-緒論背景和意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷前進(jìn)和發(fā)展，制造業(yè)的技術(shù)水平也在不斷的前進(jìn)，追求加工精度更高、加工速度更快已經(jīng)成為人們的迫切需要，這也是高速加工中心誕生的重要原因。高速加工中心相較于傳統(tǒng)的加工機(jī)床具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，首先高速加工中心的加工速度明顯高于普通加工機(jī)床，這也得益于其所裝配的重要零部件——高速電主軸，這也是本文的主要研究?jī)?nèi)容，其次加工速度的提升也帶來(lái)了加工精度的提高，大大提高了總體的加工效率和加工成品的加工精度，所以，高速加工中心從出現(xiàn)開(kāi)始就一直收到人們的親睞。高速加工中關(guān)鍵的一部分就是所使用的高速電主軸，高速電主軸一般裝配在高速加工中心上，加工中心備有刀庫(kù)，可自動(dòng)換刀，不僅能顯著地提高工件表面的加工質(zhì)量，更能通過(guò)減少工序裝夾時(shí)間以及其余輔助時(shí)間來(lái)大大提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，其次，高速加工中心的主軸運(yùn)轉(zhuǎn)速度要大大高于普通的加工機(jī)床，這也在一定程度上提升了加工效率。高速加工中心包括很多部件，與以往普通的加工機(jī)床所不同的是，高速加工中心裝配的是高速電主軸。高速電主軸作為高速加工中心主要運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行件其性能的優(yōu)劣至關(guān)重要。高速電主軸將電機(jī)和主軸固定為一個(gè)部件，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的零級(jí)傳動(dòng)，大大提高了傳動(dòng)效率[16]。因?yàn)橥鈬?guó)開(kāi)始主軸方面的研究比較早，所以國(guó)外的主軸技術(shù)一直領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，我國(guó)高速加工中心所配置的高速電主軸通常情況下是產(chǎn)自國(guó)外，但因?yàn)檫M(jìn)口的高速電主軸價(jià)格高、供貨周期長(zhǎng)，再加上對(duì)中國(guó)的技術(shù)封鎖，有時(shí)候存在就是有足夠的資金預(yù)算也買(mǎi)不到設(shè)備的問(wèn)題，所以我國(guó)的高速加工技術(shù)并沒(méi)有取得什么突破性的進(jìn)展。我國(guó)生產(chǎn)的高速加工機(jī)床在速度和精度兩個(gè)指標(biāo)上還與國(guó)外的機(jī)床具有較大的差距。所以解決電主軸機(jī)械結(jié)構(gòu)上依舊存在的問(wèn)題十分關(guān)鍵，研究電主軸的結(jié)構(gòu)與性能，對(duì)于我國(guó)高速加工技術(shù)躋身世界前列，為我國(guó)現(xiàn)代加工制造業(yè)提供更高精度的高速加工設(shè)備，提高國(guó)家制造業(yè)水平，具有相當(dāng)重要的價(jià)值[10]。本論文的研究目的與意義在于通過(guò)對(duì)電主軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，研究主軸的支撐結(jié)構(gòu)的受力情況、冷卻系統(tǒng)的工作狀況、以及定轉(zhuǎn)子的配合和安裝方式等，對(duì)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行建模。運(yùn)用ABAQUS仿真軟件對(duì)電主軸中、發(fā)熱、模態(tài)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析，研究主軸的模態(tài)特性和在熱源的影響下主軸系統(tǒng)溫度場(chǎng)的分布。得到所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一部分性能指標(biāo)，并為后來(lái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題解決提供參考。為保證仿真工作的有效性，本文還將通過(guò)振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)方法——錘擊法，實(shí)際測(cè)試主軸模態(tài)特性值，并與有限元模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比，提供一種系統(tǒng)的對(duì)電主軸結(jié)構(gòu)和性能的研究方法。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀電主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其中重要的結(jié)構(gòu)例如：定轉(zhuǎn)子、支撐結(jié)構(gòu)（軸承）、潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)、伺服電機(jī)系統(tǒng)、拉刀機(jī)構(gòu)等。由于電主軸對(duì)于高速加工機(jī)床的重要性，所以當(dāng)高速電主軸伴隨著高速加工中心出現(xiàn)的時(shí)候，研究人員就開(kāi)始大量的對(duì)電主軸的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究和分析。由于高速電主軸不是純機(jī)械的結(jié)構(gòu)，所以人們對(duì)電主軸技術(shù)的研究方向也十分廣泛，從開(kāi)始的優(yōu)化結(jié)構(gòu)一直到后來(lái)的提升主軸運(yùn)轉(zhuǎn)速度和運(yùn)轉(zhuǎn)精度，技術(shù)人員一直在做著嘗試。目前市面上已有的電主軸可以根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（軸承和電機(jī)的分布位置）簡(jiǎn)單的劃分為中置式電主軸和后置式電主軸[12]。中置式電主軸顧名思義，內(nèi)部電機(jī)位于兩軸承之間，由前后各兩對(duì)軸承支撐，這樣的分布方式剛度較好，一般中高速的加工機(jī)床上經(jīng)常使用中置式的電主軸。不過(guò)這種分布方式也有其自身的缺點(diǎn)，由于電機(jī)在兩對(duì)軸承之間裝配，隨著電機(jī)的摩擦和損耗，會(huì)產(chǎn)生大量的熱，從而導(dǎo)致主軸的熱變形。后置式電主軸相對(duì)于中置式電主軸散熱能力較好，但由于其分布方式的特點(diǎn)，整體結(jié)構(gòu)剛度較低，無(wú)法傳輸較大的力矩，所以通常應(yīng)用于小型高速加工機(jī)床。電主軸在國(guó)外的發(fā)展歷程要比國(guó)內(nèi)久遠(yuǎn)很多，早在1960年代，國(guó)外就開(kāi)始了電主軸的性能和結(jié)構(gòu)研究[11]。