机床高速电主轴原理与应用

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机床高速电主轴原理与应用杨军郭力卿红21.湖南大学机械与汽车工程学院。长沙市4，822湖南商学院计算中心和冷却部骨碟综述赃咖发展前镇前言随着新世纪的到来，现代机械制造工业向高精度高3度高效率的方向飞速发展，对加工机床提出了更高要求。这就需要可以高速运转的主轴部件系统高速主轴单元。电主轴具有结构紧凑重量轻惯性小振动小，噪声低响应快等优点。，以减少传动，简化机床外形设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中种理想结构。现代的高速电主轴是种智能型功能部件，它的种类多，应用范围日益广泛对电主轴的要求，来自以下几方面当前最盛行的工艺高速切削的需求。
　　竞争日益剧烈的机床市场的需求，要求主轴加工复杂曲面的要求，需求有电主轴这样结构紧凑占空间小的主轴部件。
　　1电主轴的基本结构和工作原理高速主轴元是速加几床最为关键的部件。
　　高速主轴单元的类型主要有电主轴气动主轴水动主轴。不同类型输出功率相差较大，高速加工机床主轴需在极短的时间内实现升降速，并在指定位置快速准停。这就要求主轴有很高的角减速度和角加速度。
　　如果通过皮带等中间环节，不仅会在高速状态下打滑产生振动和噪声，而且增加转动惯量，给机床快速准停造成很人困难前。多数高速机床七轴采内装轴如肘，价80，简称电主轴。它采用无外壳电机，将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内。转子和机床主轴的旋转部件做成体。
　　主轴的变速范围56全由变频交流电机控制，使变频电机和机床小轴合为，高速电主轴结构特点高速电1轴要茯，好的动态性能和使用寿命。必须对高速屯主轴个部分进行精心设计和制造高速电主轴站本结构原理简，轴壳。轴壳是高速电主轴的主要部件。轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精度。通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电机定子，必须开放端。大型或特种电主轴，可将轴壳两端均设计成开放型。高速大功率和超高速电主轴，其转子直径往往大于轴承外径，为控制整机装配粘应将轴承安装部分设计成无问隙配合转轴。转轴是高速电主轴的主要回转体，它的制造精度直接影响电主轴的最终精度。成品转轴的形位公差和尺寸精度要求很高，转轴高速运转时，由偏心质量引起振动，严重影响其动态性能，必须对转轴进行严格动平衡测试。部分安装在转轴上的零件也应随较轴起进行动平衡测试。
　　高速电主轴结构原理，轴承。高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承。因电主轴的最高转速取决于轴承的功能大小布置和润滑方法，所以这种轴承必须具有高速性能好动负荷承载能力高润滑性能好发热量小等优点。近年来，相继开发了动静压轴承，陶瓷轴承和磁浮轴承。
　　动静压轴承具有很高的刚度和阴尼，能大幅度提高加效率加质量。延长刀几寿命。降低加工成本而且这种轴承办命为半尤限长美1哗，公司在其生产的主轴单元中极为推崇其拥有专利的动静压轴承混合陶瓷球轴承目前在高速主轴单元中应用较多，这种轴承滚动体使用热压典陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。这种轴承标准化程度高，对机床结构改动小，便于维护，特别适合高速运行场合，它的办值己超过2.7，1用其组装的高速电主轴，能兼得高速高刚度大功率长寿命等优点。
　　磁浮轴承的高速性能好精度高容易实现诊断和在线监控。但这种轴承由于电磁测控系统复杂，价格十分昂贵，而且长期居高不下，至今未能得到广泛应，定子与转子。高速电主轴的定子由具有高导磁率的优质矽钢片迭压而成。迭压成型的定子内腔带有机床与液，2001.版4冲制嵌线槽。转子是中频电机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能。转子由转子铁芯鼠笼转轴部分组成。
