静压主轴稳定性对工件形位公差影响

静压主轴稳定性对工件形位公差影响

陈裕迪

利戴工业技术服务（上海）有限公司上海201103

摘要：电主轴具有调速范围宽、转动惯量小、响应快、易于实现精密控制等优点，而将液体静压轴承与内置式电主轴系统结合的新型主轴结构具有承载能力大、振动小、寿命长等优点成为机床主轴领域新的研究热点。由于高速化，超临界运转主轴系统的稳定性尤其重要。其中液体静压轴承作为系统的重要组成部分，既是阻尼源也是失稳源，对主轴系统稳定性影响较大。本文分析了静压主轴稳定性对工件形位公差影响。

关键词：静压主轴；稳定性；工件形位公差；

前言：通过静压轴承结构优化设计改进轴承动力特性、提高稳定性理论上可行，但由于液体静压轴承本身结构复杂、可调整范围窄、精度要求高，故对实际的主轴系统操作难度大、成本较高。

1系统结构

高速内置式电主轴系统采用变频电动机与主轴合二为一的结构形式，即将带冷却套的电动机定子装配在主轴单元壳体内，主轴单元壳体即为电动机座，电动机空心转子与机床主轴旋转部件直接过盈热装成一体，作为内置式集成电动机主轴。主轴与高速电机转子在电磁转矩驱动下同轴旋转，实现电动机与主轴间“零传动”的机电能量转换。高速静压内置式电主轴采用液体静压轴承作为高速电主轴支撑，通过一套独立的供油系统形成全流体膜承载。研究零件各种典型表面（平面、外圆、孔及其他成形表面等）的加工方法及其特点，同时分析影响零件加工精度和表面质量的客观因素及其变化规律，找出减少加工误差、提高加工精度和表面质量的技术措施，是设备修理技术人员对精密机械加工设备的研究和使用维修应当掌握的基本知识。

2静压主轴稳定性对工件形位公差影响

2.1微型遗传算法

遗传算法为模拟自然界生物遗传进化过程形成的全局优化概率搜索法。运算中以多个个体组成的种群为对象，经反复迭代过程不断对个体施加遗传、进化操作，最终所留即为适应度最高的个体。对电主轴系统稳定性优化问题，稳定性裕度与轴系结构参数间映射关系无法用显式函数表达，需通过复杂计算模型表示，致求解难度加大。遗传算法由于具有基于种群运算的基本特征及可在不考虑问题具体特征前提下用于解搜寻的进化本质，因此非常适合该问题求解。传统遗传算法种群规模大、收敛效率低。而微型遗传算法采用小规模种群，计算效率高且收敛速度快。微型遗传算法种群因通常含5～8个个体，较易产生早熟收敛，因此为保证小规模种群基因多样性，避免早熟收敛，运算中加入重启动策略。一旦种群收敛，则在设计空间生成新种群，并仅保留原种群的最优个体，其余个体则在整个搜索空间内随机生成。电主轴系统稳定性优化应确定优化目标，一般取系统稳定性裕度的量化指标（含系统对数衰减率、系统阻尼或减稳因素界限值等）。优化变量选取应通过敏感性分析选对目标函数影响较大参数，约束条件及变量搜索区间则据实际情况而定。据以上步骤建立电主轴系统稳定性优化问题后进行基于有限元法建立电主轴系统稳定性分析计算模型，用微型遗传算法进行优化，达到收敛条件后输出优化结果。

2.2主轴系统稳定性

静压轴承中润滑油周向流动产生作用于轴颈的动态油膜力为主轴系统失稳主要因素。轴承以外阻尼作用不计时，系统稳定性取决于油膜力总的做功情况。由于静压轴承本身存在交叉刚度系数及负阻尼系数总会激发系统不稳定，故静压轴承刚度阻尼系数是影响轴系稳定性的重要参数。然而单用静压轴承系数并不能判断系统稳定与否。据系统绝对稳定性特征值判据，系统所有特征值实部均小于零时认为系统稳定；至少有一个特征值实部大于零时认为系统不稳定。由于超临界转速运行与机电耦合影响，电主轴系统在启动、升速及载荷突变过程中往往表现出非平稳性。因此对高速电主轴系统仅保证工作转速在稳定区域是不够的，为提高系统的可靠性，须保证轴系具有足够的稳定性裕度以抵抗各种外界干扰。系统稳定性裕度的度量指标包括系统对数衰减率、系统阻尼等。对结构确定的主轴系统，各阶对数衰减率因随电主轴转速变化增加或减小，影响系统稳定性。当某阶对数衰减率下降时系统失稳，此时主轴转速称系统失稳转速。对电主轴稳定性分析应计算不同转速下主轴系统稳定性裕度变化。

