毕业设计63西安航空职业技术学院电主轴的研究与维修设计

西安航空职业技术学院 毕 业 设 计（论 文） 论文题目： 电主轴的研究与维修设计 所属系部： 航空制造工程系 指导老师： 吴万牢 职称： 工程师 学生姓名： 付文娟 班级、学号 :051034-13 专 业： 数控技术 西安航空职业技术学院制 2008 年 2 月 20 日 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 2 西安航空职业技术学院 毕业设计（论文）任务书 题目： 电主轴的研究与维修设计 任务与要求： 1. 电主轴的发展与应用要求 2 确定电主轴研究的目的和意义 3 确定电主轴的组成与结构以及它的系统 4 电主轴技术水平的分析 5 电主轴常见故障分析及维修 6. 电主轴关键技术的研究 时间： 2008 年 2 月 20 日至 2008 年 4 月 1 日 共 6 周 所属系部： 航空制造工程系 学生姓名： 付文娟 学 号： 051034-13 专业： 数控技术 指导单位或教研室： 数控技术教研室 指导教师： 吴万牢 职 称： 工程师 西安航空职业技术学院制 2008 年 2 月 20 日 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 3 毕业设计 (论文 )进度计划表 日 期 工 作 内 容 执 行 情 况 指导教师 签 字 2008 年 2月 20日 -2月 25 日 分析题目 并查询相关资料 搜集到相关资料 吴万牢 2008 年 2月 26日 -2月 28 日 确定 设计方案并起草方案 完成设计的草案 吴万牢 2008 年 3月 1 日 -3月 4 日 电主轴的发展及其应用 完成工作内容 吴万牢 2008 年 3月 5 日 -3月 9 日 确定 电主轴结构及其系统组成 完成 工作内容 吴万牢 2008 年 3月 10日 -3月 16 日 电主轴技术水平及其故障分析与维修 设计完成 吴万牢 2008 年 3月 17日 -3月 22 日 电主轴关键技术的研究 完成工作内容 吴万牢 2008 年 3月 23日 -4月 1 日 编写说明书、绘图 及做最后的检查 完成工作内容 吴万牢 教师对进度计划实施情况总评 该设计立题妥当，具有一定的理论价值和实践意义；文章主要观点描述及评价正确，论述清楚；对本专业的知识、能力有所应用；水平是符合毕业论文的要求；文章结构合理，条理清晰，逻辑恰当。 签名 ： 吴万牢 2008 年 3 月 31 日 签名 年 月 日 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 4 【 摘 要 】 目前，高速加工技术越来越受到人们的关注。但高速电主轴设计的资料还是相当缺少的 。根据课题的需要及相关专业迅猛发长的大好形势，通过 PLC 变频使设备运行到额定转速；通 过双水外冷系统，较好地解决了发热厉害，温度太高的问题；通过 DCS，使现代化生产进一步提高。高速加工技术它 不仅可获得更大的生产率，而且还可获得很高的加工质量，并可降低生产成本，因而被认为是21 世纪最有发展前途的先进制造技术之一。在先进工业国家，此项技术已广泛应用于航空、航天及模具行业。在近五年中，我国的该项技术也取得了长足的进步。 本文根据高速电主轴在修理过程中，分析各元件和零件的应用及原理，理解修理过程中方法和技巧。 研究高速电主轴的发展和趋势。首先介绍了电主轴的发展及其特性；其介绍了 内部的结构并对其技术水 平进行了分析。第三，对其常见故障进行了分析研究，列举了一些常见的故障问题。最后，对电主轴有了进一步的研究。 关键字： 电主轴；变频调速；双水外冷；分布式控制系统； 角接触球轴承 ； 预知维修 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 5 Abstract At present, the high speed processing technology receives more and more peoples attention. But the information for design of high-speed motorized spindle is little. Based on being in need of the practice project and the great situation for rapidly developed related major, enabling devices to running on rating