后置式电主轴优点.aspx.pdf

两种电主轴热态特性的比较分析*T h e r I I l a lP r o p e r t yC o n l p a r i s o no fT w oT y p e so fM o t o r i z e dS p i n d l e顺德职业技术学院范梦吾广东工业大学张伯霖郭军李志英 摘要对电机中置式电主轴和电机后置式电主轴分别建立有限元模型，并对这两种电主轴进行了热态特性的比较分析。结果表明，后置式电主轴在温升和热变形方面有着电机中置式电主轴无可比拟的优势。关键词：高速加工电主轴温升热变形有限元 A B s T R A c T T h eb u i l t i nm o t o r i z e ds p i n d l ea n db u i l t o u tm o t o r i z e ds p i n d l ea r em o d e l e da n da n a l y z e df o rt h e r m a lp r o p e r t i e ss e p a r a t e l y T h ec o m p a r i s o no ft w ot y p e so fs p i n d l e ss h o w st h a tt h eb u i l t o u tm o t o r i z e ds p i n d l eh a sg r e a ta d v a n t a g e so V e rt h eb u i l t i nm o t o r i z e ds p i n d l eb o t hi nt h et e m p e r a t u r er i s ea n dt h e r m a ld e f o r m a t i o n K e y w o r d s：H i g hs p e e dm a c h i n i n gM o t o r i z e ds p i n d l eT e m p e r a t u r er i s eT h e r m a ld e f o r m a t i o nF i-n i t ee l e m e n t由于高速加工有一系列突出的优点，近1 0 年来世界各工业发达国家都在努力发展高速机床。我国在数控机床的高速化方面也有了明显的进步。国内已有2 0 多家机床厂开始研制主轴转速超过1 00 0 0r m i n 的高速数控机床。在C I M T 2 0 0 3 上展出的高速加工中心就有3 0 多台，占参展国产加工中心总数的3 0。如宁江机床集团公司的N J 一5 H M C 4 0 型卧式加工中心最高主轴转速达4 00 0 0r m i n，快速行程达6 0m m i n。但这些国产高速机床的关键部件高速电主轴，绝大多数是由国外配套的，我国至今还不能够成批生产，这种情况大大制约了高速加工技术在我国的发展。针对市场的迫切需求，我国国家科技部已把开发高速大功率电主轴列为“十五”重点科技攻关项目。高速加工虽然有许多优点，但因机床的高速运行会带来许多特殊问题，对这些问题的解决，就成为实现高速加工的关键。本文论述了高速加工设备的心脏部件高速电主轴的发热、热变形问题及解决这个问题的新思路。*科技部“十五”重点科技攻关资助项目(2 0 0 1 B A 2 0 3 8 1 5)。1高速主轴单元电主轴高速主轴单元性能的优劣，在很大程度上决定了机床所能够达到的最高转速和加工范围。高速主轴单元取消了从驱动电机至工作部件之间的一切中间传动环节(皮带、齿轮等)，将电机轴与主轴合二为一，把传动链的长度缩短为零，极大地简化了机床的传动与结构。其结构紧凑，重量轻，惯性小，响应迅速，传动噪声和振动小，显著地提高了机床的动态灵敏度、加工精度和工作可靠性，满足了高速加工的要求。高速大功率电主轴是高速主轴单元的理想结构形式，是近1 0 年来机床设计理论与制造技术的一个重大创新。高速电主轴的典型结构如图1 所示。使用的无外壳主轴电机直接安装在主轴箱内，位于主轴前后轴承之间。电机的空心转子用压配合的方法直接装在机床的主轴上，带冷却套的电机定子则安装在主轴单元的壳体中。这样，电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座，从而实现了变频电机与机床主轴的一体化。