滾動(dòng)軸承電主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模技術(shù)綜述

滾動(dòng)軸承電主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模技術(shù)綜述

高速加工是代表現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展趨勢的一項(xiàng)新技術(shù)。它不僅具有較高的生產(chǎn)能力，而且能夠顯著提高零件的加工精度和表面質(zhì)量，并進(jìn)行了困難零件和薄件的高效、精確加工。高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速加工的裝備基礎(chǔ)。電主軸是高速機(jī)床的核心功能部件,其特點(diǎn)是將機(jī)床主軸功能和電動(dòng)機(jī)功能從結(jié)構(gòu)上融為一體,省去了復(fù)雜的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),具有速度高、精度高、調(diào)速范圍寬、振動(dòng)噪聲小、可快速起動(dòng)和定向停等優(yōu)點(diǎn)。由于電主軸直接參與機(jī)床加工,其動(dòng)力學(xué)特性對機(jī)床的切削穩(wěn)定性和加工精度的影響顯著,因此有必要對電主軸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行深入研究。滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力小、功耗小、起動(dòng)容易、便于系列化和標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn),是目前電主軸的主要支承方式。角接觸球軸承由于允許的極限轉(zhuǎn)速高、精度高、剛度高,在電主軸中獲得了廣泛應(yīng)用。角接觸球軸承電主軸主要應(yīng)用于加工中心、數(shù)控銑床、車床、內(nèi)圓磨床和高速雕銑機(jī)中。本文主要針對角接觸球軸承滾動(dòng)軸承電主軸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)行綜述,闡述該領(lǐng)域國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,總結(jié)電主軸動(dòng)力學(xué)分析的主要方法,分析影響電主軸動(dòng)力學(xué)特性的主要因素,最后預(yù)測角接觸球軸承電主軸系統(tǒng)力學(xué)的未來研究方向。1主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模1.1相對靜力學(xué)理論的發(fā)展?jié)L動(dòng)軸承在實(shí)際工作過程中,會(huì)受到單一載荷或多個(gè)載荷的聯(lián)合作用,使軸承內(nèi)部各零件間產(chǎn)生一定的接觸變形和相對位移。高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),所產(chǎn)生的離心力和陀螺力矩會(huì)使軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)顯著變化,從而影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能。從國內(nèi)外發(fā)展情況來看,滾動(dòng)軸承力學(xué)模型的研究主要經(jīng)歷了靜力學(xué)分析、擬動(dòng)力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析三個(gè)階段。靜力學(xué)分析的基本理論是針對球軸承內(nèi)部滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈滾道之間受力情況的Hertz接觸理論。在此基礎(chǔ)上,Stribeck建立了球軸承的靜力分析模型,推導(dǎo)出鋼球的最大載荷與徑向載荷之間的關(guān)系。此后Palmgren等對軸承在徑向、軸向和力矩載荷作用下的變形與滾動(dòng)體載荷分布進(jìn)行了分析。但靜力學(xué)模型只是根據(jù)簡單的力學(xué)關(guān)系和理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來分析軸承的受載和運(yùn)動(dòng)情況,采用了運(yùn)動(dòng)約束假設(shè)(如鋼球在外套圈溝道僅發(fā)生純滾動(dòng)而無自旋運(yùn)動(dòng)等),沒有考慮保持架運(yùn)動(dòng)以及滾動(dòng)體振動(dòng)和不對稱等因素的影響,也沒有考慮軸承各物理量隨時(shí)間變化的情況。