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機(jī)床主軸單元
1.介紹
機(jī)床主軸基本上完成兩個(gè)任務(wù)：在空間精確的旋轉(zhuǎn)刀具（鉆削，銑削，磨削）或工件（車削）；把所需要的能量傳遞到切削區(qū)。
很顯然主軸對(duì)切削效率和機(jī)加工件的質(zhì)量有很大影響，這篇文章評(píng)論了目前的狀態(tài)和介紹了主軸技術(shù)的研究挑戰(zhàn)。
1.1歷史回顧
典型地，主軸是被皮帶或齒輪驅(qū)動(dòng)的，轉(zhuǎn)速只能通過改變傳動(dòng)比或通過電器開關(guān)改變驅(qū)動(dòng)級(jí)的數(shù)量來(lái)改變。
之后，簡(jiǎn)單的電氣或液壓控制器開始發(fā)展，主軸旋轉(zhuǎn)速度通過無(wú)級(jí)調(diào)速方式來(lái)改變，要提高生產(chǎn)力就需要更高的速度，加工技術(shù)要求發(fā)展新型軸承，電力電子與逆變器系統(tǒng)。在致力于發(fā)展緊湊的電力電子（靜止變頻器）領(lǐng)域的進(jìn)步
導(dǎo)致在使用高頻三相異步電動(dòng)機(jī)上的低成本維護(hù)，對(duì)于早在80年代的主軸，高轉(zhuǎn)速只能利用磁力軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)，在軸承，潤(rùn)滑，滾動(dòng)材料和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(馬達(dá)和轉(zhuǎn)換器)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展已經(jīng)允許建造直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸來(lái)滿足目前各種需求。
1.2 主要結(jié)構(gòu)
如今，絕大多數(shù)機(jī)床都裝配了點(diǎn)主軸。不同于外部驅(qū)動(dòng)主軸，電主軸不需要像齒輪和接頭一樣的機(jī)械傳動(dòng)單元。
主軸至少有兩套主要的球軸承系統(tǒng)。軸承系統(tǒng)是對(duì)主軸的壽命影響最大的組成部件。最常見的電機(jī)是安裝在兩個(gè)軸承系統(tǒng)之間。
而冷卻主要是通過水冷。冷卻劑流過電機(jī)定子周圍的冷卻套而還經(jīng)常流過軸承外圈。
主軸末端的密封件防止碎屑及切削液的侵入，通常這些是做了空氣凈化的。
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工具接口例如HSK和SK是被放置在主軸前端的。一個(gè)夾緊系統(tǒng)是用于快速automatictool變化。理想情況下，一個(gè)可以控制夾緊力的未夾緊單元需要可靠的加工。如果切削液一定要通過刀具流到切削上，那么對(duì)應(yīng)的軌道和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)就要求具有夾緊系統(tǒng)的特點(diǎn)。
今天，幾乎每個(gè)主軸都裝配有用于監(jiān)視電機(jī)溫度(熱敏電阻或熱電偶)的傳感器和定位夾緊系統(tǒng)。用于監(jiān)測(cè)軸承的附加傳感器，可以監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)過程的穩(wěn)定性，但在許多工業(yè)領(lǐng)域卻不太普遍。
1.3當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r
大功率、高轉(zhuǎn)速電主軸是為了加工用于航空、航天工業(yè)的大型鋁制框架而發(fā)展起來(lái)的。高轉(zhuǎn)速、低功率的電主軸用于電子工業(yè)為印刷電子版鉆孔（PCB）。
1.4工業(yè)方面的實(shí)際開發(fā)領(lǐng)域
當(dāng)前電主軸的發(fā)展主要集中在電動(dòng)機(jī)的技術(shù)，降低用于預(yù)防性維護(hù)監(jiān)測(cè)的成本。另一個(gè)核心問題是為了減少主軸上的熱量發(fā)展用于抵消存在的約束力和輸出頻率的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
