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機床主軸單元
1.介紹
機床主軸基本上完成兩個任務：在空間精確的旋轉刀具（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)。
很顯然主軸對切削效率和機加工件的質量有很大影響，這篇文章評論了目前的狀態(tài)和介紹了主軸技術的研究挑戰(zhàn)。
1.1歷史回顧
典型地，主軸是被皮帶或齒輪驅動的，轉速只能通過改變傳動比或通過電器開關改變驅動級的數(shù)量來改變。
之后，簡單的電氣或液壓控制器開始發(fā)展，主軸旋轉速度通過無級調速方式來改變，要提高生產(chǎn)力就需要更高的速度，加工技術要求發(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）領域的進步
導致在使用高頻三相異步電動機上的低成本維護，對于早在80年代的主軸，高轉速只能利用磁力軸承來實現(xiàn)，在軸承，潤滑，滾動材料和驅動系統(tǒng)(馬達和轉換器)領域的持續(xù)發(fā)展已經(jīng)允許建造直接驅動電機主軸來滿足目前各種需求。
1.2 主要結構
如今，絕大多數(shù)機床都裝配了點主軸。不同于外部驅動主軸，電主軸不需要像齒輪和接頭一樣的機械傳動單元。
主軸至少有兩套主要的球軸承系統(tǒng)。軸承系統(tǒng)是對主軸的壽命影響最大的組成部件。最常見的電機是安裝在兩個軸承系統(tǒng)之間。
而冷卻主要是通過水冷。冷卻劑流過電機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。
一個標準的工具接口例如HSK和SK是被放置在主軸前端的。一個夾緊系統(tǒng)是用于快速automatictool變化。理想情況下，一個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，那么對應的軌道和旋轉機構就要求具有夾緊系統(tǒng)的特點。
今天，幾乎每個主軸都裝配有用于監(jiān)視電機溫度(熱敏電阻或熱電偶)的傳感器和定位夾緊系統(tǒng)。用于監(jiān)測軸承的附加傳感器，可以監(jiān)測驅動過程的穩(wěn)定性，但在許多工業(yè)領域卻不太普遍。
1.3當前發(fā)展狀況
大功率、高轉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)展起來的。高轉速、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)方面的實際開發(fā)領域
當前電主軸的發(fā)展主要集中在電動機的技術，降低用于預防性維護監(jiān)測的成本。另一個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動系統(tǒng)。
過去注意力主要放在增加可靠的旋轉速度。如今，如今的關注點已經(jīng)改變，朝著具有高轉速（15000r/min）的同時還要有很高的轉矩。由于在可靠性，產(chǎn)品生命周期和可預測維護方面需求的增加，電機主軸的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)變得越來越重要。對主軸各狀態(tài)參數(shù)的定期和或連續(xù)觀測能夠檢測磨損、過熱和即將發(fā)生的故障。
了解主軸的產(chǎn)品壽命周期費用對預測服務期間內(nèi)的維護、故障和運行成本有很大幫助。
2.應用領域和具體需求
主軸被研制和制造的主要目的是實現(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，包括簡單的，例如像鋁，要用具有高轉速和大功率的主軸，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速，還要具有較大的轉矩和剛度。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速要控制在100 000到300 000轉/每分鐘。隨著空氣軸承的精度的不斷提高，電機主軸應用領域的生產(chǎn)力和轉速也在不斷提高。