这种电主轴还有一系列监视主轴振动、轴承温升、回转角度和转速等运行参数的传感器及测试控制系统，是一种智能型功能部件，广泛用于高速加工中心和其他高速数控机床上。主轴轴承常常采用油一气润滑系统进行冷却和润滑，电机则采用油一水热交换系统进行冷却。这种结构的电主轴有结构紧凑、刚度高、扭矩特性好、轴向尺寸短等优点，因而在高速数控机床上已经得到了广泛的应用。壳体电机定子空心转子主轴图1高速电主轴的典型结构F i g 1T y p i c a ls t r u c t u r eo fh i g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e2 0 0 4 年第7 期航空翻造技术7 7万方数据万方数据2 存在的问题实际应用中发现，这种电机中置式电主轴存在以下两个比较突出的问题：(1)主电机置于前后主轴轴承之间，又封闭在主轴箱壳体内，散热条件很差。虽然已采用外循环冷却系统，部分解决了主电机定子的发热问题，但电机是一种高发热元件，尤其是感应式电机，电机运转时其转子上的涡流发热很难通过转子和定子之间的间隙迅速排出。因此会造成主轴部件的温度升高，直接恶化前一后主轴轴承的工作条件，影响电主轴的工作精度。对电机功率为1 8 5k w、最高转速咒。为1 80 0 0r m i n 的上述感应式电主轴建立有限元模型，划分网格后进行求解，可得到该主轴在最高转速下达到热平衡时的温度场。由其温度场可知，电主轴在1 80 0 0r m i n 的转速下，转子铁芯的温度最高，约为1 1 7，这是因为转子的发热在铁芯处累积，且散热条件不好，热量不能迅速有效地导出，因而温升较高。图2 为前、后轴承外圈的温度随时间变化的曲线。由图2 可见，达到热平衡状态后，前轴承外圈温度约为5 5，后轴承外圈温度约为5 l，当室温为2 5 时，前、后轴承的温升分别约为3 0、2 6。前、后轴承的温升较高，一方面是因为轴承本身发热量较大，另一方面受转子较大发热量的影响。p越赠图2中置式电主轴前、后轴承温度曲线(咒。=1 80 0 0r m i n)F i g 2T e m p e r a t u r ec u r v e so ft h ef o r eb e a r i n ga n db a c kb e a r i n go ft h eb u i l t i nm o t o r i z e ds p i n d l e(九。=1 80 0 0r m i n)主轴的材料为3 8 C r M n 舢，其热膨胀系数为1 2 5p m。因此，在主轴温度上升的情况下，产生热变形7 8 航空制造技术2 0 0 4 年第7 期是不可避免的。对该内置式电主轴进行有限元热一结构耦合分析，可得到其热变形规律，图3 为该型电主轴前端的热变形曲线。由图3 可见，达到热平衡时，内置式电主轴的轴向伸长达到3 0p m，径向膨胀约为8 弘m。时间s图3中置式电主轴前端热伸长曲线(咒。=1 80 0 0r m i n)F i g 3F r o n t e n dh e a te x t e n s i o nc u r v e so ft h eb u i l t i nm o t o r i z e ds p i n d l e(孢。=1 80 0 0r m i n)(2)主轴轴承是易损零件，需定期调整或更换。但上述结构的电主轴，由于电机转子和机床主轴之间采用过盈量很大的热压配合(为了传递大的扭矩)，拆卸比较困难，而且拆卸时常会把转子和主轴轴颈搞坏，故这种设计的结构工艺性比较差。若采用永磁电机，虽然转予不发热，但装配更加困难，一旦安装失误，还会损坏电机和主轴，而且转子不能够拆卸，这就大大增加了电主轴用户的使用成本。3 解决问题的思路针对电机中置式电主轴存在的上述先天性缺陷，近年来国内外开展了许多研究工作，开发出一种新型的高速主轴结构电机后置式主轴单元。这种结构的电主轴既保持了主电机与主轴在同一轴线，可以取消皮带传动和齿轮传动，又可以把电动机从主轴单元的基本结构中分离出来；既保留了原有电主轴的高速、大功率、大扭矩的特点，又克服了难以解决的电机散热问题。这种电主轴主轴箱的热源仅为前后轴承的发热，而且主轴单元的内部空间大，散热条件好，能够较好地满足高速机床的温升要求。