加工中心电主轴系统设计与分析_资料下载.pdf
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(3)应用ANSYS动态分析功能,获得了电主轴的模态和谐响应特性;
研究了电主轴的固有频率、振型和临界转速;
并通过分析得出了电主轴的动态特性。
关键词:
电主轴;
有限元分析;
静动态特性;
模态分析;
谐响应加工中心电主轴系统设计与分析TheSnuctleDesignandCharacteristicAnalysisofMachiningCenterMotorizedSpindleSystemAbstractHigh-speedmachiningisapromisingadvancedmanufacturingtechnologyforincreasingproductivityandreducingproductioncostsdramaticallyHigh-speedmachinetoolisthepreconditionforrealizinghighspeedmachiningHighspeedmotorizedspindleisacriticalunitofthehigh-speedNCmachinetoolandthemachiningcenterThestaticanddynamicstiffnessofmotorizedspindlesystembecomeadifficultproblem,whichdirectlyinfluencesitsfunctionSo,itisimportanttooptimizetheconstructiondesignonimprovingtheperformanceofthehigh-speedmachinetoolbystudyingthestaticanddynamiccharacteristicsofHighSpeedmotorizedspindleInthispaper,elaboratemanytechnicalproblemsindesignofspindlestructure,andfindoutsolutionsmethodsThestructureofspindleisdesignedThestaticanddynamicperformancesoftheHighSpeedmotorizedSpindlearestudiedwithANSYSsoftwarebyFEMDetailsofstudiesareasfollows
(1)Theconstructionofthemotorizedspindleisdesignedbasedonsolvingsomecriticalprobleminconstructiondesign。
Suchaschoiceofbearing,choiceofmotor,designofdynamicbalance,styleoflubricationandseal,styleofcooling,andSOon
(2)The3DFEMmodelisestablishedusingProEandANSYSaccuratelyCalculatethestaticstiffnessofmotorizespindlewimtypicalcuttingparameterbyfiniteelementanalysis邸)Baseonthedynamic-analysisfunctionofANSYS,themodalandharmonicresponsecharacteristicsofthemotorizedspiIltileareanalyzed,andalsothenaturalfrequency,vibrationmodeandcriticalrotationratearestudiedThedynamiccharacteristicsarestudiedbyanalyzeKeyWords:
MotorizedSpindle;
FEM;
StaticandDynamicCharacteristic;
ModalAnalysis;
HarmonicII大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。
尽我所知,除文中已经注明引用内容和致谢的地方外,本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果,也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。
与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。
学位论文题目:
加工生!
坠电主独丕统遮让皇盆蚯作者签名:
透壅圭日期:
鲨丘年么厶月上厶日大连理工大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定,在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学,允许论文被查阅和借阅。
