外文翻譯--電主軸技術(shù)水平分析-高速電主軸單元

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1 畢業(yè)設(shè)計（論文）外文參考文獻(xiàn)翻譯 機(jī)械工程 系（院） 20 08 屆 題 目 （中文） 電主軸的機(jī)械設(shè)計 （英文） of 生姓名 專業(yè)班 完成日期： 2008 年 3 月 23 日 目 錄 2 （ 8） 2. 高速電主軸單元（ 14） of is 3 is of , of of it to of of 1, it is to of is is in as It is of of of in of is to to to of is of , of it is of 2 of .1 of is of be in a of in of of of of .2 is up as , is of of is of of It is to be in in of to of 4 5 of 8 9 10 1 of of of of of .3 to or is C , of is 3, of be to a of be a of of is of as as as to .1 of to is to be of in it is It is of to be in of of is at to in of of of is to , Is of to to to so is as ( 1 ) of of ( 2 ) of in ( 3 ) of of in ( 4 ) of of of of 5 .2 in to of of of to of of as of in in is of is it is as to it to of by is is a of of it be of is of be of of in of by in is of in of of of of up of is of of of of of by it is of of of .3 of If of of in in in of up is is is to so to is , of in , to of is as as of to of ( 1 ) of to ( 2 ) do to ( 3 ) of as .4 of of ao of of in to of of of in of to to at of e of of of of 1 4 of of it is to to on to of in on or on as of .5 in of of of as as of of is it to It is of of of is to in is is to is is in of of it is of to it is to to It is of of of is is as up to of is of is of of of to of of a of 4 of of of of of of in ( 1 ) to at of 2 ) to 3 ) to 4 ) to 5 ) to 6 ) to 電主軸技術(shù)水平分析 摘要： 電主軸是高速數(shù)控加工機(jī)床的 “心臟部件 ”，本文介紹了電主軸的工作原理、典型結(jié)構(gòu)，闡述了電主軸的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了其發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞： 電主軸 陶瓷球混合軸承 油氣潤滑 1、概述 由于高速加工不但可以大幅度提高加工效率，而且還可以顯著提高工件的加工質(zhì)量，所以其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，特別是在航空航天、汽車和模具等制造業(yè)中。于是，具有高速加工能力的數(shù)控機(jī)床已成為市場新寵。目前，國內(nèi)外各著名機(jī)床制造商在高 速數(shù)控機(jī)床中廣泛采用電主軸結(jié)構(gòu)，特別是在復(fù)合加工機(jī)床、多軸聯(lián)動、多面體加工機(jī)床和并聯(lián)機(jī)床中。電主軸是高速數(shù)控加工機(jī)床的 “心臟部件 ”，其性能指標(biāo)直接決定機(jī)床的水平，它是機(jī)床實現(xiàn)高速加工的前提和基本條件。 2、電主軸的工作原理、典型結(jié)構(gòu)及優(yōu)點 9 主軸的工作原理 電主軸就是直接將空心的電動機(jī)轉(zhuǎn)子裝在主軸上，定子通過冷卻套固定在主軸箱體孔內(nèi)，形成一個完整的主軸單元，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。 電主軸單元典型的結(jié)構(gòu)布局方式是電機(jī)置于主軸前、后軸承之間，其優(yōu)點是主軸單元的軸 向尺寸較短，主軸剛度大，功率大，較適合于大、中型高速數(shù)控機(jī)床；其不足是在封閉的主軸箱體內(nèi)電機(jī)的自然散熱條件差，溫升比較高 。 電主軸省去了帶輪或齒輪傳動，實現(xiàn)了機(jī)床的 “零傳動 ”，提高了傳動效率。電主軸的剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、快速響應(yīng)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)極高的轉(zhuǎn)速和加、減速度及定角度的快速準(zhǔn)停（ 調(diào)速范圍寬。 