數(shù)控機(jī)床高速主軸系統(tǒng)

內(nèi)容概要

本書在分析數(shù)控機(jī)床電主軸單元關(guān)鍵技術(shù)及其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，針對作者設(shè)計(jì)開發(fā)的一種無內(nèi)圈式高速陶瓷電主軸單元，介紹了陶瓷軸承技術(shù)、潤滑與冷卻技術(shù)、主軸電機(jī)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、精密加工和裝配技術(shù)等陶瓷電主軸單元關(guān)鍵技術(shù)以及相關(guān)配套技術(shù)等；討論和分析了陶瓷電主軸單元的動(dòng)態(tài)性能、靜態(tài)性能和熱態(tài)性能，闡述了陶瓷電主軸綜合性能測試方法。
本書可供從事機(jī)械設(shè)計(jì)、制造和管理的科技工作者使用，也可供高等院校機(jī)械工程相關(guān)專業(yè)的教師和學(xué)生參考。

書籍目錄

前言
第1章　緒論
　1.1 數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)概述
 1.1.1 機(jī)床主軸的類型
 1.1.2 電主軸概述
 1.1.3 電主軸的分類及發(fā)展
　1.2 數(shù)控機(jī)床電主軸單元技術(shù)發(fā)展概況
 1.2.1 國外電主軸技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
 1.2.2 我國機(jī)床電主軸技術(shù)發(fā)展概況
 1.2.3 我國電主軸技術(shù)領(lǐng)域存在的差距
 1.2.4 我國電主軸技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的方向
　1.3 數(shù)控機(jī)床電主軸關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀
 1.3.1 高速精密主軸軸承技術(shù)
 1.3.2 高速主軸電機(jī)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)
 1.3.3 精密加工和精密裝配技術(shù)
 1.3.4 主軸軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性
 1.3.5 電主軸單元的可靠性技術(shù)
 1.3.6 電主軸系統(tǒng)綜合性能測試技術(shù)
 1.4 陶瓷電主軸單元技術(shù)研究內(nèi)容及意義
 1.4.1 研究內(nèi)容
 1.4.2 研究意義
第2章 陶瓷電主軸單元的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)
 2.1 數(shù)控機(jī)床電主軸工作原理及基本要求
 2.1.1 電主軸基本結(jié)構(gòu)
 2.1.2 電主軸的工作原理
 2.1.3 電主軸的基本參數(shù)
 2.1.4 數(shù)控機(jī)床電主軸設(shè)計(jì)的基本要求
　2.2 無內(nèi)圈式全陶瓷電主軸的創(chuàng)新設(shè)計(jì)
 2.2.1 全陶瓷電主軸單元的開發(fā)目標(biāo)
 2.2.2 全陶瓷電主軸單元研制的技術(shù)路線
　　……
第3章　主軸電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)
第4章　陶瓷主軸零部件的制備及其加工機(jī)理
第5章　陶瓷主軸零件的精密加工工藝
第6章　陶瓷電主軸的動(dòng)特性分析
第7章　陶瓷電主軸綜合性能測試
第8章　陶瓷電主軸的應(yīng)用及其維護(hù)保養(yǎng)
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁:第1章　緒　　論以高切削速度、高進(jìn)給速度、高加工精度為主要特征的高速加工技術(shù)是當(dāng)代四大先進(jìn)制造技術(shù)之一，是制造技術(shù)產(chǎn)生第二次革命性飛躍的一項(xiàng)高新技術(shù)。各國都競相發(fā)展自己的高速加工技術(shù)，高速加工技術(shù)的成功應(yīng)用產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)展和應(yīng)用高速加工技術(shù)的前提是必須有性能優(yōu)良的高檔數(shù)控機(jī)床。而高速主軸單元是數(shù)控機(jī)床的核心功能部件之一，其性能好壞在很大程度上決定了整臺數(shù)控機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率。1。1　數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)概述大多數(shù)材料都需要通過機(jī)械加工來獲得所要求的幾何結(jié)構(gòu)和形狀。在加工過程中，機(jī)床主軸發(fā)揮著重要的作用。機(jī)床主軸通過給刀具和工件提供相對運(yùn)動(dòng)，從工件去除材料，以獲得加工成品。每一種類型的加工過程（如鉆孔、車、銑、磨、鏜等）都有特定的進(jìn)給速度和切削速度。在基本的車削過程中，主軸令工件旋轉(zhuǎn)以提供切削速度，通過驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)使刀具獲得進(jìn)給速度以去除材料。在鉆孔和銑削時(shí)，主軸通過刀具旋轉(zhuǎn)來提供切削速度。在鉆孔過程中，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向是主軸的軸線方向。