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      ANSYS高速切削加工技術(shù)的發(fā)展對(duì)機(jī)床電主軸的性能提出了越來(lái)越高的要求。電主軸技術(shù)繼續(xù)向高速度、高剛度、高精度、高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩、快速啟停等方向發(fā)展。目前代表高速電主軸先進(jìn)技術(shù)水平的公司主要有德國(guó)GMN、西門子、瑞士IBAG、美國(guó)Setco、意大利Omlet、Faemat、Gamfior、日本大隈等。例如， IBAG 公司生產(chǎn)的電主軸最大轉(zhuǎn)速可達(dá)140 000 r /min，直徑范圍33 ～ 300 mm，功率范圍0 ． 125 ～ 80 kW，扭矩范圍0． 02 ～ 300 N·m。德國(guó)CYTEC 公司生產(chǎn)的數(shù)控銑床和車床用電主軸的最大扭矩達(dá)到了630 N·m; 機(jī)床電主軸的啟、停加速度可達(dá)到lg 以上，全速啟、停時(shí)間在l s 以內(nèi)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的加工中心用電主軸轉(zhuǎn)速大多集中在15 000 ～ 25 000 r /min，功率一般都低于50 kW，靜動(dòng)態(tài)性能與國(guó)際先進(jìn)水平相比也相差較大［1］。提高電主軸性能需要從主軸、軸承、電動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑、控制等多方面技術(shù)入手，其中提高主軸的剛度、減輕其質(zhì)量都有助于提高電主軸的靜動(dòng)態(tài)性能。國(guó)內(nèi)外也嘗試采用工程陶瓷等新型材料制造高速主軸，但仍處于研究探索階段。工程陶瓷具有密度小、彈性模量大、膨脹系數(shù)小、阻尼系數(shù)較大等優(yōu)良特性。本研究采用工程陶瓷作為高速電主軸材料，對(duì)其設(shè)計(jì)及動(dòng)靜態(tài)性能進(jìn)行了研究。

      1 高速陶瓷電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      1． 1 陶瓷電主軸材料的選擇

      為了減小主軸質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、提高主軸系統(tǒng)的靜剛度、動(dòng)剛度、熱剛度以及定向停急停功能，主軸材料盡可能具有彈性模量大、阻尼系數(shù)大、密度小、熱容量大、熱脹系數(shù)小以及加工性能好等特點(diǎn)。通過(guò)表1中各種材料的分析比較，本設(shè)計(jì)選用熱壓Si3N4作為主軸材料。熱壓Si3N4具有良好的綜合機(jī)械性能，在各種應(yīng)用中已證明其強(qiáng)度及抗疲勞的可靠性［2］。

      1． 2 陶瓷電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      目前高速電主軸廣泛采用混合陶瓷球軸承。混合陶瓷球軸承分為兩類: 一類是滾動(dòng)體用陶瓷材料( 熱等靜壓Si3 N4) 制成，而內(nèi)外圈仍用軸承鋼制造; 另一類為滾動(dòng)體和內(nèi)圈用陶瓷材料制造，而外圈仍用軸承鋼。軸承鋼和陶瓷材料的膨脹系數(shù)不一樣，為使陶瓷主軸和軸承內(nèi)圈相互匹配，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)圈和滾珠都為陶瓷材料而外圈為軸承鋼的角接觸混合陶瓷球軸承。混合陶瓷球軸承接觸角為18°，背對(duì)背配置形式。根據(jù)高速電主軸設(shè)計(jì)資料確定主軸直徑、軸端懸伸、主軸跨距等結(jié)構(gòu)參數(shù)［3］。該電主軸采用HSK 無(wú)鍵高速刀柄，適于高速輕載加工。