　　2工作原理，俚纭，轴电机的绕组相位立差12通以柯1交流电1.相绕组各自形成个正弦交变磁场。磁场转速就是电主轴的同步转速。异步电动机的同步转速由输入电机定子绕组电流的频率和电机定子的极对数决定607电小轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速在加速和制动过程中。通过改变频率进亍加减速。以免电机温升过高由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。
　　2高速电主轴的驱动高速电主轴由静止升速至饵分钟数万转乃至数十万转是相当困难的。电主轴为保证正常工作，必须施加定量的预负荷，这又增加了电主轴的阻力矩。为使电主轴能顺利地完成启动过程，应选取较大的启动转矩，故高速电主轴的启动电流要超过普通电机的额定电流57倍。变频器将工频交流电转换为所需频率交流电。变频器工作原理是建立在磁场矢量控制理论基础上的。目前采用大劝中晶体岱静止变频电源，现今广泛使用的，体管变频器是脉冲调幅式变频调速电源，可将相52380交流电源转换成相中频电源，其输出电甩频率连续可调最新的变频器采用先进的；叩傥体管技术如瑞士人公司生产的3系列变频器可以实现异步电动机的无级变速目前。这种电源的适应性。实用性。经济性均较好。成为高速电小轴小要驱动电源3高速电主轴的润滑和冷却润滑以动静压轴承支承的电主轴。润滑剂般为温水成粘度较低的高速机械汕供油压力般较大。达5 7姐流也较大。此外。应采用特殊方忒降低油路中润滑汕温升。如供汕采用静压级闭式1路4回油采用强制冷却如水冷和风冷等。
　　以浞介陶瓷球轴承支承的电主轴。般用油雾，汕气润，汕气润滑中。空气与油浞合。缩空气来自工厂气源，经精细过滤器常供，而油少数厂家还加某种添加剂采取定时，必须的最小以的方式摧合。这种润滑方式虽然所需设备复杂，成本很高，但这些润滑方式能对每个轴承分别进行精确润滑，润滑油利用率极高，轴承发热量小，无环境污染。
　　另外喷油润滑，环下润滑也是新型少油润滑。在高速电主轴中也将有广阔应用前景。
　　冷却高速电主轴在将电能转化为机械能的同时，也有弈，感6向外扩必须加以控制。否则电主轴将；热量枳聚而使主轴的机械效率下降卞轴粘疗丧失破坏电机线圈绝缘层的介电强设。卞轴轴承岜将受到损坏。
　　电主轴的温度有限元分析明，其热量大部分产生于通电后的定子。可设计个通入冷却液的套简，其内砚定子绕组，用浙环冷却液体吸收和带走电机产生的热量，保持电主轴单元壳体均匀的温度分布。因此，电主轴的常用冷却方法是利用水冷降低主轴系统的温升。高速电主轴的冷却系统主要依靠冷却液的循环流动来实现，流动的冷压缩空气能起定的冷却作用。
　　4高速电主轴的特征。
　　大多数的主轴，简为形。并以其外径为最主要瑞士迅人0公司产品，相应的最高转速为呢1.功率尺为165既；最人尺寸为德1此1公以1为商标的产1.以下河称0，相应的最高转速为600功率8为中以令80至+170的生产厂家较多。
　　转速最尚的为18000，此时套筒外径为令80，卞轴轴径力相；产品=功率最高为70饥。此时，www.vtoall.com高转速为150001.套简外径为1从以上可以看出。产品规格衔盖血极广。可以满足从小型到某些重型机床的需要。
　　如上所述，大多数主轴套筒为圆形，其配合公差为5或1是否带法兰由用户选定。有的厂商如瑞士丸0兼供应带锥柄，可置于加工中心刀库中，当作可史换刀几。应于带砂轮的磨削，质量指标和承载能力般厂家在供货前进行100200小时运转，并提供以下实测数据1径向和轴向跳动径向跳动般小千21.轴向为。
　　轴系不平稳度。般按130标准，不低于，最大转速下热平衡后的温升。般为20名称数值量纲名称数值量纲由于对象中加入负载扰动，因此系统中的阻尼增加了。应当指出的点是，对象对其输入的响应存在稳态误差。，从同中可以出。网络输；在对象，域响应的尖峰处误差较大，这原因与网络的规模有关。