主轴箱本身的结构简单，较中置式电主轴更容易做成单独的主轴部件，其装配、维修、保养也比较方便；如果主轴单元损坏，也不需要更换电机，因而成本更低。目前，日本Y A S D A 和M A Z A K 等公司已经有该类产品推出，并已成功地应用于高速加工中心。万方数据万方数据电机后置式高速电主轴在电机与主轴之间需要一个性能优良的高速联轴节，以使振动衰减，并与电机所产生的热相隔绝。为了便于对上述两种结构的高速主轴的温升和热变形性能进行比较，我们采用了与前述中置式电主轴相同尺寸的电机后置式电主轴进行建模，并在完全相同的条件下进行有限元分析，得到了在转速为1 80 0 0r m i n 条件下达到热平衡时的温度场。由其温度场可知，后置式主轴的最高温度约为4 6，产生在前轴承球心处。图4 为后置式电主轴前、后轴承外圈温度曲线。由图4 可以看出，前轴承外圈的温度约为4 4，而后轴承外圈的温度约为3 9。即当室温为2 5 时，前后轴承的温升分别约为1 9 和1 4。与内置式主轴相比较，前轴承外圈的温度低了约1 1，后轴承外圈的温度低了约1 2。可见，电机的发热对电机中置式电主轴的主轴轴承温升有很大影响。时间s图4 后置式电主轴前、后轴承温度曲线(咒。=1 80 0 0r m i n)F i g 4T e m p e r a t u r ec u r v e so ft h ef o r eb e a r i n ga n db a c kb e a r i n go ft h eb u i l t o u tm o t o r i z e ds p i n d l e(咒。=1 80 0 0r m i n)同样地进行有限元热一结构耦合分析，可以得到后置式电主轴前端的变形图(图5)。由图5 可以看到，电机后置式主轴在达到热平衡之后，主轴前端的径向膨胀约为8 肚m，与中置式电主轴的变形相似；但主轴轴向伸长仅为7 肚m，与中置式电主轴的轴向伸长3 0肛m 相比较，几乎仅有后者的1 4，电机中置式主轴的热伸长远远大于电机后置式主轴。这是因为内置式电机的发热使得主轴温升较高的缘故。随着加工环境的变化，主轴温度场会产生波动，直到达到新的热平衡，因此，主轴的伸长量也会随着发生变化。显然，电机后置式主轴的伸长量的变化值将远远小于电机中置式主轴。由以上的比较可以看出，采用后置式主轴对提高机床加工精度比较有利。图5 后置式电主轴前端伸长曲线(，z。=1 80 0 0r m i n)F i g 5F r o n t e n dh e a te x t e n s i o nc u r v e so ft h eb u i l t o u tm o t o r i z e ds p i n d l e(咒。=1 80 0 0r m i n)4结束语对中置式电主轴来说，其电机的发热对主轴热变形有着很大的影响，这个先天性的缺陷是难以彻底消除的。而电机后置式主轴既具有电机中置式主轴结构紧凑、重量轻、惯性小、响应迅速、传动噪声和振动小等优点，又能较好地解决其温升高、热变形大等问题，是高速机床主轴部件发展的一个新的方向。参考文献1 张伯霖高速切削技术与应用北京：机械工业出版社2 0 0 22 黄晓明，张伯霖，肖曙红高速电主轴热态特性的有限元分析航空制造技术，2 0 0 3(1 0)：2 0 2 33 黄晓明高速电主轴热态特性的有限元分析：学位论文 广州：广东工业大学，2 0 0 34 梁彦学，高锋我国高速加工技术现状及发展趋势工具技术，2 0 0 2(1)：1 6 2 15 唐兴伦A N S Y S 工程应用热与电磁学篇北京：中国铁道出版社，2 0 0 36 刘国庆，杨庆东A N S Y s 工程应用教程机械篇北京：中国铁道出版社，2 0 0 37 李斌，李培根数控技术和装备发展趋势及对策机电产品开发与创新，2 0 0 2(5)：5 5 5 88 严武升超高速电主轴的几个问题机械科学与开发，1 9 9 8(3)：4 2 8 4 3 0(责编宇迪)2 0 0 4 年第7 期航空制造技术7 9万方数据万方数据两种电主轴热态特性的比较分析两种电主轴热态特性的比较分析作者：范梦吾，张伯霖，郭军，李志英作者单位：范梦吾(顺德职业技术学院)，张伯霖,郭军,李志英(广东工业大学)刊名：航空制造技术英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：2004，(7)被引用次数：2次 参考文献(8条)参考文献(8条)1.