学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
作者签名:
导师签名:
大连理工大学专业学位硕士学位论文1绪论11课题研究的意义随着科学技术不断发展,数控机床的发展也越来越快,数控机床正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展,对于现代机床来说,高速切削比常规切削具有下列优点:
(1)随切削速度的提高,进给速度也可以相应提高,以便基本保持每齿切削厚度不变,单位时间内的材料切除率可大大增加,极大地提高了加工生产率:
(2)在切削速度增加到一定值后,切削力可降低30以上,尤其是径向切削力的大幅度减少,特别有利于提高薄壁件等刚性差的零件的加工精度;
(3)在高速切削状态下,95以上的切削热还来不及传给工件时,就被切屑迅速带走,工件基本上保持冷态,因而特别适合于加工容易热变形的零件;
(4)高速切削时,机床的激振频率特别高,它远远离开了机床关键部件的基本阶固有振动频率范围,使机床工作平稳、振动小,因而能加工出非常精密且光洁的零件;
(5)采用高速切削可以得到很高的零件加工表面质量,可以达到磨削的水平;
(6)高速切削可以加工常规切削无法加工的高硬度材料(可达62HRC左右),可以钻olmm以下的小孔(7)可以在无冷却液的情况下进行干切削。
实现高速加工的首要条件和关键技术之一,是研究和开发性能优良的高速数控机床,高速加工的主要特征是采用510倍于常规切削速度进行切削加工,因此要求主轴转速高,输出的转矩和功率要大,并且在运转中保持良好的动态特性和热特性。
高速电主轴也称为电机内装式主轴单元,取消了诸如齿轮、皮带等中间传动环节。
实现了机床的”零传动”,它具有结构紧凑、惯性小、转速高、动态特性好等诸多优点,因而在高速机床中得到了广泛的应用。
作为数控机床的核心功能部件,高速电主轴动态性能的好坏将直接关系到机床的加工精度和可靠性。
电主轴的机械结构虽然比较简单,但制造工艺的要求却非常严格。
这种结构相应的带来一系列新的技术难题,诸如内置电动机的散热、高速主轴的动平衡、主轴支承及其润滑方式的合理设计等问题。
这些问题必须妥善地得到解决,才能确保主轴稳定可靠的高速运转,实现高效精密加工。
而电主轴系统的静态、动态刚度是影响性能主要难题之一,因此在设计时对其进行详细的静、动态分析并优化,对于进一步提高高速机床的工作性能有十分重要的意义。
加工中心电主轴系统设计与分析12国内外研究现状121国内外电主轴技术与发展趋势国外电主轴最早用于内圆磨床,上世纪80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,成为近年来机床技术所取得的重大成就之一【l】。
随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要,对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求,目前国外从事高速数控机床电主轴研发与生产的企业主要有如下几家:
德国GMN、西门子、瑞士IBAG、美国Setco、意大利Omlet、Faemat、Gamfior、日本大隈等,其中尤以GMN、IBAG、Oiler、Setco、Gammfier等几家的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。
这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点:
(1)功率大、转速高;
(2)采用高速、高刚度轴承;
国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承,主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承,特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。
(3)精密加工与精密装配工艺水平高;
(4)配套控制系统水平高。
在此基础之上,这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床。
如瑞士米克朗公司,就是世界上著名的精密机床制造商。
它生产的机床配备最高达60000rmin的高速电主轴,可以满足不同的切削要求。
国产电主轴和国外产品相比较,无论是性能、品种和质量都有较大差距,国产电主轴产品和国外的相比较,主要存在以下差距:
(1)在电主轴的低速大转矩方面,国外产品低速段的输出转矩可以达到300Nm以上,有的更是高达600多Nm(如德国的CYTEC),而国内目前则多在100Nm以内【21。
(2)在高速方面,国外用于加工中心电主轴的转速已经达到75000rmin(意大利CAMFIOR),而我国则多在20000rmin以下。
其它用途的电主轴,国外已经达到了250000rmin(英国WestWind公司D1733),而我国电主轴的最高转速为150000rmin。