在銑削加工時(shí)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)通常垂直軸線移動(dòng)。在磨削過程中，主軸是給砂輪提供切削速度的部件。一個(gè)主軸系統(tǒng)的典型元件包括工具接口、拉桿、轉(zhuǎn)軸、軸承、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、箱體等。圖1。1介紹了一種內(nèi)置電機(jī)主軸的主要組成部件。1。1。1　機(jī)床主軸的類型機(jī)床主軸系統(tǒng)指機(jī)床上帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)的軸，通常由主軸、軸承和傳動(dòng)件（齒輪或帶輪）等組成。除了刨床、拉床等主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床外，大多數(shù)機(jī)床都有主軸部件。主軸部件的運(yùn)動(dòng)精度和結(jié)構(gòu)剛度是決定加工質(zhì)量和切削效率的重要因素。一般來說，根據(jù)傳動(dòng)類型的不同，可分為四種不同類型的主軸：皮帶傳動(dòng)主軸、齒輪傳動(dòng)主軸、直接驅(qū)動(dòng)主軸和內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸（Quintanaetal。，2009）。衡量主軸性能的指標(biāo)主要有旋轉(zhuǎn)精度、剛度和速度適應(yīng)性等；此外，還包括如運(yùn)動(dòng)、受力、轉(zhuǎn)矩、功率和速度方面的傳動(dòng)性能，熱擴(kuò)散及熱變形，各種速度下的振動(dòng)、噪聲，維護(hù)成本等其他因素。下面簡單介紹每種主軸在不同的驅(qū)動(dòng)條件下的一般特點(diǎn)。1。皮帶傳動(dòng)主軸這類主軸通過V型皮帶傳動(dòng)來傳遞外部電機(jī)和主軸之間的運(yùn)動(dòng)。由于皮帶傳動(dòng)主軸的成本低、性能好，它被廣泛應(yīng)用于常規(guī)加工。皮帶傳動(dòng)主軸的效率約為95%，這比電主軸直接傳動(dòng)的效率（接近100%）低，但是很明顯的比齒輪傳動(dòng)主軸的效率（小于90%）高（Arnone，1998）。皮帶傳動(dòng)可以達(dá)到中等轉(zhuǎn)速（15000r/min），并且具有良好的性能，在低轉(zhuǎn)速下（1000r/min）可以提供很大的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)然這取決于皮帶及其傳動(dòng)比。相比較而言，在低速下，齒輪傳動(dòng)可以提供很好的轉(zhuǎn)矩；在高速下，電主軸直接傳動(dòng)表現(xiàn)得更佳，這主要是因?yàn)殡娭鬏S所產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲更小。然而，由于皮帶傳動(dòng)適用范圍廣，它廣泛用于大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速和小轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速的各種工況中（deLacalleetal。，2004）。皮帶傳動(dòng)主軸系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)如下：（1）相比較于其他傳動(dòng)系統(tǒng)，由于皮帶不斷地接觸，皮帶的受熱膨脹很明顯。（2）皮帶的振動(dòng)、噪聲很大。（3）由于皮帶傳動(dòng)需要張緊，會(huì)對軸產(chǎn)生一個(gè)徑向壓力，此壓力會(huì)抵消一些軸承的預(yù)應(yīng)力。由于電機(jī)和主軸是相互獨(dú)立的，因而皮帶傳動(dòng)主軸系統(tǒng)的安裝需要更大的空間，但是這類主軸的安裝和維護(hù)卻是比較簡單的。2。齒輪傳動(dòng)主軸齒輪傳動(dòng)主軸在低轉(zhuǎn)速下可以獲得很高的轉(zhuǎn)矩，并有多種速度范圍。但是，齒輪傳動(dòng)會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)，這對產(chǎn)品的表面加工有不利的影響。此外，由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，當(dāng)齒輪傳動(dòng)把電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鞯毒叩那邢髁r(shí)，其效率并不理想。這部分損失的能量轉(zhuǎn)化成熱量，而熱量的產(chǎn)生是很不利的，例如，熱膨脹會(huì)降低加工工件的加工精度。盡管齒輪傳動(dòng)能勝任重型加工，但是由于以上這些原因，齒輪傳動(dòng)主軸并不適合高速加工。圖1。2為帶有兩級齒輪變速箱的齒輪驅(qū)動(dòng)主軸。3。直接驅(qū)動(dòng)主軸從電動(dòng)機(jī)到加工刀具的傳動(dòng)效率而言，直接驅(qū)動(dòng)方式幾乎可以實(shí)現(xiàn)100%的傳動(dòng)效率。直接驅(qū)動(dòng)主軸可以在低轉(zhuǎn)矩下實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速工作。由于不存在皮帶或齒輪等中間傳動(dòng)鏈，直接驅(qū)動(dòng)主軸的轉(zhuǎn)矩不會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而增加。