电主轴开题报告.doc

学号： 1120110541 大 连 海 事 大 学硕士研究生学位论文开题报告研 究 生 院 制 发个人基本情况姓名黄鑫学号1120110541培养层次博士硕士 学科（专业）机械电子工程导 师马文琦培养类别脱产 在职学生类别公费 自费 委培入学年月2011年 9月 1日身份证号37061219870722201研究方向气动元件及系统理论与应用技术论文题目高速电主轴结构设计及性能分析课程学习情况已修学分待修学分总学分24学位课非学位课学位课非学位课18600开 题 申 请 书一、课题意义及国内外研究现状综述1.课题意义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。高速机床是实现高速切削的前提条件,机床的高速化是目前机床的发展趋势。实现高速化的关键部件是主轴单元, 而采用高速电主轴技术是实现主轴高速化的一个重要途径。空气静压轴承可实现轴颈与轴承衬套的无直接接触,轴承发热量少,旋转精度高,非常适合在高速电主轴上应用。图1 PCB加工电主轴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。电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。电主轴省去了带轮或齿轮传动，实现了机床的“零传动”，提高了传动效率。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、冷却装置、内置编码器、换刀装置。高速电主轴主要包括：壳体、轴承、定子、转子、润滑和冷却系统。电主轴的结构示意图如图2所示。图2 电主轴结构示意图电主轴所融合的技术：(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，理论上寿命无限长。(2)高速电机技术：电主轴是电机与主轴融合在一起的产物，电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机，其关键技术是高速度下的动平衡。图3 同步内置电机和异步内置电机(3)润滑：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，就是通过一个叫做定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的注油量。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。(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。内置脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻丝，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合。(5)自动换刀装置：为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟形簧、拉刀油缸。(6)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等高速刀柄。 图4 BT刀柄和HSK刀柄(7)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，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电机，变频器的输出频率甚至需要达到几千Hz。高速电主轴对现代数控机床发展和金属切削技术具有重大的影响：(1) 促进高速切削技术与机床的发展。电主轴系由内装式电机直接驱动，更容易满足高速切削对机床“高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求，与机床高速进给系统、高速刀具系统一起组成高速切削所需的必备条件。电主轴技术与电机变频、闭环矢量控制、交流伺服控制等技术相结合，可满足车削、铣削、刨削、钻削、 磨削等金属切削加工的需要。(2) 简化结构，促进机床结构模块化。电主轴根据用途、结构、性能参数等特征形成标准化、 系列化产品，供主机选用，从而促进机床结构模块化。