2016年12月 第 44 卷第 23 期
DOI：
MACHINE TOOL & HYDRAULICS
机床与液压
Dec. 2016
Yol. 44 No. 23
10.3969/j. issn. 1001-3881. 2016. 23. 029
双气缸自动松拉刀装置电主轴的结构设计及分析
何强1>2，李安玲2，李丽丽1>2，周陆航1
(1.安阳工学院高速精密机床协同创新中心，河南安阳455000;2.安阳工学院机床关键功能部件重点实验室，河南安阳455000)
摘要：为提高机床加工中心的工作效率，设计了双气缸自动松拉刀装置电主轴，相对于单气缸或油缸的自动松拉刀电
主轴系统，该设计更安全可靠且无污染。介绍了双气缸自动松拉刀系统电主轴的基本结构及工作原理，通过ANSYS Workbench 分析软件对双气缸电主轴进行有限元仿真分析，并进行试验测试。结果表明： 该电主轴松刀力变大，主轴静态刚度 满足要求，工作转速远低于其一阶临界转速，前轴承振动速度有效值小于0.6 mmA、温升小于20 证明该电主轴设计合理。
关键词：电主轴；自动松拉刀系统；双气缸；动静态分析；ANSYS Workbench
中图分类号：TH137
文献标志码：A
文章编号：1001-3881
(2016) 23-124-4
Structural Design and Analysis of Double Cylinder Electric Spindle with
Automatic Clamping and Releasing Tool System
HE Qiang1’2, LI Anling2, LI Lili1’2, ZHOU Luhang1
(1. The Collaborative Innovation Center of High Precision Machine Tool, Anyang Institute of Technology,
Anyang Henan 455000, China； 2. Key Laboratory of Key Functional Parts of Machine Tool,
Anyang Institute of Technology, Anyang Henan 455000, China)
Abstract ： In order to improve the efficiency of machining center, the device was designed of electric spindle with double cylinder and automatic clamping and releasing tool. The design was more in safety and reliability and no pollution, as compared with the electric spindle system with single cylinder or hydro-cylinder of automatic clamping and releasing tool. The basic structure and working principle were introduced of the double cylinder automatic clamping and releasing tool system of spindle, and finite element simulation analysis (FEA) was carried out on the double cylider spindle by ANSYS Workbench software, and experiemnts and tests were carried out. The results show that the tool releasing force of electric spindle becomes large, and the static rigidty of spindle satifies requirements. Working speed is far below its first critical speed, effective value of vibration speed of front bearing is less than 0. 6 mm/s and temeprature raise is less than 20
, thus it verifies the rationality of the design of electric spindle.
