（定稿）机床高速电主轴的结构设计（全套下载）

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《（定稿）机床高速电主轴的结构设计（全套下载）》修改意见稿

1、“.....内藏式电机结构十分精密，使用环境较差，装配技术要求高，同时考虑到性价比，故而要具备定的工艺性和经济性，从而方便使用者对机床进行调试装配和维护。各种类型的电机对比电机用于驱动主轴，是主轴系统的动力部分。将其回转运动和转矩配合机床的进给运动转化成工件上的切削力矩，从而加工出需要的零件，其精度对零件的加工精度影响很大，稳定性要求也较高。世界上目前主要采用以下几种驱动系统感应电机交流主轴驱动系统这是最经济同时也最普遍应用的种驱动系统，主要代表为普通笼型异步电动机。这类电机的可调功率范围较大转速高结构简单转动惯量小动态响应速度快，在变频调速下，其机械特性和调速性能都十分优良，但相应的缺点也很明显，其功率因数效率和转矩密度都处于个非常低的水平，同时体积也非常大，使用时温升高，对冷却系统要求较高永磁交流驱动系统随着无刷式伺服电机和相应的控制技术的发展，同时由于集成电路和半导体工业的进步，永磁伺服电动机有了突出的进展。这类型的电动机无电刷，故而工作可靠，对维护和保养的要求较低定子直接外接外壳，散热性能优异，转动惯量小......”。

2、“.....但缺点也很明显，其弱磁范围受到定的限制开关磁阻型驱动系统开关磁阻电机是种新型的驱动电机，具备构造简单运行可靠体积小重量轻效率极高成本低等许多优点，比如，该类型电机能够在的功率下轻松达到的转速，具有优秀的高速轻载性能，但这种电动机在低速时转动脉动谐波转矩和噪声都很大，故而其低速性能差。电机型号的选择结合各种驱动系统的优缺点进行考虑，本设计将选用永磁交流电机，根据设计要求，选用西门子公司的，其主要参数为额定功率.最高转速额定扭矩•额定转速惯性矩.定子外径定子内径整体长度转子内径根据西门子公司的技术文档，该电机低速区为，可实现低速大扭矩运转，高速区为，可实现高速高功率运转。根据以下公式，易求得主轴的最大输出扭矩式中电动机最大输出功率，主轴最大输出扭矩，•主轴转速，η传动效率，此处取.。计算得出低速区主轴最大扭矩.•高速区主轴最大扭矩.•.过盈连接及动平衡计算电主轴要求有严格的动平衡，不允许螺纹连接和键连接等不平衡连接形式的存在，所以轴与轴上零件的连接都是过盈配合的形式，其中最主要的是轴与电机的配合......”。

3、“.....所以过盈量的大小将影响电主轴的性能。过盈配合应遵循结合压力不会对连接件造成破坏的前提下，能够保证结合强度，不会产生相对移动，可靠地传递扭矩。电机转。用于高速电主轴的滚动轴承有圆柱滚子轴承圆锥滚子轴承和角接触球轴承等多种轴承形式，其中以角接触球轴承应用最多。角接触轴承可以同时承受轴向径向联合载荷及方向不明确的附加载荷，且允许的极限转速较高，对于作用在主轴上的载荷可做到速度和刚度之间的最佳匹配，因此可以达到精密电主轴的高速高刚度大功率高效的要求，可以作为要求较高的前端支承。为提高刚度，角接触球轴承般采用多联的配置方式，而同轴承组中的每个轴承的误差不尽相同，配对数的增加会降低整个轴承组的转速，从而影响主轴能达到的最高速度。成对的接触球轴承最好采用背对背安装，因为这种安装方式下同轴承组中的两个轴承的接触点之间有更大的距离，可以产生个更大的抗弯力矩，能够提高支承的总体刚度，从而提高了主轴刚度。后端支承只承受径向力，不承受轴向力，选用圆柱滚子轴承作为游动端。图.结合利弊，前端选用压力角为，精度等级为超精密级级的角接触陶瓷球轴承，双联背对背配置，中间加隔套......”。

4、“.....得到的轴承布置形式如图.所示。轴承的具体选型要在后面轴的设计时根据安装段的轴颈选用。轴承的润滑该设计中轴承采用国外发达国家普遍使用效果较好技术成熟的油气润滑技术。油气润滑的基本原理是利用具有定压力的压缩空气使微量的润滑油以微小油滴的形式沿管道内壁不断地流动，分别连续不断地精确地供给每套主轴轴承，微小油滴在进入内外滚道之后形成弹性动压油膜，而输送油滴的压缩空气顺便带走轴承转动产生的部分热量，从而实现轴承的精确定时定量润滑，同时能够起到定的冷却效果。除了油气润滑，仍然有其他的多种润滑方式可供选择。但存在以下的些缺点故而不予使用油雾润滑润滑效果好高速性能好可靠性高，同时可以通过压缩空气带走大量的热，但供油量无法精确控制，油雾无法有效进入润滑区域，使各摩擦点的油量处于个波动的状态上，对于轴承寿命有定影响，同时油耗严重，排出的油雾会严重污染环境，损害工人身体健康，进入电主轴内部，影响电主轴寿命喷射润滑这种润滑方式比油雾润滑的效果更好，但功耗更大......”。

5、“.....效果非常好，但机械结构极为复杂，实际应用较少。油气润滑的结构油气润滑系统的组成较为复杂，主要部分如下供油部分供油部分主要由润滑油箱油泵溢流阀过滤器定量分配器和过滤器组成供气部分供气部分供给稳定的压缩空气，需要保证干燥和清洁度和定的压力，所以有空气过滤装置油水分离装置和压力控制阀油气混合部分包含根管道，油和气在管道中混合，均匀的分散在管道内表面油气分配部分通过喷嘴将混合好的油气直接喷入轴承。油气润滑的供油量供油量受轴承形式工间隙的滑动轴承。静压轴承为非接触式轴承，具有磨损小寿命长旋转精度高阻尼特性好振动小等优点，用在电主轴上，可使刀具寿命延长表面加工质量提高。按润滑剂的种类可以分为两类，类是液体静压轴承，主要使用油为润滑剂，另类是气体静压轴承，使用气体作润滑剂，通常是使用空气作为润滑剂。在气静压轴承中,采用气体作介质，由于气膜的均化效应,其旋转精度比轴承和轴套表面的圆度误差值小很多,采用气静压轴承的电主轴旋转精度可达.。气静压轴承工作时与轴颈没有任何接触，没有磨损，在介质洁净主轴使用合理的条件下......”。

6、“.....消耗的功率也极小，产生的热量非常少，温升很小，所以电主轴的热变形较小另外，采用气静压轴承的电主轴可以较好地保持刀具的锋锐性，降低加工零件表面粗糙度值，非常适合高精度加工的需要。采用气体静压轴承的电主轴具有转速和回转精度高振动和噪声小使用寿命长摩擦功耗小无污染温度适应性强生产率高等特点。气静压轴承的缺点是与滚动轴承相比刚度较差,不适合多冲击和变载荷的加工条件，径向承载能力较低，尤其不适合重载工况，对压缩空气的清洁度要求较高,使用费用和维护费用较高，因此不适合用于高速加工中心电主轴。空气静压轴承多用于高速轻载和超精密的场合。液体静压轴承用润滑油作承压介质，具有回转精度高刚性较高转动平稳无振动的特点，但由于结构复杂，在高速条件下，液面搅动，功率消耗大，温升较高，无法适应高速电主轴的工况。动静压混合轴承动静压混合轴承是在静压轴承的基础上发展起来的种新型多楔油膜轴承，它综合了静压轴承和动压轴承的优点，克服了静压轴承供油系统过于复杂庞大和高速下发热严重的问题，避免了动压轴承启停时易发生干摩擦的弱点......”。

