電主軸培訓(xùn)教材

高速加工中心電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用The construction design and key technology applicationOf motor spindle which used in high-speed machining centres 2014年10月33高速加工中心電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用 摘 要現(xiàn)代汽車制造技術(shù)引入柔性化時(shí)代，高速加工中心成為了發(fā)動(dòng)機(jī)柔性化生產(chǎn)線的重要組成部分，高速加工大大提高了生產(chǎn)率、加工精度、加工質(zhì)量，并降低成本。而高速電主軸是高速加工中心核心部件，因而對(duì)高速加工中心電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行分析具有十分重大意義。本文首先針對(duì)加工中心高速電主軸的介紹了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、附件設(shè)計(jì)等，對(duì)兩種不同的電主軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，主軸與轉(zhuǎn)子的配合設(shè)計(jì)的方法；附件是電主軸重要組成部分，直接影響到電主軸使用性能。接著，重點(diǎn)論述了高速電主軸的關(guān)鍵技術(shù)，如：電主軸熱穩(wěn)定分析、軸承的潤(rùn)滑技術(shù)、動(dòng)平衡設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)等。本文對(duì)高速電主軸重要組成部分角接觸陶瓷球軸承進(jìn)行了重點(diǎn)論述，尤其是詳細(xì)分析了軸承的預(yù)緊力。最后，結(jié)合本人工作，介紹電主軸的維護(hù)與維修，其中對(duì)脂潤(rùn)滑的電主軸裝配做了詳細(xì)介紹。 關(guān)鍵詞： 高速加工 電主軸 附件設(shè)計(jì) 軸承 維護(hù)與維修The construction design and key technology application Of motor spindle which used in high-speed machining centres Abstract Key words： 目 錄第一章 緒 論11.1 課題研究背景及主要內(nèi)容11.1.1課題來(lái)源11.1.2課題意義11.2 高速加工與電主軸11.2.1高速加工概述11.2.2電主軸概述11.2.3電主軸技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀1本章小結(jié)4第二章 高速加工中心電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析52.1 電主軸的性能分析12.1.1精度和靜剛度12.1.2臨界速度12.1.3殘余動(dòng)不平衡值及驗(yàn)收振動(dòng)速度值12.1.4噪音與套筒的溫升值12.1.5使用壽命值12.1.6電主軸與刀具接口12.2 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析12.2.1電主軸結(jié)構(gòu)12.2.2軸殼和轉(zhuǎn)軸12.2.3主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子的配合1 2.3 電主軸附件設(shè)計(jì)12.3.1電主軸刀具松夾刀系統(tǒng)12.3.2內(nèi)置編碼器12.3.3刀具內(nèi)冷裝置12.3.4主軸的氣吹和氣密封12.3.5松夾刀信號(hào)檢測(cè)1本章小結(jié)4第三章電主軸設(shè)計(jì)制造的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題3.1電主軸的熱穩(wěn)定分析13.2軸承的潤(rùn)滑技術(shù)13.2.1油脂潤(rùn)滑13.2.2油霧潤(rùn)滑13.2.3油-氣潤(rùn)滑13.3動(dòng)平衡設(shè)計(jì)13.4驅(qū)動(dòng)技術(shù)1本章小結(jié)4第四章 高速電主軸的角接觸陶瓷球軸承的性能分析14.1磁懸浮軸承與動(dòng)靜壓軸承14.1.1磁懸浮軸承14.1.2動(dòng)靜壓軸承14.2混合陶瓷球軸承14.2.1混合陶瓷球軸承的概述14.2.1選擇混合陶瓷球軸承的理由公式14.2混合陶瓷球軸承14.2.2角接觸陶瓷球軸承的支承方式14.2.2混合陶瓷球軸承的裝配預(yù)加載荷1本章小結(jié)4第五章 高速電主軸電主軸的維護(hù)與維5.1電主軸的維護(hù)15.1.1周保養(yǎng)15.1.2月保養(yǎng)15.1.4蝶形彈簧的漲緊力檢查15.2電主軸的易損件的更換步驟與常見(jiàn)故障分析15.2.1更換刀具夾緊組件步驟15.2.2更換旋轉(zhuǎn)接頭步驟15.2.3軸承裝配的步驟1本章小結(jié)4圖2-1 軸向剛度和徑向剛度的測(cè)量位置1圖2-2 臨界速度1圖2-3 電主軸裝配圖1圖2-4 主軸附件結(jié)構(gòu)圖1圖2-5 松夾刀油缸 1圖2-6 刀具內(nèi)冷冷卻液1圖2-7 電主軸氣吹和氣密封1圖2-8 模擬量檢測(cè)傳感器1圖3-1 冷卻系統(tǒng)1表3-1軸承潤(rùn)滑方式性能對(duì)比表1表3-2 FAG電主軸軸承潤(rùn)滑脂性能1表3-3 軸承供油量與軸承內(nèi)徑的關(guān)系1圖3-2 油-氣潤(rùn)滑1圖3-3 磁懸浮軸承原理1第一章 緒 論1.1課題研究背景及主要內(nèi)容1.1.1課題來(lái)源本課題來(lái)自于奇瑞汽車股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)公司設(shè)備部關(guān)于成立電主軸維修間的一個(gè)項(xiàng)目。1.1.2課題意義大約一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，組合機(jī)床自動(dòng)線以其高效率統(tǒng)治了汽車工業(yè)的生產(chǎn)。隨著競(jìng)爭(zhēng)加劇，汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代周期從幾十年縮短到4年，組合機(jī)床自動(dòng)線由于缺乏柔性而無(wú)法適應(yīng)。20世紀(jì)80年代，美國(guó)汽車巨人福特與機(jī)床巨人INGERSOLL合作，研制了集高柔性與高效率于一身的高速加工中心，由它組成的柔性自動(dòng)生產(chǎn)線問(wèn)世，加快了汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高了企業(yè)的效率和靈活性。近年來(lái)，我國(guó)汽車工業(yè)采用了大量的數(shù)控設(shè)備，轎車裝備整體上進(jìn)入了柔性化時(shí)代。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟一樣，發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)汽車制造技術(shù)的集中體現(xiàn)。汽車面世以來(lái)。發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了兩次革命。第一次革命發(fā)生在二十世紀(jì)初，美國(guó)福特汽車公司創(chuàng)始人福特發(fā)明了大量生產(chǎn)流水線。其主要方式，是由組合/專用機(jī)床（special purpose machine/Transfer machine）組成的自動(dòng)生產(chǎn)線TL(Transfer Line)，也稱為傳統(tǒng)自動(dòng)線。