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机床
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机床主轴装置,机床,主轴,装置
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机床主轴装置 摘要： 本文介绍了机床主轴装置的状态是最先进的电主轴装置，并集中应用在高速和高性能切削中。对主轴单元关于历史发展的主要成分，给出了详细解释，并说明了主轴最近的挑战和未来的发展趋势。给出了一个关于主轴在最近发展中的研究项目。先进的主轴装置的性能和动力都在特定的结果概述中显示。此外，给出了传感器和执行器的集成概念，并全部集中在提高生产力和可靠性上。 关键词： 主轴 机电整合 机床 机床主轴基本上完成两个任务： * 旋转工具 (钻孔、铣削和磨削 )或使工件在空间旋转 * 像金属切削区传递所需 能量 显然主轴对金属切除率和加工零件的质量有很大的影响。本文综述了目前的状态，并提出主轴技术的研究挑战。 史回顾 传统上，主轴是由皮带或齿轮驱动来控制旋转速度的，也可以通过改变电开关的传动比或驱动的极数来进行控制。 此后对简单的电气或液压控制器进行了开发，主轴的旋转速度可以通过无级可调旋转变压器（电机控制的病房伦纳德系统）装置来改变。 提高生产力的需要导致了更高的速度加工要求，并导致电力电子和逆变器系统的新轴承的发展。利用高频三相异步电动机使电力电子（静态频率转换器）领域有了很大的进 步，紧凑型驱动器与低维护成本也有了发展。 主轴高转速在 80 年代初只有通过主动磁轴承才可以实现。在轴承，润滑，滚动体材料和驱动系统（电机和变频器）连续发展的情况下，目前已经允许直接驱动电机主轴来满足广泛的需求建设。主轴技术的历史回顾图 1。 图 1 历史回顾 要装备 今天，绝大多数的机床都配备了电动主轴。不同于外部驱动主轴，电主轴不需要像齿轮和联轴器那样的机械传动元件。这种电动机主 轴主要由图中所示的元件组成。（如图 2） 图 2 马达轴（ 剖面图） 这种轴主要有至少两组滚珠轴承系统。轴承系统是用在主轴的寿命影响最大的组件上，最常用的电动机布置在两个轴承之间。 由于高比率 “权力体积 ”主动式散热系统往往是必需的，这一般是通过基于水冷却来实现的。冷却剂流过马达，通常的外轴承环的定子周围的冷却套。 密封件在所述主轴的刀具端防止切屑和切削液侵入。通常，这是通过净化空气和迷宫式密封。 一个标准化的工具界面，如 置在主轴前端。夹紧系统用于快速自动换刀。理想情况下，松开装置（牵引）也可以监视，夹紧力是需要可靠的机械来加工的。切削液必须通过该工具刀具，足够的渠道和一个旋转接头，从而变成所需夹紧系统的功能来进行传输。 如今，几乎每一个主轴上都装有传感器，用于监控电机温度（热敏电阻或热电偶）和夹紧系统中的位置。额外的传感器监测轴承，驱动器和进程的稳定性使其可以相互连接，但这些不常用于多种工业应用。 本文的重点是主轴技术，为了清楚地限制本文中选择系统的边界图示给出了解释（图 3）。 图 3 主轴系统及其集成到机床的概述 先进的技术 当前主轴制造商提供多种用于图中所示应用领域的主轴的解决方案（如图 4）。 图 4 市场上可用的主轴 高功率、高转速主轴主要用于在航空航天工业加工的大型铝框，具有非常高的速度和低功耗的主轴是用于电子行业钻井印刷电路电路板（ 。 业领域的实际开发 目前在电机主轴的工业的事态发展主要应用于电机技术，提高总体拥 有成本(状态监测的预测性维护 (图 5)的一个中心问题是消除功率和输出频率的现有限制，同时降低主轴的发热驱动系统的发展。 特别注意的是在过去的可靠增加中可达到的转速。然而，重点是对更高速度的扭矩可达 15,000可靠性提高的要求下，生命周期和可预测的维护 “状态监测 ”系统，电主轴已变得更加重要。定期和或连续观测的主轴状态参数是允许检测磨损、过热和即将出现的故障的。 在预测他们的服务期维修中，了解主轴的寿命周期成本（ 稳步上涨，故障和运营成本的重要性尤为重要。 在机床的应用中，主轴的开发和制造范围广泛是以金属去除率和加工精度为共同目标的。图 6 给出了一个概述。