機床高速電主軸結(jié)構(gòu)設計及性能分析

三江學院畢業(yè)設計〔論文〕院〔系〕___高等職業(yè)技術(shù)學院_________專業(yè)___數(shù)控技術(shù)______設計〔論文〕題目機床高速電主軸結(jié)構(gòu)設計及性能分析研究__________________________________________________________學生姓名____蘇勰______學號___A115101017_____起止日期____2013.12.16——2014.3.14______________設計地點_____教學樓______________指導教師_____郁建平__________________________參謀教師_______________________________________教研室主任________________________________________教學院長〔教學系主任〕____________________________日期2014年2月27日目錄引言 51.電主軸概述 71.1電主軸的根本概念 71.2電主軸單元關(guān)鍵技術(shù) 7高速精密軸承技術(shù) 8高速精密電主軸的動態(tài)性能和熱態(tài)性能設計 9高速電動機設計及驅(qū)動技術(shù) 9高速電主軸的精密加工和精密裝配技術(shù) 10高速精密電主軸的潤滑技術(shù) 10高速精密電主軸的冷卻技術(shù) 101.3高速電主軸開展及現(xiàn)狀 11高速電主軸技術(shù)的開展及現(xiàn)狀 11主軸單元結(jié)構(gòu)形式研究的開展 121.4電主軸對高速加工技術(shù)及現(xiàn)代數(shù)控機床開展的意義 131.5內(nèi)裝式電主軸系統(tǒng)的研究 142.電主軸工作原理及結(jié)構(gòu) 162.1電主軸的根本結(jié)構(gòu) 16軸殼 16轉(zhuǎn)軸 16軸承 17定子與轉(zhuǎn)子 172.2電主軸的工作原理 172.3電主軸的根本參數(shù) 18電主軸的型號 18轉(zhuǎn)速 18輸出功率 192.3.4輸出轉(zhuǎn)矩 19電主軸轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、功率的關(guān)系 192.3.6恒轉(zhuǎn)速調(diào)速 192.3.7恒功率調(diào)速 192.3.8軸承中徑 202.4自動換刀裝置 203.電主軸結(jié)構(gòu)設計 213.1主軸的設計 213.1.1.銑削力的計算 213.1.2主軸當量直徑的計算 213.2高速電主軸單元結(jié)構(gòu)參數(shù)靜態(tài)估算 223.2.1高速電主軸單元結(jié)構(gòu)靜態(tài)估算的內(nèi)容與目的 22軸承的選擇和根本參數(shù) 223.3軸承的預緊 233.4主軸軸承靜剛度的計算 233.4.1主軸單元主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定及剛度驗算 25主軸單元主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 26主軸強度的校核 29主軸剛度的校核 31主軸的精密制造 323.5主軸電機 33電機選型 333.6主軸軸承 34軸承簡介 34陶瓷球軸承 34陶瓷球軸承的典型結(jié)構(gòu) 353.7主軸軸承精度對主軸前端精度影響 364.電主軸的潤滑與冷卻 374.1潤滑介紹 37潤滑的作用和目的 374.1.2電主軸潤滑的主要類型 374.1.3油氣潤滑的原理和優(yōu)點 384.2電主軸的冷卻 40電主軸的冷卻方法 404.3電主軸的防塵和密封 405.電主軸的驅(qū)動和控制 425.1恒轉(zhuǎn)矩變頻驅(qū)動和參數(shù)設置 425.2恒功率變頻驅(qū)動和參數(shù)設置 435.3矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動和控制 445.4主軸準停 46主軸的準停功能 46主軸準停的工作原理 46主軸準?？刂品椒?466．主軸動平衡 486.1動平衡介紹 486.2動平衡設計 487.電主軸應用中存在的主要問題及解決方法。 517.1什么原因造成主軸損壞 517.1.1自動換刀〔ATC〕閥門泄漏 51低壓力腳真空 52主軸空氣壓力低 527.1.4Z軸耦合器磨損 537.1.5油浸透了空氣過濾器 537.1.6主軸無冷卻或冷卻不夠 537.1.7不能正常工作的空氣枯燥機 547.1.8不能正常工作的變頻器 54維修不當 547.2夾頭維護頻率 55總結(jié) 56致謝 57參考文獻 58引言高速機床是實現(xiàn)高速切削加工的前提和條件。高速數(shù)控機床是裝備制造業(yè)的技術(shù)根底和開展方向之一，是裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。高速數(shù)控機床的工作性能，首先取決于高速主軸的性能。高速銑床上的電主軸系統(tǒng)多采用高速電主軸。高速電主軸是由內(nèi)裝式交流變頻伺服電機直接驅(qū)動，機床主軸轉(zhuǎn)速高，功率大，結(jié)構(gòu)簡單，在高轉(zhuǎn)速下可保持良好的動平衡！數(shù)控銑床高速主軸單元包括主軸動力源、主軸、軸承和機架等幾個局部，它影響加工系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及應用范圍，其動力學性能及穩(wěn)定性對高速加工起著關(guān)鍵的作用。高速高精度主軸單元系統(tǒng)，應該具有剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、運轉(zhuǎn)時溫升小、穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，同時，制造及操作本錢也要中。要滿足這些要求，主軸的制造及動平衡、主軸的支撐、主軸系統(tǒng)的潤滑和冷卻、主軸系統(tǒng)的剛性等是很重要的。高速主軸單元的類型主要有電主軸、氣動主軸、水動主軸等。不同類型的高速主軸單元輸出功率相差較大。高速加工機床主軸要求在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)升降速，并在指定位置快速準停。這就需要主軸有較高的角減速度和角加速度。如果通過傳動帶等中間環(huán)節(jié)，不僅會在高速狀態(tài)下打滑，產(chǎn)生振動和噪聲，而且增加轉(zhuǎn)動慣量，給機床快速準停造成困難！電主軸是一種新型的機械結(jié)構(gòu)形式。是一種主軸電機一體化的主軸單元，即所謂的內(nèi)裝式電機主軸。它采用無外殼電機，將帶有冷卻套的電機定子裝配在主軸單元的殼體內(nèi)，轉(zhuǎn)子和機床主軸旋轉(zhuǎn)局部做成一體，主軸的變速范圍完全由交流電機控制。這種結(jié)構(gòu)大大簡化了主傳動的機械結(jié)構(gòu)，取消了帶傳動和齒輪傳動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機械的“零傳動”。這種主軸電動機和主機主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸組件從主機的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨立出來，可以做成“主軸單元”，通常稱為“電主軸”。其英文的稱謂有多種，比方Electro-spindle、MotorSpindle和MotorizedSpindle。它是隨著電氣傳動技術(shù)(變頻調(diào)速技術(shù)、電動機矢量控制技術(shù)等)的迅速開展而日趨完善。由于電主軸主要采用交流高頻電動機，也稱為“高頻主軸”(HighFrequencySpindle)。由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)，有時稱為“直接傳動主軸”(DirectDriveSpindle)。電主軸是一種智能型功能部件，具有轉(zhuǎn)速高、功率大、高速運行的可靠性和平安性等優(yōu)點。電動機內(nèi)置于主軸部件后，不可防止的將會產(chǎn)生發(fā)熱的問題，從而需要設計專門用于冷卻電動機的油冷或水冷系統(tǒng)。高頻電動機要有變頻器類的驅(qū)動器，以實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的變換。高速軸承有時要有專門的潤滑裝置。另外為了保證高速回轉(zhuǎn)部件的平安，還要有報警及停車用的傳感器及其控制系統(tǒng)等一系列支持電主軸運轉(zhuǎn)的外圍設備和技術(shù)。因此，“電主軸”的概念不應該簡單的理解為只是一根主軸套筒，而是一個完整的、在機床數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控下的子系統(tǒng)總之，電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小及動態(tài)特性好和改善機床動平衡，防止振動和噪聲等特點開展越來越快。而高速電主軸單元技術(shù)的開展，可以帶動高速進給、高性能道具、檢測與控制等一系列相關(guān)技術(shù)的開展。因此各工業(yè)國家都十分關(guān)注電主軸單元技術(shù)的研究與開展。1.電主軸概述1.1電主軸的根本概念加工中心是集機、電、液、氣、計算機和信息控制等各種技術(shù)于一體的機電一體化的典型產(chǎn)品，最能表達高速、高效、超精、數(shù)字化及結(jié)構(gòu)緊湊等當今最先進、最流行的技術(shù)水平。它廣泛應用于能源、交通、原材料、農(nóng)機、軍工、輕紡織機械、汽車、模具等各個工業(yè)部門的機械制造領(lǐng)域中，它的技術(shù)水平高速及其在金屬切削機床產(chǎn)量和總擁有量中的百分比是衡量一個國家機械工業(yè)制造水平的重要標志。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑裝置、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置。