高速电主轴设计制造中若干问题的探讨.docVIP

高速电主轴设计制造中若干问题的探讨 近10年随着高速加工技术的迅猛发展和日益广泛的应用，各工业部门，特别是航空航天、汽车工业、模具加工和摩托车工业等，对高速数控机床的需求量与日俱增。美、日、德、意和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床，下表列出了近几年在国际机床市场上出现的几种著名品牌的高速加工中心。 新型高速加工中心表制造厂家(国别)机床名称和型号主轴最高转速(r/min)最大进给速度(m/min)主轴驱动功率(kW)Cincinati Milacron(美)Maxim 500型卧式加工中心200002812Ingersoll(美)HVM800型高速卧式加工中心2000076.245Mikron(美)HSM700型高速立式加工中心420004014Ex-cell-O(德)XHC241型高速卧式加工中心2400012040RODERS(德)RFM1000型加工中心420003020～30Makino(日)A55-A128型加工中心400005022新泻铁工(日)VZ40型加工中心500002018.5Mazak(日)Super-400H型加工中心250001518.5 (a)无矢量控制 (b)有矢量控制 图1 扭矩—功率特性 一般说来，高速机床都是数控机床和精密机床，其传动结构的最大特点是实现了机床的“零传动”。从机床的主传动系统来看，这种传动方式取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节(如皮带、齿轮、离合器等)，实现了主电动机与机床主轴的一体化。这种传动方式有以下优点： 机械结构最为简单，传动惯量小，因而快速响应性好，能实现极高的速度、加(减)速度和定角度的快速准停(C轴控制)。 采用交流变频调速和矢量控制的电气驱动技术，输出功率大，调速范围宽。有比较理想的扭矩——功率特性(图1b)，一次装夹既可实现粗加工又可进行高速精加工。 实现了主轴部件的单元化，可独立做成标准化的功能部件，并由专业厂进行系列化生产。机床主机厂只需根据用户的不同要求进行选用，可很方便地组成各种性能的高速机床，符合现代机床设计模块化的发展方向。 电主轴的机械结构虽然比较简单，但制造工艺的要求却非常严格。这种结构还带来一系列新的技术难题，诸如内置电动机的散热、高速主轴的动平衡、主轴支承及其润滑方式的合理设计等问题，必须妥善地得到解决，才能确保主轴稳定可靠的高速运转，实现高效精密加工。本文结合我校高速电主轴的研制实践，探讨铣镗类高速大功率电主轴设计与制造中的有关问题。 1 电主轴的基本参数与结构布局电主轴的主要参数有：(1)主轴最高转速和恒功率转速范围：(2)主轴的额定功率和最大扭矩：(3)主轴前轴颈直径和前后轴承的跨距等。其中主轴最高转速、前轴颈直径和额定功率是基本参数。电主轴通常装备在高速加工中心上，在设计电主轴时要根据用户的工艺要求，采用典型零件统计分析的方法来确定这些参数。机床厂对同一尺寸规格的高速机床，一般会分两大类型，即“高速型”和“高刚度型”分别进行设计。前者主要用于航空、航天等工业加工轻合金、复合材料和铸铁等零件：后者主要用于模具制造、汽车工业中高强度钢或耐热合金等难加工材料和钢件的高效加工。在设计电主轴时，还要注意选择有较好扭矩———功率特性和有足够宽调速范围的变频电动机及其控制模块。根据主电动机和主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴有两种布局方式： ??1.编码盘 2.电主轴壳体 3.冷却水套 4.电动机定子 5.油气喷嘴 6.电动机转子 7.阶梯过盈套 8.平衡盘 9.角接触陶瓷球轴承图2 GD-2型电主轴 1.液压缸 2.拉杆 3.主轴轴承 4.碟形弹簧 5.夹头 6.主轴 7.内置电动机图3 主电动机位于后轴承之后的电主轴 主电动机置于主轴前、后轴承之间。图2所示是我校研制的GD-2型高速电主轴，也是一般电主轴的基本结构形式。其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度高，出力大，较适用于中、大型高速加工中心，目前大多数电主轴都采用这种结构形式。 主电动机置于主轴后轴承之后，如图3所示，即主轴箱和主电动机作轴向的同轴布置(有的用联轴节)。这种布局方式有利于减小电主轴前端的径向尺寸，电动机的散热条件也较好。但整个主轴单元的轴向尺寸较大，常用于小型高速数控机床，尤其适合于模具型腔的高速精密加工。 有关电主轴前后轴承之跨距及主轴端部伸出量，应按静刚度和动刚度的要求进行计算2 电主轴的主要热源及其解决办法用于铣镗类高速加工中心的电主轴运转中的发热问题始终是人们关注的焦点。电主轴的内部有两个主要热源，一是内藏式主电动机，另一个是主轴轴承。 与一般的主轴部件不同，电主轴最突出的问题之一是内藏式高速主电动机的发热。由于主电动机旁边就是主轴轴承，电动机的发热会直接降低轴承的工作精度，如果主电动机的