陶瓷轴承高速电主轴特点
采用电动主轴（电机与主轴作成一体）；
轴 承 转 速 特 征 值 （ = 轴 径 （ mm ） × 转 速 （r/min））较普通钢轴承提高1.2 ～2倍，可 达2×106。 回转精度可达0.5μ m
静压轴系高速电主轴
瑞士IBGA公司的水介质静压电主轴
静压轴承工作原理
主轴高速转动示例
坐标轴快速移动示例
坐标轴高速加工示例
3.高速加工的特点和应用
高速加工的特点
• 加工效率高，材料去除率是常规的3-5倍 • 刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具 和工件受力均小。切削速度高，吃刀量很小， 剪切变形区窄，变形系数ξ 减小，切削力降低 大概30%-90% • 刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部 分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热 变形小，有效地提高了加工精度 • 刀具寿命长（高速切削刀具）。刀具受力小， 受热影响小，破损的机率很小，磨损慢
高速加工中心的主要技术参数
主轴最高转速：10000-150000r/min
主轴功率从0.5kW到80kW、转矩从0.1N.m到 300N.m 坐标轴加工最高速：30-60m/min，快速移动： 70-80m/min,最高120m/min
换刀时间：3-5s，最快0.7-1.5s
德国 ROEDERS,42000rpm,适 合如手机模具加工
电主轴概述
电主轴省去了带轮或齿轮传动，实现了机床 的“零传动”，提高了传动效率 电主轴的刚性好、回转精度高、快速响应性 好，能够实现极高的转速和加、减速度及定 角度的快速准停（C轴控制），调速范围宽 电主轴的基本参数： 套筒直径、最高转速、 输出功率、转矩和刀具接口等
高速主轴系统
世界上著名的电主轴生产厂家：
瑞士Fraisa
HX铣刀加工高硬度材料
高速加工的加工时间
10 1 0.1 0.01 粗加工 传统加工方法 精加工
手工精修
高速切削 少量手工精修 加工时间
0.001
100 %
高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）
★ 对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具 总费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费 用大大减少，从而可降低模具生产成本
• 平面加工：铝件—高速加工中心；铸铁件、钢 件—数控铣床
• 中、小孔系，螺孔—高速加工中心；不规则及小 型平面铣削—高速加工中心。 重要的特殊表面加工（镗缸孔、曲轴孔、凸轮轴 孔、长油孔）—柔性专机或组合机床
高速加工在汽车工业中的应用
1 2 3 4
钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔
高速钻孔
表面和内侧倒棱
•瑞士：Fisher公司，IBAG公司，Step-up公司
•德国：GMN公司，FAG公司
•美国：Precise公司
•意大利：Gamfior公司，Foemat公司 •日本：NSK公司，Koyo公司 •瑞典：SKF公司
电主轴 单元
适合小孔钻削
电主轴的高速轴承技术
精密滚动轴承
–精密角接触陶瓷球轴承
–精密圆柱滚子轴承
高速加工的切削速度范围
高速加工切削速度范围随加工方法不同有所不同 ◎车削：700-7000 m/min ◎铣削：300-6000 m/min
◎钻削：200-1100 m/min
高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异
高速加工的切削速度范围
2000-9000 1000-7000 1000-4000 800-300器
电磁铁（定子） 传感器 转子
磁悬浮轴承工作原理
磁浮轴承高速电主轴
前径向轴承 前辅助轴承 电主轴 后径向轴承 双面轴向 推力轴承 后辅助轴承
前径向传感器 磁浮轴承高速主轴
后径向传感器
轴向传感器
磁悬浮轴承电主轴
磁悬浮轴承 松刀用液压装置
高频电动机
HSK-E刀柄 水套冷却 磁悬浮轴承 瑞士IBGA公司的磁悬浮电主轴
静压轴承
–液体静压 –空气静压
磁浮轴承
精密角接触陶瓷球轴承
角接触陶瓷球轴承
滚动轴承电主轴
陶瓷角接触球轴承高速电主轴结构
密封圈 电主轴
陶瓷球轴承
陶瓷球轴承 冷却水出口 旋转变压器
冷却水入口 陶瓷轴承高速主轴
陶瓷轴承高速电主轴结构特征
采用C或B级精度角接触球轴承，轴承布置与传 统磨床主轴结构相类似 采 用 “ 小 珠 密 球 ” 结 构 ， 滚 珠 材 料 Si3N4, GCr15钢圈 与钢球相比，陶瓷轴承的优点是： 陶瓷球密度减小60%，可大大降低离心力； 陶瓷弹性模量比钢高50%，轴承刚度更高； 热膨胀系数只有轴承刚的25%；摩擦系数低， 可减小轴承发热、磨损和功率损失； 陶瓷耐磨性好，轴承寿命长。
高速加工技术
本章内容
1. 2. 3. 4. 5. 引言 高速加工的定义 高速加工的特点和应用 高速加工和传统加工的区别 高速加工的关键技术
1. 引言
切削加工的发展方向是高速切削加工，高速加 工技术(High Speed Machining, HSM)被认为 是21世纪最有发展前途的先进制造技术之一 最早在飞机制造业受到重视