高速主軸單元是高速機床最為關(guān)鍵的部件。高速主軸單元的主要類型有電主軸、氣動主軸、水動主軸等等。主軸部件是加工中心的主要功能部件，是決定機床高速化和高精度的關(guān)鍵局部，始終是機床技術(shù)開展的根底。隨著電氣傳動技術(shù)〔變頻調(diào)速技術(shù)、電動機矢量控制等〕的迅速開展和日趨完善，高速數(shù)控機床主傳動的機械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡化，根本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)機床的“零傳動”。這種主軸電動機和主機主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸組件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨立出來，因此可以做成“主軸單元”，通常稱為“電主軸”。其英文的稱謂有多種，比方Electro-spindle、MotorSpindle和MotorizedSpindle等等。它是隨著電氣傳動技術(shù)(變頻調(diào)速技術(shù)、電動機矢量控制技術(shù)等)的迅速開展而日趨完善。由于電主軸主要采用交流高頻電動機，也稱為“高頻主軸”(HighFrequencySpindle)。由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)，有時稱為“直接傳動主軸”(DirectDriveSpindle)。電主軸是一種智能型功能部件，不但轉(zhuǎn)速高、功率大、具有調(diào)速范圍廣、振動噪聲小，而且便于控制、能實現(xiàn)定向準停、準速、準位等功能。1.2電主軸單元關(guān)鍵技術(shù)電主軸單元是一套組件，它是一項涉及電主軸本身及其附件的系統(tǒng)工程，其系統(tǒng)框圖如圖2.1。電主軸單元所融合的技術(shù)主要包括以下幾方面。圖2.1系統(tǒng)框圖1.2.1高速精密軸承技術(shù)實現(xiàn)電主軸高速化和精密化的關(guān)鍵是軸承的應用。目前在大功率高速精密電主軸中應用的軸承主要是角接觸陶瓷球軸承和液體東靜壓軸承?？諝廨S承不時和于大功率場合，磁懸浮軸承由于價格昂貴、控制系統(tǒng)復雜，其實用性受到限制。角接觸球軸承是精密數(shù)控機床常用的主軸支撐。由于滾球高速運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生巨大的離心力和陀螺力矩，采用陶瓷球和鋼質(zhì)套圈混合軸承成為一種選擇。最常用的陶瓷球材料是。陶瓷具有密度小、熱膨脹系數(shù)小、彈性模量大和硬度高等優(yōu)點。用它作為高速主軸軸承的滾動元件，可大大減少滾球的離心力和陀螺力矩，從而使軸承獲得高速度、低溫升和長壽命的性能。除混合軸承外，目前國內(nèi)已開始在高速精密主軸上試驗采用全陶瓷球軸承，其內(nèi)外套圈、保持架和陶瓷球采用的材料有、、和聚四氟乙烯等。陶瓷球的等靜壓成型和燒結(jié)是保證陶瓷球強度的根底，球的加工精度靠加工和檢測來保證。目前國內(nèi)滾球的加工精度可達G5級以上。對于全陶瓷球軸承，除陶瓷球外，陶瓷內(nèi)外圈的精密加工也是關(guān)鍵，需要設計專門的工裝固定內(nèi)外圈坯件才能實現(xiàn)精密加工，內(nèi)外溝道的加工精度的一致性也要靠恰當?shù)墓ぱb和工序來保證。盡管目前高速精密電主軸的支撐絕大局部為角接觸陶瓷球軸承，但由于在極限轉(zhuǎn)速和大負載工況下滾動軸承的功能喪失很快，液體動靜壓軸承的研究一直為國內(nèi)外電主軸企業(yè)及專家重視。動靜壓軸承作為電主軸軸承的主要技術(shù)難點是實現(xiàn)高速化，對其關(guān)鍵技術(shù)的研究主要有：動靜壓軸承的層流、紊流流體慣性的計算算法研究；動靜壓軸承層油腔結(jié)構(gòu)的研究；軸承溫升及熱變形控制技術(shù)的研究及潤滑介質(zhì)的研究等。1.2.2高速精密電主軸的動態(tài)性能和熱態(tài)性能設計高速精密電主軸設計目標要求主軸剛度高、精度高、抗振性好、可靠性高。傳統(tǒng)的動力學分析常常將軸承剛度用假設的彈簧代替，利用有限元或傳遞矩陣法等數(shù)值計算方法計算主軸的各階固有頻率和振型，并在設計時使主軸的一階固有頻率高于設計的主軸最高轉(zhuǎn)速所對應的頻率。該方法還能解釋隨著主軸速度升高，球軸承離心力變化導致主軸固有頻率變化等動力學現(xiàn)象。但該方法對球軸承剛度的非線性變化特點沒有充分考慮。根據(jù)電主軸的實際運行特點，有必要將“軸承——主軸——電動機——軸承座”作為一個系統(tǒng)進行動力學分析，同時充分考慮支承剛度非線性、主軸熱擴散及熱變形等熱態(tài)性能對主軸動態(tài)性能的影響，并對整個電主軸進行動態(tài)優(yōu)化設計，而軸承系統(tǒng)的動力學仿真是根底。主軸動態(tài)性能設計的關(guān)鍵技術(shù)有：⑴滾動接觸界面的非線性剛度變化規(guī)律。滾動軸承的支承剛度與運轉(zhuǎn)速度之間、載荷與變形之間是非線性的關(guān)系，且由于有限個滾動體的存在、軸承元件接觸外表的加工幾何誤差、軸承材料的彈性及外力的變化等，使得軸承的剛度成為時變函數(shù)。在考慮定位預緊和定壓預緊兩種預緊方式、計算球與內(nèi)外圈溝道接觸載荷和接觸角的根底上，計算每個球與內(nèi)外圈溝道接觸點的接觸剛度，需要根據(jù)軸承內(nèi)部變形的幾何關(guān)系，提出適宜的計算軸承徑向剛度、軸向剛度和角剛度的方法。⑵主軸的熱變形和熱擴散規(guī)律。高速精密主軸單元各零件的剛度及精密都較高，主軸的彈性變形所引起的誤差常常很小，而運動副間的摩擦發(fā)熱和溫升卻不可防止。在各類誤差中，熱變形引起的誤差往往比其他誤差更為突出。高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，主軸多個支承軸承和電動機轉(zhuǎn)子是電主軸多區(qū)段的主要熱源，會直接導致主軸熱變形，改變軸承的預緊狀況，影響主軸的加工精度，嚴重時甚至會燒毀軸承，導致主軸損壞。為了防止這種危害，對主軸熱變形和熱擴散的研究至關(guān)重要，而建立高速精密主軸多區(qū)段熱擴散、熱變形及主軸熱變形與振動耦合規(guī)律的數(shù)學模型，是主軸系統(tǒng)動力學分析的一個關(guān)鍵。主軸熱分析可在獲得正確的主軸熱傳導系數(shù)后，采用有限元法進行研究，預測主軸熱變形后引起的間隙變化對軸承及主軸部件性能的影響，并在主軸系統(tǒng)設計、制造、裝配過程中做出補償，防止主軸單元工作精度降低。1.2.3高速電動機設計及驅(qū)動技術(shù)電主軸是電動機與主軸結(jié)合在一起的產(chǎn)物，電動機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)局部，理論上可以把主軸看作一臺高速電動機，其關(guān)鍵技術(shù)是高速運動的動平衡。電主軸實現(xiàn)高速化存在的問題，從機械方面考慮主要是軸承發(fā)熱和振動問題；從設計方面考慮主要是定轉(zhuǎn)子功率密度和線圈發(fā)熱問題；從驅(qū)動和控制角度考慮主要是調(diào)速性能問題。異步型電主軸的主要優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝相對成熟、驅(qū)動系統(tǒng)易于實現(xiàn)高速化，其缺乏之處在于轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴重、低速性能不好、轉(zhuǎn)子參數(shù)受溫度影響大，難于實現(xiàn)精密控制。異步型電主軸功率容量大、轉(zhuǎn)速提高時，常常需配備中心冷卻系統(tǒng)以降低主軸升溫，同時，在主軸結(jié)構(gòu)設計時，對軸承采用恒壓預緊方式，以克服主軸軸向熱變形帶來的影響。對于同步型電主軸，其優(yōu)點在于：⑴轉(zhuǎn)子不發(fā)熱，從原理上防止了旋轉(zhuǎn)軸熱變形和向軸承散熱等問題。⑵轉(zhuǎn)子無損耗，功率密度大，工作效率高，功率因數(shù)高，與同容量的異步電動機相比，其驅(qū)動裝置容量較小。⑶體積和重量大為減小，轉(zhuǎn)動慣量小，易于快速起動和準停。⑷與同體積的異步電動機相比，其輸出轉(zhuǎn)矩大一倍以上。⑸低速性能好。⑹易于實現(xiàn)精密控制。1.2.4高速電主軸的精密加工和精密裝配技術(shù)為了保證電主軸在高速運轉(zhuǎn)時的回轉(zhuǎn)精度和剛度，其關(guān)鍵零件必須進行精密加工或超精密加工。主軸單元的精密加工件包括主軸、箱體、先后軸承座以及隨主軸高速旋轉(zhuǎn)的軸承隔圈和定位過盈套等。主軸與軸承的配合面、主軸錐孔與刀柄的配合面、主軸拉刀孔的外表、主軸前后軸承德同軸度、主軸的徑向圓跳動是必須保證的主要精度指標。主軸單元的精密裝配包括主軸與電動機轉(zhuǎn)子、主軸與前后軸承、主軸與軸承隔圈和定位過盈套、主軸與刀具、軸系于軸承座、軸承座與殼體之間的精密裝配。精密裝配要保證的主要兩點是電主軸整體剛度和整體的動平衡精度。圍繞精密加工和精密裝配開發(fā)的工裝和專用機床是高速精密電主軸核心技術(shù)的重要組成局部。此外，高速主軸上旋轉(zhuǎn)刀具的裝配也是精密裝配工藝需要考慮的因素。1.2.5高速精密電主軸的潤滑技術(shù)電主軸的潤滑一般采用定時定量的油氣潤滑，也可以采用脂潤滑，但其相應的速度要大打折扣。定時就是指每隔一定的時間間隔注一次油，定量是指通過一個叫做定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的注油量。油氣潤滑，通常是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷球軸承。油氣潤滑技術(shù)中，油亮控制顯得十分重要，如果過少，起不到潤滑作用；過多，又會在軸承高速旋轉(zhuǎn)時因油的阻力而發(fā)熱。1.2.6高速精密電主軸的冷卻技術(shù)為了盡快使高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，而冷卻劑的溫度通過冷卻裝置來保持。