電主軸的應(yīng)用使加工機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)速度在不斷地提升，加工材料的表面粗糙度也在不斷的減小。就像很多國(guó)外的高科技公司一樣國(guó)外的主軸生產(chǎn)公司往往只進(jìn)行主軸的總體設(shè)計(jì)、組裝以及性能研究和測(cè)試，其余的關(guān)鍵零件：如支撐結(jié)構(gòu)（軸承）、定轉(zhuǎn)子、拉刀機(jī)構(gòu)等全部進(jìn)行采購(gòu)。由我國(guó)自主研發(fā)的電主軸已經(jīng)可以達(dá)到80~24000r/min的轉(zhuǎn)速，工作時(shí)的載荷已經(jīng)可以達(dá)到2.5~29KW，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可以傳遞的扭矩可以達(dá)到4~86N·m。總體看來(lái)，我國(guó)的電主軸研究一直在飛速發(fā)展，但仍與國(guó)外某些發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的電主軸有較大的差距，我國(guó)生產(chǎn)的電主軸還是一般使用普通的軸承進(jìn)行支撐，而國(guó)外的電主軸大部分采用陶瓷電主軸進(jìn)行支撐。而且電主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)性能還具有較大的差距，在其低速大轉(zhuǎn)速以及高速大功率方面還是有不小的差距。對(duì)此，加快國(guó)內(nèi)電主軸結(jié)構(gòu)性能的研究，提高各項(xiàng)性能指標(biāo)，對(duì)于提升我國(guó)的制造業(yè)整體水平也是至關(guān)重要的。高速電主軸模、熱態(tài)性能的研究現(xiàn)狀隨著主軸研究的不斷深入，主軸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和零部件組成已經(jīng)有了基本的范式，重要零件就包括內(nèi)置電機(jī)、軸承、外殼、拉刀機(jī)構(gòu)等，在對(duì)電主軸的機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)后，對(duì)主軸系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性進(jìn)行研究也是主軸生產(chǎn)制造過(guò)程中一項(xiàng)必不可少的任務(wù)。本文對(duì)建立的電主軸有限元模型進(jìn)行模態(tài)和熱特性的分析，研究主軸系統(tǒng)的模態(tài)特性和在熱源影響下溫度場(chǎng)的變化。模態(tài)分析隸屬于動(dòng)力學(xué)分析，并且是動(dòng)力學(xué)分析中首先要進(jìn)行的工作，為后面的各種動(dòng)力學(xué)分析提供了最基本的分析數(shù)據(jù)[3]。模態(tài)分析中的結(jié)果會(huì)體現(xiàn)在機(jī)械結(jié)構(gòu)的的固有頻率，以及低階振型。對(duì)電主軸的熱特性分析，主要研究電主軸系統(tǒng)在熱源的影響下其溫度場(chǎng)的變化，熱源主要指軸承的摩擦生熱和電機(jī)的損耗生熱。隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于電主軸熱態(tài)性能的研究，也從最初的經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)方法過(guò)渡到現(xiàn)在計(jì)算機(jī)代替模擬仿真，通過(guò)使用ABAQUS設(shè)置邊界條件、材料屬性等，就可以真實(shí)仿真還原現(xiàn)實(shí)中主軸加工過(guò)程中的生熱和傳熱情況，使得人們對(duì)于電主軸熱態(tài)性能的仿真分析更加符合實(shí)際。本文主要工作主要技術(shù)指標(biāo)電主軸設(shè)計(jì)參數(shù)：1、最高轉(zhuǎn)速：24000r/min，額定轉(zhuǎn)速：12000r/min；2、額定功率：7.5Kw，額定扭矩：6.0N·m；3、最大電流：17A；4、最高頻率：800Hz，額定頻率：400Hz；5、冷卻：水冷（制冷量、充注量查說(shuō)明書(shū)）；6、潤(rùn)滑：油氣4路，油氣流量0.2ccml/min；7、軸端連接：BT30錐度；8、拉刀形式：氣動(dòng)打刀，氣壓0.5MPa，拉刀力220Kg，拉釘BT30-45度；9、動(dòng)平衡精度G0.4；本文研究主要內(nèi)容電主軸作為制造加工中非常重要的一部分，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和性能的提升一直是人們研究的方向和最終想達(dá)到的目的。電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)包含很多的性能參數(shù)，例如轉(zhuǎn)速、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲、主軸的回轉(zhuǎn)精度、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)各處的溫度等等。通過(guò)對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)模型，然后使用ABAQUS軟件對(duì)所需要的主軸性能進(jìn)行分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證有限元分析的正確性，從而得出一定的結(jié)論，這是研究機(jī)械結(jié)構(gòu)及其性能比較有效的方法。在有限元分析中重要的是添加盡量符合真實(shí)的載荷、邊界條件以及材料特性，以保證有限元仿真的對(duì)于實(shí)際問(wèn)題的有效性。本文根據(jù)電主軸的主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)電主軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)例如軸承、支撐、拉刀機(jī)構(gòu)等進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，在SolidWorks操作平臺(tái)對(duì)電主軸系統(tǒng)（包括支撐結(jié)構(gòu)、定轉(zhuǎn)子、冷卻系統(tǒng)等）進(jìn)行整體模型的搭建，并繪制其二維裝配圖。運(yùn)用有限元軟件對(duì)簡(jiǎn)化的電主軸模型進(jìn)行發(fā)熱、模態(tài)相關(guān)問(wèn)題的分析，研究熱源對(duì)其溫度場(chǎng)的影響；在模態(tài)分析中，重點(diǎn)針對(duì)主軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，也是系統(tǒng)中變形最劇烈的部分進(jìn)行模態(tài)分析，重點(diǎn)還原轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所收到的載荷和約束。