數(shù)控機(jī)床電主軸單元技術(shù)

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1、 目錄電主軸概述電主軸工作原理和結(jié)構(gòu)軸承技術(shù)潤(rùn)滑、冷卻和動(dòng)平衡技術(shù)心得及總結(jié) 電主軸概述機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”(ElectricSpindle,Motor Spindle)。電機(jī)內(nèi)置及直接驅(qū)動(dòng)好處：1、帶輪或者齒輪傳動(dòng)會(huì)在高速下加劇振動(dòng)，產(chǎn)生噪音，影響加工效果。2、高速加工需要快速準(zhǔn)停，直接驅(qū)動(dòng)會(huì)較少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。3、電機(jī)內(nèi)置可提高主軸剛度，提高了系統(tǒng)固有頻率。 4、運(yùn)行平穩(wěn)，延長(zhǎng)壽命。5、

2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)轉(zhuǎn)速高功率大結(jié)構(gòu)緊湊 慣性小剛度大振動(dòng)小噪聲低響應(yīng)快 電主軸概述電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動(dòng)小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)， 而且轉(zhuǎn)速高、功率大，簡(jiǎn)化機(jī)床設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)。 電主軸軸承采用高速軸承技術(shù)，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍。 4、我國電主軸技術(shù)的現(xiàn)狀及與國外的差距(1)在電主軸的低速大轉(zhuǎn)矩方面 國外產(chǎn)品低速段的輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到300Nm以上，有的更是高達(dá)600多Nm(如德國的CYTEC)，而國內(nèi)目前則多在100Nm 以內(nèi)。(

3、2)在高速方面 國外用于加工中心電主軸的轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到75000rmin(意大利CAMFIOR)，而我國則多在20000rmin以下。(3)在電主軸的潤(rùn)滑方面 國外高速電主軸軸承已經(jīng)普遍采用先進(jìn)的油氣潤(rùn)滑技術(shù)，而我國則仍然以油脂潤(rùn)滑和油霧潤(rùn)滑為主。(4)在電主軸的支承技術(shù)方面 國外已經(jīng)有動(dòng)、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(xué)研究或小批量試制之中(5)在其它與電主軸相關(guān)配套技術(shù)方面 如電主軸內(nèi)裝電機(jī)閉環(huán)矢量控制技 術(shù)、交流伺服技術(shù)、停機(jī)角向準(zhǔn)確定位(準(zhǔn)停)技術(shù)、C軸傳動(dòng)技術(shù)、快速啟動(dòng)與停止技術(shù)、HSK刀柄制造與應(yīng)用技術(shù)、主軸智

4、能監(jiān)控技術(shù)等，國內(nèi)仍然不夠成熟，或不能滿足實(shí)際應(yīng)用需要 電主軸原理與結(jié)構(gòu)1、電主軸由無外殼電機(jī)、主軸、軸承、主軸單元?dú)んw、驅(qū)動(dòng)模塊和冷卻裝置等組成。2、電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)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(qū)動(dòng)模塊控制，而主軸單元內(nèi)的溫升由冷卻裝置限制。4、在主軸的后端裝有測(cè)速、測(cè)角位移傳感器，前端的內(nèi)錐孔和端面用于安裝刀具。 電主軸原理與結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)在軸殼上. 電主軸為加裝電機(jī)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(shè)計(jì)成開放型. 1. 1. 2轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸是高速電主軸的主要回轉(zhuǎn)主體. 它的制造精度直接影響電主軸的最終精度. 必須對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行嚴(yán)格動(dòng)平衡測(cè)試. 部分安裝在轉(zhuǎn)軸上的零件也應(yīng)隨轉(zhuǎn)軸一起進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)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(zhuǎn)速取決于軸承的大小、布置和潤(rùn)滑方法,所以這種軸承必須具有高速性能好、動(dòng)負(fù)荷承載能力高、潤(rùn)滑性能好、發(fā)熱量小的優(yōu)點(diǎn) 1. 1. 4定子與轉(zhuǎn)子高速電主軸的定子由具有高導(dǎo)磁率的優(yōu)質(zhì)矽鋼片迭壓而成. 轉(zhuǎn)子是中頻電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分,它的功能是將定子的電磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能. 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、鼠籠、轉(zhuǎn)軸三部分組成. 電主軸原理與

6、結(jié)構(gòu)1. 2工作原理高速電主軸電機(jī)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(gè)正弦交變磁場(chǎng),這三個(gè)對(duì)稱的交變磁場(chǎng)互相迭加,合成一個(gè)強(qiáng)度不變,磁極朝一定方向恒速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng),磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速就是電主軸的同步轉(zhuǎn)速. 異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n由輸入電機(jī)定子繞組電流的頻率f 和電機(jī)定子的極對(duì)數(shù)P決定。公式： n=60f / p轉(zhuǎn)速：通過利用變換輸入電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流的頻率和激磁電壓來獲得各種轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)向 ：改變電主軸輸入電流的相序,便可改變電主軸的旋轉(zhuǎn)方向. 電主軸原理與結(jié)構(gòu)1、高速精密軸承技術(shù)2、電主軸的動(dòng)態(tài)性能和熱態(tài)分析3、高速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和矢量變頻技術(shù)4、精密加工和精密裝配技術(shù)5、潤(rùn)滑和冷