3、電主軸的關(guān)鍵技術(shù) “電主軸 ”的概念不應(yīng)簡單理解為只是一根主軸套筒，而應(yīng)該是一套組件，包括：定子、轉(zhuǎn)子、軸承、高速變頻裝置、潤滑裝置、冷卻裝置等。因此電主軸是高速軸承技術(shù)、潤滑技術(shù)、冷卻技術(shù)、動平衡技術(shù)、精密制造與裝配技術(shù)以及電機(jī)高速驅(qū)動等技術(shù)的綜合運(yùn)用。 實現(xiàn)電主軸高速化精密化的關(guān)鍵是高速精密軸承的應(yīng)用。目前在高速精密電主軸中應(yīng)用的軸承有精密滾動軸承、液體動靜壓軸承、氣體靜壓軸承和磁懸浮軸承等，但主要是精密角接觸陶瓷球軸承和精密圓柱滾子軸承。液體動靜壓軸承的標(biāo)準(zhǔn)化程度不高；氣體靜壓軸承不適合于大功率場合；磁懸浮軸承由于控制系統(tǒng)復(fù)雜，價格昂貴，其實用性受到限制。 角接觸球軸承不但可同時承受徑向和軸向載荷，而且剛度高、高速性能好、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、品種規(guī)格繁多 、便于維修更換，因而在電主軸中得到廣泛的應(yīng)用。目前隨著陶瓷軸承技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用最多的電主軸軸承是混合陶瓷球軸承，即滾動體使用 用 “小珠密珠 ”結(jié)構(gòu)，軸承套圈為 種混合軸承通過減小離心力和陀螺力矩，來減小滾珠與溝道間的摩擦，從而獲得較低的溫升及較好的高速性能。 陶瓷球混合軸承與鋼球軸承相比，優(yōu)點如下： （ 1） 陶瓷與鋼組成的陶瓷球軸承摩擦性能非常好，能降低材料與潤滑劑的應(yīng)力。 （ 2）因陶瓷密度低，可降低運(yùn)轉(zhuǎn)時的離心力。 （ 3）陶瓷較低的熱膨脹系數(shù)有效降低了軸承預(yù)加負(fù)荷的變化。 （ 4）陶瓷的彈性模量較高，可以提高軸承的剛性。 上述因素大幅度地延長了軸承的壽命和提升了軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)極限速度。 10 高速電主軸必須采用合理的、可控制的軸承潤滑方式來控制軸承的溫升，以保證數(shù)控機(jī)床工藝系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。采用滾動軸承的電主軸的潤滑方式目前主要有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑等方式。 脂潤滑在轉(zhuǎn)速相對較低的電主軸中是較常見的潤滑方式。脂潤滑型電主軸的潤滑系統(tǒng)簡單、使用方便、無污染、通用性強(qiáng)。 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 ，然后把其輸送到需要潤滑的位置。油霧潤滑所需設(shè)備簡單，維修方便，價格比較便宜，是一種普遍使用的高速電主軸潤滑方式。但它有污染環(huán)境，油耗比較高等缺點。隨著人們對環(huán)保要求的提高，油霧潤滑方式必將逐漸被淘汰。 油氣潤滑技術(shù)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，微小油滴在滾動和內(nèi)、外滾道間形成彈性動壓油膜，而壓縮空氣則可帶走軸承運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量。 實踐表明在潤滑中供油量過多或過少都是有害的，而前兩種潤滑方式均無法準(zhǔn)確地控制供油量多少，不利于主軸軸承轉(zhuǎn)速和壽命的提高。而新近發(fā)展起來 的油氣潤滑方式則可以精確地控制各個摩擦點的潤滑油量，可靠性極高。實踐證明，油氣潤滑是高速大功率電主軸軸承的最理想潤滑方法，但其所需設(shè)備復(fù)雜，成本高。由于油氣潤滑方式潤滑效果理想，目前已成為國際上最流行的潤滑方式。 電主軸有兩個主要的內(nèi)部熱源：內(nèi)置電動機(jī)的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。如果不加以控制，由此引起的熱變形會嚴(yán)重降低機(jī)床的加工精度和軸承使用壽命，從而導(dǎo)致電主軸的使用壽命縮短。 電主軸由于采用內(nèi)藏式主軸結(jié)構(gòu)形式，位于主軸單元體中的電機(jī)不能采用風(fēng)扇散熱，因此自然散熱條件較 差。電機(jī)在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程中，內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗，從而使電機(jī)發(fā)熱。研究表明，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，有近 1/3的電機(jī)發(fā)熱量由電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，并且轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙傳入定子中；其余 2/3的熱量產(chǎn)生于電機(jī)的定子。所以，對電機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對電機(jī)定子采用冷卻液的循環(huán)流動來實行強(qiáng)制冷卻。典型的冷卻系統(tǒng)是用外循環(huán)水式冷卻裝置來冷卻電機(jī)定子，將電機(jī)的熱量帶走。 角接觸球軸承的發(fā)熱主要是滾子與滾道之間的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動摩擦以及潤滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的。