高速電主軸及其結(jié)構(gòu).doc

_高速電主軸及其結(jié)構(gòu)報(bào)告 姓名：周李念 學(xué)號(hào)：20122449 班級(jí)：機(jī)自實(shí)驗(yàn)04班 重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院精品資料高速電主軸及其結(jié)構(gòu)周李念（重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院機(jī)自實(shí)驗(yàn)04班） 摘要：高速加工能顯著地提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，是制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，也是一項(xiàng)非常有前景的先進(jìn)制造技術(shù)。實(shí)現(xiàn)高速加工的首要條件是高質(zhì)量的高速機(jī)床，而高速機(jī)床的核心部件是高速電主軸單元，它實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，是一種新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，其性能好壞在很大程度上決定了整臺(tái)機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率。 關(guān)鍵詞： 高速加工；電主軸；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 高速電主軸概述高速電主軸最早是用于磨削機(jī)床加工，逐步發(fā)展到加工中心電主軸及其他各行業(yè)機(jī)床主軸.典型的磨削電主軸的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，傳統(tǒng)的主軸一般是通過傳動(dòng)帶、齒輪來進(jìn)行傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，而電主軸的驅(qū)動(dòng)是將異步電機(jī)直接裝入主軸內(nèi)部，通過驅(qū)動(dòng)電源直接驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行工作，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸系統(tǒng)的零傳動(dòng)，形成“直接傳動(dòng)主軸”.從而減少中間皮帶或者齒輪機(jī)械傳動(dòng)等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械與電機(jī)一體的主軸單元.電主軸不但減少了中間環(huán)節(jié)存在的打滑、振動(dòng)和噪音的因素，也加速了主軸在高速領(lǐng)域的快速發(fā)展，成為滿足高速切削，實(shí)現(xiàn)高速加工的最佳方案，其高轉(zhuǎn)速、高精度、高剛性、低噪音、低溫升、結(jié)構(gòu)緊湊、易于平衡、安裝方便、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，使它在超高速切削機(jī)床上得到廣泛的應(yīng)用1. . 1 轉(zhuǎn)軸；2 前軸承組；3 定子部件；4 轉(zhuǎn)子部件；5 后軸承組；6 進(jìn)-出水孔；7 進(jìn)油孔；8 接線座；9 出油孔圖1 電主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 高速電主軸的優(yōu)點(diǎn)： 高速電主軸取消了由電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)工作的中間變速和傳動(dòng)裝置（如齒輪、皮帶、聯(lián)軸節(jié)等），因此高速電主軸具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）主軸由內(nèi)裝式電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，省去了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，噪聲低，主軸振動(dòng)小，回轉(zhuǎn)精度高，快速響應(yīng)性好，機(jī)械效率高；（2）電主軸系統(tǒng)減少了高精密齒輪等關(guān)鍵零件，消除了齒輪傳動(dòng)誤差，運(yùn)行時(shí)更加平穩(wěn)；（3）采用交流變頻調(diào)速和矢量控制技術(shù)，輸出功率大，調(diào)速范圍寬，功率扭矩特性好，可在額定轉(zhuǎn)速范圍實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，以適應(yīng)各種負(fù)載和工況變化的需要；（4）可實(shí)現(xiàn)精確的主軸定位，并實(shí)現(xiàn)很高的速度、加速度及定角度快速準(zhǔn)停，動(dòng)態(tài)精度和穩(wěn)定性好，可滿足高速切削和精密加工的需要；（5）大幅度縮短了加工時(shí)間，只有原來的約 1/4；（6）加工表面質(zhì)量高，無需再進(jìn)行打磨等表面處理工序；2 高速電主軸的結(jié)構(gòu)2高速電主軸要求具備很高的工作性能，因此對(duì)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材質(zhì)、加工工藝和檢驗(yàn)等方面都有非常嚴(yán)格的要求.