主题：数控系统及驱动技术 Ｔｏｐｉｃｓ：ＣＮＣ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ
高速雕刻电主轴－ｌ生能分析及优化设计
郑光普 崔立英 吴爱军
（北京精雕精密机械制造有限公司，北京１０２３０８）
摘要：通过ＡＮＳＹＳ建立三维模型，对自产１００ ＨＳＫ电主轴进行静态、动态性能分析，得到相应的临界转速 和谐响应曲线，为小刀具雕刻时最高转速的确定和刀刃数量的选择提供依据。并进一步针对轴承最
佳跨距进行优化设计，合理设计转子尺寸，改善其静态、动态性能。
关键词：高速电主轴 动态性能 临界转速ＡＮＳＹＳ
中图分类号：ＴＧ５０２．３ 文献标识码：Ａ
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｃａｒｖｉｎｇ ｍｏｔｏｒｉｚｅｄ ｓｐｉｎｄｌｅ
ＺＨＥＮＧ Ｇｕａｎｇｐｕ，ＣＵＩ Ｌｉｙｉｎｇ，ＷＵ Ａｉｊｕｎ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉｎｇｄｉａｏ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２３０８，ＣＨＮ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＦＥＡ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ｔｏ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍ—
ａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｌｆ—ｐｒｏｄｕｃｅｄ １ ００ ＨＳＫ ｈｉｇｈ＂ｓｐｅｅｄ ｍｏｔｏｒｉｚｅｄ ｓｐｉｎｄｌｅ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ
ｈａｒｍｏｎｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｓｔ ｓｐｅｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ－ｔｏｏｌ ｃａｒｖｉｎｇ ｓｐｉｎｄｌｅ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒ ｍｏｒｅ，ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｆｉｎｉｓｈｅｄ
ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｓｐａｎ ｏｆ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ Ｓ ｓｉｚｅ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ａｎｄ ｄｙ—
ｎａｍｉｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ Ｍｏｔｏｒｉｚｅｄ Ｓｐｉｎｄｌｅ；Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｓｐｅｅｄ；ＡＮＳＹＳ
高速切削加工是一种先进制造技术，不同于传统
加工方法。它的主轴转速高、切削进给速度高、切削量
小，单位时间的材料切除量却增加了３—６倍。在加工 生产上充分地提高了生产效率、改善了加工精度和表 面质量、减少了切削生产热量并且有利于加工薄壁零
件和模具的精修，在汽车工业、航空航天、模具制造和
仪器仪表等行业中获得了广泛的应用，取得了重大的
经济效益，是当代先进制造技术的重要应用 。 高速电主轴是高速雕刻机床核心部件，很大程度 上决定着高速雕刻机床所能达到的切削速度、加工精