1.3高速電主軸開展及現(xiàn)狀1.3.1高速電主軸技術(shù)的開展及現(xiàn)狀早在20世紀50年代，就已經(jīng)出現(xiàn)了用于磨削小孔的高頻電主軸，當時的變頻器采用的是真空電子管，雖然轉(zhuǎn)速高，但傳遞的功率小，轉(zhuǎn)矩也小。隨著高速切削開展的需要和功率電子器件、微電子器件和計算機技術(shù)的開展，產(chǎn)生了全固態(tài)元件的變頻器和矢量控制驅(qū)動器；加上混合陶瓷球軸承的出現(xiàn)，使得在20世紀80年代末、90年代初出現(xiàn)了用于銑削、鉆削、加工中心及車削等加工的大功率、大轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速的電主軸。國外高速電主軸技術(shù)開展較快，中等規(guī)格的加工中心的主軸轉(zhuǎn)速目前己普遍到達10000r/min甚至更高。1976年美國的Vought公司首次推出一臺超高速銑床，采用了Bryant內(nèi)裝式電機主軸系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速到達了20,OOOr/min，功率為15KW。到90年代末期，電主軸開展的水平是:轉(zhuǎn)速40,000r/min，功率40KW(即所謂的“40-40水平”)。但2001年美國Cincinnati公司為宇航工業(yè)生產(chǎn)了SuperMach大型高速加工中心，其電主軸最高轉(zhuǎn)速達60,000r/min，功率為80KW。目前世界各主要工業(yè)國家均有裝備優(yōu)良的專業(yè)電主軸生產(chǎn)廠，批量生產(chǎn)一系列用于加工中心和高速數(shù)控機床的電主軸。其中最著名的生產(chǎn)廠家有:瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和STEP-TEC公司，德國的GMN公司和FAG公司，美國的PRECISE公司，意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司，日本的NSK公司和KOYO公司，以及瑞典的SKF公司等公司。高速電主軸生產(chǎn)技術(shù)的突破，大大推動了世界高速加工技術(shù)的開展與應用。從80年代中后期以來，商品化的超高速切削機床不斷出現(xiàn)，超高速機床從單一的超高速銑床開展成為超高速車銑床、鉆銑床乃至各種加工中心等。德國、美國、瑞士、英國、法國、日本也相繼推出了自己的超高速機床。其中日本工業(yè)界善于汲取各國的研究成果并及時應用到新產(chǎn)品開發(fā)中去，尤其在超高速切削機床的研究和開發(fā)方面后來居上，現(xiàn)己躍居世界領(lǐng)先地位。日本廠商現(xiàn)己成為世界上超高速機床的主要提供者。在我國，也開始有廠家生產(chǎn)超高速機床。中國機床工具行業(yè)近幾年的快速開展，受到世界機床制造業(yè)界矚目。代表當今機床技術(shù)開展主流的數(shù)控機床，更是異軍突起，國產(chǎn)數(shù)控機床在高速、多軸、復合、精密以及自動化等方面都取得了明顯的進展。尤其在數(shù)控機床的高速化和品種開展上進步明顯。在CIMT2003屆展會的高速加工中心展品有30多臺，占參展國產(chǎn)加工中心總數(shù)的30%。在高速加工中心展品中，寧江機床集團公司的NJ-5HMC40臥式加工中心最高主軸轉(zhuǎn)速達40000r/min，快速行程達60m/min。在高精度產(chǎn)品中有北京機床研究所的高速立式加工中心，成都托普數(shù)控機床公司的PMC600高速立式加工中心，大連機床集團的DHSC500高速臥式加工中心，沈陽機床股份的BW60HS/1臥式加工中心等。高速加工機床的涌現(xiàn)及超高速切削技術(shù)的開展，帶動了相關(guān)技術(shù)及數(shù)控功能部件的專業(yè)化生產(chǎn)。數(shù)控功能部件是指數(shù)控系統(tǒng)、主軸單元、數(shù)控刀架和轉(zhuǎn)臺、滾珠絲杠副和滾動直線導軌副、刀庫和機械手、高速防護裝置等。它們是數(shù)控機床的核心組成局部。主機技術(shù)水平的不斷提高，要求配套的功能部件也必須迅速提高自身的水平。功能部件技術(shù)水平的上下、性能的優(yōu)劣以及整體的社會配套水平，都直接決定和影響著數(shù)控機床整機的技術(shù)水平和性能，也制約著主機的開展速度。沒有高質(zhì)量的功能部件，數(shù)控機床的迅速開展也將成為一句空話。國產(chǎn)電主軸技術(shù)水平的上下必然影響產(chǎn)品在主機上的應用。我國數(shù)控機床的開展歷程充分證明，數(shù)控功能部件產(chǎn)業(yè)開展的滯后，始終是制約我國數(shù)控機床開展的瓶頸問題之一。功能部件跟不上，開展數(shù)控機床將成為空話。我國數(shù)控機床整體技術(shù)水平的開展和提高，最終離不開先進的功能部件產(chǎn)業(yè)的支持。我們要抓住目前的黃金開展機遇，學習國外同行的先進技術(shù)，探索國際合作途徑，共同為做大做強數(shù)控功能部件產(chǎn)業(yè)，為國產(chǎn)數(shù)控機床的開展而努力奮斗。1.3.2主軸單元結(jié)構(gòu)形式研究的開展從電主軸的結(jié)構(gòu)形式來看，早期主軸單元的結(jié)構(gòu)比較簡單，主軸僅由套軸向預緊面對面配置的320C系列圓錐滾子軸承支承。圓錐滾子軸承具承受較大軸向和徑向聯(lián)合載荷的能力，徑向和軸向剛度高，主軸單元具良好的動力學特性。由于這種主軸單元的速度性能受到限制，在高速場很少采用，其值一般小于。SKF公司于1955年所提出的著名的主軸單元，其徑向載荷靠NN30K系雙列圓柱滾子軸承支承，軸向載荷靠軸向預緊的2844系列雙向推力角接球軸承承受和軸向定位。這種主軸單元剛性好，但由于雙向推力角接觸球軸承的摩擦力矩和接觸角較大，其速度性能受到了限制，值一般小于。為了改善主軸速度性能，上個世紀八十年代又出現(xiàn)了一種主軸單元：它的工作端用三套主軸軸承代替雙列圓柱滾子軸承和雙向推力角接觸球軸承，值可到達。近年來，為適應機床提高生產(chǎn)效率和加工精度的需要，進一步改善主軸單元的結(jié)構(gòu)，如在傳動端用雙聯(lián)配置的主軸軸承代替雙列圓柱滾子軸承進一步提高速度性能，工作端可以采用雙聯(lián)、三聯(lián)甚至四聯(lián)配置的主軸軸承以適應不同的剛度性能要求，采用定位和定壓預緊以及定壓和定位預緊轉(zhuǎn)換，以適應主軸單元不同的速度和剛性要求，值可到達。根據(jù)主電動機與主軸軸承相對位置的不同，高速電主軸單元主要有兩種結(jié)構(gòu)布局設計方式：〔l〕主電機置于主軸前、后軸承之間。它采用兩支承結(jié)構(gòu)，前軸承比后軸承尺寸大，均分別用串聯(lián)安裝方式，前后支承受力方式為外撐式。后支承選用小尺寸軸承，雖然會降低速度回數(shù)值，這對主軸整體剛性影響不大，但它改變了工作條件，對保持整個軸系的使用壽命十分有利。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大，輸出功率大，較適合大中型高速機床?！?〕主電動機置于主軸后軸承之后，即主軸箱和主電機作軸向的同軸布置，這種方式減少了電主軸前端的懸伸量，電機的散熱條件較好，但整個電主軸單元的出力較小，軸向尺寸大，常用于小型高速機床。1.4電主軸對高速加工技術(shù)及現(xiàn)代數(shù)控機床開展的意義以高切削速度、高進給速度、高加工精度為主要特征的高速加工是當代四大先進制造技術(shù)之一，是制造技術(shù)產(chǎn)生第二次革命性飛躍的一項高新技術(shù)。當今世界各國都競相開展自己的高速加工技術(shù)，并成功應用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。要開展和應用高速加工技術(shù)，首先必須有性能優(yōu)良的高速數(shù)控機床，而數(shù)控機床性能的好壞那么首先取決于高速主軸。高速加工的主要優(yōu)勢是：⑴加工時間大幅度縮短，加工節(jié)拍只有原來的1/4，這意味著一臺高速機床可以代替4臺普通CNC機床。⑵外表質(zhì)量高，不用再進行比方打磨等外表處理工序。⑶零件可換性好，有利于模具行業(yè)制造。⑷零件變形小，可以加工很薄的零件。⑸從管理角度看，高速機床的投資可以很快回收，并能縮短交貨期，占地面積小，人工數(shù)量可減少。因此，近年來高速加工技術(shù)開展十分迅猛，在航空航天、汽車工業(yè)、模具加工和摩托車工業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用?，F(xiàn)代高速加數(shù)控機床主軸的主要形式就是電主軸，并且已在機械、電子、航空航天、國防、冶金、食品、化工、醫(yī)藥和光學等領(lǐng)域內(nèi)顯示期旺盛的生命力;其性能的好壞在很大程度上決定了整臺高速機床的加工精度和生產(chǎn)效率。因此，電主軸單元技術(shù)的開展也對現(xiàn)代數(shù)控機床的開展及高速加工技術(shù)產(chǎn)生了深遠的影響。主要表達在以下幾個方面：⑴促進了高速加工技術(shù)與機床的開展。電主軸是由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，更容易滿足高速加工對機床“高速度、高精度、高可靠性及小振動”的要求，與機床高速進給系統(tǒng)、高速刀具系統(tǒng)一起組成高速切削所需要的必備條件。電主軸技術(shù)與電動機變頻、閉環(huán)矢量控制、交流伺服控制等技術(shù)結(jié)合，可以滿足車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削等金屬切削加工的需要。⑵簡化結(jié)構(gòu)，促進機床結(jié)構(gòu)模塊化。電主軸可以根據(jù)用途、結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)等特征形成標準化、系列化產(chǎn)品，供用戶選用，從而促進機床結(jié)構(gòu)模塊化。⑶降低機床本錢，縮短機床研制周期。