過去注意力主要放在增加可靠的旋轉(zhuǎn)速度。如今，如今的關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)改變，朝著具有高轉(zhuǎn)速（15000r/min）的同時(shí)還要有很高的轉(zhuǎn)矩。由于在可靠性，產(chǎn)品生命周期和可預(yù)測(cè)維護(hù)方面需求的增加，電機(jī)主軸的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變得越來(lái)越重要。對(duì)主軸各狀態(tài)參數(shù)的定期和或連續(xù)觀測(cè)能夠檢測(cè)磨損、過熱和即將發(fā)生的故障。
了解主軸的產(chǎn)品壽命周期費(fèi)用對(duì)預(yù)測(cè)服務(wù)期間內(nèi)的維護(hù)、故障和運(yùn)行成本有很大幫助。
2.應(yīng)用領(lǐng)域和具體需求
主軸被研制和制造的主要目的是實(shí)現(xiàn)金屬切削效率和加工精度的最大化。
工件材料可以分門別類，包括簡(jiǎn)單的，例如像鋁，要用具有高轉(zhuǎn)速和大功率的主軸，還包括難加工的，例如鎳鈦合金，要求主軸除了具有較低的轉(zhuǎn)速，還要具有較大的轉(zhuǎn)矩和剛度。切削具有磨料碳或碳纖維塑料的工件材料要求主軸前端具有良好的密封性。
給電路板鉆孔的主軸轉(zhuǎn)速要控制在100 000到300 000轉(zhuǎn)/每分鐘。隨著空氣軸承的精度的不斷提高，電機(jī)主軸應(yīng)用領(lǐng)域的生產(chǎn)力和轉(zhuǎn)速也在不斷提高。
用于模具加工的主軸必須以很高的進(jìn)給率完成粗軋機(jī)組操作(高性能切割、HSC)、以很高的切削速度完成切削過程（高切削速度，HSC）.依據(jù)磨具和壓鑄車間的實(shí)施策略和機(jī)械裝置，可以是兩個(gè)機(jī)床配備兩個(gè)不同的主軸或一個(gè)機(jī)床配備一個(gè)主軸切換單元。另一種情況就是用一個(gè)主軸來(lái)同時(shí)完成高速切削和高性能切割，但生產(chǎn)力仍然保持合理的水平。
航空航天用的主軸要求具有大功率和高轉(zhuǎn)速。如今的主軸要求材料切除率達(dá)到每分鐘切除鋁材料101個(gè)單位。
磨削是一個(gè)要求高精度的操作過程，需要軸承具有很小的擺動(dòng)的剛性軸。目前的內(nèi)部磨床主軸要求軸承擺動(dòng)不超過1毫米。
主要用于鉆孔的主軸單元要求具有很高的軸向剛度，這需要使用具有高接觸角的角接觸球軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)。相反，高速銑削操作要使用有小接觸角的軸承用以減少由于離心力引起的徑向剛度變化。
現(xiàn)代加工中心往往具有多種功能如銑、鉆、磨，有時(shí)珩磨操作可以在相同的工件上實(shí)現(xiàn)。提高機(jī)床先進(jìn)性的瓶頸仍然是機(jī)床主軸，因?yàn)樗荒茉谙嗤鹊臈l件下滿足所有的操作?？芍貥?gòu)和模塊化的機(jī)床需要有規(guī)范化的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、電氣接口的可互換的主軸。
3.主軸分析
主軸單元的模型和分析的目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)最大的動(dòng)態(tài)剛度，以最小的尺寸和功率增加材料去除率，在設(shè)計(jì)階段模擬主軸的性能和優(yōu)化它的尺寸。主軸裝配的機(jī)械部件是由安裝有軸承的空心主軸組成。角接觸球軸承廣泛用于高速主軸，由于其低摩擦性能和可以同時(shí)承受徑向和軸向載荷的能力。主軸可以在有限元環(huán)境下用梁、塊、或管道單元來(lái)模擬。軸承剛度可以用一個(gè)球軸承接觸角的函數(shù)、在操作期間由主軸的外部負(fù)載或熱膨脹所引起的預(yù)緊力來(lái)模擬。運(yùn)動(dòng)方程以矩陣的形式導(dǎo)出，包括陀螺和離心效應(yīng)，還有得到了附在主軸上的工具的固有頻率、振型的形狀和頻率響應(yīng)函數(shù)。如果軸承剛度與速度有關(guān)，或如果主軸在切削載荷下模擬，數(shù)值方法用于預(yù)測(cè)沿主軸軸振動(dòng)荷載和軸承上的接觸載荷。
