电主轴培训教材Word下载.docx
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1.2.2电主轴概述1
1.2.3电主轴技术的发展及现状1
本章小结4
第二章高速加工中心电主轴的结构设计及性能分析5
2.1电主轴的性能分析1
2.1.1精度和静刚度1
2.1.2临界速度1
2.1.3残余动不平衡值及验收振动速度值1
2.1.4噪音与套筒的温升值1
2.1.5使用寿命值1
2.1.6电主轴与刀具接口1
2.2电主轴结构设计与分析1
2.2.1电主轴结构1
2.2.2轴壳和转轴1
2.2.3主轴与电机转子的配合1
2.3电主轴附件设计1
2.3.1电主轴刀具松夹刀系统1
2.3.2置编码器1
2.3.3刀具冷装置1
2.3.4主轴的气吹和气密封1
2.3.5松夹刀信号检测1
第三章电主轴设计制造的几个关键技术问题
3.1电主轴的热稳定分析1
3.2轴承的润滑技术1
3.2.1油脂润滑1
3.2.2油雾润滑1
3.2.3油-气润滑1
3.3动平衡设计1
3.4驱动技术1
第四章高速电主轴的角接触瓷球轴承的性能分析1
4.1磁悬浮轴承与动静压轴承1
4.1.1磁悬浮轴承1
4.1.2动静压轴承1
4.2混合瓷球轴承1
4.2.1混合瓷球轴承的概述1
4.2.1选择混合瓷球轴承的理由公式1
4.2.2角接触瓷球轴承的支承方式1
4.2.2混合瓷球轴承的装配预加载荷1
第五章高速电主轴电主轴的维护与维
5.1电主轴的维护1
5.1.1周保养1
5.1.2月保养1
5.1.4蝶形弹簧的涨紧力检查1
5.2电主轴的易损件的更换步骤与常见故障分析1
5.2.1更换刀具夹紧组件步骤1
5.2.2更换旋转接头步骤1
5.2.3轴承装配的步骤1
图2-1轴向刚度和径向刚度的测量位置1
图2-2临界速度1
图2-3电主轴装配图1
图2-4主轴附件结构图1
图2-5松夹刀油缸1
图2-6刀具冷冷却液1
图2-7电主轴气吹和气密封1
图2-8模拟量检测传感器1
图3-1冷却系统1
表3-1轴承润滑方式性能对比表1
表3-2FAG电主轴轴承润滑脂性能1
表3-3轴承供油量与轴承径的关系1
图3-2油-气润滑1
图3-3磁悬浮轴承原理1
第一章绪论
1.1课题研究背景及主要容
1.1.1课题来源
本课题来自于奇瑞汽车股份发动机公司设备部关于成立电主轴维修间的一个项目。
1.1.2课题意义
大约一个世纪以来，组合机床自动线以其高效率统治了汽车工业的生产。
随着竞争加剧，汽车产品更新换代周期从几十年缩短到4年，组合机床自动线由于缺乏柔性而无法适应。
20世纪80年代，美国汽车巨人福特与机床巨人INGERSOLL合作，研制了集高柔性与高效率于一身的高速加工中心，由它组成的柔性自动生产线问世，加快了汽车产品的更新换代，提高了企业的效率和灵活性。
近年来，我国汽车工业采用了大量的数控设备，轿车装备整体上进入了柔性化时代。
发动机是汽车的心脏一样，发动机制造技术汽车制造技术的集中体现。
汽车面世以来。
发动机制造技术已经经历了两次革命。
第一次革命发生在二十世纪初，美国福特汽车公司创始人福特发明了大量生产流水线。
其主要方式，是由组合/专用机床（specialpurposemachine/Transfermachine）组成的自动生产线TL（TransferLine），也称为传统自动线。
其最大的优点是高生产率——几十甚至上百把刀同时加工，其效率是任何其它类型生产线无法比拟的；
低价格——特别是我国，组合专机价格甚至低于批量生产的通用数控机床。
其最大的缺点是柔性差，一旦产品变型和更换品种即基本上无法使用。
为了解决产品的变型生产和便于更换品种，柔性生产技术被引进了汽车生产。
二十世纪九十年代出现了高转速、高快移速度、高加速度、快速换刀的高速加工中心。
由其组成了高速柔性生产线FTL（FlexibleTransferLine）是发动机制造的第二次革命。
其突出特点是一定程度克服了高柔性和低效率的矛盾。
这种生产线不仅可以加工同样产品围的零件，而且可以可以加工变型产品、换代产品以及新产品，真正具备了柔性的意义。
缺点是投资大，效率受局限。
目前是我国轿车企业的热点生产线。
奇瑞汽车股份自从2003年来，发动机生产线进入了柔性化时代，从国外引进了将近20条柔性生产线。
这些柔性生产线是高速加工中心和相应的辅机，再上加智能工具而组成。
对高速加工中心主要要：
高速度、高精度、高精度保持性——高机床工程能力指数（cm/cmk），高可靠性等。
高速加工中心的机床指标围是：
快移速度：
60~100m/min，加速度：
0.6~1.5g；
主轴最高转速：
8000~15000r/min。
定位精度/重复定位精度——工作台1m以下，8μm/4μm，工作台1m以上，10μm/5μm（VDI标准）。
主轴从启动到最高转速（或相反）只用1～2s的时间，工作台的加（减）速度要达到（1～10）g（g=9.81m/s2）。
目前，国际上这类加工中心的最新发展是，主运动普遍采用电主轴，进给运动愈来愈多采用直线电机。
同时，普遍运用模块化设计，机床非常简约，外购件（配套件）比例增加，交货期大大缩短。
奇瑞发动机公司目前在这些柔性生产线上，共有各类加工中心350台，这些高速加工中心，主运动普遍采用电主轴。
因此，使用了近260根电主轴。
电主轴作为高速加工中心最关键部件，其性能好坏在很大程度上决定了整台高速机床的加工精度和生产效率，电主轴在国外研究工作开展较早，现在已进入实际应用阶段。
但是，我国电主轴的设计制造技术刚刚起步，电主轴的各项性能指标和国外尚有较大的差距，对国外电主轴缺乏核心技术资料，后期的维护保养与维修工作还在摸索的过程中。
在购买设备时，电主轴厂家要求，高速电主轴6000小时就要进行保养，部分厂家还要求2－3万小时需要更换轴承（脂润滑方式的电主轴），以确保主轴的寿命和精度。
鉴于以上，奇瑞汽车股份发动机公司设备部做出了成立电主轴维修间的决定，本课题的研究对奇瑞公司乃至国同行以后更好的使用与维护电主轴，使其创造最大的经济效益具有着非常重大的意义。
1.2高速加工与电主轴
1.2.3高速加工概述
高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠的实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，一大幅度的提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。
它是提高切削效率、加工质量、加工精度和降低加工成本的重要手段。
其显著标志是使被加工塑性金属材料在切削过程的剪切滑移速度或超过某一域限值，开始趋向最佳切除条件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。
实现高速加工技术的核心关键技术有：
高速切削机理，高速机床技术，高速加工用刀具技术，高速加工工艺技术，以及高速加工测试技术等。
其中高速机床则是实现高速加工的前提和基本条件。
现在，世界各工业发达国家都把生产高速机床作为重要的发展目标，高速机床的生产能力和技术水平已经成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志。
高速机床主要包括高速单元技术和机床整机技术。
单元技术包括高速主轴、高速进给系统、高速CNC控制系统等。
机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全设施、加工环境等。
早在20世纪30年代，德国切削物理学家萨洛蒙（Carl.Salomon）就对高速切削技术进行了研究。
萨洛蒙发现，当切削速度超过某一数值后，随切削速度增大，切削温度不升反而降，这与常规速度切削现象正好相反，而且这一临界速度值后，随切削速度增大正好相反，而且这一临界速度值与工件材料的特性有关。
美国在上世纪70年代进行了高速切削试验，结果表明：
切削力下降，表面质量提高，加工效率提高3倍左右。
其它西方发达国家也在高速加工技术方面做了许多工作，尤其是德国，在高速加工机床、刀具、控制系统及相关技术方面，均走在世界的前列。
日本对于高速加工的机理研究也开展得比较早，并积极地将相关先进技术应用于制造领域，90年代以来，日本已成为世界上为数不多的主要高速机床的供应者之一。
1.2.2电主轴概述
随着电气传动技术的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了皮带传动和齿轮传动。
机床主轴由装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。
这种主轴电动机与机床主轴合二为一的传动结构形式，使主轴部件由机床的传动系统和整体结构中相对独立起来，因此可做成“主轴单元”。
