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數控銑床電主軸系統(tǒng)設計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2025-07-25 14:40 本頁面
 

【文章內容簡介】 一定的時間間隔注一次油,定量是指通過一個叫做定量閥的器件,精確地控制每次潤滑油的注油量。油氣潤滑,通常是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下,被吹入陶瓷球軸承。油氣潤滑技術中,油亮控制顯得十分重要,如果過少,起不到潤滑作用;過多,又會在軸承高速旋轉時因油的阻力而發(fā)熱。陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 8 頁 共 67 頁 高速精密電主軸的冷卻技術為了盡快使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,而冷卻劑的溫度通過冷卻裝置來保持。 高速電主軸發(fā)展及現狀 高速電主軸技術的發(fā)展及現狀 早在 20 世紀 50 年代,就已經出現了用于磨削小孔的高頻電主軸,當時的變頻器采用的是真空電子管,雖然轉速高,但傳遞的功率小,轉矩也小。隨著高速切削發(fā)展的需要和功率電子器件、微電子器件和計算機技術的發(fā)展,產生了全固態(tài)元件的變頻器和矢量控制驅動器;加上混合陶瓷球軸承的出現,使得在 20 世紀 80 年代末、90 年代初出現了用于銑削、鉆削、加工中心及車削等加工的大功率、大轉矩、高轉速的電主軸。國外高速電主軸技術發(fā)展較快,中等規(guī)格的加工中心的主軸轉速目前己普遍達到10000r/min 甚至更高。1976 年美國的 Vought 公司首次推出一臺超高速銑床,采用了Bryant 內裝式電機主軸系統(tǒng),最高轉速達到了 20,OOOr/min,功率為 15KW。到 90 年代末期,電主軸發(fā)展的水平是:轉速 40,000 r/min,功率 40 KW(即所謂的“4040 水平”)。但 2022 年美國 Cincinnati 公司為宇航工業(yè)生產了 Super Mach 大型高速加工中心,其電主軸最高轉速達 60,000 r/min,功率為 80 KW。目前世界各主要工業(yè)國家均有裝備優(yōu)良的專業(yè)電主軸生產廠,批量生產一系列用于加工中心和高速數控機床的電主軸。其中最著名的生產廠家有:瑞士的 FISCHER 公司、IBAG 公司和 STEPTEC 公司,德國的 GMN 公司和 FAG 公司,美國的 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。高速電主軸生產技術的突破,大大推動了世界高速加工技術的發(fā)展與應用。從 80 年代中后期以來,商品化的超高速切削機床不斷出現,超高速機床從單一的超高速銑床發(fā)展成為超高速車銑床、鉆銑床乃至各種加工中心等。德國、美國、瑞士、英國、法國、日本也相繼推出了自己的超高速機床。其中日本工業(yè)界善于汲取各國的研究成果并及時應用到新產品開發(fā)中去,尤其在超高速切削機床的研究和開發(fā)方面后來居上,現己躍居世界領先地位。日本廠商現己成為世界上超高速機床的主要提供者。在我國,也開始有廠家生產超高速機床。陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 9 頁 共 67 頁中國機床工具行業(yè)近幾年的快速發(fā)展,受到世界機床制造業(yè)界矚目。代表當今機床技術發(fā)展主流的數控機床,更是異軍突起,國產數控機床在高速、多軸、復合、精密以及自動化等方面都取得了明顯的進展。尤其在數控機床的高速化和品種發(fā)展上進步明顯。