【正文】 子組成。過盈量太小的配合將會影響主軸傳遞轉(zhuǎn)矩的能力，甚至松動，產(chǎn)生振動；過盈量太大，將會使裝配難度加大，影響裝配精度，甚至破壞配合表面。轉(zhuǎn)子與機床主軸過盈配合量的大小是影響主軸性能的重要因素。由于電主軸單元是機械主軸和電動機轉(zhuǎn)子的合成體，因此其精度要求高于一般主軸，加工難度更大，需要很好的工藝分析和正確的工藝路線。轉(zhuǎn)子是中頻電動機的旋轉(zhuǎn)部分，它的功能是將定子的電磁場能量轉(zhuǎn)換成機械能。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。這種軸承標準化程度高，對機床結(jié)構(gòu)改動43NSi小，便于維護保養(yǎng)，特別適合高速運行場合。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。 軸承高速電主軸的核心支撐部件是高速精密軸承。當轉(zhuǎn)軸高速運轉(zhuǎn)時，由偏心質(zhì)量引起的振動，嚴重影響其動態(tài)性能。 轉(zhuǎn)軸陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計論文第 15 頁 共 67 頁 轉(zhuǎn)軸是高速電主軸的主要回轉(zhuǎn)主體，其制造精度直接影響電主軸的最終精度。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(shè)計成開放型。通常將軸承座孔直接設(shè)計在軸殼上。 電主軸基本結(jié)構(gòu)原理圖 軸殼 軸殼是高速電主軸的主要部件。電主軸基本結(jié)構(gòu)原理如圖 21 所示。陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計論文第 14 頁 共 67 頁 電主軸的基本結(jié)構(gòu)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(shè)計和制造。(8)編碼安裝調(diào)整系統(tǒng)加工中心、大型數(shù)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(shè)計論文第 13 頁 共 67 頁必須在電主軸單元中安裝能實現(xiàn)速度反饋和傳遞位置信號的磁性編碼器。(7)刀具冷卻系統(tǒng) 在統(tǒng)一設(shè)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。(5)松刀氣、液壓缸 電主軸松刀時向松拉刀機構(gòu)提供動力源的部件。(4)松拉刀系統(tǒng) 為電主軸單元實現(xiàn)氣(液)動松拉刀而設(shè)置在轉(zhuǎn)軸體內(nèi)的機構(gòu)。(2)支承 按數(shù)控機床對主軸系統(tǒng)的特殊要求設(shè)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。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(xiàn)主軸系統(tǒng)智能化控制。內(nèi)裝式電主軸系統(tǒng)由內(nèi)裝式電主軸單元、驅(qū)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(shù)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(qū)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(qū)動控制器十直流母線能耗制動器。 內(nèi)裝式電主軸系統(tǒng)的研究內(nèi)裝式電主軸系統(tǒng)把主軸與電動機有機地結(jié)合在一起，經(jīng)驅(qū)動控制器供電，使之輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩。⑸實現(xiàn)某些高檔數(shù)控機床的特殊要求。⑷改善機床性能，提高其可靠性。一方面，標準化、系列化的電主軸產(chǎn)品易于形成專業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)，實現(xiàn)功能部件的低成本制造；另一方面，采用電主軸后，機床結(jié)構(gòu)的簡單化和模塊化，也有利于基地機床成本。電主軸可以根據(jù)用途、結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)等特征形成標準化、系列化產(chǎn)品，供用戶選用，從而促進機床結(jié)構(gòu)模塊化。電主軸技術(shù)與電動機變頻、閉環(huán)矢量控制、交流伺服控制等技術(shù)結(jié)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。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：⑴促進了高速加工技術(shù)與機床的發(fā)展。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(chǎn)效率。因此，近年來高速加工技術(shù)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(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。⑷零件變形小，可以加工很薄的零件。⑵表面質(zhì)量高，不用再進行比如打磨等表面處理工序。要發(fā)展和應(yīng)用高速加工技術(shù)，首先必須有性能優(yōu)良的高速數(shù)控機床，而數(shù)控機床性能的好壞則首先取決于高速主軸。 電主軸對高速加工技術(shù)及現(xiàn)代數(shù)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(shù)之一，是制造技術(shù)產(chǎn)生第二次革命性飛躍的一項高新技術(shù)。這種結(jié)構(gòu)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。它采用兩支承結(jié)構(gòu)，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。