其中主要是由軸承部分提供徑向的彈性約束，并根據(jù)軸承的安裝方式，設(shè)置主軸前后固定和游動(dòng)條件，最終對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行模擬。對(duì)于主軸溫度場(chǎng)的模擬就應(yīng)該考慮整個(gè)主軸系統(tǒng)，其中熱傳遞問(wèn)題在本文研究題目中主要涉及兩方面，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。主軸系統(tǒng)中主要的發(fā)熱源由兩部分，一部分是軸承，另一部分是電機(jī)，也就是定轉(zhuǎn)子。根據(jù)計(jì)算結(jié)果要在分析中設(shè)置固定的發(fā)熱源來(lái)模擬真實(shí)工作中的發(fā)熱現(xiàn)象。為了還原真實(shí)工作中的熱量傳遞，需要考慮主軸結(jié)合面的熱接觸傳熱問(wèn)題，以及主軸非結(jié)合面的熱對(duì)流傳熱問(wèn)題。最終進(jìn)行模擬，得出主軸系統(tǒng)溫度場(chǎng)的分布。對(duì)于有限元的模態(tài)分析結(jié)果，為驗(yàn)證其真實(shí)可靠性，需通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證，本文采用振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)方法——錘擊法，使用測(cè)試力錘和三向加速度位移傳感器來(lái)測(cè)試主軸系統(tǒng)在激勵(lì)的作用下各點(diǎn)的振動(dòng)情況，并將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理，得出主軸系統(tǒng)的一系列模態(tài)特性值，并與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果誤差控制在某一范圍內(nèi)則說(shuō)明有限元仿真所搭建的模型具有一定的實(shí)用性。機(jī)床電主軸三維模型建立重要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定轉(zhuǎn)子（內(nèi)置電機(jī)）電主軸是電機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電主軸的主要運(yùn)動(dòng)部件就是電主軸的轉(zhuǎn)子。本文電主軸內(nèi)置電機(jī)的主要性能指標(biāo)如下：額定功率7.5KW，最高轉(zhuǎn)速24000r/min。電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子套（矽鋼片）和配重環(huán)組成，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子套的連接并沒(méi)有使用普通的螺紋或者鍵來(lái)連接，而是通過(guò)過(guò)盈配合（過(guò)盈量為0.02~0.03mm）來(lái)提供轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子和定子間也存在著一定的間隙（0.02mm）。支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)軸承的選用軸承主要由滾動(dòng)體、保持架、內(nèi)圈外圈幾部分組成，對(duì)于高速電主軸軸承的選用，要充分考慮軸承的剛度以及生熱情況。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)軸承內(nèi)圈運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，滾動(dòng)體存在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生離心力和陀螺力距。并且隨著速度的逐漸增加，離心力和力矩也在不斷的增大。由此會(huì)引發(fā)滾動(dòng)體軸承內(nèi)外圈軌道上滑動(dòng)，由于產(chǎn)生滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，增大了軸承的摩擦和生熱，從而降低所使用軸承的壽命。摩擦力矩和離心力可以通過(guò)選用符合其余性能中軸承滾動(dòng)體較小的軸承。但也不可以過(guò)分的選用滾動(dòng)體過(guò)小的軸承，否則會(huì)過(guò)多的削減軸承的剛度。軸承組配型式確定為了滿(mǎn)足電主軸的設(shè)計(jì)要求：最高轉(zhuǎn)速：24000r/min，額定轉(zhuǎn)速：12000r/min、動(dòng)平衡精度G0.4等。本文電主軸選擇雙支撐結(jié)構(gòu)，內(nèi)置的電機(jī)放置在兩支承中間。主軸常用的軸承組配方式有三種：背靠背、面對(duì)面和串聯(lián)式。經(jīng)過(guò)對(duì)三種組配方式的分析，為滿(mǎn)足主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的性能，保證電主軸系統(tǒng)整體的承載剛度要求，本文選用軸承背靠背式布局方式，并為了避免軸承直接接觸在同側(cè)的兩軸承間放置軸承擋環(huán)，且軸承擋環(huán)上開(kāi)有潤(rùn)滑用的通道，用以軸承的潤(rùn)滑，主軸前端的軸承采用固定支撐，后端的軸承采用游動(dòng)支撐，為主軸提供一定量的軸向游動(dòng)間隙，可以適應(yīng)主軸由于發(fā)熱產(chǎn)生熱伸長(zhǎng)的情況，避免主軸出現(xiàn)卡死的狀態(tài)[9]。主軸的支撐形式如圖軸承選型計(jì)算軸承布置方式：前軸承雙向固定，后軸承支點(diǎn)游動(dòng)，提供一定的軸向游隙。其受力如圖所示，主軸主要的受力一個(gè)是徑向力F1,另一個(gè)是軸向力F2,由于后支撐的軸承設(shè)計(jì)為支點(diǎn)游動(dòng)結(jié)構(gòu)，所以后軸承不受軸向力，只受徑向力。前支撐軸承為支點(diǎn)雙向固定，除了承受載荷F1，還要承受載荷F2，所以前軸承組是主要的受力組件。取主軸前段進(jìn)行力學(xué)分析。受力如圖所示式中Fae——主軸受到的軸向力：Fr——主軸受到的徑向力。由公式及電主軸設(shè)計(jì)參數(shù)值，可解得各軸承徑向力為根據(jù)受力情況各軸承的軸向力的計(jì)算如下初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P，根據(jù)式查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，取X=0.56Y=1.4fd=1.2因?yàn)楦鶕?jù)計(jì)算結(jié)果右側(cè)軸承受力較大，所以計(jì)算取右側(cè)軸承參數(shù)，得到當(dāng)量動(dòng)載荷P=1141.6N，額定轉(zhuǎn)速n=12000r/min和預(yù)期壽命Lh=50000h,根據(jù)公式計(jì)算出軸承的基本額定動(dòng)載荷根據(jù)所的處的軸承動(dòng)載荷值、電主軸的高速性要求以及軸承放置處轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)直徑，最終決定選用NTN公司生產(chǎn)的角接觸球軸承，前支撐用7008UCG/GNP4，后支撐使用7007UCG/GNP4.