(3)在电主轴的润滑方面,国外高速电主轴轴承已经普遍采用先进的油气润滑技术,而我国则仍然以油脂润滑和油雾润滑为主。
(4)在电主轴的功能和性能方面,国外已经在发展多功能、高性能的数控机床用电主轴产品,而我国仍然以常规产品为主要发展方向。
(5)在电主轴的支承技术方面,国外已经有动、静压液(气)浮轴承电主轴(瑞士IBAG大连理工大学专业学位硕士学位论文等)、磁浮轴承电主轴(瑞士IBAG)的成熟商品,在我国则仍然处于科学研究或小批量试制之中。
(6)在其它与电主轴相关配套技术方面,如电主轴内装电机闭环矢量控制技术、交流伺服技术、停机角向准确定位(准停)技术、C轴传动技术、快速启动与停止技术、HSK刀柄制造与应用技术、主轴智能监控技术等,国内仍然不够成熟,或不能满足实际应用需要【31。
(7)在产品的品种、数量及制造规模方面,尽管国内已经有部分企业在从事电主轴的研究和制造,但仍然以磨床用电主轴为主,对于数控机床用高速电主轴,则仍然处于小量开发和研究阶段,远没有形成系列化、专业化和规模化生产,还无法与国外先进水平相比,远远不能满足国内市场日益增长的需要,还不具备与国外产品相抗衡的能力。
另外,国外公司在关键部件的研发上具有很强的前瞻性和创新能力,国际上涉及电主轴的比如编码器系统、刀具接口、电机工作制等的国际标准和产品都是他们相关企业制定和生产的,这是他们最具有优势的地方。
电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面:
(1)继续向高速度、高刚度方向发展;
由于高速切削和实际应用的需要,随着主轴轴承及其润滑技术等相关诸多技术的发展,数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势,并且,随之电主轴的刚度越来越大,满足了数控机床高速、高效和精密加工发展的需要。
(2)向高速大功率、低速大转矩方向发展。
根据实际使用的需要,多数数控机床需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求,因此,机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。
(3)进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展。
用户对数控机床的精度和使用可靠性提出了越来越高的要求,作为数控机床核心功能部件之一的电主轴,要求其本身的精度和可靠性随之越来越高。
同时,由于采用了特殊的精密主轴轴承、先进的润滑方法以及特殊的预负荷施加方式,电主轴的寿命相应得到了延长,其使用可靠性越来越高。
(4)电主轴内装电机性能和形式多样化。
(5)向快速启、停方向发展。
(6)轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化。
除了常规的钢制滚动轴承外,近年来陶瓷球混合轴承越来越得到广泛的应用,润滑方式有油脂、油雾、油气等,尤其是油气润滑方法(又称Oil-air),由于具有适应高速、环保节能的特点,得到越来越广泛的推广和应用;
滚动轴承的预负荷施加方式除了刚性预负荷(又称定位预负荷)、弹性预加工中心电主轴系统设计与分析负荷(又称定压预负荷)之外,又发展了一种智能预负荷方式,即利用液压油缸对轴承施加预负荷,并且可以根据主轴的转速、负载等具体工况控制预负荷的大小,使轴承的支承性能更加优良。
(7)刀具接口逐步趋于HSK、Capto刀柄技术。
(8)向多功能、智能化方向发展。
在多功能方面,有角向停机精确定位(准停)、C轴传动、换刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密补偿、换刀自动动平衡技术等。
在智能化方面,主要表现在各种安全保护和故障监测诊断措施,如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、主轴振动信号监测和故障异常诊断、轴向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监测和自动控制、刀具磨损和损坏信号监控等。
122高速电主轴静动态特性研究的现状机床主轴的静动态特性主要就是固有频率、受力变形、临界转速、动态响应等。
正是由于主轴的重要性,长期以来,人们对主轴进行了广泛的研究。
上世纪60年代以前,基本上采用经验类比法进行主轴结构及动力学特性的设计。
60年代初,开始出现最佳支撑跨距的计算,使主轴结构设计有了很大的进步,由于计算方法和计算手段的限制,对动力学模型进行简化后,仍只能用图解法或解析法分析,不仅方法繁琐,使用不方便,而且计算精度低【4】。
近20年来,由于计算机技术和计算技术的进步,主轴单元的动力学特性研究进入新的研究阶段。
出现了有限差分法、结构分析法、有限元法、结构修正法,模态法等大量方法。
例如,在国外,1988年Sadeghipor将动柔度分析引入对主轴系统的动力特性和动态设计的研究之中51。
1992年,SpurG等利用结构修正法分析了切削机床的主轴一轴承的静态和动态性能,但只是考虑轴承径向一个自由度,并且忽略了轴向、力矩方向的自由度,更忽略了轴承刚度的非线性【6】。
