【文章內(nèi)容簡介】 單元裝置限制。在主軸后端裝有測速﹑測角﹑位移傳感器，前端的內(nèi)錐孔和端面用于安裝刀具。 下圖 21為 電主軸單元典型的結(jié)構(gòu)布局 圖 21 電主軸單元典型的結(jié)構(gòu)布局 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 15 下圖 22為電主軸結(jié)構(gòu)示意圖 圖 22 電主軸結(jié)構(gòu) 電主軸的系統(tǒng)簡圖 電主軸的系統(tǒng) 由內(nèi)裝式電主軸單元、驅(qū)動控制器、編碼器、通訊電纜、直流母線制動器組合成的，用以將電網(wǎng)電能變?yōu)殡娭鬏S 單元的機械能，同時實現(xiàn)電主軸準停。準速、準位的系統(tǒng)稱之為電主軸系統(tǒng)。 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。 電主軸系統(tǒng)品質(zhì)的優(yōu)劣是大型數(shù)控銑、加工中心、數(shù)控車品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵之一。對閉環(huán)式配置的電主軸系統(tǒng)而言尤為重要。目前我國已能自行開發(fā)設(shè)計各類高速電主軸。但閉環(huán)式驅(qū)動控制器及高水平的編碼器尚不過關(guān)。選用優(yōu)質(zhì)的進口編碼器和驅(qū)動控制器來匹配我國自 行開發(fā)的電主軸單元，從而組成電主軸系統(tǒng)，以供應(yīng)國內(nèi)數(shù)控機床之急需，從而降低主機成本，提高主機的市場競爭力是一條可行之路。 2020 年，洛陽軸研科技股份有限公司分別與德國博世 力士樂公司、德國 AMK 公司駐中國辦事處取得聯(lián)系，并成功地實現(xiàn)了 Refute(力土樂 )電源 +Subtask 編碼器 +ZYS 10,000r/min 電主軸單元的聯(lián)配。為大面積推廣中西結(jié)合的電主軸系統(tǒng)創(chuàng)出了一條路。 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)部達成聯(lián)合開發(fā) UndreamtZYS 電主軸 系統(tǒng)品牌的協(xié)議。在協(xié)議的推動下首輪IndiamanZYS 數(shù)控機床用電主軸系統(tǒng)型譜已問世。由于國產(chǎn)電主軸單元同類型產(chǎn)品價格遠低于進口電主軸，故 IndiamanZYS 電主軸系統(tǒng)價格也遠比進口系統(tǒng)低得多，從而為國產(chǎn)數(shù)控機床的發(fā)展提供了新的選擇。 電主軸的電機選擇 表 21為 DZ系列電主軸電機的定子、轉(zhuǎn)子外形安裝尺寸 系列 定子外形安裝尺寸 裝配氣隙 轉(zhuǎn)子外形安裝尺寸 定子水套外形安裝尺寸 D D1 D2 A1 L/L1 B1 d d1 d2 d3 d4 a D3 D4 D5 D6 D7 A B H G DZX1 181 165 125 55 見 標 準 規(guī) 格 45 74 114 115 15 200 165 182 197 175 60 50 4 DZX2 120 105 73 45 40 67 132 128 121 132 115 50 45 4 DZX3 250 230 176 75 65 93 100 156 160 159 16 270 263 251 265 245 80 50 4 DZC1 290 260 203 90 75 124 125 185 187 18 270 260 291 265 285 95 80 1 DZC2 152 136 108 50 45 60 61 94 96 14 164 159 153 162 148 55 50 4 DZC3 120 106 80 45 40 45 51 70 71 12 132 128 121 132 115 50 45 4 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 17 圖 24 轉(zhuǎn)子外形安裝示意圖 圖 25 定子外形安裝示意圖 圖 25 帶水套定子外形安裝示意圖 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 18 圖 26 特 性曲線 3 電主軸的關(guān)鍵技術(shù) 用在高速主軸單元上的軸承主要有角接觸球軸承、磁懸浮軸承、水基動靜壓軸承、空氣動靜壓軸承等。