3静压主轴工件形位公差控制

1.根据工件结构特点，机床整体采用立式磨削方式，可以避免工件重力影响；工件采用电磁吸盘或精密定心卡盘装卡，装卡具易于设计；工件磨削时，砂轮直接可磨削内圆、外圆，磨削主轴转位后斜切入可以磨削端面和轴肩，工件一次装卡可实现外圆、内圆、端面、轴肩等磨削，无工件转序积累误差，精度高，效率高。底座、立柱、横梁等）、回转工作台、砂轮磨削主轴（可倾斜）、X轴、Z轴、砂轮修整器、控制系统等几大部件组成。机床机械本体采用双立柱结构布局，铸铁床身；X轴完成砂轮进给，其Z向直线度影响工件端面平面度，考虑到端面、轴肩尺寸一般相对较小，故X轴采用C1级直线导轨，直线电动机驱动；Z轴作往复运动，回转工作台带动工作旋转，二者配合完成工件轴向磨削。回转工作台是该机床关键功能部件之一，其动态回转精度直接影响工件圆度、端面平面度，其刚度则与工艺系统刚性相关，影响工件磨削母线直线度和圆柱度。关键部件设计中，采用液体静压支承可以使回转工作台获得极高的动态回转精度、刚度及阻尼特性，能很好保证工件磨削圆度，且大的径向刚度和轴向刚度能增强工艺系统刚度，有利于提高工件磨削精度。Z轴采用闭式液体静压导轨可以获得极高的运动直线度、刚度，提高工件母线直线度磨削精度，并有利于提高磨削工艺系统刚性。

2.提高主轴部件的制造精度特别是滚动轴承的精度，选配回转精度高的轴承，在滚动轴承上保持适当的预紧载荷，均可提高主轴的回转精度。精密机床（如多种类型的磨床）中，通过改进主轴系统的结构，采用静压滑动轴承、球形静压轴承、３块瓦式动压轴承等，使主轴回转精度极大提高。ＭＧ１４３２Ａ高精度外圆磨床砂轮主轴采用动静压轴承，这种轴承在起动时无干摩擦，在运转时可产生一个像动压轴承那样的承载油膜，具有很好的运转性能。ＣＭ６１３２精密车床为了提高主轴精度，主运动采用分离式传动，把主轴箱和变速箱分开，使主运动的大部分的传动件和变速机构都安放在远离主轴的单独变速箱内，可大幅度减少热变形和振动对机床主轴的影响。同时，传动皮带轮采用卸荷式结构，皮带轮不是直接安装在主轴上，而是安装在轴套上，皮带轮的运动经过离合器传给主轴，以避免机床主轴承受皮带传动的径向力。在镗削加工中采用浮动镗杆，可避免主轴回转误差对工件加工精度的影响，镗杆由镗模套径向支撑定位并与主轴柔性联接，镗杆的回转误差取决于镗模套和镗杆制造精度。在外圆磨削加工中，工件支撑在两个固定顶尖上，工件头架主轴的回转精度不会影响工件的回转精度。除了这些措施外，为补偿机床传动链误差产生的螺距加工误差，使传动链得到一个附加运动来抵消传动误差。其原理就是用该机构人为的造就一种误差，去补偿或抵消机床原有的相反方向的误差。

结语

本文以提高系统稳定性裕度为优化目标，通过敏感性分析选取电主轴轴向尺寸参数为优化变量。可以发现机床的静动态性能、微量进给运动的平稳性、定位检测、误差的补偿及分度等问题是解决精密零件精度的关键。

参考文献：

［1］王宝沛，翟鹏，秦磊，等．液体静压轴承动态特性的探讨［J］．液压与气动，2017，（8）：58－61．

［2］陈燕生．液体静压支承原理和设计［M］．北京：国防工业出版社，2017．

［3］赵明，黄正东，王书亭，等．重型数控立车工作台静压计算［J］．机械工程学报，2016，45（9）：120－125