數(shù)控機床高速主軸系統(tǒng)

內(nèi)容概要

本書在分析數(shù)控機床電主軸單元關(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)、主軸電機設(shè)計及驅(qū)動控制技術(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。
本書可供從事機械設(shè)計、制造和管理的科技工作者使用，也可供高等院校機械工程相關(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)控機床主軸系統(tǒng)概述
 1.1.1 機床主軸的類型
 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 高速主軸電機設(shè)計及驅(qū)動技術(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)計與關(guān)鍵技術(shù)
 2.1 數(shù)控機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)控機床電主軸設(shè)計的基本要求
　2.2 無內(nèi)圈式全陶瓷電主軸的創(chuàng)新設(shè)計
 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　主軸電機及驅(qū)動控制技術(shù)
第4章　陶瓷主軸零部件的制備及其加工機理
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)控機床。而高速主軸單元是數(shù)控機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)控機床的加工精度和生產(chǎn)效率。1。1　數(shù)控機床主軸系統(tǒng)概述大多數(shù)材料都需要通過機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，機床主軸發(fā)揮著重要的作用。機床主軸通過給刀具和工件提供相對運動，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)動器的驅(qū)動使刀具獲得進(jìn)給速度以去除材料。在鉆孔和銑削時，主軸通過刀具旋轉(zhuǎn)來提供切削速度。在鉆孔過程中，進(jìn)給運動的方向是主軸的軸線方向。在銑削加工時，進(jìn)給運動通常垂直軸線移動。在磨削過程中，主軸是給砂輪提供切削速度的部件。一個主軸系統(tǒng)的典型元件包括工具接口、拉桿、轉(zhuǎn)軸、軸承、電機及驅(qū)動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、箱體等。圖1。1介紹了一種內(nèi)置電機主軸的主要組成部件。1。1。1　機床主軸的類型機床主軸系統(tǒng)指機床上帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)的軸，通常由主軸、軸承和傳動件（齒輪或帶輪）等組成。除了刨床、拉床等主運動為直線運動的機床外，大多數(shù)機床都有主軸部件。主軸部件的運動精度和結(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)傳動類型的不同，可分為四種不同類型的主軸：皮帶傳動主軸、齒輪傳動主軸、直接驅(qū)動主軸和內(nèi)置電機驅(qū)動主軸（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，還包括如運動、受力、轉(zhuǎn)矩、功率和速度方面的傳動性能，熱擴散及熱變形，各種速度下的振動、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)動條件下的一般特點。1。皮帶傳動主軸這類主軸通過V型皮帶傳動來傳遞外部電機和主軸之間的運動。由于皮帶傳動主軸的成本低、性能好，它被廣泛應(yīng)用于常規(guī)加工。皮帶傳動主軸的效率約為95%，這比電主軸直接傳動的效率（接近100%）低，但是很明顯的比齒輪傳動主軸的效率（小于90%）高（Arnone，1998）。皮帶傳動可以達(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比。相比較而言，在低速下，齒輪傳動可以提供很好的轉(zhuǎn)矩；在高速下，電主軸直接傳動表現(xiàn)得更佳，這主要是因為電主軸所產(chǎn)生的振動和噪聲更小。然而，由于皮帶傳動適用范圍廣，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）。皮帶傳動主軸系統(tǒng)的主要缺點如下：（1）相比較于其他傳動系統(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、噪聲很大。（3）由于皮帶傳動需要張緊，會對軸產(chǎn)生一個徑向壓力，此壓力會抵消一些軸承的預(yù)應(yīng)力。由于電機和主軸是相互獨立的，因而皮帶傳動主軸系統(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。齒輪傳動主軸齒輪傳動主軸在低轉(zhuǎn)速下可以獲得很高的轉(zhuǎn)矩，并有多種速度范圍。但是，齒輪傳動會導(dǎo)致振動，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，當(dāng)齒輪傳動把電機的動力轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鞯毒叩那邢髁r，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，熱膨脹會降低加工工件的加工精度。盡管齒輪傳動能勝任重型加工，但是由于以上這些原因，齒輪傳動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)動主軸。