在 CIMT2022 屆展會的高速加工中心展品有 30 多臺,占參展國產加工中心總數的 30%。在高速加工中心展品中,寧江機床集團公司的 NJ5HMC40 臥式加工中心最高主軸轉速達 40000r /min,快速行程達 60m/min。在高精度產品中有北京機床研究所的高速立式加工中心,成都托普數控機床公司的 PMC600 高速立式加工中心,大連機床集團有限公司的 DHSC500 高速臥式加工中心,沈陽機床股份有限公司的 BW60HS/1 臥式加工中心等。高速加工機床的涌現及超高速切削技術的發(fā)展,帶動了相關技術及數控功能部件的專業(yè)化生產。數控功能部件是指數控系統(tǒng)、主軸單元、數控刀架和轉臺、滾珠絲杠副和滾動直線導軌副、刀庫和機械手、高速防護裝置等。它們是數控機床的核心組成部分。主機技術水平的不斷提高,要求配套的功能部件也必須迅速提高自身的水平。功能部件技術水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會配套水平,都直接決定和影響著數控機床整機的技術水平和性能,也制約著主機的發(fā)展速度。沒有高質量的功能部件,數控機床的迅速發(fā)展也將成為一句空話。國產電主軸技術水平的高低必然影響產品在主機上的應用。我國數控機床的發(fā)展歷程充分證明,數控功能部件產業(yè)發(fā)展的滯后,始終是制約我國數控機床發(fā)展的瓶頸問題之一。功能部件跟不上,發(fā)展數控機床將成為空話。我國數控機床整體技術水平的發(fā)展和提高,最終離不開先進的功能部件產業(yè)的支持。我們要抓住目前的黃金發(fā)展機遇,學習國外同行的先進技術,探索國際合作途徑,共同為做大做強數控功能部件產業(yè),為國產數控機床的發(fā)展而努力奮斗。 主軸單元結構形式研究的發(fā)展從電主軸的結構形式來看,早期主軸單元的結構比較簡單,主軸僅由套軸向預緊面對面配置的 320C 系列圓錐滾子軸承支承。圓錐滾子軸承具承受較大軸向和徑向聯(lián)合載荷的能力,徑向和軸向剛度高,主軸單元具良好的動力學特性。由于這種主軸單元的速度性能受到限制,在高速場很少采用,其 值一般小于 。mnd610.?SKF 公司于 1955 年所提出的著名的主軸單元,其徑向載荷靠 NN30K 系雙列圓柱滾子軸承支承,軸向載荷靠軸向預緊的 2844 系列雙向推力角接球軸承承受和軸向定位。這種主軸單元剛性好,但由于雙向推力角接觸球軸承的摩擦力矩和接觸角較大,其速度性能受到了限制, 值一般小于 。mnd610.?陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 10 頁 共 67 頁為了改善主軸速度性能,上個世紀八十年代又出現了一種主軸單元:它的工作端用三套主軸軸承代替雙列圓柱滾子軸承和雙向推力角接觸球軸承, 值可達到mnd。6108.?近年來,為適應機床提高生產效率和加工精度的需要,進一步改善主軸單元的結構,如在傳動端用雙聯(lián)配置的主軸軸承代替雙列圓柱滾子軸承進一步提高速度性能,工作端可以采用雙聯(lián)、三聯(lián)甚至四聯(lián)配置的主軸軸承以適應不同的剛度性能要求,采用定位和定壓預緊以及定壓和定位預緊轉換,以適應主軸單元不同的速度和剛性要求,值可達到 。?根據主電動機與主軸軸承相對位置的不同,高速電主軸單元主要有兩種結構布局設計方式:(l)主電機置于主軸前、后軸承之間。它采用兩支承結構,前軸承比后軸承尺寸大,均分別用串聯(lián)安裝方式,前后支承受力方式為外撐式。后支承選用小尺寸軸承,雖然會降低速度回數值,這對主軸整體剛性影響不大,但它改變了工作條件,對保持整個軸系的使用壽命十分有利。這種結構的優(yōu)點是主軸單元的軸向尺寸較短,主軸剛度大,輸出功率大,較適合大中型高速機床。(2)主電動機置于主軸后軸承之后,即主軸箱和主電機作軸向的同軸布置,這種方式減少了電主軸前端的懸伸量,電機的散熱條件較好,但整個電主軸單元的出力較小,軸向尺寸大,常用于小型高速機床。 