數控機床高速主軸系統(tǒng)

內容概要

本書在分析數控機床電主軸單元關鍵技術及其國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎上，針對作者設計開發(fā)的一種無內圈式高速陶瓷電主軸單元，介紹了陶瓷軸承技術、潤滑與冷卻技術、主軸電機設計及驅動控制技術、精密加工和裝配技術等陶瓷電主軸單元關鍵技術以及相關配套技術等；討論和分析了陶瓷電主軸單元的動態(tài)性能、靜態(tài)性能和熱態(tài)性能，闡述了陶瓷電主軸綜合性能測試方法。
本書可供從事機械設計、制造和管理的科技工作者使用，也可供高等院校機械工程相關專業(yè)的教師和學生參考。

書籍目錄

前言
第1章　緒論
　1.1 數控機床主軸系統(tǒng)概述
 1.1.1 機床主軸的類型
 1.1.2 電主軸概述
 1.1.3 電主軸的分類及發(fā)展
　1.2 數控機床電主軸單元技術發(fā)展概況
 1.2.1 國外電主軸技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
 1.2.2 我國機床電主軸技術發(fā)展概況
 1.2.3 我國電主軸技術領域存在的差距
 1.2.4 我國電主軸技術領域發(fā)展的方向
　1.3 數控機床電主軸關鍵技術及研究現(xiàn)狀
 1.3.1 高速精密主軸軸承技術
 1.3.2 高速主軸電機設計及驅動技術
 1.3.3 精密加工和精密裝配技術
 1.3.4 主軸軸承系統(tǒng)的動力學特性
 1.3.5 電主軸單元的可靠性技術
 1.3.6 電主軸系統(tǒng)綜合性能測試技術
 1.4 陶瓷電主軸單元技術研究內容及意義
 1.4.1 研究內容
 1.4.2 研究意義
第2章 陶瓷電主軸單元的創(chuàng)新設計與關鍵技術
 2.1 數控機床電主軸工作原理及基本要求
 2.1.1 電主軸基本結構
 2.1.2 電主軸的工作原理
 2.1.3 電主軸的基本參數
 2.1.4 數控機床電主軸設計的基本要求
　2.2 無內圈式全陶瓷電主軸的創(chuàng)新設計
 2.2.1 全陶瓷電主軸單元的開發(fā)目標
 2.2.2 全陶瓷電主軸單元研制的技術路線
　　……
第3章　主軸電機及驅動控制技術
第4章　陶瓷主軸零部件的制備及其加工機理
第5章　陶瓷主軸零件的精密加工工藝
第6章　陶瓷電主軸的動特性分析
第7章　陶瓷電主軸綜合性能測試
第8章　陶瓷電主軸的應用及其維護保養(yǎng)
參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁:第1章　緒　　論以高切削速度、高進給速度、高加工精度為主要特征的高速加工技術是當代四大先進制造技術之一，是制造技術產生第二次革命性飛躍的一項高新技術。各國都競相發(fā)展自己的高速加工技術，高速加工技術的成功應用產生了巨大的經濟效益。發(fā)展和應用高速加工技術的前提是必須有性能優(yōu)良的高檔數控機床。而高速主軸單元是數控機床的核心功能部件之一，其性能好壞在很大程度上決定了整臺數控機床的加工精度和生產效率。1。1　數控機床主軸系統(tǒng)概述大多數材料都需要通過機械加工來獲得所要求的幾何結構和形狀。在加工過程中，機床主軸發(fā)揮著重要的作用。機床主軸通過給刀具和工件提供相對運動，從工件去除材料，以獲得加工成品。每一種類型的加工過程（如鉆孔、車、銑、磨、鏜等）都有特定的進給速度和切削速度。在基本的車削過程中，主軸令工件旋轉以提供切削速度，通過驅動器的驅動使刀具獲得進給速度以去除材料。在鉆孔和銑削時，主軸通過刀具旋轉來提供切削速度。在鉆孔過程中，進給運動的方向是主軸的軸線方向。在銑削加工時，進給運動通常垂直軸線移動。在磨削過程中，主軸是給砂輪提供切削速度的部件。一個主軸系統(tǒng)的典型元件包括工具接口、拉桿、轉軸、軸承、電機及驅動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、箱體等。圖1。1介紹了一種內置電機主軸的主要組成部件。1。1。1　機床主軸的類型機床主軸系統(tǒng)指機床上帶動工件或刀具旋轉的軸，通常由主軸、軸承和傳動件（齒輪或帶輪）等組成。除了刨床、拉床等主運動為直線運動的機床外，大多數機床都有主軸部件。主軸部件的運動精度和結構剛度是決定加工質量和切削效率的重要因素。一般來說，根據傳動類型的不同，可分為四種不同類型的主軸：皮帶傳動主軸、齒輪傳動主軸、直接驅動主軸和內置電機驅動主軸（Quintanaetal。，2009）。