张伯霖 高速切削技术与应用 20022.黄晓明.张伯霖.肖曙红 高速电主轴热态特性的有限元分析期刊论文-航空制造技术 2003(10)3.黄晓明 高速电主轴热态特性的有限元分析学位论文 20034.梁彦学.高锋 我国高速加工技术现状及发展趋势期刊论文-工具技术 2002(01)5.唐兴伦 ANSYS工程应用热与电磁学篇 20036.刘国庆.杨庆东 ANSYS工程应用教程机械篇 20037.李斌.李培根 数控技术和装备发展趋势及对策期刊论文-机电产品开发与创新 2002(05)8.严武升 超高速电主轴的几个问题 1998(03)相似文献(10条)相似文献(10条)1.会议论文 马丙辉.卢泽生 电主轴用高速轴承技术及其发热分析 2007 高速加工需要高转速的机床，电主轴作为机床高速化的发展方向，在高速加工中得到越来越广泛的应用。高速轴承技术是电主轴的关键技术，其技术水平决定了电主轴的转速及承载能力。同时，轴承的摩擦功率产生的热量，使得电主轴温度升高，产生一定热应力和热变形，影响加工精度。因此，有必要对轴承的摩擦功率进行深入研究。文中研究了电主轴中几种常见的轴承支撑技术，从理论和实际应用上分析了其摩擦功率大小，可以为电主轴的轴承设计提供依据。2.期刊论文 欧益宝.左健民.汪木兰.Ou Yibao.Zuo Jianmin.Wang Mulan 高速加工技术与电主轴-现代制造工程2006,(10)高速加工机床的核心功能部件是电主轴,研究高速加工的关键技术以及电主轴的部件在设计和制造中的一些关键技术,了解相关最新技术及其发展趋势和动态,为合理选用电主轴,满足生产工艺的需求具有实践指导意义.3.学位论文 栾景美 超高速加工机床用电主轴及其矢量控制方法研究 2003 本文从超高速加工技术飞速发展的背景出发，讨论了超高速电主轴对超高速加工技术发展的重要作用和意义；分析了超高速电主轴研究的国内外现状及发展趋势；详细论述了超高速电主轴的关键技术，包括电主轴结构优化设计、高速轴承技术、油气润滑技术、精密加工与精密装配技术以及内装式电机设计制造技术等，并深入研究了超高速电主轴无速度传感器矢量控制系统的数字仿真技术。计算机仿真作为一种现代设计方法，在无速度传感器矢量控制系统开发中可以缩短开发周期，降低开发成本，提高应用开发的成功率，是矢量控制系统开发中不可缺少的手段。本文在MATLABSimulink中建立了整个矢量控制系统的仿真模型。为了得到高的动静态性能，系统结构采用转速和磁通双闭环控制。为了保持转子磁通恒定，采用了混合式磁通模型，它可以保证全速范围内磁通观测的准确性。为了提高系统的可靠性，本文采用速度观测器来替代传统的速度传感器进行转速反馈，并提出了无功功率MRAS转速估计法，提高了转速观测的精度以及系统对电气参数变化的鲁棒性。4.期刊论文 张珂.徐湘辉.佟俊.吴玉厚.ZHANG Ke.XU Xianghui.TONG Jun.WU Yuhou 电主轴直接转矩控制系统的设计与仿真研究-制造技术与机床2007,(8)基于高速加工机床用电主轴及直接转矩控制基本工作原理,设计了电主轴直接转矩控制系统.利用MATLAB/Simulink模块库中提供的各种基本模块及子系统封装技术,建立完整的高速加工机床用电主轴直接转矩控制系统模型.并对该系统模型在恒定负载和负载变化两种情况进行了仿真研究.仿真结果表明,设计的电主轴直接转矩控制系统具有良好的动静态特性,将直接转矩控制方法应用于电主轴驱动控制系统是可行的,适应高速数控机床驱动控制系统的快速响应要求.5.期刊论文 马大国.MA Da-guo 木工机械电主轴及其关键技术分析-林业机械与木工设备2008,36(10)简要介绍了高速加工的优点和电主轴的基本结构以及国内外电主轴的发展概况.根据木材切削的特点,分析了木工机械用电主轴的关键技术和解决方法.6.学位论文 王文华 基于谐波分析的高速电主轴电机设计方法研究 2009 高速加工是代表现代制造业发展趋势的新技术。它不仅具有极高的生产率，而且可以显著提高零件的加工精度和表面质量，实现难加工材料和薄壁零件的高效精密加工。