【正文】 21 4 電主軸的關(guān)鍵技術(shù)研究……………………………………………………… … 21 電主軸的熱穩(wěn)定性分析 ……………………………………………… …… 22 電主軸的基本參數(shù)與結(jié)構(gòu)布局 …………… ………………………… …… 23 電主軸的主要參數(shù) ……………………………………………… … 23 電主軸的結(jié)構(gòu)布局 ……………………………………………… … 23 電主軸的主要熱源及其解決辦法 ……………………………………… … 24 電主軸的熱源分析及其冷卻 …………………………………………… … 26 5 電主軸的設(shè)計 …………………………………………………………………… 27 高速電主軸軸端的設(shè)計 ………………………………………………… … 27 高速電主軸支撐方式的設(shè)計 ……………………………… …………… … 27 電主軸的動平衡設(shè)計 …………………………………………………… … 28 6 電主軸常見的故障……………………………………………………………… 29 電主軸常見故障類型 …………………………………………………… … 29 電主軸高速旋轉(zhuǎn)發(fā)熱的故障維修 ……………………………………… … 29 故障現(xiàn)象 …………………………………………………………… 29 故障分析及處理過程 ……………………………………………… 30 電主軸常見的主軸故障 ……………………………………………… … … 30 引起主軸故障的原因 ……………………………………………… 30 檢查或排除主軸故障的方法 ……………………………………… 31 結(jié)束語 ???????????????????????????? … 32 謝詞 …………………………………………………………………………… … 33 參考文獻 ……………………………………………………………………… … 34 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 8 1 概述 高速加工技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，它不僅可獲得更大的生產(chǎn)率，而且還可獲得很高的加工質(zhì)量，并可降低生產(chǎn)成本，因而被認為是 21 世紀最有發(fā)展 前途的先進制造技術(shù)之一。在先進工業(yè)國家，此項技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天及模具行業(yè)。在近五年中，我國的該項技術(shù)也取得了長足的進步。 電主軸是最近幾年在數(shù)控機床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術(shù)電主軸是最近幾年在數(shù)控機床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術(shù)，它與直線電機技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將會把高速加工推向一個新時代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置 。 以往電主軸主要用于軸承行業(yè)的高 速內(nèi)圓磨削，隨著數(shù)控技術(shù)和變頻技術(shù)的發(fā)展，電主軸在數(shù)控機床中的應(yīng)用越來越廣泛。目前我國各類電主軸年需求量約6000 根，其中數(shù)控機床用電主軸僅有約 1000 根，而且大部分（約 60%）為進口電主軸；磨削用電主軸大約 4000 根，約占電主軸總需求量的 2/3；其余為高速離心機、高速試驗機等特殊用途電主軸。 然而，數(shù)控機床的高速發(fā)展，正在改變著以磨用軸為主的電主軸市場。根據(jù)機床行業(yè)“十 ?五”發(fā)展規(guī)劃，到 2020 年我國數(shù)控機床產(chǎn)量將從 2020 年的 萬臺增加到 萬臺（目前預(yù)測會超過 5 萬臺），數(shù)控機床使用電主軸的比 例也將由 %增加到 40%左右。預(yù)計到 2020 年，數(shù)控機床用電主軸將激增到 20200根，約占電主軸總需求量的 2/3，替代磨用電主軸的市場地位，成為電主軸市場的主力軍。與此同時，數(shù)控機床主軸所需的高精密軸承的需求量也將急劇增加。按每根數(shù)控機床主軸平均使用 4~5 套軸承計算，考慮到部分雙主軸或多主軸機床，按平均每臺機床配備 根主軸計算，到 2020 年數(shù)控機床用高精密主軸軸承的需求量將增加到 24 萬套，加上維修用軸承，總需求量將達到 48 萬套。 二零零三年十二月國家發(fā)展改革委員會委托中國機床工具工業(yè)協(xié)會組織召開 了“數(shù)控機床關(guān)鍵功能部件產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展座談會”。會上，國家發(fā)展改革委員會工業(yè)司程竹處長宣讀了發(fā)改委領(lǐng)導(dǎo)張國寶、王春正同志關(guān)于發(fā)展數(shù)控機床及其功能部件的批示。