心,

属于高效、精密加工设备,用于箱体类、板盘类、阀类、凸轮和模具等基础零

部件的加工,以高速铣削加工为主,可实现铣、钻、攻、镗等多种切削加

工方式,是汽车、航空航天、船舶、模具和仪器仪表等制造行业急需的重要高

档数控机床。

作为装备制造业的战略性产业,高速数控机床已成为制造业的技术发展方

向之一。

高速主轴的性能优劣直接决定着高速数控机床的工作性能。

主轴单元

主要由主轴,轴承,机架与动力源等结构组成。

主轴单元组成对数控机床的高

速加工的加工精度、加工范围以及稳定性都起着关键性作用。

为满足高速加工

高速高精度的要求,主轴单元应具有高刚度、高回转精度、温升小、低功耗、

高可靠性等特点。

与此同时,主轴的动平衡、支承、润滑和冷却等都发挥着重

要的作用。

高速主轴单元主要分为电主轴、气动主轴和水动主轴三大类。

高速主轴单

元类型不同,输出的功率也大相径庭。

高速数控机床要求主轴要有较高的角加

速度与角减速度,以实现短时间内的升降速与指定位置的快速准停。

传统主轴

的传送带系统在高速下不但会产生噪音和振动,发生打滑现象,而且会增加转

动惯量,使高速机床的快速准停很难实现。

随着变频调速系统与电机矢量控制

技术等的迅猛发展,传统的高速机床的电主轴系统已经大大简化,带传动与齿

轮传动已被基本取代。

电主轴作为高速立式加工中心的核心部件,是一种新兴的机床主轴结构。

电主轴是“高频主轴的简称,是内装式电动机主轴单元,英文称谓为

。

它把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零传动,具有

结构紧凑、机械效率高、可获得极高的回转速度和回转精度、噪声低、振动小统进行分析。

还需考虑支撑刚度的非线性,电主轴的热态特性对电主轴动态特

性的影响,并根据分析结果对电主轴进行动态优化设计。

●

高速立式加工中心电主轴的结构设计与特性分析

年,公司开发了滚动轴承的分析软件。

同年,我国的电

主轴研究人员根据热路网络热流量平衡原理在计算机上完成了轴承温度场的

仿真。

洛阳轴承所开发的轴承系统的温度场软件可对基本的轴承传热模型和辐

射模型进行分析。

..高速电机设计与驱动技术

电主轴的电机与轴身两者相结合,主轴的旋转部分即为电机的转子。

因此,

理论上可以把电主轴看成一个电机,高速下的动平衡即为研究重点。

从机械的

角度考虑电主轴高速化的问题主要是轴承的发热与振动问题。

从设计的角度考

虑,主要是定转子的功率与发热问题。

从控制与驱动的角度看主要是调速性能

问题。

异步型电主轴的功率容量增大时,转速增高时,需配备中心冷却系统以

降低主轴温升,同时需对轴承采用恒压预紧方式,以避免主轴轴向热变形带来

的影响。

与之相比,同步型电主轴优点表现在:

转子不发热,减少了电主轴的

热变形问题;转子无损耗,电主轴的功率密度大,工作效率高。

并且转动惯量

小,易于快速启动和准停,低速性能好,易于实现精密控制。

..高速电主轴的润滑系统

与油气润滑相比,油脂润滑的速度要远落后于油气润滑。

定时定量的油气

润滑是指每隔一定的时间间隔注一次润滑油,并且可通过定量阀精确地控制每

次润滑油的量。

油气润滑的方式通常是指润滑油在压缩空气的带动下,被吹入

陶瓷球轴承。

.国内外电主轴的发展水平与研究动态

..国内外电主轴的发展水平

我国高速电主轴的开发和生产已经近年,但国内高档的高速加工中心

主轴多为进口产品,由于加工中心用电主轴涉及电主轴高速旋转、润滑技术、

驱动控制、准停、准速、准位等机械与电气多方面技术,因此具有较大的技术

难度,目前国内高档的高速加工中心主轴多为进口国外产品。

国外电主轴最早用于内圆磨床,世纪年代,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。

目前,世界上形成许多电主轴功能部件专业制造商,比较著名的有瑞?

士的公司、公司、德国的公司、公司、公司、

意大利的公司、美国的公司、日本公司和

公司等,它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。

国外生产的电主轴

如图.所示具有以下特点:

电主轴功率大、转速高;采用高速高刚度轴陕西科技大学硕士学位论文

承陶瓷、液体动静压、空气润滑与磁悬浮轴承;精密加工与精密装配工艺

水平高;配套控制系统水平高。

图国外数控机床用电主轴

目前,瑞士的米克朗公司生产的电主轴速度达/且均采用矢量控

制,在低速时可输出大扭矩。

意大利公司生产的加工中心用电主轴

最高转速达到/,美国公司推出了动静压轴承的电主轴,瑞

士公司推出在电主轴部件上装有在线自动动平衡装置的产品,应用在

加工中心上,每换一次刀进行一次包括刀具质量在内的自动动平衡,可在一秒

钟内消除%由动不平衡所引起的振动。

国内