其最大的優(yōu)點(diǎn)是高生產(chǎn)率幾十甚至上百把刀同時(shí)加工，其效率是任何其它類型生產(chǎn)線無(wú)法比擬的；低價(jià)格特別是我國(guó)，組合專機(jī)價(jià)格甚至低于批量生產(chǎn)的通用數(shù)控機(jī)床。其最大的缺點(diǎn)是柔性差，一旦產(chǎn)品變型和更換品種即基本上無(wú)法使用。為了解決產(chǎn)品的變型生產(chǎn)和便于更換品種，柔性生產(chǎn)技術(shù)被引進(jìn)了汽車生產(chǎn)。二十世紀(jì)九十年代出現(xiàn)了高轉(zhuǎn)速、高快移速度、高加速度、快速換刀的高速加工中心。由其組成了高速柔性生產(chǎn)線FTL(Flexible Transfer Line)是發(fā)動(dòng)機(jī)制造的第二次革命。其突出特點(diǎn)是一定程度克服了高柔性和低效率的矛盾。這種生產(chǎn)線不僅可以加工同樣產(chǎn)品范圍內(nèi)的零件，而且可以可以加工變型產(chǎn)品、換代產(chǎn)品以及新產(chǎn)品，真正具備了柔性的意義。缺點(diǎn)是投資大，效率受局限。目前是我國(guó)轎車企業(yè)的熱點(diǎn)生產(chǎn)線。奇瑞汽車股份有限公司自從2003年來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線進(jìn)入了柔性化時(shí)代，從國(guó)外引進(jìn)了將近20條柔性生產(chǎn)線。這些柔性生產(chǎn)線是高速加工中心和相應(yīng)的輔機(jī)，再上加智能工具而組成。對(duì)高速加工中心主要要求是：高速度、高精度、高精度保持性高機(jī)床工程能力指數(shù)（cm/cmk），高可靠性等。高速加工中心的機(jī)床指標(biāo)范圍是：快移速度：60100m/min，加速度：0.61.5g；主軸最高轉(zhuǎn)速：800015000r/min。定位精度/重復(fù)定位精度工作臺(tái)1 m以下，8m/4m，工作臺(tái)1m以上，10m/5m（VDI標(biāo)準(zhǔn)）。主軸從啟動(dòng)到最高轉(zhuǎn)速(或相反)只用12s的時(shí)間，工作臺(tái)的加(減)速度要達(dá)到(110)g(g=9.81m/s2)。目前，國(guó)際上這類加工中心的最新發(fā)展是，主運(yùn)動(dòng)普遍采用電主軸，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)愈來(lái)愈多采用直線電機(jī)。同時(shí)，普遍運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)床非常簡(jiǎn)約，外購(gòu)件（配套件）比例增加，交貨期大大縮短。奇瑞發(fā)動(dòng)機(jī)公司目前在這些柔性生產(chǎn)線上，共有各類加工中心350臺(tái)，這些高速加工中心，主運(yùn)動(dòng)普遍采用電主軸。因此，使用了近260根電主軸。電主軸作為高速加工中心最關(guān)鍵部件，其性能好壞在很大程度上決定了整臺(tái)高速機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率，電主軸在國(guó)外研究工作開(kāi)展較早，現(xiàn)在已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。但是，我國(guó)電主軸的設(shè)計(jì)制造技術(shù)剛剛起步，電主軸的各項(xiàng)性能指標(biāo)和國(guó)外尚有較大的差距，對(duì)國(guó)外電主軸缺乏核心技術(shù)資料，后期的維護(hù)保養(yǎng)與維修工作還在摸索的過(guò)程中。在購(gòu)買設(shè)備時(shí)，電主軸廠家要求，高速電主軸6000小時(shí)就要進(jìn)行保養(yǎng)，部分廠家還要求23萬(wàn)小時(shí)需要更換軸承（脂潤(rùn)滑方式的電主軸），以確保主軸的壽命和精度。鑒于以上，奇瑞汽車股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)公司設(shè)備部做出了成立電主軸維修間的決定，本課題的研究對(duì)奇瑞公司乃至國(guó)內(nèi)同行以后更好的使用與維護(hù)電主軸，使其創(chuàng)造最大的經(jīng)濟(jì)效益具有著非常重大的意義。1.2高速加工與電主軸1.2.3高速加工概述高速加工技術(shù)是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠的實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的高精度、高自動(dòng)化、高柔性的制造設(shè)備，一大幅度的提高切削速度來(lái)達(dá)到提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù)。它是提高切削效率、加工質(zhì)量、加工精度和降低加工成本的重要手段。其顯著標(biāo)志是使被加工塑性金屬材料在切削過(guò)程的剪切滑移速度或超過(guò)某一域限值，開(kāi)始趨向最佳切除條件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面溫度、刀具磨具磨損、加工表面質(zhì)量等明顯優(yōu)于傳統(tǒng)切削速度下的指標(biāo)，而加工效率則大大高于傳統(tǒng)切削速度下的加工效率。實(shí)現(xiàn)高速加工技術(shù)的核心關(guān)鍵技術(shù)有：高速切削機(jī)理，高速機(jī)床技術(shù)，高速加工用刀具技術(shù)，高速加工工藝技術(shù)，以及高速加工測(cè)試技術(shù)等。其中高速機(jī)床則是實(shí)現(xiàn)高速加工的前提和基本條件。現(xiàn)在，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都把生產(chǎn)高速機(jī)床作為重要的發(fā)展目標(biāo)，高速機(jī)床的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志。高速機(jī)床主要包括高速單元技術(shù)和機(jī)床整機(jī)技術(shù)。單元技術(shù)包括高速主軸、高速進(jìn)給系統(tǒng)、高速CNC控制系統(tǒng)等。機(jī)床整機(jī)技術(shù)包括機(jī)床床身、冷卻系統(tǒng)、安全設(shè)施、加工環(huán)境等。早在20世紀(jì)30年代，德國(guó)切削物理學(xué)家薩洛蒙（Carl.Salomon）就對(duì)高速切削技術(shù)進(jìn)行了研究。薩洛蒙發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削速度超過(guò)某一數(shù)值后，隨切削速度增大，切削溫度不升反而降，這與常規(guī)速度切削現(xiàn)象正好相反，而且這一臨界速度值后，隨切削速度增大正好相反，而且這一臨界速度值與工件材料的特性有關(guān)。美國(guó)在上世紀(jì)70年代進(jìn)行了高速切削試驗(yàn)，結(jié)果表明：切削力下降，表面質(zhì)量提高，加工效率提高3倍左右。其它西方發(fā)達(dá)國(guó)家也在高速加工技術(shù)方面做了許多工作，尤其是德國(guó)，在高速加工機(jī)床、刀具、控制系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)方面，均走在世界的前列。日本對(duì)于高速加工的機(jī)理研究也開(kāi)展得比較早，并積極地將相關(guān)先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于制造領(lǐng)域，90年代以來(lái)，日本已成為世界上為數(shù)不多的主要高速機(jī)床的供應(yīng)者之一。