軸承性能如表所示參數(shù)前軸承后軸承名稱(chēng)7008AC7007AC內(nèi)徑（mm）4035外徑（mm）6862軸承列寬（mm）1514滾動(dòng)體個(gè)數(shù)1817內(nèi)外圈材料GCr15GCr15滾珠材料陶瓷陶瓷原始接觸角（°）2525潤(rùn)滑方式油氣油氣軸承的預(yù)緊在軸承的安裝過(guò)程中一般都需要預(yù)緊操作，施加合理地預(yù)緊力可以消除軸向的游隙，減少滾動(dòng)體的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，減少生熱和摩擦，提高主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，以及整體結(jié)構(gòu)的剛度。但也不可以過(guò)大的施加預(yù)緊力，預(yù)緊力過(guò)大，反而會(huì)加劇軸承的摩擦，甚至產(chǎn)生軸承的燒傷。所以對(duì)于不同運(yùn)載情況下的軸承，要選擇不同的預(yù)緊力。軸承的預(yù)緊根據(jù)預(yù)緊力的大小可分為輕預(yù)緊、中預(yù)緊和重預(yù)緊。本文設(shè)計(jì)中通過(guò)使用鎖緊螺母鎖緊對(duì)前軸承提供預(yù)緊力，后軸承則通過(guò)彈簧座來(lái)提供預(yù)緊力。拉刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的主軸，一般需要配備一個(gè)可以提供足夠夾緊力的的夾緊機(jī)構(gòu)，來(lái)確保在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，刀柄和轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定連接，從而保證主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。松拉刀的快速性會(huì)影響主軸的換刀時(shí)間，進(jìn)而影響加工機(jī)床的工作效率。若夾緊力過(guò)小，則造成刀柄所連接的刀具產(chǎn)生較大的振動(dòng)，從而影響加工精度[7-8]。如圖所示。拉刀機(jī)構(gòu)前端為四片均布的拉刀簧瓣，簧瓣直接作用于拉釘上，拉釘又通過(guò)螺紋與刀柄進(jìn)行連接，使得主軸的錐形孔和刀柄的錐面貼緊；中部為碟形彈簧，為拉刀機(jī)構(gòu)提供夾緊力；末端使用外界氣泵控制，通過(guò)氣動(dòng)閥的開(kāi)合，使得推桿前后移動(dòng)，簧瓣也隨之張開(kāi)閉合，從而實(shí)現(xiàn)松緊刀的功能。電主軸總體結(jié)構(gòu)電主軸整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖所示。主軸前后支撐均采用NTN高精密角接觸軸承，前支撐采用雙軸承背靠背組配方式構(gòu)成固定支撐形式，以承受不斷變化的軸向載荷和徑向載荷，后支撐采用雙軸承支點(diǎn)浮動(dòng)支撐形式，存在微量位移空間，以補(bǔ)償主軸工作時(shí)的熱伸長(zhǎng)。前軸承通過(guò)端面的鎖緊螺母進(jìn)行預(yù)緊，后軸承通過(guò)彈簧座來(lái)提供預(yù)緊力。支撐軸承采用油氣潤(rùn)滑，（冷卻液6L/min，油氣潤(rùn)滑150L/min），針對(duì)每對(duì)軸承主軸套筒上都設(shè)計(jì)有相應(yīng)的潤(rùn)滑通道，油氣混合物從管接頭進(jìn)入后軸承座，實(shí)現(xiàn)冷卻和潤(rùn)滑。電機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸裝配關(guān)系為過(guò)盈配合，過(guò)盈量為0.02~0.03mm，工作時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)過(guò)盈配合產(chǎn)生的摩擦力矩傳遞轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。定子以套筒上的定位面來(lái)加以定位，后端預(yù)留6mm的熱伸長(zhǎng)量以適應(yīng)定子熱伸長(zhǎng)的需要。電主軸具有相應(yīng)的冷卻管道，在冷卻管道中通冷卻水來(lái)對(duì)電主軸進(jìn)行冷卻。測(cè)速傳感器裝于主軸后端，配合控制實(shí)現(xiàn)電主軸的轉(zhuǎn)速控制。本章小結(jié)本章主要完成對(duì)電主軸整體結(jié)構(gòu)的分析，分析了定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和裝配方式，確定了轉(zhuǎn)子套和轉(zhuǎn)軸的裝配方式為過(guò)盈配合，放棄了傳統(tǒng)的鍵槽配合和螺紋配合。同時(shí)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的軸承進(jìn)行了選用，分析計(jì)算了軸承的受力載荷和使用壽命，完成了支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了拉刀結(jié)構(gòu)，拉刀裝置裝配在轉(zhuǎn)子軸中，通過(guò)外部的氣泵和內(nèi)部的夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)刀柄進(jìn)行松緊刀處理。所確定的電主軸機(jī)械結(jié)構(gòu)為后面有限元分析提供了依據(jù)，做了鋪墊。電主軸結(jié)構(gòu)模態(tài)分析有限元模態(tài)分析模態(tài)特性值主要是指固有頻率、結(jié)合面剛度值、阻尼比等，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)模態(tài)特性的還有其不同階的振型。通過(guò)計(jì)算或試驗(yàn)分析取得上述模態(tài)參數(shù)的過(guò)程稱(chēng)作模態(tài)分析。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析可以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率，所有的機(jī)械結(jié)構(gòu)都有其特定的固有頻率，當(dāng)期運(yùn)動(dòng)頻率在固有頻率附近時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。對(duì)于電主軸系統(tǒng)，當(dāng)主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率接近其固有頻率時(shí)，主軸系統(tǒng)的振動(dòng)會(huì)異常巨大，這不是常規(guī)情況下的振動(dòng)，這將導(dǎo)致主軸壽命下降甚至造成主軸報(bào)廢。通過(guò)模態(tài)分析，可以使設(shè)計(jì)人員在電主軸設(shè)計(jì)時(shí)避開(kāi)這些頻率，從而達(dá)到減小噪聲和消除共振的目的，提高高速電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)性能和電主軸的使用壽命。