rotate speed is attained through PLC variable frequency speed regulation， the problem on great heating and high temperature is solved perfectly through double water outer cooling technology. And modern manufacture efficiency is improved though DCS. The high speed processing technology， not only it may obtain a greater productivity, moreover also may obtain the very high processing quality, and may reduce the production cost, thus was considered is the 21st century most has one of development future advanced techniques of manufacture. In the advanced industrial nation, this technology has widely applied in the aviation, astronautics and the mold profession. In the near five years, our countries this technology has also made the considerable progress. This article according to the high speed electricity main axle in the repair process, analyzes various parts and the components application and the principle, in the understanding repair process the method and the skill. Studies the high speed electricity main axle the development and the tendency. First introduced the electricity main axle development and the characteristic; Next Shoat its internal structure and has carried on the analysis to its technical level. Third, has conducted the analysis research to its common breakdown, has enumerated some common breakdown question. Finally, had the further research to the electricity main axle. Key words: motorized spindle; variable frequency speed regulation; double water outer cooling distributed control system； Angle contact ball bearing ； Foreknowledge service 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 6 目 录 1 概述 7 1.1 电主轴的未来发展趋势 7 1.2 电主轴的成功应用领域 8 1.2.1 在高速加工机床上的应用 8 1.2.2 半导体硅片的切割和磨削 8 1.2.3 印刷电路板微小孔的钻孔 10 1.2.4 汽车零件内孔磨削 10 1.2.5 滚珠轴承外环内滚道磨削 10 1.2.6 陶瓷零件和 光学玻璃等脆硬零件的加工 10 1.2.7 内燃机喷油嘴内孔磨削 10 1.2.8 用作精密雕铣的雕刻机主轴头 10 1.2.9 作为高速精密磨具还用于磨削轴承环的内孔，弹簧夹头的 内孔及模具导套的内孔等 10 1.3 电主轴所融合的技术 10 1.3.1 高速轴承技术 11 1.3.2 高速电机技术 11 1.3.3 润滑技术 11 1.3.4 