高速机床是实现高速加工的装备基础。电主轴是高速机床的核心部件，其性能很大程度上决定了高速机床的性能和技术水平。由于电主轴普遍采用逆变器供电，其实际运行性能与正弦电源供电的性能相比发生了显著的变化。因此，有必要深入研究逆变器供电条件下高速电主轴电机的设计方法。本文在分析正弦脉宽调制SPWM(SinusoidalPulseWiathModulation)电压源逆变器调制原理的基础上，深入研究了逆变器输出电流高次谐波对高速电主轴电机效率、功率因数及电磁转矩的影响规律。定量分析和实际算例表明，高次谐波是导致电主轴电机效率、功率因数以及输出扭矩等力能特性显著下降的重要因素。在充分考虑逆变器输出电流高次谐波影响的基础上，开发了一套高速电主轴电机电磁设计分析计算源程序，利用该程序定量研究了高速电主轴电机电磁设计参数对其效率、功率因数以及最大转矩倍数等力能特性的影响规律。实际算例表明，相对传统的正弦电压源供电条件下的工频电机设计方法，考虑逆变器输出电流高次谐波影响的高速电主轴电机设计方法对力能特性能作出更准确的计算和更为合理的评价。针对通常的高速电主轴电机设计方法仅能反映稳态性能，而不能反映电机的动态特性的不足，本文建立了“逆变器-电机-负载”数学模型，基于该模型并在考虑逆变器输出电流高次谐波影响的基础上，开发了一套电机动态特性分析的源程序。利用该程序定量研究了高速电主轴电机转子槽形和定子绕组设计参数对电机动态特性特别是高次谐波脉动转矩的影响规律。研究表明，优化高速电主轴电机电磁设计可抑制高次谐波电流，降低高次谐波电流引起的电磁损耗和脉动转矩，进而提高效率、功率因数等力能特性及动态特性。实验研究了逆变器工作参数对电主轴电机定子电流及其频谱特性的影响，验证了逆变器输出电流的非正弦特性，提出了通过优化逆变器工作参数抑制高次谐波电流，进而提高电主轴电机力能特性及动态特性的具体策略。本文研究工作对异步电主轴电机电磁设计分析计算及动态特性分析具有参考价值。7.会议论文 熊万里.邓新春.段志善.王世怀 PWM高频电主轴润滑油膜的电磁损伤机理 2004 高速精密电主轴是高速加工机床的核心功能部件,其性能的高低直接影响着高速机床的整体发展水平.目前电主轴实现高速化主要采用PWM变频调速技术,但是该技术的应用也带来了突出的负面影响-导致轴承润滑油膜电磁损伤故障.本文建立了PWM调速电主轴润滑油膜电磁损伤故障的物理模型,揭示了变流技术诱发油膜电磁损伤故障的机理,指出了抑制电磁损伤故障的方法和途径.8.期刊论文 廖江.谭光恒 260电主轴在高速加工中的问题及解决措施-机械工程师2006,(1)将洛阳轴承研究所研制的260XDJ10y型电主轴用于哈量产HLNC5001型并联加工中心上,但是高速加工汽轮机叶片过程中,换刀时刀柄脱开主轴锥孔困难.文中分析了造成自动换刀过程频繁出现故障的原因,并提出在实践中成功解决问题的具体措施.9.学位论文 杨辉 高速加工机床进给驱动系统的研究 2006 论文以“高速切削加工理论”为基础，理论与实际结合作为出发点，介绍了“高速切削加工”概念、发展、研究和应用现状、技术内涵及相关技术等。论述了高速切削加工机床的关键技术，对数控机床进给驱动系统进行分析研究，以进给伺服系统的性能为研究目标，深入的研究了直线电机进给驱动系统在高速加工机床的应用，并分析其性能对高速加工的作用和影响。建立数学模型，通过仿真对比，利用辨识方法得到更精确的数学模型。分析了电主轴单元，研究了直流直线电机的结构和性能。论述了扰动误差和复位受阻的等因素，提供了消除扰动误差和提高定位精度等措施。运用先进的CADCAE技术对直线电机功能部件进行设计，最后对高速切削加工技术的直线电机进给驱动系统发展进行展望。10.期刊论文 刘素华.袁世先 电主轴关键技术及工艺要点-安阳师范学院学报2003,(5)评述了高速加工技术及其关键部件电主轴的发展现况,分析了电主轴的结构设计特点,阐明了电主轴设计的关键技术,特别地对转子轴的设计与制造工艺作了重点分析.最后本文给出了国外电主轴部件近期的新进展.引证文献(2条)引证文献(2条)1.张世珍 加工中心高速内装式电机主轴单元的研究学位论文硕士 20052.陈文华.贺青川.何强.刘宏昭.叶军.牛青坡 高速电主轴水冷系统三维仿真与试验分析期刊论文-中国机械工程2010(5)本文链接：http:/