構(gòu)建幾何模型電主軸旋轉(zhuǎn)單元主要由轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子鐵芯、配重環(huán)組成。其旋轉(zhuǎn)單元在工作過(guò)程中會(huì)受到多種不同的載荷作用，比如軸承提供的軸向載荷和徑向載荷。因此在建立電主軸有限元模型時(shí)，對(duì)電主軸系統(tǒng)做下列簡(jiǎn)化：用彈簧單元代替軸承的彈性約束，彈簧單元的軸向安裝位置為軸承寬度位置的一半處，彈簧剛度設(shè)定為軸承的徑向剛度，不考慮軸承的軸向剛度[2]；由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子套和轉(zhuǎn)子為過(guò)盈配合，故將電主軸的旋轉(zhuǎn)件按一個(gè)整體來(lái)處理，并保證各向同性[4]。只考慮軸承的徑向剛度，并假定其為定值。如圖3.1所示，建立的電主軸轉(zhuǎn)子模型，包括轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、配重環(huán)。圖3.1根據(jù)軸承型號(hào)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得軸承的軸向預(yù)緊力，單個(gè)角接觸球軸承預(yù)緊后的徑向剛度計(jì)算公式為：式中：δ為角接觸球軸承修正系數(shù)，Db為滾動(dòng)體直徑；Z為軸承滾動(dòng)體數(shù)目；α為接觸角；Fa0為軸向預(yù)緊力。本次所用為輕預(yù)載，即δ=1.8。根據(jù)公式，分別計(jì)算得到前、后軸承的徑向剛度：Kr1=314N/μm，Kr2=270N/μm。電主軸有限元模型的建立將電主軸的三維實(shí)體導(dǎo)入ABAQUS軟件,如圖3.2圖3.2有限元分析模型添加材料信息主軸材料為42CrMo,其參數(shù)為：彈性模量E=206GPa,泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m3.如圖3.3圖3.3材料屬性設(shè)置施加約束條件決定和影響模態(tài)分析結(jié)果的只有所分析對(duì)象的機(jī)械結(jié)構(gòu)與材料，與所受載荷的大小方向、以及運(yùn)動(dòng)方式關(guān)系，因此模態(tài)分析中無(wú)必要設(shè)計(jì)載荷。由前文所提在軸向位置為每對(duì)軸承接觸線的中點(diǎn)，用均布的4只彈簧代替軸承約束。如圖3.4所示，在節(jié)點(diǎn)1，2，3，4上施加約束限制其軸向移動(dòng)，并在前后四處位置上通過(guò)兩點(diǎn)連接的方式施加彈簧連接器，并設(shè)置前文計(jì)算得出的彈簧剛度。結(jié)果如圖3.5所示。圖3.4彈簧單元法原理圖圖3.5施加約束條件的模型模態(tài)分析求解有限元分析結(jié)果顯示，前三階固有頻率接近于零，從第四階才開(kāi)始出現(xiàn)有效頻率值，故第四階可以當(dāng)做第一階。電主軸前9階固有頻率如表所示。階數(shù)頻率f/Hz1~3041675.651681.461682.274878.284879.298693.1由表可以發(fā)現(xiàn)，第五階和第六階頻率值接近，因此可以把這兩個(gè)階視為重根;同理，第七階第八階也可視為重根。各階振型如圖所示。主軸四階振型主軸五階振型主軸六階振型主軸七階振型主軸八階振型主軸九階振型試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析而言，根據(jù)激勵(lì)參數(shù)的類(lèi)型和相應(yīng)傳感器的類(lèi)型，可以分為振動(dòng)模態(tài)，聲振模態(tài)，聲腔模態(tài)和應(yīng)變模態(tài)。[1]試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是通過(guò)試驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)定結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性值，本文采用振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，具體通過(guò)向主軸系統(tǒng)施加外界激勵(lì)，測(cè)試不同點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析得到模態(tài)特性值，為后面進(jìn)一步的分析提供數(shù)值基礎(chǔ)[13-15]。實(shí)驗(yàn)設(shè)備選用本次實(shí)驗(yàn)設(shè)備：LW294530三向加速度傳感器：X向靈敏度100mv/g、Y向靈敏度102.8mv/g、Z向靈敏度99.9mv/g。圖3.6三向加速度傳感器LW41102力錘：靈敏度：9.742（None）10.33(Steel)mv/LBF2.190(None)2.322(Steel)mv/N圖3.7力錘LMS振動(dòng)和模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)及其傳感器圖3.8LMS測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)主要有激勵(lì)設(shè)備、測(cè)量設(shè)備，數(shù)據(jù)采集處理和分析設(shè)備這三部分組成。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)試步驟模態(tài)分析試驗(yàn)的過(guò)程包括：連線設(shè)置具體連線如圖所示由LMS測(cè)試系統(tǒng)引出總共六根線，一根連接電源，藍(lán)色的線為網(wǎng)線連接電腦，傳輸數(shù)據(jù)，剩下四根細(xì)線，一根連接力錘，剩余三根連接三相加速度傳感器。確定測(cè)試布局方式在開(kāi)始測(cè)試之前，要根據(jù)測(cè)試模型的具體結(jié)構(gòu)，設(shè)置測(cè)點(diǎn)的位置（力錘敲擊點(diǎn)、傳感器測(cè)量點(diǎn)），對(duì)于軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)一般選擇軸向的不同位置處徑向均勻分布的測(cè)點(diǎn)，并記錄坐標(biāo)值。模型建立LMS系統(tǒng)的坐標(biāo)系需要自己標(biāo)定，確定方向正確符合右手定則，在系統(tǒng)中輸入記錄的坐標(biāo)值，建立相應(yīng)的模型，對(duì)應(yīng)實(shí)物中的測(cè)量點(diǎn)。采集數(shù)據(jù)在正式采集之前一般都會(huì)進(jìn)行預(yù)采集，預(yù)采集用于確定采集帶寬、頻率和工作的量程，預(yù)采集可以提高采樣的效率和采樣數(shù)據(jù)的可靠性。預(yù)采集結(jié)束后進(jìn)行正式采集，正式采集完一組數(shù)據(jù)，要及時(shí)從結(jié)果圖中檢查，若采樣數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳或存在問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)更改重新測(cè)試。