(3) 降低机床成本，缩短机床研制周期。一方面，标准化、系列化的电主轴产品易于形成专业化、规模化生产，实现功能部件的低成本制造;另一方面，采用电主轴后，机床结构的简单化和模块化，有利于降低机床成本。此外，还可缩短机床研制周期，适应目前快速多变的市场趋势。(4) 改善机床性能，提高可靠性。采用电主轴结构的数控机床，由于结构简化，传动、连接环节减少，因此提高了机床的可靠性;技术成熟、功能完善、性能优良、质量可靠的电主轴功能部件使机床的性能更加完善，可靠性进一步提高。(5) 实现某些高档数控机床的特殊要求。有些高档数控机床，如并联运动机床、五面体加工中心、小孔和超小孔加工机床等，必须采用电主轴，才能满足完善的功能要求。2.国内外研究现状及发展动态(1)国内研究现状及发展动态高速、高精度电主轴起源于内表面磨削行业。以内表面磨加工为主导的轴承制造业对此需求较为迫切。多年来，经过有关工程技术人员坚持不懈地努力，先后开发出多代用于内表面磨削的电主轴 以及用于高速电主轴的油气润滑装置和配套的中频变频器。同时开发出多代用于内表面磨削的高速磨具，使零件内表面磨削线速度由35m/s提升到75m/s。20世纪60年代我国电主轴行业处于萌芽期，主要仿制欧美及前苏联样机。1958年由洛阳轴承所和哈尔滨轴承厂经过联合攻关，自行设计和制造出我国首台内圆磨床用电主轴。其转速为3000060000r/min，功率为6 0 W。此后，国内形成以洛阳轴承研究所，哈、瓦、洛三大轴承厂与上海微型轴承厂为主体的开发试制电主轴的实体，和为配套机床而开发生产电主轴的无锡机床厂磨头车问。当时，国内电主轴的试制基本上还是停留在自给自足的水平上。 20世纪70年代，我国第一代自行设计、自行开发的磨床用电主轴问世，轴承行业称之为DZ系列，无锡机床厂称之为SD系列。该系列电主轴用以装备了我国第一代全自动轴承内表面磨床，它的的诞生标志着我国35m/s 内圆磨床线速度的建立。 20世纪80年代，以GDZ系列和4SD系列电主轴为代表的高速、大功率电主轴问世了，这一系列的电主轴将同速度等级的电主轴的功率提升了50，轴径分别增加了5mm。与3 MZ轴承专用内径磨床配套，其功效相应增加了一倍。随着电主轴行业的发展，国内自给 自足的电主轴生产方式已不再适应行业的发展和用户的需求。各轴承生产主导厂相继退出电主轴生产领地，改为由专业电主轴生产厂供应的优质高速电主轴来满足需求。电主轴行业逐渐形成技术优势占领先地位的洛阳轴承研究所、以配套机床为主的无锡机床厂和安阳莱必泰三家电主轴专业生产厂。 20世纪90年代洛阳轴承研究所开发了2GDZ系列超大功率，超大刚度磨床用电主轴。无锡机床厂开发了5SD系列磨床用电主轴。近年来，随着油气润滑技术、恒温冷却和陶瓷球轴承等新技术的发展为电主轴技术水平的提高创造了有利条件。同时，由于我国机械加工行业高速切削技术发展的的需要，电主轴技术开始走出轴承行业，扩展到高速数控铣、高速雕铣、高速试验、高速离心、高速旋辗，PCB电路板高速孔加工等领域，成为数控机床的主要功能部件。特别是加工中心电主轴，需求量很大，但由于技术难度大，市场一直由国外厂商占领。20世纪90年代末以来，洛阳轴承研究所承接了国家 “九五”、“十五”科技攻关重点项目，首先通过和国外先进厂家的合作，逐步自行开发研制加工中心用内装式电主轴，获得了机械行业科技进步三等奖。同时，加工中心电主轴已形成较为完善的产品，经国内许多机床厂实际使用，得到了很好的效果，为数控机床加工中心电主轴国产化作出了贡献。 图5 洛阳轴承研究所加工中心铣削电主轴在其他一些行业，电主轴技术的发展应用也十分迅速。用于高速切削的数控车床用电主轴，最高转速为12000 r/min，安装在高速、高精度数控车上用宝石刀加工铝合金工件表面，表面粗糙度值Ra可小于0.1m,用于空调行业挤压内螺纹铜管的高速旋碾用电主轴，采用陶瓷球轴承支撑，油气润滑，其最高转速为35000r/min，提高了效率。高速旋碾用电主轴的国产化，大大地促进了我国铜管加工行业的发展，在短短10年内使中国成为世界上最大的内螺纹铜管生产基地。印制电路板行业在我国发展很快，以前全部采用进口设备，特别是高速主轴 ，经过国内技术人员的努力，先后开发出60000r/min和80000r/min 的钻床用电主轴和51000r/min的铣床用电主轴，现在已广泛应用PCB加工行业，替代国外进口产品。