冷却装置 11 1.3.5 内置脉冲编码器 11 1.3.6 自动换刀装置 11 1.3.7 高速刀具的装卡方式 12 1.3.8 高频变频装置 12 1.4 电主轴研究的意义与目的 12 1.4.1 电主轴研究的意义 12 1.4.2 电主轴研究的目的 13 2 电主轴的结构和系统组成 14 2.1 电主轴的结构特点 14 2.2 电主轴的系统 15 2.2.1 电主轴的系统简图 15 2.2.2 电主轴的电机选择 16 3 电主轴的关键技术 18 3.1 电主轴轴承的选择及其预紧技术 18 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 7 3.2 合理润滑技术 19 3.3 轴上零件的连接技术 20 3.4 电主轴的动平衡技术 21 4 电主轴的关键技术研究 21 4.1 电主轴的热稳定性分析 22 4.2 电主轴的基本参数与结 构布局 23 4.2.1 电主轴的主要参数 23 4.2.2 电主轴的结构布局 23 4.3 电主轴的主要热源及其解决办法 24 4.4 电主轴的热源分析及其冷却 26 5 电主轴的设计 27 5.1 高速电主轴轴端的设计 27 5.2 高速电主轴支撑方式的设计 27 5.3 电主轴的动平衡设计 28 6 电主轴常见的故障 29 6.1 电主轴常见故障类型 29 6.2 电主轴高速旋转发热的故障维修 29 6.2.1 故障现象 29 6.2.2 故障分析及处理过程 30 6.3 电主轴常见的主轴故障 30 6.3.1 引起主轴故障的原因 30 6.3.2 检查或排除主轴故障的方法 31 结束语 32 谢词 33 参考文献 34 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 8 1 概述 高速加工技术越来越受到人们的关注，它不仅可获得更大的生产率，而且还可获得很高的加工质量，并可降低生产成本，因而被认为是 21 世纪最有发展前途的先进制造技术之一。在先进工业国家，此项技术已广泛应用于航空、航天及模具行业。在近五年中，我国的该项技术也取得了长足的进步。 电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置 。 1.1 电主轴的未来发展趋势 以往电主轴主要 用于轴承行业的高速内圆磨削，随着数控技术和变频技术的发展，电主轴在数控机床中的应用越来越广泛。目前我国各类电主轴年需求量约6000 根，其中数控机床用电主轴仅有约 1000 根，而且大部分（约 60%）为进口电主轴；磨削用电主轴大约 4000 根，约占电主轴总需求量的 2/3；其余为高速离心机、高速试验机等特殊用途电主轴。 然而，数控机床的高速发展，正在改变着以磨用轴为主的电主轴市场。根据机床行业“十 五”发展规划，到 2005 年我国数控机床产量将从 2000 年的 1.5万台增加到 3.5 万台（目前预测会超过 5 万台），数控机 床使用电主轴的比例也将由 6.7%增加到 40%左右。预计到 2005 年，数控机床用电主轴将激增到 20000根，约占电主轴总需求量的 2/3，替代磨用电主轴的市场地位，成为电主轴市场的主力军。与此同时，数控机床主轴所需的高精密轴承的需求量也将急剧增加。按每根数控机床主轴平均使用 45 套轴承计算，考虑到部分双主轴或多主轴机床，按平均每台机床配备 1.5 根主轴计算，到 2005 年数控机床用高精密主轴轴承的需求量将增加到 24 万套，加上维修用轴承，总需求量将达到 48 万套。 二零零三年十二月国家发展改革委员会委托中国机床工具 工业协会组织召开了“数控机床关键功能部件产品创新发展座谈会”。会上，国家发展改革委员会工业司程竹处长宣读了发改委领导张国宝、王春正同志关于发展数控机床及其功能部件的批示。并表明了全力支持数控机床功能部件创新开发的态度。机床工具工业协会根据国内数控机床之需求，对到会的各功能部件生产主导单位提出强化发展要求：电主轴要求到 2005 年用于数控机床的电主轴单元总产量达到 3000西安航空职业技术学院 毕业设计论文 9 台套，到 2010 年达到 10000 台套。此任务十分艰巨，据到会的各主轴开发单位估计，按目前生产能力发展速度，到 2005 年我国最多只能开发出 2000 台套电主轴单元。如国家发政委动用国债资金强化支持，到 2010 年可能扩产到 6000 台套，其余缺口尚需通过进口来解决。因此，数控机床用电主轴单元的市场容量巨大，目前所需要的就是如何合理组织人力、物力、财力，开发出既多又好的功能部件 。 