結(jié)果驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果與理論分析或有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。主軸運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)步驟如下：確定主軸系統(tǒng)的邊界條件根據(jù)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的實(shí)際情況，在進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，將主軸外殼固支在桌面上，.內(nèi)部轉(zhuǎn)子受前后各兩組軸承的彈性約束和前端軸承的軸向約束，并與轉(zhuǎn)子套組成過(guò)盈連接。確定測(cè)試點(diǎn)本文采用固定力錘激勵(lì)點(diǎn)，移動(dòng)加速度傳感器測(cè)量點(diǎn)的方法進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。為方便LMS系統(tǒng)建模本文將主軸簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體模型，在主軸前后不同的軸向位置上選取2組8個(gè)響應(yīng)拾取點(diǎn)，每組拾取點(diǎn)在其徑向端面上呈均勻分布，每?jī)蓚€(gè)拾取點(diǎn)所成夾角均為90度。如圖3.9所示。圖3.9測(cè)試點(diǎn)分布圖根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的安裝方法，選擇P4點(diǎn)作為激勵(lì)測(cè)試點(diǎn)（力錘敲擊點(diǎn)），其余七點(diǎn)作為響應(yīng)拾取點(diǎn)。軟件參數(shù)設(shè)置連接好儀器后，在試驗(yàn)前需要對(duì)試驗(yàn)軟件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，具體操作如下:根據(jù)測(cè)量好的測(cè)試點(diǎn)在軟件中創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)、線和面，從而建立被測(cè)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，根?jù)設(shè)定的方向確定模型的坐標(biāo)系；進(jìn)行通道設(shè)計(jì)，包括被測(cè)點(diǎn)位置、方向、類(lèi)型等和確定傳感器的方向、量程、靈敏度等；對(duì)被測(cè)件進(jìn)行多次錘擊進(jìn)行預(yù)采集，通過(guò)采集得到的數(shù)據(jù)獲得力錘合適的量程范圍和觸發(fā)級(jí)；參考有限元分析結(jié)果，以及預(yù)采集數(shù)據(jù)選定實(shí)驗(yàn)分析的帶寬范圍為0-3200Hz；數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)在進(jìn)行本次試驗(yàn)時(shí)，依次將三相加速度傳感器貼在圖中P1~P8這8個(gè)點(diǎn)，然后用力錘敲擊P4這個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)P4點(diǎn)敲擊三次，并取平均值，得到最終的振動(dòng)圖像。如圖3.10為力錘錘擊試驗(yàn)圖。圖3.10力錘敲擊圖試驗(yàn)結(jié)果分析將各點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)導(dǎo)入LMS系統(tǒng)中進(jìn)行擬合分析，最終得出主軸系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，并在圖中取三個(gè)方向振動(dòng)均為最大值時(shí)的頻率即為主軸系統(tǒng)的固有頻率。最終頻響結(jié)果如圖3.11圖3.11幅頻圖 由圖3.11可知，電主軸單元在1888.80Hz時(shí)三相傳感器測(cè)得的數(shù)值均達(dá)到最高，說(shuō)明此頻率下主軸系統(tǒng)振動(dòng)最大，此頻率即為電主軸的共振頻率。頻幅圖中在1888.80Hz之前也出現(xiàn)了幾個(gè)較小的峰值，通過(guò)分析主軸的安裝方式和位置該峰值應(yīng)為外界振動(dòng)噪聲影響。由此可以得出電主軸單元的一階模態(tài)固有頻率為1888.80Hz。由于測(cè)試裝置的局限性，無(wú)法測(cè)量更高階系統(tǒng)的固有頻率。此結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比，誤差為11.3%，處于10%~15%之間，所以可以得出結(jié)論，本文中對(duì)于電主軸系統(tǒng)的簡(jiǎn)化和模擬約束條件的添加，行之有效，有一定的研究參考價(jià)值。電主軸熱特性有限元分析傳熱學(xué)相關(guān)理論熱特性對(duì)于電主軸的性能、壽命以及所安裝的加工中心的加工精度具有很大的影響，所以對(duì)于主軸系統(tǒng)熱特性的研究很有必要。熱特性主要由兩部分因素決定——熱量的產(chǎn)生和熱量的散失，所以對(duì)于主軸系統(tǒng)熱特性的仿真，需要考慮真實(shí)工作條件下的產(chǎn)熱和散熱共同作用。在電主軸內(nèi)部存在兩個(gè)發(fā)熱元，一是定轉(zhuǎn)子組成的電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的損耗轉(zhuǎn)變成熱，二是軸承內(nèi)圈與主軸接觸面摩擦產(chǎn)熱，而這兩種熱都是不能避免的，由此產(chǎn)生主軸系統(tǒng)的溫度變化，從而影響主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和系統(tǒng)的剛度[17-18]。熱傳遞的方式熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)是指由于溫差的存在，相互接觸的兩個(gè)物體或者同一物體的兩個(gè)部分發(fā)生熱量傳遞導(dǎo)致溫度升高或降低的現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律：，式中q??為熱流密度（W/m2）,k為導(dǎo)熱系數(shù)（W/m-?C）,負(fù)號(hào)表示熱量流向溫度降低的方向。熱對(duì)流熱對(duì)流是指由于存在溫度梯度、固液體之間發(fā)生熱量傳遞、溫度傳遞的現(xiàn)象。其形式可以分為兩類(lèi)：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來(lái)描述：q??=h(TS-TB),式中h為對(duì)流交換熱系數(shù)（或稱(chēng)膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等）、Ts為固體表面的溫度，TB為周?chē)黧w的溫度。