【正文】 圖 41 熱傳導(dǎo)有限元分析結(jié)構(gòu) 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 23 電主軸的主要參數(shù) (1)主軸最高轉(zhuǎn)速和恒功率轉(zhuǎn)速范圍 。電主軸通常裝備在高速加工中心上，在設(shè)計電主軸時要根據(jù)用戶的工藝要求，采用典型零件統(tǒng)計分析的方法來確定這些參數(shù)。 電主軸的結(jié)構(gòu)布局 根據(jù)主電動機和主軸軸承相對位置的不同，高速電主軸有兩種布局方式： （ 1） 圖 42 所示是 GD2 型高速電主軸，也是一般電主軸的基本結(jié)構(gòu)形式。但整個主軸單元的軸向尺寸較大，常用于小型高速數(shù)控機床，尤其適合于模具型腔的高速精密加工。 與一般的主軸部件不同，電主軸最突出的問題之一是內(nèi)藏式高速主電動機的發(fā)熱。冷卻油的流量可按主電動機的發(fā)熱量進(jìn)行計算。除個別超高速電主軸采用磁懸浮軸承或液體動 靜壓軸承以外，目前國內(nèi)外絕大多數(shù)高速電主軸都采用角接觸陶瓷球軸承，其滾球用Si3N4材料制成，直徑比同規(guī)格球軸承小 1/3。為了進(jìn)一步降低主軸軸承的溫升， GD2 電主軸上采用了油 氣潤滑系統(tǒng)，如圖 45 所示。如果不加以控制，由此引起的熱變形會嚴(yán)重降低機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。所以，對電機產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對電機定子采用冷卻液的循環(huán)流動來實行強制冷卻。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 27 （ 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。因此，主軸軸端的合理設(shè)計已不容忽視。主軸的膨脹還會引起刀柄及夾緊機構(gòu)質(zhì)心的偏離，從而影響主軸的動平衡。設(shè)計一種端面定位并使定位面 具有很大的摩擦以防止主軸膨脹的刀軸連接結(jié)構(gòu)，便可解決上述問題。通常認(rèn)為，當(dāng) Dmn 值大于 250 萬時，由于受到潤滑介質(zhì)和軸承極限轉(zhuǎn)速的限制，球軸承支承方式對于主軸來說基本達(dá)到極限，選擇非接觸式支承方式比較經(jīng)濟有效。所以目前選擇使用球和輥子軸承的支承方式在 電主軸中比較常見。在設(shè)計電主軸時，必須嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)對稱性原則，鍵連接和螺紋聯(lián)接在電主軸上被禁止使用。如圖 51 安裝硅鋼片的轉(zhuǎn)子內(nèi)套 1 用鉻錳彈簧鋼制造，且其壁厚較小，故有較好的彈性。 為了使轉(zhuǎn)子在裝配后達(dá)到精確的動平衡，除了上述對稱性設(shè)計以外，還必須采取下列兩個工藝措施：一是轉(zhuǎn)子硅鋼片 3 的外徑 D 在裝配前應(yīng)留有一定的加工余量，當(dāng)轉(zhuǎn)子用熱壓法 (轉(zhuǎn)子一般加溫到 180～ 200℃ )裝入主軸以后，以主軸前、后軸頸為定位支承，把主軸裝夾在車床上，對轉(zhuǎn)子的硅鋼片外圓 D 進(jìn)行最后的精車。常見故障包括以下六個方面：電主軸升溫過 高；電主軸剛性差；軸振動大；主軸精度差；主軸啟動困難；主軸掉速。由于主電 動機 旁邊就是主軸 軸承 ，如果主電 動機的散熱問題解決不好，還會影響機床工作的可靠性。因為陶瓷球 軸承 具有以下特點： ① 由于滾珠重量輕，離心力小，動摩擦力矩小。合理的預(yù)緊力，良好而充分的潤滑是保證主軸正常運轉(zhuǎn)的必要條件。進(jìn)氣口截面大于前后噴油口截面的總和，排氣應(yīng)順暢，各噴油小孔的噴射角與軸線呈 15186。 （ 3）機床在操作時掉刀：夾緊單元損壞或刀抓損壞；拉刀桿損壞或蝶簧損壞。 檢查或排除主軸故障的方法 （ 1） 刀具不能正確夾緊： 清洗和檢查 HSK 面并用“ POWER CHECK”檢查傳感器的設(shè)定值； 檢查更換損壞的刀桿 ； 更換夾緊單元 。 （ 5） 主軸不能轉(zhuǎn)動 ： 檢查編碼器必要時更換 ； 檢查電源連接，必要時更換 ；檢查變頻器輸出電壓，若沒電壓，根據(jù)變頻器維護(hù)指南維修變頻器； 測量線圈的電阻差，各個電機相之間的差值不超過 。本次設(shè)計基本上達(dá)到了設(shè)計的目的，設(shè)計的各項任務(wù)都已完成。 通過這次設(shè)計我的專業(yè)知識不僅得到了更進(jìn)一步的擴展，而且收獲了許多實踐經(jīng)驗。 總之，通過這次設(shè)計我學(xué)到了許多書本中學(xué)不到的知識，這次設(shè)計對我受益非淺。而且，在設(shè)計的整個過程中，還得到許多朋友及熱心人的幫助，在次我也對他們 說聲謝謝。