电主轴培训教材

高速加工中心电主轴结构设计及关键技术应用The construction design and key technology applicationOf motor spindle which used in high-speed machining centres 2014年10月33高速加工中心电主轴结构设计、关键技术及应用 摘 要现代汽车制造技术引入柔性化时代，高速加工中心成为了发动机柔性化生产线的重要组成部分，高速加工大大提高了生产率、加工精度、加工质量，并降低成本。而高速电主轴是高速加工中心核心部件，因而对高速加工中心电主轴结构设计、关键技术及应用进行分析具有十分重大意义。本文首先针对加工中心高速电主轴的介绍了其结构特点、附件设计等，对两种不同的电主轴进行结构分析，主轴与转子的配合设计的方法；附件是电主轴重要组成部分，直接影响到电主轴使用性能。接着，重点论述了高速电主轴的关键技术，如：电主轴热稳定分析、轴承的润滑技术、动平衡设计、驱动技术等。本文对高速电主轴重要组成部分角接触陶瓷球轴承进行了重点论述，尤其是详细分析了轴承的预紧力。最后，结合本人工作，介绍电主轴的维护与维修，其中对脂润滑的电主轴装配做了详细介绍。 关键词： 高速加工 电主轴 附件设计 轴承 维护与维修The construction design and key technology application Of motor spindle which used in high-speed machining centres Abstract Key words： 目 录第一章 绪 论11.1 课题研究背景及主要内容11.1.1课题来源11.1.2课题意义11.2 高速加工与电主轴11.2.1高速加工概述11.2.2电主轴概述11.2.3电主轴技术的发展及现状1本章小结4第二章 高速加工中心电主轴的结构设计及性能分析52.1 电主轴的性能分析12.1.1精度和静刚度12.1.2临界速度12.1.3残余动不平衡值及验收振动速度值12.1.4噪音与套筒的温升值12.1.5使用寿命值12.1.6电主轴与刀具接口12.2 电主轴结构设计与分析12.2.1电主轴结构12.2.2轴壳和转轴12.2.3主轴与电机转子的配合1 2.3 电主轴附件设计12.3.1电主轴刀具松夹刀系统12.3.2内置编码器12.3.3刀具内冷装置12.3.4主轴的气吹和气密封12.3.5松夹刀信号检测1本章小结4第三章电主轴设计制造的几个关键技术问题3.1电主轴的热稳定分析13.2轴承的润滑技术13.2.1油脂润滑13.2.2油雾润滑13.2.3油-气润滑13.3动平衡设计13.4驱动技术1本章小结4第四章 高速电主轴的角接触陶瓷球轴承的性能分析14.1磁悬浮轴承与动静压轴承14.1.1磁悬浮轴承14.1.2动静压轴承14.2混合陶瓷球轴承14.2.1混合陶瓷球轴承的概述14.2.1选择混合陶瓷球轴承的理由公式14.2混合陶瓷球轴承14.2.2角接触陶瓷球轴承的支承方式14.2.2混合陶瓷球轴承的装配预加载荷1本章小结4第五章 高速电主轴电主轴的维护与维5.1电主轴的维护15.1.1周保养15.1.2月保养15.1.4蝶形弹簧的涨紧力检查15.2电主轴的易损件的更换步骤与常见故障分析15.2.1更换刀具夹紧组件步骤15.2.2更换旋转接头步骤15.2.3轴承装配的步骤1本章小结4图2-1 轴向刚度和径向刚度的测量位置1图2-2 临界速度1图2-3 电主轴装配图1图2-4 主轴附件结构图1图2-5 松夹刀油缸 1图2-6 刀具内冷冷却液1图2-7 电主轴气吹和气密封1图2-8 模拟量检测传感器1图3-1 冷却系统1表3-1轴承润滑方式性能对比表1表3-2 FAG电主轴轴承润滑脂性能1表3-3 轴承供油量与轴承内径的关系1图3-2 油-气润滑1图3-3 磁悬浮轴承原理1第一章 绪 论1.1课题研究背景及主要内容1.1.1课题来源本课题来自于奇瑞汽车股份有限公司发动机公司设备部关于成立电主轴维修间的一个项目。1.1.2课题意义大约一个世纪以来，组合机床自动线以其高效率统治了汽车工业的生产。随着竞争加剧，汽车产品更新换代周期从几十年缩短到4年，组合机床自动线由于缺乏柔性而无法适应。20世纪80年代，美国汽车巨人福特与机床巨人INGERSOLL合作，研制了集高柔性与高效率于一身的高速加工中心，由它组成的柔性自动生产线问世，加快了汽车产品的更新换代，提高了企业的效率和灵活性。近年来，我国汽车工业采用了大量的数控设备，轿车装备整体上进入了柔性化时代。发动机是汽车的心脏一样，发动机制造技术汽车制造技术的集中体现。汽车面世以来。发动机制造技术已经经历了两次革命。第一次革命发生在二十世纪初，美国福特汽车公司创始人福特发明了大量生产流水线。