在靜力學(xué)理論基礎(chǔ)上,Jones提出了計(jì)算軸承速度和載荷的“套圈控制理論”,并利用此理論建立了擬動(dòng)力學(xué)分析模型,首次將球的離心力和陀螺力矩等慣性力作為外力引入球滾動(dòng)體受力分析的平衡方程中。但他在建模時(shí),未考慮潤滑劑的作用,因此不能準(zhǔn)確地預(yù)測軸承內(nèi)部的滑動(dòng)。Harris進(jìn)一步考慮了潤滑劑的彈流作用,發(fā)展了軸承的彈性流體潤滑理論,使擬動(dòng)力學(xué)分析理論趨于完善,但還不足以全面描述滾動(dòng)軸承的動(dòng)態(tài)性能。Walters提出的軸承動(dòng)力學(xué)分析模型,考慮了球的四自由度運(yùn)動(dòng)和保持架的六自由度運(yùn)動(dòng),計(jì)算了軸承在任意時(shí)刻鋼球及保持架的位移、轉(zhuǎn)速以及軸承內(nèi)部的滑動(dòng)等,但該模型未考慮潤滑膜的擠壓效應(yīng)和保持架的彈性作用。Gupta對軸承中各零件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系做了詳細(xì)分析,考慮了軸承零件的速度變化和相應(yīng)慣性力的影響,提出了模擬任意運(yùn)轉(zhuǎn)條件下滾動(dòng)軸承的動(dòng)力學(xué)分析模型。Meeks對Gupta所建模型進(jìn)行完善,建立了保持架的六自由度動(dòng)力學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了保持架的優(yōu)化設(shè)計(jì),改善了保持架的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性,開發(fā)了高速軸承的仿真程序。歐陽土中以Gupta的軸承理論為依據(jù),對運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)及坐標(biāo)變換、滾動(dòng)軸承中零件的相互作用、彈性流體動(dòng)力潤滑的牽引性能、運(yùn)動(dòng)微分方程的建立以及運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值積分等問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。相對靜力學(xué)模型和擬動(dòng)力學(xué)模型,動(dòng)力學(xué)模型更趨完善,它用求解軸承零件的運(yùn)動(dòng)微分方程取代了靜力平衡方程,能更有效模擬軸承零件的振動(dòng)、傾斜、保持架的不穩(wěn)定性、潤滑劑的牽引性能乃至隨時(shí)間變化的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況等動(dòng)態(tài)特征。對軸承運(yùn)動(dòng)參數(shù)的分析結(jié)果與工程實(shí)際吻合更好。1.2主軸-軸承動(dòng)力學(xué)模型主軸-軸承系統(tǒng)建模的早期研究,多將主軸假設(shè)成剛性梁,系統(tǒng)的撓性和阻尼均來自軸承,并將系統(tǒng)簡化為有限個(gè)自由度問題求解。如Spur對機(jī)床主軸和軸承的靜動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析時(shí),只考慮了軸承徑向一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),忽略了軸向和力矩方向的運(yùn)動(dòng),且未考慮軸承剛度的非線性影響。隨著研究的深入,在主軸-軸承系統(tǒng)建模時(shí),有必要將離心力、陀螺效應(yīng)等因素考慮在內(nèi)。Wang等在假設(shè)無外力作用下,考慮了離心力和陀螺力矩影響,建立主軸-軸承系統(tǒng)模型。Chen等假設(shè)由離心力和陀螺力矩作用所引起的軸承內(nèi)外套圈位移與軸變形相等的情況下,建立了主軸-軸承動(dòng)力學(xué)模型。Jorgensen基于Timoshenko梁理論,在考慮軸承剛度非線性變化的基礎(chǔ)上,建立主軸-軸承系統(tǒng)模型,重點(diǎn)分析了切削力、刀具質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度對主軸—軸承系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。