【正文】 本課題即是基于以上分析所設(shè)立的。國(guó)內(nèi)電主軸的研究始于20世紀(jì)60年代,主要用于零件內(nèi)表面磨削,這種電主軸的功率低,剛度小。并且它采用無(wú)內(nèi)圈式向心推力球軸承,限制了高速電主軸的生產(chǎn)社會(huì)化和商品化。20世紀(jì)70年代后期至80年代,隨著高速主軸軸承的開(kāi)發(fā),研制了高剛度、高速電主軸,它被廣泛應(yīng)用于各種內(nèi)圓磨床和各個(gè)機(jī)械制造領(lǐng)域。在20世紀(jì)80年代末以后,由磨用電主軸轉(zhuǎn)向銑用電主軸,它不僅能加工各種形體復(fù)雜的模具,而且開(kāi)發(fā)了用于木工機(jī)械用的風(fēng)冷式高速銑用電主軸,推動(dòng)了高速電主軸在銑削中的應(yīng)用。此外,食品工業(yè)的固體飲料；染化工業(yè)的染料；醫(yī)藥工業(yè)的藥品等粉狀和粒狀物質(zhì)均需用高速離心干燥技術(shù)來(lái)生產(chǎn),而高速離心干燥設(shè)備也需要高速電主軸技術(shù)。高速拉伸電主軸的應(yīng)用也促進(jìn)了我國(guó)有色管材精密冷成型技術(shù)的發(fā)展。高精度硅片切割機(jī)用電主軸,促進(jìn)了電子工業(yè)設(shè)備的更新和進(jìn)步。利用高速電主軸的優(yōu)良性能,還可以開(kāi)發(fā)多種高性能試驗(yàn)機(jī)。目前國(guó)內(nèi)研究高速電主軸的科研機(jī)構(gòu)有我國(guó)河南省洛陽(yáng)軸承研究所,他們能自行研究開(kāi)發(fā)電主軸,其dmn值達(dá)到了很高的水平；廣州鉅聯(lián)高速電主軸有限公司研發(fā)的大功率靜壓軸承電主軸曾獲得日內(nèi)瓦國(guó)際專(zhuān)利技術(shù)博覽會(huì)金獎(jiǎng)；廣東工業(yè)大學(xué)高速加工和機(jī)床研究所也開(kāi)發(fā)了數(shù)控銑床高速電主軸。其主要技術(shù)指標(biāo)為:,最高轉(zhuǎn)速為18000r/min,在額定轉(zhuǎn)速500r/min時(shí)產(chǎn)生最大輸出轉(zhuǎn)矩為85Nm。在我國(guó)的安陽(yáng)市,有一家中外合資的電主軸生產(chǎn)廠家——安陽(yáng)萊必泰機(jī)械有限公司,它擁有先進(jìn)的電主軸、機(jī)床主軸設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。該公司研制生產(chǎn)的加工中心電主軸,采用先進(jìn)技術(shù),配有矢量閉環(huán)控制系統(tǒng),能對(duì)主軸實(shí)行恒功率調(diào)速,準(zhǔn)停制動(dòng)?！?5kW,恒功率段1500～12000r/min。采用進(jìn)口高速精密軸承,旋轉(zhuǎn)件經(jīng)高精度平衡。該系列產(chǎn)品具有高精度、高剛度、高速度、低噪聲、低振動(dòng)、低溫升等優(yōu)點(diǎn),系99國(guó)家火炬計(jì)劃項(xiàng)目。國(guó)外高速電主軸技術(shù)由于研究較早,技術(shù)水平也處于領(lǐng)先地位,電主軸已越來(lái)越多地應(yīng)用到工業(yè)制造業(yè)中。著名的有瑞士的Fisher公司、Ibag公司、德國(guó)的GMN公司、Hofer公司、Siemens公司、意大利Faemat公司、Gamfior公司及美國(guó)Ingersoll公司、日本Okuma公司和Fanuc公司等,它們的技術(shù)水平代表了這個(gè)領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平。這些公司生產(chǎn)的電主軸較之國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的有以下幾個(gè)特點(diǎn):（1）功率大、轉(zhuǎn)速高。（2）采用高速、高剛度軸承。國(guó)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。 （3）精密加工與精密裝配工藝水平高。 （4）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(guó)廠家如美國(guó)、日本、德國(guó)、意大利和瑞士等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已生產(chǎn)了多種商品化高速機(jī)床。如瑞士米克朗公司,就是世界上著名的精密機(jī)床制造商。它生產(chǎn)的機(jī)床配備最高達(dá)60000r/min的高速電主軸,可以滿足不同的切削要求,所有的電主軸均裝有恒溫冷卻水套對(duì)主軸電機(jī)和軸承進(jìn)行冷卻,并通過(guò)高壓油霧對(duì)復(fù)合陶瓷軸承進(jìn)行潤(rùn)滑。所有的電主軸均采用矢量控制技術(shù),可以在低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出大扭矩。電主軸就是直接將空心的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝在主軸上，定子冷卻套固定在主軸箱體孔內(nèi)，形成完整的主軸單元。通電后直接帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。省去了帶輪或齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的零傳動(dòng)，提高了效率。