中文翻译-机床主轴单元

机床主轴单元 机床主轴基本上完成两个任务：在空间精确的旋转刀具（钻削，铣削，磨削）或工件（车削） ； 把所需要的能量传递到切削区 。 很显然主轴对切削效率和机加工件的质量有很大影响，这篇文章评论了目前的状态和介绍了主轴技术的研究挑战。 史回顾 典型地，主轴是被皮带或齿轮驱动的，转速只能通过改变传动比或通过电器开关改变驱动级的数量来改变。 之后，简单的电气或液压控制器开始发展，主轴旋转速度通过无级调速方式来改变，要提高生产力就需要更高的速度，加工技术要求发展新型轴承，电力电子与逆变器系统。在致力于发展紧凑的电力电子（静止变频器）领域的进步 导致在使用高频三相异步电动机上的低成本维护，对于早在 80 年代的主轴，高转速只能利用磁力轴承来实现，在轴承，润滑，滚动材料和驱动系统 (马达和转换器 )领域的持续发展已经允许建造直接驱动电机主轴来满足目前各种需求 。 要结构 如今，绝大多数机床都装配了点主轴。不同于外部驱动主轴，电主轴不需 要像齿轮和接头一样的机械传动单元。 主轴至少有两套主要的球轴承系统。轴承系统是对主轴的寿命影响最大的组成部件。最常见的电机是安装在两个轴承系统之间。 而冷却主要是通过水冷。冷却剂流过电机定子周围的冷却套而还经常流过轴承外圈。 主轴末端的密封件防止碎屑及切削液的侵入，通常这些是做了空气净化的。 一个标准的工具接口例如 被放置在主轴前端的。一个夹紧系统是用于快速 化。理想情况下，一个可以控制夹紧力的未夹紧单元需要可靠的加工。如果切削液一定要通过刀具流到切削上，那么对应的轨道 和旋转机构就要求具有夹紧系统的特点。 今天，几乎每个主轴都装配有用于监视电机温度 (热敏电阻或热电偶 )的传感器和定位夹紧系统。用于监测轴承的附加传感器，可以监测驱动过程的稳定性，但在许多工业领域却不太普遍。 前发展状况 大功率、高转速电主轴是为了加工用于航空、航天工业的大型铝制框架而发展起来的。高转速、低功率的电主轴用于电子工业为印刷电子版钻孔（ 。 业方面的实际开发领域 当前电主轴的发展主要集中在电动机的技术，降低用于预防性维护监测的成本。另一个核心问题是为了减少主轴上的热量发展用于抵消存在的约束力和输出频率的驱动系统。 过去注意力主要放在增加可靠的旋转速度。如今，如今的关注点已经改变，朝着具有高转速（ 15000r/同时还要有很高的转矩。由于在可靠性，产品生命周期和可预测维护方面需求的增加，电机主轴的状态监测系统变得越来越重要。对主轴各状态参数的定期和或连续观测能够检测磨损、过热和即将发生的故障。 了解主轴的产品寿命周期费用对预测服务期间内的维护、故障和运行成本有很大帮助。 主轴被研制和制造的主要目的是实现金属切削效率和加工精度的最大化。 工件材料可以分门别类，包括简单的，例如像铝，要用具有高转速和大功率的主轴，还包括难加工的，例如镍钛合金，要求主轴除了具有较低的转速，还要具有较大的转矩和刚度。切削具有磨料碳或碳纤维塑料的工件材料要求主轴前端具有良好的密封性。 给电路板钻孔的主轴转速要控制在 100 000 到 300 000 转 /每分钟。随着空气轴承的精度的不断提高，电机主轴应用领域的生产力和转速也在不断提高。 用于模具加工的主轴必须以很高的进给率完成粗轧机组操作 (高性能切割、以很高的切削速度完成切削过程（高切削速度， 以是两个机床配备两个不同的主轴或一个机床配备一个主轴切换单元。另一种情况就是用一个主轴来同时完成高速切削和高性能切割，但生产力仍然保持合理的水平。 航空航天用的主轴要求具有大功率和高转速。如今的主轴要求材料切除率达到每分钟切除铝材料 101 个单位。 磨削是一个要求高精度的操作过程，需要轴承具有很小的摆动的刚性轴。目前的内部磨床主轴要求轴承摆动 不超过 1 毫米。 主要用于钻孔的主轴单元要求具有很高的轴向刚度，这需要使用具有高接触角的角接触球轴承来实现。相反，高速铣削操作要使用有小接触角的轴承用以减少由于离心力引起的径向刚度变化。 现代加工中心往往具有多种功能如铣、钻、磨，有时珩磨操作可以在相同的工件上实现。提高机床先进性的瓶颈仍然是机床主轴，因为他不能在相同精度的条件下满足所有的操作。可重构和模块化的机床需要有规范化的机械、液压、气动、电气接口的可互换的主轴。 主轴单元的模型和分析的目标是为了实现最大的动态刚度，以最小的尺寸和功 率增加材料去除率，在设计阶段模拟主轴的性能和优化它的尺寸。主轴装配的机械部件是由安装有轴承的空心主轴组成。角接触球轴承广泛用于高速主轴，由于其低摩擦性能和可以同时承受径向和轴向载荷的能力。主轴可以在有限元环境下用梁、块、或管道单元来模拟。轴承刚度可以用一个球轴承接触角的函数、在操作期间由主轴的外部负载或热膨胀所引起的预紧力来模拟。运动方程以矩阵的形式导出，包括陀螺和离心效应，还有得到了附在主轴上的工具的固有频率、振型的形状和频率响应函数。如果轴承刚度与速度有关，或如果主轴在切削载荷下模拟，数值方法用于预测沿 主轴轴振动荷载和轴承上的接触载荷。 主轴仿真模型考虑了主轴设计参数的优化，目的是为了使主轴在全速运行时达到最大的动刚度，用一把指定的专用刀具用指定的速度实现最大轴向切削深度。在不损坏轴承和主轴的前提下以指定的速度，主轴设计的主要目标是实现切除材料的最大化，同时还要保证各项其他指标如精度和可靠性。 验模拟 一个现有的电主轴的动态行为是通过测量它的力和位移之间的频率响应函数得到的。在机械加工过程中，主轴结构会引起振动，可测量的频率响应函数可以用曲线来拟合，可用于预测固有频率、阻尼比和刚度值。频率 响应函数的实验测量对于在加工工艺设计阶段评估动态刚度和确定切削颤振条件是实用的。然而，以下困难需要考虑在内： （ 1）只需要测量旋转轴的一小部分就可行了，因此模拟整个主轴是不可能的； （ 2）运算速度和温度主要影响特征值，但当主轴旋转时频率响应函数的测量是相当困难的； （ 3）运用从测量的输入和输出数据中提取的参数进行曲线拟合或其他方法 并不总是得到主轴动态参数的精确分析 。 论模型 理论模型是基于物理定律，在设计阶段用来预测和改善主轴的性能。模型提供输入 F（力，速度）和输出 q（挠度 ，轴承载荷，和温度）之间的数学关系。数学模型可以用状态空间形式或通过一系列的微分方程来表达，在这两种方案中主轴的线性或非线性行为都可以被精确的模拟。 和外壳的力学建模 有限元方法普遍适用于主轴的结构力学和动态模型。该方法是通过偏导数微分方程组在有限元区域基于结构的离散化。该分析属于转子动态研究的类型，具有对称性的轴通常用梁单元来模拟，可以得到质量和刚度矩阵。 单元最为常用，因为它考虑了弯曲、转动惯量和剪切的影响，因此对主轴的固有频率和模态形状的预测有很大帮助。