俗称“电主轴（MotorzedSpindle）”。
由于电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”；
由于没有中间传动环节，有时有称它为“直接转动主轴”。
电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高，功率大，还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与安全。
高速加工和超高速加工机床采用电主轴,可以说是最佳的选择.这是因为：
1若仍采用电动机通过带或齿轮等方式传动，则在高速运转时，产生的振动和噪声等问题很难解决，势必影响高速加工的精度，表面粗糟度，并导致环境质量的恶化。
2高速加工的最终目的是为了提高生产率，相应地要求在最短时间实现高转速的速度变化，也即要求主轴回转时具有较大的角加，减速度达到这个苛刻要求的最经济的办法，是将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减至最小。
而只有将电动机置，省掉齿轮，带轮等一系列中间环节，才有可能达到这一目的。
3电动机置于主轴两支承之间，与用带、齿轮等作末端传动的结构相比，可提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率，从而提高来哦其临界转速值。
这样，电主轴即使在最高转速运转时，仍可确保低于其临界转速，保证高速运转时的安全。
4由于没有中间传动环节的外力作用和冲击，因而传动更加平稳，轴承寿命延长。
此外，电主轴与传统的主轴传动系统相比结构简单，紧凑，这样也便于把它多轴联动机床，多面体加工机床和并联（虚拟轴）机床上。
电主轴还应用于主轴经常要设定在某个电器旋角或其他角度的螺纹磨床，齿轮磨床，拉刀磨床等机床上。
为了简化结构，方便维修，一些平面磨床：
万能外圆磨床等也采用了电主轴。
1.2.3电主轴技术的发展及现状
早在20世纪50年代，就已经出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。
随着高速切削发展的需要和功率电子器件、微电子器件的计算机技术的发展
产生了全固态原件的变频器和矢量控制驱动器；
加上混合瓷轴承的出现，使的在20世纪80年代末、90年代初出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴。
国外高速店主技术发展较快，中等规格的加工中心的主轴转速目前已经普遍达到10000r/min甚至更高。
1976年美国的Vought公司首次推出一台超高速铣床，采用了Bryant装置电机住会走系统，最高转速达到了20000r/min，功率为15KW。
到90年代末期，电主轴发展的水平是：
转速40000r/min，功率40KW。
但2001年美国Cincinnati公司为宇航工业生产了SuperMach大型高速加工中心，其电主轴最高转速达60000r/min，功率为80KW。
目前世界各主要工业国家均有装备优良的专业电主轴生产厂，批量生产一系列用于加工中心和高速数控机床的电主轴。
其中最著名的生产厂家有：
瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和Step-Tec公司，德国的GMN公司和FRANZKESSLERFAG公司，瑞典的SKF公司，意大利的GAMFIOR公司Omlat和FOEMAT公司，日本的牧业机床和大隈加工中心的电主轴。
高速电主轴生产技术的突破，大大推动了世界高速加工技术的发展与应用。
本章小结
本章简要介绍了论文课题的来源及意义；
概述了高速加工技术及特点；
介绍了高速加工中心电主轴的发展和现状，电主轴与机械主轴并进行了比较。
第二章高速加工中心电主轴结构设计及性能分析
2.1电主轴的性能参数
2.1.1精度和静刚度
电主轴的精度和刚度与电主轴前后轴承的配置方式、主要零件的制造精度、选用滚动轴承的尺寸和精度等级、装配的技术水平和预加载荷的大小密切相关。
必须强调指出，电主轴的最终精度往往可以得到等于或高于单个轴承的精度，这是由于装配工人在装配时巧于选配，将单个轴承的误差进行相互补偿及恰当施加预加载荷的结果。
为此高速电主轴的生产对设计水平、制造工艺、工人技艺和装配环境的洁净度和恒温控制等均有极为严格的要求，并不是一个制造企业都能生产精度合格、运转安全、寿命长的电主轴。