用于模具加工的主軸必須以很高的進給率完成粗軋機組操作(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施策略和機械裝置，可以是兩個機床配備兩個不同的主軸或一個機床配備一個主軸切換單元。另一種情況就是用一個主軸來同時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速。如今的主軸要求材料切除率達到每分鐘切除鋁材料101個單位。
磨削是一個要求高精度的操作過程，需要軸承具有很小的擺動的剛性軸。目前的內(nèi)部磨床主軸要求軸承擺動不超過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實現(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，有時珩磨操作可以在相同的工件上實現(xiàn)。提高機床先進性的瓶頸仍然是機床主軸，因為他不能在相同精度的條件下滿足所有的操作?？芍貥嫼湍K化的機床需要有規(guī)范化的機械、液壓、氣動、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是為了實現(xiàn)最大的動態(tài)剛度，以最小的尺寸和功率增加材料去除率，在設計階段模擬主軸的性能和優(yōu)化它的尺寸。主軸裝配的機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、或管道單元來模擬。軸承剛度可以用一個球軸承接觸角的函數(shù)、在操作期間由主軸的外部負載或熱膨脹所引起的預緊力來模擬。運動方程以矩陣的形式導出，包括陀螺和離心效應，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函數(shù)。如果軸承剛度與速度有關，或如果主軸在切削載荷下模擬，數(shù)值方法用于預測沿主軸軸振動荷載和軸承上的接觸載荷。
主軸仿真模型考慮了主軸設計參數(shù)的優(yōu)化，目的是為了使主軸在全速運行時達到最大的動剛度，用一把指定的專用刀具用指定的速度實現(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，主軸設計的主要目標是實現(xiàn)切除材料的最大化，同時還要保證各項其他指標如精度和可靠性。
3.1實驗模擬
一個現(xiàn)有的電主軸的動態(tài)行為是通過測量它的力和位移之間的頻率響應函數(shù)得到的。在機械加工過程中，主軸結構會引起振動，可測量的頻率響應函數(shù)可以用曲線來擬合，可用于預測固有頻率、阻尼比和剛度值。頻率響應函數(shù)的實驗測量對于在加工工藝設計階段評估動態(tài)剛度和確定切削顫振條件是實用的。然而，以下困難需要考慮在內(nèi)：
（1）只需要測量旋轉軸的一小部分就可行了，因此模擬整個主軸是不可能的；
（2）運算速度和溫度主要影響特征值，但當主軸旋轉時頻率響應函數(shù)的測量是相當困難的；
（3）運用從測量的輸入和輸出數(shù)據(jù)中提取的參數(shù)進行曲線擬合或其他方法
并不總是得到主軸動態(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，在設計階段用來預測和改善主軸的性能。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)學關系。數(shù)學模型可以用狀態(tài)空間形式或通過一系列的微分方程來表達，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軸和外殼的力學建模
有限元方法普遍適用于主軸的結構力學和動態(tài)模型。該方法是通過偏導數(shù)微分方程組在有限元區(qū)域基于結構的離散化。該分析屬于轉子動態(tài)研究的類型，具有對稱性的軸通常用梁單元來模擬，可以得到質量和剛度矩陣。
Timoshenko梁單元最為常用，因為它考慮了彎曲、轉動慣量和剪切的影響，因此對主軸的固有頻率和模態(tài)形狀的預測有很大幫助。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用于高速主軸。為了保持徑向和軸向的旋轉精度和足夠的剛度以滿足基本的操作要求，軸承需要預緊來防止打滑?；旧?，有兩種類型的軸承預緊力：剛性預緊和恒預緊。
圖1 機床—主軸—軸承系統(tǒng)的有限元模型
畢 業(yè) 設 計 任 務 書
1．畢業(yè)設計的任務和要求：