1.2 电主轴的 成功 应用 领域 高刚性超精密气静压电主轴，在国外工业发达国家已在众多高速加工的领域取得成功的应用。国外比较著名的生产气静压电主轴的公司有英国的 WESTWIND公司、日本的 TOSHIBA MACHINE 公司和 TOSHIBA TUNGACOY 公司、美国的 POPE公司等。 1.2.1 在高速加工机床上的应用 最近日本东芝机械公司（ TOSHIBA MACHINE.CO）已生产有主轴头为高刚性超精密气静压电主轴的高速加工机床，机床型号为 F-MACH 442 和 F-MACH 644两种，主轴转速为 600030000rpm 轴移动量（ XYZ ） 400400200mm 和600400400mm ，工作台面积为 600450mm 和 1100450mm ，可用于加工精密模具等。 1.2.2 半导体硅片的切割和磨削 现在半导体硅片直径已发展至 8” （ 200mm ），使用气静压电主轴切割硅片 ，由于砂轮偏摆极小，所以切下的硅片厚度差很小。而且也使表面不易烧伤，大大地提高成品率。切割下来的硅片需要磨平面，使用高刚性超精密气静压电主轴安装在平面磨床上加工，能获得高质量的表面，（因为主轴每转恒刚度，所以磨削又脆又硬的硅片表面不易烧伤而且表面下的材料也不易破裂）。 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 10 1.2.3 印刷电路板微小孔的钻孔 英国 WESTWIND 公司、日本 TOSHIBA MACHINE 公司和 TOSHIBA TUNGALOY 公司均有生产转速为 120000rpm 的超高速气静压电主轴，英国 AIR BEARING 公司也生产有 125000rpm 的同类型产品，用于 0.5mm 以下的印刷电路板和难加工材料微小孔的钻孔，最小钻孔直径为 0.1mm 。 1.2.4 汽车零件内孔磨削 1.2.5 滚珠轴承外环内滚道磨削 滚珠轴承外环内滚道的偏摆公差要求很高，在磨削过程中要求砂轮不产生轴向偏摆，气静压电主轴由于结构独特优势（如前所述），能顺利地达到加工要求，得到了成功的应用。 1.2.6 陶瓷零件和光学玻璃等脆硬零件的加工 1.2.7 内燃机喷油嘴内孔磨削 1.2.8 用作精密雕铣的雕刻机主轴头 1.2.9 作为高速精密磨具还用于磨削轴承环的内孔，弹簧夹头的内孔及模具导套的内孔等 由 以 上可以看到，气静压电主轴在国外已经在众多生产大行业中成功应用。如半导体、轴承、模具、喷油咀、汽车、印刷电路板、雕刻机、陶瓷零件加工、光学玻璃加工等大行业中。我国在应用方面存在很大差距，潜在的市场很大。 1.3 电主轴所融合的技术 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 11 1.3.1 高速轴承技术 电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限 。 1.3.2 高速电机技术 电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可 以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡 。 1.3.3 润滑 技术 电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。 1.3.4 冷却装置 为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作 用是保持冷却剂的温度。 1.3.5 内置脉冲编码器 为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。 1.3.6 自动换刀装置 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 12 为了应 用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等 。 1.3.7 高速刀具的装卡方式 广为熟悉的 BT、 ISO 刀具，已被实践证明不适合于高速加工。这种情况下出现了 HSK、 SKI 等高速刀具。 1.3.8 高频变频装置 要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的 输出频率必须达到上千或几千赫兹。 下图 1-1 为电主轴的内部示意图 图 1-1 电主轴的内部示意图 1.4 电主轴研究的意义与目的 1.4.1 电主轴研究的意义 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 13 如何提高电主轴国产化水平 ， 专家指出，要加快电主轴国产化步伐，必须重视以下几个方面的工作： （ 1） 加强电主轴关键技术研究，提高自主创新能力。