6108.?近年來，為適應(yīng)機床提高生產(chǎn)效率和加工精度的需要，進一步改善主軸單元的結(jié)構(gòu)，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(yīng)不同的剛度性能要求，采用定位和定壓預(yù)緊以及定壓和定位預(yù)緊轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)主軸單元不同的速度和剛性要求，值可達到 。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 。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 。 主軸單元結(jié)構(gòu)形式研究的發(fā)展從電主軸的結(jié)構(gòu)形式來看，早期主軸單元的結(jié)構(gòu)比較簡單，主軸僅由套軸向預(yù)緊面對面配置的 320C 系列圓錐滾子軸承支承。我國數(shù)控機床整體技術(shù)水平的發(fā)展和提高，最終離不開先進的功能部件產(chǎn)業(yè)的支持。我國數(shù)控機床的發(fā)展歷程充分證明，數(shù)控功能部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的滯后，始終是制約我國數(shù)控機床發(fā)展的瓶頸問題之一。沒有高質(zhì)量的功能部件，數(shù)控機床的迅速發(fā)展也將成為一句空話。主機技術(shù)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。數(shù)控功能部件是指數(shù)控系統(tǒng)、主軸單元、數(shù)控刀架和轉(zhuǎn)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。在高精度產(chǎn)品中有北京機床研究所的高速立式加工中心，成都托普數(shù)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。在 CIMT2022 屆展會的高速加工中心展品有 30 多臺，占參展國產(chǎn)加工中心總數(shù)的 30%。代表當今機床技術(shù)發(fā)展主流的數(shù)控機床，更是異軍突起，國產(chǎn)數(shù)控機床在高速、多軸、復(fù)合、精密以及自動化等方面都取得了明顯的進展。在我國，也開始有廠家生產(chǎn)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(yīng)用到新產(chǎn)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(xiàn)己躍居世界領(lǐng)先地位。從 80 年代中后期以來，商品化的超高速切削機床不斷出現(xiàn)，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。其中最著名的生產(chǎn)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。但 2022 年美國 Cincinnati 公司為宇航工業(yè)生產(chǎn)了 Super Mach 大型高速加工中心，其電主軸最高轉(zhuǎn)速達 60,000 r/min，功率為 80 KW。1976 年美國的 Vought 公司首次推出一臺超高速銑床，采用了Bryant 內(nèi)裝式電機主軸系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速達到了 20,OOOr/min，功率為 15KW。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(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了全固態(tài)元件的變頻器和矢量控制驅(qū)動器；加上混合陶瓷球軸承的出現(xiàn)，使得在 20 世紀 80 年代末、90 年代初出現(xiàn)了用于銑削、鉆削、加工中心及車削等加工的大功率、大轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速的電主軸。陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計論文第 8 頁 共 67 頁 高速精密電主軸的冷卻技術(shù)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。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。 高速精密電主軸的潤滑技術(shù)電主軸的潤滑一般采用定時定量的油氣潤滑，也可以采用脂潤滑，但其相應(yīng)的速度要大打折扣。圍繞精密加工和精密裝配開發(fā)的工裝和專用機床是高速精密電主軸核心技術(shù)的重要組成部分。主軸單元的精密裝配包括主軸與電動機轉(zhuǎn)子、主軸與前后軸承、主軸與軸承隔圈和定位過盈套、主軸與刀具、軸系于軸承座、軸承座與殼體之間的精密裝配。主軸單元的精密加工件包括主軸、箱體、先后軸承座以及隨主軸高速旋轉(zhuǎn)的軸承隔圈和定位過盈套等。⑹ 易于實現(xiàn)精密控制。⑷ 與同體積的異步電動機相比，其輸出轉(zhuǎn)矩大一倍以上。⑵ 轉(zhuǎn)子無損耗，功率密度大，工作效率高，功率因數(shù)高，與同容量的異步電動機相比，其驅(qū)動裝置容量較小。異步型電主軸功率容量大、轉(zhuǎn)速提高時，常常需配備中心冷卻系統(tǒng)以降低主軸升溫，同時，在主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對軸承采用恒壓預(yù)緊方式，以克服主軸軸向熱變形帶來的影響。陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計論文第 7 頁 共 67 頁電主軸實現(xiàn)高速化存在的問題，從機械方面考慮主要是軸承發(fā)熱和振動問題；從設(shè)計方面考慮主要是定轉(zhuǎn)子功率密度和線圈發(fā)熱問題；從驅(qū)動和控制角度考慮主要是調(diào)速性能問題。