机床高速电主轴结构设计及性能分析

三江学院毕业设计〔论文〕院〔系〕___高等职业技术学院_________专业___数控技术______设计〔论文〕题目机床高速电主轴结构设计及性能分析研究__________________________________________________________学生姓名____苏勰______学号___A115101017_____起止日期____2013.12.16——2014.3.14______________设计地点_____教学楼______________指导教师_____郁建平__________________________参谋教师_______________________________________教研室主任________________________________________教学院长〔教学系主任〕____________________________日期2014年2月27日目录引言 51.电主轴概述 71.1电主轴的根本概念 71.2电主轴单元关键技术 7高速精密轴承技术 8高速精密电主轴的动态性能和热态性能设计 9高速电动机设计及驱动技术 9高速电主轴的精密加工和精密装配技术 10高速精密电主轴的润滑技术 10高速精密电主轴的冷却技术 101.3高速电主轴开展及现状 11高速电主轴技术的开展及现状 11主轴单元结构形式研究的开展 121.4电主轴对高速加工技术及现代数控机床开展的意义 131.5内装式电主轴系统的研究 142.电主轴工作原理及结构 162.1电主轴的根本结构 16轴壳 16转轴 16轴承 17定子与转子 172.2电主轴的工作原理 172.3电主轴的根本参数 18电主轴的型号 18转速 18输出功率 192.3.4输出转矩 19电主轴转矩和转速、功率的关系 192.3.6恒转速调速 192.3.7恒功率调速 192.3.8轴承中径 202.4自动换刀装置 203.电主轴结构设计 213.1主轴的设计 213.1.1.铣削力的计算 213.1.2主轴当量直径的计算 213.2高速电主轴单元结构参数静态估算 223.2.1高速电主轴单元结构静态估算的内容与目的 22轴承的选择和根本参数 223.3轴承的预紧 233.4主轴轴承静刚度的计算 233.4.1主轴单元主要结构参数确定及刚度验算 25主轴单元主要结构参数确定 26主轴强度的校核 29主轴刚度的校核 31主轴的精密制造 323.5主轴电机 33电机选型 333.6主轴轴承 34轴承简介 34陶瓷球轴承 34陶瓷球轴承的典型结构 353.7主轴轴承精度对主轴前端精度影响 364.电主轴的润滑与冷却 374.1润滑介绍 37润滑的作用和目的 374.1.2电主轴润滑的主要类型 374.1.3油气润滑的原理和优点 384.2电主轴的冷却 40电主轴的冷却方法 404.3电主轴的防尘和密封 405.电主轴的驱动和控制 425.1恒转矩变频驱动和参数设置 425.2恒功率变频驱动和参数设置 435.3矢量控制驱动器的驱动和控制 445.4主轴准停 46主轴的准停功能 46主轴准停的工作原理 46主轴准停控制方法 466．主轴动平衡 486.1动平衡介绍 486.2动平衡设计 487.电主轴应用中存在的主要问题及解决方法。 517.1什么原因造成主轴损坏 517.1.1自动换刀〔ATC〕阀门泄漏 51低压力脚真空 52主轴空气压力低 527.1.4Z轴耦合器磨损 537.1.5油浸透了空气过滤器 537.1.6主轴无冷却或冷却不够 537.1.7不能正常工作的空气枯燥机 547.1.8不能正常工作的变频器 54维修不当 547.2夹头维护频率 55总结 56致谢 57参考文献 58引言高速机床是实现高速切削加工的前提和条件。高速数控机床是装备制造业的技术根底和开展方向之一，是装备制造业的战略性产业。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。高速铣床上的电主轴系统多采用高速电主轴。高速电主轴是由内装式交流变频伺服电机直接驱动，机床主轴转速高，功率大，结构简单，在高转速下可保持良好的动平衡！数控铣床高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等几个局部，它影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。高速高精度主轴单元系统，应该具有刚性好、回转精度高、运转时温升小、稳定性好、功耗低、寿命长、可靠性高等优点，同时，制造及操作本钱也要中。要满足这些要求，主轴的制造及动平衡、主轴的支撑、主轴系统的润滑和冷却、主轴系统的刚性等是很重要的。高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等。不同类型的高速主轴单元输出功率相差较大。高速加工机床主轴要求在极短的时间内实现升降速，并在指定位置快速准停。这就需要主轴有较高的角减速度和角加速度。如果通过传动带等中间环节，不仅会在高速状态下打滑，产生振动和噪声，而且增加转动惯量，给机床快速准停造成困难！电主轴是一种新型的机械结构形式。是一种主轴电机一体化的主轴单元，即所谓的内装式电机主轴。它采用无外壳电机，将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴旋转局部做成一体，主轴的变速范围完全由交流电机控制。这种结构大大简化了主传动的机械结构，取消了带传动和齿轮传动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机械的“零传动”。这种主轴电动机和主机主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴组件从主机的传动系统和整体结构中相对独立出来，可以做成“主轴单元”，通常称为“电主轴”。其英文的称谓有多种，比方Electro-spindle、MotorSpindle和MotorizedSpindle。它是随着电气传动技术(变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的迅速开展而日趋完善。由于电主轴主要采用交流高频电动机，也称为“高频主轴”(HighFrequencySpindle)。由于没有中间传动环节，有时称为“直接传动主轴”(DirectDriveSpindle)。电主轴是一种智能型功能部件，具有转速高、功率大、高速运行的可靠性和平安性等优点。电动机内置于主轴部件后，不可防止的将会产生发热的问题，从而需要设计专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。高频电动机要有变频器类的驱动器，以实现主轴转速的变换。高速轴承有时要有专门的润滑装置。另外为了保证高速回转部件的平安，还要有报警及停车用的传感器及其控制系统等一系列支持电主轴运转的外围设备和技术。因此，“电主轴”的概念不应该简单的理解为只是一根主轴套筒，而是一个完整的、在机床数控系统监控下的子系统总之，电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小及动态特性好和改善机床动平衡，防止振动和噪声等特点开展越来越快。而高速电主轴单元技术的开展，可以带动高速进给、高性能道具、检测与控制等一系列相关技术的开展。因此各工业国家都十分关注电主轴单元技术的研究与开展。1.电主轴概述1.1电主轴的根本概念加工中心是集机、电、液、气、计算机和信息控制等各种技术于一体的机电一体化的典型产品，最能表达高速、高效、超精、数字化及结构紧凑等当今最先进、最流行的技术水平。它广泛应用于能源、交通、原材料、农机、军工、轻纺织机械、汽车、模具等各个工业部门的机械制造领域中，它的技术水平高速及其在金属切削机床产量和总拥有量中的百分比是衡量一个国家机械工业制造水平的重要标志。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑装置、冷却装置、内置编码器、换刀装置。高速主轴单元是高速机床最为关键的部件。