电主轴轴承.doc

随着世界经济不断发展，企业间的竞争越来越激烈，面对入世后更新更高更强的挑战,为了加速企业自身经济的发展，提高企业的市场反应能力，促进企业技术进步，高速数控机床的研究开发已是当务之急。高速数控机床设计制造中，高速主轴最为关键。随着电气传动技术的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了皮带传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴合二为一的传动结构形式，使主轴部件由机床的传动系统和整体结构中相对独立起来，因此可做成“主轴单元”。俗称“电主轴 ”。由于电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”；由于没有中间传动环节，有时有称它为“直接转动主轴”。1电主轴的轴承1.1具有滚动轴承的电主轴滚动轴承具有刚度好，高速性能好，结构简单紧凑，标准化程度高，品种规格繁多，便于维修更换等一系列优点，在电主轴中得到广泛的应用。电主轴轴承一般采用高速且可同时承受径向和轴向负荷的精密角接触球轴承。滚动轴承在高速旋转时滚珠会产生很大离心力和陀螺力矩，滚珠所承受的离心力远大于切削力作用给滚珠的力，一般采用两种措施：一是尽量减小滚珠的直径，高速精密滚动轴承的滚珠直径为标准系列滚珠直径的70%，二是用密度小的热压烧结氮化硅陶瓷材料制作滚珠。角接触轴承一般必须在轴向有预加载荷条件下才能正常工作。预加载荷不仅可以消除轴承的轴向游隙，还可以提高轴承刚度，主轴的旋转精度，抑制震动和球体自转时的打滑现象。1.2 具有静压轴承的电主轴流体静压轴承为非接触式轴承，具有磨损小，寿命长，旋转精度高，阻尼特性好等优点。按所用流体的性质，可分为气体静压轴承和液体静压轴承。气体静压轴承的刚度差，承载能力低，主要用于高精度，高转速，轻载荷的场所。液体静压轴承刚度高，承载能力强但结构复杂，使用条件苛刻，而且在高速下液面搅动大，消耗功率大，温升较高。具有静压轴承的电主轴结构紧凑，动静态刚度较高。它的主要缺点是价格较高，使用维护较为复杂。1.3具有磁悬浮轴承的电主轴磁悬浮轴承(Magnetic Bearing) 是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上。与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。磁悬浮事实上只是一种辅助功能，并非是独立的轴承形式，具体应用还得配合其它的轴承形式，例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等等。2电主轴的冷却与润滑2.1电主轴的冷却电主轴的主要热源有三个：置于主轴内部的电动机，轴承，切削刀具。电动机在高速旋转时，电动机转子的工作温度高达140-160度，定子的温度也在45-85度。对于电主轴，由于电动机的内置，电动机产生的热量会直接给主轴，引起主轴热变形产生加工误差。另外电主轴的轴承在高速旋转时会产生大量热量，这也会引起主轴温度的升高，而且容易烧坏轴承。安装在电主轴端部的切削刀具，在高速切削时也会产生大量的热量。因此不采取有效的冷却措施，高速电主轴将无法工作。主轴冷却的目的是保护主轴温度恒定，且其温度与主轴转速无关，因而可以避免主轴前端伸长，并且保护主轴轴承，保护主轴精度不受电动机发热的影响。电动机的冷却是为了加强电动机对外的散热能力，使主轴部件的壳体保持室温状态，刀具冷却是选用件，可以选用外部冷却或内孔冷却。2.2电主轴的润滑润滑当前高速主轴的润滑形式主要有油脂润滑、油气润滑和油雾润滑等几种。油脂润滑油脂润滑为一次性永久润滑，不需任何附加装置和特别维护。但其温升较高，允许轴承工作的最高转速较低，一般值在以下。在使用混合轴承条件下，其值可以提高。油气润滑是一种新型的、较为理想的方式，它利用分配阀，对所需润滑的不同部位，按其实际需要，定时（间歇）、定量（最佳微量）地供给油气混合物，能保证轴承的各个不同部位既不缺润滑，又不会因润滑过量而造成更大的温升，并可将油雾污染降至最低度，为了保证装置的正常工作，油气润滑用油的清洁度要达到规定的标准。油雾润滑效果较好，但结构复杂，对环境有一定污染，损害工人健康。喷油润滑、环下润滑也是新型少油润滑，在高速电主轴中也有广阔的应用前景。3电主轴的动平衡电主轴由于转速高, 任何 不平衡量都会 引起振动, 产生噪声, 影响主 轴平 稳运 转。振动 问题的 解决, 取 决于动平衡的精度, 即对各回 转零件 进行动 平衡 和对所 有回 转件装配于主轴之上后进 行整体 动平衡 , 使 其达 到规定 的平 衡精度要求。在结构设计上主要采 用两端加装动平衡环。主轴零件与电机定子的过 盈配合量应合理确定 。为保证高速切削, 主轴应具有良好的运转精度和传动 能力, 其 零部件需具有良好的加工 精度、表面 质量 及良好 的装 配精度。 且为达到精确的动平衡, 电机 转子与 机床主 轴之 间采用 无键 过盈。电主轴上装配的刀具，刀柄，刀盘以及夹紧装置都会影响电主轴的动平衡。当更换另一把刀具时，电主轴的动平衡也会发生变化，因此对刀具系统也要进行动平衡调整。由于电主轴和刀具系统相互影响，最好的办法是把刀具装在主轴上，在工作转速下测量和调整平衡。其基本工作原理是在刀柄的平衡环中装有永磁体，当测量控制装置测量出不平衡和位置时，就会自动调整刀柄中永磁体的位置，达到消除不平衡的目的。4结论采用高速加工技术能解决机械产品加工中的许多难题，能取得较高的加工精度及表面质量，因此该技术在装备制造业中得到越来越广泛的应用，已逐渐成为当今金属切削加工的主流技术。数控机床电主轴单元是高速切削技术的重要支撑，是高精、高效数控机床的核心功能部件，是精密模具、精密机械、汽车、船舶、航空航天等尖端产品制造领域所需