在国防工业，高速电主轴也得到了很大的应用，特别是一些在特殊条件下的试验机，如1460高温和253深冷条件下的高速试验，为我国航空航天技术的发展作出了贡献。 当前，国内电主轴行业发展十分迅速，产品涵盖内外表面磨削、高速数控铣、高速雕铣、加工中、PCB板数控钻铣、高速数控车、高速离、高速旋辗、高速试验等领域，其转速最高达240000r/min，转矩最大达200Nm。支承分滚动、气浮、磁浮，润滑分油脂 、油雾、油气，主要供应各行业需求，部分电主轴出口到美国、德国、印度等国家。同时，由于中国目前位居世界第一机床消费大国的地位，特别是数控机床，年增长率在30以上。国外一些著名的电主轴厂商如德国GMN、意大利GAMFIOR、瑞士IBEG和FISCHER等公司都加大了在中国的宣传力度，有的在中国建立了办事处或维修点。预计不久的将来，各厂商会大举进入国内市场，凭借着先进的技术和制造工艺，市场占有率会进一步的提高。（2）国外研究现状及发展动态国外电主轴最早用于内圆磨床，上世纪80年代，随着数控机床的高速切削技术的发展和需要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床。目前电主轴已经成为现代数控机床最主要功能部件之一，世界上形成许多著名的机床电主轴功能部件制造商，它们生产的电主轴功能部件已经系列化。具有代表性有美国福特公司和Ingersoll公司联合推出的HVM800卧式加工中心的最大功率电主轴最高转速达15000r/min由静止升至最高转速仅需15S。瑞士IBAG公司在电主轴行业技术领先现在被公认为代表了行业的发展趋势。IBAG公司提供的电主轴已经系列化、标注化,电主轴最大转速可达140000r/min，直径范围33到300mm，功率范围125W80kW，扭矩范围0.02300Nm。日本三井精机公司生产的HT3A卧式加工中心采用陶瓷轴承支撑的电主轴，主轴转速达40000r/min，此外还有瑞士的Fisher公司、德国GMN公司、Hofer公司、西门子、意大利的Faemat公司和Gamfior公司等。以上这些公司生产的电主轴有以下特点：（1）功率大、转速高。（2）采用高速、高刚度轴承。（3）精密加工与精密装配工艺水平高。（4）配套控制系统水平高。图6 完整的IBAG电主轴系统二、课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题1课题研究目标本设计课题研究目标是设计出与铣床配套的，符合要求的电主轴。2.研究内容（1）结构设计：确定主轴电机，选配主轴轴承，设计刀具夹紧装置，设计主轴准停装置，设计主轴零件，确定冷却装置，设计壳体（2）动、静态分析（3）热结构分析3.拟解决的关键性问题（1）主轴零件与电机定子的过盈量计算（2）静压气体轴承设计（3）内置电机的选取（4）动静态仿真分析（5）电主轴温度场分布及热变形三、拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性分析1.课题的研究方法、技术路线、试验方案（1）总体结构方案设计对电主轴总体结构布局进行初步设计（2）主轴部分设计对电主轴定子和转子做出具体的设计方案，选用合适的内置电机，进行相应的过盈量计算。设计适合铣床的刀具夹紧装置，及其它主轴零件。（3）轴承系统设计采用静压气体轴承，根据铣床的工作要求，设计出能满足要求的静压气体轴承。（4）冷却系统设计主轴冷却水道设计（5）壳体设计及整体装配对各部分进行整体化设计（6）动静态仿真分析（7）热结构仿真分析2.可行性分析已具备的条件：本实验室进行了大量气体润滑研究，具有静压气体轴承设计的基础；掌握了所需的机械、力学等相关知识；拥有相关设计软件。可能遇到的问题：动静态仿真分析四、进度、预期进展和预期成果1.计划进度2011.8-2011.9： 收集资料并整理，分析国内外研究现状，确定选题。2011.10-2011.11：总体方案设计2011.11-2012.4： 各个部分具体设计及性能分析2012.4-2012.5： 校核及绘制装配图，写毕业论文。2012. 6-2012. 6： 完成毕业论文、准备论文答辩。2.预期成果（1）电主轴各部分结构CAD图纸及装配图纸；（2）Ansys下热结构分析热变形；（3）动静态仿真分析可靠性。五、参考文献1 刘素华，袁世先.电主轴关键技术及工艺要求.安阳师范学院学报 2003年.2 严道发.电