其主要方式，是由组合/专用机床（special purpose machine/Transfer machine）组成的自动生产线TL(Transfer Line)，也称为传统自动线。其最大的优点是高生产率几十甚至上百把刀同时加工，其效率是任何其它类型生产线无法比拟的；低价格特别是我国，组合专机价格甚至低于批量生产的通用数控机床。其最大的缺点是柔性差，一旦产品变型和更换品种即基本上无法使用。为了解决产品的变型生产和便于更换品种，柔性生产技术被引进了汽车生产。二十世纪九十年代出现了高转速、高快移速度、高加速度、快速换刀的高速加工中心。由其组成了高速柔性生产线FTL(Flexible Transfer Line)是发动机制造的第二次革命。其突出特点是一定程度克服了高柔性和低效率的矛盾。这种生产线不仅可以加工同样产品范围内的零件，而且可以可以加工变型产品、换代产品以及新产品，真正具备了柔性的意义。缺点是投资大，效率受局限。目前是我国轿车企业的热点生产线。奇瑞汽车股份有限公司自从2003年来，发动机生产线进入了柔性化时代，从国外引进了将近20条柔性生产线。这些柔性生产线是高速加工中心和相应的辅机，再上加智能工具而组成。对高速加工中心主要要求是：高速度、高精度、高精度保持性高机床工程能力指数（cm/cmk），高可靠性等。高速加工中心的机床指标范围是：快移速度：60100m/min，加速度：0.61.5g；主轴最高转速：800015000r/min。定位精度/重复定位精度工作台1 m以下，8m/4m，工作台1m以上，10m/5m（VDI标准）。主轴从启动到最高转速(或相反)只用12s的时间，工作台的加(减)速度要达到(110)g(g=9.81m/s2)。目前，国际上这类加工中心的最新发展是，主运动普遍采用电主轴，进给运动愈来愈多采用直线电机。同时，普遍运用模块化设计，机床非常简约，外购件（配套件）比例增加，交货期大大缩短。奇瑞发动机公司目前在这些柔性生产线上，共有各类加工中心350台，这些高速加工中心，主运动普遍采用电主轴。因此，使用了近260根电主轴。电主轴作为高速加工中心最关键部件，其性能好坏在很大程度上决定了整台高速机床的加工精度和生产效率，电主轴在国外研究工作开展较早，现在已进入实际应用阶段。但是，我国电主轴的设计制造技术刚刚起步，电主轴的各项性能指标和国外尚有较大的差距，对国外电主轴缺乏核心技术资料，后期的维护保养与维修工作还在摸索的过程中。在购买设备时，电主轴厂家要求，高速电主轴6000小时就要进行保养，部分厂家还要求23万小时需要更换轴承（脂润滑方式的电主轴），以确保主轴的寿命和精度。鉴于以上，奇瑞汽车股份有限公司发动机公司设备部做出了成立电主轴维修间的决定，本课题的研究对奇瑞公司乃至国内同行以后更好的使用与维护电主轴，使其创造最大的经济效益具有着非常重大的意义。1.2高速加工与电主轴1.2.3高速加工概述高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠的实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，一大幅度的提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。它是提高切削效率、加工质量、加工精度和降低加工成本的重要手段。其显著标志是使被加工塑性金属材料在切削过程的剪切滑移速度或超过某一域限值，开始趋向最佳切除条件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。实现高速加工技术的核心关键技术有：高速切削机理，高速机床技术，高速加工用刀具技术，高速加工工艺技术，以及高速加工测试技术等。其中高速机床则是实现高速加工的前提和基本条件。现在，世界各工业发达国家都把生产高速机床作为重要的发展目标，高速机床的生产能力和技术水平已经成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志。高速机床主要包括高速单元技术和机床整机技术。单元技术包括高速主轴、高速进给系统、高速CNC控制系统等。机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全设施、加工环境等。早在20世纪30年代，德国切削物理学家萨洛蒙（Carl.Salomon）就对高速切削技术进行了研究。萨洛蒙发现，当切削速度超过某一数值后，随切削速度增大，切削温度不升反而降，这与常规速度切削现象正好相反，而且这一临界速度值后，随切削速度增大正好相反，而且这一临界速度值与工件材料的特性有关。美国在上世纪70年代进行了高速切削试验，结果表明：切削力下降，表面质量提高，加工效率提高3倍左右。其它西方发达国家也在高速加工技术方面做了许多工作，尤其是德国，在高速加工机床、刀具、控制系统及相关技术方面，均走在世界的前列。