_高速電主軸及其結構報告 姓名：周李念 學號：20122449 班級：機自實驗04班 重慶大學機械工程學院精品資料高速電主軸及其結構周李念（重慶大學 機械工程學院機自實驗04班） 摘要：高速加工能顯著地提高生產率、降低生產成本和提高產品加工質量，是制造業發展的重要趨勢，也是一項非常有前景的先進制造技術。實現高速加工的首要條件是高質量的高速機床，而高速機床的核心部件是高速電主軸單元，它實現了機床的“零傳動”，簡化了結構，提高了機床的動態響應速度，是一種新型的機械結構形式，其性能好壞在很大程度上決定了整臺機床的加工精度和生產效率。 關鍵詞： 高速加工；電主軸；結構設計1 高速電主軸概述高速電主軸最早是用于磨削機床加工，逐步發展到加工中心電主軸及其他各行業機床主軸.典型的磨削電主軸的結構如圖1 所示，傳統的主軸一般是通過傳動帶、齒輪來進行傳動驅動，而電主軸的驅動是將異步電機直接裝入主軸內部，通過驅動電源直接驅動主軸進行工作，以實現機床主軸系統的零傳動，形成“直接傳動主軸”.從而減少中間皮帶或者齒輪機械傳動等環節，實現了機械與電機一體的主軸單元.電主軸不但減少了中間環節存在的打滑、振動和噪音的因素，也加速了主軸在高速領域的快速發展，成為滿足高速切削，實現高速加工的最佳方案，其高轉速、高精度、高剛性、低噪音、低溫升、結構緊湊、易于平衡、安裝方便、傳動效率高等優點，使它在超高速切削機床上得到廣泛的應用1. . 1 轉軸；2 前軸承組；3 定子部件；4 轉子部件；5 后軸承組；6 進-出水孔；7 進油孔；8 接線座；9 出油孔圖1 電主軸結構簡圖 高速電主軸的優點： 高速電主軸取消了由電機驅動主軸旋轉工作的中間變速和傳動裝置（如齒輪、皮帶、聯軸節等），因此高速電主軸具有如下優點：（1）主軸由內裝式電機直接驅動，省去了中間傳動環節，機械結構簡單、緊湊，噪聲低，主軸振動小，回轉精度高，快速響應性好，機械效率高；（2）電主軸系統減少了高精密齒輪等關鍵零件，消除了齒輪傳動誤差，運行時更加平穩；（3）采用交流變頻調速和矢量控制技術，輸出功率大，調速范圍寬，功率扭矩特性好，可在額定轉速范圍實現無級調速，以適應各種負載和工況變化的需要；（4）可實現精確的主軸定位，并實現很高的速度、加速度及定角度快速準停，動態精度和穩定性好，可滿足高速切削和精密加工的需要；（5）大幅度縮短了加工時間，只有原來的約 1/4；（6）加工表面質量高，無需再進行打磨等表面處理工序；2 高速電主軸的結構2高速電主軸要求具備很高的工作性能，因此對其結構的設計、材質、加工工藝和檢驗等方面都有非常嚴格的要求.電主軸設計時，需要確定主軸的總體性能參數、主軸的實際結構（根據軸承形式、配置、驅動方法、潤滑、等參數來確定）、主軸軸承的選型確認、軸承的壽命、主軸的剛度、危險速度、軸承游隙（預緊力）、主軸的尺寸（軸徑、長度、軸承支距等）和主軸實際安裝條件的要求等等因素.2.1 電主軸的轉軸及要求轉軸是高速電主軸的主要零件之一， 轉軸的材料一般是經過軋制或鍛造經切削加工的碳素鋼或合金鋼.它用來安裝各種傳動零件，使之繞其軸線轉動，傳遞轉矩或回轉運動，并通過軸承與主軸機架或機座相聯接.轉軸帶動工件或刀具旋轉，完成表面成型運動，承受切削和驅動等載荷的作用.因此，對軸有很高的技術要求，應滿足下列幾方面的要求：(1) 節約材料，減輕重量，在特殊情況下選用合適的具有耐腐蝕性和耐高溫性的材料；(2) 在結構上要受力合理、盡量避免或減少應力集中現象；(3) 提高足夠的強度（靜強度和疲勞強度）和剛度的結構措施；(4) 轉軸在高速時的振動穩定性及良好的加工工藝性，保證精度要求；(5) 易于各個零件在軸上精確定位、穩固、裝配、裝拆和調整方便. 1 轉軸；2 前軸承組件；3 平衡環；4 轉子部件；5 后軸承組件圖2 轉軸結構簡圖.在一般情況下，轉軸結構為階梯形，將內裝的電機轉子部件與轉軸聯接在一起形成整體部件，如圖2 所示.該轉軸部件最大的優點是前后軸承組件、電機轉子部件、平衡環均采用先進的感應加熱下套工藝方法進行組裝，無鍵槽的設計工藝方法，不但增加了轉軸的剛度，同時，通過平衡環調整轉軸整體動平衡量，最大限度地降低了轉軸在旋轉時由于偏心造成的振動和偏差. 