數(shù)控機床電主軸單元技術

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1、 目錄電主軸概述電主軸工作原理和結構軸承技術潤滑、冷卻和動平衡技術心得及總結 電主軸概述機床主軸由內裝式電動機直接驅動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床的“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結構形式，使主軸部件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結構中相對獨立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”(ElectricSpindle,Motor Spindle)。電機內置及直接驅動好處：1、帶輪或者齒輪傳動會在高速下加劇振動，產(chǎn)生噪音，影響加工效果。2、高速加工需要快速準停，直接驅動會較少轉動慣量。3、電機內置可提高主軸剛度，提高了系統(tǒng)固有頻率。 4、運行平穩(wěn)，延長壽命。5、

2、結構簡單緊湊，便于專業(yè)化生產(chǎn)。 壞處：不利于散熱，需要專業(yè)的冷卻裝置。定義 Company Logo 2 電主軸的優(yōu)點轉速高功率大結構緊湊 慣性小剛度大振動小噪聲低響應快 電主軸概述電主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪聲低、響應快等優(yōu)點， 而且轉速高、功率大，簡化機床設計，易于實現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中的一種理想結構。 電主軸軸承采用高速軸承技術，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍。 4、我國電主軸技術的現(xiàn)狀及與國外的差距(1)在電主軸的低速大轉矩方面 國外產(chǎn)品低速段的輸出轉矩可以達到300Nm以上，有的更是高達600多Nm(如德國的CYTEC)，而國內目前則多在100Nm 以內。(

3、2)在高速方面 國外用于加工中心電主軸的轉速已經(jīng)達到75000rmin(意大利CAMFIOR)，而我國則多在20000rmin以下。(3)在電主軸的潤滑方面 國外高速電主軸軸承已經(jīng)普遍采用先進的油氣潤滑技術，而我國則仍然以油脂潤滑和油霧潤滑為主。(4)在電主軸的支承技術方面 國外已經(jīng)有動、靜壓液(氣)浮軸承電主軸(瑞士IBAG等)、磁浮軸承電主軸(瑞士IBAG)的成熟商品，在我國則仍然處于科學研究或小批量試制之中(5)在其它與電主軸相關配套技術方面 如電主軸內裝電機閉環(huán)矢量控制技 術、交流伺服技術、停機角向準確定位(準停)技術、C軸傳動技術、快速啟動與停止技術、HSK刀柄制造與應用技術、主軸智

4、能監(jiān)控技術等，國內仍然不夠成熟，或不能滿足實際應用需要 電主軸原理與結構1、電主軸由無外殼電機、主軸、軸承、主軸單元殼體、驅動模塊和冷卻裝置等組成。2、電機的轉子采用壓配方法與主軸做成一體，主軸則由前后軸承支承。電機的定子通過冷卻套安裝于主軸單元的殼體中。3、主軸的變速由主軸驅動模塊控制，而主軸單元內的溫升由冷卻裝置限制。4、在主軸的后端裝有測速、測角位移傳感器，前端的內錐孔和端面用于安裝刀具。 電主軸原理與結構1. 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的綜合精度. 通常將軸承座孔直接設計在軸殼上. 電主軸為加裝電機定子,必須開放一端. 大型或特種電主

5、軸,可將軸殼兩端均設計成開放型. 1. 1. 2轉軸轉軸是高速電主軸的主要回轉主體. 它的制造精度直接影響電主軸的最終精度. 必須對轉軸進行嚴格動平衡測試. 部分安裝在轉軸上的零件也應隨轉軸一起進行動平衡測試.1. 1. 3軸承高速電主軸的核心支承部件是高速精密軸承. 因電主軸的最高轉速取決于軸承的大小、布置和潤滑方法,所以這種軸承必須具有高速性能好、動負荷承載能力高、潤滑性能好、發(fā)熱量小的優(yōu)點 1. 1. 4定子與轉子高速電主軸的定子由具有高導磁率的優(yōu)質矽鋼片迭壓而成. 轉子是中頻電機的旋轉部分,它的功能是將定子的電磁場能量轉換成機械能. 轉子由轉子鐵芯、鼠籠、轉軸三部分組成. 電主軸原理與

6、結構1. 2工作原理高速電主軸電機的繞組相位互差120,通以三相交流電后,三相繞組各自形成一個正弦交變磁場,這三個對稱的交變磁場互相迭加,合成一個強度不變,磁極朝一定方向恒速旋轉的磁場,磁場轉速就是電主軸的同步轉速. 異步電動機的同步轉速n由輸入電機定子繞組電流的頻率f 和電機定子的極對數(shù)P決定。公式： n=60f / p轉速：通過利用變換輸入電動機定子繞組的電流的頻率和激磁電壓來獲得各種轉速。轉向 ：改變電主軸輸入電流的相序,便可改變電主軸的旋轉方向. 電主軸原理與結構1、高速精密軸承技術2、電主軸的動態(tài)性能和熱態(tài)分析3、高速電機的驅動技術和矢量變頻技術4、精密加工和精密裝配技術5、潤滑和冷

7、卻技術6、裝夾和自動換刀技術關鍵技術 電主軸原理與結構電主軸型號有代號，安裝尺寸和轉速代碼等組成。含有套筒直徑、最高轉速和輸出功率等參數(shù)。轉速 n=60f / p 電主軸一般為異步電動機輸出功率 用P表示。 一般隨電源頻率和電壓而變化輸出轉矩 用M表示， 最大轉矩表示電主軸的過載能力。額定轉矩表示負載能力，最大轉矩一般是額定轉矩的2倍左右。 瞬間最大負載轉矩不能找過電主軸的最大轉矩，工作轉矩稍小于電主軸的額定轉矩。轉矩和轉速、功率的關系 恒轉矩調速 一般用于磨削用電主軸或者小型銑削用電主軸，注重考核高速 時候的性能。恒功率調速 一般在起步或者低速階段采用恒轉矩調速。在高速時候采用恒功率調速。D