1.2.2電主軸概述 隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡(jiǎn)化，基本上取消了皮帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸合二為一的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件由機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立起來(lái)，因此可做成“主軸單元”。俗稱“電主軸(Motorzed Spindle)”。由于電主軸主要采用的是交流高頻電動(dòng)機(jī)，故也稱為“高頻主軸”；由于沒(méi)有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，有時(shí)有稱它為“直接轉(zhuǎn)動(dòng)主軸”。電主軸是一種智能型功能部件，不但轉(zhuǎn)速高，功率大，還有一系列控制主軸溫升與振動(dòng)等機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的功能，以確保其高速運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠與安全。高速加工和超高速加工機(jī)床采用電主軸,可以說(shuō)是最佳的選擇.這是因?yàn)椋? 若仍采用電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶或齒輪等方式傳動(dòng)，則在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲等問(wèn)題很難解決，勢(shì)必影響高速加工的精度，表面粗糟度，并導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量的惡化。2 高速加工的最終目的是為了提高生產(chǎn)率，相應(yīng)地要求在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速的速度變化，也即要求主軸回轉(zhuǎn)時(shí)具有較大的角加，減速度達(dá)到這個(gè)苛刻要求的最經(jīng)濟(jì)的辦法，是將主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡可能地減至最小。而只有將電動(dòng)機(jī)內(nèi)置，省掉齒輪，帶輪等一系列中間環(huán)節(jié)，才有可能達(dá)到這一目的。3 電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于主軸兩支承之間，與用帶、齒輪等作末端傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)相比，可提高主軸系統(tǒng)的剛度，也就提高了系統(tǒng)的固有頻率，從而提高來(lái)哦其臨界轉(zhuǎn)速值。這樣，電主軸即使在最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，仍可確保低于其臨界轉(zhuǎn)速，保證高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的安全。4 由于沒(méi)有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的外力作用和沖擊，因而傳動(dòng)更加平穩(wěn)，軸承壽命延長(zhǎng)。此外，電主軸與傳統(tǒng)的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，這樣也便于把它多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，多面體加工機(jī)床和并聯(lián)(虛擬軸)機(jī)床上。電主軸還應(yīng)用于主軸經(jīng)常要設(shè)定在某個(gè)電器旋角或其他角度的螺紋磨床，齒輪磨床，拉刀磨床等機(jī)床上。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，方便維修，一些平面磨床：萬(wàn)能外圓磨床等也采用了電主軸。1.2.3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(shí)的變頻器采用的真空電子管，雖然轉(zhuǎn)速高，但傳遞的功率小，轉(zhuǎn)矩也小。隨著高速切削發(fā)展的需要和功率電子器件、微電子器件的計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了全固態(tài)原件的變頻器和矢量控制驅(qū)動(dòng)器；加上混合陶瓷軸承的出現(xiàn)，使的在20世紀(jì)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。國(guó)外高速店主技術(shù)發(fā)展較快，中等規(guī)格的加工中心的主軸轉(zhuǎn)速目前已經(jīng)普遍達(dá)到10000r/min甚至更高。1976年美國(guó)的Vought公司首次推出一臺(tái)超高速銑床，采用了Bryant內(nèi)裝置電機(jī)住會(huì)走系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了20000 r/min，功率為15KW。到90年代末期，電主軸發(fā)展的水平是：轉(zhuǎn)速40000 r/min，功率40KW。但2001年美國(guó)Cincinnati公司為宇航工業(yè)生產(chǎn)了SuperMach大型高速加工中心，其電主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)60000 r/min，功率為80KW。目前世界各主要工業(yè)國(guó)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(jī)床的電主軸。其中最著名的生產(chǎn)廠家有：瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和Step-Tec公司，德國(guó)的GMN公司和FRANZ KESSLER FAG公司，瑞典的SKF公司，意大利的GAMFIOR公司Omlat和FOEMAT公司，日本的牧業(yè)機(jī)床和大隈加工中心的電主軸。高速電主軸生產(chǎn)技術(shù)的突破，大大推動(dòng)了世界高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。本章小結(jié)本章簡(jiǎn)要介紹了論文課題的來(lái)源及意義；概述了高速加工技術(shù)及特點(diǎn)；介紹了高速加工中心電主軸的發(fā)展和現(xiàn)狀，電主軸與機(jī)械主軸并進(jìn)行了比較。第二章 高速加工中心電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析2.1電主軸的性能參數(shù)2.1.1精度和靜剛度電主軸的精度和剛度與電主軸前后軸承的配置方式、主要零件的制造精度、選用滾動(dòng)軸承的尺寸和精度等級(jí)、裝配的技術(shù)水平和預(yù)加載荷的大小密切相關(guān)。必須強(qiáng)調(diào)指出，電主軸的最終精度往往可以得到等于或高于單個(gè)軸承的精度，這是由于裝配工人在裝配時(shí)巧于選配，將單個(gè)軸承的誤差進(jìn)行相互補(bǔ)償及恰當(dāng)施加預(yù)加載荷的結(jié)果。