高速電主軸及其結(jié)構(gòu)

1、For personal use only in study and research;not for commercial use高速電主軸及其結(jié)構(gòu)報告姓名：周李念學(xué)號：班級：機(jī)自實驗04班重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高速電主軸及其結(jié)構(gòu)周李念（重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院機(jī)自實驗 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，也是一項非常有前景的先進(jìn)制造技術(shù)。實現(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，它實現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動”， 簡化了結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)床的動態(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

2、上決定了整臺機(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帶、齒輪來進(jìn)行傳 動驅(qū)動，而電主軸的驅(qū)動是將異步電機(jī)直接裝入主軸內(nèi)部，通過驅(qū)動電源直接驅(qū)動主軸進(jìn) 行工作，以實現(xiàn)機(jī)床主軸系統(tǒng)的零傳動，形成“直接傳動主軸”從而減少中間皮帶或者齒輪機(jī)械傳動等環(huán)節(jié)，實現(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 現(xiàn)高速加工的最佳方案，其高轉(zhuǎn)速、高精

3、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)動主軸旋轉(zhuǎn)工作的中間變速和傳動裝置（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，省去了中間傳動環(huán)節(jié)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，噪聲低，主軸振動小，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，消除了齒輪傳動誤差，運(yùn)行時更加平 穩(wěn)；（3）采用交流變

4、頻調(diào)速和矢量控制技術(shù)，輸出功率大，調(diào)速范圍寬，功率一扭矩特性 好，可在額定轉(zhuǎn)速范圍實現(xiàn)無級調(diào)速，以適應(yīng)各種負(fù)載和工況變化的需要；（4）可實現(xiàn)精確的主軸定位，并實現(xiàn)很高的速度、加速度及定角度快速準(zhǔn)停，動態(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，因此對其結(jié)構(gòu)的設(shè)計、材質(zhì)、加工工藝和檢驗 等方面都有非常嚴(yán)格的要求 電主軸設(shè)計時，需要確定主軸的總體性能參數(shù)、主軸的實際結(jié) 構(gòu)（根據(jù)軸承形式、配置、驅(qū)動方法、潤滑、等參數(shù)來確定）、主軸軸承的選

5、型確認(rèn)、軸 承的壽命、主軸的剛度、危險速度、軸承游隙（預(yù)緊力）、主軸的尺寸（軸徑、長度、軸 承支距等）和主軸實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零件，使之繞其軸線轉(zhuǎn)動，傳遞轉(zhuǎn)矩或回轉(zhuǎn)運(yùn)動，并 通過軸承與主軸機(jī)架或機(jī)座相聯(lián)接轉(zhuǎn)軸帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)，完成表面成型運(yùn)動，承受切削和驅(qū)動等載荷的作用因此，對軸有很高的技術(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）

6、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)軸在高速時的振動穩(wěn)定性及良好的加工工藝性，保證精度要求；（5）易于各個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)計工藝方法，不但增加了轉(zhuǎn)軸 的剛度，同時，通過平衡環(huán)調(diào)整轉(zhuǎn)軸整體動平衡量，最大限度地降低了轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時由于 偏心造成的振動和偏差2.2電主軸的電動機(jī)

7、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)動系統(tǒng)，是機(jī)床的核心關(guān)鍵部 件之一，它不但要實現(xiàn)高速、高精度、高剛度等要求，還必須要實現(xiàn)連續(xù)工作時輸出的較 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、銃鏜床、磨床、鉆床等領(lǐng)域內(nèi)裝式主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，簡化了機(jī)床的構(gòu)造因為轉(zhuǎn)子安裝在主軸上，降低了轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時由于偏心造成的振動和偏差，而且獲得較短的起動時間和制動時間，恒功率調(diào)速范 圍寬、噪聲小、維修簡單但是，電機(jī)也是一個很大的發(fā)熱源，要控制電機(jī)的溫度，安裝時 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

8、型、配置、精度對電主軸的工作性能、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，離心力引起的內(nèi)圈膨脹、球旋轉(zhuǎn)時離心力會引起內(nèi)部負(fù)荷以及內(nèi)外圈的溫度差等均會使軸承內(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)滑動和旋轉(zhuǎn)時的滑動等各種形式的滑動而產(chǎn)生滾動接觸，這些滑動隨著轉(zhuǎn)速 增加而加大，因此接觸部分的發(fā)熱也會變大，特別是采用油脂潤滑的軸承，由于潤滑油的 粘度下降，有時候甚至?xí)霈F(xiàn)缺少潤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：（

9、1）鋼與陶瓷組成的陶瓷球軸承摩擦性能特好，能降低材料與潤滑劑的應(yīng)力；（2）因密度較低，可降低運(yùn)轉(zhuǎn)時的離心力；（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重點(diǎn)。電主軸 內(nèi)部有兩個主要熱源：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

10、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，有一部分電能會直接轉(zhuǎn)化為熱能，而這些熱能 很難向外擴(kuò)散，對電機(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)流動來實現(xiàn)，流動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，電動機(jī)發(fā)熱量多，采用 內(nèi)水套式冷卻系統(tǒng)強(qiáng)化電動機(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

11、，電主軸常采用油水熱 交換的冷卻方法，對電機(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，再從殼體上的出油口流出，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，便流回油箱，再經(jīng)過油泵增壓輸送到入油口， 從而實現(xiàn)循環(huán)冷卻。圖2.6油水熱交換冷卻系統(tǒng)示意圖2.5電主軸的動平衡技術(shù)高速機(jī)床的廣泛應(yīng)用，加速了主軸對轉(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，首先對材質(zhì)提出

12、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、形狀是否對稱及加工裝配是否有誤差等各個方面電主軸的動平衡也是裝配前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，動平衡的高低直接影響主軸單元的噪聲、振動、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平衡試驗，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)行動平衡試驗，待組裝后還要對整機(jī)進(jìn)行動平衡試驗，通過數(shù)據(jù)顯示達(dá)到理 想的動態(tài)性能，從而提高主軸整機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)精度，延長軸承及整個主軸系統(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，必要時可做在線動平衡試 驗同時，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)個平衡螺孔，以

13、保 證 轉(zhuǎn) 軸 在 高 速 運(yùn) 轉(zhuǎn) 的 平 穩(wěn) 性 3:參考文獻(xiàn)：:1張瑜勝.電主軸在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用J.機(jī)械管理開發(fā)，2011 (1): 137-138.:2王麗梅，劉愛民，郭慶鼎.數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動中的交流電機(jī)及其控制方法J .沈陽工業(yè)大學(xué)業(yè)報，1999 ,21 ( 5): 417-420.:3張興軍，楊淑啟，韓龍義.高速精密電主軸的研制J.機(jī)電工程技術(shù),2006 , 35 ( 6) :43-44.僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet w