高速内圆磨削电主轴动态性能试验及分析_宋治中.pdf
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1、 精密制造与自动化 2022 年第 4 期 20 高速内圆磨削电主轴动态性能试验及分析 宋治中(上海机床厂有限公司 上海 200093)摘 要 针对内圆磨削电主轴高转速高精度低温升的需求,设计了一款高速内圆磨削电主轴,通过建立考虑轴承圆度误差与谐波次数的电主轴有限元模型计算电主轴动态精度与动态特性,确定最佳轴承预紧力与轴承跨距。采用局部法计算轴承损耗发热,基于移动热源法结合有限元方法建立高速球轴承的热分析模型,分析了轴承在预紧条件下的轴承温升,验证了轴承预紧力的正确性。最后通过轴承振动试验验证了电主轴动态热态性能模型的可靠性。关键词 内圆磨削电主轴 动态性能 热态性能 振动试验 1 1 引言引
2、言 内圆磨削电主轴是高精密复合磨床的重要功能部件之一,其性能直接影响了磨削砂轮的正常、稳定和可靠的加工工作,在其高精度回转状态下才能实现内孔高精度的磨削。李彦等1介绍了主轴回转精度测量方法。么曼实、丁浩等2-3研究了主轴在运转情况下的动态回转精度的测量,并分析了其影响因素。其中,轴承的预紧力对电主轴动态回转精度起着关键作用,Hossain4研究了轴承预紧力对轴承接触状态及电主轴回转性能的影响。崔立5研究了基于预紧轴承动刚度的高速电主轴动特性分析,发现随轴承预紧力的增大,电主轴的刚度及回转精度先提高后逐渐趋于稳定。当预紧力过大时,轴承温升会逐渐升高6。He 等人7考虑热力耦合效应,建立了不同预紧
3、力和转速下角接触球轴承的温升、轴向刚度计算模型,建立了基于效率系数法的轴承预紧力优化模型,优化后的预紧力既能保证轴承的刚度和寿命,又能满足不同转速下温升变化小的要求。以上的研究考虑轴承结构参数计算了轴承预紧力对主轴刚度及温升的影响,但未考虑轴承滚道表 面参数计算电主轴动态精度及温升。对于高速高精度的电主轴,需考虑轴承滚道表面波纹度、圆度误差等建立电主轴动态精度及温度计算有限元模型,从而确定轴承最佳预紧力及轴承跨距等参数。本文建立了考虑轴承圆度误差与谐波次数的电主轴有限元模型,对电主轴动态热态性能进行了分析,并通过试验验证了模型的可靠性。2 2 内圆磨削电主轴结构设计内圆磨削电主轴结构设计 设计
4、要求:最高转速 42000 r/min、径向刚度大于 130 N/m、电主轴径向跳动精度:1.5 m、轴承外圈温升低于 15。图 1 为设计的高速内圆磨削电主轴结构,主要由套筒、水冷套、定子、转子、轴承法兰、陶瓷滚动轴承、主轴构成。最高转速为 42000 r/min,在主轴靠近受磨削力前端安装两个 P2 级陶瓷球轴承7008AC,其装配形式为 DT 型;在主轴后端安装两个P2级陶瓷球轴承7006AC,其装配形式为DT型。前后端轴承跨距初始设计为 170 mm、轴承预紧力初始设计为 250N。图图 1 高速内圆磨削电主轴结构高速内圆磨削电主轴结构设计与开发 DOI:10.16371/ki.iss
5、n1009-962x.2022.04.007 宋治中 高速内圆磨削电主轴动态性能试验及分析 21 3 3 内圆磨削电主轴动态精度分析内圆磨削电主轴动态精度分析 考虑圆度误差与谐波次数的轴承内圈和外圈滚道轮廓曲线均可用傅里叶级数表示:t()=r+Asin(n+)Nn=2 (1)式中:N 为谐波次数的上限;为滚道轮廓曲线上某点所在的极角;t()为轮廓曲线上某点到极点 O 的距离,且该点所在极角为;r为内圈或外圈滚道理想轮廓曲线半径,随着预紧量的变化,r的大小在不断变化;A 为圆度误差幅值;为初始相位角。根据设计的电主轴结构,建立主轴-轴承的动态精度分析模型如图 2 所示,其中轴承模型考虑了内圈和外
6、圈滚道圆度误差与波纹度。图图 2 内圆磨削电主轴分析模型内圆磨削电主轴分析模型 将图 2 模型导入 Abaqus 软件中划分有限元模型,通过将轴端耦合到其端面圆心点处,如图 3 所示。主轴转动过程中该点处的径向位移变化即可反映出电主轴的动态回转误差变化。通常情况下,电主轴动态回转精度的测量在空载下完成,而仿真中,在轴端耦合点处施加径向力模拟实际工况下轴承滚道参数对电主轴动态回转精度的影响。图图 3 电主轴动态精度仿真有限元模型电主轴动态精度仿真有限元模型 轴承与主轴装配时,遵循定向装配方法:将轴承组中任意两个内圈滚道谐波波峰与波谷沿轴承滚道圆周方向均匀错开一定角度,轴承外圈也使用同样方法装配;
7、对模型赋予材料属性,如表 1 所示。表表 1 轴承主轴材料参数轴承主轴材料参数 陶瓷球 轴承 主轴 弹性模量/MPa 3.15105 2.1105 2.1105 泊松比 0.26 0.27 0.27 密度/kgm-3 3160 7806 7806 屈服强度/MPa 1000 2030 850 抗压强度/MPa 3500 2240 1000 主轴选取的材料为 38CrMoAl,轴承选取的材料为 GCr15;划分网格,总节点数为 43 万,为使轴承滚子与内外圈滚道有良好的接触,将滚子和滚道有接触的位置进行网格细化;为分析工况下轴承滚道参数对该型电主轴动态回转精度的影响,将主轴整体耦合到其质心点上,
8、并对该点施加 42000 r/min 的转速。选用 P2 级陶瓷球轴承 B7008AC、B7006AC,测得前后轴承圆度误差分别为 0.75m、0.5m;谐波次数分别为 19、17,B7008AC、B7006AC 轴承预紧力均为250N。在主轴轴端处加载149N点载荷,代入有限元模型进行仿真得到电主轴动态精度。通过迭代计算发现,当前后端轴承跨距设计为 165mm、轴承预紧力设计为 300N 时,电主轴有最佳动态精度。按照该设计参数重新建模,验证电主轴的刚度及动态回转精度。图 4 为定位预紧条件下电主轴轴端径向位移,图 5 为定压预紧条件下电主轴轴端径向位移。可以看出无论轴承采用何种预紧形式,主
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