為此高速電主軸的生產(chǎn)對(duì)設(shè)計(jì)水平、制造工藝、工人技藝和裝配環(huán)境的潔凈度和恒溫控制等均有極為嚴(yán)格的要求，并不是一個(gè)制造企業(yè)都能生產(chǎn)精度合格、運(yùn)轉(zhuǎn)安全、壽命長(zhǎng)的電主軸。剛度分為軸向剛度和徑向剛度，其測(cè)量位置如圖2-1所示。其數(shù)值隨電主軸的套筒大小而變化，單位為N/um。而同樣大小尺寸的套筒，其剛度數(shù)值最高轉(zhuǎn)速高低而變化，一般最高轉(zhuǎn)速高的剛度小于最高轉(zhuǎn)速低的剛度。這既反映了電主軸工作的實(shí)際需要，又與轉(zhuǎn)速高時(shí)預(yù)加載荷較小有關(guān)。 圖2-1 軸向剛度和徑向剛度的測(cè)量位置2.1.2臨界速度臨界速度是指一個(gè)回轉(zhuǎn)質(zhì)量系統(tǒng)（包括刀具在內(nèi)，如圖2-2）在某一特定的支承條件下，產(chǎn)生系統(tǒng)最低一階共振時(shí)的轉(zhuǎn)速。臨界速度對(duì)高速回轉(zhuǎn)部件的安全運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。用戶在使用時(shí)，刀具質(zhì)量不能超出規(guī)定值，其長(zhǎng)度直徑比一般不應(yīng)大于某一數(shù)值（例如4：1），并要求使用經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡的刀具。如果用戶必須使用超重或大于規(guī)定的長(zhǎng)徑比的刀具，有些電主軸廠家可以承諾代為計(jì)算其新的臨界轉(zhuǎn)速值，以保證運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠。圖2-2 臨界速度2.1.3殘余動(dòng)不平衡值及驗(yàn)收振動(dòng)速度值高速回轉(zhuǎn)時(shí)，即使小的不平衡量，也會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，從而使電主軸系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)。為此，電主軸廠家必須對(duì)電主軸系統(tǒng)進(jìn)行精確的動(dòng)平衡。一般都執(zhí)行ISO標(biāo)準(zhǔn)G0.4級(jí)，即在最高轉(zhuǎn)速時(shí)，由于殘余動(dòng)不平衡引起振動(dòng)的速度最大允許值為0.4mm/s。2.1.4噪音與套筒的溫升值電主軸在最高轉(zhuǎn)速時(shí)，噪音一般應(yīng)低于7075db（A）。盡管電主軸的電動(dòng)機(jī)及前軸承外圍處都采用循環(huán)水冷卻，但仍會(huì)有一定的溫升。通常在套筒前端處（其溫升為T(mén)1）和套筒前軸承外圍處（其溫升為T(mén)2）測(cè)量溫升。當(dāng)電主軸在最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)至熱平衡狀態(tài)時(shí)，一般T1應(yīng)低于20，T2應(yīng)低于25。2.1.5使用壽命值由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，采用滾動(dòng)軸承的電主軸工況一般比較惡劣，因此，其使用壽命總是有限的，雖然這個(gè)壽命數(shù)據(jù)對(duì)用戶至關(guān)重要，但是電主軸制造廠不愿意以書(shū)面形式提供。其原因如下：（1）對(duì)機(jī)床而言，軸承失效形式不要不是材料表面疲勞，而是精度喪失。疲勞失效的壽命較長(zhǎng)，而且可進(jìn)行相對(duì)較為精確的計(jì)算；而精度喪失失效的壽命相對(duì)較短，而且很難精確計(jì)算。（2）精度壽命與使用的工況條件和用戶維護(hù)水平關(guān)系很大，而且精度喪失以后，難以分清是用戶的責(zé)任還是制造廠的責(zé)任。盡管這樣，在正常使用和維護(hù)的前提下，制造廠商一般應(yīng)保證使用壽命在500010000h。一套電主軸價(jià)值約為一臺(tái)高速數(shù)控機(jī)床的6%10%。電主軸在失效后，一般完全可以通過(guò)檢修恢復(fù)到新的程度的。因此機(jī)床用戶在訂購(gòu)高速機(jī)床時(shí)，最好備一套電主軸作為備件。這樣，失效時(shí)可以立即送修，同時(shí)換上備件繼續(xù)工作。雖然購(gòu)機(jī)成本相對(duì)較高，但是可以避免價(jià)值90%94%的機(jī)床至少數(shù)百小時(shí)，從經(jīng)濟(jì)上說(shuō)也是合算的。2.1.6電主軸與刀具接口此項(xiàng)雖不是基本參數(shù)，但關(guān)系到電主軸的使用性能。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外幾乎所有電主軸廠均可按用戶的需要，提供標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的刀具接口。用于車床時(shí)，可按照用戶要求提供卡盤(pán)的接口。2.2電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析2.2.1電主軸結(jié)構(gòu)圖2-3是Starrag-Heckert（斯大理格海科特）CWK4000-5000加工中心（a）和日本大隈公司的加工中心所使用的電主軸裝配圖紙（b），結(jié)構(gòu)上采用當(dāng)前比較流行的內(nèi)置電機(jī)、水循環(huán)冷卻、角接觸混合陶瓷軸承支撐的典型形式。圖（a）中的軸承采用了免維護(hù)油脂潤(rùn)滑，彈性預(yù)加載荷裝置；刀具夾緊松開(kāi)檢測(cè)開(kāi)關(guān)是模擬量的。圖（b）中的軸承采用了油氣潤(rùn)滑，剛性預(yù)加載荷；刀具夾緊松開(kāi)檢測(cè)開(kāi)關(guān)是數(shù)字量的。電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用壓配方法與主軸做成一體，主軸則由前后軸承支撐。轉(zhuǎn)子定子通過(guò)冷卻套安裝于主軸單元的殼體中。主軸的變速由主軸驅(qū)動(dòng)模塊控制，而主軸單元內(nèi)的溫升由冷卻裝置控制。在主軸的后部裝有測(cè)速、測(cè)角位移編碼器，松刀液壓油缸，供刀具內(nèi)冷水的靜動(dòng)陶瓷結(jié)合面旋轉(zhuǎn)接頭；前端有刀具夾爪、內(nèi)錐孔以及端面用于安裝和定位刀具；中間有中空的刀具拉桿，刀具拉緊的碟形彈簧；主軸殼體里面設(shè)置了鋁質(zhì)冷卻水套，循環(huán)水沿冷卻水套外壁流動(dòng)來(lái)冷卻電機(jī)和軸承2.2.2軸殼和轉(zhuǎn)軸軸殼的尺寸精度和位置精度直接影響主軸的綜合精度。通常將軸承座孔直接設(shè)計(jì)在軸殼上。電主軸為加裝電機(jī)定子，必須開(kāi)放一端。大型或特種電主軸，可將軸殼兩端均設(shè)計(jì)成開(kāi)放型。高速、大功率和超高速電主軸，其轉(zhuǎn)子直徑往往大于軸承外徑，為控制整機(jī)裝配精度，應(yīng)將后軸承安裝部分設(shè)計(jì)成無(wú)間隙配合。轉(zhuǎn)軸是高速電主軸的主要回轉(zhuǎn)體。它的制造精度直接影響電主軸的最終精度。成品轉(zhuǎn)軸的形位公差和 尺寸精度要求很高，轉(zhuǎn)軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由偏心質(zhì)量引起振動(dòng)，嚴(yán)重影響其動(dòng)態(tài)性能，必須對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行嚴(yán)格動(dòng)平衡測(cè)試。部分安裝在轉(zhuǎn)軸上的零件也應(yīng)隨轉(zhuǎn)軸一起進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試。