掌握機床主軸的基本知識；掌握機床主軸設計的技術關鍵；研究數(shù)控機床主軸單元的關鍵技術，掌握其相關知識及選型、應用、設計方法等；完成一種數(shù)控銑床主軸單元的設計，要求主軸工作的轉速可達8000r/min，輸出功率可達5kW，使用40柄刀具。
2．畢業(yè)設計的具體工作內(nèi)容：
1） 分析題目要求，查閱相關的國內(nèi)外文獻、設計資料、有關專利文獻等，在此基礎上，了解開題報告的撰寫方法、基本要求，完成開題報告；
2） 學習和掌握機床主軸的有關知識，了解主軸單元、電主軸的有關知識及發(fā)展現(xiàn)狀；了解數(shù)控機床、加工中心對主軸的要求；總結機床主軸的設計要點、技術關鍵及發(fā)展方向；力爭提出主軸設計的發(fā)展方向；
3） 按題目要求，設計一種數(shù)控銑床的主軸單元，完成裝配圖及主要零件圖，給出功率、強度、剛度、軸承等必要的計算；
4） 編寫設計說明書；
5） 翻譯本專業(yè)外文科技文獻一份。
畢 業(yè) 設 計 任 務 書
3．對畢業(yè)設計成果的要求：
1）主軸裝配圖、主要零件圖；
2）主軸技術的研究及設計說明書一份；
3）本專業(yè)外文科技文獻譯文一份。
4．畢業(yè)設計工作進度計劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2016年
02月29日 ~03月21日
03月22日 ~04月30日
05月01日 ~05月20日
05月21日 ~05月31日
06月01日 ~06月05日
分析課題要求，查閱相關文獻資料，了解機床主軸設計的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，提出自己的設計思路，完成開題報告；
全面掌握主軸相關的基本知識，了解高速主軸的關鍵技術，了解主軸單元的設計特點；分析總結主軸技術的發(fā)展方向；
設計主軸，完成裝配圖和主要零件圖；
完成研究總結及設計說明書
撰寫答辯講稿，準備答辯；
學生所在系審查意見：
同意下發(fā)任務書
系主任：
2016年 2 月 29 日
畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告
1．結合畢業(yè)設計課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：
文 獻 綜 述
1.1國內(nèi)外機床主軸研究現(xiàn)狀
（1）國內(nèi)研究現(xiàn)狀
目前國內(nèi)研究高速電主軸的科研機構有我國河南省洛陽軸承研究所 ,他們能自行研究開發(fā)電主軸 ,其DmN值達到了很高的水平 ;廣州鉅聯(lián)高速電主軸有限公司研發(fā)的大功率靜壓軸承電主軸曾獲得日內(nèi)瓦國際專利技術博覽會金獎 ;廣東工業(yè)大學高速加工和機床研究所也開發(fā)了數(shù)控銑床高速電主軸。其主要技術指標為 :電主軸的額定功率是 13.5kW ,最高轉速為 180 0 0r/min ,在額定轉速 5 0 0r/min時產(chǎn)生最大輸出轉矩為 85Nm。在我國的安陽市 ,有一家中外合資的電主軸生產(chǎn)廠家———安陽萊必泰機械有限公司 ,它擁有先進的電主軸、機床主軸設計和制造技術。該公司研制生產(chǎn)的加工中心電主軸 ,采用先進技術 ,配有矢量閉環(huán)控制系統(tǒng) ,能對主軸實行恒功率調速 ,準停制動。功率為 3.7～ 2 5kW ,恒功率段 15 0 0～ 12 0 0 0r/min。采用進口高速精密軸承 ,旋轉件經(jīng)高精度平衡。該系列產(chǎn)品具有高精度、高剛度、高速度、低噪聲、低振動、低溫升等優(yōu)點 ,系99國家火炬計劃項目。
（2）國外研究現(xiàn)狀
國外高速電主軸技術由于研究較早 ,技術水平也處于領先地位 ,電主軸已越來越多地應用到工業(yè)制造業(yè)中。著名的有瑞士的Fisher公司、Ibag公司、德 國的GMN公司、Hofer公司、Siemens公司、意大利Faemat公司、Gamfior公司及美國Ingersoll公司、日本Okuma公司和Fanuc公司等,它們的技術水平代表了這個領域的世界先進水平。