電主軸設(shè)計(jì)時(shí)，需要確定主軸的總體性能參數(shù)、主軸的實(shí)際結(jié)構(gòu)（根據(jù)軸承形式、配置、驅(qū)動(dòng)方法、潤(rùn)滑、等參數(shù)來確定）、主軸軸承的選型確認(rèn)、軸承的壽命、主軸的剛度、危險(xiǎn)速度、軸承游隙（預(yù)緊力）、主軸的尺寸（軸徑、長(zhǎng)度、軸承支距等）和主軸實(shí)際安裝條件的要求等等因素.2.1 電主軸的轉(zhuǎn)軸及要求轉(zhuǎn)軸是高速電主軸的主要零件之一， 轉(zhuǎn)軸的材料一般是經(jīng)過軋制或鍛造經(jīng)切削加工的碳素鋼或合金鋼.它用來安裝各種傳動(dòng)零件，使之繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞轉(zhuǎn)矩或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過軸承與主軸機(jī)架或機(jī)座相聯(lián)接.轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)，完成表面成型運(yùn)動(dòng)，承受切削和驅(qū)動(dòng)等載荷的作用.因此，對(duì)軸有很高的技術(shù)要求，應(yīng)滿足下列幾方面的要求：(1) 節(jié)約材料，減輕重量，在特殊情況下選用合適的具有耐腐蝕性和耐高溫性的材料；(2) 在結(jié)構(gòu)上要受力合理、盡量避免或減少應(yīng)力集中現(xiàn)象；(3) 提高足夠的強(qiáng)度（靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度）和剛度的結(jié)構(gòu)措施；(4) 轉(zhuǎn)軸在高速時(shí)的振動(dòng)穩(wěn)定性及良好的加工工藝性，保證精度要求；(5) 易于各個(gè)零件在軸上精確定位、穩(wěn)固、裝配、裝拆和調(diào)整方便. 1 轉(zhuǎn)軸；2 前軸承組件；3 平衡環(huán)；4 轉(zhuǎn)子部件；5 后軸承組件圖2 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖.在一般情況下，轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)為階梯形，將內(nèi)裝的電機(jī)轉(zhuǎn)子部件與轉(zhuǎn)軸聯(lián)接在一起形成整體部件，如圖2 所示.該轉(zhuǎn)軸部件最大的優(yōu)點(diǎn)是前后軸承組件、電機(jī)轉(zhuǎn)子部件、平衡環(huán)均采用先進(jìn)的感應(yīng)加熱下套工藝方法進(jìn)行組裝，無鍵槽的設(shè)計(jì)工藝方法，不但增加了轉(zhuǎn)軸的剛度，同時(shí)，通過平衡環(huán)調(diào)整轉(zhuǎn)軸整體動(dòng)平衡量，最大限度地降低了轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)由于偏心造成的振動(dòng)和偏差. 2.2 電主軸的電動(dòng)機(jī)技術(shù) 電主軸將機(jī)床主軸與電機(jī)合二為一，形成內(nèi)裝式主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是機(jī)床的核心關(guān)鍵部件之一，它不但要實(shí)現(xiàn)高速、高精度、高剛度等要求，還必須要實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作時(shí)輸出的較大轉(zhuǎn)矩力和承受較寬領(lǐng)域的恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)范圍.尤其是在轉(zhuǎn)速要求較高且加減速操作頻繁的領(lǐng)域，如加工中心、銑鏜床、磨床、鉆床等領(lǐng)域. .內(nèi)裝式主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，簡(jiǎn)化了機(jī)床的構(gòu)造.因?yàn)檗D(zhuǎn)子安裝在主軸上，降低了轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)由于偏心造成的振動(dòng)和偏差，而且獲得較短的起動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)時(shí)間，恒功率調(diào)速范圍寬、噪聲小、維修簡(jiǎn)單.但是，電機(jī)也是一個(gè)很大的發(fā)熱源，要控制電機(jī)的溫度，安裝時(shí)最好選用有水冷的水套結(jié)構(gòu)最佳. 2.3 電主軸的軸承技術(shù) 軸承是高速電主軸的重要組成部分，它的類型、配置、精度對(duì)電主軸的工作性能、旋轉(zhuǎn)精度有著很大的影響.電主軸一般采用角接觸球軸承，主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力引起的內(nèi)圈膨脹、球旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力會(huì)引起內(nèi)部負(fù)荷以及內(nèi)外圈的溫度差等均會(huì)使軸承內(nèi)部的球和內(nèi)外圈滾道之間的接觸應(yīng)力增大.而且，采用角接觸球軸承這樣有著接觸角的軸承， 在旋轉(zhuǎn)中伴隨著自轉(zhuǎn)滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)時(shí)的滑動(dòng)等各種形式的滑動(dòng)而產(chǎn)生滾動(dòng)接觸，這些滑動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速增加而加大，因此接觸部分的發(fā)熱也會(huì)變大，特別是采用油脂潤(rùn)滑的軸承，由于潤(rùn)滑油的粘度下降，有時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)缺少潤(rùn)滑油膜而燒傷的情況.