高速陶瓷电主轴结构设计及静动态特性分析

《高速陶瓷电主轴结构设计及静动态特性分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、------------------------------------------------------------------------------------------------高速陶瓷电主轴结构设计及静动态特性分析精密制造与自动化2015年第4期饶成晨１　　陈　　涛２　（1.浙江大学机械工程学院杭州310002；2.武汉理工大学机电工程学院武汉430070）摘要高速电主轴作为高档数控设备的核心部件，其性能的优劣直接影响着加工零件的精度。针对现有某高速精密磨削加工中心，对其电主轴的材料、轴承配置形式及预紧方式等基本结构进行设计与选择，完成三维模型的建立。通过AN

2、SYS对其刚度、强度、固有频率及临界转速等静动态特性进行分析，结果表明该结构的合理性，对该类电主轴的设计与使用具有一定的参考价值和指导意义。关键词有限元分析高速电主轴静态特性动态特性结构设计DOI:10.16371/j.cnki.issn1009-962x.2015.04.009进入21世纪，现代机械制造业蓬勃发展，正朝着高效率、高速度、高精度的方向不断进步。随着数控技术的广泛应用，机床高速加工技术在航空航天、汽车、材料、模具等行业迅速崛起。机床高速加工能获得机械产品较高的加工精度和表面加工质量，是现代制造业又一次革命性的飞跃。高速机床作为实现高速加工的基础设备，是现代制造业

3、的战[1]——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------略性产业。而电主轴作为高速机床的核心部件，成为今后机床的重点发展领域。电主轴单元的静动态特性主要包括刚度、强度、固有频率和临界转速等，其对电主轴的精度、速度等性能有很大的影响。关于主轴静动态特性的研究，在上世纪60年代，一般采用经验类比法来进行选择[2]主轴参数、设计主轴结构，计算精度低。而近20年来，

4、随着计算机技术和计算策略的不断改进，出现了有限单元法、传递矩阵法、[3]模态法、结构分析法等大量计算方法。其中，在简化模型的基础上，通过有限元分析的方法已经逐步发展起来。利用动静态有限元分析的方法，可以从仿真模型中判断出电主轴各部件[4]结构的合理性及高速机床存在的薄弱环节，依据这些数据在设计电主轴参数时进行相应的改进，从而改善高速机床的性能，提高其加工精度和产品质量。本文以某精密磨削加工中心电主轴为研究对象，分析其基本结构及原理，并应用三维机械设计软件Proe进行整体结构设计建模；通过有限元软件Ansys将三维电主轴模型划分为有限元模型，进行静动态特性的仿真分析。—————

5、—————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------1电主轴结构设计随着加工技术的进步和新型材料的不断涌现，氮化硅(Si3N4)陶瓷在电主轴上的应用逐渐扩大，其具有硬度高、耐高温腐蚀、密度小、线膨胀系数低、弹性模量大、不导电及不导磁等优点，与传统的钢制材料相比，在高速旋转下主轴以及轴承产生的离心力小、热量少，能在很大程度上提高高速电主轴的工作性能，使其具有更高的速度和更大的

6、转矩，因此本文主轴单元选定为陶瓷高速电主轴。高速电主轴是一个完整的系统，其组成部件主要包括轴壳、转轴、轴承、定子与转子、润滑系统以及冷却系统等，某精密磨削加工中心电主轴系统总体结构装配图如图1所示。定子前轴承组后轴承组轴壳主轴转子冷却套图1高速电主轴装配图１．１　　轴承的选用　　1）轴承类型高速轴承是电主轴实现高速、高精度的核心部件。当电主轴高速运转时，轴承会受到载荷冲击和[5]内部的剧烈摩擦。因此，在选择电主轴轴承时，32——————————————————————————————————————---------------------------------------

7、---------------------------------------------------------必须考虑该轴承动负荷承载能力和高速性能，除此之外，还需保证轴承径向、轴向刚度和有较低的温升。而陶瓷球轴承具有重量轻、弹性模量高、寿命长、膨胀系数低、硬度高、耐高温、热导率低、结构简单的特点，符合高速电主轴的需要。2）轴承材料对比Si3N4陶瓷和轴承钢两种材料性能，其中Si3N4陶瓷的密度仅为轴承钢的40%，而弹性模量、硬度、热导率、线膨胀系数以及极限温度值也明显[6]更优。3）轴承结构按轴承