高速电主轴非接触式加载可靠性试验(3)

第2章 电主轴

第2章 电主轴

第1节 电主轴结构

由机床内装式电动机直接驱动机床主轴，基本上取消了带轮传动和齿轮传动，把机床主传动链的长度缩短为零，实现了“零传动”方式。这种把主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，称之为“主轴单元”，俗称为“电主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，由于转速高、功率大，就需要有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。

图2-1 电主轴基本结构

电主轴的基本结构如图2-1所示，它由定子、转子、轴承、润滑装置和冷却装置等构成。电主轴是高速轴承技术、冷却技术、润滑技术、动平衡技术、精密制造与装配技术以及电机高速驱动等技术的综合运用。其主要特点如下：

(1)机械结构相对简单，运动惯量小，动态响应性好，能实现很高的速度和加速度以及定角度的快速准停。

(2)电主轴系统没有高精密齿轮等关键传动零件，消除了齿轮传动误差。 (3)减少了主轴的振动和噪声，提高了主轴的回转精度。

(4)用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调速范围宽，功率-扭矩特性好。

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电动机会产生大量的热，轴承在高速运转下也会产生大量的热，这两个热源构成了主轴主要的内部热源，如果不加以控制，由此引起的热变形会降低机床的加工精度和轴承的使用寿命，从而需要设计专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。主轴的变速是通过变频器来实现的。高速轴承要有专门的润滑装置，润滑方式有油脂润滑、油气润滑、油雾润滑，高速电主轴一般采用后两种润滑方式。为了保证高速回转部件的安全，还要有报警装置及停止用的传感器及其相应控制系统等一系列支持电主轴运转的外围设备和技术。因此，“电主轴”的概念不应简单地理解为只是一根主轴，而是一个在机床数控系统监控下完整的的子系统，如图2-2所示。

图2-2 电主轴系统

第2节 电主轴的关键技术

电主轴单元是一套组件，它是一项涉及电主轴本身及其附件的系统工程技术。电主轴单元所融合的关键技术主要包括以下几方面:

（1）高速电机技术。电主轴是电动机与主轴融合的产物，主轴的旋转部分即为电机的转子，理论上就可以把电主轴看作一台高速电动机，其关键技术是高速度下的动平衡、主轴内励磁的稳定性以及驱动技术。 （2）轴承技术。由于普通钢制轴承质量大，限制了它的极限转速，电主轴通常采用陶瓷球轴承，陶瓷球轴承分为全陶瓷轴承和混合陶瓷轴承两种，陶瓷材料具有优良的物理、化学和机械性能。有时也采用静压轴承，或电磁悬浮轴承，内外圈不接触，理论上命无限长。

（3）润滑技术。电主轴的润滑主要是轴承的润滑，主要有油雾润滑、油气润滑及油脂润滑，一般采用的是油气润滑和油雾润滑，也可以采用脂润滑，但其相应的最高速度有了限制。油气润滑，通常是润滑油在压

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缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。这里，油量控制显得十分重要，油量过少，起不到润滑作用；油量过多，又会在轴承高速旋转时因油的阻力而发热。

（4）内置脉冲编码器技术。为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内需安装一个脉冲编码器，以实现相位的准确控制以及与进给的配合。

（5）矢量变频技术。要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率甚至需要达到几千赫兹。

（6）高速刀具的装卡技术。广为熟悉的BT、ISO刀具不适合于高速加工。在高速加工此背景下出现了的HSK、SKI等高速刀柄被广泛运用到了高速电主轴中。

（7）自动换刀技术。为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括拉刀油缸、碟形弹簧等。

（8）冷却技术。内置电机和主轴轴承是电主轴的两个主要热源，电主轴的冷却系统主要依靠冷却液的循环流动来实现。外水套和内水套为电主轴冷却系统的两种冷却方式。

第3节 电主轴基本信息

本试验选用的是洛阳轴研科技股份有限公司研发的170XDS30Q22型数控铣用电主轴，其基本信息如下： 1.基本参数

ne=23000r/min nm=30000r/min

fe=383.33HZ fm=500HZ Ue=380V Um=380V

Pe=22KW Pm=22KW Ie=39A Im=40.5A Me=9.15Nm Mm=7Nm 2.主要技术精度:

静态：电主轴锥孔↗≤0.003mm 电主轴+检具远端↗≤0.008mm 电主轴轴向窜动↗≤0.002mm

动态：电主轴以态30000r/min运行时其振动V≤2mm/S 电主轴以30000r/min运行时其噪声≤80db（A） 电主轴运行4小时后外壳温升≤25℃ 3.基本外型安装尺寸与结构要素

(1)外型安装尺寸：?170h6×350 +?120×72+60

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(2)法兰?220×25中心节园?194±0.15安装6-M8内六角 (3)前轴承组：2-VEX45/NS 7CE1 DDL 后轴承组：2-VEX45/NS 7CE1 DDL (4)安装HSKE-40刀柄（用户自备） 带HSKE40拉爪 OTT松拉刀系统 配带双向油缸 拉刀力560Kg 松刀力850 Kg 进入油缸油压3MPa (5)配omron拉刀 松拉刀接近开关 (6)配MCW-25-01精密水冷机 (7)配意大利西技联4路油气装置

(8)主轴前后轴承油气润滑油品为32#汽轮机油

进气压力为0.5-0.8MPa 出气压力为0.2-0.25 MPa 用油量：1滴/min

(9)配用MCW-25C-01精密水冷机，冷却主轴电机和前后轴承， 进入主轴冷却腔体介质温度≤15℃

冷却水配方：2%无水碳酸钠，1%亚硝酸钠，97%水

第4节 电主轴受力计算

电主轴在实际工况中所受力即切削力。《机械加工工艺手册》里对切削力的定义如下：在切削加工时，刀具切入工件，使被加工材料产生弹性和塑性变形而形成切削所需要的力称为切削力。切削力来自于切削过程中：①克服切削变性去材料塑性变形所需的抗力；②克服切削对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对已加工表面和过渡表面的摩擦力所需的抗力。③克服切削变形区材料的弹性变形所需的抗力。由于切削力的大小和方向受到切削过程许多因素的影响，它们都是不固定的。为了便于分析测量，将切削力分解为三个相互垂直于坐标轴方向的分力或力矩来表示，如图1所示。查《机械加工工艺手册》得铣削力和铣削功率的计算公式如下：

扭矩(Nm):

M?FCd02000………………………………………….①

背吃刀力和进给切削力按立铣、硬质合金刀加工碳素结构钢、逆铣估算：

背吃刀力:

FP?Fy=（0.2~0.3）FC…………………………....②

进给切削力：Ff?FX?(0.35~0.40)FC……………………………③ 将电主轴的额定转矩带入①式，d0按HSKE-40刀柄标准，取

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d0=20mm

则：FC?2000?M2000?9.15??915N d020取:FP?0.25FC?0.25?915N?228.75N 取Ff?0.375FC?0.375?915N?343.125N

为了模拟真实工况，需要添加的轴向力即Ff，加载的径向力为FP和

FC的合力,即：F?F2?F2?9152?228.752?943.16N。所以需要

CP加载的轴向力为343.125N,径向力为943.16N，考虑切削过程中的动态

因素和其他的不稳定因素，最大轴向力按400N，最大径向力按1000N来设计。

图1 刀具受力分解图

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