高速主轴单元的主要类型有电主轴、气动主轴、水动主轴等等。主轴部件是加工中心的主要功能部件，是决定机床高速化和高精度的关键局部，始终是机床技术开展的根底。随着电气传动技术〔变频调速技术、电动机矢量控制等〕的迅速开展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，根本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现机床的“零传动”。这种主轴电动机和主机主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴组件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可以做成“主轴单元”，通常称为“电主轴”。其英文的称谓有多种，比方Electro-spindle、MotorSpindle和MotorizedSpindle等等。它是随着电气传动技术(变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的迅速开展而日趋完善。由于电主轴主要采用交流高频电动机，也称为“高频主轴”(HighFrequencySpindle)。由于没有中间传动环节，有时称为“直接传动主轴”(DirectDriveSpindle)。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大、具有调速范围广、振动噪声小，而且便于控制、能实现定向准停、准速、准位等功能。1.2电主轴单元关键技术电主轴单元是一套组件，它是一项涉及电主轴本身及其附件的系统工程，其系统框图如图2.1。电主轴单元所融合的技术主要包括以下几方面。图2.1系统框图1.2.1高速精密轴承技术实现电主轴高速化和精密化的关键是轴承的应用。目前在大功率高速精密电主轴中应用的轴承主要是角接触陶瓷球轴承和液体东静压轴承。空气轴承不时和于大功率场合，磁悬浮轴承由于价格昂贵、控制系统复杂，其实用性受到限制。角接触球轴承是精密数控机床常用的主轴支撑。由于滚球高速运转时会产生巨大的离心力和陀螺力矩，采用陶瓷球和钢质套圈混合轴承成为一种选择。最常用的陶瓷球材料是。陶瓷具有密度小、热膨胀系数小、弹性模量大和硬度高等优点。用它作为高速主轴轴承的滚动元件，可大大减少滚球的离心力和陀螺力矩，从而使轴承获得高速度、低温升和长寿命的性能。除混合轴承外，目前国内已开始在高速精密主轴上试验采用全陶瓷球轴承，其内外套圈、保持架和陶瓷球采用的材料有、、和聚四氟乙烯等。陶瓷球的等静压成型和烧结是保证陶瓷球强度的根底，球的加工精度靠加工和检测来保证。目前国内滚球的加工精度可达G5级以上。对于全陶瓷球轴承，除陶瓷球外，陶瓷内外圈的精密加工也是关键，需要设计专门的工装固定内外圈坯件才能实现精密加工，内外沟道的加工精度的一致性也要靠恰当的工装和工序来保证。尽管目前高速精密电主轴的支撑绝大局部为角接触陶瓷球轴承，但由于在极限转速和大负载工况下滚动轴承的功能丧失很快，液体动静压轴承的研究一直为国内外电主轴企业及专家重视。动静压轴承作为电主轴轴承的主要技术难点是实现高速化，对其关键技术的研究主要有：动静压轴承的层流、紊流流体惯性的计算算法研究；动静压轴承层油腔结构的研究；轴承温升及热变形控制技术的研究及润滑介质的研究等。1.2.2高速精密电主轴的动态性能和热态性能设计高速精密电主轴设计目标要求主轴刚度高、精度高、抗振性好、可靠性高。传统的动力学分析常常将轴承刚度用假设的弹簧代替，利用有限元或传递矩阵法等数值计算方法计算主轴的各阶固有频率和振型，并在设计时使主轴的一阶固有频率高于设计的主轴最高转速所对应的频率。该方法还能解释随着主轴速度升高，球轴承离心力变化导致主轴固有频率变化等动力学现象。但该方法对球轴承刚度的非线性变化特点没有充分考虑。根据电主轴的实际运行特点，有必要将“轴承——主轴——电动机——轴承座”作为一个系统进行动力学分析，同时充分考虑支承刚度非线性、主轴热扩散及热变形等热态性能对主轴动态性能的影响，并对整个电主轴进行动态优化设计，而轴承系统的动力学仿真是根底。主轴动态性能设计的关键技术有：⑴滚动接触界面的非线性刚度变化规律。滚动轴承的支承刚度与运转速度之间、载荷与变形之间是非线性的关系，且由于有限个滚动体的存在、轴承元件接触外表的加工几何误差、轴承材料的弹性及外力的变化等，使得轴承的刚度成为时变函数。在考虑定位预紧和定压预紧两种预紧方式、计算球与内外圈沟道接触载荷和接触角的根底上，计算每个球与内外圈沟道接触点的接触刚度，需要根据轴承内部变形的几何关系，提出适宜的计算轴承径向刚度、轴向刚度和角刚度的方法。⑵主轴的热变形和热扩散规律。高速精密主轴单元各零件的刚度及精密都较高，主轴的弹性变形所引起的误差常常很小，而运动副间的摩擦发热和温升却不可防止。在各类误差中，热变形引起的误差往往比其他误差更为突出。高速旋转状态下，主轴多个支承轴承和电动机转子是电主轴多区段的主要热源，会直接导致主轴热变形，改变轴承的预紧状况，影响主轴的加工精度，严重时甚至会烧毁轴承，导致主轴损坏。为了防止这种危害，对主轴热变形和热扩散的研究至关重要，而建立高速精密主轴多区段热扩散、热变形及主轴热变形与振动耦合规律的数学模型，是主轴系统动力学分析的一个关键。主轴热分析可在获得正确的主轴热传导系数后，采用有限元法进行研究，预测主轴热变形后引起的间隙变化对轴承及主轴部件性能的影响，并在主轴系统设计、制造、装配过程中做出补偿，防止主轴单元工作精度降低。1.2.3高速电动机设计及驱动技术电主轴是电动机与主轴结合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转局部，理论上可以把主轴看作一台高速电动机，其关键技术是高速运动的动平衡。电主轴实现高速化存在的问题，从机械方面考虑主要是轴承发热和振动问题；从设计方面考虑主要是定转子功率密度和线圈发热问题；从驱动和控制角度考虑主要是调速性能问题。异步型电主轴的主要优点在于结构简单、制造工艺相对成熟、驱动系统易于实现高速化，其缺乏之处在于转子发热严重、低速性能不好、转子参数受温度影响大，难于实现精密控制。异步型电主轴功率容量大、转速提高时，常常需配备中心冷却系统以降低主轴升温，同时，在主轴结构设计时，对轴承采用恒压预紧方式，以克服主轴轴向热变形带来的影响。对于同步型电主轴，其优点在于：⑴转子不发热，从原理上防止了旋转轴热变形和向轴承散热等问题。⑵转子无损耗，功率密度大，工作效率高，功率因数高，与同容量的异步电动机相比，其驱动装置容量较小。⑶体积和重量大为减小，转动惯量小，易于快速起动和准停。⑷与同体积的异步电动机相比，其输出转矩大一倍以上。⑸低速性能好。⑹易于实现精密控制。1.2.4高速电主轴的精密加工和精密装配技术为了保证电主轴在高速运转时的回转精度和刚度，其关键零件必须进行精密加工或超精密加工。主轴单元的精密加工件包括主轴、箱体、先后轴承座以及随主轴高速旋转的轴承隔圈和定位过盈套等。主轴与轴承的配合面、主轴锥孔与刀柄的配合面、主轴拉刀孔的外表、主轴前后轴承德同轴度、主轴的径向圆跳动是必须保证的主要精度指标。主轴单元的精密装配包括主轴与电动机转子、主轴与前后轴承、主轴与轴承隔圈和定位过盈套、主轴与刀具、轴系于轴承座、轴承座与壳体之间的精密装配。精密装配要保证的主要两点是电主轴整体刚度和整体的动平衡精度。围绕精密加工和精密装配开发的工装和专用机床是高速精密电主轴核心技术的重要组成局部。此外，高速主轴上旋转刀具的装配也是精密装配工艺需要考虑的因素。1.2.5高速精密电主轴的润滑技术电主轴的润滑一般采用定时定量的油气润滑，也可以采用脂润滑，但其相应的速度要大打折扣。定时就是指每隔一定的时间间隔注一次油，定量是指通过一个叫做定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的注油量。油气润滑，通常是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷球轴承。油气润滑技术中，油亮控制显得十分重要，如果过少，起不到润滑作用；过多，又会在轴承高速旋转时因油的阻力而发热。