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。水基靜壓軸承是目前國內(nèi)較熱門的研究課題之一，它是利用水具有熱容量較大、軸承溫升較小的特點，部分解決了普通動、靜壓軸承發(fā)熱嚴重的問題，主要用在低速重載場合?？諝鈩屿o壓軸承徑向剛度低并有沖擊，但高速性能好，一般用在超高速、輕載、精密主軸上。角接觸球軸承 do 值在 106 以下的高速主軸單元中應(yīng)用，無論是速度極限、承載能力、剛度、精度等各方面均能很好地滿足要求并已標準化，價格低廉，目前 90%的主軸組件采用這種類型 的軸承。 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 。 脂潤滑不需任何設(shè)備，是低速主軸普遍采用的潤滑方式。 do 值在106 以上的主軸，多采用油潤滑的方式，其中油霧潤滑是將潤滑油 (如透平油 )經(jīng)壓力空氣霧化后對軸承進行潤滑的。這種方式實現(xiàn)容易，設(shè)備簡單，油霧既有潤滑功能，又能起到冷卻軸承的作用，但油霧不易回 收，對環(huán)境污染嚴重，故逐漸被新型的油氣潤滑方式所取代。 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)。潤滑油起潤滑的作用，而壓縮空氣起推動潤滑油運動及冷卻軸承的作用。油氣始終處于分離狀態(tài)，這有利于潤滑油的回收，而對環(huán)境卻沒有污染。實施油氣潤滑時，一般要求每個軸承都有單獨的油氣噴嘴，對軸承噴射處的位置有嚴格的要求，否則不易保證潤滑效果，油氣潤滑的效果還受壓縮空氣流量和油氣壓力的影響。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潤滑區(qū)，因此，提高油氣壓力有助于提高軸承的轉(zhuǎn)速。實驗表明，加大壓力比采用常規(guī)壓力進行油氣潤滑可使軸承的轉(zhuǎn)速提高 20%。 噴射潤滑是直接用高壓潤滑油對軸承進行潤滑和冷卻的，功率消耗較大，成本高，常用在 do 值為 106 以上的超高速主軸上。 環(huán)下潤滑是一種改進的潤滑方式 (見圖 31)，分為環(huán)下油潤滑和環(huán)下油氣潤滑。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)下油氣潤滑則可達到 106 。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 20 圖 31 環(huán)下潤滑 軸上零件的 連接技術(shù) 在超高速電主軸上，由于轉(zhuǎn)速的提高，所以對軸上零件的動平衡要求非常高。軸承的定位元件與主 軸不宜采用螺紋連接，電機轉(zhuǎn)子與主軸也不宜采用鍵連接，而普遍采用可拆的階梯過盈連接。這種連接與螺紋連接相比有較明顯的優(yōu)點： ①不會在軸上產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，對軸的旋轉(zhuǎn)精度沒有影響； ② 易保證零件定位端與軸心線的垂直度，軸承預(yù)緊時不會使軸承受力不均而影響軸承的壽命； ③ 過盈套質(zhì)量均勻，主軸動平衡易得到保證； ④ 一般用熱套法進行安裝，用注入壓力油的方法進行拆卸，對主軸無損害； ⑤ 定位可靠，可提高主軸的剛度。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 ；而當轉(zhuǎn)速為 18000r/min 時，該值可達 ； ④ 重復(fù)裝卸會引起過盈量減小；⑤ 結(jié)合面形位公 差對過盈量的影響等。 階梯過盈套過盈量的實現(xiàn)有兩種方式： ① 利用公差配合來實現(xiàn)，根據(jù)基本過盈量的計算值和配合面的公稱尺寸，查有關(guān)手冊圖表，得出相應(yīng)的過盈配合；② 利用階梯配合面的公稱尺寸的差值來實現(xiàn)，并選用 H4/h4 的過渡配合，這種方法容易控制和保證配合的實際過盈量，適用于高精度的零件配合和進行標準化、系列化生產(chǎn)。