主軸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱分析關(guān)鍵部件生熱功率與流體換熱系數(shù)計(jì)算主軸系統(tǒng)中，主要的生熱源為定轉(zhuǎn)子所組成的電機(jī)系統(tǒng)以及主軸的四個(gè)軸承支撐。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)部分會(huì)由于功率損耗而產(chǎn)生大量的熱量，軸承部分由于內(nèi)圈和主軸接觸面的摩擦作用則會(huì)產(chǎn)生大量的熱。對(duì)于散熱部分，主軸殼體與空氣之間、定子與冷卻槽之間，轉(zhuǎn)子等其余部件與空氣之間的換熱是主軸系統(tǒng)的主要散熱途徑。所以電機(jī)、軸承等部件的生熱功率和空氣、冷卻液、油氣潤(rùn)滑等對(duì)流交換系數(shù)是影響主軸系統(tǒng)溫度分布的主要因素，故在對(duì)主軸系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布的有限元分析前需要先對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算。電機(jī)生熱功率計(jì)算主軸系統(tǒng)由于機(jī)械損耗、電損耗以及機(jī)械損耗的作用，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，即式中，Pf為機(jī)械損耗（W）；Pe為電損耗；Pm為磁損耗（W）。機(jī)械損耗Pf可由下式計(jì)算：式中，ρ為空氣密度（kg/m3）；ω為轉(zhuǎn)軸角速度（rad/s）；R為轉(zhuǎn)軸外半徑（m）,L為轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度（m）；Cf為空氣摩擦系數(shù)，可用阿爾特舒爾公式計(jì)算：式中，h為轉(zhuǎn)子表面凸起高度（m）;δ為定轉(zhuǎn)子間的氣隙厚度（m）；Re為雷諾數(shù)，Re=δω/?；?為氣隙的運(yùn)動(dòng)粘度（m2/s）。電損耗Pe可用下式計(jì)算：式中，Ip為定子和轉(zhuǎn)子中的電流（A）；r為線圈的電阻（Ω）；ρ為線圈電阻率（Ω·m）；l為線圈長(zhǎng)度（m）；S為線圈截面面積（m2）。磁損耗Pm包括磁滯損耗Ph和渦流損耗Pc以及附加損耗Pa，可用如下公式計(jì)算：式中，f為電機(jī)頻率（Hz）；Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值（T）；t為硅鋼片厚度（m）；ρ為鐵芯電阻率（Ω·m）；?c為材料密度（kg/m3）；Kh、Ka為與電機(jī)材料有關(guān)的損耗系數(shù)。軸承生熱功率計(jì)算軸承生熱主要為摩擦生熱，而摩擦熱的大小主要與摩擦力矩有關(guān)，軸承結(jié)構(gòu)在負(fù)載情況下可以使用下式進(jìn)行生熱功率的理論計(jì)算：式中，Pb為軸承摩擦發(fā)熱功率（W）；M為總摩擦力矩（N·mm）；ω為角速度（rad/s）。摩擦力矩M由兩部分組成，即式中，M0為與潤(rùn)滑劑粘性相關(guān)的摩擦力矩；M1為與軸承載荷相關(guān)的負(fù)載力矩。摩擦力矩M0可用下式進(jìn)行計(jì)算：式中，f0與潤(rùn)滑條件有關(guān)，f0(油氣潤(rùn)滑)=1；v為潤(rùn)滑劑運(yùn)動(dòng)粘度，與溫度相關(guān)；n為軸承轉(zhuǎn)速（r/min）；dm為軸承節(jié)圓直徑（mm）。負(fù)載力矩M1的計(jì)算可采用如下公式：式中，f1為與軸承機(jī)構(gòu)和載荷有關(guān)的系數(shù)；P1為計(jì)算載荷；雙聯(lián)角軸承的f1、P1采用下列式計(jì)算：式中，F(xiàn)0為當(dāng)量靜載荷；C0是額定靜載荷，F(xiàn)a為軸承所受的軸向力，F(xiàn)r為軸承所受的徑向力；當(dāng)P1<Fr時(shí)，取P1=Fr。定轉(zhuǎn)子間的氣隙傳熱電主軸由于采用內(nèi)置電機(jī)的形式，定轉(zhuǎn)子之間存在一定的氣隙，定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量會(huì)通過(guò)該氣隙層中的氣體進(jìn)行熱交換。對(duì)于流體的狀態(tài)一般用雷諾數(shù)Re這一無(wú)量綱量表示，其計(jì)算公式為式中，D為特征尺寸；Vf為流體的運(yùn)動(dòng)粘度，與立體溫度相關(guān)；v為流體流速，此處取中間位置處轉(zhuǎn)速，v=πnd0/60,d0=(D1+D2)，D1、D2分別為轉(zhuǎn)子外徑和定子內(nèi)徑。流體狀態(tài)可分為層流和湍流，當(dāng)Re<2200是流體處于層流狀態(tài)，此時(shí)主軸氣隙間的熱量可視為純熱傳導(dǎo)方式傳遞，與主軸轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。當(dāng)Re>2200時(shí)，定轉(zhuǎn)子間的氣隙為湍流狀態(tài)，該狀態(tài)下的氣隙換熱系數(shù)ααg按照下式進(jìn)行計(jì)算：式中，Nu為努賽爾數(shù)；δ為氣隙厚度；r1為轉(zhuǎn)子外徑；λ1為流體導(dǎo)熱系數(shù)。主軸熱傳遞的有限元仿真主軸系統(tǒng)熱場(chǎng)分布的影響因素主要有兩個(gè)方面：熱源的生熱和熱量的散失。熱源生熱主要由兩部分組成，一部分是軸承的生熱，在主軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，軸承的內(nèi)圈與主軸接觸面的摩擦將會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這是主軸系統(tǒng)產(chǎn)熱的主要來(lái)源；另一部分是由定轉(zhuǎn)子組成的電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于不斷的損耗而產(chǎn)生的熱量。所以有限元仿真中需要對(duì)這兩部分發(fā)熱源進(jìn)行設(shè)定。主軸的熱量散失，主要通過(guò)定子與冷卻槽中液體的強(qiáng)制對(duì)流來(lái)完成，其次還有外殼與空氣的熱量交換，同是由于主軸系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的裝配系統(tǒng)，所以主軸各接觸部件上也會(huì)發(fā)生熱量的交換。主軸系統(tǒng)各部件的材料特性和主軸常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況如下表所示材料參數(shù)表名稱(chēng)密度（kg/m3）彈性模量(×1011Pa）泊松比導(dǎo)熱率（W/m·k）比熱容（J/kg·?C）熱膨脹系數(shù)（×10-6/?C）主軸78402.0740.33747711.95殼體73101.380.2554.8748211.08軸承78002.10.346047512.5定子6217.261.970.2642.5502.411.7轉(zhuǎn)子5834.431.970.2646.4502.411.7主軸的運(yùn)行參數(shù)環(huán)境溫度冷卻液溫度冷卻液流量油氣流量負(fù)載扭矩24?C20?C6L/min150L/min6.0N·m下面對(duì)主軸系統(tǒng)的仿真步驟進(jìn)行介紹建立有限元模型利用SolidWorks對(duì)分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，導(dǎo)入ABAQUS軟件。