李松生等研究了軸承內(nèi)部動(dòng)力學(xué)狀態(tài),建立了主軸-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,并對影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的因素進(jìn)行分析。上述模型在一定程度上反映了電主軸的動(dòng)態(tài)特性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,電主軸中加裝拉刀系統(tǒng)越來越普遍。由于機(jī)床的切削主要依靠與主軸聯(lián)接的刀具系統(tǒng)進(jìn)行,而主軸與刀具夾頭聯(lián)接面對整個(gè)主軸變形的影響程度大于50%,因此在建模時(shí),還需進(jìn)一步考慮刀具系統(tǒng)的影響,才能更真實(shí)地反映電主軸的動(dòng)態(tài)特性。Schmitz用試驗(yàn)和解析相結(jié)合的方法建立了高速機(jī)床的“刀具-刀夾-主軸”系統(tǒng)模型,較好地預(yù)測了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。蔣書運(yùn)等將電主軸“殼體-主軸-拉桿機(jī)構(gòu)”相耦合,建立了高速電主軸動(dòng)力學(xué)模型,進(jìn)行主軸系統(tǒng)整機(jī)臨界轉(zhuǎn)速特性分析和動(dòng)剛度分析,結(jié)果表明考慮刀具系統(tǒng)后,主軸系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速明顯下降。由于電主軸是由多個(gè)零部件通過結(jié)合部組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu),僅引入刀具、刀夾等因素,還無法全面反映電主軸整體的動(dòng)力學(xué)性能。針對電主軸的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn),有必要將“軸承-主軸-電動(dòng)機(jī)-負(fù)載”作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,進(jìn)一步考慮支承剛度非線性、主軸熱擴(kuò)散及熱變形等熱態(tài)性能對電主軸動(dòng)態(tài)性能的影響。1.3熱-機(jī)械耦合電主軸主要有軸承摩擦發(fā)熱和電動(dòng)機(jī)損耗發(fā)熱兩大熱源,熱變形比傳統(tǒng)機(jī)械主軸更為嚴(yán)重。由于主軸-軸承系統(tǒng)在高速旋轉(zhuǎn)下的熱-機(jī)械耦合特性非常復(fù)雜,基于單純的機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型很難準(zhǔn)確地描述。因此有必要建立“軸承-主軸熱-機(jī)械耦合動(dòng)力學(xué)”模型,系統(tǒng)分析和預(yù)測主軸-軸承系統(tǒng)熱-機(jī)械耦合特性,進(jìn)而為機(jī)床加工提供熱變形補(bǔ)償理論指導(dǎo),以提高加工精度。Kim等研究了軸承裝配誤差、幾何尺寸、預(yù)緊力和熱變形等的變化對高速電主軸-軸承系統(tǒng)的熱-機(jī)械耦合特性的影響。Lin等提出了一個(gè)綜合電主軸動(dòng)態(tài)熱態(tài)性能的模型,定量描述了熱變形引起的軸承預(yù)緊力對軸承剛度和整個(gè)主軸動(dòng)態(tài)性能的影響,以及高速旋轉(zhuǎn)離心力和陀螺力矩的影響和主軸單元?jiǎng)討B(tài)性能對切削區(qū)的影響,但尚未考慮外載荷和轉(zhuǎn)軸本身熱擴(kuò)散和熱變形以及軸承與轉(zhuǎn)軸和軸承座配合隨速度、溫度變化對主軸支承剛度的影響等因素。Li在考慮軸承阻尼、剪切變形和主軸支承剛度等的基礎(chǔ)上,建立了“機(jī)械-熱特性主軸-軸承”系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。熱模型通過軸承配置中的熱膨脹和在整個(gè)系統(tǒng)中的熱傳遞與主軸動(dòng)態(tài)模型耦合起來,能很好地計(jì)算軸承的熱膨脹及其引起的動(dòng)態(tài)特性,其他參數(shù)對固有頻率的影響也能夠較為準(zhǔn)確地估計(jì),并能精確處理復(fù)雜幾何形狀及復(fù)雜物理特性的高速電主軸。蔣興奇在考慮軸承載荷和變形的非線性特性及摩擦熱影響的情況下,建立了主軸熱變形和固有頻率的計(jì)算模型。何曉亮等對軸承高速時(shí)熱態(tài)特性做了研究和試驗(yàn),把主軸、軸承和軸承座作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了熱態(tài)分析。