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 21 電主軸的動平衡技術(shù) 由于不平衡質(zhì)量是以主軸的轉(zhuǎn)速二次方影響主軸動態(tài)性能的，所以主軸的轉(zhuǎn)速越高，主軸不平衡量引起的動態(tài)問題越嚴重。對于電主軸來說，由于電機轉(zhuǎn)子直接過盈固定在主軸上，增加 了主軸的轉(zhuǎn)動質(zhì)量，使主軸的極限頻率下降，因此超高速電主軸的動平衡精度應(yīng)嚴格要求，一般應(yīng)達到 G1～ 級 (G＝ ew， e 為質(zhì)量中心與回轉(zhuǎn)中心之間的位移，即偏心量； w 為角速度 )。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行動平衡是不夠的，還需在裝配后進行整體精確動平衡，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。 主軸動平衡常用方法有兩種：去重法和增重法。小型主軸和普通電機常采用去重法。該法是在電機的轉(zhuǎn)子兩端設(shè)計有去重盤，當電機轉(zhuǎn)子和其他 零件安裝到主軸上以后進行整體動平衡時，根據(jù)要求由自動平衡機在轉(zhuǎn)子的去重盤處切去不平衡量。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。電機轉(zhuǎn)子的兩端設(shè)計有平衡盤，平衡盤的圓周方向設(shè)計有均勻分布的螺紋孔，轉(zhuǎn)子安裝到主軸上以后進行主軸組件整體動平衡時，不是在平衡盤上去重，而是在螺紋孔內(nèi)擰入螺釘，以螺釘?shù)臄Q入深度和周向位置來平衡主軸組件的偏心量，如圖 32 所示。 圖 32 增重法 4 電主軸的關(guān)鍵技術(shù)研究 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 22 高速電主軸的熱穩(wěn)定性問題是該類主軸需要解決的關(guān)鍵問題之一。由于電主軸將電機集成于主軸組件的結(jié)構(gòu)中，無疑在其結(jié)構(gòu)的內(nèi)部增加了一個熱源。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。另外，電機轉(zhuǎn)子在主軸殼體內(nèi)的高速攪動，使內(nèi)腔中的空氣也會發(fā)熱，這些熱 源產(chǎn)生的熱量主要通過主軸殼體和主軸進行散熱，所以電機產(chǎn)生的熱量有相當一部分會通過主軸傳到軸承上去，因而影響軸承的壽命，并且會使主軸產(chǎn)生熱伸長，影響加工精度。 除了電機的發(fā)熱之外，主軸軸承的發(fā)熱也不容忽視，引起軸承發(fā)熱的因素很多，也很復(fù)雜，主要有滾子與滾道的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動摩擦、潤滑油的粘性摩擦等。上述各種摩擦?xí)S著主軸轉(zhuǎn)速的升高而加劇，發(fā)熱量也隨之增大，溫升增加，軸承的預(yù)緊量增大，這樣反過來又加劇了軸承的發(fā)熱，再加上主軸電機的熱輻射和熱傳導(dǎo)，所以主軸軸承必須合理潤滑和冷卻，否 則，無法保證電主軸高速運轉(zhuǎn)。 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。采取的主要措施是在電機定子與殼體連接處設(shè)計循環(huán)冷卻水套。水套用熱阻較小的材料制造，套外環(huán)加工有螺旋水槽，電機工作時，水槽里通入循環(huán)冷卻水，為加強冷卻效果，冷卻水的入口溫度應(yīng)嚴格控制，并有一定的壓力和流量。另外，為防止電機發(fā)熱影響主軸軸承，主軸應(yīng)盡量采用熱阻較大的材料，使電機轉(zhuǎn)子的發(fā)熱主要通過氣隙傳給定子，由冷卻水吸收帶走。 圖 41 是對某電主軸在額定功率 38kW、額定轉(zhuǎn)速 800r/min 下達到熱平衡 時熱傳導(dǎo)有限元分析的結(jié)果。從圖中可以看出，電主軸的溫度分布是不均勻的，由于定子與主軸殼體間設(shè)計有冷卻水套，散熱條件較好，溫度較低，電機轉(zhuǎn)子由于散熱條件差，溫度較高，對前后軸承有明顯的影響。 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