高速加工定义
以主轴转速界定：主轴转速≥8000r/min
以切削速度和进给速度界定：切削速度和进给 速度为普通切削的5-10倍 转速特征值(Dn=轴径(mm)×转速(r/min))达到 0.5-200×106
采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速 度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度 和加工表面质量的现代加工技术
空气静压轴承转速特征值可达3×106
刚性：液体静压轴承承载刚度好，空气静压轴承承载
能力较小
磁浮轴承高速电主轴
电磁铁绕组通过电流I0 ，对转子产生吸力F，与转子 重量平衡，转子处于悬浮平衡位置。转子受扰动后，偏 离平衡位置。传感器检测出转子位移，将位移信号送至 控制器。控制器将位移信号转换成控制信号，经功放变 换为控制电流，改变吸力方向，使转子重回平衡位置 位移传感器常为非接 触式(5-7个)，对其灵 敏度和可靠性要求较高 控制器设计复杂，磁 悬浮轴承成本较高（一 套售价约1万美元）
高速加工在线检测与控制技术
高速加工的加工工艺
其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术， 高速加工的排屑技术、安全防护技术等
高速主轴单元的要求
回转精度高，刚性好
动平衡性很高
能传递足够的力矩和功率
能承受高的离心力
有良好的热稳定性，带有准确的测温装置和高效的 冷却装置 通常采用主轴电机一体化的电主轴部件，实现无中间 环节的直接传动
磁浮轴承电主轴特点
主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承，磁 浮轴承定子与转子间空隙约0.1mm。 刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度10倍。
转速特征值可达4×106。
回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度， 以及控制电路性能，目前可达0.2μ m。
机械结构及电路系统均较复杂；又由于发热多， 对冷却系统性能要求较高。
具有很高而且稳定的刚性，运转精度比较高
需要一套压力供油/气装置，所以设备成本高，体积大。 适合于调速范围和载荷变化大的精密设备
静压轴系高速主轴结构特征
回转精度高
液体静压轴承回转误差在0.2μ m以下
空气静压轴承回转误差在0.05μ m以下
功率损失小
转速特征值高
液体静压轴承转速特征值可达1×106
高速加工的特点
• 工件表面质量好。轴向和径向切深小，工件粗 糙度小;切削度高，机床激振频率远高于工艺 系统的固有频率，系统振动很小，表面质量好
• 横向切削力很小，有利于加工细筋和薄壁，壁 厚甚至可<1mm • 高速切削刀具热硬性好，且切削热大部分被切 屑带走，可进行高速干切削，实现绿色加工
• 可完成高硬度材料和硬度高达HRC40-62淬硬钢 的加工， Ra0.4，加工效率是EDM的3-6倍
专用机床
5轴×4工序 = 20轴（3万件/月） 刚性（零件、孔数、孔径、孔 型固定不变）
高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月） 柔性（零件、孔数、孔径、 孔型可变）
汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）
高速加工在模具制造中应用
电极制造
1毛坯 → 2粗铣 → 3半精铣 → 4热处理→5电火花加工→6精铣 →7手工磨修
传统模具加工的过程
1硬化毛坯 → 2粗铣
→
3半精铣 →
4精铣 → 5手工磨修
高速模具加工的过程
汽车车门外覆盖件模具的高速加工
• 模具尺寸：1400x1200 x600mm
• 模具重量：2500kg
• 毛坯材料：GGG30(相 当于HT300)
• 材料硬度：HB240
高速加工与传统数控加工的时间比较： 传统加工：50H.，钳工修复：90H.，总计；140H. HSM：16H.5M.，手工修复：15H.，总计：37.5H.
4.高速加工与电火花加工的比较
4.高速加工的一次性设备投资比较大，并不是所 有企业都能承受 5.高速加工以其巨大的优势冲击传统的电加工工 艺，特别是对模具工业而言,大规模设备更新 的时代即将到来
5.高速加工的关键技术
高速主轴单元制造技术 高速进给单元制造技术 高速加工刀具技术
高速加工的机理研究
近几年高速加工技术已广泛用于模具工业
可广泛用于汽车工业和国防工业
2.高速加工的定义
高速加工和Salomon曲线
高速加工的定义
高速加工的切削速度范围
高速加工中心的技术参数
高速加工和Salomon曲线
1931年德国切削物理学家C.J.Salomom在“高速切 削原理”一文中给出了“Salomom曲线” 被加工材料都有一个临界切削速度，在临界速度之 前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大， 当切削速度达到普通切削速度的5-6倍时，切削刃口 的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损亦减小