数控机床电主轴与进给 系统结构设计
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2020/11/21
数控机床电主轴与进给系统结构设计
高速电主轴的结构设计
1. 高速电主轴概述。 2. 高速电主轴技术的发展及现状。 3.高速电主轴的结构设计。
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数控机床电主轴与进给系统结构设计
<一>高速电主轴概述
高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速机 床的核心部件。这四个部分构成一个动力学性能及稳定性良好的系统，在很 大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。从目前发 展现状来看，主轴单元形成独立的单元而成为功能部件以方便地配置到多种 加工中心及高速机床上，而且越来越多地采用电主轴类型。
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三大性能指标：
1.使用寿命: 指更换一次轴承时主轴的累计工作时间。实际上就 是指轴承的使用寿命。
2.主轴前端径向刚度 是指电主轴工作端在单位径向力作用下产生 的位移。这一指标对加工精度、生产效率影响很大。在其它条件相同 的情况下，径向刚度越大，工作效率就越高。
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高速电主轴轴上零件无键连接
为什么要采取无键联结？ 主轴单元动平衡要求高（G1～G0.4 级），结构设计要求不采用键、螺纹等动不平衡
因素，但这带来的是大扭矩传递（电机与转子的联结）、轴承轴向限位防松等结构和 无键联结的矛盾。
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<三>高速电主轴结构设计
两种主要布局设计： 1.主电机置于主轴前、后轴承之间。它采用两支承结构，前轴承比后轴承尺寸大，
均分别用串联安装方式，前后支承受力方式为外撑式。后支承选用小尺寸轴承，虽然 会降低速度回数值，这对主轴整体刚性影响不大，但它改变了工作条件，对保持整个 轴系的使用寿命十分有利。这种结构的优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大 ，输出功率大，较适合大中型高速机床。
高速电主轴动平衡设计
主轴单元动平衡特点：离心力和转速平方成正比，低速时测不 到的不平衡在高速工作时变的非常明显。
动平衡设计：结构设计上杜绝动不平衡因素如采用对称设计、轴 上零件采用无键（包括螺纹）联结设计；装配前单个零件分别动平衡 ；装配后整体低速到高速逐渐动平衡（动平衡精度 G1～G0.4）；芯轴 在转子热装后低速到高速逐渐动平衡（动平衡精度 G0.4）。
集成内装式电主轴：其主轴由内装式电机直接驱动，这种结构基本上取 消了带传动和齿轮传动等中间传动环节从而把机床主传动链的长度缩短为零 ，实现了机床主轴的“零传动”。这是一种由内装式电机和机床主轴“合二 为一”的传动形式，即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床的主 轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴 （ Build-in Motor Spindle），或称高速电主轴（ High-speed Motorized Spindle ）。电主轴典型的结构和系统组成如图所示。
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数控机床电主轴与进给系统结构设计
高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可改善 主轴的动平衡，减少振动和噪声，是高速机床主轴单元的理想结构。
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相比普通主轴三大优点：
1. 如果电机仍采用皮带或齿轮等方式传动，则在高速运转条件下 所产生的振动和噪声等问题难以解决，必会影响机床的加工精度、加 工表面粗糙度。
2.主电动机置于主轴后轴承之后，即主轴箱和主电机作轴向的同轴布置，这种方式 减少了电主轴前端的悬伸量，电机的散热条件较好，但整个电主轴单元的出力较小， 轴向尺寸大，常用于小型高速机床。
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高速电主轴结构设计工作路线
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2.为了提高生产率，要求在最短时间内实现高的速度变化，即主 轴回转时要具有极大的角加速度。达到这个要求的最经济的办法，是 主轴传动系统的转动惯量尽可能地减小。而将电机内置，省掉齿轮、 皮带等一系列中间环节，才是达到这一目标的理想途径。
3.电机内置于主轴两支承之间，可提高主轴系统的刚度，也就是提 高了系统的固有频率，从而提高了其临界转速值。
1976 年美国的 Vought 公司首次推出一台超高速铣床，采用了 Bryant 内装式电 机主轴系统，最高转速达到了20,000r/min，功率为 15KW。到 90 年代末期，电主轴 发展的水平是:转速40,000 r/min，功率 40 KW。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 60,000 r/min ，功率为 80 KW。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FAG 公司，美国的 PRECISE 公司，意大利的 GAMFIOR 公司和 FOEMAT 公司，日本的 NSK 公司和 KOYO 公司，以及瑞典的 SKF 公司等公司。
3.临界转速 是指当主轴旋转时，会使主轴出现挠度急剧增大、转 动失稳现象的那些旋转速度。主轴工作转速应远离各阶临界转速，否 则主轴将有可能处于共振区而产生剧烈振动。
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<二>高速电主轴技术的发展及现状
早在 20 世纪 50 年代，就己出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器 采用的是真空电子管，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、微电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频 器和矢量控制驱动器；加上混合陶瓷球轴承的出现，使得在 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。