并表明了全力支持數(shù)控機床功能部件創(chuàng)新開發(fā)的態(tài)度。機床工具工業(yè)協(xié)會根據(jù)國內(nèi)數(shù)控機床之需求，對到會的各功能部件生產(chǎn)主導(dǎo)單位提出強化發(fā)展要求：電主軸要求到 2020 年用于數(shù)控機床的電主軸單元總產(chǎn)量達到 3000西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 9 臺套，到 2020 年達到 10000 臺套。此任務(wù)十分艱巨，據(jù)到會的各主軸開發(fā)單位估計，按目前生產(chǎn)能力發(fā)展速度，到 2020 年我國最多只能開發(fā)出 2020 臺套電主軸單元 。如國家發(fā)政委動用國債資金強化支持，到 2020 年可能擴產(chǎn)到 6000 臺套，其余缺口尚需通過進口來解決。因此，數(shù)控機床用電主軸單元的市場容量巨大，目前所需要的就是如何合理組織人力、物力、財力，開發(fā)出既多又好的功能部件 。 成功 應(yīng)用 領(lǐng)域 高剛性超精密氣靜壓電主軸，在國外工業(yè)發(fā)達國家已在眾多高速加工的領(lǐng)域取得成功的應(yīng)用。國外比較著名的生產(chǎn)氣靜壓電主軸的公司有英國的 WESTWIND公司、日本的 TOSHIBA MACHINE 公司和 TOSHIBA TUNGACOY 公司、美國的 POPE公司等。 在 高速加工機床上的應(yīng)用 最近日本東芝機械公司（ TOSHIBA ）已生產(chǎn)有主軸頭為高剛性超精密氣靜壓電主軸的高速加工機床，機床型號為 FMACH 442 和 FMACH 644兩種，主軸轉(zhuǎn)速為 6000~30000rpm 軸移動量（ XYZ ） 400400200mm 和600400400mm ，工作臺面積為 600450mm 和 1100450mm ，可用于加工精密模具等。 半導(dǎo)體硅片的切割和磨削 現(xiàn)在半導(dǎo)體硅片直徑已發(fā)展至 8” （ Φ200mm ），使用氣靜壓電主軸切割硅片，由于砂輪偏擺極 小，所以切下的硅片厚度差很小。而且也使表面不易燒傷，大大地提高成品率。切割下來的硅片需要磨平面，使用高剛性超精密氣靜壓電主軸安裝在平面磨床上加工，能獲得高質(zhì)量的表面，（因為主軸每轉(zhuǎn)恒剛度，所以磨削又脆又硬的硅片表面不易燒傷而且表面下的材料也不易破裂）。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 10 印刷電路板微小孔的鉆孔 英國 WESTWIND 公司、日本 TOSHIBA MACHINE 公司和 TOSHIBA TUNGALOY 公司均有生產(chǎn)轉(zhuǎn)速為 120200rpm 的超高速氣靜壓電主軸，英國 AIR BEARING 公司也生產(chǎn)有 125000rpm 的同類型產(chǎn) 品，用于 以下的印刷電路板和難加工材料微小孔的鉆孔，最小鉆孔直徑為 。 汽車零件內(nèi)孔磨削 滾珠軸承外環(huán)內(nèi)滾道磨削 滾珠軸承外環(huán)內(nèi)滾道的偏擺公差要求很高，在磨削過程中要求砂輪不產(chǎn)生軸向偏擺，氣靜壓電主軸由于結(jié)構(gòu)獨特優(yōu)勢（如前所述），能順利地達到加工要求，得到了成功的應(yīng)用。 陶瓷零件和光學(xué)玻璃等脆硬零件的加工 內(nèi)燃機噴油嘴內(nèi)孔磨削 用作精密雕銑的雕刻機主軸頭 ，彈簧夾頭的內(nèi)孔及模具導(dǎo)套的內(nèi)孔 等 由 以 上可以看到，氣靜壓電主軸在國外已經(jīng)在眾多生產(chǎn)大行業(yè)中成功應(yīng)用。如半導(dǎo)體、軸承、模具、噴油咀、汽車、印刷電路板、雕刻機、陶瓷零件加工、光學(xué)玻璃加工等大行業(yè)中。我國在應(yīng)用方面存在很大差距，潛在的市場很大。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 11 高速軸承技術(shù) 電主軸通常采用復(fù)合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限 。 高速電機技術(shù) 電主軸是電動機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一 臺高速電動機。關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動平衡 。 潤滑 技術(shù) 電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑；也可以采用脂潤滑，但相應(yīng)的速度要打折扣。所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個叫定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時會因油的阻力而發(fā)熱。 冷卻裝置 為了盡快給高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的 溫度。 內(nèi)置脈沖編碼器 為了實現(xiàn)自動換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實現(xiàn)準確的相角控制以及與進給的配合。 