衡量主軸性能的指標主要有旋轉精度、剛度和速度適應性等；此外，還包括如運動、受力、轉矩、功率和速度方面的傳動性能，熱擴散及熱變形，各種速度下的振動、噪聲，維護成本等其他因素。下面簡單介紹每種主軸在不同的驅動條件下的一般特點。1。皮帶傳動主軸這類主軸通過V型皮帶傳動來傳遞外部電機和主軸之間的運動。由于皮帶傳動主軸的成本低、性能好，它被廣泛應用于常規(guī)加工。皮帶傳動主軸的效率約為95%，這比電主軸直接傳動的效率（接近100%）低，但是很明顯的比齒輪傳動主軸的效率（小于90%）高（Arnone，1998）。皮帶傳動可以達到中等轉速（15000r/min），并且具有良好的性能，在低轉速下（1000r/min）可以提供很大的轉矩，當然這取決于皮帶及其傳動比。相比較而言，在低速下，齒輪傳動可以提供很好的轉矩；在高速下，電主軸直接傳動表現(xiàn)得更佳，這主要是因為電主軸所產生的振動和噪聲更小。然而，由于皮帶傳動適用范圍廣，它廣泛用于大轉矩、低轉速和小轉矩、高轉速的各種工況中（deLacalleetal。，2004）。皮帶傳動主軸系統(tǒng)的主要缺點如下：（1）相比較于其他傳動系統(tǒng)，由于皮帶不斷地接觸，皮帶的受熱膨脹很明顯。（2）皮帶的振動、噪聲很大。（3）由于皮帶傳動需要張緊，會對軸產生一個徑向壓力，此壓力會抵消一些軸承的預應力。由于電機和主軸是相互獨立的，因而皮帶傳動主軸系統(tǒng)的安裝需要更大的空間，但是這類主軸的安裝和維護卻是比較簡單的。2。齒輪傳動主軸齒輪傳動主軸在低轉速下可以獲得很高的轉矩，并有多種速度范圍。但是，齒輪傳動會導致振動，這對產品的表面加工有不利的影響。此外，由于其結構上的特點，當齒輪傳動把電機的動力轉變?yōu)榍邢鞯毒叩那邢髁r，其效率并不理想。這部分損失的能量轉化成熱量，而熱量的產生是很不利的，例如，熱膨脹會降低加工工件的加工精度。盡管齒輪傳動能勝任重型加工，但是由于以上這些原因，齒輪傳動主軸并不適合高速加工。圖1。2為帶有兩級齒輪變速箱的齒輪驅動主軸。3。直接驅動主軸從電動機到加工刀具的傳動效率而言，直接驅動方式幾乎可以實現(xiàn)100%的傳動效率。直接驅動主軸可以在低轉矩下實現(xiàn)高轉速工作。由于不存在皮帶或齒輪等中間傳動鏈，直接驅動主軸的轉矩不會隨著電機轉速的下降而增加。就振動而言，這種傳動系統(tǒng)表現(xiàn)良好，也就是說能夠達到高速轉動，并保持良好的表面加工質量。4。內置電機驅動主軸這種主軸也被稱為電主軸。集成在主軸上前后軸承之間的電機可以是同步電機也可以是異步電機，如圖1。3所示。這種驅動方式可以有效地減少振動和噪聲，實現(xiàn)15000r/min乃至更高的工作轉速，而且其結構更為緊湊，這就是電主軸能在高速加工機床中普遍應用的原因。本書將重點論述數控機床陶瓷電主軸的相關設計理論與制造技術。1。1。2　電主軸概述眾所周知，隨著電氣傳動技術（變頻調速技術、電動機矢量控制技術等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數控機床主傳動系統(tǒng)的機械結構已得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機床主軸由內置式電動機直接驅動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床的“零傳動”。這種將電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結構形式，稱為內置電機驅動主軸，俗稱“電主軸”。它在英文中有多種稱謂，如e1ectricspindle，motorspindle，motorizedspindle等。由于當前電主軸主要采用的是交流高頻電動機，故也稱為“高頻主軸”（highfrequencyspindle）。電主軸是一種智能型功能部件，采用無外殼電動機，將帶有冷卻套的電動機定子裝配在主軸單元的殼體內，轉子和機床主軸的旋轉部件做成一體，主軸的變速范圍完全由變頻交流電動機控制，使變頻電動機和機床主軸合二為一。電主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪聲低以及響應快等優(yōu)點，它不但轉速高、功率大，還具有一系列控制主軸溫升與振動等機床運行參數的功能，可確保其高速運轉的可靠性與安全性。使用電主軸可以減少帶輪傳動和齒輪傳動，簡化機床設計，易于實現(xiàn)主軸定位。