一方面，標準化、系列化的電主軸產(chǎn)品易于形成專業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)，實現(xiàn)功能部件的低本錢制造；另一方面，采用電主軸后，機床結(jié)構(gòu)的簡單化和模塊化，也有利于基地機床本錢。此外，還可以縮短機床研制周期，適應目前快速多變的市場趨勢。⑷改善機床性能，提高其可靠性。采用電主軸結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床，由于結(jié)構(gòu)簡化，傳動、連接環(huán)節(jié)減少，因此，提高了機床的可靠性；技術(shù)成熟、功能完善、性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠的電主軸功能部件是機床的性能更加完善，可靠性得到進一步提高。⑸實現(xiàn)某些高檔數(shù)控機床的特殊要求。有些高檔數(shù)控機床，如并聯(lián)運動機床、五面體加工中心、小孔和超小孔加工機床等，必須采用電主軸才能滿足完善的功能要求。1.5內(nèi)裝式電主軸系統(tǒng)的研究內(nèi)裝式電主軸系統(tǒng)把主軸與電動機有機地結(jié)合在一起，經(jīng)驅(qū)動控制器供電，使之輸出相應的轉(zhuǎn)速和扭矩。在編碼系統(tǒng)的控制下，該驅(qū)動器能方便地控制電動機實現(xiàn)準速、準停和準位等功能。內(nèi)裝式電主軸系統(tǒng)由內(nèi)裝式電主軸單元、驅(qū)動控制器、編碼系統(tǒng)、直流母線能耗制動器和通訊電纜組成(見圖2.2)常見的數(shù)控機床與電主軸系統(tǒng)的配置可由以下簡式來表述:加工中心+電主軸單元十編碼系統(tǒng)+閉環(huán)式驅(qū)動控制器+直流母線能耗制動器車削中心+電主軸單元+編碼系統(tǒng)十有C軸定位的閉環(huán)式驅(qū)動控制器十直流母線能耗制動器。圖2.2內(nèi)裝式電主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖內(nèi)裝式電主軸單元是電主軸系統(tǒng)的核心。高性能的電主軸單元具有高速、高精度、高效、低振動和低噪聲等特點，便于實現(xiàn)主軸系統(tǒng)智能化控制。內(nèi)裝式電主軸單元由以下各部件及系統(tǒng)組成:(l)電動機接受驅(qū)動控制器提供的中頻電，并將其轉(zhuǎn)換成電主軸的機械能。(2)支承按數(shù)控機床對主軸系統(tǒng)的特殊要求設置的支承系統(tǒng)，它是決定電主軸單元精度、剛度的主要因素。(3)冷卻系統(tǒng)為將電主軸電動機及軸承高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱能帶走而設置在電主軸內(nèi)腔的熱交換器。(4)松拉刀系統(tǒng)為電主軸單元實現(xiàn)氣(液)動松拉刀而設置在轉(zhuǎn)軸體內(nèi)的機構(gòu)。其中拉刀器由電主軸轉(zhuǎn)速、傳遞扭矩的不同可選用HSK、瓣爪、鋼球拉刀等不同型式。(5)松刀氣、液壓缸電主軸松刀時向松拉刀機構(gòu)提供動力源的部件。(6)軸承自動卸載系統(tǒng)電主軸處于松刀狀態(tài)時，用以自動卸去軸承上承受的過大沖擊負荷的系統(tǒng)。(7)刀具冷卻系統(tǒng)在統(tǒng)一設計前提下，電主軸單元對刀具冷卻通道采取統(tǒng)籌兼顧的措施。常見的電主軸單元中刀具冷卻形式可分兩種:超高速電主軸刀具冷卻選用內(nèi)冷式，高速電主軸刀具冷卻選用外冷式。(8)編碼安裝調(diào)整系統(tǒng)加工中心、大型數(shù)控車用電主軸需具備準停、準位功能，因此，必須在電主軸單元中安裝能實現(xiàn)速度反應和傳遞位置信號的磁性編碼器。其中鋼質(zhì)碼盤應安裝在轉(zhuǎn)軸本體上，接收器應牢靠地安裝在電主軸外殼上，以實現(xiàn)準確的相角控制以及進給的配合，同時應便于調(diào)整。2.電主軸工作原理及結(jié)構(gòu)2.1電主軸的根本結(jié)構(gòu)高速電主軸要獲得好的動態(tài)性能和使用壽命，必須對電主軸各個局部進行精心設計和制造。電主軸的根本結(jié)構(gòu)包括以下幾個局部：軸殼、轉(zhuǎn)軸、軸承、定子和轉(zhuǎn)子。電主軸根本結(jié)構(gòu)原理如圖2-1所示。對電主軸的結(jié)構(gòu)設計就是圍繞這幾個局部展開的。3.1電主軸根本結(jié)構(gòu)原理圖2.1.1軸殼軸殼是高速電主軸的主要部件。軸殼的尺寸精度和位置精度直接影響主軸綜合精度。通常將軸承座孔直接設計在軸殼上。電主軸為加裝電動機定子，必須開放一端。大型或特種電主軸，為方便制造、節(jié)省材料，可以將軸殼兩端均設計成開放型。高速、大功率和超高速電主軸，應該嚴格控制整機裝配精度。2.1.2轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸是高速電主軸的主要回轉(zhuǎn)主體，其制造精度直接影響電主軸的最終精度。成品轉(zhuǎn)軸的形位公差和尺寸精度要求都很高。當轉(zhuǎn)軸高速運轉(zhuǎn)時，由偏心質(zhì)量引起的振動，嚴重影響其動態(tài)性能。因此，必須對轉(zhuǎn)軸進行嚴格的動平衡，局部安裝在轉(zhuǎn)軸上的零件也應隨轉(zhuǎn)軸一起進行動平衡。2.1.3軸承高速電主軸的核心支撐部件是高速精密軸承。這種軸承具有高速性能好、動載荷承載能力高、潤滑性能好、發(fā)熱量小等優(yōu)點。近年來，相繼開發(fā)研制了陶瓷軸承、動靜壓軸承和磁浮軸承。目前應用最多的高速主軸軸承還是混合陶瓷球軸承，即滾動體使用熱壓陶瓷球，軸承套圈仍為鋼圈。這種軸承標準化程度高，對機床結(jié)構(gòu)改動小，便于維護保養(yǎng)，特別適合高速運行場合。為了延長軸承的使用壽命，可增加滾道的耐磨性，對滾道進行涂層處理或其他外表處理。用其組裝的高速電主軸，能兼有高速、高剛度、大功率、長壽命等優(yōu)點。2.1.4定子與轉(zhuǎn)子高速電主軸的定子由具有高磁導率的優(yōu)質(zhì)矽鋼片疊壓而成，疊壓成型的定子內(nèi)腔帶有沖制嵌線槽。轉(zhuǎn)子是中頻電動機的旋轉(zhuǎn)局部，它的功能是將定子的電磁場能量轉(zhuǎn)換成機械能。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、鼠籠、轉(zhuǎn)軸三局部組成。由于電主軸單元是機械主軸和電動機轉(zhuǎn)子的合成體，因此其精度要求高于一般主軸，加工難度更大，需要很好的工藝分析和正確的工藝路線。由于高速主軸的極限轉(zhuǎn)速高，為了保證電主軸運行的穩(wěn)定性，防止振動發(fā)生，電動機轉(zhuǎn)子與主軸的聯(lián)接也采用同主軸軸承緊固相似的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子與機床主軸過盈配合量的大小是影響主軸性能的重要因素。由于主軸的轉(zhuǎn)速高，在高速下，會產(chǎn)生很大的離心力，轉(zhuǎn)子與主軸在徑向上將產(chǎn)生不同程度的膨脹，這將會影響到主軸與轉(zhuǎn)子的配合。過盈量太小的配合將會影響主軸傳遞轉(zhuǎn)矩的能力，甚至松動，產(chǎn)生振動；過盈量太大，將會使裝配難度加大，影響裝配精度，甚至破壞配合外表。因此，必須對電動機轉(zhuǎn)子與機床主軸間的過盈量進行研究，以適應高速電主軸設計工作的需要。2.2電主軸的工作原理高速電主軸的工作原理是：高速電主軸的電動機局部由產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的定子繞組和把電能轉(zhuǎn)換為機械能的轉(zhuǎn)子組成。高速電主軸的定子和轉(zhuǎn)子之間的空隙是形成功率輸出有效局部的主要局部。電主軸持續(xù)工作功率主要取決于電動機的機械效率和冷卻效果，機械效率的上下那么主要取決于軸承高速化參數(shù)n值，為軸承中徑，n為主軸轉(zhuǎn)速。電主軸的線圈相位互差120度，安放在定子鐵心的槽內(nèi)，通以三相交流電，三相線圈各自形成一個正弦交變磁場，這三個對稱的交變磁場互相疊加，合成一個強度不變，磁極朝一定方向恒速旋轉(zhuǎn)的磁場，磁場轉(zhuǎn)速就是電主軸的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機的同步轉(zhuǎn)速n由輸入電動機定子線圈電流的頻率f和電動機定子的極對數(shù)p決定〔n=60f/p〕。電主軸就是利用變換輸入電動機定子繞組的電流的頻率和勵磁電壓來獲得各種轉(zhuǎn)速。在加工和制動過程中，通過提供相當于最大轉(zhuǎn)矩的頻率進行加減速，以免電動機溫升過高。由于電動機旋轉(zhuǎn)磁場的方向取決于輸入三相交流電的相序，便可改變電主軸的旋轉(zhuǎn)方向。電主軸運轉(zhuǎn)中，將會產(chǎn)生如振動、軸承發(fā)熱、精度低和壽命低等問題。所以通常從轉(zhuǎn)速提出相應的功率參數(shù)、體積參數(shù)和剛度參數(shù)，作為定性評價高速電主軸的可比度：式中功率參數(shù)，=n；體積參數(shù)，=K常數(shù)，取；A單位線負載；空氣隙磁通密度。上式說明，和值一經(jīng)確定，電主軸的電磁負荷也就可以大致確定。增大值必將導致或增大提高值要受到臨界轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子外表線速度的限制；的提高易導致電主軸的功率下降和溫度升高；值增大，使軸承的動載荷增大，振動加大，降低軸承的壽命。理論分析及實驗說明：軸承是制約電主軸的功率輸出和精度的主要部件。所以，高速主軸軸承是電主軸的核心局部，使用值高的主軸軸承可以有效的提高電主軸的性能。2.3電主軸的根本參數(shù)電主軸的性能是通過一些技術(shù)特性參數(shù)來表示的其中電主軸的主要參數(shù)有：電主軸的最高轉(zhuǎn)速和恒功率轉(zhuǎn)速范圍；電機主軸的額定功率和最大扭矩；電機主軸前、后軸承直徑和前后軸承跨距。其中主軸的最高轉(zhuǎn)速、前后軸承直徑和額定功率為根本參數(shù)。2.3.1電主軸的型號電主軸的型號一般由電主軸代號、安裝尺寸及轉(zhuǎn)速代碼等組成。一般電主軸型號中含有套筒直徑、最高轉(zhuǎn)速和輸出功率等參數(shù)。