在以后的人生道路上，我會謹(jǐn)記各位老師教給我的東西，讓自己的人生活的精彩。所以特此申請在校外單位完成畢業(yè)設(shè)計，并及時交回，希望老師可以批準(zhǔn)我的申請，謝謝！ 學(xué)生：付文娟 校外單位的意見： （需要明確是否接收，或 有公函 /傳真） 已接受該生。整個設(shè)計的結(jié)構(gòu)合理 ，論據(jù)充分，是一篇合格的畢業(yè)論文。 即將就要走出學(xué)校，走入社會，三年的大學(xué)生活就要結(jié)束，我想謝謝我的各位老師在這三年中對我的教育和幫助。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 33 謝 辭 在這次的畢業(yè)設(shè)計中，我遇到了許多的困難，但是最后在指導(dǎo)老師的幫助下都順利的解決了。還可以培養(yǎng)我們嚴(yán)謹(jǐn)求實的工作作風(fēng)和認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，對于我們即將進(jìn)入社會是非常寶貴的 經(jīng)驗收獲。知道了電主軸的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)組成，以及電主軸的各種技術(shù)和電主軸的應(yīng)用領(lǐng)域。 （ 6） 在錠子線圈上的溫度傳感器指示錯誤 ： 打開冷卻系統(tǒng) ； 測量變頻器與主軸間的電阻必要時更換 ； 減小載荷 ； 測量傳感器電阻 。 （ 3） 機床在操作時掉刀： 更換夾緊單元及刀抓 ； 需返回廠家修理 。 （ 5）主軸不能轉(zhuǎn)動：編碼器損壞；電源連接中斷；變頻器損壞；極線圈短路。 的主軸故障 引起主軸故障的原因 （ 1）刀具不能正確夾緊：金屬屑、油脂或臟物太多，影象了刀具夾緊；刀桿尺寸誤差超差；夾緊單元磨損或損壞，蝶簧損壞，夾緊力不夠。潤滑油霧在充分潤滑 軸承 的同時，還帶走了大量的熱量。 ③ 彈性變形量小，剛度高，壽命長。 主軸 軸承 是電主軸的核心支承，也是電主軸的主要熱源之一。電主軸單元的內(nèi)部有兩個主要熱源：一是主軸 軸承 ，另一個是內(nèi)藏式主電 動機 。當(dāng)電主軸組裝完畢西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 29 后，根據(jù)動平衡機的測試結(jié)果，在一定的方位上，旋入相應(yīng)的平衡螺絲 并調(diào)節(jié)其旋入深度，直到完全達(dá)到動平衡精度后，用環(huán)氧樹脂將這些平衡螺絲固化 。為了保持主軸結(jié)構(gòu)的對稱性，轉(zhuǎn)子內(nèi)套上也對稱地加工了另一個小孔 b。主軸上軸向固定零件用的螺紋套也用與主軸有過盈配合的圓盤來代替。因此必須對電主軸進(jìn)行嚴(yán)格的動平衡。通常又細(xì)分為 3 種類型： ， Dmn 值小于 100 萬， ， Dmn 值小于 150 萬， Dmn 值小于 250 萬。一類是非接觸式支承，包括磁懸浮軸承，氣靜壓軸承，液動壓軸承等都屬于這一類。m，而且還需預(yù)加過盈來消除錐配合的公差帶。但是，高速主軸的前端由于離心力的作用會使主軸膨脹 (如圖 3)，如 30 號錐度主軸前端在30000r/min 時，膨脹量為 4～ 5181。 5 電主軸的設(shè)計 隨著機床向高速、高精度、大功率方向發(fā)展，機床的結(jié)構(gòu)剛性越來越好，而主軸與刀具的結(jié)合面多年來仍沿用標(biāo)準(zhǔn)化的 7/24 錐度配合。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。電機在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程中，內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗，從而使電機發(fā)熱。n 值的增大，降溫效果更好。n 值高達(dá) 210 6)、溫升小、剛度大、壽命長等一系列優(yōu)良特性。由于電主軸的運轉(zhuǎn)速度高， dm圖 44 所示為西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 25 高速電主軸的外循環(huán)油 % 水冷卻系統(tǒng)。 圖 43 主電動機位于后軸承之后的電主軸 用于銑鏜類高速加工中心的電主軸運轉(zhuǎn)中的發(fā)熱問題始終是人們關(guān)注的焦點。 3.冷卻水套 9.角接觸陶瓷球軸承 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 24 圖 42 GD2型電主軸 （ 2） 主電動機置于主軸后軸承之后，如圖 43 所示，即主軸箱和主電動機作軸向的同軸布置 (有的用聯(lián)軸節(jié) )。前者主要用于航空、航天等工業(yè)加工輕合金、復(fù)合材料和鑄鐵等零件：后者主要用于模具制造、汽車工業(yè)中高強度鋼或耐熱合金等難加工材料和鋼件的高效加工。 (3)主軸前軸頸直徑和前后軸承的跨距等。 圖 41 是對某電主軸在額定功率 38kW、額定轉(zhuǎn)速 800r/min 下達(dá)到熱平衡 時熱傳導(dǎo)有限元分析的結(jié)果。 從以上分析可以看出，為改善電主軸的熱特性，電機冷卻必不可省。電機的發(fā)熱主要有定子繞組的銅耗發(fā)熱及轉(zhuǎn)子的鐵損發(fā)熱，其中定子繞組的發(fā)熱占電機總發(fā)熱量的三分之二以上。增重法是近年來某些主軸電機制造商為適應(yīng)高速主軸發(fā)展的需要，在開發(fā)出商品化的無框架主軸電機 (Frameless spindle motor)上常采用的方法。對于這種等級的動平衡要求，采用常規(guī)的方法僅在裝配前對主軸的每個零件分別進(jìn)行動平衡是不夠的，還需在裝配后進(jìn)行整體精確動平衡，甚至還要設(shè)計專門的自動平衡系統(tǒng)來實現(xiàn)主軸在線動平衡，以確保主軸高速平穩(wěn)運行。確定階梯套基本過盈量時，除了根據(jù)所受載荷計算需要過盈量外，還需考慮以下因素對過盈連接強度的影響： ① 配合表面的粗糙度； ② 連接件的工作溫度與裝配溫度之差，以及主軸與過盈套材料線脹系數(shù)之差； ③ 主軸高速旋轉(zhuǎn)時，過盈套所受到的離心力會引起過盈套內(nèi)孔的擴張，導(dǎo)致過盈量減少，當(dāng)主軸材料和過盈套的材料泊凇比、彈性模量和密度相差不大時，過盈量的修正值與主軸轉(zhuǎn)速的平方成正比，例如，當(dāng)配合處直徑為 66mm，主軸內(nèi)孔為 25mm，過盈套外徑為 ，傳遞扭矩為 85Nm，轉(zhuǎn)速為 1000r/min 時，離心力引起的過盈量減小值僅為 ；而當(dāng)轉(zhuǎn)速為 18000r/min 時，該值可達(dá) ； ④ 重復(fù)裝卸會引起過盈量減?。虎?結(jié)合面形位公 差對過盈量的影響等。實施環(huán)下油或者油氣潤滑時，潤滑油或油氣從軸承的內(nèi)圈噴入潤滑區(qū)，在離心力的作用下潤滑油更易于到達(dá)軸承潤滑區(qū)，因而比普通的噴射潤滑和油氣潤滑 效果好，可進(jìn)一步提高軸承的轉(zhuǎn)速，如普通油氣潤滑，角接觸陶瓷球軸承的do 值為 106 左右，采用加大油氣壓力的方法可將 do 值提高到 106 ，而采用環(huán)下油氣潤滑則可達(dá)到 106 。一般地講，增大空氣流量可以提高冷卻效果，而提高油氣壓力，不 僅可以提高冷卻效果，而且還有助于潤滑油到達(dá)潤滑區(qū)，因此，提高油氣壓力有助于提高軸承的轉(zhuǎn)速。 油氣潤滑是將少量的潤滑油不經(jīng)霧化而直接由壓縮空氣定時、定量地沿著專用的油氣管道壁均勻地被帶到軸承的潤滑區(qū)。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 19 技術(shù) 主軸軸承常見的潤滑方式有脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑、噴射潤滑及環(huán)下潤滑等 。磁懸浮軸承由于價格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)熱問題難以解決，因而還無法在高速主軸單元上推廣應(yīng)用。 2020 年 7 月洛陽軸研科技股份有限公司與德國博世 力士樂 (中國有限公司 )電子傳動與控制事業(yè)部達(dá)成聯(lián)合開發(fā) UndreamtZYS 電主軸 系統(tǒng)品牌的協(xié)議。但閉環(huán)式驅(qū)動控制器及高水平的編碼器尚不過關(guān)。 常見的數(shù)控機床用電主軸系統(tǒng)的配置可由下圖 23簡式來表述 圖 23 電主軸系統(tǒng)的配置 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 16 大型數(shù)控銑 (含并聯(lián)機構(gòu)數(shù)控銑 )、小型數(shù)控車 (無軸定位 )電主軸單元 +開環(huán)式驅(qū)動控制器 +直流母線能耗制動器。 主軸的變速由主軸驅(qū)動模塊控制，而主軸單元裝置限制。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。 電主軸 的問世很好地解決了上述矛盾。作為關(guān)鍵部件的主軸單元應(yīng)進(jìn)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(biāo)，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。 （ 5） 加強宣傳與溝通，提高用戶的信任感。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(biāo)準(zhǔn)已進(jìn)入報批階段。 下圖 11 為電主軸的內(nèi)部示意圖