1.2.6高速精密电主轴的冷却技术为了尽快使高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，而冷却剂的温度通过冷却装置来保持。1.3高速电主轴开展及现状1.3.1高速电主轴技术的开展及现状早在20世纪50年代，就已经出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。随着高速切削开展的需要和功率电子器件、微电子器件和计算机技术的开展，产生了全固态元件的变频器和矢量控制驱动器；加上混合陶瓷球轴承的出现，使得在20世纪80年代末、90年代初出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴。国外高速电主轴技术开展较快，中等规格的加工中心的主轴转速目前己普遍到达10000r/min甚至更高。1976年美国的Vought公司首次推出一台超高速铣床，采用了Bryant内装式电机主轴系统，最高转速到达了20,OOOr/min，功率为15KW。到90年代末期，电主轴开展的水平是:转速40,000r/min，功率40KW(即所谓的“40-40水平”)。但2001年美国Cincinnati公司为宇航工业生产了SuperMach大型高速加工中心，其电主轴最高转速达60,000r/min，功率为80KW。目前世界各主要工业国家均有装备优良的专业电主轴生产厂，批量生产一系列用于加工中心和高速数控机床的电主轴。其中最著名的生产厂家有:瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和STEP-TEC公司，德国的GMN公司和FAG公司，美国的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。高速电主轴生产技术的突破，大大推动了世界高速加工技术的开展与应用。从80年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现，超高速机床从单一的超高速铣床开展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种加工中心等。德国、美国、瑞士、英国、法国、日本也相继推出了自己的超高速机床。其中日本工业界善于汲取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，尤其在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现己跃居世界领先地位。日本厂商现己成为世界上超高速机床的主要提供者。在我国，也开始有厂家生产超高速机床。中国机床工具行业近几年的快速开展，受到世界机床制造业界瞩目。代表当今机床技术开展主流的数控机床，更是异军突起，国产数控机床在高速、多轴、复合、精密以及自动化等方面都取得了明显的进展。尤其在数控机床的高速化和品种开展上进步明显。在CIMT2003届展会的高速加工中心展品有30多台，占参展国产加工中心总数的30%。在高速加工中心展品中，宁江机床集团公司的NJ-5HMC40卧式加工中心最高主轴转速达40000r/min，快速行程达60m/min。在高精度产品中有北京机床研究所的高速立式加工中心，成都托普数控机床公司的PMC600高速立式加工中心，大连机床集团的DHSC500高速卧式加工中心，沈阳机床股份的BW60HS/1卧式加工中心等。高速加工机床的涌现及超高速切削技术的开展，带动了相关技术及数控功能部件的专业化生产。数控功能部件是指数控系统、主轴单元、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装置等。它们是数控机床的核心组成局部。主机技术水平的不断提高，要求配套的功能部件也必须迅速提高自身的水平。功能部件技术水平的上下、性能的优劣以及整体的社会配套水平，都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的开展速度。没有高质量的功能部件，数控机床的迅速开展也将成为一句空话。国产电主轴技术水平的上下必然影响产品在主机上的应用。我国数控机床的开展历程充分证明，数控功能部件产业开展的滞后，始终是制约我国数控机床开展的瓶颈问题之一。功能部件跟不上，开展数控机床将成为空话。我国数控机床整体技术水平的开展和提高，最终离不开先进的功能部件产业的支持。我们要抓住目前的黄金开展机遇，学习国外同行的先进技术，探索国际合作途径，共同为做大做强数控功能部件产业，为国产数控机床的开展而努力奋斗。1.3.2主轴单元结构形式研究的开展从电主轴的结构形式来看，早期主轴单元的结构比较简单，主轴仅由套轴向预紧面对面配置的320C系列圆锥滚子轴承支承。圆锥滚子轴承具承受较大轴向和径向联合载荷的能力，径向和轴向刚度高，主轴单元具良好的动力学特性。由于这种主轴单元的速度性能受到限制，在高速场很少采用，其值一般小于。SKF公司于1955年所提出的著名的主轴单元，其径向载荷靠NN30K系双列圆柱滚子轴承支承，轴向载荷靠轴向预紧的2844系列双向推力角接球轴承承受和轴向定位。这种主轴单元刚性好，但由于双向推力角接触球轴承的摩擦力矩和接触角较大，其速度性能受到了限制，值一般小于。为了改善主轴速度性能，上个世纪八十年代又出现了一种主轴单元：它的工作端用三套主轴轴承代替双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承，值可到达。近年来，为适应机床提高生产效率和加工精度的需要，进一步改善主轴单元的结构，如在传动端用双联配置的主轴轴承代替双列圆柱滚子轴承进一步提高速度性能，工作端可以采用双联、三联甚至四联配置的主轴轴承以适应不同的刚度性能要求，采用定位和定压预紧以及定压和定位预紧转换，以适应主轴单元不同的速度和刚性要求，值可到达。根据主电动机与主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴单元主要有两种结构布局设计方式：〔l〕主电机置于主轴前、后轴承之间。它采用两支承结构，前轴承比后轴承尺寸大，均分别用串联安装方式，前后支承受力方式为外撑式。后支承选用小尺寸轴承，虽然会降低速度回数值，这对主轴整体刚性影响不大，但它改变了工作条件，对保持整个轴系的使用寿命十分有利。这种结构的优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，输出功率大，较适合大中型高速机床。〔2〕主电动机置于主轴后轴承之后，即主轴箱和主电机作轴向的同轴布置，这种方式减少了电主轴前端的悬伸量，电机的散热条件较好，但整个电主轴单元的出力较小，轴向尺寸大，常用于小型高速机床。1.4电主轴对高速加工技术及现代数控机床开展的意义以高切削速度、高进给速度、高加工精度为主要特征的高速加工是当代四大先进制造技术之一，是制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术。当今世界各国都竞相开展自己的高速加工技术，并成功应用，产生了巨大的经济效益。要开展和应用高速加工技术，首先必须有性能优良的高速数控机床，而数控机床性能的好坏那么首先取决于高速主轴。高速加工的主要优势是：⑴加工时间大幅度缩短，加工节拍只有原来的1/4，这意味着一台高速机床可以代替4台普通CNC机床。⑵外表质量高，不用再进行比方打磨等外表处理工序。⑶零件可换性好，有利于模具行业制造。⑷零件变形小，可以加工很薄的零件。⑸从管理角度看，高速机床的投资可以很快回收，并能缩短交货期，占地面积小，人工数量可减少。因此，近年来高速加工技术开展十分迅猛，在航空航天、汽车工业、模具加工和摩托车工业等工业生产中得到广泛应用。现代高速加数控机床主轴的主要形式就是电主轴，并且已在机械、电子、航空航天、国防、冶金、食品、化工、医药和光学等领域内显示期旺盛的生命力;其性能的好坏在很大程度上决定了整台高速机床的加工精度和生产效率。因此，电主轴单元技术的开展也对现代数控机床的开展及高速加工技术产生了深远的影响。主要表达在以下几个方面：⑴促进了高速加工技术与机床的开展。