1997年,美国普渡大学的BertRJorgensen和YungCShin推出了一个包括热变形的轴承载荷一变形模型,并与离散的主轴动态模型结合在一起,这一模型可以得到主轴固有频率、轴承刚度和热变形的较好的计算值【71。
同年,Tsutsumi等人研究了滚动轴承的动态性能对主轴振动特性的影响。
Yhland建立了仅受球轴承几何缺陷激励的无阻尼主轴一轴承系统的线性分析模型,该模型在主轴的中、低速有效【8】。
美国PurdueUniversity的HongqiLi运用综合动态分析方法对高速主轴轴承进行了分析,得到了轴承与高速主轴之间的相互关系【9】。
ChiWei对高速机床主轴特性用模态分析进行了研究【m】。
大连理工大学专业学位硕士学位论文而国内从事这一领域研究的也很多,特别是早期对普通主轴动特性的研究。
1992年,江苏工学院的付华应用试验模态分析与有限元计算相结合的方法,对传统主轴部件进行了动力特性分析,并对主轴进行了动态修改【111。
1994年,大连理工大学的肖曙红用有限元结合迭代的分析方法,编制了主轴组件静、动特性分析软件(SAAS)02】。
同年,北京工业大学的黄旭东等采用实验方法对复杂的主轴部件进行了动态特性分析【13】。
1999年,沈阳工业学院的史安娜等对主轴部件建立了空间梁单元模型,并在此基础上对其静动态特性进行了分析【141。
同年,洛阳工学院的陈全兵等在轴的有限元法和超高速轴承的滚到控制理论的基础上,给出了超高速主轴一轴承系统在工况下的临界转速和动态下的挠度的计算方法【l51。
2000年,北京理工大学的刘素华利用有限元分析软件ALGORFEAS对电主轴的动静态特性进行了分析【16】。
2001年,浙江大学的蒋兴奇在考虑轴承载荷和变形的非线性特性及摩擦热的影响的情况下,建立了主轴变形和固有频率的计算方法【l。
同年,杨曼云等利用MSCNastran软件对TH6350卧式加工中心的主轴系统进行了静、动态特性分析【181。
武汉理工大学的杨光等利用传递矩阵法对电主轴系统进行了动力学特性分析【l91。
2003年,无锡机床股份有限公司的蔡英等基于Riccatti传递矩阵法,对MK2120A型内圆磨床的高速主轴系统进行了动力学特性分析【20】。
2004年,广东工业大学的胡爱玲应用ANSYS对高速电主轴动静态特性进行了研究【211。
2007年,湖南工业大学的黄幼玲应用ANSYS对高速电主轴进行分析和优化设计【22】。
总之,随着计算机技术及计算方法的发展,对于电主轴的研究仍会更加深入的开展下去。
本课题主要任务是在总结前人的经验的基础上,在对轴承刚度、最佳跨距、预紧力的计算,对主轴受力状态分析及更加有效的有限元模型的建立,对模型进行动态分析及优化等方面,进行进一步的探讨。
13本课题的提出及主要研究内容131课题的提出高速加工对于提高机械制造工业的产品质量和生产效率有极其显著的作用。
其加工效率大大高于传统切削加工。
正因为如此,国内的N-rN造业对高速机床的需求越来越大,要求的水平也越来越高。
HDR系列作为大连机床集团新开发的高速卧式加工中心系列产品,是主要定位于中高端市场的高速机床,该机床该机床可以在高转速下保证高的加工精度和零件的表面质量,对铝合金、石墨、淬硬钢、超硬合金等材料的加工有独到之处,适合航空、航天、汽车、制鞋等领域的薄壁零件及模具加工。
加工中心电主轴系统设计与分析要满足机床的高速性就必然要求机床的主要零部件具有足够的强度和刚度以及优良的整机固有特性。
这些都是保证加工精度和高速性的基本因素。
由于机床要完成一定加工工艺,因此对机床提出了较高的刚度和加工精度要求。
机床的加工性能与其动态性能关系非常密切。
其动态性能(振动、噪声、稳定性等)是影响其工作性能及产品质量最重要的性能指标。
作为高速机床主要部件的主轴系统,其动态特性在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。
因此,主轴系统应确保具有较好的抗振性。
而高速电主轴结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好,可以改善主轴系统的动平衡,减少振动和噪声,是高速机床主轴单元的理想结构。
虽然电主轴具有这些优点,但由于系统包括多个组件,相应地系统结合部就比较多,系统整体刚度则会下降,从而当主轴在以超高速运转进行实际切削加工时,容易引发整个系统的共振。
振动会使得刀具磨损或破损加剧,同时也增加机床导轨承受的动态载荷,从而降低整机的寿命和机床的精度保持性。
同时,动态切削力也会引起机床的受迫振动,从而影响加工精度和表面品质。
目前国内大的机床生产企业所需的电主轴一般都从国外进口,或引进图纸加工组装。
基本没有设计研发高质量电主轴的经验,本课题是在借鉴国外电主轴基本结构的基础上,对加工中心电主轴进行系统设计和分析,并对其可行性进行了阐述。
132本课题的研究内容论文主要利用ANSYS有限元软件对主轴部件进行静、动态特性分
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- 加工 中心 主轴 系统 设计 分析