2.2.3主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子的配合 對(duì)電主軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮一下幾個(gè)問(wèn)題：首先，它是一種精密部件，主軸軸承需要調(diào)整更換，要求軸上零件便于拆裝。其次，主軸軸承是在預(yù)緊力作用下工作的，軸承的定位元件在高速下承受一定的軸向力；電機(jī)的轉(zhuǎn)子安裝在主軸上，它與主軸的結(jié)合面?zhèn)鬟f扭矩。第三，主軸在高速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)平衡要求非常高，電機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)床主軸之間不宜采用鍵聯(lián)結(jié)來(lái)傳遞扭矩。為了解決上述問(wèn)題，我們?cè)陔娭鬏S的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了過(guò)盈聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)成階梯套的形式。階梯過(guò)盈套作為定位緊固元件，與螺紋聯(lián)結(jié)相比有以下優(yōu)點(diǎn)（1）不會(huì)在軸上產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，因而對(duì)軸的旋轉(zhuǎn)精度沒(méi)有影響。（2）易保證零件定位端與軸心線的垂直度，對(duì)軸承預(yù)緊時(shí)，不會(huì)引起軸承的受力不均，不影響軸承的壽命。（3）過(guò)盈套質(zhì)量均勻，主軸動(dòng)平衡易得到保證。（4）常用熱套法進(jìn)行安裝，注入壓力油的方法進(jìn)行拆卸，對(duì)主軸無(wú)損害。（5）定位可靠，可提高主軸的剛度。軸殼 軸殼是高速電主軸的主要部件。（a）SPECHT-500W加工中心電主軸圖紙（HSKA63 15000r/min） 1.刀柄 2.刀具夾爪 3.角接觸陶瓷球軸承 4.刀具拉桿 5.轉(zhuǎn)子 6.定子 7.蝶形彈簧 8.預(yù)緊力調(diào)整彈簧 9.軸承 10.內(nèi)置編碼器 11.松夾刀位置接近開(kāi)關(guān) 12.松夾刀油缸 13.刀具內(nèi)冷旋轉(zhuǎn)接頭 14.氣密封通道 15. 預(yù)緊力調(diào)整彈簧 16循環(huán)水冷通道（b）大偎加工中心電主軸圖紙（HSK-A100 12000r/min）1.刀具夾爪 2.角接觸陶瓷球軸承 3.刀具拉桿 4.轉(zhuǎn)子 5.定子 6.蝶形彈簧 7.軸承 8.內(nèi)置編碼器 9. 松夾刀油缸 10.內(nèi)冷桿 11.油-氣潤(rùn)滑管路 12. 循環(huán)水冷通道 13. 松夾刀位置接近開(kāi)關(guān)圖2-3 電主軸裝配圖2.3 電主軸附件設(shè)計(jì)電主軸要獲得好的性能和使用壽命，不僅對(duì)電主軸的軸承、伺服電機(jī)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)、制造、裝配，而且，它所帶附件設(shè)計(jì)要求也非常高。其附件不僅完美的實(shí)現(xiàn)電主軸的功能，而且要禁得起時(shí)間和速度的考驗(yàn)。為了適用于加工中心，電主軸為了完成ATC(刀具自動(dòng)交換)的動(dòng)作過(guò)程和剛性攻絲過(guò)程，必須內(nèi)置主軸編碼器；為了高速切削刀具進(jìn)行冷卻，選擇使用帶有陶瓷密封的旋轉(zhuǎn)接頭，為提供刀具內(nèi)冷冷卻液；電主軸還配備了自動(dòng)松夾刀具裝置、主軸氣密封、松夾刀信號(hào)檢測(cè)開(kāi)關(guān)等。2.3.1電主軸刀具松夾刀系統(tǒng)自動(dòng)松夾裝置（見(jiàn)圖2-4）包括刀具夾爪、碟形簧、松夾刀油缸等。松刀時(shí)，電主軸后面配置了一個(gè)松刀油缸9，油缸的后腔充入液壓油，使活塞向前推進(jìn)，從而把刀具拉桿5克服蝶形彈簧6的漲緊力向前伸出，拉桿向前移動(dòng)，刀具彈性?shī)A爪3收縮，刀具即可輕松拔出進(jìn)行新舊刀具的交換；新刀裝入后，液壓缸活塞后移，蝶形彈簧漲緊力把拉桿向后移動(dòng)，夾爪把刀具漲緊，把刀具錐柄和主軸內(nèi)錐孔和前端面緊密接觸，這樣就把刀具夾緊了。一般加工中心的換刀時(shí)間只有兩秒的時(shí)間，所以這套裝置非常靈活、能夠?qū)崿F(xiàn)快速刀具的松夾。 圖2-4 主軸附件結(jié)構(gòu)圖1.刀柄 2.拉桿頭部 3.夾爪 4.夾爪支架 5.拉桿 6.蝶形彈簧 7.拉桿尾部 8.松夾刀感應(yīng)錐體 9.松夾油缸 10.內(nèi)冷旋轉(zhuǎn)接頭 （1）刀具夾爪、拉桿、蝶形彈簧 根據(jù)奇瑞發(fā)動(dòng)機(jī)二廠481缸體線OP110工序共有兩臺(tái)加工中心，單班產(chǎn)量200臺(tái)，平均每臺(tái)生產(chǎn)100件缸體，生產(chǎn)一件主軸需要換刀20次，那么單班一臺(tái)加工中心主軸要更換2000次，刀具在單班里面就要重復(fù)松夾2000次，一年平均每根電主軸要進(jìn)行200萬(wàn)次，而且還要承受刀具夾緊力，所以刀具夾爪、拉桿要有非常高的強(qiáng)度和耐磨性，蝶形彈簧疲勞強(qiáng)度要好，來(lái)滿足電主軸加工時(shí)無(wú)數(shù)次的松夾刀具，不易很快磨損，拉裂；（2）松夾刀油缸 松夾刀油缸是一種特殊的油缸，活塞的中間有中心孔，來(lái)提供刀具內(nèi)冷冷卻液和壓縮空氣。油缸活塞向前移動(dòng)松開(kāi)刀具過(guò)程中，油缸松夾的作用力很大，一般把它作用在主軸本身上，使其自身形成作用力與反作用了，達(dá)到平衡，不會(huì)影響到主軸軸承的使用精度與壽命。 圖2-5 松夾刀油缸 P 進(jìn)油 T 回油 2.3.2內(nèi)置編碼器在ATC(刀具自動(dòng)交換)動(dòng)作過(guò)程中，由于刀具裝在主軸上，切削時(shí)切削轉(zhuǎn)矩不可能僅靠錐孔的摩擦力來(lái)傳遞，因此在主軸前端設(shè)置一個(gè)突鍵，當(dāng)?shù)毒哐b入主軸時(shí)，刀柄上的鍵槽必須與突鍵對(duì)準(zhǔn)，才能順利裝刀，所以電主軸必須設(shè)定一個(gè)準(zhǔn)停位置；剛性攻絲操作不使用浮動(dòng)卡頭而是由主軸的回轉(zhuǎn)與攻絲進(jìn)給軸的同步運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。主軸回轉(zhuǎn)一圈，攻絲軸的進(jìn)給量等于絲錐的螺距，這樣可提高精度和效率，欲實(shí)現(xiàn)剛性攻絲，電主軸必須檢測(cè)到回轉(zhuǎn)的起始角度和圈數(shù)。加工中心為了完成ATC和剛性攻絲動(dòng)作過(guò)程準(zhǔn)停位置和角度檢測(cè)，必須設(shè)置主軸位置編碼器。主軸編器由齒輪分度盤(pán)和傳感器組成。齒輪環(huán)一周有1024個(gè)齒齒輪分度盤(pán)（根據(jù)編碼器的精度需求）并且上面還有一個(gè)零點(diǎn)標(biāo)記，磁感應(yīng)傳感器感應(yīng)齒輪分度盤(pán)，通過(guò)檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)信號(hào)的通斷數(shù)量來(lái)計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度，反饋到數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的相位控制以及與進(jìn)給的配合。2.3.3刀具內(nèi)冷裝置高速切削的刀具一般采用恒溫的乳化液來(lái)冷卻，通過(guò)一個(gè)回轉(zhuǎn)接頭把恒溫的冷卻液從后部軸末端通過(guò)主軸刀具拉桿中心孔引導(dǎo)到刀具里面。