減小軸承發(fā)熱量的 主要措施： （ 1）適當(dāng)減小滾珠的直徑 減小滾珠直徑可以減小離心力和陀螺力矩，從而減小摩擦，減少發(fā)熱量。 （ 2）采用新材料 比如采用陶瓷材料做滾珠，陶瓷球軸承與鋼質(zhì)角接觸球軸承相比，在高速回轉(zhuǎn)時，滾珠與滾道間的滾動和滑動摩擦減小，發(fā)熱量降低。 （ 3）采用合理的潤滑方式 油氣和油霧等潤滑方式對軸承不但具有潤滑作用，還具有一定的冷卻作用。 電主軸要獲得好的性能和使用壽命，必須對電主軸各個部分進(jìn)行精心設(shè)計和制造。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，定子內(nèi)腔帶有沖制嵌線槽。 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵11 芯、鼠籠和轉(zhuǎn)軸三部分組成。主軸箱的尺寸精度和位置精度也將直接影響主軸的綜合精度。通常將軸承座孔直接設(shè)計在主軸箱上，為加裝電機(jī)定子，必須至少開放一端。 主軸高速旋轉(zhuǎn)時，任何小的不平衡質(zhì)量即可引起電主軸大的高頻振動。因此精密電主軸的動平衡精度要求達(dá)到 于這種等級的動平衡，采用常規(guī)的方法即僅在裝配前對主軸上的每個零件分別進(jìn)行動平衡是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需在裝配后進(jìn)行整體的動平衡，甚至還要設(shè)計專門的自動平衡系統(tǒng)來實現(xiàn)主軸的在線動平衡。另外，在設(shè)計電主軸時，必須嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)對稱原則，鍵聯(lián)接和螺 紋聯(lián)接在電主軸上被禁止使用，而普遍采用過盈聯(lián)接，并以此來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。過盈聯(lián)接與螺紋聯(lián)接或鍵聯(lián)接相比有：不會在主軸上產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，對主軸的旋轉(zhuǎn)精度沒有影響；主軸的動平衡易得到保證等優(yōu)點。轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸之間的過盈聯(lián)接分為兩類，一類是通過套筒實現(xiàn)的，此結(jié)構(gòu)便于維修拆卸；另一類是沒有套筒，轉(zhuǎn)子直接過盈聯(lián)接在轉(zhuǎn)軸上，此類聯(lián)接轉(zhuǎn)子裝配后不可拆卸。由于內(nèi)孔與轉(zhuǎn)軸配合面之間有很大的過盈量，所以轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸可以采用轉(zhuǎn)軸冷縮和轉(zhuǎn)子熱脹法裝配。帶有套筒的聯(lián)接拆卸時，需向轉(zhuǎn)子套筒上預(yù)留的油孔中高壓注油，迫使轉(zhuǎn)子的過盈套筒漲開， 即可順利拆卸下電機(jī)的轉(zhuǎn)子。電機(jī)定子通過一個冷卻套固定裝在電主軸的箱體中。 在數(shù)控機(jī)床中，電主軸通常采用變頻調(diào)速方法。目前主要有普通變頻驅(qū)動和控制、矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動和控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制三種控制方式。 普通變頻為標(biāo)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。普通變頻控制的動態(tài)性能不夠理想，在低速時控制性能不佳，輸出功率不夠穩(wěn)定，也不具備 價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，一般用于磨床和普通的高速銑床等。 矢量控制技術(shù)模仿直流電動機(jī)的控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的 方法來實現(xiàn)驅(qū)動和控制，具有良好的動態(tài)性能。矢量控制驅(qū)動器在剛啟動時具有很大的轉(zhuǎn)矩值，加之電主軸本身結(jié)構(gòu)簡單，慣性很小，故啟動加速度大，可以實現(xiàn)啟動后瞬時達(dá)到允許極限速度。這種驅(qū)動器又有開環(huán)和閉環(huán)兩種，后者可以實現(xiàn)位置和速度的反饋，不僅具有更好的動態(tài)性能，還可以實現(xiàn) 前者動態(tài)性能稍差，也不具備 價格較為便宜。 直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的 一 種新型的高性能交流調(diào)速技術(shù)，控制思想新穎，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔明了，適合于高速電主軸的驅(qū)動， 能滿足高速電主軸高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍、高速瞬間準(zhǔn)停的動態(tài) 特性和靜態(tài)特性的要求，已成為交流傳動領(lǐng)域的一個熱點技術(shù)。 4、電主軸的發(fā)展趨勢 隨著機(jī)床技術(shù)、高速切削技術(shù)的發(fā)展和實際應(yīng)用的需要，人們對機(jī)床電主軸的性能