1.4機(jī)、主軸及刀具之間的機(jī)電耦合關(guān)系在高速電主軸中,除了因轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡會(huì)產(chǎn)生偏心力和力偶外,電動(dòng)機(jī)的高頻電磁力作用也會(huì)產(chǎn)生電磁激振。此外逆變器、電動(dòng)機(jī)、主軸及刀具、載荷之間存在復(fù)雜的機(jī)電耦合關(guān)系。熊萬里等在傳統(tǒng)砂輪轉(zhuǎn)子機(jī)械模型的基礎(chǔ)上建立了“逆變器-電主軸-砂輪-磨削載荷”系統(tǒng)的機(jī)電耦合數(shù)學(xué)模型。利用該模型研究了啟動(dòng)、升速及突變磨削載荷等條件下磨削系統(tǒng)的幾類典型非平穩(wěn)過程,并在超高速平面磨床上進(jìn)行了試驗(yàn)研究。該模型能有效反映高頻逆變器、高速電主軸、砂輪以及磨削載荷之間的機(jī)電耦合動(dòng)態(tài)特性。2電主軸動(dòng)態(tài)特性分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條電主軸動(dòng)力學(xué)模型是動(dòng)力分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),若要進(jìn)行電主軸動(dòng)態(tài)特性分析和電主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì),必須對模型進(jìn)行計(jì)算分析。目前常用的計(jì)算分析方法主要有傳遞矩陣法和有限元法等。2.1提高了傳遞矩陣法的數(shù)值穩(wěn)定性傳遞矩陣法是針對集中質(zhì)量模型,通過傳遞矩陣建立兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)間的傳遞關(guān)系,導(dǎo)出系統(tǒng)的振動(dòng)方程并求解的計(jì)算方法。利用這種方法進(jìn)行軸系固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算十分方便,但存在數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象。近年來,國內(nèi)外學(xué)者通過Riccati變換,使用Riccati傳遞矩陣法求解,把原來微分方程式的兩點(diǎn)邊值問題變換成一點(diǎn)初值問題,在保留傳統(tǒng)傳遞矩陣法優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),從根本上提高了傳遞矩陣法的數(shù)值穩(wěn)定性。毛海軍將軸段的分布質(zhì)量矩陣引入Riccati傳遞矩陣法中,導(dǎo)出了基于分布質(zhì)量Riccati傳遞矩陣法模型的頻響函數(shù)計(jì)算公式。結(jié)果表明,其計(jì)算精度明顯高于有限元法與Prohl傳遞矩陣法,且與所取單元數(shù)無關(guān),能方便地計(jì)算陀螺力矩等的影響。雖然Riccati傳遞矩陣法數(shù)值穩(wěn)定性好,但其頻率方程的奇點(diǎn)容易引起“增根”和“漏根”,在使用上受到限制。朱梓根提出了整體傳遞矩陣法,并將該方法用于多轉(zhuǎn)子相互耦合的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究。郭策將整體傳遞矩陣法應(yīng)用于機(jī)床主軸系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算,結(jié)果表明利用整體傳遞矩陣法能夠方便、有效地求解多轉(zhuǎn)子耦合系統(tǒng)的固有頻率,且編程簡單,易于實(shí)現(xiàn)。2.2車床主軸單元的動(dòng)特性,得到了充分有限元法是將求解區(qū)域劃分為有限個(gè)單元,再選定逼近模式分片插值,分析得到單元的特征矩陣,最后把各單元特征矩陣組裝成結(jié)構(gòu)的總特征矩陣,對整個(gè)機(jī)構(gòu)的方程組進(jìn)行求解。劉晶對某型數(shù)控車床主軸單元的動(dòng)特性進(jìn)行了計(jì)算和分析,結(jié)果表明利用有限元法計(jì)算出的主軸組件的低階固有頻率和固有振型,與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好。目前市場上的ANSYS等有限元軟件,可以很方便地進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析等。