电主轴是由内装式电动机直接驱动，更容易满足高速加工对机床“高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求，与机床高速进给系统、高速刀具系统一起组成高速切削所需要的必备条件。电主轴技术与电动机变频、闭环矢量控制、交流伺服控制等技术结合，可以满足车削、铣削、镗削、钻削、磨削等金属切削加工的需要。⑵简化结构，促进机床结构模块化。电主轴可以根据用途、结构、性能参数等特征形成标准化、系列化产品，供用户选用，从而促进机床结构模块化。⑶降低机床本钱，缩短机床研制周期。一方面，标准化、系列化的电主轴产品易于形成专业化、规模化生产，实现功能部件的低本钱制造；另一方面，采用电主轴后，机床结构的简单化和模块化，也有利于基地机床本钱。此外，还可以缩短机床研制周期，适应目前快速多变的市场趋势。⑷改善机床性能，提高其可靠性。采用电主轴结构的数控机床，由于结构简化，传动、连接环节减少，因此，提高了机床的可靠性；技术成熟、功能完善、性能优良、质量可靠的电主轴功能部件是机床的性能更加完善，可靠性得到进一步提高。⑸实现某些高档数控机床的特殊要求。有些高档数控机床，如并联运动机床、五面体加工中心、小孔和超小孔加工机床等，必须采用电主轴才能满足完善的功能要求。1.5内装式电主轴系统的研究内装式电主轴系统把主轴与电动机有机地结合在一起，经驱动控制器供电，使之输出相应的转速和扭矩。在编码系统的控制下，该驱动器能方便地控制电动机实现准速、准停和准位等功能。内装式电主轴系统由内装式电主轴单元、驱动控制器、编码系统、直流母线能耗制动器和通讯电缆组成(见图2.2)常见的数控机床与电主轴系统的配置可由以下简式来表述:加工中心+电主轴单元十编码系统+闭环式驱动控制器+直流母线能耗制动器车削中心+电主轴单元+编码系统十有C轴定位的闭环式驱动控制器十直流母线能耗制动器。图2.2内装式电主轴系统结构简图内装式电主轴单元是电主轴系统的核心。高性能的电主轴单元具有高速、高精度、高效、低振动和低噪声等特点，便于实现主轴系统智能化控制。内装式电主轴单元由以下各部件及系统组成:(l)电动机接受驱动控制器提供的中频电，并将其转换成电主轴的机械能。(2)支承按数控机床对主轴系统的特殊要求设置的支承系统，它是决定电主轴单元精度、刚度的主要因素。(3)冷却系统为将电主轴电动机及轴承高速运转时产生的热能带走而设置在电主轴内腔的热交换器。(4)松拉刀系统为电主轴单元实现气(液)动松拉刀而设置在转轴体内的机构。其中拉刀器由电主轴转速、传递扭矩的不同可选用HSK、瓣爪、钢球拉刀等不同型式。(5)松刀气、液压缸电主轴松刀时向松拉刀机构提供动力源的部件。(6)轴承自动卸载系统电主轴处于松刀状态时，用以自动卸去轴承上承受的过大冲击负荷的系统。(7)刀具冷却系统在统一设计前提下，电主轴单元对刀具冷却通道采取统筹兼顾的措施。常见的电主轴单元中刀具冷却形式可分两种:超高速电主轴刀具冷却选用内冷式，高速电主轴刀具冷却选用外冷式。(8)编码安装调整系统加工中心、大型数控车用电主轴需具备准停、准位功能，因此，必须在电主轴单元中安装能实现速度反应和传递位置信号的磁性编码器。其中钢质码盘应安装在转轴本体上，接收器应牢靠地安装在电主轴外壳上，以实现准确的相角控制以及进给的配合，同时应便于调整。2.电主轴工作原理及结构2.1电主轴的根本结构高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对电主轴各个局部进行精心设计和制造。电主轴的根本结构包括以下几个局部：轴壳、转轴、轴承、定子和转子。电主轴根本结构原理如图2-1所示。对电主轴的结构设计就是围绕这几个局部展开的。3.1电主轴根本结构原理图2.1.1轴壳轴壳是高速电主轴的主要部件。轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴综合精度。通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电动机定子，必须开放一端。大型或特种电主轴，为方便制造、节省材料，可以将轴壳两端均设计成开放型。高速、大功率和超高速电主轴，应该严格控制整机装配精度。2.1.2转轴转轴是高速电主轴的主要回转主体，其制造精度直接影响电主轴的最终精度。成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高。当转轴高速运转时，由偏心质量引起的振动，严重影响其动态性能。因此，必须对转轴进行严格的动平衡，局部安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡。2.1.3轴承高速电主轴的核心支撑部件是高速精密轴承。这种轴承具有高速性能好、动载荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。近年来，相继开发研制了陶瓷轴承、动静压轴承和磁浮轴承。目前应用最多的高速主轴轴承还是混合陶瓷球轴承，即滚动体使用热压陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。这种轴承标准化程度高，对机床结构改动小，便于维护保养，特别适合高速运行场合。为了延长轴承的使用寿命，可增加滚道的耐磨性，对滚道进行涂层处理或其他外表处理。用其组装的高速电主轴，能兼有高速、高刚度、大功率、长寿命等优点。2.1.4定子与转子高速电主轴的定子由具有高磁导率的优质矽钢片叠压而成，叠压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。转子是中频电动机的旋转局部，它的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能。转子由转子铁心、鼠笼、转轴三局部组成。由于电主轴单元是机械主轴和电动机转子的合成体，因此其精度要求高于一般主轴，加工难度更大，需要很好的工艺分析和正确的工艺路线。由于高速主轴的极限转速高，为了保证电主轴运行的稳定性，防止振动发生，电动机转子与主轴的联接也采用同主轴轴承紧固相似的结构。转子与机床主轴过盈配合量的大小是影响主轴性能的重要因素。由于主轴的转速高，在高速下，会产生很大的离心力，转子与主轴在径向上将产生不同程度的膨胀，这将会影响到主轴与转子的配合。过盈量太小的配合将会影响主轴传递转矩的能力，甚至松动，产生振动；过盈量太大，将会使装配难度加大，影响装配精度，甚至破坏配合外表。因此，必须对电动机转子与机床主轴间的过盈量进行研究，以适应高速电主轴设计工作的需要。2.2电主轴的工作原理高速电主轴的工作原理是：高速电主轴的电动机局部由产生旋转磁场的定子绕组和把电能转换为机械能的转子组成。高速电主轴的定子和转子之间的空隙是形成功率输出有效局部的主要局部。电主轴持续工作功率主要取决于电动机的机械效率和冷却效果，机械效率的上下那么主要取决于轴承高速化参数n值，为轴承中径，n为主轴转速。电主轴的线圈相位互差120度，安放在定子铁心的槽内，通以三相交流电，三相线圈各自形成一个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相叠加，合成一个强度不变，磁极朝一定方向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。异步电动机的同步转速n由输入电动机定子线圈电流的频率f和电动机定子的极对数p决定〔n=60f/p〕。电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和励磁电压来获得各种转速。在加工和制动过程中，通过提供相当于最大转矩的频率进行加减速，以免电动机温升过高。由于电动机旋转磁场的方向取决于输入三相交流电的相序，便可改变电主轴的旋转方向。电主轴运转中，将会产生如振动、轴承发热、精度低和寿命低等问题。所以通常从转速提出相应的功率参数、体积参数和刚度参数，作为定性评价高速电主轴的可比度：式中功率参数，=n；体积参数，=K常数，取；A单位线负载；空气隙磁通密度。上式说明，和值一经确定，电主轴的电磁负荷也就可以大致确定。增大值必将导致或增大提高值要受到临界转速以及转子外表线速度的限制；的提高易导致电主轴的功率下降和温度升高；值增大，使轴承的动载荷增大，振动加大，降低轴承的寿命。