      高速陶瓷電主軸結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。設(shè)計(jì)實(shí)例參數(shù): 主軸電動(dòng)機(jī): W13 /17． 5 － 4 － 155e 型變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)額定功率80 kW，額定轉(zhuǎn)矩229 N·m;主軸最高轉(zhuǎn)速30 000 r /min; 額定轉(zhuǎn)速3 000 r /min; 主軸軸承類型，前軸承SKF C71912FB /P7，后軸承SKFC71910FB / P7 ; 主軸跨距L為280 mm; 主軸懸伸量a為70 mm; 主軸前端直徑D 為70 mm。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度為145 mm，階梯套與主軸前后配合面長(zhǎng)度均為40 mm，轉(zhuǎn)子外徑為108 mm。前后支撐處主軸內(nèi)孔直徑均為26 mm。階梯套4 與主軸為可拆卸過(guò)盈聯(lián)接，采取油浴熱壓裝配。為了更換前軸承，階梯套應(yīng)方便拆卸，階梯套上有2 個(gè)對(duì)稱油孔，通過(guò)向小孔中注入壓力油使階梯套內(nèi)凹處前后端面產(chǎn)生壓力差而卸下階梯套［4］。

      2 陶瓷主軸靜態(tài)性能分析

      利用ANSYS 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)陶瓷電主軸進(jìn)行分析，選用SOLID45 三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元對(duì)主軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與階梯過(guò)盈套筒視為一整體。軸承被視為彈簧－ 阻尼單元，將每個(gè)軸承用4 個(gè)沿圓周均勻分布的彈簧等效［4］。每個(gè)均布的彈簧都用1 個(gè)彈簧－阻尼單元COMBIN14 模擬。根據(jù)所選用軸承得到前軸承剛度為272. 6 N/μm，后軸承剛度為201. 3 N/μm。在建立模型約束時(shí)，根據(jù)軸承受力情況，限制彈簧－ 阻

      尼單元外部節(jié)點(diǎn)自由度。前端軸承限制主軸的軸向位移，故前支承2 個(gè)軸承內(nèi)部8 個(gè)節(jié)點(diǎn)添加軸向自由度的約束; 后軸承為軸向自由端，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)不限制自由度。主軸邊界條件的設(shè)定為在主軸前端面處施加徑向力Fr = 4 386. 3 N( 按典型加工參數(shù)確定) 。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分、定義約束，并加入負(fù)載后便得到有限元模型，如圖2 所示。

      陶瓷主軸變形云圖如圖3 所示( 鋼主軸略) ，主軸靜態(tài)變形為17. 9 μm，計(jì)算得到靜剛度為245 N/μm。陶瓷主軸的靜態(tài)變形和靜剛度與鋼主軸對(duì)比如表2 所示。

      的靜剛度，提高幅度較大。陶瓷電主軸靜剛度較高的原因是熱壓Si3N4陶瓷的彈性模量較高所致。

      3 高速陶瓷電主軸動(dòng)態(tài)性能分析

      3． 1 高速陶瓷電主軸的模態(tài)分析

      對(duì)陶瓷主軸系統(tǒng)有限元模型采用ANSYS 中的Block Latnczos 模態(tài)提取法，模態(tài)分析計(jì)算后得到六階振動(dòng)特性云圖( 固有頻率與振型) ，如圖4 所示。圖4a所示陶瓷主軸的一階固有頻率為零，對(duì)應(yīng)的主振型為主軸的剛體位移。由圖4b ～ f 可以看出，由于二、三階的固有振動(dòng)頻率很接近，近似相等，而且其振型表現(xiàn)為正交，因此可將其視為重根; 同理五、六階同樣也可以看作重根。

      根據(jù)模態(tài)分析得到的各階固有頻率，由轉(zhuǎn)速和頻率之間的關(guān)系n = 60f( n 為轉(zhuǎn)速，r /min; f 為頻率，Hz) ，便求得陶瓷主軸和鋼主軸的臨界轉(zhuǎn)速如表3 所示。由表3 可以看出，陶瓷主軸的各階臨界轉(zhuǎn)速都高于同尺寸鋼主軸的對(duì)應(yīng)階次臨界轉(zhuǎn)速，因此陶瓷主軸能夠得到更高的臨界轉(zhuǎn)速。陶瓷主軸的臨界轉(zhuǎn)速明顯提高的原因是陶瓷材料的彈性模量大和密度小。

