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电主轴关键技术及工艺要点
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电主轴开题报告
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加工中心电主轴系统设计与分析_图文
导读：加工中心电主轴系统设计与分析，为了满足电主轴高速、高刚度、低温升等设计性能要求，本设计电主轴的支承采用了角接触混合陶瓷球轴承，经过对国外同类产品的分析，正确设计电机的电磁参数是十分重要的：首先其磁通密度要高，需要和高速加工相适应，不能满足进行粗加工时大扭矩的要求，适用于高档数控铣床、高速加工中心和车削中心等【２ｌ】，参加工作的滚动体将更多，定压预紧是一种利用弹簧或者液压系统对轴承实现预紧的方式
加工中心电主轴系统设计与分析
了提高轴承的高速性能，常采用两种方法：一是减小滚球的直径，如采用已标准化的７１９００系列主轴轴承；另一种则是采用新型的陶瓷（Ｓｉ３Ｎ４）材料做滚珠，由于Ｓｉ３Ｎ４陶瓷材料的密度仅为轴承钢的４０％，因而这种轴承的高速性能明显高于全钢轴承【２４１。目前国外绝大多数高速机床主轴均采用这种轴承。
为了满足电主轴高速、高刚度、低温升等设计性能要求，本设计电主轴的支承采用了角接触混合陶瓷球轴承。这种轴承的内、外圈仍为钢质，滚珠为Ｓｉ３Ｎ４陶瓷材料。此种轴承相对于钢制轴承有如下优势：
（１）高速性能好Ｓｉ３Ｎ４陶瓷的密度只有轴承钢的４０％，且直径小、离心力小，与同规格的钢制轴承相比，转速可提高６０％以上，抗疲劳能力强，寿命长。
（２）动刚度高由于Ｓｉ３Ｎ４弹性模量是钢的１．５倍，且采取小球密珠结构，即球径小了，球数增加了。根据球轴承的刚度与球径的１／３次幂、球数的２／３次幂成正比，所以，陶瓷轴承的主轴动刚度高。
（３）温升低由于Ｓｉ３Ｎ４的导热率低，并有良好的摩擦特性和力学性能，所以温升低，
与钢轴承比，温升可降低３５％，－，６０％。
（４）热稳定性好由于Ｓｉ３Ｎ４，这样是轴承的预紧力稳定，即热稳定性好。
为适应电主轴高速、较高刚度运转的需要，经过对国外同类产品的分析，以及对自身机床机构布局的考虑，决定采用了如图２．１的支承结构型式。
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Ｆｉｇ．２．１
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图２．１主轴支承形式
ＳＷｌｅｏｆＳｐｉｎｄｌｅｓｕｐｐｏｒｔ
大连理工大学专业学位硕士学位论文
此种支承结构的特点是：前侧采用４列（ＤＢＢ）组合超高速角接触球轴承，定位预紧；后侧采用超高速单列圆柱滚子轴承，浮动支承。虽然ＤＢＢ组合形式使其高速性有一定减弱，但由于其作用点距离大，非常适合于力矩载荷大的用途，其径向及轴向刚度
都非常好。
经过多方比较，决定选用日本ＮＳＫ公司生产的ＲＯＢＵＳＴ系列超高速轴承。其参数
见表２．１：
表２．１轴承参数
Ｔａｂ．２．１
ＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＢｅａｒｉｎｇｓ
参数型号内径ＩＴＬｒｎ外径ｌｌｌｍ宽度Ｉｎｍ接触角极限转速ｒ／ｍｉｎＣ，（额定动负荷）ｋＮＣ。（额定静负荷）ｋＮ
１００ＢＮＲｌＯＨＴＹＮＤＢＢＬＰ４
１００１５０２４１８
Ｎ１０１４ＲＳＴＰＣＣｌＰ４
７０１１０２０
１６８００（油润滑）
１６０００（油润滑）
２７．８２８．５
２．１．２主轴电机的选择
主轴的核心部件是内置主轴电机，正确设计电机的电磁参数是十分重要的：首先其磁通密度要高，以增大单位体积输出功率，缩小定转子体积。其次，电机的机械特性电气特性，需要和高速加工相适应，满足机床在宽调速范围内对功率和扭矩的要求。再次，转子在高速旋转时应有足够的强度。另外由于电主轴是在高频窄波下工作的，通常在其外壳产生强烈的感应电流。对定子进行屏蔽，采用特殊浸漆工艺，外壳接地也是必要的。
内置主轴电机有两种驱动和控制方式：变频器控制和矢量控制。对于普通变频器，其控制特性为恒扭矩控制，输出功率与转速成正比。这种驱动器在低速时不够稳定，不能满足进行粗加工时大扭矩的要求，也不具备主轴准停和Ｃ轴控制功能，单价便宜，一般用于磨床和普通的高速铣床等。矢量控制驱动器的控制特性是：低速段为扭矩驱动，中、高速段为恒功率控制。这种驱动器在零转速时仍有很大的扭矩，加上电主轴本身结构简单，惯性小，因此启动时可是电主轴瞬间（１￣２ｓ）达到最高速。这种驱动器用角度
