【正文】 .............................................62 動平衡設(shè)計 .........................................................63總 結(jié) .....................................................65致 謝 .....................................................66參考文獻(xiàn) ..................................................67陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 0 頁 共 67 頁引 言高速機床是實現(xiàn)高速切削加工的前提和條件。高速數(shù)控機床是裝備制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展方向之一，是裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。高速銑床上的電主軸系統(tǒng)多采用高速電主軸。高速高精度主軸單元系統(tǒng)，應(yīng)該具有剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、運轉(zhuǎn)時溫升小、穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，同時，制造及操作成本也要中。高速主軸單元的類型主要有電主軸、氣動主軸、水動主軸等。高速加工機床主軸要求在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)升降速，并在指定位置快速準(zhǔn)停。如果通過傳動帶等中間環(huán)節(jié)，不僅會在高速狀態(tài)下打滑，產(chǎn)生振動和噪聲，而且增加轉(zhuǎn)動慣量，給機床快速準(zhǔn)、停造成困難！電主軸是一種新型的機械結(jié)構(gòu)形式。它采用無外殼電機，將帶有冷卻套的電機定子裝配在主軸單元的殼體內(nèi)，轉(zhuǎn)子和機床主軸旋轉(zhuǎn)部分做成一體，主軸的變速范圍完全由交流電機控制。這種主軸電動機和主機主軸 “合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸組件從主機的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨立出來，可以做成 “主軸單元 ”，通常稱為 “電主軸” 。它是隨著電氣傳動技術(shù) (變頻調(diào)速技術(shù)、電動機矢量控制技術(shù)等)的迅速發(fā)展而日趨完善。由于沒有中間傳動環(huán)節(jié) ，有時稱為“直接傳動主軸”(Direct Drive Spindle)。電動機內(nèi)置于主軸部件后，陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 1 頁 共 67 頁不可避免的將會產(chǎn)生發(fā)熱的問題，從而需要設(shè)計專門用于冷卻電動機的油冷或水冷系統(tǒng)。高速軸承有時要有專門的潤滑裝置。因此， “電主軸”的概念不應(yīng)該簡單的理解為只是一根主軸套筒，而是一個完整的、在機床數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控下的子系統(tǒng)總之，電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小及動態(tài)特性好和改善機床動平衡，避免振動和噪聲等特點發(fā)展越來越快。因此各工業(yè)國家都十分關(guān)注電主軸單元技術(shù)的研究與發(fā)展。床身用于支撐和連接機床各部件。主軸下端的錐孔用于安裝銑刀。主軸箱還可沿立柱上的導(dǎo)軌在 Z 向移動，使刀具上升或下降。工作臺可沿滑鞍上的導(dǎo)軌在 X 向移動，滑鞍可沿床身上的導(dǎo)軌在 Y 向移動，從而實現(xiàn)工件在X 和 Y 向的移動。伺服裝置用于驅(qū)動伺服電機?？刂齐娫从糜谙蛩欧b置和控制器供電。如刀具破損監(jiān)控、精度檢測和監(jiān)控裝置；。通過手工編程或利用 CAM 軟件自動編程，將編好的加工程序輸入到控制器。伺服裝置向伺服電機發(fā)出控制信號。 數(shù)控銑床加工的特點（1）用數(shù)控銑床加工零件，精度很穩(wěn)定。（2）數(shù)控銑床尤其適合加工形狀比較復(fù)雜的零件，如各種模具等。 數(shù)控銑床加工的主要對象（1） 平面類零件 加工面平行或垂直與水平面，或加工面與水平面的夾角為定角的餓零件為平面類零件。（2） 變斜角類零件加工面與水平面夾角呈連續(xù)變化的零件稱為變斜角零件。（3） 曲面類零件 加工面為空間曲面的零件稱為曲面類零件。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 4 頁 共 67 頁 電主軸的基本概念加工中心是集機、電、液、氣、計算機和信息控制等各種技術(shù)于一體的機電一體化的典型產(chǎn)品，最能體現(xiàn)高速、高效、超精、數(shù)字化及結(jié)構(gòu)緊湊等當(dāng)今最先進(jìn)、最流行的技術(shù)水平。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、油霧潤滑裝置、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置。高速主軸單元的主要類型有電主軸、氣動主軸、水動主軸等等。隨著電氣傳動技術(shù)（變頻調(diào)速技術(shù)、電動機矢量控制等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機床主傳動的機械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動。這種主軸電動機和主機主軸 “合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸組件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨立出來，因此可以做成 “主軸單元 ”，通常稱為 “電主軸” 。它是隨著電氣傳動技術(shù) (變頻調(diào)速技術(shù)、電動機矢量控制技術(shù)等)的迅速發(fā)展而日趨完善。由于沒有中間傳動環(huán)節(jié) ，有時稱為“直接傳動主軸”(Direct Drive Spindle)。 電主軸單元關(guān)鍵技術(shù)電主軸單元是一套組件，它是一項涉及電主軸本身及其附件的系統(tǒng)工程，其系統(tǒng)框圖如圖 。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 5 頁 共 67 頁圖 系統(tǒng)框圖 高速精密軸承技術(shù)實現(xiàn)電主軸高速化和精密化的關(guān)鍵是軸承的應(yīng)用?？諝廨S承不時和于大功率場合，磁懸浮軸承由于價格昂貴、控制系統(tǒng)復(fù)雜，其實用性受到限制。由于滾球高速運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生巨大的離心力和陀螺力矩，采用陶瓷球和鋼質(zhì)套圈混合軸承成為一種選擇。 陶瓷具有密度小、熱膨脹系數(shù)小、彈性模量大和硬度高等優(yōu)點。除混合軸承外，目前國內(nèi)已開始在高速精密主軸上試驗采用全陶瓷球軸承，其內(nèi)外套圈、保持架和陶瓷球采用的材料有 、2ZrO、 和聚四氟乙烯等。目前國內(nèi)滾球的加工精度可達(dá) G5 級以上。盡管目前高速精密電主軸的支撐絕大部分為角接觸陶瓷球軸承，但由于在極限轉(zhuǎn)速和大負(fù)載工況下滾動軸承的功能喪失很快，液體動靜壓軸承的研究一直為國內(nèi)外電主軸企業(yè)及專家重視。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 6 頁 共 67 頁 高速精密電主軸的動態(tài)性能和熱態(tài)性能設(shè)計高速精密電主軸設(shè)計目標(biāo)要求主軸剛度高、精度高、抗振性好、可靠性高。該方法還能解釋隨著主軸速度升高，球軸承離心力變化導(dǎo)致主軸固有頻率變化等動力學(xué)現(xiàn)象。根據(jù)電主軸的實際運行特點，有必要將“軸承——主軸——電動機——軸承座”作為一個系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析，同時充分考慮支承剛度非線性、主軸熱擴(kuò)散及熱變形等熱態(tài)性能對主軸動態(tài)性能的影響，并對整個電主軸進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，而軸承系統(tǒng)的動力學(xué)仿真是基礎(chǔ)。滾動軸承的支承剛度與運轉(zhuǎn)速度之間、載荷與變形之間是非線性的關(guān)系，且由于有限個滾動體的存在、軸承元件接觸表面的加工幾何誤差、軸承材料的彈性及外力的變化等，使得軸承的剛度成為時變函數(shù)。⑵主軸的熱變形和熱擴(kuò)散規(guī)律。在各類誤差中，熱變形引起的誤差往往比其他誤差更為突出。為了避免這種危害，對主軸熱變形和熱擴(kuò)散的研究至關(guān)重要，而建立高速精密主軸多區(qū)段熱擴(kuò)散、熱變形及主軸熱變形與振動耦合規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，是主軸系統(tǒng)動力學(xué)分析的一個關(guān)鍵。 高速電動機設(shè)計及驅(qū)動技術(shù)電主軸是電動機與主軸結(jié)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，理論上可以把主軸看作一臺高速電動機，其關(guān)鍵技術(shù)是高速運動的動平衡。異步型電主軸的主要優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝相對成熟、驅(qū)動系統(tǒng)易于實現(xiàn)高速化，其不足之處在于轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重、低速性能不好、轉(zhuǎn)子參數(shù)受溫度影響大，難于實現(xiàn)精密控制。對于同步型電主軸，其優(yōu)點在于：⑴ 轉(zhuǎn)子不發(fā)熱，從原理上避免了旋轉(zhuǎn)軸熱變形和向軸承散熱等問題。⑶ 體積和重量大為減小，轉(zhuǎn)動慣量小，易于快速起動和準(zhǔn)停。⑸ 低速性能好。 高速電主軸的精密加工和精密裝配技術(shù)為了保證電主軸在高速運轉(zhuǎn)時的回轉(zhuǎn)精度和剛度，其關(guān)鍵零件必須進(jìn)行精密加工或超精密加工。主軸與軸承的配合面、主軸錐孔與刀柄的配合面、主軸拉刀孔的表面、主軸前后軸承德同軸度、主軸的徑向圓跳動是必須保證的主要精度指標(biāo)。精密裝配要保證的主要兩點是電主軸整體剛度和整體的動平衡精度。此外，高速主軸上旋轉(zhuǎn)刀具的裝配也是精密裝配工藝需要考慮的因素。定時就是指每隔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。油氣潤滑技術(shù)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(zhuǎn)時因油的阻力而發(fā)熱。 高速電主軸發(fā)展及現(xiàn)狀 高速電主軸技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀 早在 20 世紀(jì) 50 年代，就已經(jīng)出現(xiàn)了用于磨削小孔的高頻電主軸，當(dāng)時的變頻器采用的是真空電子管，雖然轉(zhuǎn)速高，但傳遞的功率小，轉(zhuǎn)矩也小。國外高速電主軸技術(shù)發(fā)展較快，中等規(guī)格的加工中心的主軸轉(zhuǎn)速目前己普遍達(dá)到10000r/min 甚至更高。到 90 年代末期，電主軸發(fā)展的水平是:轉(zhuǎn)速 40,000 r/min，功率 40 KW(即所謂的“4040 水平”)。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(chǎn)廠，批量生產(chǎn)一系列用于加工中心和高速數(shù)控機床的電主軸。高速電主軸生產(chǎn)技術(shù)的突破，大大推動了世界高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。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。日本廠商現(xiàn)己成為世界上超高速機床的主要提供者。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)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。尤其在數(shù)控機床的高速化和品種發(fā)展上進(jìn)步明顯。在高速加工中心展品中，寧江機床集團(tuán)公司的 NJ5HMC40 臥式加工中心最高主軸轉(zhuǎn)速達(dá) 40000r /min，快速行程達(dá) 60m/min。