日本对于高速加工的机理研究也开展得比较早，并积极地将相关先进技术应用于制造领域，90年代以来，日本已成为世界上为数不多的主要高速机床的供应者之一。1.2.2电主轴概述 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(Motorzed Spindle)”。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”。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高，功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠与安全。高速加工和超高速加工机床采用电主轴,可以说是最佳的选择.这是因为：1 若仍采用电动机通过带或齿轮等方式传动，则在高速运转时，产生的振动和噪声等问题很难解决，势必影响高速加工的精度，表面粗糟度，并导致环境质量的恶化。2 高速加工的最终目的是为了提高生产率，相应地要求在最短时间内实现高转速的速度变化，也即要求主轴回转时具有较大的角加，减速度达到这个苛刻要求的最经济的办法，是将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减至最小。而只有将电动机内置，省掉齿轮，带轮等一系列中间环节，才有可能达到这一目的。3 电动机内置于主轴两支承之间，与用带、齿轮等作末端传动的结构相比，可提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率，从而提高来哦其临界转速值。这样，电主轴即使在最高转速运转时，仍可确保低于其临界转速，保证高速运转时的安全。4 由于没有中间传动环节的外力作用和冲击，因而传动更加平稳，轴承寿命延长。此外，电主轴与传统的主轴传动系统相比结构简单，紧凑，这样也便于把它多轴联动机床，多面体加工机床和并联(虚拟轴)机床上。电主轴还应用于主轴经常要设定在某个电器旋角或其他角度的螺纹磨床，齿轮磨床，拉刀磨床等机床上。为了简化结构，方便维修，一些平面磨床：万能外圆磨床等也采用了电主轴。1.2.3电主轴技术的发展及现状早在20世纪50年代，就已经出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。随着高速切削发展的需要和功率电子器件、微电子器件的计算机技术的发展产生了全固态原件的变频器和矢量控制驱动器；加上混合陶瓷轴承的出现，使的在20世纪80年代末、90年代初出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴。国外高速店主技术发展较快，中等规格的加工中心的主轴转速目前已经普遍达到10000r/min甚至更高。1976年美国的Vought公司首次推出一台超高速铣床，采用了Bryant内装置电机住会走系统，最高转速达到了20000 r/min，功率为15KW。到90年代末期，电主轴发展的水平是：转速40000 r/min，功率40KW。但2001年美国Cincinnati公司为宇航工业生产了SuperMach大型高速加工中心，其电主轴最高转速达60000 r/min，功率为80KW。目前世界各主要工业国家均有装备优良的专业电主轴生产厂，批量生产一系列用于加工中心和高速数控机床的电主轴。其中最著名的生产厂家有：瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和Step-Tec公司，德国的GMN公司和FRANZ KESSLER FAG公司，瑞典的SKF公司，意大利的GAMFIOR公司Omlat和FOEMAT公司，日本的牧业机床和大隈加工中心的电主轴。高速电主轴生产技术的突破，大大推动了世界高速加工技术的发展与应用。本章小结本章简要介绍了论文课题的来源及意义；概述了高速加工技术及特点；介绍了高速加工中心电主轴的发展和现状，电主轴与机械主轴并进行了比较。第二章 高速加工中心电主轴结构设计及性能分析2.1电主轴的性能参数2.1.1精度和静刚度电主轴的精度和刚度与电主轴前后轴承的配置方式、主要零件的制造精度、选用滚动轴承的尺寸和精度等级、装配的技术水平和预加载荷的大小密切相关。必须强调指出，电主轴的最终精度往往可以得到等于或高于单个轴承的精度，这是由于装配工人在装配时巧于选配，将单个轴承的误差进行相互补偿及恰当施加预加载荷的结果。为此高速电主轴的生产对设计水平、制造工艺、工人技艺和装配环境的洁净度和恒温控制等均有极为严格的要求，并不是一个制造企业都能生产精度合格、运转安全、寿命长的电主轴。刚度分为轴向刚度和径向刚度，其测量位置如图2-1所示。其数值随电主轴的套筒大小而变化，单位为N/um。