這些公司生產(chǎn)的電主軸較之國內(nèi)生產(chǎn)的有以下幾個特點 :①功率大、轉速高。②采用高速、高剛度軸承。國外高速精密主軸上采用高速、高剛度軸承 ,主要有陶瓷軸承和液體動靜壓軸承 ,特殊場合采用空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承。③精密加工與精密裝配工藝水平高。④配套控制系統(tǒng)水平高。這些控制系統(tǒng)包括轉子自動平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、定轉子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補償精密控制系統(tǒng)等。并在此基礎之上,這些外國廠家如美國、日本、德國、意大利和瑞士等工業(yè)發(fā)達國家已生產(chǎn)了多種商品化高速機床。如瑞士米克朗公司 ,就是世界上著名的精密機床制造商。它生產(chǎn)的機床配備最高達 6 0 0 0 0r/min的高速電主軸 ,可以滿足不同的切削要求 ,所有的電主軸均裝有恒溫冷卻水套對主軸電機和軸承進行冷卻 ,并通過高壓油霧對復合陶瓷軸承進行潤滑。所有的電主軸均采用矢量控制技術 ,可以在低轉速時輸出大扭矩。
國產(chǎn)電主軸和國外產(chǎn)品相比較 ,無論是性能、品種和質量都有較大差距 ,國產(chǎn)電主軸產(chǎn)品和國外的相比較 ,主要存在以下差距 :(1)國外電主軸低速段的輸出扭矩最大可達 30 0Nm ,而我國目前僅在 10 0Nm以內(nèi)。(2 )在高轉速方面 ,國外用于加工中心的電主軸轉速已達 75 0 0 0r/min ,我國則多在15 0 0 0r/min以內(nèi)。(3)電主軸的軸承潤滑 ,國外普遍采用油氣潤滑 ,而我國仍用油脂潤滑。(4 )其他配套技術也有較大差距 ,如主軸電機矢量控制、交流伺服控制技術、精確定向技術、快速啟動、停止等。(5 )在產(chǎn)品的品種、規(guī)格、數(shù)量和制造規(guī)模等方面 ,國產(chǎn)電主軸仍然處于小量研發(fā)試制階段 ,沒有形成系列化、專業(yè)化 ,遠不能滿足國內(nèi)數(shù)控機床和加工中心發(fā)展的需求。所以目前國產(chǎn)的高轉速、高精度數(shù)控機床和加工中心所用的電主軸 ,仍然主要從國外進口。
1.2主軸技術的發(fā)展趨勢
1）繼續(xù)向高速度、高剛度方向發(fā)展
由于高速切削和實際應用的需要，隨著主軸軸承及其潤滑技術、精密加工技術、精密動平衡技術、高速刀具及其接口技術等相關技術的發(fā)展，數(shù)控機床用電主軸高速化已成為目前發(fā)展的普遍趨勢，如鉆、銑用電主軸，瑞士IBAG的HF42的轉速達到140000r／min，英國WestWind公司的PCB鉆孔機電主軸D1733更是達到了250000r／min；加工中心用電主軸，瑞士FISCHER最高轉速達到42000r／min，意大利CAMFIOR達到了75000r／min。在電主軸的系統(tǒng)剛度方面，由于軸承及其潤滑技術的發(fā)展，電主軸的系統(tǒng)剛度越來越大，滿足了數(shù)控機床高速、高效和精密加工發(fā)展的需要。
2） 向高速大功率、低速大轉矩方向發(fā)展
根據(jù)實際使用的需要，多數(shù)數(shù)控機床需要同時能夠滿足低速粗加工時的重切削、高速切削時精加工的要求，因此，機床電主軸應該具備低速大轉矩、高速大功率的性能。如意大利CAMFIOR、瑞士Step—Tec、德國GMN等制造商生產(chǎn)的加工中心用電主軸，低速段輸出轉矩到200Nm以上的已經(jīng)不是難事，德國CYTEC的數(shù)控銑床和車床用電主軸的最大扭矩更是達到了630N·m；在高速段大功率方面，一般在l0～50kW；CYTEC電主軸的最大輸出功率為50kW；瑞士Step—Tec電主軸的最大功率更是達到65kW(S1)，用于航空器制造和模具加工；更有電主軸功率達到80kW 的報道。
3） 進一步向高精度、高可靠性和延長工作壽命方向發(fā)展
用戶對數(shù)控機床的精度和使用可靠性提出了越來越高的要求，作為數(shù)控機床核心功能部件之一的電主軸，要求其本身的精度和可靠性隨之越來越高。如主軸徑向跳動在0.001mm 以內(nèi)、軸向定位精度<0.0005mm以下。同時，由于采用了特殊的精密主軸軸承、先進的潤滑方法以及特殊的預負荷施加方式，電主軸的壽命相應得到了延長，其使用可靠性越來越高。Step—Tec的電主軸還加裝了加速度傳感器，降低軸承振動加速度水平，為了監(jiān)視和限制軸承上的振動，安裝了振動監(jiān)測模塊，以延長電主軸工作壽命。
4） 快速啟動、停止響應速度加快