具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn),并改善了機(jī)床的動(dòng)平衡,避免振動(dòng)和噪聲,在超高速機(jī)床中得到了廣泛的應(yīng)用。如圖11所示：圖11 主軸工作原理主軸軸承常見(jiàn)的潤(rùn)滑方式有脂潤(rùn)滑、噴射潤(rùn)滑、環(huán)下潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑及油氣潤(rùn)滑等。脂潤(rùn)滑不需任何附加設(shè)備，但只用于低速場(chǎng)合。噴射潤(rùn)滑是直接用高壓潤(rùn)滑油對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，功率消耗大，成本高。環(huán)下潤(rùn)滑是一種改進(jìn)的潤(rùn)滑方式，分為環(huán)下油潤(rùn)滑和環(huán)下油氣潤(rùn)滑。油或油氣從軸承內(nèi)圈噴入軸承內(nèi)，在離心力的作用下，潤(rùn)滑油更易于到達(dá)軸承潤(rùn)滑區(qū)，因而比普通的噴射潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑效果好，可進(jìn)一步提高軸承的轉(zhuǎn)速。而對(duì)于角接觸陶瓷球軸承轉(zhuǎn)速比較高，如果采用普通油氣潤(rùn)滑，將造成潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軸承不易標(biāo)準(zhǔn)化，裝配困難?？紤]到經(jīng)濟(jì)性市場(chǎng)上的電主軸多為油霧潤(rùn)滑方式。油霧潤(rùn)滑方式的優(yōu)點(diǎn)可以概括為：（1）油霧能隨壓縮空氣彌散到所有需要潤(rùn)滑的磨擦部位。可以獲得良好而均勻的潤(rùn)滑效果；（2）壓縮空氣比熱小、流速高，很容易帶走磨擦所產(chǎn)生的熱量。（3）大幅度降低了潤(rùn)滑油的耗量。（4）較稀油循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧，占地面積小，動(dòng)力消耗低，維護(hù)管理方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，成本低；（5）由于油霧具有一定的壓力，因此可以起良好的密封作用，避免了外界的雜質(zhì)、水分等侵入磨擦副。 追求優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能是研發(fā)高速電主軸最根本的目標(biāo)，動(dòng)態(tài)性能的好壞是衡量電主軸質(zhì)量的最重要指標(biāo)。其動(dòng)態(tài)性能的好壞，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(1) 剛度和精度電主軸的剛度包括徑向剛度與軸向剛度，是以軸端的測(cè)量值來(lái)表示的。影響電主軸剛度因素主要有軸的材料與結(jié)構(gòu)、軸承及軸承座剛度及前后支承軸承的配置方式等。剛度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中F：載荷；δ：變形。在材料力學(xué)中，可近似地認(rèn)為懸臂梁自由端的撓度與載荷成線性關(guān)系，但在電主軸中，這樣近似將帶來(lái)較大誤差。電主軸長(zhǎng)度相對(duì)較短，長(zhǎng)徑比較小，軸端懸伸長(zhǎng)度也較短，因此，軸本身的剛度與支承部位的總剛度（包括軸承及軸承座的剛度）處于同一量級(jí)，軸承的剛度變化將直接影響電主軸的剛度。而軸承的剛度是隨軸承預(yù)緊力及轉(zhuǎn)速的變化而變化的。預(yù)緊力增大時(shí)，軸承的軸向及徑向剛度均增大；而轉(zhuǎn)速升高時(shí)，傳統(tǒng)上都認(rèn)為軸承剛度降低，即所謂的剛度軟化。(2) 臨界轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速是電主軸的一個(gè)重要參數(shù)，它是指電主軸的轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。由于轉(zhuǎn)軸是連續(xù)質(zhì)量分布系統(tǒng)，因此在理論上有無(wú)限多個(gè)臨界轉(zhuǎn)速。電主軸工作時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制最高轉(zhuǎn)速在其第一階臨界轉(zhuǎn)速之下，一般不超過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速的70%。因此臨界轉(zhuǎn)速?zèng)Q定著電主軸的最高工作轉(zhuǎn)速，影響著電主軸的振動(dòng)水平，臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算與研究是電主軸設(shè)計(jì)的必要環(huán)節(jié)。影響電主軸臨界轉(zhuǎn)速的因素主要有：轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)、軸承布置方式、軸承剛度、刀具（或砂輪）參數(shù)等。電主軸生產(chǎn)廠家向用戶提供的技術(shù)資料中都對(duì)安裝在電主軸上的刀具重量、長(zhǎng)度、直徑及刀具的不平衡量有明確的限制。因?yàn)檫@些參數(shù)均會(huì)影響主軸的臨界轉(zhuǎn)速。 (3) 動(dòng)平衡 由于電主軸的轉(zhuǎn)速很高，因此即使微小的動(dòng)不平衡量，也會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，引發(fā)振動(dòng)。對(duì)高速電主軸的動(dòng)平衡要求是很高的。不但要求各零部件各自進(jìn)行動(dòng)平衡，而且裝配后還要進(jìn)行整體動(dòng)平衡，在裝夾或更換刀具后，對(duì)刀具也要進(jìn)行動(dòng)平衡。有的國(guó)外產(chǎn)品在刀具裝夾端設(shè)有在線自動(dòng)平衡裝置，每更換一次刀具，該裝置可自動(dòng)測(cè)出動(dòng)不平衡量，并自動(dòng)使該裝置上的兩個(gè)圓盤(pán)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，從而達(dá)到動(dòng)平衡。對(duì)于電主軸的動(dòng)平衡要求， 級(jí)，即在最高轉(zhuǎn)速時(shí)，由殘余動(dòng)不平衡量引起的振動(dòng)速度最大允許值為 。(1) 繼續(xù)向高速重載方向發(fā)展。德國(guó) GMN 公司提供的產(chǎn)品樣本上，電主軸的最高轉(zhuǎn)速為180000r/min ,國(guó)內(nèi)洛陽(yáng)軸承所也有轉(zhuǎn)速為 150000r/min 的電主軸產(chǎn)品供應(yīng)。在載荷方面，目前額定轉(zhuǎn)矩最大的電主軸是瑞士STRPTEC公司的產(chǎn)品，額定轉(zhuǎn)矩達(dá)350Nm。 (2) 自動(dòng)化程度將進(jìn)一步提高。電主軸屬高科技產(chǎn)品，其自動(dòng)化程度越來(lái)越高。最新的電主軸產(chǎn)品有的裝備了在線自動(dòng)平衡裝置，刀具更換后或加工過(guò)程中，由不平衡量引起的振動(dòng)超過(guò)規(guī)定值時(shí)，會(huì)對(duì)不平衡量進(jìn)行 在線自動(dòng)平衡。刀具的夾緊與松開(kāi)也配備了自動(dòng)控制的氣壓或液壓裝置。 (3) 提高動(dòng)態(tài)性能及加工精度的新技術(shù)動(dòng)態(tài)性能好及加工精度高是對(duì)電主軸最根本的要求，也是電主軸生產(chǎn)商追求的根本目標(biāo)。由于熱膨脹和轉(zhuǎn)速的影響，電主軸在高速時(shí)會(huì)產(chǎn)生百分之幾的軸向位移，即降低了加工精度。GMN公司及 FISCHER 公司均可提供主軸伸長(zhǎng)的自動(dòng)補(bǔ)償裝置。通過(guò)直接或間接測(cè)得軸端的伸長(zhǎng)量，相應(yīng)控制機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)在主軸軸向進(jìn)行補(bǔ)償。為解決主軸軸向伸長(zhǎng)導(dǎo)致軸承負(fù)載增加的問(wèn)題，一些新款電主軸的軸向預(yù)緊力是由自動(dòng)控制的液壓阻尼系統(tǒng)來(lái)施加的。根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速，預(yù)緊力會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)，阻尼作用可用來(lái)降低軸承的振動(dòng)水平。第2章 主軸的設(shè)計(jì)表2－1 主軸設(shè)計(jì)原始參數(shù)電流相數(shù)旋向功率頻率電壓轉(zhuǎn)速12A3從軸伸端看順時(shí)針600HZ35036000RPM由于電主軸是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的部件所以設(shè)計(jì)要滿足如下要求：(1)使砂輪軸裝配后周前端徑向跳動(dòng)；(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，初步具備精度設(shè)計(jì)的能力。其次砂輪軸系必須滿足機(jī)床的性能要求，適應(yīng)工作條件，性能可靠，此外還應(yīng)適應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，成本低，效率高和操作維護(hù)方便以及具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，它決定著軸的基本形式。所謂的裝配方案，就是軸上主要零件的裝配方向，順序和相互關(guān)系。電主軸軸上主要零件是轉(zhuǎn)子平衡塊以及軸承?？紤]它們之間安裝順序根據(jù)實(shí)際的情況可以是兩端軸承固定支承，軸上從左向右依次裝上平衡塊，定子，平衡塊。兩端分別用軸承蓋加以定位，軸上的軸承采用過(guò)盈連接防止徑向轉(zhuǎn)動(dòng)，軸向用軸肩加以固定，定子用過(guò)盈連接固定。具體過(guò)盈量一方面可以查閱相關(guān)的手冊(cè)，另一方面可以參考相關(guān)的設(shè)計(jì)。主軸主要參數(shù)有：主軸前后支撐直徑D1和D2，主軸前段伸長(zhǎng)量a和軸支撐跨度L，這些參數(shù)直接影響著主軸的旋轉(zhuǎn)精度和剛度。 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算這種方法是只按軸所受的扭矩來(lái)計(jì)算軸的強(qiáng)度；如果還受有不大的彎矩時(shí)，則用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法予以考