而同样大小尺寸的套筒，其刚度数值最高转速高低而变化，一般最高转速高的刚度小于最高转速低的刚度。这既反映了电主轴工作的实际需要，又与转速高时预加载荷较小有关。 图2-1 轴向刚度和径向刚度的测量位置2.1.2临界速度临界速度是指一个回转质量系统（包括刀具在内，如图2-2）在某一特定的支承条件下，产生系统最低一阶共振时的转速。临界速度对高速回转部件的安全运转至关重要。用户在使用时，刀具质量不能超出规定值，其长度直径比一般不应大于某一数值（例如4：1），并要求使用经过动平衡的刀具。如果用户必须使用超重或大于规定的长径比的刀具，有些电主轴厂家可以承诺代为计算其新的临界转速值，以保证运转安全可靠。图2-2 临界速度2.1.3残余动不平衡值及验收振动速度值高速回转时，即使小的不平衡量，也会产生很大的离心力，从而使电主轴系统产生振动。为此，电主轴厂家必须对电主轴系统进行精确的动平衡。一般都执行ISO标准G0.4级，即在最高转速时，由于残余动不平衡引起振动的速度最大允许值为0.4mm/s。2.1.4噪音与套筒的温升值电主轴在最高转速时，噪音一般应低于7075db（A）。尽管电主轴的电动机及前轴承外围处都采用循环水冷却，但仍会有一定的温升。通常在套筒前端处（其温升为T1）和套筒前轴承外围处（其温升为T2）测量温升。当电主轴在最高转速运转至热平衡状态时，一般T1应低于20，T2应低于25。2.1.5使用寿命值由于高速运转，采用滚动轴承的电主轴工况一般比较恶劣，因此，其使用寿命总是有限的，虽然这个寿命数据对用户至关重要，但是电主轴制造厂不愿意以书面形式提供。其原因如下：（1）对机床而言，轴承失效形式不要不是材料表面疲劳，而是精度丧失。疲劳失效的寿命较长，而且可进行相对较为精确的计算；而精度丧失失效的寿命相对较短，而且很难精确计算。（2）精度寿命与使用的工况条件和用户维护水平关系很大，而且精度丧失以后，难以分清是用户的责任还是制造厂的责任。尽管这样，在正常使用和维护的前提下，制造厂商一般应保证使用寿命在500010000h。一套电主轴价值约为一台高速数控机床的6%10%。电主轴在失效后，一般完全可以通过检修恢复到新的程度的。因此机床用户在订购高速机床时，最好备一套电主轴作为备件。这样，失效时可以立即送修，同时换上备件继续工作。虽然购机成本相对较高，但是可以避免价值90%94%的机床至少数百小时，从经济上说也是合算的。2.1.6电主轴与刀具接口此项虽不是基本参数，但关系到电主轴的使用性能。当前，国内外几乎所有电主轴厂均可按用户的需要，提供标准或非标准的刀具接口。用于车床时，可按照用户要求提供卡盘的接口。2.2电主轴结构设计与分析2.2.1电主轴结构图2-3是Starrag-Heckert（斯大理格海科特）CWK4000-5000加工中心（a）和日本大隈公司的加工中心所使用的电主轴装配图纸（b），结构上采用当前比较流行的内置电机、水循环冷却、角接触混合陶瓷轴承支撑的典型形式。图（a）中的轴承采用了免维护油脂润滑，弹性预加载荷装置；刀具夹紧松开检测开关是模拟量的。图（b）中的轴承采用了油气润滑，刚性预加载荷；刀具夹紧松开检测开关是数字量的。电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支撑。转子定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。主轴的变速由主轴驱动模块控制，而主轴单元内的温升由冷却装置控制。在主轴的后部装有测速、测角位移编码器，松刀液压油缸，供刀具内冷水的静动陶瓷结合面旋转接头；前端有刀具夹爪、内锥孔以及端面用于安装和定位刀具；中间有中空的刀具拉杆，刀具拉紧的碟形弹簧；主轴壳体里面设置了铝质冷却水套，循环水沿冷却水套外壁流动来冷却电机和轴承2.2.2轴壳和转轴轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精度。通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电机定子，必须开放一端。大型或特种电主轴，可将轴壳两端均设计成开放型。高速、大功率和超高速电主轴，其转子直径往往大于轴承外径，为控制整机装配精度，应将后轴承安装部分设计成无间隙配合。转轴是高速电主轴的主要回转体。它的制造精度直接影响电主轴的最终精度。成品转轴的形位公差和 尺寸精度要求很高，转轴高速运转时，由偏心质量引起振动，严重影响其动态性能，必须对转轴进行严格动平衡测试。部分安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡测试。2.2.3主轴与电机转子的配合 对电主轴进行结构设计时，需要考虑一下几个问题：首先，它是一种精密部件，主轴轴承需要调整更换，要求轴上零件便于拆装。