加工中心电主轴系统设计与分析
传感器实现角位置和转动速度的反馈和闭环控制，可实现主轴准停和Ｃ轴控制，适用于高档数控铣床、高速加工中心和车削中心等【２ｌ】。
本课题选用日本ＦＡＮＵＣ公司生产的曲１６０ＬＬ／１３０００ｉ型内装式主轴电机。该电机
可以采用双绕组（Ｙ，Ｙ接法），使用转速范围切换控制可实现低速大扭矩、高速大功率。并且采用交流变频调速和矢量控制的电气驱动技术，输出功率大，调速范围宽，有比较理想的特性曲线。该电机特性曲线如图２．２所示
Ｓ３２５％
、２２ｋＷＳ２１０ｍｌ”
４２０ＮｍＳ３２５７
１５ｋＷＳ１
３５０Ｎｎｌ℃：１０Ｈ
２ｊ８Ｎｍ：：＼
ＳＩＣｏｒ．１：！
、×４０：、＼
２０［｝Ｏ
乏７２≥Ｎｍ≥≤
Ｍｏｔｏｒｓｐｅｅｄｔｒａｉｎ―ｌＩ
１１５Ｎｍ
３０ｒａｉｎ
３０ｋＷＳ２３０ｍｉｎ
９５Ｎｍ虫，Ｃｏｎｔ
２５ｋＷ１１ｃｏｎｔ
Ｍｏｔｏｒ
ｓｐｅｅｄ
Ｉｍｉｎ一１ｌ
、≮≮≮。
，，２９Ｎｍ
１００００１３０００
图２．２电机特性曲线
Ｆｉｇ．２．２
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｍｏｔｏｒ
大连理工大学专业学位硕士学位论文
电机安装形式采用目前较为流行的，电机置于前、后轴承之间的结构。其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度高，出力大。２．１．３主轴轴承的预紧与刚度
为了提高轴承的刚度，抑制振动及高速回转时滚珠公转和自转的滑动，提高轴的回转精度等，在主轴上使用的滚动轴承均需预紧。
轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚动体与滚道接触。预紧后，滚动体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将更多，各滚动体的受力将更为均匀。这些都有利于提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方面都有滚动体支承，可以提高抗振性。但是，预紧后发热较多，温升较高；且太大的预紧将使轴承寿命下降，故预紧要适量。
预紧的方式主要有定位预紧和定压预紧。定位预紧是将轴承内外圈在轴向固定，以初始预紧量确定其相对位置，运转过程中预紧量不能自动调节。随着转速的提高，轴承滚子发热膨胀、内外圈温差增大、滚子受离心力及轴承座的变形等因素影响，使轴承预紧力急剧增加，这是超高速主轴轴承破坏的主要原因。但这种预紧方式对增加轴承刚度更为有效，即定位预紧时由负荷引起的位移较小；定压预紧是一种利用弹簧或者液压系统对轴承实现预紧的方式。在高速运转中，弹簧或液压系统能吸收引起轴承预紧力增加的过盈量，以保持轴承预紧力不变，这对超高速主轴特别有利。但在低速重切削条件下，由于预紧结构的变形会影响主轴的刚性，所以定压预紧一般用在超高速、载荷较轻的磨床主轴或者轻型超高速切削机床主轴上。
一般情况下，轴承手册中预紧力表所载为一对轴承背靠背（或面对面）的预紧力。对于多联组配的轴承，应乘以下列系数：三联为１．３５；四联，三个同向与第四个背靠背为１．６０；四联，两两同向，相互背靠背为２．００。这些数值只是装配前的预紧力。装配后，由于过盈，内圈将胀大，外圈将缩小，故预紧力将加大。装配以后的预紧力可按下式计
算【２７】：
Ｃ＝崩以Ｆｏ
式中Ｆｐ，Ｆｏ――装配后与装配前的预紧力（Ｎ）
ｆ――轴承系数，见图２．３（对于７００００系列轴承）
（２．１）
ｆ１――接触角系数（ＣＩ＝２５。时，ｆ。＝ｌ；Ｑ＝１５。时，特轻和轻型为１．０７，
超轻型为１．１０）
￡――预紧级别系数（轻预紧为０．９２，中预紧为１，重预紧为１．０８）
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你可能喜欢高速加工中心电主轴结构设计及关键技术应用(一)
&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&摘&
现代汽车制造技术引入柔性化时代，高速加工中心成为了发动机柔性化生产线的重要组成部分，高速加工大大提高了生产率、加工精度、加工质量，并降低成本。而高速电主轴是高速加工中心核心部件，因而对高速加工中心电主轴结构设计、关键技术及应用进行分析具有十分重大意义。