解释了它的应用领域、材料等级和所得到的有关规定的转速，功率，扭矩和准确性。 在做工用料范围内，从如铝高速高功率主轴加工的简单材料，到需要具有低转速高扭矩和刚度主轴镍合金和钛合金等进行加工。增强碳纤维塑料研磨或切割工作的材料 (情况下是需要良好的密封主轴前端的。 主轴钻孔印刷电路板工作在 10 万到 30 万转的角速度范围内完成的。在这个应用领域中，过去数年的生产率和速度的增加是可能的，这是精密空气 轴承的发展。 在模具加工中使用的主轴必须履行粗加工工序（高性能切割， 是高进给率和整理工艺（高速切削， 高切削速度。根据战略和模具机械模具厂的两个不同的机床，其中两个不同的主轴是配备在一台机器的主轴变换单元上。另一种可能性是使用一个主轴，可同时满足 条件，但是这仍然存在关于整体生产率的折衷问题。 主轴单元的分析和建模的目的是优化其尺寸的设计阶段。为了达到最大的动态刚度，进行了增加最小尺寸的材料去除率和功耗的主轴性能模拟。切割过程中的颤振稳定性的预测和建模可在 以前的文章 10中有提及，本文没有涵盖。主轴组件的机械部分由空心轴与轴承一并安装于一壳体中。由于其在轴向和径向方向上低摩擦性能和承受外荷载的能力，角接触球轴承是最常用的高速主轴轴承。轴承的刚度被建模为一个球轴承的接触角的函数，在操作过程中的外部负载或主轴的热膨胀引起的预紧力。 验建模 现有的主轴的动态行为是通过测量其频率响应函数（ 得在工具提示上最快的力与位移。实测的频响函数曲线拟合，可估计的固有频率，阻尼比和刚度值在一个范围内的频率的主轴结构可在加工过程中产生振动。频响函数的实验测定 是评价动态刚度，确定无颤振切削条件对零件加工操作过程实践。然而，以下难点需要牢记的： * 只有一小部分的旋转轴是可用于测试，因此整个主轴的模型是不可能的 * 操作速度和温度主要影响特征值 ,但 量主轴旋转时退出困难 * 曲线拟合和其他方法来提取参数的测量，输入和输出数据并不总是能使主轴的动态参数准确识别。 论模型 理论模型是基于物理定律的，并用于预测和改进主轴在设计阶段的性能。该模型提供的输入端 F(力，速度 )和输出 Q（挠度，轴承负荷和温度）之间的数学关系。该数学模型可以表示为状态空间形式， 或由一组常微分方程组成。在这两种情况下的线性的主轴或非线性行为来进行建模。 接触球轴承的建模 角接触球轴承 (图 11)常用在高速主轴。轴承需要预加载，以防止打滑，来保持旋转精度和足够的刚度，同时在径向和轴向方向来基本的操作要求。基本上有两种类型的轴承预紧力：刚性预紧和定压预压 (见图 22)。 图 11 角接触球轴承的几何结构 27 轴承支承的主轴转轴的建模是在加工过程中预测主轴的结构变形。轴承的参数在操作过程中会发生变化，这反过来又影响 刚度。例如相对滚道的曲率中心的位移，内圈和外圈，轴向和径向载荷之间的相对速度，内圈，外圈和接触角度之间的温度差都可能在切割过程中发生变化。 根据机床的应用领域，轴承系统是受需求的复杂阵列。例如在高速切削的铝组分 (应用中，有必要以高的速度来结合低刚性，而钛或镍基合金的重负荷加工要求在旋转低速的轴承必须能够吸收高切削力。除了一个合适的轴承类型的选择，轴承配置的优化设计，使主轴的性能和使用寿命作出了决定性贡献。 5. 驱动概念 变频器需要不断的三相电源转换成可变的三相电源。整体电主 轴通常是由一个三相两级逆变器的脉冲宽度调制 (出供电的。因为开关的操作模式，输出电压不纯粹的正弦包含开关谐波问题。这些谐波电压引起的电流不参与转矩的形成，但仅与各个电子元件的加热有关，以减少在电源电压和电流的谐波含量的三相三电平逆变器作用。由于额外的功率半导体，这些逆变器必须施加额外的电压电势至电动机的能力。这显著降低了谐波电源电压的含量。图 35 示出了两种不同的逆变器和可达到的电压和电流使其组合起来。 图 35 设置、相 间电压电流的两级 (上 )逆变器 (底部 ) 状态监测 结合振动性的检测方法已经开发多年并用来提高铣削的稳定性。 10141中给出了一个全面的概述。 用于研磨或铣削高速主轴的需求程度较高的主轴系统的失衡，尤其是刀柄和刀具。更高的质量和精度可在工件观察和机器部件的使用上使寿命更长。为实现这些目标，有必要以降低所造成的不平衡振动带来的影响。 每个现代机床的心脏是主轴单元，其通常被设计为一个电主轴。