高速電主軸軸承的選用要根據(jù)切削負(fù)荷大小、形式和轉(zhuǎn)速的要求，優(yōu)先選用陶瓷觸球軸承.與鋼球軸承相比，陶瓷球軸承優(yōu)點(diǎn)有： （1）鋼與陶瓷組成的陶瓷球軸承摩擦性能特好，能降低材料與潤(rùn)滑劑的應(yīng)力； （2）因密度較低，可降低運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的離心力； （3）較低的熱膨脹系數(shù)能有效的降低軸承預(yù)壓負(fù)荷的變化； （4）較高的彈性模數(shù)，使軸承的剛性更高.陶瓷球軸承在高速及重載的條件下，可獲得高剛度、低溫升和長(zhǎng)壽命的效果，可以提高主軸的整體精度. 2.4. 冷卻技術(shù) 高速電主軸旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的發(fā)熱和溫升問題是高速電主軸研究的一個(gè)重點(diǎn)。電主軸內(nèi)部有兩個(gè)主要熱源：內(nèi)置電機(jī)和主軸軸承。軸承產(chǎn)生的熱量可用潤(rùn)滑系統(tǒng)來冷卻。內(nèi)置電機(jī)的發(fā)熱量 2/3 由定子產(chǎn)生，1/3 由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生。其中由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量絕大部分通過轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙傳給了定子。高速電主軸將電機(jī)置于主軸內(nèi)部、定子直接安裝在殼體內(nèi)的結(jié)構(gòu)使其在電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程中，有一部分電能會(huì)直接轉(zhuǎn)化為熱能，而這些熱能很難向外擴(kuò)散，對(duì)電機(jī)的散熱極其不利。高速電主軸的冷卻系統(tǒng)主要依靠冷卻液的循環(huán)流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，流動(dòng)的冷壓縮空氣也能起到一定的冷卻作用。也可以經(jīng)過油冷卻裝置的冷卻油強(qiáng)制性地在主軸定子外及主軸軸承外循環(huán)，帶走電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量。油冷裝置控制方式有兩種：定溫控制與差溫控制。電主軸的冷卻系統(tǒng)可分為外水套和內(nèi)水套兩種：大型電主軸功率大，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量多，采用內(nèi)水套式冷卻系統(tǒng)強(qiáng)化電動(dòng)機(jī)定子的冷卻；小型高速電主軸功率小，軸承發(fā)熱量卻大，采用外水套式或定子和軸承均帶水套的方法冷卻，為了提高散熱效果，電主軸常采用油水熱交換的冷卻方法，對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，圖 2.6 為油水熱交換冷卻系統(tǒng)的示意圖。為了保證電機(jī)的絕緣性，系統(tǒng)采用連續(xù)、大流量的冷卻油對(duì)定子進(jìn)行循環(huán)冷卻。冷卻油從主軸殼體上的入油口流入，通過定子冷卻套與電機(jī)定子進(jìn)行熱交換，帶走電機(jī)產(chǎn)生的絕大部分熱量，再?gòu)臍んw上的出油口流出，然后流入逆流式冷卻交換器，并在交換器中與冷卻水進(jìn)行熱交換，當(dāng)其溫度降低到接近室溫時(shí)，便流回油箱，再經(jīng)過油泵增壓輸送到入油口，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻。圖 2.6 油水熱交換冷卻系統(tǒng)示意圖2.5 電主軸的動(dòng)平衡技術(shù)高速機(jī)床的廣泛應(yīng)用，加速了主軸對(duì)轉(zhuǎn)速的高要求.轉(zhuǎn)速的提高使機(jī)床主軸各零部件在加工制造過程中，首先對(duì)材質(zhì)提出了的較高要求，包括轉(zhuǎn)軸毛胚是否有缺陷、材質(zhì)是否均勻、形狀是否對(duì)稱及加工裝配是否有誤差等各個(gè)方面.電主軸的動(dòng)平衡也是裝配前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，動(dòng)平衡的高低直接影響主軸單元的噪聲、振動(dòng)、發(fā)熱等性能標(biāo).通常在完成零部件加工后，轉(zhuǎn)軸首先需要做單體動(dòng)平衡試驗(yàn)，使轉(zhuǎn)軸不平衡離心力降到最小值，接著安裝上螺母等單體逐步進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，待組裝后還要對(duì)整機(jī)進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)顯示達(dá)到理想的動(dòng)態(tài)性能，從而提高主軸整機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度，延長(zhǎng)軸承及整個(gè)主軸系統(tǒng)的壽命.由于轉(zhuǎn)軸上附加的零件偏多，裝配前可能無法一一平衡，因此，必要時(shí)可做在線動(dòng)平衡試驗(yàn).同時(shí)，為方便調(diào)整電主軸整機(jī)的平衡，通常應(yīng)在轉(zhuǎn)軸前后螺母上預(yù)留數(shù)個(gè)平衡螺孔，以保證轉(zhuǎn)軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性3參考文獻(xiàn)