2.3.2轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速是電主軸的一個重要技術(shù)指標，電主軸轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)通過變頻器實現(xiàn)無級變速，電主軸轉(zhuǎn)速和頻率成正比關(guān)系。同步轉(zhuǎn)速由下式計算可得。n=60f/p式中f-變頻器輸出頻率；p-驅(qū)動電動機的極對數(shù)。電主軸一般為異步電動機，其實際轉(zhuǎn)速比同步電動機的轉(zhuǎn)速稍低。選擇電主軸時要注意實際工作轉(zhuǎn)速不得高于最高轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速是指一個回轉(zhuǎn)質(zhì)量統(tǒng)〔包括道具在內(nèi)〕在某一特定的支承條件下，產(chǎn)生系統(tǒng)最低一階共振時的轉(zhuǎn)速。掌握這個臨界轉(zhuǎn)速，對高速回轉(zhuǎn)部件的平安運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。2.3.3輸出功率輸出功率表示電主軸的做功能力，一般用P表示電主軸功率一般隨電源頻率和電壓變化而變化〔恒功率調(diào)速除外〕，電主軸銘牌標稱電壓、轉(zhuǎn)速下的滿載輸出功率，電主軸的輸出功率一般隨轉(zhuǎn)速的降低而降低，選擇電主軸時要考慮這一點。2.3.4輸出轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)矩表示電主軸輸出力的大小，一般用M表示，電主軸的轉(zhuǎn)矩指標有最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)矩表示電主軸的過載能力，額定轉(zhuǎn)矩表示負載能力。如電主軸承當?shù)霓D(zhuǎn)矩超過最大轉(zhuǎn)矩時，電主軸轉(zhuǎn)速會發(fā)生陡降或停轉(zhuǎn)，電主軸的最大轉(zhuǎn)矩一般為額定轉(zhuǎn)矩的2倍左右，在使用和選擇電主軸時要注意瞬間最大負載轉(zhuǎn)矩不能超過電主軸的最大轉(zhuǎn)矩，工作轉(zhuǎn)矩稍小于電主軸的額定轉(zhuǎn)矩。2.3.5電主軸轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、功率的關(guān)系電主軸的功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的關(guān)系可由下式表示。對恒功率電主軸，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速成反比，對恒轉(zhuǎn)矩電主軸，功率和轉(zhuǎn)速成正比。2.3.6恒轉(zhuǎn)速調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速是指主軸在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)改變轉(zhuǎn)速時，輸出轉(zhuǎn)矩不變的調(diào)速方式。一般的磨削用電主軸及小型銑削用電主軸都為恒轉(zhuǎn)矩電主軸，這類電主軸注重考核高速時的性能，給定的電動機參數(shù)一般為額定轉(zhuǎn)速的功率及相對應的電壓和頻率，選用及應用時應注意。在使用普通變頻器時，注意變頻器基頻頻率應設定為電主軸標稱頻率，輸出電壓為電主軸標稱電壓。2.3.7恒功率調(diào)速恒功率電主軸是指在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)改變轉(zhuǎn)速時，輸出功率可保持不變的調(diào)速方式。恒功率調(diào)速時電主軸功率保持恒定，電主軸轉(zhuǎn)矩隨速度上升而下降，且一般在起步及低速段采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，而高速段采用恒功率調(diào)速，保證低速時有較大的輸出轉(zhuǎn)矩，滿足低速大進給的切削要求。在調(diào)速段保持恒功率，可滿足小切削量的高轉(zhuǎn)速要求，一些低速高要求的電主軸，應采用高性能的矢量變頻器控制。2.3.8軸承中徑電主軸功率及轉(zhuǎn)速時受電主軸體積及軸承限制，值就是反映電主軸功率和轉(zhuǎn)速的一個重要特性參數(shù)，其中為軸承中徑，n為電主軸的工作轉(zhuǎn)速。值越大其電主軸性能要求越高。一般電主軸的值小于等于這類電主軸可采用油脂潤滑；值大于為高速大功率電主軸，這類要求采用油氣或油霧潤滑；值大于的電主軸必須采用氣浮或磁浮軸承才能解決其支承問題。對于值恒定的電主軸來講，n值越大，值越小，功率小，剛性大，所以選擇電主軸時不要盲目要求高轉(zhuǎn)速。2.3.9剛度和精度剛度分為軸向剛度和徑向剛度。其數(shù)值隨電主軸的套筒大小變化而變化，單位。而同樣大小尺寸的套筒，其剛度數(shù)值隨電主軸最高轉(zhuǎn)速的變化而變化，一般最高轉(zhuǎn)速的電主軸剛度小于最高轉(zhuǎn)速低的電主軸剛度。這既反映了電主軸工作的實際需要，也說明了電主軸剛度在高轉(zhuǎn)速時和預加載荷的大小有關(guān)。電主軸的剛度和精度與電主軸前后軸承的配置方式、主要零件的制造精度〔如套筒前后孔和主軸前后軸頸的同軸度等〕、選用滾動軸承的尺寸大小和精度等級、裝配的技術(shù)水平和預加載荷的大小等密切相關(guān)。2.4自動換刀裝置為了應用于加工中心，電主軸配置了自動換刀裝置，包括蝶形彈簧，拉刀裝置等。3.電主軸結(jié)構(gòu)設計本次畢業(yè)設計電主軸的結(jié)構(gòu)設計工作其路線大致如圖3.1所示。圖4.1主軸單元結(jié)構(gòu)設計路線圖上述研究內(nèi)容相互之間交叉或并行或串行進行，通過以上一系列關(guān)鍵性技術(shù)問題的解決，完成主軸單元結(jié)構(gòu)設計。3.1主軸的設計3.1.1.銑削力的計算銑刀材料為高速鋼，工件為45鋼，精銑，根據(jù)切削力公式：F=電主軸主要工作在高速狀態(tài)下，故取查表得：那么：F=9.81*180*4*0.2*〔1.42*60〕*0.92=1943N橫向縱向3.1.2主軸當量直徑的計算根據(jù)數(shù)控加工中心參數(shù)，定電機功率P=15.1千瓦，那么額定轉(zhuǎn)矩,式中，取，n=1500r/min,軸的材料為40，D求得D=24.49D，d都是當量直徑，結(jié)合電機尺寸，及HSK-A63刀具，確定D=75，d=37.5,3.2高速電主軸單元結(jié)構(gòu)參數(shù)靜態(tài)估算3.2.1高速電主軸單元結(jié)構(gòu)靜態(tài)估算的內(nèi)容與目的高速電主軸單元結(jié)構(gòu)靜態(tài)估算的內(nèi)容包括主軸單元主要結(jié)構(gòu)參數(shù)計算、靜剛度的計算、臨界轉(zhuǎn)速的估計。靜態(tài)估算的目確實定主軸單元主要結(jié)構(gòu)參數(shù)〔主軸前懸伸、跨距、主軸外徑和主軸內(nèi)徑等〕，為結(jié)構(gòu)設計提供根本依據(jù)。3.2.2軸承的選擇和根本參數(shù)為適應主軸高速特性，同時保證一定的剛度，整個主軸支承結(jié)構(gòu)采用一端固定一端游動的支承方式，主軸前端為固定端，后端為游動端。這種支承的特點是：前支承軸向固定，后支承浮動，能適應主軸向后熱伸縮的需要，具有較高剛度，同時具有較好的高速性能。前后端角接觸球軸承背對背安裝，因為背對背組配支承點間的距離比較大，因而產(chǎn)生一個較大的抗彎力矩，徑向膨脹將使軸承內(nèi)的過盈加大，而軸向膨脹將使過盈減少。由于角接觸球軸承均為點接觸，剛度較低，為提高剛度，通常采用多聯(lián)組配。又在各種不同的配置中，由于每個軸承的誤差不一致，會使整個軸承組的轉(zhuǎn)速會有所下降，軸承組配數(shù)越多，主軸速度降低系數(shù)越大〔主軸速度降低系數(shù)影響主軸最終能到達的最高轉(zhuǎn)速〕。結(jié)合利弊，最后考慮前后軸承均雙聯(lián)組配，得到支承結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。圖3.2電主軸主軸的支承形式3.3軸承的預緊軸承預緊的目的主要是提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度和主軸的剛度。適量的預緊，可消除軸承的徑向間隙，補償磨損和熱伸長引起的軸向間隙，使?jié)L動體從各個方向上支承主軸，有利于提高主軸精度、剛度以及抗振性和壽命。軸承預緊方式有兩種：定位預緊和定壓預緊。定位預緊軸向內(nèi)外圈的相對位置固定，在使用中不改變。定壓預緊那么是利用彈簧或者是液壓系統(tǒng)對軸承實現(xiàn)預緊，在高速運轉(zhuǎn)中彈簧或者液壓系統(tǒng)吸收引起軸承預緊力增加的過盈量，以保持軸承預緊力不變。同時，軸承預緊力根據(jù)大小不同又可以分為輕、中、重預緊，不同的組配方式和不同的預緊力在一定轉(zhuǎn)速下發(fā)熱不同，其極限轉(zhuǎn)速比單個軸承輕預緊時的極限轉(zhuǎn)速有所下降。綜上所述選用軸承類型，前、后端均采用角接觸陶瓷球軸承。