刀具內(nèi)冷冷卻液必須經(jīng)過(guò)二級(jí)過(guò)濾，過(guò)濾精度為0.05mm（50m）內(nèi)冷壓力最大可達(dá)到70bar。為了解決為高速旋轉(zhuǎn)的主軸提供冷卻液，在主軸后面配置了一個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭，此裝置一端旋轉(zhuǎn)，另一端靜止不動(dòng)，兩者結(jié)合處選擇了耐磨的陶瓷密封的結(jié)合面，在靜止的那端，利用彈簧力把靜止陶瓷面始終貼靠到旋轉(zhuǎn)處的陶瓷面，即使有磨損，冷卻水也不會(huì)泄露。 圖2-6 刀具內(nèi)冷冷卻液 2.3.4主軸的氣吹和氣密封 通道 1是在活塞推動(dòng)拉桿松開(kāi)刀柄的過(guò)程中，壓縮空氣從后面的旋轉(zhuǎn)接頭到刀具拉桿中心孔，最后吹到主軸內(nèi)錐孔面和與刀具結(jié)合的主軸端面上，將它們吹干凈，防止主軸錐孔中掉入切屑和灰塵，防止主軸孔表面和刀具的錐柄劃傷，保證刀具的正確裝夾位置。通道2是在加工時(shí)和機(jī)床停機(jī)半小時(shí)內(nèi)，始終向主軸內(nèi)吹氣，共有兩個(gè)分支，前面的分支，保持主軸內(nèi)部與外部始終形成壓力差，保證加工區(qū)域的乳化液和切屑不進(jìn)到主軸前端的軸承里面，起到保護(hù)主軸軸承作用；后面分支是把電主軸的定子和轉(zhuǎn)子之間水霧吹走，使其空間始終保持干燥，起到保護(hù)電主軸的電機(jī)。 圖2-7 電主軸氣吹和氣密封2.3.5松夾刀信號(hào)檢測(cè)加工中心刀具夾緊和松開(kāi)檢測(cè)開(kāi)關(guān)一般模擬量傳感器和接近開(kāi)關(guān)，模擬量開(kāi)關(guān)一般使用位移傳感器來(lái)感應(yīng)一個(gè)錐體，此錐體安裝在刀具的拉桿上，在松夾刀過(guò)程中，和拉桿同步移動(dòng)，這樣就可以檢測(cè)到刀具拉桿的位移量，來(lái)判斷刀具松開(kāi)夾緊信號(hào)。接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)是利用一組開(kāi)關(guān)（一般3到4個(gè)接近開(kāi)關(guān)），有一個(gè)感應(yīng)環(huán)安裝到刀具拉桿上，同樣和刀具拉桿同步移動(dòng)，不同的信號(hào)組合來(lái)判斷刀具是否被松開(kāi)夾緊。 圖2-8 模擬量檢測(cè)傳感器本章小結(jié)本章介紹了高速加工中心的性能參數(shù)、隨后重點(diǎn)介紹了兩種不同廠家的電主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電主軸的組件設(shè)計(jì)，為第五章打下了基礎(chǔ)。第三章電主軸設(shè)計(jì)制造的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題3.1電主軸的熱穩(wěn)定分析內(nèi)置電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱是電主軸有兩個(gè)主要的內(nèi)部熱源。如果不加以控制，由此引起的熱變形會(huì)嚴(yán)重降低機(jī)床的加工精度和軸承使用壽命，從而導(dǎo)致電主軸的使用壽命縮短。 （1）電主軸由于采用內(nèi)藏式主軸結(jié)構(gòu)形式，位于主軸單元體中的電機(jī)不能采用風(fēng)扇散熱，因此自然散熱條件較差。電機(jī)在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗，從而使電機(jī)發(fā)熱。研究表明，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，有近1/3的電機(jī)發(fā)熱量由電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，并且轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過(guò)轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙傳入定子中；其余2/3的熱量產(chǎn)生于電機(jī)的定子。所以，對(duì)電機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對(duì)電機(jī)定子采用冷卻液的循環(huán)流動(dòng)來(lái)實(shí)行強(qiáng)制冷卻。加工中心電主軸典型的冷卻系統(tǒng)是用外循環(huán)水式冷卻裝置來(lái)冷卻電機(jī)定子，將電機(jī)的熱量帶走。如圖3-1所示。圖3-1 冷卻系統(tǒng)（2）角接觸球軸承的發(fā)熱主要是滾子與滾道之間的滾動(dòng)摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦以及潤(rùn)滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的。減小軸承發(fā)熱量的主要措施：（a）適當(dāng)減小滾珠的直徑 減小滾珠直徑可以減小離心力和陀螺力矩，從而減小摩擦，減少發(fā)熱量。（b）采用新材料 比如采用陶瓷材料做滾珠，陶瓷球軸承與鋼質(zhì)角接觸球軸承相比，在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠與滾道間的滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦減小，發(fā)熱量降低。（c）采用合理的潤(rùn)滑方式 油氣和油霧等潤(rùn)滑方式對(duì)軸承不但具有潤(rùn)滑作用，還具有一定的冷卻作用。3.2軸承的潤(rùn)滑技術(shù)為了保證滾動(dòng)軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須有良好的潤(rùn)滑。滾動(dòng)軸承的額定載荷和極限轉(zhuǎn)速都是在假設(shè)潤(rùn)滑適當(dāng)?shù)臈l件下確定的，所謂潤(rùn)滑適當(dāng)是指潤(rùn)滑劑選擇合適，潤(rùn)滑劑量適當(dāng)。潤(rùn)滑不良常是引起軸承早期破壞的主要原因之一。滾動(dòng)軸承中存在著多種滑動(dòng)，使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生摩擦發(fā)熱與磨損。對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑主要目的是避免滾道、滾動(dòng)體、保持架之間直接接觸，減小摩擦發(fā)熱，避免溫升過(guò)高，減少軸承零件磨損，防止銹蝕，延長(zhǎng)疲勞壽命。在循環(huán)油潤(rùn)滑中，潤(rùn)滑油的流動(dòng)還可以起到散熱冷卻的作用，脂潤(rùn)滑時(shí)，潤(rùn)滑脂還可以起到一定的密封作用。電主軸滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑有油脂、油霧、油-氣等潤(rùn)滑方式。脂潤(rùn)滑一般用在dmn(dm是軸承內(nèi)外徑的平均值，單位為mm；n是轉(zhuǎn)速，單位r/min)小于1106的低速主軸，在使用陶瓷軸承的條件下，可使dmn值提高25%-35%。dmn值在1106以上的主軸，多采用油霧、油-氣和噴射潤(rùn)滑方式。脂潤(rùn)滑油霧潤(rùn)滑油氣潤(rùn)滑dmn值最低較低一般軸承溫升高較高較低特點(diǎn)無(wú)須潤(rùn)滑裝置,密封簡(jiǎn)單,冷卻性能差灰塵和切削液不易侵入,污染環(huán)境,成本低灰塵和切削液不易侵入, 無(wú)污染, 能達(dá)到最小油量潤(rùn)滑,成本較高用途適用低速很少采用應(yīng)用廣泛 表3-1軸承潤(rùn)滑方式性能對(duì)比表3.2.1油脂潤(rùn)滑 滾動(dòng)軸承可用脂潤(rùn)滑是它的突出優(yōu)點(diǎn)之一。