理论分析及实验说明：轴承是制约电主轴的功率输出和精度的主要部件。所以，高速主轴轴承是电主轴的核心局部，使用值高的主轴轴承可以有效的提高电主轴的性能。2.3电主轴的根本参数电主轴的性能是通过一些技术特性参数来表示的其中电主轴的主要参数有：电主轴的最高转速和恒功率转速范围；电机主轴的额定功率和最大扭矩；电机主轴前、后轴承直径和前后轴承跨距。其中主轴的最高转速、前后轴承直径和额定功率为根本参数。2.3.1电主轴的型号电主轴的型号一般由电主轴代号、安装尺寸及转速代码等组成。一般电主轴型号中含有套筒直径、最高转速和输出功率等参数。2.3.2转速转速是电主轴的一个重要技术指标，电主轴转速可在一定范围内通过变频器实现无级变速，电主轴转速和频率成正比关系。同步转速由下式计算可得。n=60f/p式中f-变频器输出频率；p-驱动电动机的极对数。电主轴一般为异步电动机，其实际转速比同步电动机的转速稍低。选择电主轴时要注意实际工作转速不得高于最高转速。临界转速是指一个回转质量统〔包括道具在内〕在某一特定的支承条件下，产生系统最低一阶共振时的转速。掌握这个临界转速，对高速回转部件的平安运转至关重要。2.3.3输出功率输出功率表示电主轴的做功能力，一般用P表示电主轴功率一般随电源频率和电压变化而变化〔恒功率调速除外〕，电主轴铭牌标称电压、转速下的满载输出功率，电主轴的输出功率一般随转速的降低而降低，选择电主轴时要考虑这一点。2.3.4输出转矩输出转矩表示电主轴输出力的大小，一般用M表示，电主轴的转矩指标有最大转矩和额定转速，最大转矩表示电主轴的过载能力，额定转矩表示负载能力。如电主轴承当的转矩超过最大转矩时，电主轴转速会发生陡降或停转，电主轴的最大转矩一般为额定转矩的2倍左右，在使用和选择电主轴时要注意瞬间最大负载转矩不能超过电主轴的最大转矩，工作转矩稍小于电主轴的额定转矩。2.3.5电主轴转矩和转速、功率的关系电主轴的功率、转矩、转速的关系可由下式表示。对恒功率电主轴，转矩和转速成反比，对恒转矩电主轴，功率和转速成正比。2.3.6恒转速调速恒转矩调速是指主轴在一定转速范围内改变转速时，输出转矩不变的调速方式。一般的磨削用电主轴及小型铣削用电主轴都为恒转矩电主轴，这类电主轴注重考核高速时的性能，给定的电动机参数一般为额定转速的功率及相对应的电压和频率，选用及应用时应注意。在使用普通变频器时，注意变频器基频频率应设定为电主轴标称频率，输出电压为电主轴标称电压。2.3.7恒功率调速恒功率电主轴是指在一定转速范围内改变转速时，输出功率可保持不变的调速方式。恒功率调速时电主轴功率保持恒定，电主轴转矩随速度上升而下降，且一般在起步及低速段采用恒转矩调速，而高速段采用恒功率调速，保证低速时有较大的输出转矩，满足低速大进给的切削要求。在调速段保持恒功率，可满足小切削量的高转速要求，一些低速高要求的电主轴，应采用高性能的矢量变频器控制。2.3.8轴承中径电主轴功率及转速时受电主轴体积及轴承限制，值就是反映电主轴功率和转速的一个重要特性参数，其中为轴承中径，n为电主轴的工作转速。值越大其电主轴性能要求越高。一般电主轴的值小于等于这类电主轴可采用油脂润滑；值大于为高速大功率电主轴，这类要求采用油气或油雾润滑；值大于的电主轴必须采用气浮或磁浮轴承才能解决其支承问题。对于值恒定的电主轴来讲，n值越大，值越小，功率小，刚性大，所以选择电主轴时不要盲目要求高转速。2.3.9刚度和精度刚度分为轴向刚度和径向刚度。其数值随电主轴的套筒大小变化而变化，单位。而同样大小尺寸的套筒，其刚度数值随电主轴最高转速的变化而变化，一般最高转速的电主轴刚度小于最高转速低的电主轴刚度。这既反映了电主轴工作的实际需要，也说明了电主轴刚度在高转速时和预加载荷的大小有关。电主轴的刚度和精度与电主轴前后轴承的配置方式、主要零件的制造精度〔如套筒前后孔和主轴前后轴颈的同轴度等〕、选用滚动轴承的尺寸大小和精度等级、装配的技术水平和预加载荷的大小等密切相关。2.4自动换刀装置为了应用于加工中心，电主轴配置了自动换刀装置，包括蝶形弹簧，拉刀装置等。3.电主轴结构设计本次毕业设计电主轴的结构设计工作其路线大致如图3.1所示。图4.1主轴单元结构设计路线图上述研究内容相互之间交叉或并行或串行进行，通过以上一系列关键性技术问题的解决，完成主轴单元结构设计。3.1主轴的设计3.1.1.铣削力的计算铣刀材料为高速钢，工件为45钢，精铣，根据切削力公式：F=电主轴主要工作在高速状态下，故取查表得：那么：F=9.81*180*4*0.2*〔1.42*60〕*0.92=1943N横向纵向3.1.2主轴当量直径的计算根据数控加工中心参数，定电机功率P=15.1千瓦，那么额定转矩,式中，取，n=1500r/min,轴的材料为40，D求得D=24.49D，d都是当量直径，结合电机尺寸，及HSK-A63刀具，确定D=75，d=37.5,3.2高速电主轴单元结构参数静态估算3.2.1高速电主轴单元结构静态估算的内容与目的高速电主轴单元结构静态估算的内容包括主轴单元主要结构参数计算、静刚度的计算、临界转速的估计。静态估算的目确实定主轴单元主要结构参数〔主轴前悬伸、跨距、主轴外径和主轴内径等〕，为结构设计提供根本依据。3.2.2轴承的选择和根本参数为适应主轴高速特性，同时保证一定的刚度，整个主轴支承结构采用一端固定一端游动的支承方式，主轴前端为固定端，后端为游动端。这种支承的特点是：前支承轴向固定，后支承浮动，能适应主轴向后热伸缩的需要，具有较高刚度，同时具有较好的高速性能。前后端角接触球轴承背对背安装，因为背对背组配支承点间的距离比较大，因而产生一个较大的抗弯力矩，径向膨胀将使轴承内的过盈加大，而轴向膨胀将使过盈减少。由于角接触球轴承均为点接触，刚度较低，为提高刚度，通常采用多联组配。又在各种不同的配置中，由于每个轴承的误差不一致，会使整个轴承组的转速会有所下降，轴承组配数越多，主轴速度降低系数越大〔主轴速度降低系数影响主轴最终能到达的最高转速〕。结合利弊，最后考虑前后轴承均双联组配，得到支承结构如图4.2所示。图3.2电主轴主轴的支承形式3.3轴承的预紧轴承预紧的目的主要是提高主轴的旋转精度和主轴的刚度。适量的预紧，可消除轴承的径向间隙，补偿磨损和热伸长引起的轴向间隙，使滚动体从各个方向上支承主轴，有利于提高主轴精度、刚度以及抗振性和寿命。轴承预紧方式有两种：定位预紧和定压预紧。定位预紧轴向内外圈的相对位置固定，在使用中不改变。定压预紧那么是利用弹簧或者是液压系统对轴承实现预紧，在高速运转中弹簧或者液压系统吸收引起轴承预紧力增加的过盈量，以保持轴承预紧力不变。同时，轴承预紧力根据大小不同又可以分为轻、中、重预紧，不同的组配方式和不同的预紧力在一定转速下发热不同，其极限转速比单个轴承轻预紧时的极限转速有所下降。综上所述选用轴承类型，前、后端均采用角接触陶瓷球轴承。结合电机处轴径直径以及加工中心的轴径尺寸，在此次设计中主轴前后支承均选用瑞士SKF高精度混合式陶瓷角接触球轴承，轴承定位采用轻预紧方式，其主要技术参数如表4.1所示：3.4主轴轴承静刚度的计算前后支承均选用SKF高精度混合式陶瓷角接触球轴承，其主要技术参数如表3.1：表3.1轴承技术参数表参数前支承后支承型号71915CE71913CE精度P4P4组配方式背靠背背靠背顶紧级别轻预紧轻预紧内径d(mm)7565外径D(mm)10590宽度b(mm)1613滚动体直径(mm)9.527.93接触角预紧力〔N〕110N80N额定动载荷〔N〕2250080额定动载荷〔N〕166000127000润滑方式油气润滑脂润滑轴承装配后的预紧力可用下式计算——轴承系数——接触角系数——预紧级别系数——混合陶瓷球轴承修正系数——装配前的预紧力71911CE/HC：查机床滚动轴承应用手册f=2.22，=1.07，=0.92，=1.06，=110N=2.22×1.07×0.92×1.06×110=254.8N,圆整后取260N71913CE/HC:查机床滚动轴承应用手册f=1.85，=1，=1，=1.06，=1.85×1×1×1.06×80=156.88N,圆整后取160N在轴向预紧力前提下，角接触球轴承的径向刚度Kr可近似地按下式计算：对于混合式陶瓷球轴承还应再乘以材料修正系数1.3，即：上式中的预紧力即前面计算的值71913CE/HC：71911CE/HC：=310.3N/um3.4.1主轴单元主要结构参数确定及刚度验算主要假设：〔1〕用单一的当量截面代替多个不同尺寸的截面；〔2〕用合并或忽略辅助支承的方法，将多个轴承简化为前后两个支承；〔3〕将轴承简化为径向的压缩弹簧，即只认为轴承具有径向刚度，而不具有角刚度；〔4〕忽略转速对轴承刚度的影响；〔5〕忽略轴承负荷对轴承刚度的影响，即把轴承刚度当作不变的常数对待。