結(jié)合電機處軸徑直徑以及加工中心的軸徑尺寸，在此次設計中主軸前后支承均選用瑞士SKF高精度混合式陶瓷角接觸球軸承，軸承定位采用輕預緊方式，其主要技術(shù)參數(shù)如表4.1所示：3.4主軸軸承靜剛度的計算前后支承均選用SKF高精度混合式陶瓷角接觸球軸承，其主要技術(shù)參數(shù)如表3.1：表3.1軸承技術(shù)參數(shù)表參數(shù)前支承后支承型號71915CE71913CE精度P4P4組配方式背靠背背靠背頂緊級別輕預緊輕預緊內(nèi)徑d(mm)7565外徑D(mm)10590寬度b(mm)1613滾動體直徑(mm)9.527.93接觸角預緊力〔N〕110N80N額定動載荷〔N〕2250080額定動載荷〔N〕166000127000潤滑方式油氣潤滑脂潤滑軸承裝配后的預緊力可用下式計算——軸承系數(shù)——接觸角系數(shù)——預緊級別系數(shù)——混合陶瓷球軸承修正系數(shù)——裝配前的預緊力71911CE/HC：查機床滾動軸承應用手冊f=2.22，=1.07，=0.92，=1.06，=110N=2.22×1.07×0.92×1.06×110=254.8N,圓整后取260N71913CE/HC:查機床滾動軸承應用手冊f=1.85，=1，=1，=1.06，=1.85×1×1×1.06×80=156.88N,圓整后取160N在軸向預緊力前提下，角接觸球軸承的徑向剛度Kr可近似地按下式計算：對于混合式陶瓷球軸承還應再乘以材料修正系數(shù)1.3，即：上式中的預緊力即前面計算的值71913CE/HC：71911CE/HC：=310.3N/um3.4.1主軸單元主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定及剛度驗算主要假設：〔1〕用單一的當量截面代替多個不同尺寸的截面；〔2〕用合并或忽略輔助支承的方法，將多個軸承簡化為前后兩個支承；〔3〕將軸承簡化為徑向的壓縮彈簧，即只認為軸承具有徑向剛度，而不具有角剛度；〔4〕忽略轉(zhuǎn)速對軸承剛度的影響；〔5〕忽略軸承負荷對軸承剛度的影響，即把軸承剛度當作不變的常數(shù)對待。主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有主軸前、后軸頸直徑D1和D2、內(nèi)孔直徑d、懸伸量a和主軸主要支承間的跨距L。如圖4.3所示：3.4.2主軸單元主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定主要假設：〔1〕用單一的當量截面代替多個不同尺寸的截面；〔2〕用合并或忽略輔助支承的方法，將多個軸承簡化為前后兩個支承；〔3〕將軸承簡化為徑向的壓縮彈簧，即只認為軸承具有徑向剛度，而不具有角剛度；〔4〕忽略轉(zhuǎn)速對軸承剛度的影響；〔5〕、忽略軸承負荷對軸承剛度的影響，即把軸承剛度當作不變的常數(shù)對待。計算步驟：〔1〕主軸直徑的初選：參考國內(nèi)外電主軸生產(chǎn)廠家技術(shù)資料，根據(jù)電機、拉刀機構(gòu)等外購件的尺寸參數(shù)，初步確定主軸前軸頸的直徑D1，選取D1=75mm；D2=〔0.75～0.85〕D1，取D2=65mm，主軸的內(nèi)孔直徑確實定如圖3.4和表3.2所示。圖3.4主軸內(nèi)孔尺寸標準表3.2主軸內(nèi)孔標準D1d2d3d5d6d7d8131819110111503826332615101861453.684634834423420152269524.294806042504222172872564.298〔2〕前懸伸量a的初步確定：前懸伸a對主軸組件的綜合剛度影響很大，在選擇主軸端部結(jié)構(gòu)以及考慮刀具的安裝、軸承的類型及密封結(jié)構(gòu)時，應盡可能減小主軸的懸伸量。初步確定前懸伸量a=60mm?！?〕主軸最正確跨距l(xiāng)0的計算：滿足主軸前端最小靜撓度條件時的l是最正確跨距l(xiāng)0，當0.75≤l/l0≤1.5時，主軸組件的剛度損失不超過5%～7%，在工程上認為是合理的剛度損失，故在該范圍內(nèi)的跨距稱為“合理跨距”l合，結(jié)構(gòu)設計時首先應爭取主軸前端在一定的外載荷P的作用下，主軸本身及其支承都要產(chǎn)生變形，引起主軸前端部產(chǎn)生位移(如圖3.5)。其總位移由兩局部組成：是假設軸承為剛性支承，主軸為彈性體時，主軸在前端受到外載荷P作用后的位移。是假設主軸是剛體，支承為彈性體時，主軸在前端受到外載荷P作用后的位移。圖3.5主軸撓變形示意圖根據(jù)材料力學中外伸梁的撓度公式：E主軸材料的彈性模量，I主軸截面的平均慣性矩〔〕，空心軸前、后支承的支反力為，剛度為時，前、后支承的變形分別為由幾何關(guān)系可求出:又因為，，所以主軸前端在一定的外載荷P的作用下，主軸端部的總撓度y為式中E為主軸材料的彈性模量；I為主軸截面的平均慣性矩；為前、后支承徑向剛度；根據(jù)最小撓度條件：對上式求導，并引入無量常數(shù)整理有：可以證明這個三次代數(shù)方程有且只有唯一的正實根，即：前、后支承均采用雙聯(lián)角接觸球軸承，所以最正確跨距：〔4〕根據(jù)構(gòu)造上的要求對最正確跨距進行修正。根據(jù)電機的尺寸參數(shù)取l=370mm，在合理跨距范圍內(nèi)?！?〕驗算剛度：查相關(guān)資料選取典型工藝參數(shù)并計算其切削力P，代入式計算其主軸前端靜撓度y，并計算徑向剛度，驗證剛度是否符合設計要求。如果剛度不符合設計要求，返回重新進行計算。主軸的靜剛度簡稱主軸剛度，是機床主軸系統(tǒng)重要的性能指標，它反映主軸單元抵抗靜態(tài)外載荷的能力。主軸單元的彎曲剛度定義為使主軸前端產(chǎn)生單位徑向位移時，在位移方向所需施加的力；主軸單元的軸向剛度定義為使主軸軸向產(chǎn)生單位位移時，在軸向所需施加的力。一般情況，彎曲剛度遠比軸向剛度重要，是衡量主軸單元剛度的重要指標，通常用來代指主軸的剛度。驗算剛度：P=Fr=1943Ny=3.53+3.12=6.65um主軸單元的徑向剛度K=N/μm參考國內(nèi)外電主軸生產(chǎn)廠家的技術(shù)資料，上述計算結(jié)果說明該電主軸的結(jié)構(gòu)設計是滿足剛度要求的。3.4.3主軸強度的校核〔1〕按彎扭合成應力校核強度軸的強度通過軸的結(jié)構(gòu)設計，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，軸上零件的位置，以及外載荷和支反力的作用位置均已確定，軸上的載荷已可以求得，因而可按彎扭合成強度對軸進行強度校核計算。首先繪制出軸的計算簡圖如圖3.6〔a〕，然后依次確定出軸的彎距圖和扭距圖分別如圖3.6〔b〕和(c)所示。由靜力平衡方程可得：，求得支反力為,圖3.6軸的受力簡圖同理由平衡公式可知：1解得：查〔機械設計第七版〕表15-1，40Cr有以下參數(shù)：那么取0.3,那么根據(jù)以上數(shù)據(jù)可計算得：=38809.2=那么軸滿足彎扭合成強度要求?！?〕按疲勞強度精確校核計算。那么由機械傳動手冊查得：；；；；那么=所以其疲勞強度要求合格。3.4.4主軸剛度的校核按主軸的扭轉(zhuǎn)剛度進行校核軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長的扭轉(zhuǎn)角來表示。圓扭轉(zhuǎn)角的計算公式為：--軸所受的扭矩--軸的剪切彈性模量--軸的極慣性矩：=軸的扭轉(zhuǎn)剛度的條件為：的取值為0.5-1〔〕/m所以1.53×那么軸滿足扭轉(zhuǎn)剛度要求。參考國內(nèi)外電主軸生產(chǎn)廠家的技術(shù)資料，上述計算結(jié)果說明該電主軸的結(jié)構(gòu)設計是滿足剛度要求的。計算結(jié)果如表3.3。表3.3計算結(jié)果列表主軸前軸徑D1=75mm主軸后軸徑D2=65mm主軸前端懸伸量a=60mm主軸前后軸承跨距L=370mm3.4.5主軸的精密制造電主軸設計工作只是電主軸技術(shù)的重要的一局部，是生產(chǎn)的根底，要想真正用于生產(chǎn)，必須經(jīng)過精密加工和試驗驗證。高速主軸單元是精密機床關(guān)鍵功能部件，為保證主軸單元的動靜態(tài)精度到達工程任務書的要求和實際使用要求，必須制定科學合理的零部件加工工藝。加工工藝應該根據(jù)零部件的技術(shù)要求和現(xiàn)有的設備水平、精心制定了不同零件的加工制造工藝，不但進一步完善電主軸單元通用零部件的加工工藝，而且對關(guān)鍵件的典型工藝進一步改良。以下是關(guān)鍵零部件的加工工藝分析：⑴軸加工工藝流程及分析轉(zhuǎn)軸是高速電主軸的回轉(zhuǎn)主體，安裝有高精度的主軸軸承、高速電機、軸承緊固件等，也是工作頭的載體。它的制造精度直接影響電主軸的最終精度。成品轉(zhuǎn)軸的形位公差和尺寸精度要求都很高，轉(zhuǎn)軸高速運轉(zhuǎn)時，由偏心質(zhì)量引起振動，嚴重影響其動性能，必須對轉(zhuǎn)軸進行嚴格動平衡測試。局部安裝在轉(zhuǎn)軸上的零件也應隨轉(zhuǎn)軸一起進行動平衡測試.轉(zhuǎn)軸材料為高強度合金鋼42Cr，它適用于中等載荷、轉(zhuǎn)速稍高、精度要求高、沖擊和疲勞負荷不大的工作場合。如:制作汽車半軸，曲軸等，用來制作試驗機主軸的轉(zhuǎn)軸也是非常適宜的。淬火硬度要求在HRC45-500。⑵轉(zhuǎn)軸具體工藝流程:車成型--鉆磨中心孔--熱處理--研磨中心孔--粗外磨--時效--研孔--半精外磨--研孔--精外磨--精磨螺紋--平衡測試等。3.5主軸電機3.5.1電機選型本設計研究的電主軸是以中小型加工中心為主要應用對象，主軸的最高轉(zhuǎn)速50000r/m，根據(jù)參考加工中心技術(shù)參數(shù)，確定電機為變頻調(diào)速交流主軸電機，選用西門子交流異步電機產(chǎn)品，具體型號為1PH2113-6WF4,如圖4.7所示，其局部參數(shù)見表4-4.圖3.71PH2113-6WF內(nèi)置電機圖4.81PH2113-6WF電機平面結(jié)構(gòu)圖表3-41PH2113-6WF電機參數(shù)技術(shù)參數(shù)額定功率Kw15.1尺寸參數(shù)(mm)D250額定功率損失Kw3.2L290最高轉(zhuǎn)速r/min50000220額定轉(zhuǎn)速r/min1500d82額定扭矩N.m95dl1003.6主軸軸承3.6.1軸承簡介高速電主軸單元的核心是高速精密軸承。電主軸中電機發(fā)熱嚴重，對軸承影響較大，當軸承突然起動會使內(nèi)外圈溫度產(chǎn)生差異〔即內(nèi)圈溫度高于外圈溫度〕，使軸承游隙減小，并且軸承假設施加定位預緊載荷，又會引起熱量產(chǎn)生，從而使軸承被卡死的時機大大增加。因此，電主軸的軸承要求又足夠的鞏固性，以防止卡死情況的發(fā)生，還要求在嚴重的熱載荷條件下，產(chǎn)生較少熱量且保持平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，即軸承必須對外部的熱擾動不敏感。選擇軸承支承是電主軸單元設計中一個非常關(guān)鍵的問題。根據(jù)材料分類，目前適于高速主軸單元的軸承支承主要有陶瓷軸承、磁浮軸承、空氣靜壓軸承和液體動靜壓軸承。這四種軸承的優(yōu)缺點比較見表3.5.