與傳遞矩陣法相比,用有限元法分析主軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性,結(jié)果更為穩(wěn)定,不會(huì)出現(xiàn)“失根”等現(xiàn)象。由于主軸結(jié)構(gòu)相對簡單,劃分單元數(shù)較少,其在計(jì)算速度上的劣勢并不明顯,已在主軸特性分析領(lǐng)域中得到廣泛使用。2.3高效電主軸動(dòng)態(tài)分析技術(shù)隨著滾動(dòng)軸承的廣泛使用和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,利用計(jì)算機(jī)仿真、模擬各種因素對主軸、軸承性能的影響是一種有效的方法。世界著名的軸承公司和電主軸公司如SKF、NSK、GMN和IBAG等均開發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)分析軟件。日本NSK公司開發(fā)的軸承分析軟件BRAIN具有軸承設(shè)計(jì)開發(fā)、軸承性能分析、軸承發(fā)熱及壽命預(yù)測等強(qiáng)大功能。國內(nèi)洛陽軸承研究所、湖南大學(xué)和東南大學(xué)等單位也在電主軸動(dòng)態(tài)分析軟件開發(fā)方面開展了較系統(tǒng)的研究工作。劉衛(wèi)群等用有限元方法結(jié)合迭代的分析方法,編制了計(jì)算程序,對高速軸承在不同預(yù)載下的變形、應(yīng)力進(jìn)行分析,為分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和載荷下球軸承的靜特性提供了重要的手段。熊萬里和蔣書運(yùn)等運(yùn)用有限元法和傳遞矩陣法,建立了高速電主軸的軸系動(dòng)態(tài)特性模型,開發(fā)了電主軸動(dòng)態(tài)分析軟件。與以往研究中將軸承剛度作為常值處理不同,上述研究均考慮了軸承剛度隨轉(zhuǎn)速呈非線性變化,因而得到的電主軸固有頻率是隨轉(zhuǎn)速不斷變化的。上述技術(shù)已成功應(yīng)用于湖南大學(xué)2003年開發(fā)的“永磁同步型電主軸”(如圖1)中。但與國外相比,國內(nèi)軟件在數(shù)據(jù)庫支撐和工程應(yīng)用及驗(yàn)證方面還需充實(shí)和改善。3影響主軸動(dòng)態(tài)特性的主要因素是主軸動(dòng)態(tài)特性的主要因素3.1可控預(yù)緊力發(fā)展的必要性預(yù)緊是影響電主軸剛度、精度和壽命的最主要因素。目前電主軸的預(yù)緊方式主要包括定位預(yù)緊、定壓預(yù)緊和可控預(yù)緊。圖2~4給出了湖南大學(xué)在電主軸研制中采用過的幾種預(yù)緊方式。下面分別評述三種預(yù)緊方案。定位預(yù)緊通過調(diào)整襯套使組配軸承內(nèi)圈之間和外圈之間處于某一固定位置,從而使軸承獲得合適預(yù)緊。該預(yù)緊方式下,隨著預(yù)緊力的增大,軸承剛度不斷提高,主軸振動(dòng)減小,主軸系統(tǒng)固有頻率增加。因此從剛度方面考慮,預(yù)緊力越大越好;但預(yù)緊力過大會(huì)導(dǎo)致摩擦熱大量增加,限制軸承速度性能的提高,同時(shí)會(huì)加劇接觸表面的磨損,軸承精度壽命降低。事實(shí)上為確保軸承的精度壽命和高速性能,往往希望軸承預(yù)緊載荷越小越好。但預(yù)緊載荷過小,球與溝道會(huì)產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。因此預(yù)緊應(yīng)根據(jù)載荷分布、工況等具體情況來確定。當(dāng)主軸承受載荷較大,剛度要求高時(shí),可選用定位預(yù)緊。但定位預(yù)緊限制了內(nèi)外圈的軸向位移、主軸和軸承座溫度差引起的軸向熱位移、內(nèi)外圈溫度差引起的徑向熱位移等使接觸載荷發(fā)生變化,不利于軸承的高速化。定壓預(yù)緊是利用彈簧等預(yù)緊裝置,使軸承得到合適的預(yù)緊,其相對位置在使用過程中,會(huì)隨轉(zhuǎn)速及外載荷的變化而有所改變。由于彈簧的剛度與軸承的剛度相比很小,在受到外加軸向載荷時(shí),可近似認(rèn)為其中一軸承保持預(yù)載荷不變,而外加軸向載荷完全由另一軸承承受,因此定壓預(yù)緊對提高支承系統(tǒng)的剛度不顯著,但有利于軸承的高速化。因?yàn)橹鬏S高速旋轉(zhuǎn)時(shí),產(chǎn)生作用于球上的離心力和內(nèi)圈的離心力導(dǎo)致自身膨脹及內(nèi)外套圈的溫差等,引起軸承相對位置的微小變化可由彈簧吸收。因此工程中對于速度高的主軸常采用定壓預(yù)緊。但它也存在明顯的不足:低速時(shí)預(yù)緊力偏小,使軸承剛性下降,主軸抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力弱,導(dǎo)致加工精度下降;高速時(shí)預(yù)緊力偏大,使軸承溫升加劇。