2.2 電主軸的電動機技術 電主軸將機床主軸與電機合二為一，形成內裝式主軸驅動系統，是機床的核心關鍵部件之一，它不但要實現高速、高精度、高剛度等要求，還必須要實現連續工作時輸出的較大轉矩力和承受較寬領域的恒功率運轉范圍.尤其是在轉速要求較高且加減速操作頻繁的領域，如加工中心、銑鏜床、磨床、鉆床等領域. .內裝式主軸電機結構緊湊，簡化了機床的構造.因為轉子安裝在主軸上，降低了轉軸在旋轉時由于偏心造成的振動和偏差，而且獲得較短的起動時間和制動時間，恒功率調速范圍寬、噪聲小、維修簡單.但是，電機也是一個很大的發熱源，要控制電機的溫度，安裝時最好選用有水冷的水套結構最佳. 2.3 電主軸的軸承技術 軸承是高速電主軸的重要組成部分，它的類型、配置、精度對電主軸的工作性能、旋轉精度有著很大的影響.電主軸一般采用角接觸球軸承，主軸在高速旋轉時，離心力引起的內圈膨脹、球旋轉時離心力會引起內部負荷以及內外圈的溫度差等均會使軸承內部的球和內外圈滾道之間的接觸應力增大.而且，采用角接觸球軸承這樣有著接觸角的軸承， 在旋轉中伴隨著自轉滑動和旋轉時的滑動等各種形式的滑動而產生滾動接觸，這些滑動隨著轉速增加而加大，因此接觸部分的發熱也會變大，特別是采用油脂潤滑的軸承，由于潤滑油的粘度下降，有時候甚至會出現缺少潤滑油膜而燒傷的情況.高速電主軸軸承的選用要根據切削負荷大小、形式和轉速的要求，優先選用陶瓷觸球軸承.與鋼球軸承相比，陶瓷球軸承優點有： （1）鋼與陶瓷組成的陶瓷球軸承摩擦性能特好，能降低材料與潤滑劑的應力； （2）因密度較低，可降低運轉時的離心力； （3）較低的熱膨脹系數能有效的降低軸承預壓負荷的變化； （4）較高的彈性模數，使軸承的剛性更高.陶瓷球軸承在高速及重載的條件下，可獲得高剛度、低溫升和長壽命的效果，可以提高主軸的整體精度. 2.4. 冷卻技術 高速電主軸旋轉過程中產生的發熱和溫升問題是高速電主軸研究的一個重點。電主軸內部有兩個主要熱源：內置電機和主軸軸承。軸承產生的熱量可用潤滑系統來冷卻。內置電機的發熱量 2/3 由定子產生，1/3 由轉子產生。其中由轉子產生的熱量絕大部分通過轉子與定子間的氣隙傳給了定子。高速電主軸將電機置于主軸內部、定子直接安裝在殼體內的結構使其在電能轉化為機械能的過程中，有一部分電能會直接轉化為熱能，而這些熱能很難向外擴散，對電機的散熱極其不利。高速電主軸的冷卻系統主要依靠冷卻液的循環流動來實現，流動的冷壓縮空氣也能起到一定的冷卻作用。也可以經過油冷卻裝置的冷卻油強制性地在主軸定子外及主軸軸承外循環，帶走電主軸運轉產生的熱量。油冷裝置控制方式有兩種：定溫控制與差溫控制。電主軸的冷卻系統可分為外水套和內水套兩種：大型電主軸功率大，電動機發熱量多，采用內水套式冷卻系統強化電動機定子的冷卻；小型高速電主軸功率小，軸承發熱量卻大，采用外水套式或定子和軸承均帶水套的方法冷卻，為了提高散熱效果，電主軸常采用油水熱交換的冷卻方法，對電機定子進行強制冷卻，圖 2.6 為油水熱交換冷卻系統的示意圖。為了保證電機的絕緣性，系統采用連續、大流量的冷卻油對定子進行循環冷卻。冷卻油從主軸殼體上的入油口流入，通過定子冷卻套與電機定子進行熱交換，帶走電機產生的絕大部分熱量，再從殼體上的出油口流出，然后流入逆流式冷卻交換器，并在交換器中與冷卻水進行熱交換，當其溫度降低到接近室溫時，便流回油箱，再經過油泵增壓輸送到入油口，從而實現循環冷卻。圖 2.6 油水熱交換冷卻系統示意圖2.5 電主軸的動平衡技術高速機床的廣泛應用，加速了主軸對轉速的高要求.轉速的提高使機床主軸各零部件在加工制造過程中，首先對材質提出了的較高要求，包括轉軸毛胚是否有缺陷、材質是否均勻、形狀是否對稱及加工裝配是否有誤差等各個方面.電主軸的動平衡也是裝配前的關鍵環節，動平衡的高低直接影響主軸單元的噪聲、振動、發熱等性能標.通常在完成零部件加工后，轉軸首先需要做單體動平衡試驗，使轉軸不平衡離心力降到最小值，接著安裝上螺母等單體逐步進行動平衡試驗，待組裝后還要對整機進行動平衡試驗，通過數據顯示達到理想的動態性能，從而提高主軸整機系統的動態精度，延長軸承及整個主軸系統的壽命.由于轉軸上附加的零件偏多，裝配前可能無法一一平衡，因此，必要時可做在線動平衡試驗.同時，為方便調整電主軸整機的平衡，通常應在轉軸前后螺母上預留數個平衡螺孔，以保證轉軸在高速運轉的平穩性3參考文獻