其次，主轴轴承是在预紧力作用下工作的，轴承的定位元件在高速下承受一定的轴向力；电机的转子安装在主轴上，它与主轴的结合面传递扭矩。第三，主轴在高速下运转时，动平衡要求非常高，电机转子和机床主轴之间不宜采用键联结来传递扭矩。为了解决上述问题，我们在电主轴的结构设计中采用了过盈联结结构，并设计成阶梯套的形式。阶梯过盈套作为定位紧固元件，与螺纹联结相比有以下优点（1）不会在轴上产生弯曲和扭转应力，因而对轴的旋转精度没有影响。（2）易保证零件定位端与轴心线的垂直度，对轴承预紧时，不会引起轴承的受力不均，不影响轴承的寿命。（3）过盈套质量均匀，主轴动平衡易得到保证。（4）常用热套法进行安装，注入压力油的方法进行拆卸，对主轴无损害。（5）定位可靠，可提高主轴的刚度。轴壳 轴壳是高速电主轴的主要部件。（a）SPECHT-500W加工中心电主轴图纸（HSKA63 15000r/min） 1.刀柄 2.刀具夹爪 3.角接触陶瓷球轴承 4.刀具拉杆 5.转子 6.定子 7.蝶形弹簧 8.预紧力调整弹簧 9.轴承 10.内置编码器 11.松夹刀位置接近开关 12.松夹刀油缸 13.刀具内冷旋转接头 14.气密封通道 15. 预紧力调整弹簧 16循环水冷通道（b）大偎加工中心电主轴图纸（HSK-A100 12000r/min）1.刀具夹爪 2.角接触陶瓷球轴承 3.刀具拉杆 4.转子 5.定子 6.蝶形弹簧 7.轴承 8.内置编码器 9. 松夹刀油缸 10.内冷杆 11.油-气润滑管路 12. 循环水冷通道 13. 松夹刀位置接近开关图2-3 电主轴装配图2.3 电主轴附件设计电主轴要获得好的性能和使用寿命，不仅对电主轴的轴承、伺服电机进行精心设计、制造、装配，而且，它所带附件设计要求也非常高。其附件不仅完美的实现电主轴的功能，而且要禁得起时间和速度的考验。为了适用于加工中心，电主轴为了完成ATC(刀具自动交换)的动作过程和刚性攻丝过程，必须内置主轴编码器；为了高速切削刀具进行冷却，选择使用带有陶瓷密封的旋转接头，为提供刀具内冷冷却液；电主轴还配备了自动松夹刀具装置、主轴气密封、松夹刀信号检测开关等。2.3.1电主轴刀具松夹刀系统自动松夹装置（见图2-4）包括刀具夹爪、碟形簧、松夹刀油缸等。松刀时，电主轴后面配置了一个松刀油缸9，油缸的后腔充入液压油，使活塞向前推进，从而把刀具拉杆5克服蝶形弹簧6的涨紧力向前伸出，拉杆向前移动，刀具弹性夹爪3收缩，刀具即可轻松拔出进行新旧刀具的交换；新刀装入后，液压缸活塞后移，蝶形弹簧涨紧力把拉杆向后移动，夹爪把刀具涨紧，把刀具锥柄和主轴内锥孔和前端面紧密接触，这样就把刀具夹紧了。一般加工中心的换刀时间只有两秒的时间，所以这套装置非常灵活、能够实现快速刀具的松夹。 图2-4 主轴附件结构图1.刀柄 2.拉杆头部 3.夹爪 4.夹爪支架 5.拉杆 6.蝶形弹簧 7.拉杆尾部 8.松夹刀感应锥体 9.松夹油缸 10.内冷旋转接头 （1）刀具夹爪、拉杆、蝶形弹簧 根据奇瑞发动机二厂481缸体线OP110工序共有两台加工中心，单班产量200台，平均每台生产100件缸体，生产一件主轴需要换刀20次，那么单班一台加工中心主轴要更换2000次，刀具在单班里面就要重复松夹2000次，一年平均每根电主轴要进行200万次，而且还要承受刀具夹紧力，所以刀具夹爪、拉杆要有非常高的强度和耐磨性，蝶形弹簧疲劳强度要好，来满足电主轴加工时无数次的松夹刀具，不易很快磨损，拉裂；（2）松夹刀油缸 松夹刀油缸是一种特殊的油缸，活塞的中间有中心孔，来提供刀具内冷冷却液和压缩空气。油缸活塞向前移动松开刀具过程中，油缸松夹的作用力很大，一般把它作用在主轴本身上，使其自身形成作用力与反作用了，达到平衡，不会影响到主轴轴承的使用精度与寿命。 图2-5 松夹刀油缸 P 进油 T 回油 2.3.2内置编码器在ATC(刀具自动交换)动作过程中，由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利装刀，所以电主轴必须设定一个准停位置；刚性攻丝操作不使用浮动卡头而是由主轴的回转与攻丝进给轴的同步运行实现。主轴回转一圈，攻丝轴的进给量等于丝锥的螺距，这样可提高精度和效率，欲实现刚性攻丝，电主轴必须检测到回转的起始角度和圈数。加工中心为了完成ATC和刚性攻丝动作过程准停位置和角度检测，必须设置主轴位置编码器。主轴编器由齿轮分度盘和传感器组成。齿轮环一周有1024个齿齿轮分度盘（根据编码器的精度需求）并且上面还有一个零点标记，磁感应传感器感应齿轮分度盘，通过检测、统计信号的通断数量来计算旋转角度，反馈到数控系统，实现准确的相位控制以及与进给的配合。2.3.3刀具内冷装置高速切削的刀具一般采用恒温的乳化液来冷却，通过一个回转接头把恒温的冷却液从后部轴末端通过主轴刀具拉杆中心孔引导到刀具里面。刀具内冷冷却液必须经过二级过滤，过滤精度为0.05mm（50m）内冷压力最大可达到70bar。为了解决为高速旋转的主轴提供冷却液，在主轴后面配置了一个旋转接头，此装置一端旋转，另一端静止不动，两者结合处选择了耐磨的陶瓷密封的结合面，在静止的那端，利用弹簧力把静止陶瓷面始终贴靠到旋转处的陶瓷面，即使有磨损，冷却水也不会泄露。 图2-6 刀具内冷冷却液 2.3.4主轴的气吹和气密封 通道 1是在活塞推动拉杆松开刀柄的过程中，压缩空气从后面的旋转接头到刀具拉杆中心孔，最后吹到主轴内锥孔面和与刀具结合的主轴端面上，将它们吹干净，防止主轴锥孔中掉入切屑和灰尘，防止主轴孔表面和刀具的锥柄划伤，保证刀具的正确装夹位置。通道2是在加工时和机床停机半小时内，始终向主轴内吹气，共有两个分支，前面的分支，保持主轴内部与外部始终形成压力差，保证加工区域的乳化液和切屑不进到主轴前端的轴承里面，起到保护主轴轴承作用；后面分支是把电主轴的定子和转子之间水雾吹走，使其空间始终保持干燥，起到保护电主轴的电机。 图2-7 电主轴气吹和气密封2.3.5松夹刀信号检测加工中心刀具夹紧和松开检测开关一般模拟量传感器和接近开关，模拟量开关一般使用位移传感器来感应一个锥体，此锥体安装在刀具的拉杆上，在松夹刀过程中，和拉杆同步移动，这样就可以检测到刀具拉杆的位移量，来判断刀具松开夹紧信号。接近开关检测是利用一组开关（一般3到4个接近开关），有一个感应环安装到刀具拉杆上，同样和刀具拉杆同步移动，不同的信号组合来判断刀具是否被松开夹紧。 图2-8 模拟量检测传感器本章小结本章介绍了高速加工中心的性能参数、随后重点介绍了两种不同厂家的电主轴的结构特点，电主轴的组件设计，为第五章打下了基础。第三章电主轴设计制造的几个关键技术问题3.1电主轴的热稳定分析内置电动机的发热和主轴轴承的发热是电主轴有两个主要的内部热源。如果不加以控制，由此引起的热变形会严重降低机床的加工精度和轴承使用寿命，从而导致电主轴的使用寿命缩短。 （1）电主轴由于采用内藏式主轴结构形式，位于主轴单元体中的电机不能采用风扇散热，因此自然散热条件较差。电机在实现能量转换过程中，内部产生功率损耗，从而使电机发热。研究表明，在电机高速运转条件下，有近1/3的电机发热量由电机转子产生，并且转子产生的绝大部分热量都通过转子与定子间的气隙传入定子中；其余2/3的热量产生于电机的定子。所以，对电机产生发热的主要解决方法是对电机定子采用冷却液的循环流动来实行强制冷却。加工中心电主轴典型的冷却系统是用外循环水式冷却装置来冷却电机定子，将电机的热量带走。如图3-1所示。图3-1 冷却系统（2）角接触球轴承的发热主要是滚子与滚道之间的滚动摩擦、高速下所受陀螺力矩产生的滑动摩擦以及润滑油的粘性摩擦等产生的。减小轴承发热量的主要措施：（a）适当减小滚珠的直径 减小滚珠直径可以减小离心力和陀螺力矩，从而减小摩擦，减少发热量。（b）采用新材料 比如采用陶瓷材料做滚珠，陶瓷球轴承与钢质角接触球轴承相比，在高速回转时，滚珠与滚道间的滚动和滑动摩擦减小，发热量降低。（c）采用合理的润滑方式 油气和油雾等润滑方式对轴承不但具有润滑作用，还具有一定的冷却作用。3.2轴承的润滑技术为了保证滚动轴承正常运转，必须有良好的润滑。滚动轴承的额定载荷和极限转速都是在假设润滑适当的条件下确定的，所谓润滑适当是指润滑剂选择合适，润滑剂量适当。润滑不良常是引起轴承早期破坏的主要原因之一。滚动轴承中存在着多种滑动，使轴承运转中产生摩擦发热与磨损。对滚动轴承进行润滑主要目的是避免滚道、滚动体、保持架之间直接接触，减小摩擦发热，避免温升过高，减少轴承零件磨损，防止锈蚀，延长疲劳寿命。在循环油润滑中，润滑油的流动还可以起到散热冷却的作用，脂润滑时，润滑脂还可以起到一定的密封作用。电主轴滚动轴承润滑有油脂、油雾、油-气等润滑方式。脂润滑一般用在dmn(dm是轴承内外径的平均值，单位为mm；n是转速，单位r/min)小于1106的低速主轴，在使用陶瓷轴承的条件下，可使dmn值提高25%-35%。dmn值在1106以上的主轴，多采用油雾、油-气和喷射润滑方式。脂润滑油雾润滑油气润滑dmn值最低较低一般轴承温升高较高较低特点无须润滑装置,密封简单,冷却性能差灰尘和切削液不易侵入,污染环境,成本低灰尘和切削液不易侵入, 无污染, 能达到最小油量润滑,成本较高用途适用低速很少采用应用广泛 表3-1轴承润滑方式性能对比表3.2.1油脂润滑 滚动轴承可用脂润滑是它的突出优点之一。当滚动轴承的dmn较低时可用脂润滑。脂润滑不需要供油管路和系统，没有漏油问题。如果脂的选择合适，洁净、密封良好，则脂的使用寿命会很长，一次充脂可以使用到大修，不需中途补充。因此，结构上不必设计加脂孔。润滑脂由润滑油、稠化剂和添加剂在高温下混合而成。润滑脂的填充量要适当，过多的填脂将使轴承运转时温升增大，同时也造成不必要的损耗。