針對此,國內(nèi)外學(xué)者在定壓預(yù)緊和定位預(yù)緊的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了可控預(yù)緊方法。如利用液壓油缸和彈簧對軸承同時(shí)施加預(yù)緊,根據(jù)工況需求提供相應(yīng)的預(yù)緊力,確保低速時(shí)剛度高而高速時(shí)不出現(xiàn)過大預(yù)載荷,使電主軸在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動(dòng)力學(xué)性能達(dá)到最佳。紀(jì)宗輝等研究表明,在滿足一階臨界轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),低速時(shí)可控預(yù)緊的軸承剛度、軸端剛度遠(yuǎn)高于定壓預(yù)緊,而在高速輕切削時(shí),可控預(yù)緊力明顯低于定壓預(yù)緊,減小了軸承溫升。目前,Fischer和GMN等公司已在部分高端電主軸產(chǎn)品上采用了可控預(yù)緊技術(shù)。國內(nèi)已開發(fā)了相應(yīng)技術(shù),目前尚處于工程試用階段。3.2潤滑潤滑復(fù)合軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前,滾動(dòng)軸承電主軸的支承形式主要采用鋼質(zhì)球軸承和陶瓷球混合軸承。陶瓷球混合軸承與傳統(tǒng)的鋼質(zhì)球軸承相比,具有密度小、彈性模量大、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫等優(yōu)良物理性能和機(jī)械性能。(1)陶瓷球混合軸承材料Si3N4,密度只有鋼的40%。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),可大幅減小滾動(dòng)體的離心力,從而減小球與套圈滾道間的接觸應(yīng)力,延長軸承的使用壽命。另一方面,離心力和陀螺力的減小,使球與內(nèi)、外圈的接觸角之差變小,旋滾比也隨之減小,繼而使軸承中的摩擦及溫升減小,顯著提高電主軸的極限轉(zhuǎn)速。(2)彈性模量大、硬度高。與鋼質(zhì)球軸承相比,相同負(fù)荷下陶瓷球在接觸應(yīng)力作用區(qū)域材料塑性變形小,使軸承的剛度提高,從而提高主軸系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。(3)膨脹系數(shù)小。混合軸承的工作游隙及工作游隙的變化幅度小,導(dǎo)致高速高溫時(shí),滾動(dòng)體與溝道接觸的最大接觸應(yīng)力及接觸負(fù)荷的變化幅度均較小,確保了軸承運(yùn)行平穩(wěn)和發(fā)熱量的減少。袁衛(wèi)等對高速精密陶瓷球軸承和鋼質(zhì)球軸承的性能比較研究表明,在相同工況下,陶瓷球軸承的接觸應(yīng)力、內(nèi)圈移動(dòng)量和旋滾比等,均比鋼球軸承小,而軸向、徑向剛度高于鋼質(zhì)球軸承。在旋轉(zhuǎn)速度低于某值的情況下,它們在工作游隙、旋滾比、軸徑向剛度的性能差異不大,速度一旦高于某值,陶瓷球軸承在動(dòng)態(tài)特性方面的優(yōu)勢就充分顯示出來。3.3考慮配合面固有頻率和阻尼電主軸系統(tǒng)的結(jié)合面主要是指軸承外圈與軸承座結(jié)合面、軸承內(nèi)圈與主軸結(jié)合面、主軸與拉刀系統(tǒng)結(jié)合面、滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體與內(nèi)外套圈滾道結(jié)合面等。當(dāng)電主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),配合面間會(huì)發(fā)生微小的相對位移或轉(zhuǎn)動(dòng),從而表現(xiàn)出既儲(chǔ)存能量又消耗能量的“柔性結(jié)合”的彈性阻尼本質(zhì)和特性。結(jié)合部的這種特性對電主軸的動(dòng)態(tài)性能會(huì)產(chǎn)生顯著影響,表現(xiàn)為使電主軸的整體剛度降低,阻尼增大,從而導(dǎo)致固有頻率降低,振動(dòng)形態(tài)復(fù)雜化。