3。直接驅(qū)動主軸從電動機到加工刀具的傳動效率而言，直接驅(qū)動方式幾乎可以實現(xiàn)100%的傳動效率。直接驅(qū)動主軸可以在低轉(zhuǎn)矩下實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速工作。由于不存在皮帶或齒輪等中間傳動鏈，直接驅(qū)動主軸的轉(zhuǎn)矩不會隨著電機轉(zhuǎn)速的下降而增加。就振動而言，這種傳動系統(tǒng)表現(xiàn)良好，也就是說能夠達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，并保持良好的表面加工質(zhì)量。4。內(nèi)置電機驅(qū)動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可以是同步電機也可以是異步電機，如圖1。3所示。這種驅(qū)動方式可以有效地減少振動和噪聲，實現(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床中普遍應(yīng)用的原因。本書將重點論述數(shù)控機床陶瓷電主軸的相關(guān)設(shè)計理論與制造技術(shù)。1。1。2　電主軸概述眾所周知，隨著電氣傳動技術(shù)（變頻調(diào)速技術(shù)、電動機矢量控制技術(shù)等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機床主軸由內(nèi)置式電動機直接驅(qū)動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床的“零傳動”。這種將電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，稱為內(nèi)置電機驅(qū)動主軸，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機，故也稱為“高頻主軸”（highfrequencyspindle）。電主軸是一種智能型功能部件，采用無外殼電動機，將帶有冷卻套的電動機定子裝配在主軸單元的殼體內(nèi)，轉(zhuǎn)子和機床主軸的旋轉(zhuǎn)部件做成一體，主軸的變速范圍完全由變頻交流電動機控制，使變頻電動機和機床主軸合二為一。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪聲低以及響應(yīng)快等優(yōu)點，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等機床運行參數(shù)的功能，可確保其高速運轉(zhuǎn)的可靠性與安全性。使用電主軸可以減少帶輪傳動和齒輪傳動，簡化機床設(shè)計，易于實現(xiàn)主軸定位。電主軸是數(shù)控機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、高精度機床技術(shù)發(fā)展的核心，它的出現(xiàn)使以往在金屬切削機床技術(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，采用電主軸幾乎是唯一的選擇，也是最佳的選擇。電動機內(nèi)置于主軸部件后，不可避免地將會產(chǎn)生發(fā)熱的問題，從而需要設(shè)計專門用于冷卻電動機的油冷或水冷系統(tǒng)。高頻電動機要有變頻器類的驅(qū)動器，以實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的變換。高速軸承有時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，而是一個完整的、在機床數(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)展機床電主軸按所采用的軸承類型可分為滾動軸承（角接觸球軸承、滾子軸承）電主軸、液體軸承（動壓軸承、靜壓軸承、動靜壓軸承）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。從機床行業(yè)的客觀需求來看，角接觸球軸承電主軸、液體（動）靜壓軸承電主軸和氣體軸承電主軸是市場開發(fā)的重點，也是學(xué)術(shù)研究的熱點。角接觸球軸承是最適宜高速化的滾動軸承，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，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)難點在于提高精度壽命和可靠性。液體（動）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)高于滾動軸承式電主軸，具有剛度高、磨損小、壽命長的特點，在精密超精密機床上已獲得了廣泛應(yīng)用。液體（動）靜壓軸承電主軸研究的主要技術(shù)難點在于控制高速時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）靜壓電主軸和滾動軸承式電主軸，其熱穩(wěn)定性好，是超精密機床和印刷電路板（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、旋輾和試驗機用電主軸等8大類（徐同申、余篷，2010）。其中，數(shù)控機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)磨削加工的特點設(shè)計為恒轉(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，其電動機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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