填充量不应超过轴承内部空间的30%，或用式3-1估算 Q=qdmB10-3 式3-1式中Q润滑脂填充量，cm3； q系数，d300mm、q=1.5， 130d160mm、q=2， 160 d 200、q=3，d200mm、q=4； B轴承宽度，mm。选择润滑脂一般根据轴承的工作条件、工作温度和载荷条件来决定润滑脂的种类和性能。高速电主轴一般选用锂基脂或钡基脂。国外各大轴承公司也都相应研制有自成体系的适用于各种应用场合的润滑脂。其中FAG轴承公司就为自己的电主轴轴承研制了几种润滑脂，如表3-1FAG润滑脂ArcanolL75性能好，可以在80的温度下，使轴承正常工作，广泛用于高速电主轴的轴承的润滑。ArcanolL210是另一种高速润滑脂，由于它的粘度特性可以适用于更高的温度，可以达到100。型号类型基油运动粘度40/100mm2/S耐温度适用的轴承系列号ArcanolL75聚脲脂22/580HSS,HCS,XCSB,HCB2RSDArcanolL210聚脲脂65/10100表3-2 FAG电主轴轴承润滑脂性能3.2.2油雾润滑 如果滚动轴承的dmn值较高时，则轴承不仅需要润滑还需要冷却，此时可采用油雾润滑。油雾润滑以压缩空气为动力，通过油雾器，使油液雾化并混入空气流中，然后油嘴喷射到需要润滑的地方。油雾润滑能获得良好而均匀的润滑效果，压缩空气不仅输送油雾，还能带走磨擦产生的热量，大大降低磨擦副的工作温度，又因油雾润滑大幅度降低润滑油的消耗量，从而减少了因搅拌而产生的发热；此外，油雾润滑具有一定的压力，因此可以起到良好的密封作用。油雾润滑的压缩空气的压力一般要求为0.51.5bar，它所用的油量极少，每个轴承的供油量与轴承内径的关系列于表3-2中。轴承内径/mm油量/（mL/h）500.10.2501200.20.51200.51.0 表3-3 轴承供油量与轴承内径的关系3.2.3油-气润滑 油-气润滑是最近发展起来的一种所需油量最少的新技术，润滑剂消耗量是油雾润滑的1/10，能确保润滑的高效性并降低磨损，是一种比较理想的润滑方式，尤其适用于高速旋转的滚动轴承。油气润滑与油雾润滑的主要区别是供给轴承的润滑油未被雾化，而是成滴状进入轴承中，因此比采用油雾润滑更容易在轴承中沉积，且不污染环境。由于使用大量空气冷却轴承，因此运行温度比采用油雾润滑和其它各种润滑方式低。因此允许轴承的dmn值可以更高,一般用于dmn1106高速轴承。图3-2 油-气润滑油-气润滑是将一定压力的压缩空气和润滑油混合后，形成条纹状油液微滴，进入轴承内部磨擦区域进行润滑。要求所形成的润滑油膜不能太厚，最好选择比样本提供的参考黏度值大510倍的润滑油；以确保有良好的黏度和润滑性能.如ISOVG32ISOVG100导轨油是比较理想的润滑油；在重载条件下还可选用耐高压含有添加剂的油。压缩空气必须干燥，且过滤精度不大于3um，空气压力必须与流量、管路长度、管路内径，轴承的内压力损失相匹配。轴承的供油方式轴承类型和配置方式。对单列轴承而言，最佳润滑方式为从一边进入轴承内部，喷嘴孔应与内环齐平，不能指向保持架；对双列轴承而言，润滑油必须从与外圈滚动边齐平的地方喷入轴承内部以对轴承充分润滑。3.3动平衡设计在超高速主轴中，微小的不平衡量会产生巨大的振动，导致加工精度和表面质量下降，因此设计中必须严格遵循对称设计的原则，且主轴的每一个零件都必须经过十分精密的加工、装配、校正。由于电主轴的电机转子直接和主轴联结，增加了主轴的转动惯量，使主轴的极限转速下降，因此超高速电主轴的动平衡精度要求十分严格，一般应达到 G1G0. 4级(G= e,e 为质量中心与回转中心之间的位移，为角速度) 。这样高的要求，仅在装配前对主轴的每个零件分别进行动平衡是不够的，必须在装配后进行整体精确动平衡，甚至设计专门的自动平衡系统来实现主轴在线平衡，以确保主轴的高速平稳运行。在设计电主轴时，必须严格遵守结构对称原则，轴上的运转部件与轴之间避免采用键连接的形式18。电主轴结构中与主轴连接的最主要的转动部件是内置电机的转子。该转子与主轴之间以过盈配合来传递扭矩，其过盈量按最大扭矩计算，并同时考虑转速对转子产生的离心力作用，因为离心力较大时，使转子本体有径向膨胀的趋势，会抵消部分过盈量。另外，配合面的粗糙度也是计算过盈量所必须考虑的。在转子与主轴装配前，转子硅钢片的外径应预留一定的加工余量，用热压法装配完毕后，再对转子外径进行精车，以减小偏心质量。为了方便动平衡，在电机转子的两个端盖上对称加工出16个小螺纹孔，根据动平衡振动测量仪的结果，在螺纹孔内旋入螺钉，并调节至适宜深度，达到动平衡标准时，再用环氧树脂将螺钉固化。3.4驱动技术第四章 高速电主轴的角接触陶瓷球轴承的性能分析4.1磁悬浮轴承与动静压轴承高速电主轴的核心支撑部件是高速精密轴承。因为电主轴的最高转速取决于轴承的大小、布置和润滑方法，所以这种轴承必须具有高速性能好、动负荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。