表3.5軸承性能比較軸承類型優(yōu)點缺點陶瓷軸承密度小，熱膨脹系數(shù)小，彈性模量大，硬度高，耐高溫不導電不導磁，應用較廣對拉伸應力和缺口應力敏感磁浮軸承機械磨損小，噪聲小，壽命長，無需潤滑價格昂貴，發(fā)熱問題不易解決空氣靜壓軸承主要用于高速、輕載和超精密場合造價高，只能適用于輕載荷液體動靜壓軸承主要用于重載荷場合，有很好的高速性能，調(diào)速范圍廣需要設計專門的液壓系統(tǒng)，對液壓系統(tǒng)要求較高其中陶瓷用作軸承材料的優(yōu)良特性主要有：〔1〕陶瓷的密度比軸承鋼的密度低，用陶瓷制成的滾動體對外圈的離心力可降低40%,因而可延長高速軸承的使用壽命?！?〕陶瓷材料在高溫〔800攝氏度〕工況條件下，強度和硬度保持不變，因而在高溫條件下，可取代金屬軸承材料?！?〕陶瓷的熱膨脹系數(shù)低，可保證軸承在溫度變化較大的不利條件下正常工作。〔4〕陶瓷軸承的自潤滑性好，有利于降低滾動體與套圈滾道的摩擦力，也有利于提高軸承的使用壽命。3.6.2陶瓷球軸承按照軸承結(jié)構(gòu)分類，軸承又可以分為角接觸球軸承、深溝球軸承、推力球軸承、圓柱滾子、推力滾子軸承等等，其中角接觸球軸承和圓錐滾子軸承可承受軸向、徑向聯(lián)合載荷及載荷方向不明確的附加載荷。角接觸陶瓷球軸承是精密數(shù)控機床常用的主軸軸承。角接觸球軸承在告訴運轉(zhuǎn)時，為了抑制發(fā)熱，防止摩擦燒傷，主要是設法減少離心力和陀螺力矩。滾珠在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生離心力，由于滾珠自轉(zhuǎn)軸在空間不斷變化，滾珠的離心力與滾珠材料的密度成正比，和滾珠直徑三次方成正比，且隨著速度的升高，陀螺力矩也急劇增大。在高速情況下，滾珠將產(chǎn)生巨大的離心力和陀螺力矩，這將都會使?jié)L珠與軸承外圈的接觸壓力急劇增大，使得摩擦與溫升增加，從而使軸承的運轉(zhuǎn)條件變差，要改善軸承運轉(zhuǎn)條件必須設法減少離心力和陀螺力矩，如減少滾珠的直徑、采用質(zhì)量輕的材料做滾珠等。

陶瓷球軸承采用氮化硅陶瓷制成。氮化硅陶瓷的密度只有軸承鋼的40%，熱膨脹系數(shù)只有軸承鋼的25%，彈性模量那么是軸承鋼的1.5倍，硬度為軸承鋼的2.3倍，氮化硅陶瓷還具有耐高溫、不導電、不導磁、熱導率低等一系列優(yōu)良特性，它采用小直徑密珠精密鋼軸承的結(jié)構(gòu)形式和尺寸系列，應用非常方便。陶瓷球軸承與同規(guī)格、同一精度等級的鋼質(zhì)滾動軸承相比，速度可提高60%,溫升降低35%-60%,壽命可提高3-6倍。迄今，陶瓷滾動軸承的n值可高達。目前國內(nèi)已開始在高速精密主軸上試驗采用全陶瓷球軸承，其中外套圈、保持架和陶瓷球采用的材料有、和聚四氟乙烯等。陶瓷球的等靜壓成型和燒結(jié)是保證陶瓷球強度的根底，球的加工精度靠加工和檢測來保證。目前國內(nèi)外滾珠的加工精度可達G5級以上。對于全陶瓷軸承，除陶瓷球外，陶瓷內(nèi)外圈的精密加工也是關(guān)鍵，需要設計專門的工裝固定內(nèi)外圈坯件才能實現(xiàn)精密加工，內(nèi)外溝道的加工精度的一致性也要靠恰當?shù)墓ぱb和工序來保證。陶瓷球軸承可分為混合式陶瓷球軸承〔HybridCeramicBallBearing〕和全陶瓷球軸承〔All-ceramicBallBearing〕兩種。其中，混合式陶瓷球軸承指軸承中僅有一局部零件是由陶瓷材料制成，而全陶瓷球軸承是指所有軸承零件全部都由陶瓷材料制成。混合式陶瓷球軸承又可分為三種：球用陶瓷材料，而其余仍用金屬材料的軸承；球與內(nèi)圈均用陶瓷材料，而外圈仍用金屬材料軸承；球與外圈均用陶瓷材料，而內(nèi)圈仍用金屬材料的軸承。目前，國際上開展應用的高速陶瓷軸承主要式混合型，即滾動體用陶瓷材料制造，內(nèi)外圈用軸承鋼制造。由于生產(chǎn)工藝、本錢價格等方面的因素，全陶瓷軸承還未完全到達實用階段。3.6.3陶瓷球軸承的典型結(jié)構(gòu)目前，高速主軸多采用剛性和高速性能優(yōu)良的角接觸球軸承，接觸角有15°和25°兩種。其中15°接觸角的軸承允許的轉(zhuǎn)速比25°接觸角的軸承高一些，但軸向承載能力和剛度要低些。因此，為了進一步提高主軸軸承的高速性能，常采用一下幾種方法：一是減少滾動體直徑，如采用已標準化化的71900C系列主軸軸承；另一種那么是采用新型的混合陶瓷軸承。此外，還可以采用空心球作為滾動體，以減輕滾動體質(zhì)量等。目前，國外絕大多數(shù)高速機床主軸均采用混合陶瓷球軸承為支承。陶瓷球軸承的結(jié)構(gòu)主要由外圈、內(nèi)圈、滾動體〔陶瓷球〕和保持架等四個元件組成。內(nèi)圈裝在軸頸，外圈裝在軸承坐孔內(nèi)，通常內(nèi)圈回轉(zhuǎn)，外圈不轉(zhuǎn)。滾動體〔陶瓷球〕是陶瓷球軸承的核心元件。內(nèi)圈外外表和外圈內(nèi)外表有周向凹槽，凹槽是滾動體〔陶瓷球〕的滾道，它限制滾動體的軸向移動，同時也能降低滾道體與內(nèi)、外圈間的接觸應力。保持架的作用是使?jié)L滾動體均勻的間隔開，以防運轉(zhuǎn)時滾動體間彼此接觸摩擦。3.7主軸軸承精度對主軸前端精度影響主軸軸承精度等級選擇的根本原那么：對于既承受徑向載荷，載荷的角接觸球軸承，那么除根據(jù)外，還應考慮。前、后軸承的誤差對主軸回轉(zhuǎn)精度的影響是不同的。圖4.9(a)表示前軸承軸心有偏移，后軸承偏移為零的情況。這時反映到主軸端部軸心的偏移為，圖4.9(b)表示后軸承有偏移，前軸承偏移為零的情況。這時反映到主軸端部軸心的偏移為圖4.9前后軸承軸心偏移對主軸端部影響4.電主軸的潤滑與冷卻4.1潤滑介紹4.1.1潤滑的作用和目的主軸在高速旋轉(zhuǎn)時，在軸承周圍的空氣也隨著旋轉(zhuǎn)，形成一種空氣渦流。高速電主軸的潤滑主要指主軸軸承的潤滑。潤滑的目的是減少軸承內(nèi)部摩擦及磨損，防止燒粘。良好的潤滑可以實現(xiàn)以下目的:⑴減少摩擦和磨損通過在滾動體、保持架和套圈之間形成油膜，防止金屬直接接觸，減少摩擦和磨損。⑵延長軸承的疲勞壽命在旋轉(zhuǎn)過程中，在滾動接觸面上良好的潤滑，可以得到適當厚度的潤滑油膜，降低了接觸應力，提高了軸承的抗疲勞性。⑶冷卻作用通過循環(huán)潤滑法可以把軸承摩擦產(chǎn)生的熱量帶出軸承到達冷卻的作用，防止軸承過熱，防治潤滑油老化變質(zhì)。⑷防止異物進入軸承內(nèi)部。⑸防止軸承等零件生銹，出現(xiàn)腐蝕。4.1.2電主軸潤滑的主要類型高速電主軸的潤滑主要指主軸軸承的潤滑，軸承的潤滑要選擇適合使用條件和使用目的的潤滑方法。滾動軸承在高速回轉(zhuǎn)時，正確的潤滑極為重要，稍有不慎，將會造成軸承因過熱而燒壞。當前電主軸主要有三種潤滑方式。1.油脂潤滑是一次性永久潤滑，不需任何附加裝置和特別維護。但其溫升較高，允許軸承工作的最高轉(zhuǎn)速較低，一般值在以下。在使用混合軸承條件下，其n值可以提高25%-35%。油脂潤滑型高速電主軸結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，無污染，通用性強，但主軸溫升較高，工作壽命短。采用油脂潤滑系統(tǒng)省卻了常用的油潤滑的油箱、油泵、油管及傳動件，使?jié)櫥到y(tǒng)大為簡化，具有體積小、重量輕、損耗能量小的特點。2.油霧潤滑油霧潤滑具有潤滑和冷卻雙重作用，它以壓縮空氣為動力，通過油霧器將油液霧化，并混入空氣流中然后輸送到需要潤滑的地方。當電主軸高速旋轉(zhuǎn)時，油霧可在軸承溝道內(nèi)形成流體動力潤滑油膜。油霧潤滑屬持續(xù)潤滑，有利于高速電主軸的穩(wěn)定工作。油霧潤滑所需裝置結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，是廣泛使用的一種高速電主軸潤滑方式。高速電主軸油霧潤滑油路如4.1所示。4.1油霧潤滑油路典型結(jié)構(gòu)圖油霧潤滑的特點如下：油霧經(jīng)過二次霧化處理，能隨壓縮空氣的擴散而獲得良好而均勻的潤滑效果。壓縮空氣輸送油霧且?guī)ё邿崃?，減少因攪拌潤滑油而引起的發(fā)熱，降低了工作溫度。價格比較廉價，但污染環(huán)境。油霧具有一定的壓力，可以起到密封作用，防止外界的雜質(zhì)、水分等侵入摩擦副。3.油氣潤滑是一種新型的、較為理想的方式，它利用分配閥對所需潤滑的不同部位，按照其實際需要，定時〔間歇〕即每隔一定的時間注一次油、定量〔最正確微量〕即通過定量閥精確地控制每次潤滑油的油量的方式供給油氣混合物，能保證軸承的各個不同部位既不缺潤滑油，又不會因潤滑油過量而造成更大的溫升，并可將油霧污染降至最低程度。油氣潤滑裝置一般由專業(yè)的潤滑功能部件公司設計制造。電主軸公司選購以后，設定不同的定時、定量值和選定含某種特別添加劑的油，再成套供給給電主軸用戶。油氣潤滑是高速精密電主軸軸承理想的潤滑方式。和傳統(tǒng)脂潤滑和油霧潤滑相比，油氣潤滑能適應的轉(zhuǎn)速高，對車間生產(chǎn)環(huán)境無污染，是一種實現(xiàn)最小量潤滑的先進潤滑方式。其壓縮空氣對軸承有冷卻效果，可防止冷卻液和空氣中的灰塵進入軸承。這種系統(tǒng)還具有連鎖作用和自動報警功能，當潤滑系統(tǒng)尚未啟動或供油缺乏時，電主軸會無法啟動或自動停車。因此，考慮到潤滑效果，及幾種潤滑方式的優(yōu)缺點，本電主軸前軸承采用油氣潤滑方式，后軸承采用油脂潤滑。4.1.3油氣潤滑的原理和優(yōu)點油氣潤滑系統(tǒng)的原理是：利用具有一定壓力的壓縮空氣和由定量分配器每隔一定時間定量輸出微量的潤滑油在一定長度的管道中混合，通過壓縮空氣在管道中的流動，帶動潤滑油沿管道內(nèi)壁不斷地流動，把油氣混合物輸送到安裝與軸承附近處的噴嘴〔孔徑〕，經(jīng)噴嘴射向內(nèi)圈和滾動體的接觸點，實現(xiàn)潤滑和冷卻，到達“最正確供油量”和壓縮空氣進行冷卻的效果。其油氣潤滑系統(tǒng)原理圖如圖4-2所示。4.2油氣潤滑原理圖油氣潤滑克服了油霧潤滑及脂潤滑的缺點，具有以下幾個優(yōu)點：⑴可以根據(jù)實際需要選擇潤滑點數(shù)和各潤滑點所需要的油量，并節(jié)約潤滑劑。因為油霧可以任意擴散，幾乎不可能對單個軸承定量供油，而油脂潤滑的一次加脂根本談不上定量供給。油氣潤滑的油那么以微滴形式進入軸承，所以潤滑點數(shù)可以在油路設計時任意控制，各潤滑點的油量可以通過油氣裝置定時、定量單獨供給，這樣就易于實現(xiàn)按需供給，防止浪費，因而油的用量僅為油霧潤滑的1/10。