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数控
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数控铣床电主轴系统的设计,数控,铣床,主轴,系统,设计
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本 科 毕 业 设 计 开 题 报 告 题 目 数控铣床电主轴系统的设计 学生姓名 葛 晓 云 学号 051641123 所在院(系) 机 械 工 程 学 院 专业班级 测 控055 班 指导教师 陈 纯 2009年4月3日题 目数控铣床电主轴系统的设计一、选题的目的及研究意义选题的目的：毕业设计是我们测控技术与仪器专业学生的一次重要实践环节，它将把我们四年里所学的知识贯通于一体，一个好的设计不仅能表现出自己对知识的掌握程度，同时它对我们今后的工作也起到了铺垫作用，因此我们在选题时应当考虑到最近国家在技术领域的发展趋势以及自己以后将从事的工作形式。随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且要求频繁改型，特别是在宇航，造船，军事等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，批量小。加工这类产品需要经常改装和调整设备，普通机床已不能适应这些要求。数控机床应用而生。这种新型机床具有适应性强，加工精度高，加工质量稳定和生产效率高等优点。他综合应用了电子计算机，自动控制，伺服驱动，精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后数控机床的发展方向。而电主轴是高速切削机床最重要的部件也是实现高速和超高速加工的关键技术之一 ，它要求动平衡高，刚性好，回转精度高，有良好的热稳定性，能传递足够的力矩和功率，能承受高的离心力，带有准确的测温装置和高效的冷却装置。它的好坏对机床性能影响很大，因此选这个题具有现实意义，又具有市场需求。研究意义：现代化高速主轴系统采用的是电主轴,即所谓的机电一体化主轴.电主轴及驱动系统是一套完整的,独立的功能部件,它是高速电机和精密主轴的有机结合体.它不仅能使主轴直接产生电磁转矩,具有低损耗,长寿命的特点,而且还具有高精度,高转速,低振动,低噪音等优良的机械特性.根据最新市场调查显示,我国电主轴单元需求量很大,并呈递增的势头,市场前景广阔,其中进口产品所占份额.数控机床铣削用电主轴, 正是在市场的呼唤下,结合自身优势研制开发的一种新型产品.传统的磨用电主轴单元直接安装于机床鞍型座孔中,且多为卧式安装.靠砂轮接头通过螺纹联接将砂轮安装在电主轴上,采用恒转矩调速输出功率。因此可以说电主轴的发展水平是衡量一个国家机械制造业的实力。所以我们对它的研究具有很多的实际意义，并且有许多技术有待解决。本次课程设计通过对高速电主轴结构和动静态特性的有限元分为优化主轴结构和改善电主轴的动静态及热态特性提供必要的理论依据，为高速电主轴的研究开发和应用奠定基础二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等研究现状：近年来 ,国际上大功率高速铣削和钻削电主轴技术发展很快。德国公司Darmstadf工业大学协助下 ,开发系列高速电主轴 ,日本公司的系列 ,意大利公司的、系列 ,瑞士 -公司的系列电主轴都具有功率大、刚度高及调速范围宽的特性 ,完全适用于高速、高效切削。瑞士Mikron公司开发的高性能加工中心 ,装备有 -公司制造的转速为20000 /min的电主轴 ,并可选配42000/ min的电主轴国产电主轴技术现状电主轴在我国起步也很早 ,2 0世纪 5 0年代末、60年代初就已经将电主轴应用于工业生产中 ,但多用于专用内圆磨床 ,如轴承行业、油泵和油嘴行业中的专用内孔磨床等。直到 90年代中后期 ,由于国内市场需要 ,洛阳轴承研究所开始开发其他用途的电主轴 ,如印制电路板 ()行业钻小孔用高速电主轴、小型数控铣床用电主轴等。多年来 ,依次完成、2系列数控磨床用电主轴、系列数控铣床用电主轴、系列 数控车床用电主轴、系列行业钻、铣削用电主轴、系列高档管材旋辗用电主轴和系列高速离心机用电主轴等的研究与开发。生产的行业用钻、铣削电主轴,转速达到105000/ min ,为国内行业数控机床所普遍采用 ,并且已经替代部分进口产品。