      3． 2 高速陶瓷電主軸的諧響應(yīng)分析

      圖5 所示為陶瓷電主軸前端的徑向響應(yīng)位移－ 頻率曲線。陶瓷主軸設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)定主軸最高工作轉(zhuǎn)速為30 000 r /min，其工作頻率最高為500 Hz，由圖5 可見(jiàn)陶瓷主軸能有效避開(kāi)共振區(qū)，而不會(huì)產(chǎn)生共振。由圖6 可知，曲線1( 即陶瓷主軸的中部節(jié)點(diǎn)位置) 所代表的徑向響應(yīng)位移最大，即當(dāng)陶瓷主軸發(fā)生共振時(shí)，軸的中部容易產(chǎn)生破壞。

      4 高速陶瓷電主軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

      提高陶瓷主軸靜剛度可以提高其動(dòng)態(tài)性能，以靜剛度為目標(biāo)對(duì)陶瓷主軸做進(jìn)一步優(yōu)化［5］。根據(jù)陶瓷

      電主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主軸前端懸伸量決定于電主軸軸端的結(jié)構(gòu)形式，故設(shè)為定值。前后軸承和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的安裝位置對(duì)主軸剛度和動(dòng)態(tài)特性影響較大。將圖1中cd 設(shè)為參數(shù)LS1，ef 為參數(shù)LS2，gh 為參數(shù)LS3，并將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子左端面e 與前支承點(diǎn)d 之間的距離設(shè)為參數(shù)LM。其他各關(guān)鍵點(diǎn)處的尺寸都可由這4 個(gè)參數(shù)確定，電主軸的有限元分析幾何模型如圖1 所示。陶瓷主軸前端的橫向位移，設(shè)為參數(shù)DOFMAX; 使用ANSYS優(yōu)化模塊讀取整個(gè)主軸的應(yīng)力最大值，設(shè)為參數(shù)SMAXI。優(yōu)化序列如表4 所示。

      由表4 可見(jiàn)，在第2 次迭代后得到最優(yōu)化參數(shù)。當(dāng)LS1 = 74. 258 mm、LS2 = 208. 620 mm、LS3 = 75. 771mm、LM = 9. 235 9 mm 時(shí)，Min［DOFMXA］ = 11. 975μm，此時(shí)，主軸的徑向靜剛度達(dá)到最大，為4 386. 3 /11. 975 = 366. 288 N/μm，陶瓷主軸總長(zhǎng)度比初始設(shè)計(jì)長(zhǎng)度減小了4 mm。

      5 結(jié)語(yǔ)

      通過(guò)陶瓷電主軸的動(dòng)靜態(tài)性能分析，得出以下結(jié)論:

      ( 1) 陶瓷主軸比同尺寸鋼主軸具有更高的靜態(tài)剛度，提高36. 3%。靜剛度的提高主要與主軸材料的彈性模量有關(guān)。

      ( 2) 陶瓷主軸的動(dòng)態(tài)特性明顯優(yōu)于鋼主軸，臨界轉(zhuǎn)速較鋼電主軸提高了17. 6% ～ 28. 4%，陶瓷主軸的臨界轉(zhuǎn)速明顯提高主要?dú)w因于陶瓷材料的彈性模量大和密度小。由諧響應(yīng)分析可以得出，陶瓷主軸能有效避開(kāi)共振區(qū)，有利于實(shí)現(xiàn)更高速加工。

      ( 3) 高速陶瓷電主軸主要應(yīng)用于高速輕載加工，因其材料特征不適于沖擊較大的低速大轉(zhuǎn)矩場(chǎng)合