度和应用范围。目前适于高速切削加工中心主轴最高
转速一般都为１５ ０００～１００ ０００ ｒ／ｍｉｎ，为普通机床１０ 倍左右。具有代表性的公司主要有德国的ＧＭＮ、西门
子、瑞士的ＩＢＡＧ等，其中ＩＢＡＧ的磁悬浮主轴已经达
到２００ ０００ ｒ／ｍｉｎ。高速雕刻机床既要完成粗加工，又 要完成精加工，所以对电主轴提出了较高的静刚度和
Ｐ。＝ ０．９（３．５×６５×２ ８３５＋８．５×２１０×１１４）
＝０．７６ ｋＷ 所以 ．
＝ｏ．８２６．５５＋０．７６＿３２ ｋｗ
预选主电动机额定功率为３７ ｋＷ，大于３２ ｋＷ，可
以满足设计要求。该机床主轴电动机的选择有一定的
功率余量，可以扩大机床的使用范围。
５结语
主传动系统设计是一项繁杂的工作，涉及内容众 多，其设计程序也并非一成不变，需要根据设计要求灵
活掌握。只有经过严谨、规范的设计和计算，才能设计
出结构合理，性能先进的主传动系统。
参考文献 ［１］李洪．实用机床设计手册［Ｍ］．沈阳：辽宁科学技术出版社，１９９９． ［２］《机床设计手册》编写组．机床设计手册［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，１９８６． 作者：王建利，男，１９７８年生，硕士，工程师，主要
从事机床设计。
（编辑孙德茂） （收稿日期：２０１２—０９—０５）
文章编号：１３０２１３
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工作精度要求。另外，电主轴的动态特性也在很大程
度上决定了机床的加Ｔ质量和切削能力。在切削过程 出现较大的振动时，会使刀具出现剧烈的磨损或破坏， 也会增加主轴轴承所承受的动载荷，降低轴承的精度
和寿命，影响加１二精度和表面质量。因此以下３个指 标充分反映了电主轴性能，即使用寿命、主轴前端径向
刚度和临界转速，在电主轴设计过程中需要着重分
析 。 本文以笔者公司设计的１００ ＨＳＫ高速雕刻电主
轴为例，运用ＡＮＳＹＳ软件，对电主轴建立三维模型，考 察其动静态性能，得到了弯曲刚度以及临界转速等，为
电主轴使用的安全性提出了理论基础，为同类轻载高 速雕刻电主轴的分析以及结构改进提供了相关依据。
ｌ 高速电主轴结构特点及有限元模型
１．１电主轴结构特点 高速雕刻机从加工原理上讲是一种钻铣组合加工 机床，工作转速高，加工表面粗糙度好，加工范围广，多
用于木工、玉石、浮雕、模具以及钢铝小零件加工等行
业。笔者公司自产的１００ ＨＳＫ高速雕刻电主轴采用 的是无键高速内连式刀柄，与ＩＳＯ、ＢＴ等刀柄系列结
构比较，可以达到更高的转速，实现更理想的切削性 能。电主轴的转子一轴承支撑系统结构如图１所示，
具体设计参数：电动机额定功率５．０ ｋＷ；额定扭矩２．４
Ｎ・Ｉｎ；转速范围２ ０００～３０ ０００ ｒ／ｍｉｎ；轴承采用背对 背形式，前端由２个高速陶瓷轴承７００７Ｃ／Ｐ４支撑；后
端由两个高速陶瓷轴承７００６Ｃ／Ｐ４支撑。模型简化后 如图２所示，铁心和主轴过盈配合视为一体，轴承利用
前
１一前锁母；２、３－－前轴承７００７Ｃ；４一主轴；５—铁心； ６一平衡圈；７、８一后轴承７００６Ｃ；９一后锁母。
图１ １００ＨＳＫ高速电主轴轴承—转子结构示意图
图２ １００ＨＳＫ高速电主轴轴承一转子简化结构图
・ ４２ ・ 弹簧一阻尼系统代替，前对轴承作用点间距Ｌ．为２７
ｍｍ，后对轴承作用点间距￡ 为２８ ｍｍ，转子前端悬伸 量２１ ｍｍ，总长２２５ ｍｍ。
１．２有限元建模 利用Ａｎｓｙｓ软件对模型进行三维实体建模，材料 系数选取如下：弹性模量２．０１Ｘ１０“Ｐａ，泊松比０．３，密
度７ ８００ ｋｇ／ｍ ，采用ＳＯＬＩＤ４５单元对整个转子划分网 格。划分完网格的模型共有单元８ ０８０个，节点１０ ３８４
个，如图３所示。轴承的约束采用弹簧阻尼单元