Keywords： Electric spindle； Automatic clamping and releasing tool system； Double cylinder； Static and dynamic performance； ANSYS Workbench
〇前言
随着高速切削技术的发展，人们对机床电主轴的 性能及效率提出了越来越高的要求，随着切削速度的 提高，换刀的速度已成为衡量高速切削加工中心的一 项重要指标。自动松拉刀装置是电主轴系统中的关键 部件，成为高速切削行业研究的热点，它具有结构紧 凑、工作效率高、启动与停止速度快等诸多优点。传 统的数控铣床主轴自动松拉刀装置多采用单汽缸或液 压缸进行控制，与液压缸相比，气压传动以空气为介 质来源简单、无污染且安装维护成本低廉[1]，但单气 缸常常存在动刀力不足等问题。为了克服单气缸存在
的一系列问题，设计了双气缸自动松拉刀系统电主 轴，并进行了实际测试。
1
结构设计
主轴材料应尽可能的具有力学性能好、密度小、
1.1电主轴材料的选择
热容量大、阻尼系数大、热膨胀系数小等优点。该设
计选用G&15作为主轴材料，G&15是一种常用的高 铬轴承钢，可用于精度较高、工作条件较差的情况， 这些材料经调质和表面高频感应加热淬火后再回火， 表明硬度可达HRC50~58,具有较高的疲劳强度和耐 磨性[2]。
收稿日期：2015-09-29
基金项目：国家自然科学青年基金项目（51105002);河南省科技重点攻关项目（ 152102210196);国家科技重大专项
(2012ZX04005-021);河南省教育厅科学技术研究重点项目（16A460001)作者简介：何强（19% —),男，畐撤授，研究方向为机电系统建模、轴承润滑。E-mail: aystar@ 163. com。
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.2
何强等：双气缸自动松拉刀装置电主轴的结构设计及分析
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整体设计
时，往往会出现松刀力不足的情况，影响了生产效率 的提高。为此设计了双气缸自动松拉刀装置电主轴， 该电主轴采用两个气缸串联结构，后活塞上开有通 孔，使气体压力能够施加在如活羞上，这种结构米用 同等的气压值却使松刀力增大2倍，有效地解决了松 刀力不足的问题，双气缸自动松拉刀装置电主轴结构 如图1所示。
目前，电主轴松拉刀装置多采用单气缸或者液压 缸进行控制，液压缸缸筒加工精度要求较高，缸内表 面粗糙度通常为EaO. 4,缸体耐磨性要好，同轴度要 求严格，所以采用液压缸进行控制成本高，且液压缸 容易磨损漏油，污染环境、维护麻烦。气缸以压缩空 气作为介质，气压通常在0.5 MPa,因此气缸提供的 动力有限，电主轴松拉刀装置采用单气缸进行控制
lllll/lllll..../''miHillll||||[
I— 主轴2、3、4—目U轴承5— 定子线圈6— 转子线圈7— 拉杆8、9一后轴承 10—气缸aII— 活塞a12— 缸体b13— 活塞b
图1双气缸自动松拉刀电主轴结构图
该设计主轴前段由三套角接触球轴承支撑，后端 由两套角接触球轴承支撑，前后轴承装配后的预紧力 分别为340和280 N，主轴内装有推杆和拉抓。
表1双气缸自动松拉刀装置电主轴主要参数
图2双气缸自动松拉刀装置电主轴有限元模型
主轴前端外径D/mm主轴前端内孔直径D/mm
主轴悬伸量《主轴最佳跨距/mm
功率/kW转速/( r • min_1)碟簧拉刀力/N松刀行程/mm
前轴承后轴承
2
仿真分析
39314621015 0003 0005.3
FAG 71908C/P4ZYS 7007C/P4
对主轴进行加载与约束，求解后得到双气缸自动 松拉刀装置电主轴静态变形图，如图3所示电主轴在 加力求解后，最大变形量出现在主轴前端位置，变形 量为5=0. 001 373 8 mm^l.4 pm，则电主轴的静刚 度为：K =P/5= 517. 8 N /pm，可知由 3 套 FAG 71908C/P4构成前端与2套ZYS 7007C/P4构成后端的支承方案，主轴获得较大的刚度，满足设计要求。
2. 1静态性能分析
由双气缸自动松拉刀装置电主轴是一个结构复杂
的系统，因此在建立有限元模型时，为求解需做一些 简化和假设[3<，其有限元模型如图2所示。该电主 轴的支承方式为前轴承固定，后轴承游动，查机床滚 动轴承手册和给出的装配后前、后轴承预紧力，可以 得到前、后轴承径向刚度，‘= 327 (N/pm) Kr2 =276 (N/jxm)。对主轴进行静力分析时，主要进行切 削力加载分析，主轴边界条件是设定为在主轴前端面 处施加F向径向力^，按典型加工参数确定= 725 N0
图3
双气缸自动松拉刀装置电主轴的静态变形图
2.2电主轴动态性能分析