自動換刀裝置 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 12 為了應(yīng) 用于加工中心，電主軸配備了自動換刀裝置，包括碟形簧、拉刀油缸等 。 高速刀具的裝卡方式 廣為熟悉的 BT、 ISO 刀具，已被實踐證明不適合于高速加工。這種情況下出現(xiàn)了 HSK、 SKI 等高速刀具。 高頻變頻裝置 要實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用一高頻變頻裝置來驅(qū)動電主軸的內(nèi)置高速電動機，變頻器的輸出頻率必須達到 上千或幾千赫茲。 下圖 11 為電主軸的內(nèi)部示意圖 圖 11 電主軸的內(nèi)部示意圖 電主軸研究的意義 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 13 如何提高電主軸國產(chǎn)化水平 ， 專家指出，要加快電主軸國產(chǎn)化步伐，必須重視以下幾個方面的工作： （ 1） 加強電主軸關(guān)鍵技術(shù)研究，提高自主創(chuàng)新能力。如加強高速、高剛度軸承研究、軸承潤滑冷卻方式研究、新一代驅(qū)動技術(shù)的研究、新材料新結(jié)構(gòu)的電機技術(shù)研究。 （ 2） 加快電主軸的標準化工作。過 去國產(chǎn)電主軸沒有統(tǒng)一的標準，各廠家自行確定電主軸外形尺寸，造成無法互換和用戶難以選型。目前洛陽軸研科技公司承擔(dān)制訂的國內(nèi)第一個數(shù)控機床電主軸行業(yè)標準已進入報批階段。 （ 3） 政府要加大對電主軸等功能部件的扶持力度。如加大科技投入，加大技改資金支持，加大鼓勵電主軸國產(chǎn)化的政策支持，享受數(shù)控機床主機的稅收優(yōu)惠等。 （ 4） 企業(yè)要提高電主軸生產(chǎn)的裝備水平，確保產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。 （ 5） 加強宣傳與溝通，提高用戶的信任感。一些用戶、主機廠由于對國產(chǎn)電主軸質(zhì)量和可靠性不信任，指名選配國外產(chǎn)品，使國產(chǎn)電主軸難以 批量生產(chǎn)，制約了電主軸產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。 （ 6） 鼓勵支持以專業(yè)廠家生產(chǎn)的高質(zhì)量的電主軸取代各機床廠家自己生產(chǎn)的傳統(tǒng)主軸。功能部件的發(fā)展和其專業(yè)化生產(chǎn)不僅有利于縮短新產(chǎn)品開發(fā)和制造周期 ，其 功能部件已占據(jù)數(shù)控機床成本相當大的比例，它的產(chǎn)業(yè)化也有助增強數(shù)控機床的價格競爭優(yōu)勢。作為關(guān)鍵部件的主軸單元應(yīng)進行系列化、工程化設(shè)計與制造，不斷提高主軸的轉(zhuǎn)速等性能指標，使主軸單元成為一個有自主知識產(chǎn)權(quán)，可供用戶使用選擇，能批量生產(chǎn)、穩(wěn)定供貨的優(yōu)質(zhì)部件。 電主軸研究的目的 電主軸研究的目的只要是 提高加工效率、降低加工 成本、改善加工質(zhì)量，是加工行業(yè)永恒不變的追求！提高主軸的轉(zhuǎn)速則是提高加工效率最直接的方法。然而，提高主軸轉(zhuǎn)速則會使主軸的升溫明顯，進而影響到主軸和整個機床的壽命。而且提高主軸轉(zhuǎn)速又會降低主軸的精度，從而影響加工質(zhì)量！因此，目前我國很多加工設(shè)備的轉(zhuǎn)速還只有 8000rpm 以下 。 電主軸 的問世很好地解決了上述矛盾。電主軸能夠在很好地控制主軸電機溫度的前提下提升轉(zhuǎn)速，而且很好地保證加工精度。目前電主軸的轉(zhuǎn)速能夠達到 202000rpm，甚至更高，功率可以達到 70kw。在進口的加工設(shè)備以及我國一些高檔機床上都運用了電主軸 。特別是在一些轉(zhuǎn)速西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 14 比較高的加工中心、雕刻機、數(shù)控銑床等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛?？梢哉f，電主軸是未來加工行業(yè)發(fā)展的必然趨勢！ 2 電主軸的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成 氣靜壓電主軸是采用空氣靜壓軸承作主軸的支承，采用變頻電機驅(qū)動主軸，變頻電機的轉(zhuǎn)子安裝在主軸上（因此稱作電主軸），電機的定子安裝在殼體內(nèi)?？諝廨S承采用 “ 全支承 ” 結(jié)構(gòu)與國內(nèi)傳統(tǒng)的設(shè)計相比，能成倍地提高軸系的承載和剛度。 電主軸單元典型的結(jié)構(gòu)布局方式是電機置于主軸前、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)控機床；其不足是在封閉的主軸箱體內(nèi)電機的自然散熱條件差，溫升比較高。 主軸的變速由主軸驅(qū)動模塊控制，而主軸