當(dāng)滾動(dòng)軸承的dmn較低時(shí)可用脂潤(rùn)滑。脂潤(rùn)滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒(méi)有漏油問(wèn)題。如果脂的選擇合適，潔凈、密封良好，則脂的使用壽命會(huì)很長(zhǎng)，一次充脂可以使用到大修，不需中途補(bǔ)充。因此，結(jié)構(gòu)上不必設(shè)計(jì)加脂孔。潤(rùn)滑脂由潤(rùn)滑油、稠化劑和添加劑在高溫下混合而成。潤(rùn)滑脂的填充量要適當(dāng)，過(guò)多的填脂將使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫升增大，同時(shí)也造成不必要的損耗。填充量不應(yīng)超過(guò)軸承內(nèi)部空間的30%，或用式3-1估算 Q=qdmB10-3 式3-1式中Q潤(rùn)滑脂填充量，cm3； q系數(shù)，d300mm、q=1.5， 130d160mm、q=2， 160 d 200、q=3，d200mm、q=4； B軸承寬度，mm。選擇潤(rùn)滑脂一般根據(jù)軸承的工作條件、工作溫度和載荷條件來(lái)決定潤(rùn)滑脂的種類和性能。高速電主軸一般選用鋰基脂或鋇基脂。國(guó)外各大軸承公司也都相應(yīng)研制有自成體系的適用于各種應(yīng)用場(chǎng)合的潤(rùn)滑脂。其中FAG軸承公司就為自己的電主軸軸承研制了幾種潤(rùn)滑脂，如表3-1FAG潤(rùn)滑脂ArcanolL75性能好，可以在80的溫度下，使軸承正常工作，廣泛用于高速電主軸的軸承的潤(rùn)滑。ArcanolL210是另一種高速潤(rùn)滑脂，由于它的粘度特性可以適用于更高的溫度，可以達(dá)到100。型號(hào)類型基油運(yùn)動(dòng)粘度40/100mm2/S耐溫度適用的軸承系列號(hào)ArcanolL75聚脲脂22/580HSS,HCS,XCSB,HCB2RSDArcanolL210聚脲脂65/10100表3-2 FAG電主軸軸承潤(rùn)滑脂性能3.2.2油霧潤(rùn)滑 如果滾動(dòng)軸承的dmn值較高時(shí)，則軸承不僅需要潤(rùn)滑還需要冷卻，此時(shí)可采用油霧潤(rùn)滑。油霧潤(rùn)滑以壓縮空氣為動(dòng)力，通過(guò)油霧器，使油液霧化并混入空氣流中，然后油嘴噴射到需要潤(rùn)滑的地方。油霧潤(rùn)滑能獲得良好而均勻的潤(rùn)滑效果，壓縮空氣不僅輸送油霧，還能帶走磨擦產(chǎn)生的熱量，大大降低磨擦副的工作溫度，又因油霧潤(rùn)滑大幅度降低潤(rùn)滑油的消耗量，從而減少了因攪拌而產(chǎn)生的發(fā)熱；此外，油霧潤(rùn)滑具有一定的壓力，因此可以起到良好的密封作用。油霧潤(rùn)滑的壓縮空氣的壓力一般要求為0.51.5bar，它所用的油量極少，每個(gè)軸承的供油量與軸承內(nèi)徑的關(guān)系列于表3-2中。軸承內(nèi)徑/mm油量/（mL/h）500.10.2501200.20.51200.51.0 表3-3 軸承供油量與軸承內(nèi)徑的關(guān)系3.2.3油-氣潤(rùn)滑 油-氣潤(rùn)滑是最近發(fā)展起來(lái)的一種所需油量最少的新技術(shù)，潤(rùn)滑劑消耗量是油霧潤(rùn)滑的1/10，能確保潤(rùn)滑的高效性并降低磨損，是一種比較理想的潤(rùn)滑方式，尤其適用于高速旋轉(zhuǎn)的滾動(dòng)軸承。油氣潤(rùn)滑與油霧潤(rùn)滑的主要區(qū)別是供給軸承的潤(rùn)滑油未被霧化，而是成滴狀進(jìn)入軸承中，因此比采用油霧潤(rùn)滑更容易在軸承中沉積，且不污染環(huán)境。由于使用大量空氣冷卻軸承，因此運(yùn)行溫度比采用油霧潤(rùn)滑和其它各種潤(rùn)滑方式低。因此允許軸承的dmn值可以更高,一般用于dmn1106高速軸承。圖3-2 油-氣潤(rùn)滑油-氣潤(rùn)滑是將一定壓力的壓縮空氣和潤(rùn)滑油混合后，形成條紋狀油液微滴，進(jìn)入軸承內(nèi)部磨擦區(qū)域進(jìn)行潤(rùn)滑。要求所形成的潤(rùn)滑油膜不能太厚，最好選擇比樣本提供的參考黏度值大510倍的潤(rùn)滑油；以確保有良好的黏度和潤(rùn)滑性能.如ISOVG32ISOVG100導(dǎo)軌油是比較理想的潤(rùn)滑油；在重載條件下還可選用耐高壓含有添加劑的油。壓縮空氣必須干燥，且過(guò)濾精度不大于3um，空氣壓力必須與流量、管路長(zhǎng)度、管路內(nèi)徑，軸承的內(nèi)壓力損失相匹配。軸承的供油方式軸承類型和配置方式。對(duì)單列軸承而言，最佳潤(rùn)滑方式為從一邊進(jìn)入軸承內(nèi)部，噴嘴孔應(yīng)與內(nèi)環(huán)齊平，不能指向保持架；對(duì)雙列軸承而言，潤(rùn)滑油必須從與外圈滾動(dòng)邊齊平的地方噴入軸承內(nèi)部以對(duì)軸承充分潤(rùn)滑。3.3動(dòng)平衡設(shè)計(jì)在超高速主軸中，微小的不平衡量會(huì)產(chǎn)生巨大的振動(dòng)，導(dǎo)致加工精度和表面質(zhì)量下降，因此設(shè)計(jì)中必須嚴(yán)格遵循對(duì)稱設(shè)計(jì)的原則，且主軸的每一個(gè)零件都必須經(jīng)過(guò)十分精密的加工、裝配、校正。由于電主軸的電機(jī)轉(zhuǎn)子直接和主軸聯(lián)結(jié)，增加了主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使主軸的極限轉(zhuǎn)速下降，因此超高速電主軸的動(dòng)平衡精度要求十分嚴(yán)格，一般應(yīng)達(dá)到 G1G0. 4級(jí)(G= e,e 為質(zhì)量中心與回轉(zhuǎn)中心之間的位移，為角速度) 。這樣高的要求，僅在裝配前對(duì)主軸的每個(gè)零件分別進(jìn)行動(dòng)平衡是不夠的，必須在裝配后進(jìn)行整體精確動(dòng)平衡，甚至設(shè)計(jì)專門(mén)的自動(dòng)平衡系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸在線平衡，以確保主軸的高速平穩(wěn)運(yùn)行。在設(shè)計(jì)電主軸時(shí)，必須嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)對(duì)稱原則，軸上的運(yùn)轉(zhuǎn)部件與軸之間避免采用鍵連接的形式18。電主軸結(jié)構(gòu)中與主軸連接的最主要的轉(zhuǎn)動(dòng)部件是內(nèi)置電機(jī)的轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子與主軸之間以過(guò)盈配合來(lái)傳遞扭矩，其過(guò)盈量按最大扭矩計(jì)算，并同時(shí)考慮轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力作用，因?yàn)殡x心力較大時(shí)，使轉(zhuǎn)子本體有徑向膨脹的趨勢(shì)，會(huì)抵消部分過(guò)盈量。另外，配合面的粗糙度也是計(jì)算過(guò)盈量所必須考慮的。在轉(zhuǎn)子與主軸裝配前，轉(zhuǎn)子硅鋼片的外徑應(yīng)預(yù)留一定的加工余量，用熱壓法裝配完畢后，再對(duì)轉(zhuǎn)子外徑進(jìn)行精車，以減小偏心質(zhì)量。為了方便動(dòng)平衡，在電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩個(gè)端蓋上對(duì)稱加工出16個(gè)小螺紋孔，根據(jù)動(dòng)平衡振動(dòng)測(cè)量?jī)x的結(jié)果，在螺紋孔內(nèi)旋入螺釘，并調(diào)節(jié)至適宜深度，達(dá)到動(dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，再用環(huán)氧樹(shù)脂將螺釘固化。