如加强高速、高刚度轴承研究、轴承润滑冷却方式研究、新一代驱动技术的研究、新材料新结构的电机技术研究。 （ 2） 加快电主轴 的标准化工作。过去国产电主轴没有统一的标准，各厂家自行确定电主轴外形尺寸，造成无法互换和用户难以选型。目前洛阳轴研科技公司承担制订的国内第一个数控机床电主轴行业标准已进入报批阶段。 （ 3） 政府要加大对电主轴等功能部件的扶持力度。如加大科技投入，加大技改资金支持，加大鼓励电主轴国产化的政策支持，享受数控机床主机的税收优惠等。 （ 4） 企业要提高电主轴生产的装备水平，确保产品质量和可靠性。 （ 5） 加强宣传与沟通，提高用户的信任感。一些用户、主机厂由于对国产电主轴质量和可靠性不信任，指名选配国外产品， 使国产电主轴难以批量生产，制约了电主轴产业化发展。 （ 6） 鼓励支持以专业厂家生产的高质量的电主轴取代各机床厂家自己生产的传统主轴。功能部件的发展和其专业化生产不仅有利于缩短新产品开发和制造周期 ，其 功能部件已占据数控机床成本相当大的比例，它的产业化也有助增强数控机床的价格竞争优势。作为关键部件的主轴单元应进行系列化、工程化设计与制造，不断提高主轴的转速等性能指标，使主轴单元成为一个有自主知识产权，可供用户使用选择，能批量生产、稳定供货的优质部件。 1.4.2 电主轴研究的目的 电主轴研究的目的只要是 提高加 工效率、降低加工成本、改善加工质量，是加工行业永恒不变的追求！提高主轴的转速则是提高加工效率最直接的方法。然而，提高主轴转速则会使主轴的升温明显，进而影响到主轴和整个机床的寿命。而且提高主轴转速又会降低主轴的精度，从而影响加工质量！因此，目前我国很多加工设备的转速还只有 8000rpm 以下 。 电主轴 的问世很好地解决了上述矛盾。电主轴能够在很好地控制主轴电机温度的前提下提升转速，而且很好地保证加工精度。目前电主轴的转速能够达到 200000rpm，甚至更高，功率可以达到 70kw。在进口的加工设备以及我国一些高档机床 上都运用了电主轴。特别是在一些转速西安航空职业技术学院 毕业设计论文 14 比较高的加工中心、雕刻机、数控铣床等领域应用较为广泛。可以说，电主轴是未来加工行业发展的必然趋势！ 2 电主轴的结构和系统组成 2.1 电主轴的结构特点 气静压电主轴是采用空气静压轴承作主轴的支承，采用变频电机驱动主轴，变频电机的转子安装在主轴上（因此称作电主轴），电机的定子安装在壳体内。空气轴承采用 “ 全支承 ” 结构与国内传统的设计相比，能成倍地提高轴系的承载和刚度。 电主轴单元典型的结构布局方式是电机置于主轴前、后轴承之间 ， 其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，功率大，较 适合于大、中型高速数控机床；其不足是在封闭的主轴箱体内电机的自然散热条件差，温升比较高。 主轴的变速由主轴驱动模块控制，而主轴单元装置限制。在主轴后端装有测速测角位移传感器，前端的内锥孔和端面用于安装刀具。 下图 2-1 为 电主轴单元典型的结构布局 图 2-1 电主轴单元典型的结构布局 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 15 下图 2-2 为电主轴结构示意图 图 2-2 电主轴结构 2.2 电主轴的系统 2.2.1 电主轴的系统简图 电主轴的系统 由内装式电主轴单元、驱动控制器、编码器、通讯电缆、直流母线制动器组合成的，用以将电 网电能变为电主轴单元的机械能，同时实现电主轴准停。准速、准位的系统称之为电主轴系统。 常见的数控机床用电主轴系统的配置可由下图 2-3 简式来表述 图 2-3 电主轴系统的配置 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 16 大型数控铣 (含并联机构数控铣 )、小型数控车 (无轴定位 )电主轴单元 +开环式驱动控制器 +直流母线能耗制动器。 电主轴系统品质的优劣是大型数控铣、加工中心、数控车品质优劣的关键之一。对闭环式配置的电主轴系统而言尤为重要。目前我国已能自行开发设计各类高速电主轴。但闭环式驱动控制器及高水平的编码器尚不过关。选用优质的进口编码器和驱动控 制器来匹配我国自行开发的电主轴单元，从而组成电主轴系统，以供应国内数控机床之急需，从而降低主机成本，提高主机的市场竞争力是一条可行之路。 