这个核心部件很大程度上有助于生产率，精度和加工产品的 质量。许多项目已经进行了审查，并在这里有了以提高性能，效率和主轴可靠性的目标。 致谢 作者在此感谢所有 同事和来自业界的专家给这个主题提供的宝贵信息。特别感谢下面的同事： .， .， .， .， .， .， .， .， .， .， .， .。没有你们，这篇文章就不可能展现在大 家的眼前。 参考文献 1 , (2004) 3(1):309312. 2 , , (2007) (2):219226. 3, (2006) 3(2):207210. 4 , , (2007) (2007):219226. 5 , , , , , (2007) :421428. 6 , (2005) 4(1):379382. 7 , K (1992) 2(3):329347. 8 , (2004) 3(1):305308. 9 , (2004) 3(2):619642. 10 F, , (2006) A 28(2):468478. 11 , (2001) 0(1):281284. 12 , et (2008) of a 7(1):125128. 13 G, G (2002) 5(2):247259. 14 993) 15 (2004) :6466. of 9 (2010) 781802 a on of of by or be by or of by or of be by of to to of of 980s by do A of at of is on of a to to is is a of is a A is is to be to a is or of be in 223 2010 2)a,*, Y. 1)b, C. 2) 15 or in to of t a A of is in on is of in on 010 at up 5,000 in D$1. (D$(D$. et 9 (2010) 781of of 2. of a of of in in in in on of 5). is of of of (D$3. of to of in 4. on (D$5. in on of of of in of a a of 6 to at to D$6. to be to or to 7of 123. on (q ( D$. et 9 (2010) 781802 783at RP)in 00,000 00,000 in of in to at SC)on or PC a by as as s a of 0 l of is a a of is by in to of on to be on of of is to in to of of be in 0of a in to is by in as a of by or of at to If is on or if to as as on 7)or to at a a is or to of of s RF is by at by or 0 a in a a to at at 2,121 to a at an of is as 80. In a of is of is of to be in of of an is by at be to at a of is to 7. of in or by a of In or of be of FE)to of on of at of by to is 11) to in to D$(D$10. of a 7et 9 (2010) 781802784to of 65 of by 48,128,156,161,177. of is an of 178 120an in 8, 7. as a as a as a in in in at in is to be to is to or in to be in of is 0 q is of in of q be to of or be an to of in 49. of is . is of of of is as in of In
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