近年来，相继开发研制了陶瓷轴承、磁浮轴承、动静压轴承。4.1.1磁悬浮轴承随着科学技术的发展，人们还开发了加工中心使用的磁悬浮轴承。磁悬浮轴承又称磁力轴承。磁力轴承的开发与应用是旋转机械支承技术上的一项重大突破。磁力轴承是一种新型的高性能轴承，具有各种传统轴承无法相比的特殊性能。它依靠多副在圆周上互为180的电磁铁（磁极）产生径向方向相反的吸力（或斥力），将主轴悬浮在空气中。轴颈与轴承不接触，径向间隙为1mm左右。当轴承载荷后，主轴在空间位置发生微弱变化，由位置传感器测出其变化值，通过电子自动控制与反馈装置，改变相应磁极的吸力（或斥力）值，使其迅速恢复到原来的位置，使主轴始终绕其惯性轴回转。故这种轴承又称为主动控制磁力轴承，其工作原理见图3-3磁悬浮轴承电主轴在空气中回转，因此磁浮轴承不与轴颈表面接触，不存在机械摩擦和磨损，不需要润滑和密封，温升低，热变形小，转速高，寿命长，能耗低；磁力轴承基本电磁力反馈控制系统保证了主轴的旋转精度，刚度和阻尼可调控，可消除转子质量不平衡引起的振动，可实现高速回转下自平衡，回转特性可由传感器和控制系统获得，便于状态监控和诊断。磁力轴承目前达到的性能指标：旋转精度最高可达0.030.05um，转速最高达1105r/min(轴颈线速度200m/s，速度因子dmn=4106)，轴承力达到3105N，径向刚度达到600N/um（静刚度）和100N/um（动刚度），功耗为同径传统轴承的0.10.01，可靠性MTBF4000h。但是由于磁浮轴承价格昂贵，控制系统复杂，发热问题不易解决,通过只用在特殊的场合，在高速主轴单元上大面积推广并不实用。 图4-1 磁悬浮轴承原理4.1.2动静压轴承动压轴承是利用润滑油的粘度和轴颈的高速旋转，把油液带进轴承的楔形空间建立起压力油膜，使轴颈与轴承被油膜隔开；静压轴承是将压力油强制送入轴和轴承的配合间隙中，利用液体静压力支承载荷。动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（振动小）等优点，用于电主轴上，在加工时，可使刀具寿命长、加工表面质量高。其缺点是：必须专门进行设计,单独生产,标准化程度低,维护也困难。目前 ,高精度磨削加工使用。4.2混合陶瓷球轴承4.2.1混合陶瓷球轴承的概述目前，电主轴应用最多的轴承还是混合陶瓷球轴承。即滚动体使用热压Si3N4陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。陶瓷轴承可以应用于高速、高温、低温、强腐蚀、强磁场、真空、高压等各种恶劣的工况。陶瓷轴承的主要性能如下：承载能力高陶瓷材料的硬度最高可达轴承钢的2倍，弹性模量是轴承钢的1.5倍，因此陶瓷轴承的承载能力也大大高于轴承钢轴承耐热性好陶瓷材料在高温下强度降低很小，即使在800仍然保持很高的强度和力学性能，同时陶瓷材料热膨胀率仅为轴承钢的22%，因此高温尺寸稳定性较好。极限转速高陶瓷球轴承的工作转速可以达到同型号轴承钢轴承极限速度的1.3倍以上。摩擦温升小陶瓷球轴承在18000r/min的转速下运转时的温升约为相同条件下轴承钢轴承温升的60%。摩擦损失小同型号的轴承，陶瓷材料的质量比钢小，只有轴承钢的40 %，运转时滚动体所受离心力和陀螺力矩小，自旋滑动小，因此摩擦损失明显低于轴承钢轴承。耐久性高陶瓷材料硬度高、耐磨性极好，陶瓷轴承的工作寿命一般是普通轴承钢轴承的两倍以上。耐腐蚀性好陶瓷材料能抵抗盐酸、硫酸、硝酸、烧碱等各类无机酸、有机酸、盐、碱以及熔融金属的腐蚀。绝缘性好，导磁率低陶瓷材料的电阻为106欧姆.m，几乎为绝缘体，磁导远小于0.1H，适于做任何非磁性零件。自润滑性好陶瓷轴承可实现自润滑。氮化硅陶瓷的密度只有轴承钢的40 % ,热膨胀系数只有轴承钢的25%,弹性模量则是轴承钢的 1.5 倍,硬度为钢的2.3倍,氮化硅陶瓷还具有耐高温、不导电、不导磁、导热率低等一系列优良特性 。陶瓷轴承和同规格、同一精度等级的钢质滚动轴承相比,速度可提高60%,温升降低 35 - 60 % ,寿命可提高3 - 6倍。迄今,陶瓷滚动轴承的dmn可高达3.0 106，用其组装的高速电主轴能够兼得高速、高刚度、大功率、长寿命等优点。4.2.1选择混合陶瓷球轴承的理由公式角接触球轴承在高速运转时,为了抑制发热,防止摩擦烧伤,主要是设法减小离心力和陀螺力矩。滚珠在旋转中产生的离心力Fc可按下式计算:Fc =/12Db3 dm m2 式4-2式中:为滚珠材料的密度(kg/m3) Db 为滚珠的直径(m) dm 滚珠轴承的节圆直径(m) m 滚珠的公转角速度(rad/s)由于滚珠自转轴在空间不断变化,因此,将产生绕水平轴的陀螺力矩Mgy : Mgy = Jm bsin 式4-3式中:b 为滚珠的自转角速度( rad/s) ,为滚珠自转轴与坐标平面的夹角, J