2003 年，洛阳轴研科技股份有限公司分别与德国博世 -力士乐公司、德国 AMK 公司驻中国办事处取得联系，并成功地实现了 Refute(力土乐 )电源 +Subtask 编码器 +ZYS 10,000r/min 电主轴单元的联配。为大面积推广中西结合的电主轴系统创出了一条路。 2003 年 7 月洛阳轴研科技股份有限公司与德国博世 -力士乐 (中国有限公司 )电子传动与控制事业部达成联合开发 Undreamt-ZYS 电主轴系统品牌的协议。在协议的推动下首轮Indiaman-ZYS 数控机床用电主轴系统型谱已问世。由于国产电主轴单元同类型产品价格远低于进口电主轴，故 Indiaman-ZYS 电主轴系统价格也远比进口系统低得多，从而为国产数控机床的发展提供了新的选择。 2.2.2 电主轴的电机选择 表 2-1 为 DZ 系列电主轴电机的定子、转子外形安装尺寸 系列 定子外形安装尺寸 装配气隙 转子外形安装尺寸 定子水套外形安装尺寸 D D1 D2 A1 L/L1 B1 d d1 d2 d3 d4 a D3 D4 D5 D6 D7 A B H G DZX1 181 165 125 55 见 标 准 规 格 45 0.35 74 74.5 114 115 114.3 15 200 165 182 197 175 60 50 2.5 4 DZX2 120 105 73 45 40 0.30 38.5 - - 67 66.4 - 132 128 121 132 115 50 45 2.5 4 DZX3 250 230 176 75 65 0.50 93 100 156 160 159 16 270 263 251 265 245 80 50 2.5 4 DZC1 290 260 203 90 75 0.55 124 125 185 187 185.9 18 270 260 291 265 285 95 80 8.6 1 DZC2 152 136 108 50 45 0.30 60 61 94 96 95.4 14 164 159 153 162 148 55 50 2.5 4 DZC3 120 106 80 45 40 0.30 45 51 70 71 70.4 12 132 128 121 132 115 50 45 2.5 4 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 17 图 2-4 转子外形安装示意图 图 2-5 定子外形安装示意图 图 2-5 带水套定子外形安装示意图 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 18 图 2-6 特 性曲线 3 电主轴的关键技术 3.1 电主轴轴承的选择及其预紧技术 用在高速主轴单元上的轴承主要有角接触球轴承、磁悬浮轴承、水基动静压轴承、空气动静压轴承等。磁悬浮轴承由于价格昂贵，控制系统复杂，发热问题难以解决，因而还无法在高速主轴单元上推广应用。水基静压轴承是目前国内较热门的研究课题之一，它是利用水具有热容量较大、轴承温升较小的特点，部分解决了普通动、静压轴承发热严重的问题，主要用在低速重载场合。空气动静压轴承径向刚度低并有冲击，但高速性能好，一般用在超高速、轻载、精密主轴上。角接触球轴承 do 值在 2.0 106 以下的高速主轴单元中应用，无论是速度极限、承载能力、刚度、精度等各方面均能很好地满足要求并已标准化，价格低廉，目前 90%的主轴组件采用这种类型 的轴承。 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 19 3.2 合理润滑 技术 主轴轴承常见的润滑方式有脂润滑、油雾润滑、油气润滑、喷射润滑及环下润滑等 。 脂润滑不需任何设备，是低速主轴普遍采用的润滑方式。 do 值在1.0106 以上的主轴，多采用油润滑的方式，其中油雾润滑是将润滑油 (如透平油 )经压力空气雾化后对轴承进行润滑的。这种方式实现容易，设备简单，油雾既有润滑功能，又能起到冷却轴承的作用，但油雾不易回 收，对环境污染严重，故逐渐被新型的油气润滑方式所取代。 油气润滑是将少量的润滑油不经雾化而直接由压缩空气定时、定量地沿着专用的油气管道壁均匀地被带到轴承的润滑区。润滑油起润滑的作用，而压缩空气起推动润滑油运动及冷却轴承的作用。油气始终处于分离状态，这有利于润滑油的回收，而对环境却没有污染。实施油气润滑时，一般要求每个轴承都有单独的油气喷嘴，对轴承喷射处的位置有严格的要求，否则不易保证润滑效果，油气润滑的效果还受压缩空气流量和油气压力的影响。一般地讲，增大空气流量可以提高冷却效果，而提高油气压力，不 仅可以提高冷却效果，而且还有助于润滑油到达润滑区，因此，提高油气压力有助于提高轴承的转速。