電主軸是數控機床高速主軸單元中的一種理想結構，可以說，它是高速、高效、高精度機床技術發(fā)展的核心，它的出現(xiàn)使以往在金屬切削機床技術發(fā)展過程中出現(xiàn)的諸多問題迎刃而解。在高速加工時，采用電主軸幾乎是唯一的選擇，也是最佳的選擇。電動機內置于主軸部件后，不可避免地將會產生發(fā)熱的問題，從而需要設計專門用于冷卻電動機的油冷或水冷系統(tǒng)。高頻電動機要有變頻器類的驅動器，以實現(xiàn)主軸轉速的變換。高速軸承有時要有專門的潤滑裝置。為了保證高速回轉部件的安全，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的外圍設備和技術。因此，“電主軸”的概念不應簡單地理解為只是一根主軸套筒，而是一個完整的、在機床數控系統(tǒng)監(jiān)控下的子系統(tǒng)，如圖1。4所示。1。1。3　電主軸的分類及發(fā)展機床電主軸按所采用的軸承類型可分為滾動軸承（角接觸球軸承、滾子軸承）電主軸、液體軸承（動壓軸承、靜壓軸承、動靜壓軸承）電主軸、氣體軸承電主軸和磁懸浮軸承電主軸等。電主軸按照電機的類型又可分為異步型電主軸和永磁同步型電主軸等。從機床行業(yè)的客觀需求來看，角接觸球軸承電主軸、液體（動）靜壓軸承電主軸和氣體軸承電主軸是市場開發(fā)的重點，也是學術研究的熱點。角接觸球軸承是最適宜高速化的滾動軸承，具有摩擦阻力小、功耗小、成本低、便于系列化和標準化等優(yōu)點，其極限轉速高、精度高、剛度高，在加工中心、數控銑床、數控車床、數控內（外）圓磨床和高速雕銑機中獲得了廣泛應用。角接觸球軸承研究的主要技術難點在于提高精度壽命和可靠性。液體（動）靜壓軸承電主軸以液態(tài)“油膜”作為支承，具有顯著的“誤差均化效應”和阻尼減振性，其回轉精度遠高于滾動軸承式電主軸，具有剛度高、磨損小、壽命長的特點，在精密超精密機床上已獲得了廣泛應用。液體（動）靜壓軸承電主軸研究的主要技術難點在于控制高速時主軸的溫升和熱變形。氣體軸承電主軸以“氣膜”作為支承，其回轉精度和極限轉速高于液體（動）靜壓電主軸和滾動軸承式電主軸，其熱穩(wěn)定性好，是超精密機床和印刷電路板（PCD）鉆床不可或缺的核心部件。氣體軸承電主軸的不足之處在于承載能力低，工藝要求高。目前，電主軸在國內外的應用主要涵蓋磨削、銑削、車削、鉆削、木工、離心、旋輾和試驗機用電主軸等8大類（徐同申、余篷，2010）。其中，數控機床用電主軸主要分為以下4大類：（1）磨削用電主軸。它是目前國內最主要應用的電主軸類型，也是國內外最早研發(fā)應用的類型，主要用于軸承行業(yè)套圈內磨工序。洛陽軸研科技股份有限公司將磨削用電主軸分為DZ、GDZ、2GDZ、3GDZ四代產品。其中，2GDZ系列是當今國內廣泛使用的磨削用電主軸，其支承剛度、功率均相當于國際20世紀90年代水平，電主軸的輸出根據磨削加工的特點設計為恒轉矩制，它在國內市場上所占份額為75%～85%。（2）銑削用電主軸。這類電主軸分精密雕銑用電主軸、大型數控銑用電主軸以及加工中心用電主軸三大類。雕銑用電主軸轉速偏高，一般在24000r/min以上，通常選用ER彈簧卡頭來夾持刀具，其電動機輸出可分恒功率和恒轉矩兩種，市場占有率為70%～80%。大型數控銑用電主軸由于不設刀庫，無需換刀，因此可選用開環(huán)控制。加工中心用電主軸通常采用閉環(huán)編碼控制，可實現(xiàn)低速大扭矩輸出，其恒功率轉速比大于1∶8。加工中心用電主軸通常選用高速油脂潤滑或油-氣潤滑以減少油霧對環(huán)境的污染。（3）車削用電主軸。這類電主軸是工件電主軸。由于消除了皮帶傳動的弊端，車削用電主軸能適應高速、高精度旋轉，并且高速旋轉振動極小，這對高精度車加工及工件表面粗糙度的提高是十分有利的。在有色金屬高速、高精度車削工序中，應用此類電主軸是解決技術難題的關鍵。（4）鉆削用電主軸。這類電主軸主要是指PCB板高速孔化所使用的電主軸，常規(guī)速度等級分60000r/min、80000r/min、90000r/min、105000r/min、120000r/min、180000r/min六檔。后三種為空氣靜壓軸承支承的電主軸，可用來鉆削0。1～0。15mm的小孔；前三種為油脂潤滑型滾動軸承支承的電主軸，其加工范圍為0。2～0。7mm。近年來，由于材料科學技術的進步，越來越多的新型材料在機床主軸-軸承系統(tǒng)中得到了應用。其中，陶瓷電主軸是指支承軸承、旋轉主軸以及其他主要零部件應用高性能結構陶瓷材料的一類電主軸。目前，國內外研究及應用的陶瓷電主軸。

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