发展趋势：随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，人们对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求，电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：( 1 )向电机内装式电主轴单元方向发展加工中心和数控机床采用皮带传动 ,转速一般能达到6000/min ;采用直连式传动 ,转速一般能达到8000/min。转速再高会产生较大的振动噪声 ,且皮带、齿轮传动将造成机床结构复杂 ,因此 8000r/min以上的加工中心和数控机床多采用内装式电主轴单元。内装式电主轴单元是将电机转子直接套装在精密主轴上 ,通过交流无级变频调速使主轴获得所需工作速度和扭矩。它具有调速比大 ,调速方法简单 ,传动平稳 ,结构简单 ,振动噪声小和使用维修方便等优点。虚拟 (并联 )机床、五面体加工中心等高档机床由于结构的原因必须采用内装式电主轴型式。继德国西门子公司和日本公司先后开发了适用于数控机床的内装式电主轴单元后 ,德国的公司、意大利的公司也转向开发数控机床用内装式电主轴单元 ,电机内装式主轴单元成为当今国内外数控金属切削加工设备主轴系统技术发展的主要趋势之一。( 2 )向高速、大功率方向发展随着刀具技术、高速进给技术的进步和发展 ,要求机床电主轴的转速越来越高 ,如意大利公司的数控铣床用电主轴的最高转速可达到 75000r/min(磁悬浮轴承 ) ,功率 4 ;德国公司的数控铣床用电主轴的最高转速也达到了 60000r/min ,功率 5 ;瑞士 -公司的数控铣床用电主轴的最高转速为 42000r/min,功率 1 3。(3)向低速、大扭矩方向发展在要求电主轴能够实现较高转速的同时 ,低速段要求尽可能大的输出扭矩 ,以满足能在同一台机床上进行低速重切削和高速精加工的要求。如德国公司、意大利公司和瑞士 -公司等制造商生产的加工中心用电主轴 ,其低速段的输出扭矩可以达到 200以上 ,最高工作转速达到 75000r/min。( 4 )向高精度、高刚度方向发展精密数控机床需要主轴有高的回转精度、高的刚度 ,因此 ,要求电主轴采用精度高、内径尽可能大、高速性能好的轴承和先进的润滑技术 ,如陶瓷球混合轴承、电磁轴承以及油气润滑方法等。( 5 )向精确定向 (准停 )方向发展加工中心等数控机床由于自动换刀、刚性攻丝及精确传动的需要 ,要求电主轴能够实现切向准停功能。如德国的主轴电机能够实现的准停精度为 ( 1400000 ),即 0.001。( 6)向快速起、停方向发展为了缩短辅助时间 ,提高效率 ,要求数控机床电主轴的起、停时间越短越好 ,因此需要很高的起、停加速度。目前 ,国外电主轴的加、减速度已达到 1以上 ,全速起、停时间在 1以下。( 7)向超高速方向发展对于某些特殊零件的加工和特殊行业 ,要求切削工具的转速越高越好 ,如微型轴承的小孔磨削加工、油泵油嘴的小孔和超小孔的磨削加工、印制电路板 ()行业的小孔 (0.2 6)及超小孔 (0.2以下 )的钻削加工等 ,所用电主轴的转速已经达到 150000r/min以上。2。我国数控机床用电主轴技术与国际水平的差距 ,主要表现在以下几个方面 :(1 )在电主轴的低速大扭矩方面 ,国外产品低速段的输出扭矩最大可以达到 300以上 ,而我国目前多在100以内。( 2 )在高速方面 ,国外加工中心等数控机床用电主轴的转速已经达到了 75000r/min(意大利的公司 ) ,而我国则多在15000r/min以下 ;其他类型的电主轴 ,国外最高转速可达到300000r/min(日本SEIKOSEIKI公司 ) ,而国内电主轴的最高转速为150000r/min (洛阳轴承研究所 )。( 3)在电主轴的轴承润滑方面 ,国外高速和超高速电主轴已经普遍采用可靠性好、对环境污染小的油气 ( +)润滑技术 ,而我国现在仍然多采用油脂润滑或油雾润滑 ,制约着电主轴转速的进一步提高。( 4 )在电主轴的支承方面 ,国外采用的轴承有钢制轴承、陶瓷球混合轴承、全陶瓷轴承和流体动、静压轴承、磁悬浮轴承等 ,国内则多采用钢制轴承 ,近年来也采用陶瓷球混合轴承 ,但数量不多 ,不能满足电主轴转速日益提高的要求。