7、卻技術(shù)6、裝夾和自動(dòng)換刀技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 電主軸原理與結(jié)構(gòu)電主軸型號(hào)有代號(hào)，安裝尺寸和轉(zhuǎn)速代碼等組成。含有套筒直徑、最高轉(zhuǎn)速和輸出功率等參數(shù)。轉(zhuǎn)速 n=60f / p 電主軸一般為異步電動(dòng)機(jī)輸出功率 用P表示。 一般隨電源頻率和電壓而變化輸出轉(zhuǎn)矩 用M表示， 最大轉(zhuǎn)矩表示電主軸的過載能力。額定轉(zhuǎn)矩表示負(fù)載能力，最大轉(zhuǎn)矩一般是額定轉(zhuǎn)矩的2倍左右。 瞬間最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩不能找過電主軸的最大轉(zhuǎn)矩，工作轉(zhuǎn)矩稍小于電主軸的額定轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、功率的關(guān)系 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)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(shí)候的性能。恒功率調(diào)速 一般在起步或者低速階段采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。在高速時(shí)候采用恒功率調(diào)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(jié)構(gòu)Dm n值反映了電主軸的功率和轉(zhuǎn)速的重要特征參數(shù)。一般如果Dmn小于等于1可用油脂潤(rùn)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(rùn)滑或者油霧潤(rùn)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(dòng)軸承的尺寸的大小和精度等級(jí)、裝配的技藝水平和預(yù)加載荷有關(guān)。106106 軸承技術(shù)軸承技術(shù)是超高速主軸系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。采用較多的軸承形式有1磁懸浮軸承、2動(dòng)靜壓軸承3和陶瓷球軸承。磁懸浮軸承優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械磨損小能耗低、噪音小、壽命長(zhǎng)、無需潤(rùn)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(diào)。缺點(diǎn)

9、：價(jià)格昂貴、控制系統(tǒng)復(fù)雜。發(fā)熱問題不易解決。 軸承技術(shù)動(dòng)靜壓軸承優(yōu)點(diǎn)：綜合了動(dòng)壓軸承和靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn)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(yán)重和供油系統(tǒng)龐大復(fù)雜的缺點(diǎn)，與克服了動(dòng)壓軸承啟動(dòng)和靜止時(shí)可能發(fā)生的干摩擦的弱點(diǎn)，很很好的高速性能。且調(diào)速范圍廣。缺點(diǎn)：必須進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)及單獨(dú)生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，維護(hù)也苦難，目前應(yīng)用較少。關(guān)鍵技術(shù)：1、動(dòng)靜壓軸承層流、紊流流體慣性的計(jì)算算法的研究。2、動(dòng)靜壓軸承油腔結(jié)構(gòu)的研究。 3、軸承聞聲及變形控制技術(shù)的研究4、潤(rùn)滑截止的研究。 軸承技術(shù)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(zhǎng)高速軸承的壽命2、陶瓷材料在高溫條件

10、下。強(qiáng)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(rùn)滑性好，有利于降低滾動(dòng)體和套圈滾到的摩擦力。 制造困難，造價(jià)較高。 優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 軸承技術(shù)軸承動(dòng)力學(xué)分析滾動(dòng)體所受的離心力和陀螺力矩 滾動(dòng)體的離心力滾動(dòng)軸承的破壞形式主要有：疲勞破壞、磨損、塑形壓痕、燒傷和潤(rùn)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。混合陶瓷軸承的壽命估計(jì)也主要是針對(duì)鋼圈的壽命計(jì)算。在鋼球軸承的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼球軸承的壽命進(jìn)行修正而得來的。 滾動(dòng)軸承的配置形式和預(yù)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(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。角接觸球軸承一般必須在軸向有預(yù)加載荷才能正常工作。依靠?jī)?nèi)孔1:12的錐度來消除間隙和施加預(yù)緊針對(duì)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載的電主軸來選擇軸承最佳的預(yù)加載荷值是電主軸制造廠家的一個(gè)重要技巧。載荷的施加有剛性預(yù)加載荷和彈性預(yù)加載荷。以及可調(diào)整預(yù)加載荷 的裝置 潤(rùn)滑、冷卻和動(dòng)平衡技術(shù)電主軸軸承油氣潤(rùn)滑的特點(diǎn) a)提高軸承承載能力：c)提高軸承對(duì)惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)能力：b)提高軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度：d)提高軸承的使用壽命：e)極大地降低潤(rùn)滑劑的消耗：電主軸軸承的潤(rùn)滑可以采用脂潤(rùn)滑和油霧潤(rùn)滑，但效果不太理想。油氣潤(rùn)滑技術(shù)就是利用壓縮空氣將微量的潤(rùn)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(dòng)體和內(nèi)外滾道間形成彈性動(dòng)壓油膜，而壓縮空氣則帶走軸承運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量 特點(diǎn):功率大、轉(zhuǎn)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(dòng)靜壓軸承，特殊場(chǎng)合采用空氣潤(rùn)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(zhuǎn)子自動(dòng)平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤(rùn)滑與精密控制系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補(bǔ)償精密控制系統(tǒng)等。并在此基礎(chǔ)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(dá)國家已生產(chǎn)了多種商品化高速機(jī)床。 電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(zhuǎn)矩方向發(fā)展3）進(jìn)一步向高精度、高可靠性和延長(zhǎng)工作壽命方向發(fā)展 4）電主軸內(nèi)裝電機(jī)性能和形式多樣化 5）快速啟動(dòng)、停止響應(yīng)速度加快6）軸承及其預(yù)載荷施加方式、潤(rùn)滑方式多樣化 7）刀具接口逐步趨于HSK、Capto刀柄技術(shù) 8）向多功能、智能化方向發(fā)展 總結(jié)及心得1，對(duì)電主軸有了基本的了解2，對(duì)關(guān)于角接觸陶瓷球軸承軸承的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析需 要加強(qiáng)，在進(jìn)一步學(xué)習(xí)中。3，軸承的摩擦學(xué)分析及潤(rùn)滑冷卻技術(shù)進(jìn)一步學(xué)習(xí)。4，高速精密電主軸的動(dòng)態(tài)性能分析。5，對(duì)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)不是很理解。