实验表明，加大压力比采用常规压力进行油气润滑可使轴承的转速提高 20%。 喷射润滑是直接用高压润滑油对轴承进行润滑和冷却的，功率消耗较大，成本高，常用在 do 值为 2.5106 以上的超高速主轴上。 环下润滑是一种改进的润滑方式 (见图 3-1)，分为环下油润滑和环下油气润滑。实施环下油或者油气润滑时，润滑油或油气从轴承的内圈喷入润滑区，在离心力的作用下润滑油更易于到达轴承润滑区，因而比普通的喷射润滑和油气润滑 效果好，可进一步提高轴承的转速，如普通油气润滑，角接触陶瓷球轴承的do 值为 2.0106 左右，采用加大油气压力的方法可将 do 值提高到 2.2106 ，而采用环下油气润滑则可达到 2.5106 。 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 20 图 3-1 环下润滑 3.3 轴上零件的 连接技术 在超高速电主轴上，由于转速的提高，所以对轴上零件的动平衡要求非常高。轴承的定位元件与主 轴不宜采用螺纹连接，电机转子与主轴也不宜采用键连接，而普遍采用可拆的阶梯过盈连接。这种连接与螺纹连接相比有较明显的优点： 不会在轴上产生弯曲和扭转应力，对轴的旋转精度没有影响； 易保证零件定位端与轴心线的垂直度，轴承预紧时不会使轴承受力不均而影响轴承的寿命； 过盈套质量均匀，主轴动平衡易得到保证； 一般用热套法进行安装，用注入压力油的方法进行拆卸，对主轴无损害； 定位可靠，可提高主轴的刚度。确定阶梯套基本过盈量时，除了根据所受载荷计算需要过盈量外，还需考虑以下因素对过盈连接强度的影响： 配合表面的粗糙度； 连接件的工作温度与装配温度之差，以及主轴与过盈套材料线胀系数之差； 主轴高速旋转时，过盈套所受到的离心力会引起过盈套内孔的扩张，导致过盈量减少，当主轴材料和过盈套的材料泊凇比、弹性模量和密度相差不大时，过盈量的修正值与主轴转速的平方成正比，例如，当配合处直径为 66mm，主轴内孔为 25mm，过盈套外径为 134.2mm，传递扭矩为 85Nm，转速为 1000r/min 时，离心力引起的过盈量减小值仅为 0.096m；而当转速为 18000r/min 时，该值可达 31.199m； 重复装卸会引起过盈量减小； 结合面形位公 差对过盈量的影响等。 阶梯过盈套过盈量的实现有两种方式： 利用公差配合来实现，根据基本过盈量的计算值和配合面的公称尺寸，查有关手册图表，得出相应的过盈配合； 利用阶梯配合面的公称尺寸的差值来实现，并选用 H4/h4 的过渡配合，这种方法容易控制和保证配合的实际过盈量，适用于高精度的零件配合和进行标准化、系列化生产。 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 21 3.4 电主轴的动平衡技术 由于不平衡质量是以主轴的转速二次方影响主轴动态性能的，所以主轴的转速越高，主轴不平衡量引起的动态问题越严重。对于电主轴来说，由于电机转子直接过盈固定在主轴上，增加 了主轴的转动质量，使主轴的极限频率下降，因此超高速电主轴的动平衡精度应严格要求，一般应达到 G1 G0.4 级 (G ew， e 为质量中心与回转中心之间的位移，即偏心量； w 为角速度 )。对于这种等级的动平衡要求，采用常规的方法仅在装配前对主轴的每个零件分别进行动平衡是不够的，还需在装配后进行整体精确动平衡，甚至还要设计专门的自动平衡系统来实现主轴在线动平衡，以确保主轴高速平稳运行。 主轴动平衡常用方法有两种：去重法和增重法。小型主轴和普通电机常采用去重法。该法是在电机的转子两端设计有去重盘，当电机转子和其他 零件安装到主轴上以后进行整体动平衡时，根据要求由自动平衡机在转子的去重盘处切去不平衡量。增重法是近年来某些主轴电机制造商为适应高速主轴发展的需要，在开发出商品化的无框架主轴电机 (Frameless spindle motor)上常采用的方法。电机转子的两端设计有平衡盘，平衡盘的圆周方向设计有均匀分布的螺纹孔，转子安装到主轴上以后进行主轴组件整体动平衡时，不是在平衡盘上去重，而是在螺纹孔内拧入螺钉，以螺钉的拧入深度和周向位置来平衡主轴组件的偏心量，如图 3-2 所示。 图 3-2 增重法 4 电主轴的关键技术研究 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 22 4.1 电主轴的热稳定性分析 高速电主轴的热稳定性问题是该类主轴需要解决的关键问题之一。由于电主轴将电机集成于主轴组件的结构中，无疑在其结构的内部增加了一个热源。