簡(jiǎn)化模型如圖所示。為了使計(jì)算過(guò)程更加的簡(jiǎn)便有效，對(duì)有限元分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略包括螺紋孔、倒角在內(nèi)的一些微小結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)對(duì)有限元結(jié)果并不產(chǎn)生任何影響，同時(shí)將轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子套和配重環(huán)與轉(zhuǎn)子結(jié)合成一個(gè)部件進(jìn)行分析，不再進(jìn)行裝配，前后軸承均以第二章中的裝配布置方法進(jìn)行裝配[5-6]。定轉(zhuǎn)子等效為一定形狀的厚壁圓筒[19]。設(shè)置材料參數(shù)依據(jù)表…對(duì)主軸各部件進(jìn)行材料參數(shù)的設(shè)定，結(jié)果如圖所示設(shè)定載荷和邊界條件由上文分析可知，需對(duì)軸承和定轉(zhuǎn)子組成的電機(jī)系統(tǒng)設(shè)置熱載荷參數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分別設(shè)置軸承和定轉(zhuǎn)子的表面熱流量，以此來(lái)模擬主軸系統(tǒng)的產(chǎn)熱過(guò)程。在邊界條件的設(shè)置中，需要設(shè)置熱接觸作用來(lái)模擬各部件之間接觸的熱傳遞，該簡(jiǎn)化模型中有四個(gè)接觸對(duì)，分別為后軸承座和套筒接觸、軸承外圈與后軸承座、軸承外圈與套筒，軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸。除熱接觸外還需設(shè)置對(duì)流交換系數(shù)，主要為兩部分的對(duì)流交換，一部分為外殼與空氣，一部分為定子與冷卻液。設(shè)置結(jié)果如下圖。網(wǎng)格劃分結(jié)果總結(jié)與展望研究總結(jié)本文對(duì)電主軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了包括定轉(zhuǎn)子、支撐機(jī)構(gòu)以及拉刀結(jié)構(gòu)等電主軸重要結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了三維建模，使用ABAQUS仿真軟件，對(duì)真實(shí)運(yùn)動(dòng)條件下的主軸進(jìn)行了熱態(tài)和模態(tài)的分析，并通過(guò)錘擊模態(tài)試驗(yàn)，與仿真結(jié)果做了比對(duì)，驗(yàn)證了仿真模型的有效性，得到了所設(shè)計(jì)電主軸的固有頻率和低階振型，為后續(xù)有限元模態(tài)仿真提供了一種建模方法。本文設(shè)計(jì)的電主軸結(jié)構(gòu)中的拉刀機(jī)構(gòu)使用了一種簧瓣拉刀壓緊的機(jī)構(gòu)，通過(guò)四個(gè)卡爪與刀柄上的拉釘相連，為主軸運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)提供了較大的預(yù)緊力，保證了主軸在未來(lái)使用運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的平穩(wěn)性，為高速電主軸安全提供了保障。對(duì)于電主軸的熱特性分析，計(jì)算了主要發(fā)熱的部件（定轉(zhuǎn)子、前后各兩對(duì)軸承）的發(fā)熱量，并通過(guò)設(shè)置熱載荷和熱邊界條件，分析了軸承和定轉(zhuǎn)子的發(fā)熱對(duì)整體電主軸熱場(chǎng)的影響。得出溫度分布圖。在此分析中，同樣也對(duì)電主軸系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了主軸上一些微小的結(jié)構(gòu)，并不影響熱分析的整體結(jié)果。研究展望按照現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展前景來(lái)看，隨著人們對(duì)加工效率和加工精度的要求不斷提高，電主軸肯定會(huì)在未來(lái)的發(fā)展中占據(jù)重要的地位。所以，掌握電主軸研究的核心技術(shù)，對(duì)于我國(guó)未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展是至關(guān)重要的。電主軸的性能具有多個(gè)方面，本文涉及到的模態(tài)以及熱特性分析僅僅是其中的一小部分，其余例如噪聲、振動(dòng)、回轉(zhuǎn)精度等等各項(xiàng)性能指標(biāo)都對(duì)于電主軸的整體質(zhì)量水平十分重要，國(guó)內(nèi)公司的電主軸生產(chǎn)技術(shù)與國(guó)外的頂尖公司仍具有一定的差距，加工機(jī)床是制造業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，沒(méi)有精度高的機(jī)床更不要提制造出精度更高的工件。所以對(duì)于電主軸的研究還有很大空間。對(duì)于未來(lái)電主軸性能的測(cè)試和研究提出以下兩個(gè)方面可以根據(jù)傳感器系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，得到各項(xiàng)指標(biāo)，并分析其產(chǎn)生的原因，為后續(xù)的處理提供依據(jù)。本文僅分析了電主軸的熱傳遞和熱場(chǎng)分布，并沒(méi)有分析在熱的影響下產(chǎn)生的熱應(yīng)力和熱變形情況，這同樣也會(huì)影響電主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)和加工精度，對(duì)電主軸性能的提升十分的重要。參考文獻(xiàn)[1]黃敏凱.機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)爬行機(jī)理分析與動(dòng)力學(xué)仿真[D].南京航空航天大學(xué),2019.[2]廖伯瑜,周新民,尹志宏.現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力學(xué)及其工程應(yīng)用-建模分析、仿真、修改、控制、優(yōu)化[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.[3]呂建法,閆兵,李柏林,武友德,冷真龍.TX6916鏜銑床主軸模態(tài)分析及其動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2010