电主轴与其内装转子过盈配合可靠性分析

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1、万方数据第一章绪论1绪论1．1本论文的选题背景、目的及意义高速数控机床是机械装备制造业的战略性产业，是提供高速加工技术的主体，面高速电主轴作为高速数控机床核心部件，‘其性能直接影响到高速机床的性能、金属切削的精度和效率。高速电主轴在变频调速技术及电动机矢量控制迅速发展及日趋完善的基础上，采用内置式电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，在内装电机直接驱动下，实现了机床的“零传动”n1，其结构示意图如图1．1所示。主轴采用两组混合陶瓷球轴承前后配对支撑，并采用定时定量的油气润滑控制技术∞1，有效地控制轴承在高速旋转下，因离心力、陀螺运动对轴承刚度、寿命的影响。随着全球经济的发展和制造业的需

2、求，对高速电主轴转速、精度、可靠性、温升控制技术等提出更高的要求。123456789101．壳体2．主轴3．转子4．气隙5．定子6．冷却套7．轴承8．润滑系统入口9．冷却水出口10．接电源图1—1电主轴结构示意简图Fig．1—1Motorizedspindlestructurediagram。电主轴在保证产品机械性能满足实际运行要求和提高产品整体使用性能，需兼顾结构的合理设计及冷却、润滑措施的选择，提出了高速轴承、冷却、润滑、动平衡四大关键技术。当前，电主轴的主轴多采用角接触陶瓷球轴承作为支撑，能较大地承受一定的径向载荷和轴向载荷，、同时选择陶瓷球轴承，其特殊的材料特性，如：较小的密度、较大

3、的弹性模量及泊松比等，有利于削弱离心力和陀螺运动对轴承刚度和寿命的影响n1。电主轴最为明显的结构特点是采用了内置电动机，其缺点在于不能采用传统风扇进行散热。通过对其热源分析，主轴轴承和内置电动机是主要的两大热源，可分别采用循环水冷却技术和轴承油气润滑技术对电机转子和轴承实施冷却。文献[41对电主轴温升和热变形进行了研究，分析了主轴温度与热变形问的关系。文献【5】根据传统循环水冷却系统采用主轴外壳加工螺旋水槽的方式实现电动机冷却处理，提出了一种全新结构设计，该结构采用减小电主轴主轴壁厚的方式可对电主轴温升进行控制。电主轴具有高速特性，采用合理、有效的轴承润滑方式，可提高轴承刚度和寿命。文献【6

4、】采用多重网格法分析了油气润滑超高速万方数据西安理工大学主轴轴承在主轴转速、轴向预载荷、滚球直径和滚球与接触面初始接触角等基本参数及工况条件下，内部各接触区域的润滑状态。电主轴在高速状态下运转，微小的不平衡质量的存在都会加剧主轴振动产生，影响轴承寿命及主轴加工精度。文献【7】指出电主轴振动大小是影响机床振动的主要原因，为了避免共振的发生，要求电主轴在结构设计上必须遵守对称性原则。文献【8】应用Ansys软件对电主轴进行了动态分析，结果表明电主轴额定转速远小于发生共振的一阶频率下的转速，避免了共振的发生。文献【9】对高速电主轴振动性能进行了分析，得到主轴前段的断面跳动量大于后段的断面跳动量且跳

5、动量随转速提高呈增大趋势的结论。文献【lO】应用Ansys软件对小型电主轴刀柄系统进行了动态分析，‘并在减小主轴尺寸及提高性能的基础上对主轴跨距、轴承刚度i转子线圈长度和转子直径进行了优化，有效地提高了计算速度。文献【11】在划分了八个与电主轴系统固有频率有关的参数的基础上，应用有限元法对影响电主轴系统固有频率的这八个参数进行了灵敏度研究，得出前后轴承间距、两个轴承支撑直线之间的距离、刀盘自由断面和主轴的长度是影响动态系统设计是重要的设计参数。由此可见，目前电主轴研究主要是针对高速轴承、冷却、润滑及动平衡等技术进行的。以上研究并没有深入考虑与设计有关的一些因素，如：结构尺寸误差、材料性能、载

6、荷等随机性对电主轴性能的影响。文献【12】虽统计出电主轴常见的故障形式是冷却液泄露、主轴抱死、拉刀力小、噪声大等，但并没有对这些故障形式原因进行分析研究。这些因素中主轴抱死、拉刀力小与电主轴和内装转子的过盈配合设计有关。由于高速电主轴受离心力作用，主轴与内装转子膨胀程度不同会导致电主轴与其内装转子配合面处过盈量发生变化，影响电主轴性能。因此本论文进行了解决电主轴与其内装转子过盈配合不发生失效的可靠性研究，完成了电主轴与其内装转子过盈配合选型、选型下的配合面结合半径、配合面有效结合长度和配合面实际过盈量均值及标准差计算，找出了影Ⅱ向电主轴与其内装转子在配合面处联结可靠性的主要因素，并对影响因素

7、的重要性进行排序，找出能定量描述电主轴与内装转子实际过盈配合最优设计的途径，该研究为提高电主轴整体系统的可靠性提供了重要的理论依据且具有实际应用价值。1．2国内外电主轴可靠性研究现状1)可靠性研究发展历史、应用范围及分析软件(1)可靠性研究发展历史及应用范围n钉可靠性研究大致分为三个阶段。20世纪30～40年代为初期发展阶段，因军用航空电子设备屡屡出现故障严重影响作战性能，可靠性问题经美国军用航空部门所提出。