主軸仿真模型考慮了主軸設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，目的是為了使主軸在全速運(yùn)行時(shí)達(dá)到最大的動(dòng)剛度，用一把指定的專用刀具用指定的速度實(shí)現(xiàn)最大軸向切削深度。在不損壞軸承和主軸的前提下以指定的速度，主軸設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)切除材料的最大化，同時(shí)還要保證各項(xiàng)其他指標(biāo)如精度和可靠性。
3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)M
一個(gè)現(xiàn)有的電主軸的動(dòng)態(tài)行為是通過測(cè)量它的力和位移之間的頻率響應(yīng)函數(shù)得到的。在機(jī)械加工過程中，主軸結(jié)構(gòu)會(huì)引起振動(dòng)，可測(cè)量的頻率響應(yīng)函數(shù)可以用曲線來(lái)擬合，可用于預(yù)測(cè)固有頻率、阻尼比和剛度值。頻率響應(yīng)函數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)于在加工工藝設(shè)計(jì)階段評(píng)估動(dòng)態(tài)剛度和確定切削顫振條件是實(shí)用的。然而，以下困難需要考慮在內(nèi)：
（1）只需要測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的一小部分就可行了，因此模擬整個(gè)主軸是不可能的；
（2）運(yùn)算速度和溫度主要影響特征值，但當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)頻率響應(yīng)函數(shù)的測(cè)量是相當(dāng)困難的；
（3）運(yùn)用從測(cè)量的輸入和輸出數(shù)據(jù)中提取的參數(shù)進(jìn)行曲線擬合或其他方法
并不總是得到主軸動(dòng)態(tài)參數(shù)的精確分析。
3.2理論模型
理論模型是基于物理定律，在設(shè)計(jì)階段用來(lái)預(yù)測(cè)和改善主軸的性能。模型提供輸入F（力，速度）和輸出q（撓度，軸承載荷，和溫度）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。數(shù)學(xué)模型可以用狀態(tài)空間形式或通過一系列的微分方程來(lái)表達(dá)，在這兩種方案中主軸的線性或非線性行為都可以被精確的模擬。
3.2.1軸和外殼的力學(xué)建模
有限元方法普遍適用于主軸的結(jié)構(gòu)力學(xué)和動(dòng)態(tài)模型。該方法是通過偏導(dǎo)數(shù)微分方程組在有限元區(qū)域基于結(jié)構(gòu)的離散化。該分析屬于轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)研究的類型，具有對(duì)稱性的軸通常用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，可以得到質(zhì)量和剛度矩陣。
Timoshenko梁?jiǎn)卧顬槌Ｓ?，因?yàn)樗紤]了彎曲、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和剪切的影響，因此對(duì)主軸的固有頻率和模態(tài)形狀的預(yù)測(cè)有很大幫助。普遍都知道的有限元分析軟件ANSYS中PIPE16單元也是使用了Timoshenko理論與質(zhì)量和剛度矩陣。
3.3角接觸球軸承的建模
角接觸球軸承普遍應(yīng)用于高速主軸。為了保持徑向和軸向的旋轉(zhuǎn)精度和足夠的剛度以滿足基本的操作要求，軸承需要預(yù)緊來(lái)防止打滑?；旧?，有兩種類型的軸承預(yù)緊力：剛性預(yù)緊和恒預(yù)緊。
圖1 機(jī)床—主軸—軸承系統(tǒng)的有限元模型