就振動(dòng)而言，這種傳動(dòng)系統(tǒng)表現(xiàn)良好，也就是說能夠達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，并保持良好的表面加工質(zhì)量。4。內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸這種主軸也被稱為電主軸。集成在主軸上前后軸承之間的電機(jī)可以是同步電機(jī)也可以是異步電機(jī)，如圖1。3所示。這種驅(qū)動(dòng)方式可以有效地減少振動(dòng)和噪聲，實(shí)現(xiàn)15000r/min乃至更高的工作轉(zhuǎn)速，而且其結(jié)構(gòu)更為緊湊，這就是電主軸能在高速加工機(jī)床中普遍應(yīng)用的原因。本書將重點(diǎn)論述數(shù)控機(jī)床陶瓷電主軸的相關(guān)設(shè)計(jì)理論與制造技術(shù)。1。1。2　電主軸概述眾所周知，隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)（變頻調(diào)速技術(shù)、電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。機(jī)床主軸由內(nèi)置式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。這種將電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，稱為內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，俗稱“電主軸”。它在英文中有多種稱謂，如e1ectricspindle，motorspindle，motorizedspindle等。由于當(dāng)前電主軸主要采用的是交流高頻電動(dòng)機(jī)，故也稱為“高頻主軸”（highfrequencyspindle）。電主軸是一種智能型功能部件，采用無外殼電動(dòng)機(jī)，將帶有冷卻套的電動(dòng)機(jī)定子裝配在主軸單元的殼體內(nèi)，轉(zhuǎn)子和機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)部件做成一體，主軸的變速范圍完全由變頻交流電動(dòng)機(jī)控制，使變頻電動(dòng)機(jī)和機(jī)床主軸合二為一。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動(dòng)小、噪聲低以及響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，它不但轉(zhuǎn)速高、功率大，還具有一系列控制主軸溫升與振動(dòng)等機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的功能，可確保其高速運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性與安全性。使用電主軸可以減少帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，簡化機(jī)床設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)主軸定位。電主軸是數(shù)控機(jī)床高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)，可以說，它是高速、高效、高精度機(jī)床技術(shù)發(fā)展的核心，它的出現(xiàn)使以往在金屬切削機(jī)床技術(shù)發(fā)展過程中出現(xiàn)的諸多問題迎刃而解。在高速加工時(shí)，采用電主軸幾乎是唯一的選擇，也是最佳的選擇。電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于主軸部件后，不可避免地將會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱的問題，從而需要設(shè)計(jì)專門用于冷卻電動(dòng)機(jī)的油冷或水冷系統(tǒng)。高頻電動(dòng)機(jī)要有變頻器類的驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的變換。高速軸承有時(shí)要有專門的潤滑裝置。為了保證高速回轉(zhuǎn)部件的安全，還要有報(bào)警及停車用的傳感器及其控制系統(tǒng)等一系列支持電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的外圍設(shè)備和技術(shù)。因此，“電主軸”的概念不應(yīng)簡單地理解為只是一根主軸套筒，而是一個(gè)完整的、在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控下的子系統(tǒng)，如圖1。4所示。1。1。3　電主軸的分類及發(fā)展機(jī)床電主軸按所采用的軸承類型可分為滾動(dòng)軸承（角接觸球軸承、滾子軸承）電主軸、液體軸承（動(dòng)壓軸承、靜壓軸承、動(dòng)靜壓軸承）電主軸、氣體軸承電主軸和磁懸浮軸承電主軸等。電主軸按照電機(jī)的類型又可分為異步型電主軸和永磁同步型電主軸等。從機(jī)床行業(yè)的客觀需求來看，角接觸球軸承電主軸、液體（動(dòng)）靜壓軸承電主軸和氣體軸承電主軸是市場開發(fā)的重點(diǎn)，也是學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。