电机的发热主要有定子绕组的铜耗发热及转子的铁损发热，其中定子绕组的发热占电机总发热量的三分之二以上。另外，电机转子在主轴壳体内的高速搅动，使内腔中的空气也会发热，这些热 源产生的热量主要通过主轴壳体和主轴进行散热，所以电机产生的热量有相当一部分会通过主轴传到轴承上去，因而影响轴承的寿命，并且会使主轴产生热伸长，影响加工精度。 除了电机的发热之外，主轴轴承的发热也不容忽视，引起轴承发热的因素很多，也很复杂，主要有滚子与滚道的滚动摩擦、高速下所受陀螺力矩产生的滑动摩擦、润滑油的粘性摩擦等。上述各种摩擦会随着主轴转速的升高而加剧，发热量也随之增大，温升增加，轴承的预紧量增大，这样反过来又加剧了轴承的发热，再加上主轴电机的热辐射和热传导，所以主轴轴承必须合理润滑和冷却，否 则，无法保证电主轴高速运转。 从以上分析可以看出，为改善电主轴的热特性，电机冷却必不可省。采取的主要措施是在电机定子与壳体连接处设计循环冷却水套。水套用热阻较小的材料制造，套外环加工有螺旋水槽，电机工作时，水槽里通入循环冷却水，为加强冷却效果，冷却水的入口温度应严格控制，并有一定的压力和流量。另外，为防止电机发热影响主轴轴承，主轴应尽量采用热阻较大的材料，使电机转子的发热主要通过气隙传给定子，由冷却水吸收带走。 图 4-1 是对某电主轴在额定功率 38kW、额定转速 800r/min 下达到热平衡 时热传导有限元分析的结果。从图中可以看出，电主轴的温度分布是不均匀的，由于定子与主轴壳体间设计有冷却水套，散热条件较好，温度较低，电机转子由于散热条件差，温度较高，对前后轴承有明显的影响。 图 4-1 热传导有限元分析结构 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 23 4.2 电主轴的基本参数与结构布局 4.2.1 电主轴的主要参数 (1)主轴最高转速和恒功率转速范围 。 (2)主轴的额定功率和最大扭矩 。 (3)主轴前轴颈直径和前后轴承的跨距等。 其中主轴最高转速、前轴颈直径和额定功率是基本参数。电主轴通常装备在高速加工中心上，在设计电主轴时要根据用户的工艺要求，采用典型零件统计分析的方法来确定这些参数。机床厂对同一尺寸规格的高速机床，一般会分两大类型，即 “ 高速型 ” 和 “ 高刚度型 ” 分别进行设计。前者主要用于航空、航天等工业加工轻合金、复合材料和铸铁等零件：后者主要用于模具制造、汽车工业中高强度钢或耐热合金等难加工材料和钢件的高效加工。在设计电主轴时，还要注意选择有较好扭矩 功率 特性和有足够宽调速范围的变频电动机及 其控制模块。 4.2.2 电主轴的结构布局 根据主电动机和主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴有两种布局方式： （ 1） 图 4-2 所示是 GD-2 型高速电主轴，也是一般电主轴的基本结构形式。其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度高，出力大，较适用于中、大型高速加工中心，目前大多数电主轴都采用这种结构形式。 1.编码盘 2.电主轴壳体 3.冷却水套 4.电动机定子 5.油气喷嘴 6.电动机转子 7.阶梯过盈套 8.平衡盘 9.角接触陶瓷球轴承 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 24 图 4-2 GD-2 型电主轴 （ 2） 主电动机置于主轴后轴承之后，如图 4-3 所示，即主轴箱和主电动机作轴向的同轴布置 (有的用联轴节 )。这种布局方式有利于减小电主轴前端的径向尺寸，电动机的散热条件也较好。但整个主轴单元的轴向尺寸较大，常用于小型高速数控机床，尤其适合于模具型腔的高速精密加工。有关电主轴前后轴承之跨距及主轴 端部伸出量，应按静刚度和动刚度的要求进行计算。 1.液压缸 2.拉杆 3.主轴轴承 4.碟形弹簧 5.夹头 6.主轴 7.内置电动机 图 4-3 主电动机位于后轴承之后的电主轴 4.3 电主轴的主要热源及其解决办法 用于铣镗类高速加工中心的电主轴运转中的发热问题始终是人们关注的焦点。电主轴的内部 有两个主要热源，一是内藏式主电动机，另一个是主轴轴承。 与一般的主轴部件不同，电主轴最突出的问题之一是内藏式高速主电动机的发热。由于主电动机旁边就是主轴轴承，电动机的发热会直接降低轴承的工作精度，如果主电动机的散热问题解决不好，还会影响机床工作的可靠性。图 4-4 所示为西安航空职业技术学院 毕业设计论文 25 高速电主轴的外循环油 % 水冷却系统。在主电动机定子的外面加一带螺旋槽的铝质外套，机床工作时，冷却油不