高速精密电主轴动态热态特性的研究进展

第4期(总第131期)2005年8月机械工程与自动化M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G &　AU TOM A T I ON N o 14A ug 1文章编号:167226413(2005)0420046203高速精密实验磨床电主轴振动特性的实验研究3宋德儒,吴玉厚,张　坷(沈阳建筑大学交通与机械学院,辽宁　沈阳　110168)摘要:介绍了高速精密实验磨床直线电机带动电主轴进行磨削加工时伺服刚度的调节方法;分析了电主轴-砂轮接杆系统高速旋转时引起振动的原因,提出了改进的方法;并通过实验验证改进后的主轴-砂轮接杆系统振动平稳、幅值较小,能满足高速精密磨削的要求。

关键词:电主轴;砂轮接杆;振动;磨削中图分类号:T G 580.21+4 文献标识码:A3国家自然科学基金资助项目(50475167);辽宁省教育厅科学研究计划资助(2004D 096)收稿日期:2005203207作者简介:宋德儒(19802),男,辽宁庄河人,在读硕士研究生。

0　引言为了提高砂轮的线速度,实现高速精密磨削加工,往往对砂轮驱动和轴承转速要求很高。

由于电主轴单元采用内装式电动机直接驱动主轴,将机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零传动”。

其具有刚性好、回转精度高、运转时温升小、稳定性好、功耗低、寿命长等优点,能够有效地降低传动误差和加工误差对工件加工精度的影响,满足高速精密加工的要求,在高速精密磨床上具有广泛的应用前景。

电主轴在进行高速精密磨削加工时,其主轴转速一般在10000r m in 以上,有的甚至高达60000r m in ～100000r m in ,所以砂轮-主轴系统即便有很小的不平衡量,也会产生非常大的不平衡离心力,造成机床的剧烈振动,影响加工精度和表面质量,甚至损坏砂轮及主轴。

因此对砂轮-主轴系统动态特性及动平衡技术的研究越来越受到人们的重视。

1　振动测试系统1.1　主轴横向进给伺服刚度的调节本磨削系统的高速电主轴是安装在直线电机的动子之上的,通过PM A C (可编程多轴控制器)控制直线电机带动电主轴实现高频往复运动,从而实现非圆截面的精密加工。

轴 对 称结 构 ， 需 取 电 主 轴 剖 面 的 一半 建模 即 可． 只 由 于 高 速 木 工 机 械 电 主 轴 采 用 风 冷 却 套 进 行 散 热 ， 风 冷 却 套 又 是 一 个 方 形 结 构 ． 为 了 简 化 计 而
计 ， 电主 轴 中 的 Ｈ Ｋ拉 刀 机 构及 后 支 座 不参 加 有 Ｓ
速木 工机 械 电主轴 的两 个 主要 内部 热 源．
２ １ 内装 式 电 动 机 的 损 耗 发 热 ．
对 于 角 接触 球 轴 承 ， 当量 静载 荷 按 下 述 两式 其
计 算 ， 取 其 中较大 值． 并
电 机 转 子 和 定 子 的 发 热 来 源 于 电 机 的 损 耗 ．电 机 的 损 耗 一 般 分 为 ４类 ： 械 损 耗 、 损 耗 、 损 耗 机 磁 电
Ｐ。 ． Ｆ ＝１ ４ 一０ １ ， ． Ｆ， （） ５
式 （） ，， １ 中 Ｑ—— 轴 承 摩擦 发热 量 ， Ｗ；
— —
摩擦 总 力矩 ， ｍ Ｎ・ ｍ；
Ｐ 为 决定 轴 承摩 擦力 矩 的计算 载荷 ， ． Ｎ
轴 承 中 径 ｄ （ ｍ） ｍ 为
矗 ： ，
１ ）主轴 密 封 要 求 比一 般 电 主轴 要 求 更 高 ．因
收 稿 日期 ： ０ ９—０ 一ｌ ２０ ９ ４ 作 者 简 介 ：王 娟 ， ， 士 研究 生 ， 究 方 向 为 高速 木 工 机 械 电 主轴 空 载 热 平衡 问题 ； 女 硕 研
汤晓华 ， ， 授 ， 男 教 主要 从 事 机 电 一 体化 及 视 频 检 测 技术 方 面 的 研 究 ．通 讯 作者
— —
荷大小 及 轴承 转速 有关 的摩 擦 力 矩 分量 ．在 滚 动轴

电主轴热态特性对轴承—转子系统动力学特性的影响研究电主轴热态特性对轴承—转子系统动力学特性的影响研究摘要：电主轴是工业生产中常用的精密机械设备，它具有很大的市场需求和应用前景。

本文以电主轴的热态特性为研究对象，探讨了电主轴热态对轴承—转子系统动力学特性的影响。

通过数值模拟和实验验证，结果表明电主轴热态对轴承—转子系统的振动响应有显著影响，尤其是在高转速运行下，热态特性更加需要重视。

1. 引言电主轴作为一种高速度与高精度要求的机械元件，广泛应用于机械制造、航空航天、汽车等领域。

在高速转动的过程中，电主轴的温度会升高，影响其动力学特性。

轴承-转子系统作为电主轴的核心组成部分，其振动响应是评价电主轴运行质量的重要指标。

因此，探究电主轴的热态特性对轴承-转子系统的动力学特性的影响具有一定的理论和应用价值。

2. 电主轴热态特性分析2.1 电主轴的工作原理电主轴通过电机的驱动，使转子高速旋转，从而实现工件的加工。

在高速旋转过程中，各个部件之间摩擦产生大量的热量，使得电主轴温度升高。

2.2 电主轴热传导分析电主轴中的热量主要通过热传导和热辐射的方式传递出来。

热传导是指物质内部由高温区域传递到低温区域的热量传递方式。

电主轴的热传导受到材料的导热性能、传热距离、温度梯度等因素的影响。

2.3 电主轴的热膨胀效应电主轴受热膨胀效应的影响，因为温度升高，会导致电主轴的长度和直径增加，从而影响到轴承-转子系统的几何结构和运动特性。

3. 轴承-转子系统动力学特性分析3.1 轴承—转子系统的振动特性轴承—转子系统振动特性是其动力学特性的重要表现形式。

振动包括径向振动和轴向振动两种。

径向振动是指垂直于旋转轴的振动，轴向振动是指沿转子转动方向的振动。

3.2 轴承—转子系统的共振问题共振是指系统在特定的激励频率下，振幅与外力频率完全或近乎相等的现象。

轴承—转子系统在共振频率处容易出现振动过大、工作不稳定等问题。

4. 电主轴热态特性对轴承-转子系统动力学特性的影响4.1 热态对振动响应的影响电主轴的热态特性会改变轴承-转子系统的刚度、阻尼等动力学特性，从而影响其振动响应。

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４ 讨 论 与 结 论
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【 ］ 郭 振 字 ， 敏 ． 于 差 异 演 化 算 法 的 高 速 储 能 飞 轮 形 状 优 ５ 叶 基
化 设 计 ［］ Ｊ． 吉林 大学 学 报 （ 工学 版 ）２ ０ ，８ １ ：０ ８ ． ，０ ８３ （ ）８ — ３
度 和 价 格 能 量 密 度 。 但 优 化 为 工 字 型 飞 轮 会 增 加 飞 轮 的 轴 向 尺 寸 ， 而 加 大 台 架 长 度 方 向 的 尺 寸 。 用 车 间 从 占
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Ａ／ － ｇ・ ２ Ｉ ＝ ｇ・ ￣ ｏ ｋ ｍ２ １ ＝ ０ ｋｇ・ ２ ／＝２ － ｋ ｍ １ ５ ｋ ｍ２ Ｉ＝１ ｇ・ ３ ２ ２ ｍ ￣４ ０