角接觸球軸承是最適宜高速化的滾動(dòng)軸承，具有摩擦阻力小、功耗小、成本低、便于系列化和標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)，其極限轉(zhuǎn)速高、精度高、剛度高，在加工中心、數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控內(nèi)（外）圓磨床和高速雕銑機(jī)中獲得了廣泛應(yīng)用。角接觸球軸承研究的主要技術(shù)難點(diǎn)在于提高精度壽命和可靠性。液體（動(dòng)）靜壓軸承電主軸以液態(tài)“油膜”作為支承，具有顯著的“誤差均化效應(yīng)”和阻尼減振性，其回轉(zhuǎn)精度遠(yuǎn)高于滾動(dòng)軸承式電主軸，具有剛度高、磨損小、壽命長的特點(diǎn)，在精密超精密機(jī)床上已獲得了廣泛應(yīng)用。液體（動(dòng)）靜壓軸承電主軸研究的主要技術(shù)難點(diǎn)在于控制高速時(shí)主軸的溫升和熱變形。氣體軸承電主軸以“氣膜”作為支承，其回轉(zhuǎn)精度和極限轉(zhuǎn)速高于液體（動(dòng)）靜壓電主軸和滾動(dòng)軸承式電主軸，其熱穩(wěn)定性好，是超精密機(jī)床和印刷電路板（PCD）鉆床不可或缺的核心部件。氣體軸承電主軸的不足之處在于承載能力低，工藝要求高。目前，電主軸在國內(nèi)外的應(yīng)用主要涵蓋磨削、銑削、車削、鉆削、木工、離心、旋輾和試驗(yàn)機(jī)用電主軸等8大類（徐同申、余篷，2010）。其中，數(shù)控機(jī)床用電主軸主要分為以下4大類：（1）磨削用電主軸。它是目前國內(nèi)最主要應(yīng)用的電主軸類型，也是國內(nèi)外最早研發(fā)應(yīng)用的類型，主要用于軸承行業(yè)套圈內(nèi)磨工序。洛陽軸研科技股份有限公司將磨削用電主軸分為DZ、GDZ、2GDZ、3GDZ四代產(chǎn)品。其中，2GDZ系列是當(dāng)今國內(nèi)廣泛使用的磨削用電主軸，其支承剛度、功率均相當(dāng)于國際20世紀(jì)90年代水平，電主軸的輸出根據(jù)磨削加工的特點(diǎn)設(shè)計(jì)為恒轉(zhuǎn)矩制，它在國內(nèi)市場上所占份額為75%～85%。（2）銑削用電主軸。這類電主軸分精密雕銑用電主軸、大型數(shù)控銑用電主軸以及加工中心用電主軸三大類。雕銑用電主軸轉(zhuǎn)速偏高，一般在24000r/min以上，通常選用ER彈簧卡頭來夾持刀具，其電動(dòng)機(jī)輸出可分恒功率和恒轉(zhuǎn)矩兩種，市場占有率為70%～80%。大型數(shù)控銑用電主軸由于不設(shè)刀庫，無需換刀，因此可選用開環(huán)控制。加工中心用電主軸通常采用閉環(huán)編碼控制，可實(shí)現(xiàn)低速大扭矩輸出，其恒功率轉(zhuǎn)速比大于1∶8。加工中心用電主軸通常選用高速油脂潤滑或油-氣潤滑以減少油霧對環(huán)境的污染。（3）車削用電主軸。這類電主軸是工件電主軸。由于消除了皮帶傳動(dòng)的弊端，車削用電主軸能適應(yīng)高速、高精度旋轉(zhuǎn)，并且高速旋轉(zhuǎn)振動(dòng)極小，這對高精度車加工及工件表面粗糙度的提高是十分有利的。在有色金屬高速、高精度車削工序中，應(yīng)用此類電主軸是解決技術(shù)難題的關(guān)鍵。（4）鉆削用電主軸。這類電主軸主要是指PCB板高速孔化所使用的電主軸，常規(guī)速度等級分60000r/min、80000r/min、90000r/min、105000r/min、120000r/min、180000r/min六檔。后三種為空氣靜壓軸承支承的電主軸，可用來鉆削0。1～0。15mm的小孔；前三種為油脂潤滑型滾動(dòng)軸承支承的電主軸，其加工范圍為0。2～0。7mm。近年來，由于材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的新型材料在機(jī)床主軸-軸承系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。其中，陶瓷電主軸是指支承軸承、旋轉(zhuǎn)主軸以及其他主要零部件應(yīng)用高性能結(jié)構(gòu)陶瓷材料的一類電主軸。目前，國內(nèi)外研究及應(yīng)用的陶瓷電主軸。

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《數(shù)控機(jī)床高速主軸系統(tǒng)》介紹了數(shù)控機(jī)床高速主軸系統(tǒng)的研究、發(fā)展和應(yīng)用情況。在論述陶瓷電主軸工作原理和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了陶瓷軸承技術(shù)、潤滑與冷卻技術(shù)、主軸電機(jī)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、精密加工和裝配技術(shù)等陶瓷電主軸關(guān)鍵技術(shù)的研究。完善和提高了陶瓷電主軸用陶瓷軸承和陶瓷主軸的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。對陶瓷電主軸單元的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能及熱態(tài)性能進(jìn)行了討論和分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了陶瓷電主軸綜合性能測試方法的研究，實(shí)現(xiàn)了高速陶瓷電主軸單元在數(shù)控機(jī)床及加工中心上的應(yīng)用。

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