主轴的主要结构参数有主轴前、后轴颈直径D1和D2、内孔直径d、悬伸量a和主轴主要支承间的跨距L。如图4.3所示：3.4.2主轴单元主要结构参数确定主要假设：〔1〕用单一的当量截面代替多个不同尺寸的截面；〔2〕用合并或忽略辅助支承的方法，将多个轴承简化为前后两个支承；〔3〕将轴承简化为径向的压缩弹簧，即只认为轴承具有径向刚度，而不具有角刚度；〔4〕忽略转速对轴承刚度的影响；〔5〕、忽略轴承负荷对轴承刚度的影响，即把轴承刚度当作不变的常数对待。计算步骤：〔1〕主轴直径的初选：参考国内外电主轴生产厂家技术资料，根据电机、拉刀机构等外购件的尺寸参数，初步确定主轴前轴颈的直径D1，选取D1=75mm；D2=〔0.75～0.85〕D1，取D2=65mm，主轴的内孔直径确实定如图3.4和表3.2所示。图3.4主轴内孔尺寸标准表3.2主轴内孔标准D1d2d3d5d6d7d8131819110111503826332615101861453.684634834423420152269524.294806042504222172872564.298〔2〕前悬伸量a的初步确定：前悬伸a对主轴组件的综合刚度影响很大，在选择主轴端部结构以及考虑刀具的安装、轴承的类型及密封结构时，应尽可能减小主轴的悬伸量。初步确定前悬伸量a=60mm。〔3〕主轴最正确跨距l0的计算：满足主轴前端最小静挠度条件时的l是最正确跨距l0，当0.75≤l/l0≤1.5时，主轴组件的刚度损失不超过5%～7%，在工程上认为是合理的刚度损失，故在该范围内的跨距称为“合理跨距”l合，结构设计时首先应争取主轴前端在一定的外载荷P的作用下，主轴本身及其支承都要产生变形，引起主轴前端部产生位移(如图3.5)。其总位移由两局部组成：是假设轴承为刚性支承，主轴为弹性体时，主轴在前端受到外载荷P作用后的位移。是假设主轴是刚体，支承为弹性体时，主轴在前端受到外载荷P作用后的位移。图3.5主轴挠变形示意图根据材料力学中外伸梁的挠度公式：E主轴材料的弹性模量，I主轴截面的平均惯性矩〔〕，空心轴前、后支承的支反力为，刚度为时，前、后支承的变形分别为由几何关系可求出:又因为，，所以主轴前端在一定的外载荷P的作用下，主轴端部的总挠度y为式中E为主轴材料的弹性模量；I为主轴截面的平均惯性矩；为前、后支承径向刚度；根据最小挠度条件：对上式求导，并引入无量常数整理有：可以证明这个三次代数方程有且只有唯一的正实根，即：前、后支承均采用双联角接触球轴承，所以最正确跨距：〔4〕根据构造上的要求对最正确跨距进行修正。根据电机的尺寸参数取l=370mm，在合理跨距范围内。〔5〕验算刚度：查相关资料选取典型工艺参数并计算其切削力P，代入式计算其主轴前端静挠度y，并计算径向刚度，验证刚度是否符合设计要求。如果刚度不符合设计要求，返回重新进行计算。主轴的静刚度简称主轴刚度，是机床主轴系统重要的性能指标，它反映主轴单元抵抗静态外载荷的能力。主轴单元的弯曲刚度定义为使主轴前端产生单位径向位移时，在位移方向所需施加的力；主轴单元的轴向刚度定义为使主轴轴向产生单位位移时，在轴向所需施加的力。一般情况，弯曲刚度远比轴向刚度重要，是衡量主轴单元刚度的重要指标，通常用来代指主轴的刚度。验算刚度：P=Fr=1943Ny=3.53+3.12=6.65um主轴单元的径向刚度K=N/μm参考国内外电主轴生产厂家的技术资料，上述计算结果说明该电主轴的结构设计是满足刚度要求的。3.4.3主轴强度的校核〔1〕按弯扭合成应力校核强度轴的强度通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷已可以求得，因而可按弯扭合成强度对轴进行强度校核计算。首先绘制出轴的计算简图如图3.6〔a〕，然后依次确定出轴的弯距图和扭距图分别如图3.6〔b〕和(c)所示。由静力平衡方程可得：，求得支反力为,图3.6轴的受力简图同理由平衡公式可知：1解得：查〔机械设计第七版〕表15-1，40Cr有以下参数：那么取0.3,那么根据以上数据可计算得：=38809.2=那么轴满足弯扭合成强度要求。〔2〕按疲劳强度精确校核计算。那么由机械传动手册查得：；；；；那么=所以其疲劳强度要求合格。3.4.4主轴刚度的校核按主轴的扭转刚度进行校核轴的扭转变形用每米长的扭转角来表示。圆扭转角的计算公式为：--轴所受的扭矩--轴的剪切弹性模量--轴的极惯性矩：=轴的扭转刚度的条件为：的取值为0.5-1〔〕/m所以1.53×那么轴满足扭转刚度要求。参考国内外电主轴生产厂家的技术资料，上述计算结果说明该电主轴的结构设计是满足刚度要求的。计算结果如表3.3。表3.3计算结果列表主轴前轴径D1=75mm主轴后轴径D2=65mm主轴前端悬伸量a=60mm主轴前后轴承跨距L=370mm3.4.5主轴的精密制造电主轴设计工作只是电主轴技术的重要的一局部，是生产的根底，要想真正用于生产，必须经过精密加工和试验验证。高速主轴单元是精密机床关键功能部件，为保证主轴单元的动静态精度到达工程任务书的要求和实际使用要求，必须制定科学合理的零部件加工工艺。加工工艺应该根据零部件的技术要求和现有的设备水平、精心制定了不同零件的加工制造工艺，不但进一步完善电主轴单元通用零部件的加工工艺，而且对关键件的典型工艺进一步改良。以下是关键零部件的加工工艺分析：⑴轴加工工艺流程及分析转轴是高速电主轴的回转主体，安装有高精度的主轴轴承、高速电机、轴承紧固件等，也是工作头的载体。它的制造精度直接影响电主轴的最终精度。成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高，转轴高速运转时，由偏心质量引起振动，严重影响其动性能，必须对转轴进行严格动平衡测试。局部安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡测试.转轴材料为高强度合金钢42Cr，它适用于中等载荷、转速稍高、精度要求高、冲击和疲劳负荷不大的工作场合。如:制作汽车半轴，曲轴等，用来制作试验机主轴的转轴也是非常适宜的。淬火硬度要求在HRC45-500。⑵转轴具体工艺流程:车成型--钻磨中心孔--热处理--研磨中心孔--粗外磨--时效--研孔--半精外磨--研孔--精外磨--精磨螺纹--平衡测试等。3.5主轴电机3.5.1电机选型本设计研究的电主轴是以中小型加工中心为主要应用对象，主轴的最高转速50000r/m，根据参考加工中心技术参数，确定电机为变频调速交流主轴电机，选用西门子交流异步电机产品，具体型号为1PH2113-6WF4,如图4.7所示，其局部参数见表4-4.图3.71PH2113-6WF内置电机图4.81PH2113-6WF电机平面结构图表3-41PH2113-6WF电机参数技术参数额定功率Kw15.1尺寸参数(mm)D250额定功率损失Kw3.2L290最高转速r/min50000220额定转速r/min1500d82额定扭矩N.m95dl1003.6主轴轴承3.6.1轴承简介高速电主轴单元的核心是高速精密轴承。电主轴中电机发热严重，对轴承影响较大，当轴承突然起动会使内外圈温度产生差异〔即内圈温度高于外圈温度〕，使轴承游隙减小，并且轴承假设施加定位预紧载荷，又会引起热量产生，从而使轴承被卡死的时机大大增加。因此，电主轴的轴承要求又足够的巩固性，以防止卡死情况的发生，还要求在严重的热载荷条件下，产生较少热量且保持平稳运转，即轴承必须对外部的热扰动不敏感。选择轴承支承是电主轴单元设计中一个非常关键的问题。根据材料分类，目前适于高速主轴单元的轴承支承主要有陶瓷轴承、磁浮轴承、空气静压轴承和液体动静压轴承。这四种轴承的优缺点比较见表3.5.