8、m n值剛度和精度基本參數(shù)n 8.9975 PM 電主軸原理與結構Dm n值反映了電主軸的功率和轉速的重要特征參數(shù)。一般如果Dmn小于等于1可用油脂潤滑。Dmn小于等于1 ，為高速或高速大功率電主軸，要求采用油氣潤滑或者油霧潤滑。剛度和精度和電主軸的前后軸承的配置方式、主要零件的制造精度、選用滾動軸承的尺寸的大小和精度等級、裝配的技藝水平和預加載荷有關。106106 軸承技術軸承技術是超高速主軸系統(tǒng)的一項關鍵技術。采用較多的軸承形式有1磁懸浮軸承、2動靜壓軸承3和陶瓷球軸承。磁懸浮軸承優(yōu)點：機械磨損小能耗低、噪音小、壽命長、無需潤滑、無油污染。 而且磁懸浮軸承還是可控軸承，剛度和阻尼可調。缺點

9、：價格昂貴、控制系統(tǒng)復雜。發(fā)熱問題不易解決。 軸承技術動靜壓軸承優(yōu)點：綜合了動壓軸承和靜壓軸承的優(yōu)點的新型多油鍥油膜軸承，既避免了靜壓軸承告訴下發(fā)熱嚴重和供油系統(tǒng)龐大復雜的缺點，與克服了動壓軸承啟動和靜止時可能發(fā)生的干摩擦的弱點，很很好的高速性能。且調速范圍廣。缺點：必須進行專門的設計及單獨生產(chǎn)，標準化程度低，維護也苦難，目前應用較少。關鍵技術：1、動靜壓軸承層流、紊流流體慣性的計算算法的研究。2、動靜壓軸承油腔結構的研究。 3、軸承聞聲及變形控制技術的研究4、潤滑截止的研究。 軸承技術陶瓷球軸承1、陶瓷的密度比軸承鋼的密度低。同等條件下，離心力降低可以延長高速軸承的壽命2、陶瓷材料在高溫條件

10、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。3、陶瓷軸承的熱膨脹系數(shù)低。4、陶瓷材料的熱潤滑性好，有利于降低滾動體和套圈滾到的摩擦力。 制造困難，造價較高。 優(yōu)點缺點 軸承技術軸承動力學分析滾動體所受的離心力和陀螺力矩 滾動體的離心力滾動軸承的破壞形式主要有：疲勞破壞、磨損、塑形壓痕、燒傷和潤滑失效等形式。剛軸承的破壞：主要是接觸疲勞脫落。陶瓷球軸承的破壞主要是軸承鋼套圈的接觸疲勞脫落?；旌咸沾奢S承的壽命估計也主要是針對鋼圈的壽命計算。在鋼球軸承的基礎上，對鋼球軸承的壽命進行修正而得來的。 滾動軸承的配置形式和預加載荷電主軸采用后軸承為陶瓷圓柱混合軸承，可用于高速主軸。既提高了

11、剛度，又簡化了結構。角接觸球軸承一般必須在軸向有預加載荷才能正常工作。依靠內孔1:12的錐度來消除間隙和施加預緊針對不同轉速和負載的電主軸來選擇軸承最佳的預加載荷值是電主軸制造廠家的一個重要技巧。載荷的施加有剛性預加載荷和彈性預加載荷。以及可調整預加載荷 的裝置 潤滑、冷卻和動平衡技術電主軸軸承油氣潤滑的特點 a)提高軸承承載能力：c)提高軸承對惡劣工作環(huán)境的適應能力：b)提高軸承的運轉速度：d)提高軸承的使用壽命：e)極大地降低潤滑劑的消耗：電主軸軸承的潤滑可以采用脂潤滑和油霧潤滑，但效果不太理想。油氣潤滑技術就是利用壓縮空氣將微量的潤滑油分別連續(xù)不斷地、精確地供給每一套主軸軸承，微小油滴在

12、滾動體和內外滾道間形成彈性動壓油膜，而壓縮空氣則帶走軸承運轉所產(chǎn)生的部分熱量 特點:功率大、轉速高。采用高速、高剛度軸承。國外高速精密主軸上采用高速、高剛度軸承，主要有陶瓷軸承和液體動靜壓軸承，特殊場合采用空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承。精密加工與精密裝配工藝水平高。配套控制系統(tǒng)水平高。這些控制系統(tǒng)包括轉子自動平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、定轉子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補償精密控制系統(tǒng)等。并在此基礎之上，這些外國廠家如美國、日本、德國、意大利和瑞士等工業(yè)發(fā)達國家已生產(chǎn)了多種商品化高速機床。 電主軸技術的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）繼續(xù)向高速度、高剛度方向發(fā)展2）向高速大功率、低速大轉矩方向發(fā)展3）進一步向高精度、高可靠性和延長工作壽命方向發(fā)展 4）電主軸內裝電機性能和形式多樣化 5）快速啟動、停止響應速度加快6）軸承及其預載荷施加方式、潤滑方式多樣化 7）刀具接口逐步趨于HSK、Capto刀柄技術 8）向多功能、智能化方向發(fā)展 總結及心得1，對電主軸有了基本的了解2，對關于角接觸陶瓷球軸承軸承的運動學分析和動力學分析需 要加強，在進一步學習中。3，軸承的摩擦學分析及潤滑冷卻技術進一步學習。4，高速精密電主軸的動態(tài)性能分析。5，對驅動控制技術不是很理解。