3.4驅(qū)動(dòng)技術(shù)第四章 高速電主軸的角接觸陶瓷球軸承的性能分析4.1磁懸浮軸承與動(dòng)靜壓軸承高速電主軸的核心支撐部件是高速精密軸承。因?yàn)殡娭鬏S的最高轉(zhuǎn)速取決于軸承的大小、布置和潤(rùn)滑方法，所以這種軸承必須具有高速性能好、動(dòng)負(fù)荷承載能力高、潤(rùn)滑性能好、發(fā)熱量小等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，相繼開(kāi)發(fā)研制了陶瓷軸承、磁浮軸承、動(dòng)靜壓軸承。4.1.1磁懸浮軸承隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們還開(kāi)發(fā)了加工中心使用的磁懸浮軸承。磁懸浮軸承又稱磁力軸承。磁力軸承的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是旋轉(zhuǎn)機(jī)械支承技術(shù)上的一項(xiàng)重大突破。磁力軸承是一種新型的高性能軸承，具有各種傳統(tǒng)軸承無(wú)法相比的特殊性能。它依靠多副在圓周上互為180的電磁鐵（磁極）產(chǎn)生徑向方向相反的吸力（或斥力），將主軸懸浮在空氣中。軸頸與軸承不接觸，徑向間隙為1mm左右。當(dāng)軸承載荷后，主軸在空間位置發(fā)生微弱變化，由位置傳感器測(cè)出其變化值，通過(guò)電子自動(dòng)控制與反饋裝置，改變相應(yīng)磁極的吸力（或斥力）值，使其迅速恢復(fù)到原來(lái)的位置，使主軸始終繞其慣性軸回轉(zhuǎn)。故這種軸承又稱為主動(dòng)控制磁力軸承，其工作原理見(jiàn)圖3-3磁懸浮軸承電主軸在空氣中回轉(zhuǎn)，因此磁浮軸承不與軸頸表面接觸，不存在機(jī)械摩擦和磨損，不需要潤(rùn)滑和密封，溫升低，熱變形小，轉(zhuǎn)速高，壽命長(zhǎng)，能耗低；磁力軸承基本電磁力反饋控制系統(tǒng)保證了主軸的旋轉(zhuǎn)精度，剛度和阻尼可調(diào)控，可消除轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)高速回轉(zhuǎn)下自平衡，回轉(zhuǎn)特性可由傳感器和控制系統(tǒng)獲得，便于狀態(tài)監(jiān)控和診斷。磁力軸承目前達(dá)到的性能指標(biāo)：旋轉(zhuǎn)精度最高可達(dá)0.030.05um，轉(zhuǎn)速最高達(dá)1105r/min(軸頸線速度200m/s，速度因子dmn=4106)，軸承力達(dá)到3105N，徑向剛度達(dá)到600N/um（靜剛度）和100N/um（動(dòng)剛度），功耗為同徑傳統(tǒng)軸承的0.10.01，可靠性MTBF4000h。但是由于磁浮軸承價(jià)格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)熱問(wèn)題不易解決,通過(guò)只用在特殊的場(chǎng)合，在高速主軸單元上大面積推廣并不實(shí)用。 圖4-1 磁懸浮軸承原理4.1.2動(dòng)靜壓軸承動(dòng)壓軸承是利用潤(rùn)滑油的粘度和軸頸的高速旋轉(zhuǎn)，把油液帶進(jìn)軸承的楔形空間建立起壓力油膜，使軸頸與軸承被油膜隔開(kāi)；靜壓軸承是將壓力油強(qiáng)制送入軸和軸承的配合間隙中，利用液體靜壓力支承載荷。動(dòng)靜壓軸承為非接觸式軸承，具有磨損小、壽命長(zhǎng)、旋轉(zhuǎn)精度高、阻尼特性好（振動(dòng)?。┑葍?yōu)點(diǎn)，用于電主軸上，在加工時(shí)，可使刀具壽命長(zhǎng)、加工表面質(zhì)量高。其缺點(diǎn)是：必須專門(mén)進(jìn)行設(shè)計(jì),單獨(dú)生產(chǎn),標(biāo)準(zhǔn)化程度低,維護(hù)也困難。目前 ,高精度磨削加工使用。4.2混合陶瓷球軸承4.2.1混合陶瓷球軸承的概述目前，電主軸應(yīng)用最多的軸承還是混合陶瓷球軸承。即滾動(dòng)體使用熱壓Si3N4陶瓷球，軸承套圈仍為鋼圈。陶瓷軸承可以應(yīng)用于高速、高溫、低溫、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)磁場(chǎng)、真空、高壓等各種惡劣的工況。陶瓷軸承的主要性能如下：承載能力高陶瓷材料的硬度最高可達(dá)軸承鋼的2倍，彈性模量是軸承鋼的1.5倍，因此陶瓷軸承的承載能力也大大高于軸承鋼軸承耐熱性好陶瓷材料在高溫下強(qiáng)度降低很小，即使在800仍然保持很高的強(qiáng)度和力學(xué)性能，同時(shí)陶瓷材料熱膨脹率僅為軸承鋼的22%，因此高溫尺寸穩(wěn)定性較好。極限轉(zhuǎn)速高陶瓷球軸承的工作轉(zhuǎn)速可以達(dá)到同型號(hào)軸承鋼軸承極限速度的1.3倍以上。摩擦溫升小陶瓷球軸承在18000r/min的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫升約為相同條件下軸承鋼軸承溫升的60%。摩擦損失小同型號(hào)的軸承，陶瓷材料的質(zhì)量比鋼小，只有軸承鋼的40 %，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體所受離心力和陀螺力矩小，自旋滑動(dòng)小，因此摩擦損失明顯低于軸承鋼軸承。耐久性高陶瓷材料硬度高、耐磨性極好，陶瓷軸承的工作壽命一般是普通軸承鋼軸承的兩倍以上。耐腐蝕性好陶瓷材料能抵抗鹽酸、硫酸、硝酸、燒堿等各類無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸、鹽、堿以及熔融金屬的腐蝕。絕緣性好，導(dǎo)磁率低陶瓷材料的電阻為106歐姆.m，幾乎為絕緣體，磁導(dǎo)遠(yuǎn)小于0.1H，適于做任何非磁性零件。自潤(rùn)滑性好陶瓷軸承可實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑。氮化硅陶瓷的密度只有軸承鋼的40 % ,熱膨脹系數(shù)只有軸承鋼的25%,彈性模量則是軸承鋼的 1.5 倍,硬度為鋼的2.3倍,氮化硅陶瓷還具有耐高溫、不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁、導(dǎo)熱率低等一系列優(yōu)良特性 。陶瓷軸承和同規(guī)格、同一精度等級(jí)的鋼質(zhì)滾動(dòng)軸承相比,速度可提高60%,溫升降低 35 - 60 % ,壽命可提高3 - 6倍。迄今,陶瓷滾動(dòng)軸承的dmn可高達(dá)3.0 106，用其組裝的高速電主軸能夠兼得高速、高剛度、大功率、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。4.2.1選擇混合陶瓷球軸承的理由公式角接觸球軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),為了抑制發(fā)熱,防止摩擦燒傷,主要是設(shè)法減小離心力和陀螺力矩。滾珠在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的離心力Fc可按下式計(jì)算:Fc =/12Db3 dm m2 式4-2式中:為滾珠材料的密度(kg/m3) Db 為滾珠的直徑(m) dm 滾珠軸承的節(jié)圓直徑(m) m 滾珠的公轉(zhuǎn)角速度(rad/s)由于滾珠自轉(zhuǎn)軸在空間不斷變化,因此,將產(chǎn)生繞水平軸的陀螺力矩Mgy : Mgy = Jm bsin 式4-3式中:b 為滾珠的自轉(zhuǎn)角速度( rad/s) ,為滾珠自轉(zhuǎn)軸與坐標(biāo)平面的夾角, J