⑵油氣潤滑可保持軸承承載部位額的摩擦點總有新鮮的潤滑劑，而油脂潤滑的油脂有一定的使用周期，在前期潤滑油較多易攪動發(fā)熱，而后期那么缺乏。難以形成良好的潤滑條件，由于補充油脂時操作繁瑣，在實際應用中大多是一次性加脂知道軸承更換為止。⑶油氣潤滑可使軸承溫升減小，因而可使主軸軸承值更高。試驗證明，在相同的轉(zhuǎn)速下，同一型號、同樣工況的主軸軸承使用油氣潤滑可以比油霧潤滑外圍溫升降低9-16°C；假設保持軸承外圈溫升相同，那么油氣潤滑可使軸承速度因數(shù)提高25%以上。⑷油氣潤滑對環(huán)境無污染或少污染。由于“油+氣”通過軸承之后排出的根本是壓縮空氣，本身不含油或油量極少，較之油霧潤滑，對操作者的健康危害更少。⑸由于軸承內(nèi)部不斷有新鮮潤滑油補充和新鮮空氣流出，外來雜質(zhì)很難進入，內(nèi)部污染也易排出，因而可以提高軸承的使用壽命。油氣潤滑是新型少油潤滑技術(shù)，能對每個軸承分別進行精確潤滑，潤滑油利用率極高，軸承發(fā)熱量小，無環(huán)境污染，但所需潤滑裝置復雜，本錢很高，但是這些也必將為高速電主軸未來的開展開辟新的途徑。4.2電主軸的冷卻高速加工技術(shù)是指采用比常規(guī)切削速度高3-5倍以上的速度進行切削加工的一項先進制造技術(shù)，高速加工要求機床主傳動系統(tǒng)不但要有較高的轉(zhuǎn)速和較大的傳動功率與轉(zhuǎn)矩，而且要有較好的高速熱穩(wěn)定性。電主軸的結(jié)構(gòu)特點是電動機的定子直接安裝在殼體內(nèi)，這對電機的散熱極其不利。同時，發(fā)熱引起的熱變形將導致機床喪失加工精度。因此，要保證高速條件下電主軸的加工精度，關(guān)鍵技術(shù)之一是解決內(nèi)置式主軸電動機的發(fā)熱，提高電主軸的熱穩(wěn)定性。為了盡快給高速運行的電主軸散熱，電主軸必須有冷卻系統(tǒng)以保證機床恒溫。4.2.1電主軸的冷卻方法1.采用定子循環(huán)水冷卻方法對電動機定子進行強制冷卻。為了有效的給高速運行的電主軸散熱，通常在電主軸內(nèi)設計循環(huán)冷卻通路，利用冷卻介質(zhì)帶走內(nèi)部的熱量。為了強化冷卻效果，有時需要在冷卻通路中加裝冷卻裝置，減小冷卻介質(zhì)的溫度波動。本設計采用了外循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，在主軸外設有冷卻水箱和冷卻水循環(huán)泵，在內(nèi)置電機定子的外面加一鋁質(zhì)的外套，外套的外壁開有槽。電主軸工作時，循環(huán)水泵連續(xù)地將冷卻水壓入電主軸內(nèi)，在槽流動，并形成循環(huán)，將電機產(chǎn)生的熱量帶到電主軸外，到達冷卻電機的目的。水循環(huán)的過程:冷卻水通過主軸尾部的水嘴進入主軸殼體的水道中，然后直接進入前軸承座，待水充滿前軸承座的水腔后，從軸承座的上出口重新進入主軸殼體，再進入高速電機外殼的螺旋槽中，最終通過出水口流回循環(huán)箱中。通過這種冷卻方式，在主軸運轉(zhuǎn)過程中，由支承軸承、電機產(chǎn)生的熱量被源源不斷的帶走，使主軸系統(tǒng)在到達熱平衡狀態(tài)的溫度降低，從而減少主軸的熱變形，有利于提高機床的精度穩(wěn)定性。2.利用上述的油-氣潤滑方式降低軸承發(fā)熱。從而可以有效地降低電主軸的發(fā)熱。4.3電主軸的防塵和密封密封技術(shù)對于機電產(chǎn)品防止“三漏”即：漏電、漏水、漏氣，保證平安運行，提高性能和效率，節(jié)約能源，保護環(huán)境具有重大意義。電主軸是精密部件，在高速運轉(zhuǎn)情況下，任何微塵進入主軸軸承，均可能引起主軸振動，甚至使主軸軸承咬死。由于電主軸電動機為內(nèi)置式，過分潮濕會使電動機繞組絕緣變差，甚至失效，以致燒壞電動機。因此，電主軸必須防塵防潮。由于電主軸定子采用強制循環(huán)冷卻劑冷卻，主軸軸承采用可能采用油-氣潤滑，因此，防止冷卻及潤滑介質(zhì)進入電動機內(nèi)部也非常重要。另外，還要防止高速切削時的切削液進入主軸軸承，因此，必須做好電主軸的密封工作。本次畢業(yè)設計主要采用了以下密封措施：在循環(huán)水槽端部采用密封圈密封；由于工藝上的問題，在管道的端部采用緊定螺釘進行密封；在主軸前端部采用密封圈5.電主軸的驅(qū)動和控制當前,電主軸的電動機均采用交流異步感應電動機,有兩種驅(qū)動和調(diào)速控制方式，即恒轉(zhuǎn)矩和恒功率方式。電主軸驅(qū)動和控制采用西門子公司最新的MM440系列矢量控制變頻器，其主要指標為：單相220V輸入，三相220V輸出，最高輸出650Hz,功率2.2kw，支持線性、多點U/f控制和矢量控制。5.1恒轉(zhuǎn)矩變頻驅(qū)動和參數(shù)設置恒轉(zhuǎn)矩型電主軸在調(diào)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩恒定，輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比?？捎糜谀ハ?、小孔鉆削、雕刻銑和普通高速銑床。IBAG公司的HFK90S型普通變頻器為標量驅(qū)動和控制,其驅(qū)動控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動,輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比。其轉(zhuǎn)矩和功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系見圖1和圖2。這類驅(qū)動器在低速時輸出功率不夠穩(wěn)定,不能滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求,也不具備主軸定向停止和C軸功能,但價格廉價。一般應用于主要在高速端工作的電主軸,如磨削、小孔鉆削、雕刻銑和普通高速銑床的電主軸。近來出現(xiàn)了采用電壓/頻率≠常數(shù)控制策略的新型變頻器。使得電動機在計算轉(zhuǎn)速以上可以實現(xiàn)恒功率驅(qū)動;在計算轉(zhuǎn)速以下,隨著轉(zhuǎn)速的升高,轉(zhuǎn)矩由零迅速到達恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動,如圖3所示,改善了驅(qū)動的品質(zhì)。5.2恒功率變頻驅(qū)動和參數(shù)設置對于加工中心使用電主軸，往往要求低速段為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，而在中高速段為恒功率驅(qū)動，圖4和圖5分別為其轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速〔即T-n〕圖和功率－轉(zhuǎn)速〔即P-n〕圖。為獲得要求的驅(qū)動性能，在設定變頻器時，要保證在低頻段〔f<＝fc〕U/f＝常數(shù)，滿足恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速要求；中高頻段〔f>fc〕電壓U＝常數(shù)〔U/f≠常數(shù)〕，滿足恒功率調(diào)速要求；其中fc為電主軸給定的額定計算頻率，如圖6所示。當輸出電壓U保持恒定時，隨著輸出頻率f增大，轉(zhuǎn)速n增大，電機氣隙磁通降低〔φ∝1/f〕，進入弱磁調(diào)速，轉(zhuǎn)矩T降低，但輸出功率P＝T·n可近似保持恒定。MM440變頻器參數(shù)設定與恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動根本相同，只需將額定頻率設置在計算頻率fc＝134處。主要參數(shù)設定如下：P0003=3專家訪問級；P0205=0恒轉(zhuǎn)矩應用；P0304=220電機額定電壓V；P0305=4電機額定電流A；P0307=1電機額定功率kW；P0310=134電機額定頻率〔fc〕Hz；P0311=12000電機額定轉(zhuǎn)速r/min；P1082=400電機最大頻率Hz；P1300＝0線性U/f控制，曲線①；由于所選變頻器的最大輸出電壓為220V，當f>fc時變頻器會自動維持該電壓進行恒功率調(diào)速，如圖6曲線②所示。對于380V輸出的變頻器，需要使用多點U/f功能進行曲線定義，使f>fc時的電壓保持在220V：P1300=3多點U/f控制；P1320=400曲線②端點頻率坐標Hz；P1321=220曲線②端點電壓坐標V；為改善低速轉(zhuǎn)矩性能，也可采用轉(zhuǎn)矩提升的方法〔P1310〕提高恒轉(zhuǎn)矩曲線①的電壓。5.3矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動和控制矢量控制，也稱磁場定向控制，是通過矢量坐電路控制交流電動機定子電流的大小和相位，以到對電動機的負載電流和勵磁電流分別進行控制，而使交流電機具有與直流電動機相類似的控制性。它使人們看到交流電動機盡管控制復雜，但同時交流電機具有可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場獨立控制的內(nèi)在本質(zhì)。其驅(qū)動控制的特性為:在低速端為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動,在中、高速端為恒功率驅(qū)動,其轉(zhuǎn)矩和功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系見圖4和圖5。MA818變頻器提供了多種矢量控制方式，包括帶傳感器矢量控制〔VC〕和無傳感器矢量控制〔SLVC〕，前者可通過主軸上旋轉(zhuǎn)編碼器等檢測傳感器形成速度和位置閉環(huán)控制，使主軸具有定向停止和C軸功能；后者也可得到高性能的轉(zhuǎn)矩特性和良好的動態(tài)特性，保持很高的速度精度，并且在0Hz時仍然保持較高的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，矢量控制比U/f控制具有無可比較的優(yōu)點。有的矢量控制驅(qū)動器在高速端或最高速端的功率和轉(zhuǎn)矩均略有下降的特性,見圖6和圖7。從上述矢量控制的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)