表3.5轴承性能比较轴承类型优点缺点陶瓷轴承密度小，热膨胀系数小，弹性模量大，硬度高，耐高温不导电不导磁，应用较广对拉伸应力和缺口应力敏感磁浮轴承机械磨损小，噪声小，寿命长，无需润滑价格昂贵，发热问题不易解决空气静压轴承主要用于高速、轻载和超精密场合造价高，只能适用于轻载荷液体动静压轴承主要用于重载荷场合，有很好的高速性能，调速范围广需要设计专门的液压系统，对液压系统要求较高其中陶瓷用作轴承材料的优良特性主要有：〔1〕陶瓷的密度比轴承钢的密度低，用陶瓷制成的滚动体对外圈的离心力可降低40%,因而可延长高速轴承的使用寿命。〔2〕陶瓷材料在高温〔800摄氏度〕工况条件下，强度和硬度保持不变，因而在高温条件下，可取代金属轴承材料。〔3〕陶瓷的热膨胀系数低，可保证轴承在温度变化较大的不利条件下正常工作。〔4〕陶瓷轴承的自润滑性好，有利于降低滚动体与套圈滚道的摩擦力，也有利于提高轴承的使用寿命。3.6.2陶瓷球轴承按照轴承结构分类，轴承又可以分为角接触球轴承、深沟球轴承、推力球轴承、圆柱滚子、推力滚子轴承等等，其中角接触球轴承和圆锥滚子轴承可承受轴向、径向联合载荷及载荷方向不明确的附加载荷。角接触陶瓷球轴承是精密数控机床常用的主轴轴承。角接触球轴承在告诉运转时，为了抑制发热，防止摩擦烧伤，主要是设法减少离心力和陀螺力矩。滚珠在旋转中产生离心力，由于滚珠自转轴在空间不断变化，滚珠的离心力与滚珠材料的密度成正比，和滚珠直径三次方成正比，且随着速度的升高，陀螺力矩也急剧增大。在高速情况下，滚珠将产生巨大的离心力和陀螺力矩，这将都会使滚珠与轴承外圈的接触压力急剧增大，使得摩擦与温升增加，从而使轴承的运转条件变差，要改善轴承运转条件必须设法减少离心力和陀螺力矩，如减少滚珠的直径、采用质量轻的材料做滚珠等。

陶瓷球轴承采用氮化硅陶瓷制成。氮化硅陶瓷的密度只有轴承钢的40%，热膨胀系数只有轴承钢的25%，弹性模量那么是轴承钢的1.5倍，硬度为轴承钢的2.3倍，氮化硅陶瓷还具有耐高温、不导电、不导磁、热导率低等一系列优良特性，它采用小直径密珠精密钢轴承的结构形式和尺寸系列，应用非常方便。陶瓷球轴承与同规格、同一精度等级的钢质滚动轴承相比，速度可提高60%,温升降低35%-60%,寿命可提高3-6倍。迄今，陶瓷滚动轴承的n值可高达。目前国内已开始在高速精密主轴上试验采用全陶瓷球轴承，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。陶瓷球的等静压成型和烧结是保证陶瓷球强度的根底，球的加工精度靠加工和检测来保证。目前国内外滚珠的加工精度可达G5级以上。对于全陶瓷轴承，除陶瓷球外，陶瓷内外圈的精密加工也是关键，需要设计专门的工装固定内外圈坯件才能实现精密加工，内外沟道的加工精度的一致性也要靠恰当的工装和工序来保证。陶瓷球轴承可分为混合式陶瓷球轴承〔HybridCeramicBallBearing〕和全陶瓷球轴承〔All-ceramicBallBearing〕两种。其中，混合式陶瓷球轴承指轴承中仅有一局部零件是由陶瓷材料制成，而全陶瓷球轴承是指所有轴承零件全部都由陶瓷材料制成。混合式陶瓷球轴承又可分为三种：球用陶瓷材料，而其余仍用金属材料的轴承；球与内圈均用陶瓷材料，而外圈仍用金属材料轴承；球与外圈均用陶瓷材料，而内圈仍用金属材料的轴承。目前，国际上开展应用的高速陶瓷轴承主要式混合型，即滚动体用陶瓷材料制造，内外圈用轴承钢制造。由于生产工艺、本钱价格等方面的因素，全陶瓷轴承还未完全到达实用阶段。3.6.3陶瓷球轴承的典型结构目前，高速主轴多采用刚性和高速性能优良的角接触球轴承，接触角有15°和25°两种。其中15°接触角的轴承允许的转速比25°接触角的轴承高一些，但轴向承载能力和刚度要低些。因此，为了进一步提高主轴轴承的高速性能，常采用一下几种方法：一是减少滚动体直径，如采用已标准化化的71900C系列主轴轴承；另一种那么是采用新型的混合陶瓷轴承。此外，还可以采用空心球作为滚动体，以减轻滚动体质量等。目前，国外绝大多数高速机床主轴均采用混合陶瓷球轴承为支承。陶瓷球轴承的结构主要由外圈、内圈、滚动体〔陶瓷球〕和保持架等四个元件组成。内圈装在轴颈，外圈装在轴承坐孔内，通常内圈回转，外圈不转。滚动体〔陶瓷球〕是陶瓷球轴承的核心元件。内圈外外表和外圈内外表有周向凹槽，凹槽是滚动体〔陶瓷球〕的滚道，它限制滚动体的轴向移动，同时也能降低滚道体与内、外圈间的接触应力。保持架的作用是使滚滚动体均匀的间隔开，以防运转时滚动体间彼此接触摩擦。3.7主轴轴承精度对主轴前端精度影响主轴轴承精度等级选择的根本原那么：对于既承受径向载荷，载荷的角接触球轴承，那么除根据外，还应考虑。前、后轴承的误差对主轴回转精度的影响是不同的。图4.9(a)表示前轴承轴心有偏移，后轴承偏移为零的情况。这时反映到主轴端部轴心的偏移为，图4.9(b)表示后轴承有偏移，前轴承偏移为零的情况。这时反映到主轴端部轴心的偏移为图4.9前后轴承轴心偏移对主轴端部影响4.电主轴的润滑与冷却4.1润滑介绍4.1.1润滑的作用和目的主轴在高速旋转时，在轴承周围的空气也随着旋转，形成一种空气涡流。高速电主轴的润滑主要指主轴轴承的润滑。润滑的目的是减少轴承内部摩擦及磨损，防止烧粘。良好的润滑可以实现以下目的:⑴减少摩擦和磨损通过在滚动体、保持架和套圈之间形成油膜，防止金属直接接触，减少摩擦和磨损。⑵延长轴承的疲劳寿命在旋转过程中，在滚动接触面上良好的润滑，可以得到适当厚度的润滑油膜，降低了接触应力，提高了轴承的抗疲劳性。⑶冷却作用通过循环润滑法可以把轴承摩擦产生的热量带出轴承到达冷却的作用，防止轴承过热，防治润滑油老化变质。⑷防止异物进入轴承内部。⑸防止轴承等零件生锈，出现腐蚀。4.1.2电主轴润滑的主要类型高速电主轴的润滑主要指主轴轴承的润滑，轴承的润滑要选择适合使用条件和使用目的的润滑方法。滚动轴承在高速回转时，正确的润滑极为重要，稍有不慎，将会造成轴承因过热而烧坏。当前电主轴主要有三种润滑方式。1.油脂润滑是一次性永久润滑，不需任何附加装置和特别维护。但其温升较高，允许轴承工作的最高转速较低，一般值在以下。在使用混合轴承条件下，其n值可以提高25%-35%。油脂润滑型高速电主轴结构简单，使用方便，无污染，通用性强，但主轴温升较高，工作寿命短。采用油脂润滑系统省却了常用的油润滑的油箱、油泵、油管及传动件，使润滑系统大为简化，具有体积小、重量轻、损耗能量小的特点。2.油雾润滑油雾润滑具有润滑和冷却双重作用，它以压缩空气为动力，通过油雾器将油液雾化，并混入空气流中然后输送到需要润滑的地方。当电主轴高速旋转时，油雾可在轴承沟道内形成流体动力润滑油膜。油雾润滑属持续润滑，有利于高速电主轴的稳定工作。油雾润滑所需装置结构简单、维修方便，是广泛使用的一种高速电主轴润滑方式。高速电主轴油雾润滑油路如4.1所示。4.1油雾润滑油路典型结构图油雾润滑的特点如下：油雾经过二次雾化处理，能随压缩空气的扩散而获得良好而均匀的润滑效果。压缩空气输送油雾且带走热量，减少因搅拌润滑油而引起的发热，降低了工作温度。价格比较廉价，但污染环境。油雾具有一定的压力，可以起到密封作用，防止外界的杂质、水分等侵入摩擦副。3.油气润滑是一种新型的、较为理想的方式，它利用分配阀对所需润滑的不同部位，按照其实际需要，定时〔间歇〕即每隔一定的时间注一次油、定量〔最正确微量〕即通过定量阀精确地控制每次润滑油的油量的方式供给油气混合物，能保证轴承的各个不同部位既不缺润滑油，又不会因润滑油过量而造成更大的温升，并可将油雾污染降至最低程度。油气润滑装置一般由专业的润滑功能部件公司设计制造。电主轴公司选购以后，设定不同的定时、定量值和选定含某种特别添加剂的油，再成套供给给电主轴用户。油气润滑是高速精密电主轴轴承理想的润滑方式。和传统脂润滑和油雾润滑相比，油气润滑能适应的转速高，对车间生产环境无污染，是一种实现最小量润滑的先进润滑方式。其压缩空气对轴承有冷却效果，可防止冷却液和空气中的灰尘进入轴承。这种系统还具有连锁作用和自动报警功能，当润滑系统尚未启动或供油缺乏时，电主轴会无法启动或自动停车。因此，考虑到润滑效果，及几种润滑方式的优缺点，本电主轴前轴承采用油气润滑方式，后轴承采用油脂润滑。