電主軸對高速加工技術及現代數控機床發(fā)展的意義以高切削速度、高進給速度、高加工精度為主要特征的高速加工是當代四大先進制造技術之一,是制造技術產生第二次革命性飛躍的一項高新技術。當今世界各國都競相發(fā)展自己的高速加工技術,并成功應用,產生了巨大的經濟效益。要發(fā)展和應用高速加工技術,首先必須有性能優(yōu)良的高速數控機床,而數控機床性能的好壞則首先取決于高速主軸。高速加工的主要優(yōu)勢是:⑴加工時間大幅度縮短,加工節(jié)拍只有原來的 1/4,這意味著一臺高速機床可以代替 4 臺普通 CNC 機床。⑵表面質量高,不用再進行比如打磨等表面處理工序。⑶零件可換性好,有利于模具行業(yè)制造。⑷零件變形小,可以加工很薄的零件。陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 11 頁 共 67 頁⑸從管理角度看,高速機床的投資可以很快回收,并能縮短交貨期,占地面積小,人工數量可減少。因此,近年來高速加工技術發(fā)展十分迅猛,在航空航天、汽車工業(yè)、模具加工和摩托車工業(yè)等工業(yè)生產中得到廣泛應用。現代高速加數控機床主軸的主要形式就是電主軸,并且已在機械、電子、航空航天、國防、冶金、食品、化工、醫(yī)藥和光學等領域內顯示期旺盛的生命力。其性能的好壞在很大程度上決定了整臺高速機床的加工精度和生產效率。因此,電主軸單元技術的發(fā)展也對現代數控機床的發(fā)展及高速加工技術產生了深遠的影響。主要體現在以下幾個方面:⑴促進了高速加工技術與機床的發(fā)展。電主軸是由內裝式電動機直接驅動,更容易滿足高速加工對機床“高速度、高精度、高可靠性及小振動”的要求,與機床高速進給系統(tǒng)、高速刀具系統(tǒng)一起組成高速切削所需要的必備條件。電主軸技術與電動機變頻、閉環(huán)矢量控制、交流伺服控制等技術結合,可以滿足車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削等金屬切削加工的需要。⑵簡化結構,促進機床結構模塊化。電主軸可以根據用途、結構、性能參數等特征形成標準化、系列化產品,供用戶選用,從而促進機床結構模塊化。⑶降低機床成本,縮短機床研制周期。一方面,標準化、系列化的電主軸產品易于形成專業(yè)化、規(guī)模化生產,實現功能部件的低成本制造;另一方面,采用電主軸后,機床結構的簡單化和模塊化,也有利于基地機床成本。此外,還可以縮短機床研制周期,適應目前快速多變的市場趨勢。⑷改善機床性能,提高其可靠性。采用電主軸結構的數控機床,由于結構簡化,傳動、連接環(huán)節(jié)減少,因此,提高了機床的可靠性;技術成熟、功能完善、性能優(yōu)良、質量可靠的電主軸功能部件是機床的性能更加完善,可靠性得到進一步提高。⑸實現某些高檔數控機床的特殊要求。有些高檔數控機床,如并聯(lián)運動機床、五面體加工中心、小孔和超小孔加工機床等,必須采用電主軸才能滿足完善的功能要求。 內裝式電主軸系統(tǒng)的研究內裝式電主軸系統(tǒng)把主軸與電動機有機地結合在一起,經驅動控制器供電,使之輸出相應的轉速和扭矩。在編碼系統(tǒng)的控制下,該驅動器能方便地控制電動機實現準速、陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 12 頁 共 67 頁準停和準位等功能。內裝式電主軸系統(tǒng)由內裝式電主軸單元、驅動控制器、編碼系統(tǒng)、直流母線能耗制動器和通訊電纜組成(見圖 )常見的數控機床與電主軸系統(tǒng)的配置可由下列簡式來表述:加工中心+電主軸單元十編碼系統(tǒng)+閉環(huán)式驅動控制器+直流母線能耗制動器車削中心+電主軸單元+編碼系統(tǒng)十有 C 軸定位的閉環(huán)式驅動控制器十直流母線能耗制動器。