ＣＯＭＢＩＮ１４，每个轴承用１组４个单元模拟，前后各２ 组，单元长度与实际轴承内外圈距离相同，如图４所 示，约束按如下原则简化 。：
图３转予有限元模型
图４ ＣＯＭＢＩＮ１４单元约束加载示意图
（１）前端两个轴承外径施加全约束，内径施加轴 向约束；
（２）后端两个轴承外径施加径向约束，内径不约 束；
（３）由于轴承刚度很大，阻尼对横向振动的影响
非常小，所以此轴承模型仅考虑径向刚度的影响，根据
所选轴承得到前后轴承的刚度分别为２３４ Ｎ／ ｍ和 １９８ Ｎ／ ｍ［ 。
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表１转子固有频率及振型
阶次 】 ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８
频率＿，／Ｈｚ ０．６３ＸｌＯ ２ ７６３．２ ２ ８１４．５ ３ ６７７．２ ５ ０９５．１ ５ ｌ３８．６ ７ ５２１．９ ７ ９６７．５ 临界转速 ｌ６５ ７９２ ｌ６８ ８７０ ２２０ ６３２ ３０５ ７０６ ３０８ ３ｌ６ ４５ｌ ３１４ ４７８ ０５０ ｎ／（ｒ／ｍｉｎ） 振型 扭转 Ｚ轴正向弯曲 Ｙ轴正向弯曲 摆动 Ｚ轴正向弯曲 Ｙ轴正向弯曲 Ｚ轴负向弯曲 Ｙ轴负向弯曲
２高速电主轴性能研究
２．１静态性能分析 以图３建立的转子一轴承模型为基础，在前端施
加正压力模拟刀柄对转子的径向压力Ｆ ＝４５０ Ｎ。 计算所得的转子静力变形云图如图５所示，变形
最大为２．０７ ｔｘｍ，发生在最前端；其他位置变形均匀减
小，后轴承位置基本不变形。根据刚度的计算公式Ｋ
＝Ｆ／８（ 为变形量），可计算出转子的静刚度为２１７．３９
Ｎ／ｐ，ｍ。
图５转子爵力变形云图
２．２模态分析
模态分析的目的是得到转子的一阶、二阶固有频 率，使电主轴在工作时避开临界转速区域，保证加工精
度，不会产生共振，并为下一步谐响应分析做准备。 在原有模型的基础上，利用Ｂｌｏｃｋ Ｌａｔｎｃｚｏｓ模态提
取法得到前８阶振型与频率如表１所示，阶次１的固
有频率很低，几乎为０，对应的振型是转子的刚性位 移，不可视为临界转速；阶次２和阶次３的频率和振型
相似只是方向不同，分别是ｚ、王，轴弯曲，可看做重根 处理，视为转子第一阶固有频率，临界转速ｎ＝６０ｆ＝
１６５ ７９２ ｒ／ｍｉｎ，振型图如图６所示；阶次５与６、７与８
也可看做重根处理。笔者公司生产的１００ ＨＳＫ高速
电主轴最高转速是３０ ０００ ｒ／ｍｉｎ，频率５００ Ｈｚ，是临界
转速的１８．１％，按照刚性转子的要求／７，≤０．７ｎ，，可见
此轴在安全范围内。 图６ ＩＯＯＨＳＫ高速电主轴转子一阶振型图
２．３谐响应分析与加工刀具的选择 谐响应分析前提要确定所受到的简谐载荷，激振
力的公式为Ｐ（ｔ）＝ｐｃｏｓ（ｗｔ＋（ｂ），其中Ｐ、６０、 分别是激 励幅值、激励频率和相位角 。
与车削、磨削电主轴不同，雕刻电主轴工作时多为
多刃切削，所以激励频率 不等于电主轴的转动频 率，而是其整数倍，即∞＝ＺＦｔ。／６０（Ｆ／， 是主轴的工作转
速，ｒ／ｍｉｎ；ｋ代表铣刀刀刃数），对于刃数为１—４的不 同铣刀在最高转速３０ ０００ ｒ／ｍｉｎ时，激励频率分别为
５００ Ｈｚ、ｌ ０００ Ｈｚ、１ ５００ Ｈｚ、２ ０００ Ｈｚ；激励幅值就是电
主轴所受到的径向力Ｆ＝４５０ Ｎ。
１．Ｏ ７．５ ．５ ２．５ ０ Ｉ ｌ
Ｊ 《
２ ０００ ２ ２８０ ２ ５５０ ２ ８４０ ３ １２０ ３ ４００ ２ １４０ ２ ４２０ ２ ７００ ２ ９８０ ３ ２５０ 频率／Ｈｚ
图７转子幅频特性曲线（２ ０００－３ ４００ Ｈｚ）
在谐响应分析时，要省时省力得到较为准确的幅 频曲线，就必须合理确定频域范围，根据上一节可知一
阶固有频率在２ ７６３ Ｈｚ附近，所以设定频域分析范围
２ ０００～３ ５００ Ｈｚ。分析结果如图７所示，考察了转子