為縮短輔助時間，提高效率，要求數(shù)控機床電主軸的啟、停時間越短越好，因此需要很高的啟動和停機加(減)速度。目前，國外機床電主軸的啟、停加速度可達到lg以上，全速啟、停時間在ls以內(nèi)。
5） 軸承及其預加載荷方式、潤滑方式多樣化
除了常規(guī)的鋼制滾動軸承外，近年來陶瓷球混合軸承越來越得到廣泛的應用，潤滑方式有油脂、油霧、油氣等，尤其是油氣潤滑方法(又Oil-air)，由于具有適應高速、環(huán)保節(jié)能的特點，得到越來越廣泛的推廣和應用；滾動軸承的預負荷施加方式除了剛性預負荷(又稱定位預負荷)、彈性預負荷(又稱定壓預負荷)之外，又發(fā)展了一種智能預負荷方式，即利用液壓油缸對軸承施加預負荷，并且可以根據(jù)主軸的轉速、負載等具體工況控制預負荷的大小，使軸承的支承性能更加優(yōu)良。在非接觸形式軸承支承的電主軸方面，如磁浮軸承、氣浮軸承電主軸(瑞士IBAG等)、液浮軸承電主軸(美國Ingersoll等)等已經(jīng)有系列商品供應市場。
6）向多功能、智能化方向發(fā)展
在多功能方面，有角向停機精確定位(準停)、C軸傳動、換刀中空吹氣、中空通冷卻液、軸端氣體密封、低速轉矩放大、軸向定位精密補償、換刀自動動平衡技術等。在智能化方面，主要表現(xiàn)在各種安全保護和故障監(jiān)測診斷措施，如換刀聯(lián)鎖保護、軸承溫度監(jiān)控、電機過載和過熱保護、松刀時軸承卸荷保護、主軸振動信號監(jiān)測和故障異常診斷、軸向位置變化自動補償、砂輪修整過程信號監(jiān)測和自動控制、刀具磨損和損壞信號監(jiān)控等，如Step-Tec 電主軸安裝有診斷模塊，維修人員可通過紅外接口讀取數(shù)據(jù)，識別過載，統(tǒng)計電主軸工作壽命。
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畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
2.1研究或解決的問題
（1）通過對自己所查找的相關資料，了解掌握銑床主軸的基本知識。
（2）熟悉銑床主軸單元的關鍵技術，掌握其相關知識及選型、應用、設計方法等。
（3）學會CAD設計軟件，完成相應的工程圖設計。
（4）編寫說明書。
2.2擬采用的設計方案
（1）本次設計擬采用數(shù)控銑床的電主軸，其結構如圖所示：
圖1 數(shù)控銑床主軸結構圖
（2）主軸伺服驅動器的選擇：由于本次設計要求主軸工作轉速達8000r/min，輸出功率達5KW，可采用深圳步科的伺服驅動器。具體的相關的技術參數(shù)如下：控制器等級，0.75Kw～75Kw；調速范圍，0r/min～15000r/min（四級電機）；0r/min～30000r/min（二級電機）；本次的電機的主功率為5Kw，轉速8000r/min。
（3）確定主軸的主要結構參數(shù)：確定主軸的軸徑、主軸前端懸伸量和主軸主要支承間的跨距。
（4）利用CAD軟件繪制工程圖。
2.3擬采用的研究思路和手段
初步擬采用理論分析和結構設計相結合的研究方法。針對銑床主軸單元設計主要采取以下方法：
①收集國內(nèi)外相關研究資料，對其進行詳細分析并總結各自方案的優(yōu)缺點；通過對比國內(nèi)外研究情況，提出自己的看法，擁有自己的創(chuàng)新點。
②通過對機構進行總體分析并詳細設計，初步確定本設計的研究思路。
③總結自己的思路，并與指導老師、同學們進行交流，最終確保本畢業(yè)設計思路的正確性和可行性。
④在做畢業(yè)設計的過程中，如果遇到疑問或問題，及時與老師溝通交流；最終完成銑床主軸變速箱設計。
⑤撰寫畢業(yè)設計說明書，準備答辯。
進度安排：
2月29日-3月3日：查閱資料
3月4日-3月21日 ：撰寫開題報告
3月22日-5月18日：確定優(yōu)化方案
5月19日-6月1日： 完成畢業(yè)論文初稿
6月2日—6月5日：根據(jù)指導老師意見，修改論文初稿，完成終稿，準備答辯
畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告
指導教師意見：
報告表明，該同學近期查閱了大量文獻資料，特別是企業(yè)產(chǎn)品的技術資料，對數(shù)控機床、電主軸等有了一些新認識。對國內(nèi)外采用了什么新技術，關鍵技術等還有些不足。
但對設計任務基本明確。
同意開題。
指導教師：
2016 年 3 月 22 日
所在學院審查意見：
同意開題
負責人：
2016 年 3 月 22 日