刚度分为轴向刚度和径向刚度，其测量位置如图2-1所示。
其数值随电主轴的套筒大小而变化，单位为N/um。
而同样大小尺寸的套筒，其刚度数值最高转速高低而变化，一般最高转速高的刚度小于最高转速低的刚度。
这既反映了电主轴工作的实际需要，又与转速高时预加载荷较小有关。
图2-1轴向刚度和径向刚度的测量位置
2.1.2临界速度
临界速度是指一个回转质量系统（包括刀具在，如图2-2）在某一特定的支承条件下，产生系统最低一阶共振时的转速。
临界速度对高速回转部件的安全运转至关重要。
用户在使用时，刀具质量不能超出规定值，其长度直径比一般不应大于某一数值（例如4：
1），并要求使用经过动平衡的刀具。
如果用户必须使用超重或大于规定的长径比的刀具，有些电主轴厂家可以承诺代为计算其新的临界转速值，以保证运转安全可靠。
图2-2临界速度
2.1.3残余动不平衡值及验收振动速度值
高速回转时，即使小的不平衡量，也会产生很大的离心力，从而使电主轴系统产生振动。
为此，电主轴厂家必须对电主轴系统进行精确的动平衡。
一般都执行ISO标准G0.4级，即在最高转速时，由于残余动不平衡引起振动的速度最大允许值为0.4mm/s。
2.1.4噪音与套筒的温升值
电主轴在最高转速时，噪音一般应低于70~75db（A）。
尽管电主轴的电动机及前轴承外围处都采用循环水冷却，但仍会有一定的温升。
通常在套筒前端处（其温升为T1）和套筒前轴承外围处（其温升为T2）测量温升。
当电主轴在最高转速运转至热平衡状态时，一般T1应低于20℃，T2应低于25℃。
2.1.5使用寿命值
由于高速运转，采用滚动轴承的电主轴工况一般比较恶劣，因此，其使用寿命总是有限的，虽然这个寿命数据对用户至关重要，但是电主轴制造厂不愿意以书面形式提供。
其原因如下：
（1）对机床而言，轴承失效形式不要不是材料表面疲劳，而是精度丧失。
疲劳失效的寿命较长，而且可进行相对较为精确的计算；
而精度丧失失效的寿命相对较短，而且很难精确计算。
（2）精度寿命与使用的工况条件和用户维护水平关系很大，而且精度丧失以后，难以分清是用户的责任还是制造厂的责任。
尽管这样，在正常使用和维护的前提下，制造厂商一般应保证使用寿命在5000~10000h。
一套电主轴价值约为一台高速数控机床的6%~10%。
电主轴在失效后，一般完全可以通过检修恢复到新的程度的。
因此机床用户在订购高速机床时，最好备一套电主轴作为备件。
这样，失效时可以立即送修，同时换上备件继续工作。
虽然购机成本相对较高，但是可以避免价值90%~94%的机床至少数百小时，从经济上说也是合算的。
2.1.6电主轴与刀具接口
此项虽不是基本参数，但关系到电主轴的使用性能。
当前，国外几乎所有电主轴厂均可按用户的需要，提供标准或非标准的刀具接口。
用于车床时，可按照用户要求提供卡盘的接口。
2.2电主轴结构设计与分析
2.2.1电主轴结构
图2-3是Starrag-Heckert（斯格·
海科特）CWK4000-5000加工中心（a）和日本大隈公司的加工中心所使用的电主轴装配图纸（b），结构上采用当前比较流行的置电机、水循环冷却、角接触混合瓷轴承支撑的典型形式。
图（a）中的轴承采用了免维护油脂润滑，弹性预加载荷装置；
刀具夹紧松开检测开关是模拟量的。
图（b）中的轴承采用了油气润滑，刚性预加载荷；
刀具夹紧松开检测开关是数字量的。
电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支撑。
转子定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。
主轴的变速由主轴驱动模块控制，而主轴单元的温升由冷却装置控制。
在主轴的后部装有测速、测角位移编码器，松刀液压油缸，供刀具冷水的静动瓷结合面旋转接头；
前端有刀具夹爪、锥孔以及端面用于安装和定位刀具；
中间有中空的刀具拉杆，刀具拉紧的碟形弹簧；
主轴壳体里面设置了铝质冷却水套，循环水沿冷却水套外壁流动来冷却电机和轴承
2.2.2轴壳和转轴
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，必须开放一端。
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，为控制整机装配精度，应将后轴承安装部分设计成无间隙配合。