4.1.3油气润滑的原理和优点油气润滑系统的原理是：利用具有一定压力的压缩空气和由定量分配器每隔一定时间定量输出微量的润滑油在一定长度的管道中混合，通过压缩空气在管道中的流动，带动润滑油沿管道内壁不断地流动，把油气混合物输送到安装与轴承附近处的喷嘴〔孔径〕，经喷嘴射向内圈和滚动体的接触点，实现润滑和冷却，到达“最正确供油量”和压缩空气进行冷却的效果。其油气润滑系统原理图如图4-2所示。4.2油气润滑原理图油气润滑克服了油雾润滑及脂润滑的缺点，具有以下几个优点：⑴可以根据实际需要选择润滑点数和各润滑点所需要的油量，并节约润滑剂。因为油雾可以任意扩散，几乎不可能对单个轴承定量供油，而油脂润滑的一次加脂根本谈不上定量供给。油气润滑的油那么以微滴形式进入轴承，所以润滑点数可以在油路设计时任意控制，各润滑点的油量可以通过油气装置定时、定量单独供给，这样就易于实现按需供给，防止浪费，因而油的用量仅为油雾润滑的1/10。⑵油气润滑可保持轴承承载部位额的摩擦点总有新鲜的润滑剂，而油脂润滑的油脂有一定的使用周期，在前期润滑油较多易搅动发热，而后期那么缺乏。难以形成良好的润滑条件，由于补充油脂时操作繁琐，在实际应用中大多是一次性加脂知道轴承更换为止。⑶油气润滑可使轴承温升减小，因而可使主轴轴承值更高。试验证明，在相同的转速下，同一型号、同样工况的主轴轴承使用油气润滑可以比油雾润滑外围温升降低9-16°C；假设保持轴承外圈温升相同，那么油气润滑可使轴承速度因数提高25%以上。⑷油气润滑对环境无污染或少污染。由于“油+气”通过轴承之后排出的根本是压缩空气，本身不含油或油量极少，较之油雾润滑，对操作者的健康危害更少。⑸由于轴承内部不断有新鲜润滑油补充和新鲜空气流出，外来杂质很难进入，内部污染也易排出，因而可以提高轴承的使用寿命。油气润滑是新型少油润滑技术，能对每个轴承分别进行精确润滑，润滑油利用率极高，轴承发热量小，无环境污染，但所需润滑装置复杂，本钱很高，但是这些也必将为高速电主轴未来的开展开辟新的途径。4.2电主轴的冷却高速加工技术是指采用比常规切削速度高3-5倍以上的速度进行切削加工的一项先进制造技术，高速加工要求机床主传动系统不但要有较高的转速和较大的传动功率与转矩，而且要有较好的高速热稳定性。电主轴的结构特点是电动机的定子直接安装在壳体内，这对电机的散热极其不利。同时，发热引起的热变形将导致机床丧失加工精度。因此，要保证高速条件下电主轴的加工精度，关键技术之一是解决内置式主轴电动机的发热，提高电主轴的热稳定性。为了尽快给高速运行的电主轴散热，电主轴必须有冷却系统以保证机床恒温。4.2.1电主轴的冷却方法1.采用定子循环水冷却方法对电动机定子进行强制冷却。为了有效的给高速运行的电主轴散热，通常在电主轴内设计循环冷却通路，利用冷却介质带走内部的热量。为了强化冷却效果，有时需要在冷却通路中加装冷却装置，减小冷却介质的温度波动。本设计采用了外循环水冷却系统，在主轴外设有冷却水箱和冷却水循环泵，在内置电机定子的外面加一铝质的外套，外套的外壁开有槽。电主轴工作时，循环水泵连续地将冷却水压入电主轴内，在槽流动，并形成循环，将电机产生的热量带到电主轴外，到达冷却电机的目的。水循环的过程:冷却水通过主轴尾部的水嘴进入主轴壳体的水道中，然后直接进入前轴承座，待水充满前轴承座的水腔后，从轴承座的上出口重新进入主轴壳体，再进入高速电机外壳的螺旋槽中，最终通过出水口流回循环箱中。通过这种冷却方式，在主轴运转过程中，由支承轴承、电机产生的热量被源源不断的带走，使主轴系统在到达热平衡状态的温度降低，从而减少主轴的热变形，有利于提高机床的精度稳定性。2.利用上述的油-气润滑方式降低轴承发热。从而可以有效地降低电主轴的发热。4.3电主轴的防尘和密封密封技术对于机电产品防止“三漏”即：漏电、漏水、漏气，保证平安运行，提高性能和效率，节约能源，保护环境具有重大意义。电主轴是精密部件，在高速运转情况下，任何微尘进入主轴轴承，均可能引起主轴振动，甚至使主轴轴承咬死。由于电主轴电动机为内置式，过分潮湿会使电动机绕组绝缘变差，甚至失效，以致烧坏电动机。因此，电主轴必须防尘防潮。由于电主轴定子采用强制循环冷却剂冷却，主轴轴承采用可能采用油-气润滑，因此，防止冷却及润滑介质进入电动机内部也非常重要。另外，还要防止高速切削时的切削液进入主轴轴承，因此，必须做好电主轴的密封工作。本次毕业设计主要采用了以下密封措施：在循环水槽端部采用密封圈密封；由于工艺上的问题，在管道的端部采用紧定螺钉进行密封；在主轴前端部采用密封圈5.电主轴的驱动和控制当前,电主轴的电动机均采用交流异步感应电动机,有两种驱动和调速控制方式，即恒转矩和恒功率方式。电主轴驱动和控制采用西门子公司最新的MM440系列矢量控制变频器，其主要指标为：单相220V输入，三相220V输出，最高输出650Hz,功率2.2kw，支持线性、多点U/f控制和矢量控制。5.1恒转矩变频驱动和参数设置恒转矩型电主轴在调速范围内转矩恒定，输出功率和转速成正比。可用于磨削、小孔钻削、雕刻铣和普通高速铣床。IBAG公司的HFK90S型普通变频器为标量驱动和控制,其驱动控制特性为恒转矩驱动,输出功率和转速成正比。其转矩和功率与转速的关系见图1和图2。这类驱动器在低速时输出功率不够稳定,不能满足低速大转矩的要求,也不具备主轴定向停止和C轴功能,但价格廉价。一般应用于主要在高速端工作的电主轴,如磨削、小孔钻削、雕刻铣和普通高速铣床的电主轴。近来出现了采用电压/频率≠常数控制策略的新型变频器。使得电动机在计算转速以上可以实现恒功率驱动;在计算转速以下,随着转速的升高,转矩由零迅速到达恒转矩驱动,如图3所示,改善了驱动的品质。5.2恒功率变频驱动和参数设置对于加工中心使用电主轴，往往要求低速段为恒转矩驱动，而在中高速段为恒功率驱动，图4和图5分别为其转矩－转速〔即T-n〕图和功率－转速〔即P-n〕图。为获得要求的驱动性能，在设定变频器时，要保证在低频段〔f<＝fc〕U/f＝常数，满足恒转矩调速要求；中高频段〔f>fc〕电压U＝常数〔U/f≠常数〕，满足恒功率调速要求；其中fc为电主轴给定的额定计算频率，如图6所示。当输出电压U保持恒定时，随着输出频率f增大，转速n增大，电机气隙磁通降低〔φ∝1/f〕，进入弱磁调速，转矩T降低，但输出功率P＝T·n可近似保持恒定。MM440变频器参数设定与恒转矩驱动根本相同，只需将额定频率设置在计算频率fc＝134处。主要参数设定如下：P0003=3专家访问级；P0205=0恒转矩应用；P0304=220电机额定电压V；P0305=4电机额定电流A；P0307=1电机额定功率kW；P0310=134电机额定频率〔fc〕Hz；P0311=12000电机额定转速r/min；P1082=400电机最大频率Hz；P1300＝0线性U/f控制，曲线①；由于所选变频器的最大输出电压为220V，当f>fc时变频器会自动维持该电压进行恒功率调速，如图6曲线②所示。对于380V输出的变频器，需要使用多点U/f功能进行曲线定义，使f>fc时的电压保持在220V：P1300=3多点U/f控制；P1320=400曲线②端点频率坐标Hz；P1321=220曲线②端点电压坐标V；为改善低速转矩性能，也可采用转矩提升的方法〔P1310〕提高恒转矩曲线①的电压。5.3矢量控制驱动器的驱动和控制矢量控制，也称磁场定向控制，是通过矢量坐电路控制交流电动机定子电流的大小和相位，以到对电动机的负载电流和励磁电流分别进行控制，而使交流电机具有与直流电动机相类似的控制性。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同时交流电机具有可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。其驱动控制的特性为:在低速端为恒转矩驱动,在中、高速端为恒功率驱动,其转矩和功率与转速的关系见图4和图5。MA818变频器提供了多种矢量控制方式，包括带传感器矢量控制〔VC〕和无传感器矢量控制〔SLVC〕，前者可通过主轴上旋转编码器等检测传感器形成速度和位置闭环控制，使主轴具有定向停止和C轴功能；后者也可得到高性能的转矩特性和良好的动态特性，保持很高的速度精度，并且在0Hz时仍然保持较高的输出转矩。因此，矢量控制比U/f控制具有无可比较的优点。有的矢量控制驱动器在高速端或最高速端的功率和转矩均略有下降的特性,见图6和图7。从上述矢量控制的转矩与转速关