7、“.....缺点是这种轴承必须进行专门设计，单独生产，标准化程度低，价格较高，使用维护较为复杂，目前在超高速主轴单元中较少应用。磁悬浮轴承磁悬浮轴承又称为磁力轴承，它的原理是在轴颈圆周方向上布置多个互为度的电磁铁，在轴的径向产生多对均布的吸力或斥力，从而把主轴悬浮在空气中，其工作原理如图.所示。磁悬浮轴承是非接触式轴承，轴承与轴颈的径向间隙约为毫米。主轴工作时，因受力而发生个极为微弱的空间位置改变，对应的位置传感器可以测出这变化值，然后传递给反馈与自动控制装置，控制装置通过调节相应位置的磁力，使主轴快速的回到理想位置，从而实现主轴始终绕理想回转中心高速旋转的目的。磁悬浮轴承是目前唯投入实用的可以实现主动控制的先进轴承，具有许多传统轴承不可比拟的优点转速极高摩擦损失小寿命长，维护成本低不需要润滑系统，结构紧凑，无污染能够进行实时监。电主轴是个复杂的系统，包括空心转轴前后轴承电机定子和转子冷却套外壳等基本机械部件以及专门的冷却系统。变频驱动器润滑装置报警及停车装置控制系统等系列支持电主轴运转的外围设备，具体结构如图.所示。与传统机床主轴相比......”。

8、“.....省去了电机与主轴之间的变速装置，具有结构紧凑。机械效率高震动小精度高和噪声低等特点如果采用交流电机，利用交流变频技术，可以实现转速范围内的无级变速，能够针对不同的工况和负载状况对转速和扭矩进行实时调整利用与电机胚胎的闭环适量伺服控制技术，不但可以实现低速大转矩高速大功率的功能，而且可以满足精确定位停机和轴加工需求电主轴更容易实现高速化，具有较好的稳定性和动态性能，可以更好的满足高速高效高精加工的要求由于省去了中间环节的外力作用，主轴运行更平稳，本身不存在对轴承的额外冲击，使主轴轴承在良好工作环境下运转，寿命得到延长主轴和转子的直接结合，使主轴成为真正意义上的独立功能部件，能够更具不同的机床类型和型号配置相应的电主轴，使主轴标准化专业化单元化和规模化生产逐渐成为现实。国外电主轴技术的发展现状与趋势由于国外发达国家制造业底蕴丰富，综合技术水平较高，且对高速电主轴技术研究较早，所以电主轴单元发展较快，技术水平也处于领先地位，并且随着变频技术及数字技术发展的日趋完善，逐渐形成了系列标准产品，在机床行业得到普遍应用......”。

9、“.....可以批量的生产用于高速机床和加工中心的电主轴，其中著名的有瑞士的公司日本的公司德国的公司美国的公司瑞典的公司意大利的公司等。总体上来看，国外的高速电主轴具有功率大转速高采用高速高刚度轴承精密加工与精密装配工艺水平高和台套控制水平高等特点。其发展趋势主要表现在以下几个方面继续向速度更高刚度更大的方向发展向低速大转矩高速大功率等方向发展电机类型与控制方式向多样化方向发展进步向高精度高可靠性和高工作寿命方向发展轴承的类型向多样化方向发展向智能化多功能方向发展向标准化方向发展。国内电主轴技术的发展现状中国机床行业近几年取得了世界瞩目的快速发展，其中数控机床发展最为迅速，在多轴高速精密复合以及自动化程度等方面都取得了明显的进步，尤其在数控机床的品种和高速化发展上进展明显。国内电主轴技术领域洛阳轴承科技股份优先公司原机械部洛阳轴承研究所为代表，自从年由其为主研制的第台电主轴以来，该公司已经成功自主研发成功路系列用于加工中心的电主轴。除此之外，国内的电主轴企业还有无锡开源安阳莱泰等批公司。虽然我国的电主轴技术已经取得较大的进展，但是不论机床......”。