主軸熱分析可在獲得正確的主軸熱傳導系數(shù)后，采用有限元法進行研究，預(yù)測主軸熱變形后引起的間隙變化對軸承及主軸部件性能的影響，并在主軸系統(tǒng)設(shè)計、制造、裝配過程中做出補償，防止主軸單元工作精度降低。高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，主軸多個支承軸承和電動機轉(zhuǎn)子是電主軸多區(qū)段的主要熱源，會直接導致主軸熱變形，改變軸承的預(yù)緊狀況，影響主軸的加工精度，嚴重時甚至會燒毀軸承，導致主軸損壞。高速精密主軸單元各零件的剛度及精密都較高，主軸的彈性變形所引起的誤差常常很小，而運動副間的摩擦發(fā)熱和溫升卻不可避免。在考慮定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊兩種預(yù)緊方式、計算球與內(nèi)外圈溝道接觸載荷和接觸角的基礎(chǔ)上，計算每個球與內(nèi)外圈溝道接觸點的接觸剛度，需要根據(jù)軸承內(nèi)部變形的幾何關(guān)系，提出合適的計算軸承徑向剛度、軸向剛度和角剛度的方法。主軸動態(tài)性能設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)有：⑴滾動接觸界面的非線性剛度變化規(guī)律。但該方法對球軸承剛度的非線性變化特點沒有充分考慮。傳統(tǒng)的動力學分析常常將軸承剛度用假設(shè)的彈簧代替，利用有限元或傳遞矩陣法等數(shù)值計算方法計算主軸的各階固有頻率和振型，并在設(shè)計時使主軸的一階固有頻率高于設(shè)計的主軸最高轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的頻率。動靜壓軸承作為電主軸軸承的主要技術(shù)難點是實現(xiàn)高速化，對其關(guān)鍵技術(shù)的研究主要有：動靜壓軸承的層流、紊流流體慣性的計算算法研究；動靜壓軸承層油腔結(jié)構(gòu)的研究；軸承溫升及熱變形控制技術(shù)的研究及潤滑介質(zhì)的研究等。對于全陶瓷球軸承，除陶瓷球外，陶瓷內(nèi)外圈的精密加工也是關(guān)鍵，需要設(shè)計專門的工裝固定內(nèi)外圈坯件才能實現(xiàn)精密加工，內(nèi)外溝道的加工精度的一致性也要靠恰當?shù)墓ぱb和工序來保證。陶瓷球的等靜壓成型和燒結(jié)是保證陶瓷球強度的基礎(chǔ)，43NSi32OAl球的加工精度靠加工和檢測來保證。43NSi43i用它作為高速主軸軸承的滾動元件，可大大減少滾球的離心力和陀螺力矩，從而使軸承獲得高速度、低溫升和長壽命的性能。最常用的陶瓷球材料是 。角接觸球軸承是精密數(shù)控機床常用的主軸支撐。目前在大功率高速精密電主軸中應(yīng)用的軸承主要是角接觸陶瓷球軸承和液體東靜壓軸承。電主軸單元所融合的技術(shù)主要包括以下幾方面。電主軸是一種智能型功能部件，不但轉(zhuǎn)速高、功率大、具有調(diào)速范圍廣、振動噪聲小，而且便于控制、能實現(xiàn)定向準停、準速、準位等功能。由于電主軸主要采用交流高頻電動機，也稱為“高頻主軸”(High Frequency Spindle)。其英文的稱謂有多種，比如 Electrospindle、Motor Spindle 和 Motorized Spindle 等等。機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)機床的“零傳動” 。主軸部件是加工中心的主要功能部件，是決定機床高速化和高精度的關(guān)鍵部分，始終是機床技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。高速主軸單元是高速機床最為關(guān)鍵的部件。它廣泛應(yīng)用于能源、交通、原材料、農(nóng)機、軍工、輕紡織機械、汽車、模具等各個工業(yè)部門的機械制造領(lǐng)域中，它的技術(shù)水平高速及其在金屬切削機床產(chǎn)量和總擁有量中的百分比是衡量一個國家機械工業(yè)制造水平的重要標志。也不能展開為平面，一般采用球頭刀在三軸數(shù)控銑床上加工。此類零件的變斜角加工面不能展開為平面，最好采用四坐標、五坐標數(shù)控銑床擺角加工。平面類零件一般只需用三坐標數(shù)控銑床的兩坐標聯(lián)動（即兩軸半坐標聯(lián)動）就可以加工出來。（3）數(shù)控銑床自動化程度很高，生產(chǎn)率高，適合加工批量較大的零件。如果忽略刀具的磨損，用同一程序加工出的零件具有相同的精度。主軸電機使刀具旋轉(zhuǎn)，X、Y 和 Z 向的伺服電機控制刀具和工件按一定的軌跡相對運動，從而實現(xiàn)工件的切削?？刂破鲗庸こ绦蛱幚砗?，向伺服裝置傳送指令。根據(jù)零件形狀、尺寸、精度和表面粗糙度等技術(shù)要求制定加工工藝，選擇加工參數(shù)。圖 數(shù)控銑床的基本組成圖數(shù)控銑床的機械結(jié)構(gòu)，除銑床基礎(chǔ)部件外，由下列各部分組成：；給系統(tǒng)；、定位、的裝置和附件；系統(tǒng)和裝置，如液壓、氣動、潤滑、冷卻等系統(tǒng)和排屑、防護等裝置；陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計論文第 3 頁 共 67 頁換刀裝置（ATC） ；（APC）?？刂破饔糜谳斎肓慵庸こ绦蚝涂刂茩C床工作狀態(tài)。無論是 X、Y 向，還是 Z 向的移動都是靠伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)的。工作臺用于安裝工件或夾具。當主軸箱內(nèi)的主軸電機驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)時，銑刀能夠切削工件。主軸箱用于安裝主軸。陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計論文第 2 頁 共 67 頁數(shù)控銑床的基本組成見圖 ，它由床身、立柱、主軸箱、工作臺、滑鞍、滾珠絲杠、伺服電機、伺服裝置、數(shù)控系統(tǒng)等組成。 而高速電主軸單元技術(shù)的發(fā)展，可以帶動高速進給、高性能道具、檢測與控制等一系列相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。另外為了保證高速回轉(zhuǎn)部件的安全，還要有報警及停車用的傳感器及其控制系統(tǒng)等一系列支持電主軸運轉(zhuǎn)