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转轴一起进行动平衡测试。
2.2.3主轴与电机转子的配合
对电主轴进行结构设计时，需要考虑一下几个问题：
首先，它是一种精密部件，主轴轴承需要调整更换，要求轴上零件便于拆装。
其次，主轴轴承是在预紧力作用下工作的，轴承的定位元件在高速下承受一定的轴向力；
电机的转子安装在主轴上，它与主轴的结合面传递扭矩。
第三，主轴在高速下运转时，动平衡要求非常高，电机转子和机床主轴之间不宜采用键联结来传递扭矩。
为了解决上述问题，我们在电主轴的结构设计中采用了过盈联结结构，并设计成阶梯套的形式。
阶梯过盈套作为定位紧固元件，与螺纹联结相比有以下优点
（1）不会在轴上产生弯曲和扭转应力，因而对轴的旋转精度没有影响。
（2）易保证零件定位端与轴心线的垂直度，对轴承预紧时，不会引起轴承的受力不均，不影响轴承的寿命。
（3）过盈套质量均匀，主轴动平衡易得到保证。
（4）常用热套法进行安装，注入压力油的方法进行拆卸，对主轴无损害。
（5）定位可靠，可提高主轴的刚度。
轴壳轴壳是高速电主轴的主要部件。
（a）SPECHT-500W加工中心电主轴图纸（HSK–A6315000r/min）
1.刀柄2.刀具夹爪3.角接触瓷球轴承4.刀具拉杆5.转子6.定子7.蝶形弹簧8.预紧力调整弹簧9.轴承10.置编码器11.松夹刀位置接近开关12.松夹刀油缸13.刀具冷旋转接头14.气密封通道15.预紧力调整弹簧16循环水冷通道
（b）大偎加工中心电主轴图纸（HSK-A10012000r/min）
1.刀具夹爪2.角接触瓷球轴承3.刀具拉杆4.转子5.定子6.蝶形弹簧7.轴承8.置编码器9.松夹刀油缸10.冷杆11.油-气润滑管路12.循环水冷通道13.松夹刀位置接近开关
图2-3电主轴装配图
2.3电主轴附件设计
电主轴要获得好的性能和使用寿命，不仅对电主轴的轴承、伺服电机进行精心设计、制造、装配，而且，它所带附件设计要求也非常高。
其附件不仅完美的实现电主轴的功能，而且要禁得起时间和速度的考验。
为了适用于加工中心，电主轴为了完成ATC（刀具自动交换）的动作过程和刚性攻丝过程，必须置主轴编码器；
为了高速切削刀具进行冷却，选择使用带有瓷密封的旋转接头，为提供刀具冷冷却液；
电主轴还配备了自动松夹刀具装置、主轴气密封、松夹刀信号检测开关等。
2.3.1电主轴刀具松夹刀系统
自动松夹装置（见图2-4）包括刀具夹爪、碟形簧、松夹刀油缸等。
松刀时，电主轴后面配置了一个松刀油缸9，油缸的后腔充入液压油，使活塞向前推进，从而把刀具拉杆5克服蝶形弹簧6的涨紧力向前伸出，拉杆向前移动，刀具弹性夹爪3收缩，刀具即可轻松拔出进行新旧刀具的交换；
新刀装入后，液压缸活塞后移，蝶形弹簧涨紧力把拉杆向后移动，夹爪把刀具涨紧，把刀具锥柄和主轴锥孔和前端面紧密接触，这样就把刀具夹紧了。
一般加工中心的换刀时间只有两秒的时间，所以这套装置非常灵活、能够实现快速刀具的松夹。
图2-4主轴附件结构图
1.刀柄2.拉杆头部3.夹爪4.夹爪支架5.拉杆6.蝶形弹簧7.拉杆尾部8.松夹刀感应锥体9.松夹油缸10.冷旋转接头
（1）刀具夹爪、拉杆、蝶形弹簧根据奇瑞发动机二厂481缸体线OP110工序共有两台加工中心，单班产量200台，平均每台生产100件缸体，生产一件主轴需要换刀20次，那么单班一台加工中心主轴要更换2000次，刀具在单班里面就要重复松夹2000次，一年平均每根电主轴要进行200万次，而且还要承受刀具夹紧力，所以刀具夹爪、拉杆要有非常高的强度和耐磨性，蝶形弹簧疲劳强度要好，来满足电主轴加工时无数次的松夹刀具，不易很快磨损，拉裂；
（2）松夹刀油缸松夹刀油缸是一种特殊的油缸，活塞的中间有中心孔，来提供刀具冷冷却液和压缩空气。
油缸活塞向前移动松开刀具过程中，油缸松夹的作用力很大，一般把它作用在主轴本身上，使其自身形成作用力与反作用了，达到平衡，不会影响到主轴轴承的使用精度与寿命。
图2-5松夹刀油缸
P进油T回油
2.3.2置编码器
在ATC（刀具自动交换）动作过程中，由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利装刀，所以电主轴必须设定一个准停位置；
刚性攻丝操作不
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