高速加工機床的涌現(xiàn)及超高速切削技術(shù)的發(fā)展，帶動了相關(guān)技術(shù)及數(shù)控功能部件的專業(yè)化生產(chǎn)。它們是數(shù)控機床的核心組成部分。功能部件技術(shù)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(shù)控機床整機的技術(shù)水平和性能，也制約著主機的發(fā)展速度。國產(chǎn)電主軸技術(shù)水平的高低必然影響產(chǎn)品在主機上的應(yīng)用。功能部件跟不上，發(fā)展數(shù)控機床將成為空話。我們要抓住目前的黃金發(fā)展機遇，學(xué)習(xí)國外同行的先進(jìn)技術(shù)，探索國際合作途徑，共同為做大做強數(shù)控功能部件產(chǎn)業(yè)，為國產(chǎn)數(shù)控機床的發(fā)展而努力奮斗。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(xué)特性。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(yù)緊的 2844 系列雙向推力角接球軸承承受和軸向定位。mnd610.?陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 10 頁 共 67 頁為了改善主軸速度性能，上個世紀(jì)八十年代又出現(xiàn)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(dá)到mnd。?根據(jù)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(jié)構(gòu)布局設(shè)計方式：（l）主電機置于主軸前、后軸承之間。后支承選用小尺寸軸承，雖然會降低速度回數(shù)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。（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。當(dāng)今世界各國都競相發(fā)展自己的高速加工技術(shù)，并成功應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。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。⑶零件可換性好，有利于模具行業(yè)制造。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)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(shù)量可減少?，F(xiàn)代高速加數(shù)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(xué)等領(lǐng)域內(nèi)顯示期旺盛的生命力。因此，電主軸單元技術(shù)的發(fā)展也對現(xiàn)代數(shù)控機床的發(fā)展及高速加工技術(shù)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。電主軸是由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)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(jìn)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。⑵簡化結(jié)構(gòu)，促進(jìn)機床結(jié)構(gòu)模塊化。⑶降低機床成本，縮短機床研制周期。此外，還可以縮短機床研制周期，適應(yīng)目前快速多變的市場趨勢。采用電主軸結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床，由于結(jié)構(gòu)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(shù)成熟、功能完善、性能優(yōu)良、質(zhì)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(jìn)一步提高。有些高檔數(shù)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。在編碼系統(tǒng)的控制下，該驅(qū)動器能方便地控制電動機實現(xiàn)準(zhǔn)速、陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 12 頁 共 67 頁準(zhǔn)停和準(zhǔn)位等功能。圖 內(nèi)裝式電主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖內(nèi)裝式電主軸單元是電主軸系統(tǒng)的核心。內(nèi)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(qū)動控制器提供的中頻電，并將其轉(zhuǎn)換成電主軸的機械能。(3)冷卻系統(tǒng) 為將電主軸電動機及軸承高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱能帶走而設(shè)置在電主軸內(nèi)腔的熱交換器。其中拉刀器由電主軸轉(zhuǎn)速、傳遞扭矩的不同可選用 HSK、瓣爪、鋼球拉刀等不同型式。(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(fù)荷的系統(tǒng)。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(nèi)冷式，高速電主軸刀具冷卻選用外冷式。其中鋼質(zhì)碼盤應(yīng)安裝在轉(zhuǎn)軸本體上，接收器應(yīng)牢靠地安裝在電主軸外殼上，以實現(xiàn)準(zhǔn)確的相角控制以及進(jìn)給的配合，同時應(yīng)便于調(diào)整。電主軸的基本結(jié)構(gòu)包括以下幾個部分：軸殼、轉(zhuǎn)軸、軸承、定子和轉(zhuǎn)子。對電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計就是圍繞這幾個部分展開的。軸殼的尺寸精度和位置精度直接影響主軸綜合精度。電主軸為加裝電動機定子，必須開放一端。高速、大功率和超高速電主軸，應(yīng)該嚴(yán)格控制整機裝配精度。成品轉(zhuǎn)軸的形位公差和尺寸精度要求都很高。因此，必須對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行嚴(yán)格的動平