本文首先针对加工中心高速电主轴的介绍了其结构特点、附件设计等，对两种不同的电主轴进行结构分析，主轴与转子的配合设计的方法；附件是电主轴重要组成部分，直接影响到电主轴使用性能。接着，重点论述了高速电主轴的关键技术，如：电主轴热稳定分析、轴承的润滑技术、动平衡设计、驱动技术等。
本文对高速电主轴重要组成部分角接触陶瓷球轴承进行了重点论述，尤其是详细分析了轴承的预紧力。
最后，结合本人工作，介绍电主轴的维护与维修，其中对脂润滑的电主轴装配做了详细介绍。
关键词： 高速加工&& 电主轴&& 附件设计&& 轴承& 维护与维修
大约一个世纪以来，组合机床自动线以其高效率统治了汽车工业的生产。随着竞争加剧，汽车产品更新换代周期从几十年缩短到4年，组合机床自动线由于缺乏柔性而无法适应。20世纪80年代，美国汽车巨人福特与机床巨人INGERSOLL合作，研制了集高柔性与高效率于一身的高速加工中心，由它组成的柔性自动生产线问世，加快了汽车产品的更新换代，提高了企业的效率和灵活性。近年来，我国汽车工业采用了大量的数控设备，轿车装备整体上进入了柔性化时代。
发动机是汽车的心脏一样，发动机制造技术汽车制造技术的集中体现。汽车面世以来。发动机制造技术已经经历了两次革命。
第一次革命发生在二十世纪初，美国福特汽车公司创始人福特发明了大量生产流水线。其主要方式，是由组合/专用机床（special purpose machine/Transfer
machine）组成的自动生产线TL(Transfer Line)，也称为传统自动线。其最大的优点是高生产率——几十甚至上百把刀同时加工，其效率是任何其它类型生产线无法比拟的；低价格——特别是我国，组合专机价格甚至低于批量生产的通用数控机床。其最大的缺点是柔性差，一旦产品变型和更换品种即基本上无法使用。
为了解决产品的变型生产和便于更换品种，柔性生产技术被引进了汽车生产。二十世纪九十年代出现了高转速、高快移速度、高加速度、快速换刀的高速加工中心。由其组成了高速柔性生产线FTL(Flexible Transfer Line)是发动机制造的第二次革命。其突出特点是一定程度克服了高柔性和低效率的矛盾。这种生产线不仅可以加工同样产品范围内的零件，而且可以可以加工变型产品、换代产品以及新产品，真正具备了柔性的意义。缺点是投资大，效率受局限。目前是我国轿车企业的热点生产线。
2003时代20
60~100m/min0.6~1.5gr/min/1 m8m/4m1m10m/5mVDI主轴从启动到最高转速(或相反)只用1～2s的时间，工作台的加(减)速度要达到(1～10)g(g=9.81m/s2)。
1.2高速加工与电主轴
1.2.3高速加工概述
2030Carl.Salomon70390
1.2.2电主轴概述
&(Motorzed& Spindle)
20809010000r/min1976VoughtBryant20000 r/min15KW9040000 r/min40KW2001CincinnatiSuperMach60000 r/min80KW
FISCHERIBAGStep-TecGMNFRANZ&& KESSLER FAGSKFGAMFIOROmlatFOEMAT
本章简要介绍了论文课题的来源及意义；概述了高速加工技术及特点；介绍了高速加工中心电主轴的发展和现状，电主轴与机械主轴并进行了比较。
&结构设计及性能分析
2.1.1精度和静刚度
电主轴的精度和刚度与电主轴前后轴承的配置方式、主要零件的制造精度、选用滚动轴承的尺寸和精度等级、装配的技术水平和预加载荷的大小密切相关。必须强调指出，电主轴的最终精度往往可以得到等于或高于单个轴承的精度，这是由于装配工人在装配时巧于选配，将单个轴承的误差进行相互补偿及恰当施加预加载荷的结果。为此高速电主轴的生产对设计水平、制造工艺、工人技艺和装配环境的洁净度和恒温控制等均有极为严格的要求，并不是一个制造企业都能生产精度合格、运转安全、寿命长的电主轴。
刚度分为轴向刚度和径向刚度，其测量位置如图2-1所示。其数值随电主轴的套筒大小而变化，单位为N/um。而同样大小尺寸的套筒，其刚度数值最高转速高低而变化，一般最高转速高的刚度小于最高转速低的刚度。这既反映了电主轴工作的实际需要，又与转速高时预加载荷较小有关。
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