研究表明,電主軸結(jié)構(gòu)中配合面的彈性和阻尼,特別是阻尼,往往比結(jié)構(gòu)本身的彈性和阻尼還大,從而使得配合面的柔度和阻尼占結(jié)構(gòu)總?cè)岫群涂傋枘岬谋戎睾艽蟆?zhǔn)確識別各零件之間結(jié)合面的接觸剛度和接觸阻尼,通過數(shù)學(xué)建模實(shí)現(xiàn)電主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析,一直是國內(nèi)外電主軸領(lǐng)域的研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。羅建平對電主軸固有頻率進(jìn)行模態(tài)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)考慮結(jié)合面的影響后,電主軸的模態(tài)頻率大大降低,所得電主軸模態(tài)頻率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近。但結(jié)合部的阻尼特性、剛度特性等具有強(qiáng)烈的非線性特性,它與激振頻率、介質(zhì)、加工方法、材質(zhì)等因素有關(guān),且還要考慮配合誤差、表面粗糙度、預(yù)緊力和表面介質(zhì)、潤滑情況等因素的影響。因此精確的動(dòng)力學(xué)參數(shù)難以計(jì)算和識別。近年來,越來越多的電主軸結(jié)構(gòu)中引入了拉刀機(jī)構(gòu),它通過主軸與拉刀系統(tǒng)在主軸前后端配合聯(lián)接。聯(lián)接表面間不可避免地存在一定間隙,從而導(dǎo)致系統(tǒng)的微小振動(dòng),影響加工精度。主軸與刀具系統(tǒng)的結(jié)合面在多數(shù)情況下是成為機(jī)床切削系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。若結(jié)合面建模及參數(shù)識別等只能建立在假設(shè)或定性等效的基礎(chǔ)上,將很難準(zhǔn)確對電主軸系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。3.4消除熱變形,減輕主軸的受熱電主軸內(nèi)藏電動(dòng)機(jī)發(fā)熱和軸承發(fā)熱是電主軸的兩大熱源。電動(dòng)機(jī)發(fā)熱主要是電動(dòng)機(jī)銅損和鐵損發(fā)熱。軸承發(fā)熱主要是滾子與滾道的滾動(dòng)摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦、潤滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的摩擦熱。上述各種摩擦隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而加劇,且電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量有一部分通過主軸傳遞給軸承,導(dǎo)致軸承發(fā)熱量更大,溫升增加。所產(chǎn)生熱位移使軸承的預(yù)緊量也隨之增加,產(chǎn)生更多的摩擦熱,限制了主軸單元速度提高,加速了軸承的磨損而使精度壽命下降。蔣興奇等在考慮摩擦熱影響基礎(chǔ)上,建立了主軸軸承動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果表明,考慮摩擦熱后,軸承內(nèi)、外圈接觸載荷及摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速的增加顯著,且遠(yuǎn)大于由預(yù)緊載荷所引起的變化。電主軸內(nèi)藏電動(dòng)機(jī)須通過主軸和主軸箱體進(jìn)行散熱,再加上軸承內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過內(nèi)圈向主軸傳導(dǎo),外圈向電主軸箱體傳導(dǎo),使機(jī)床主軸和箱體產(chǎn)生熱變形。前軸承的直徑和負(fù)荷通常比后軸承大,發(fā)熱量也比后軸承大,且后軸承又遠(yuǎn)離熱源,使前軸承和前箱壁的溫度比后軸承和后箱壁的溫度要高。結(jié)果使主軸的工作端“抬頭”,主軸軸線傾斜,從而影響主軸的精度、剛性和使用壽命。肖曙紅對高速電主軸熱結(jié)構(gòu)耦合特性進(jìn)行有限元分析時(shí)指出,電主軸前端熱位移是引起主軸誤差最主要的原因,均化溫度場可明顯減小電主軸前端的熱位移。改善電主軸系統(tǒng)熱態(tài)特性、減小主軸前端熱變形措施很多。如選用小接觸角、減小滾球半徑等減小摩擦力矩;優(yōu)化溝道半徑系數(shù)、預(yù)緊力,并通過選擇合理的預(yù)緊方式等控制主軸軸承溫升;改進(jìn)主軸結(jié)構(gòu)、采用高效的潤滑方式等增強(qiáng)主軸散熱。另外,在電主軸設(shè)計(jì)時(shí),采用一些特殊的結(jié)構(gòu)也可減小熱變形的影響,如加入直線軸承等。這些措施在一定程度上可減