( 5 )在其他与电主轴相关的配套技术方面 ,如主轴电机矢量控制和交流伺服控制技术、精确定向 (准停 )技术、快速起动与停止技术以及刀柄制造与应用技术等 ,国内仍然不够成熟 ,或不能满足实际需要研究方法根据电主轴的实际运行特点，将轴承、主轴、电动机、轴承座作为一个系统进行动力学分析，同时充分考虑支承刚度非线性、主轴热扩散及热变形等热态性能对主轴动态性能的影响，并对整个电主轴进行动态优化设计。应用领域:采用高速电主轴静态设计方法，选择相关参数进行设计。高速电主轴由于实现了电机和机床主轴的一体化功能，可广泛应用于各种机床和各种工业机械如：磨床，磨头；车床；数控加工中心；数控铣床；钻铣床；雕刻机；PCB钻孔；高速离心喷雾；木工镂铣等。际上高性能、高速、高精度数控机床普遍采用电主轴单元。在多工件复合加工机床、多轴联动多面体加工机床、并联机床和柔性加工单元中，电主轴更具有机械主轴不可替代的优越性。三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明 主要问题：对电主轴进行结构设计时，需要考虑以下几个问题：首先，它是一种精密部件，主轴轴承需要调整或更换，要求轴上零件便于装拆。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需承受一定的轴向力；电机的转子安装在主轴上，它与主轴的结合面要传递电机的转矩。第三，主轴在高速下运转时，动平衡要求非常高，电机转子与机床主轴之间不宜采用键联结来传递扭矩。第四，拉刀机构的确定，主轴准停装置的确定和解决零件配合中的连接问题冷却管道的设计，以及轴上零件的连接问题等等。为了解决上述问题，将采用如下方法：1. 主电机置于前后轴承之间。这是电主轴的一种基本的结构形式。它采用支承结构，支承受力方式为外撑式。2. 前后轴承均采用串联安装方式，后支撑援用小尺寸轴承，降低了速度因素值，对主轴整体刚度影响不大，对保持整个轴承的使用寿命十分有利。优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，功率大，比较适合大，中型高速机床。目前大多数电主轴都采用这种结构形式。3. HSK刀柄加紧系统采用膨胀式加紧机构，在装夹刀柄的过程中，拉杆拉动膨胀式弹簧夹头，夹头与刀柄的内孔斜面发生接触并带动刀柄，进而达到刀柄与主轴内孔的配合。当处于高速旋转状态时，外涨式弹簧夹爪所受离心力会增加刀柄的拉紧作用，是静态时所受加紧力的近两倍，使主轴和刀柄的联结更可靠,承载能力更强。由于夹紧力的作用,HSK刀柄法兰面与主轴端面紧密贴合,法兰面起到了支撑作用,它阻止了HSK刀柄的变形,提高了HSK工具系统的刚度。只要刀柄法兰面与主轴端面不分离,即整个表面存在一定的接触压应力,那么这种支撑作用就一直存在。当HSK刀柄受到载荷(径向力或弯矩)时,随着载荷的增加,HSK法兰面某一侧的接触应力将逐渐减少。刀柄的变形主要是其前端圆柱部分的变形,由于该部分圆柱直径比同规格的BT刀柄大许多,而刚度与直径的四次方成正比,所以 HSK工具系统的刚度比传统的BT工具系统的刚度高57倍。4. 主轴轴承的各种摩擦会随主轴转速的升高而加剧，发热量也随着增大，温升增加，轴承的预紧力增加。反过来又加剧了轴承的发热，因此轴承将采用油气润滑。5. 采用外循环水冷却系统，在主轴外设有冷却水箱和冷却水循环泵，在内置电机定子的外加铝质的外套，外套的外壁开有槽。电主轴工作时，循环水泵连续地将冷却水压入电主轴内，在槽流动，并形成循环，将电机产生的热量带到电主轴外，达到冷却电机的目的。四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明1. 张伯霖，杨庆东，陈长年. 高速切削技术及应用. 北京：机械工业出版社，2002,92. 严武升. 超高速电主轴的几个问题. 机械科学与开发，1998，Vol.17:4284303. 张伯霖，张志润，肖曙红. 超高速加工与机床的零传动.中国机械工程，1996,7(5)：37414. 张伯霖. 超高速切削的关键技术. 机床，1993. 115. 匿名. 数控机床为什么用境外部件配套. 中国机床商业网，2003.09.05. 6. 马家驹等. 高速角接触球轴承的结构. 机电工程. 1998（5）.7. 克利宗 AC 等转子动力学弹性支承. 北京: 科学出版社，19878. 哈托 DJ. 振动分析的矩阵计算机方法. 北京: 机械工业出版社，19829. 胡海昌. 弹性力学的变分原理及其应用. 北京: 科学出版社，198110. 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