圖 內裝式電主軸系統(tǒng)結構簡圖內裝式電主軸單元是電主軸系統(tǒng)的核心。高性能的電主軸單元具有高速、高精度、高效、低振動和低噪聲等特點,便于實現主軸系統(tǒng)智能化控制。內裝式電主軸單元由下列各部件及系統(tǒng)組成:(l)電動機 接受驅動控制器提供的中頻電,并將其轉換成電主軸的機械能。(2)支承 按數控機床對主軸系統(tǒng)的特殊要求設置的支承系統(tǒng),它是決定電主軸單元精度、剛度的主要因素。(3)冷卻系統(tǒng) 為將電主軸電動機及軸承高速運轉時產生的熱能帶走而設置在電主軸內腔的熱交換器。(4)松拉刀系統(tǒng) 為電主軸單元實現氣(液)動松拉刀而設置在轉軸體內的機構。其中拉刀器由電主軸轉速、傳遞扭矩的不同可選用 HSK、瓣爪、鋼球拉刀等不同型式。(5)松刀氣、液壓缸 電主軸松刀時向松拉刀機構提供動力源的部件。(6)軸承自動卸載系統(tǒng) 電主軸處于松刀狀態(tài)時,用以自動卸去軸承上承受的過大沖擊負荷的系統(tǒng)。(7)刀具冷卻系統(tǒng) 在統(tǒng)一設計前提下,電主軸單元對刀具冷卻通道采取統(tǒng)籌兼顧的措施。常見的電主軸單元中刀具冷卻形式可分兩種:超高速電主軸刀具冷卻選用內冷式,高速電主軸刀具冷卻選用外冷式。(8)編碼安裝調整系統(tǒng)加工中心、大型數控車用電主軸需具備準停、準位功能,因此,陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 13 頁 共 67 頁必須在電主軸單元中安裝能實現速度反饋和傳遞位置信號的磁性編碼器。其中鋼質碼盤應安裝在轉軸本體上,接收器應牢靠地安裝在電主軸外殼上,以實現準確的相角控制以及進給的配合,同時應便于調整。陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 14 頁 共 67 頁 電主軸的基本結構高速電主軸要獲得好的動態(tài)性能和使用壽命,必須對電主軸各個部分進行精心設計和制造。電主軸的基本結構包括以下幾個部分:軸殼、轉軸、軸承、定子和轉子。電主軸基本結構原理如圖 21 所示。對電主軸的結構設計就是圍繞這幾個部分展開的。 電主軸基本結構原理圖 軸殼 軸殼是高速電主軸的主要部件。軸殼的尺寸精度和位置精度直接影響主軸綜合精度。通常將軸承座孔直接設計在軸殼上。電主軸為加裝電動機定子,必須開放一端。大型或特種電主軸,為方便制造、節(jié)省材料,可以將軸殼兩端均設計成開放型。高速、大功率和超高速電主軸,應該嚴格控制整機裝配精度。 轉軸陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 15 頁 共 67 頁 轉軸是高速電主軸的主要回轉主體,其制造精度直接影響電主軸的最終精度。成品轉軸的形位公差和尺寸精度要求都很高。當轉軸高速運轉時,由偏心質量引起的振動,嚴重影響其動態(tài)性能。因此,必須對轉軸進行嚴格的動平衡,部分安裝在轉軸上的零件也應隨轉軸一起進行動平衡。 軸承高速電主軸的核心支撐部件是高速精密軸承。這種軸承具有高速性能好、動載荷承載能力高、潤滑性能好、發(fā)熱量小等優(yōu)點。近年來,相繼開發(fā)研制了陶瓷軸承、動靜壓軸承和磁浮軸承。目前應用最多的高速主軸軸承還是混合陶瓷球軸承,即滾動體使用熱壓 陶瓷球,軸承套圈仍為鋼圈。這種軸承標準化程度高,對機床結構改動43NSi小,便于維護保養(yǎng),特別適合高速運行場合。為了延長軸承的使用壽命,可增加滾道的耐磨性,對滾道進行涂層處理或其他表面處理。用其組裝的高速電主軸,能兼有高速、高剛度、大功率、長壽命等優(yōu)點。 定子與轉子高速電主軸的定子由具有高磁導率的優(yōu)質矽鋼片疊壓而成,疊壓成型的定子內腔帶有沖制嵌
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