通过主轴的模态分析研究电主轴动力学特性，确 定电主轴的结构振动特性（固有频率和主振型），可 以避免在结构设计中出现共振，预测不同载荷作用下
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电主轴的振动形式。通过动力学分析可以判断出电主 轴转速、结构设计是否合理，并为结构优化提供依 据，从而满足机床的加工质量和加工精度要求[%6]。 2.2. 1模态分析
每种主轴都有它的最高工作转速，，主轴转速接 近临界转速旋转时，主轴将产生剧烈振动与扭曲，导 致轴承失效、主轴寿命下降、甚至可能造成主轴爆裂 或酿成事故[3’5_6]0理论上电主轴有无数的临界转速， 由于低阶振型对结构的动态特性起决定作用，通常取 前4阶分析电主轴的振动特性分析。
经ANSYS Workbench模态分析后，提取前4阶 振型图如图4所示，固有频率（Hz)及临界转速如
表2所示。从表2可知，1阶固有频率所对应的转速 为28 397 r/min，即为电主轴的一阶临界转速。一般 电主轴的最高工作转速不能超过其1阶转速的75%。 而所设计的双气缸自动松拉刀装置电主轴的转速范围
9 000〜15 000 r/min，小于1阶临界转速的75%，所 以该电主轴的工作转速范围是安全的，能够有效避免 共振的发生。
表2
双气缸自动松拉刀装置电主 轴各阶固有频率和临界转速
阶次
频率/Hz
临界转速/(r • min_1)
1473. 2928 397
2473.628 416
32 276. 8136 608
43 466. 7208 002
图4电主轴4阶振型图
2.2.2谐响应分析
从模态分析中得出一阶固有振动频率为473. 29 Hz,所以研究1阶固有振动频率附近的响应特性， 取激振力的幅值为725 N，激振力的频率为一个范 围：0〜900 Hz。双气缸自动松拉刀装置电主轴的最
高工作转速为15 000 r/min，其工作频率最高为250 Hz,由图5可见双气缸自动松拉刀装置电主轴能有 效避开共振区，不会产生同频共振。由图5可知曲线 1 (电主轴的中部往后）所代表的径向响应位移最 大，即当电主轴发生共振时，轴中部和后支承部分容
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易破坏。但是在转速范围内产生的变形很小（最大 变形的数量级在1〇_7)，对电主轴的实际使用不会造 成影响。
—3 000
B
决了气压传动中单气缸存在动刀力不足的问题，提高 加工中心的工作效率。
(2)利用有限元分析软件ANSYS Workbench对双气缸自动松拉刀装置电主轴进行了静力学、 模态分析、谐响应分析，表明该电主轴的最高工 作转速小于一阶临界转速的75%，避免了共振的 发生。
(3)通过试验测试结果表明，电主轴振动速度 有效值小于0.6,温升值小于20 °C，主轴结构设计 S2 500
’三
2 000
言1500
51000
晉500
^ 〇4
0
200 400 600 /Hz
800 1000
频率1一主轴后端部分2—主轴后支承部分 3—主轴中部4一主轴前端阶梯部分 5—主轴前端面部分
3
图5共振时电主轴各部分的振幅关系
主轴测试
3. 1 试验仪器
采用ACD200变频器，空气压缩器、水冷系统，
信号采集仪自带JM608V —体化温度传感器，ICP型 加速度传感器，可自动采集记录振动值与温度值。
3. 2 试验方法
首先把被测电主轴固定在V型支架中，将ICP 型加速度传感器吸附于电主轴前端壳体，将JM608V I体化温度传感器通过M12的螺纹连接于前轴承端 面，直接与前轴承外圈接触。接通水冷系统后，调整 变频器参数，启动电主轴，并从1 〇〇〇 r/min开始运 行，按1 000 r/min逐步提高转速，最后在最高工作 转速16 000 r/min，每种转速下运转20 min,并对每 一种转速下电主轴的振动响应值与温度进行测量 记录。
3.3 结果分析
从图6和图7可以看出随着电主轴的转速提高， 主轴的振动速度有效值与温升值也在变大，当到达最 高转速15 000 r/min时，振动速度有效值达到0. 56 mm/s，温升值达到16 °C。
^ 0.60 16• 0.55 14
w| 0.50 〇.45_ 0.40- ^ 12 辍 0.35 I怔 0.30. 51 10
8
鹋 0.25- 铟 0.20. 标 0.15
4
腥
0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 转速/(K^r.min1)
转速/(103 r • m in1)
图6电主轴转速- 图7电主轴转速-4
振动响应曲线
温升关系曲线
结束语
(1)设计了双气缸自动松拉刀装置电主轴，解
合理。
参考文献：
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