1、引言高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的前提和條件。 高速數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展方向之一， 是裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。 高速數(shù)控機(jī)床的工作性能，首先取決于高速主軸的性能。高速銑床上的電主軸系統(tǒng)多采用高速電主軸。高速電主軸是由內(nèi)裝式交流變頻伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速高，功率大，結(jié)構(gòu)簡單，在高轉(zhuǎn)速下可保持良好的動(dòng)平衡！數(shù)控銑床高速主軸單元包括主軸動(dòng)力源、 主軸、軸承和機(jī)架等幾個(gè)部分， 它影響加工系統(tǒng)的精度、 穩(wěn)定性及應(yīng)用范圍， 其動(dòng)力學(xué)性能及穩(wěn)定性對(duì)高速加工起著關(guān)鍵的作用。高速高精度主軸單元系統(tǒng)，應(yīng)該具有剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫升小、穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，制

2、造及操作成本也要中。要滿足這些要求，主軸的制造及動(dòng)平衡、主軸的支撐、主軸系統(tǒng)的潤滑和冷卻、主軸系統(tǒng)的剛性等是很重要的。高速主軸單元的類型主要有電主軸、 氣動(dòng)主軸、水動(dòng)主軸等。 不同類型的高速主軸單元輸出功率相差較大。 高速加工機(jī)床主軸要求在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升降速，并在指定位置快速準(zhǔn)停。 這就需要主軸有較高的角減速度和角加速度。 如果通過傳動(dòng)帶等中間環(huán)節(jié)， 不僅會(huì)在高速狀態(tài)下打滑， 產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲， 而且增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，給機(jī)床快速準(zhǔn)、停造成困難！電主軸是一種新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式。 是一種主軸電機(jī)一體化的主軸單元， 即所謂的內(nèi)裝式電機(jī)主軸。 它采用無外殼電機(jī)， 將帶有冷卻套的電機(jī)定子裝配在主軸單元的殼

3、體內(nèi)， 轉(zhuǎn)子和機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)部分做成一體， 主軸的變速范圍完全由交流電機(jī)控制。這種結(jié)構(gòu)大大簡化了主傳動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)， 取消了帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零， 實(shí)現(xiàn)了機(jī)械的 “零傳動(dòng)”。這種主軸電動(dòng)機(jī)和主機(jī)主軸 “合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸組件從主機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來，可以做成“主軸單元”，通常稱為“電主軸”。其英文的稱謂有多種，比如 Electro-spindle 、 Motor Spindle 和 Motorized Spindle 。它是隨著電氣傳動(dòng)技術(shù) ( 變頻調(diào)速技術(shù)、 電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)等 ) 的迅速發(fā)展而日趨完善。由于電主軸主要采用交流高頻電動(dòng)

4、機(jī)，也稱為“高頻主軸”(High Frequency Spindle)。由于沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，有時(shí)稱為“直接傳動(dòng)主軸” (DirectDrive Spindle) 。電主軸是一種智能型功能部件，具有轉(zhuǎn)速高、功率大、高速運(yùn)行的可靠性和安全性等優(yōu)點(diǎn)。 電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于主軸部件后， 不可避免的將會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱的問題，從而需要設(shè)計(jì)專門用于冷卻電動(dòng)機(jī)的油冷或水冷系統(tǒng)。高頻電動(dòng)機(jī)要有變頻器類的驅(qū)動(dòng)器， 以實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的變換。 高速軸承有時(shí)要有專門的潤滑裝置。 另外為了保證高速回轉(zhuǎn)部件的安全， 還要有報(bào)警及停車用的傳感器及其控制系統(tǒng)等一系列支持電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的外圍設(shè)備和技術(shù)。 因此，“電主軸”的概念不應(yīng)該簡單的理解為只

5、是一根主軸套筒， 而是一個(gè)完整的、 在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控下的子系統(tǒng)總之，電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、 重量輕、慣性小及動(dòng)態(tài)特性好和改善機(jī)床動(dòng)平衡，避免振動(dòng)和噪聲等特點(diǎn)發(fā)展越來越快。 而高速電主軸單元技術(shù)的發(fā)展，可以帶動(dòng)高速進(jìn)給、 高性能道具、 檢測(cè)與控制等一系列相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。 因此各工業(yè)國家都十分關(guān)注電主軸單元技術(shù)的研究與發(fā)展。1. 數(shù)控銑床簡介1.1. 數(shù)控銑床組成數(shù)控銑床的基本組成見圖 1.1 ，它由床身、立柱、主軸箱、工作臺(tái)、滑鞍、滾珠絲杠、伺服電機(jī)、伺服裝置、數(shù)控系統(tǒng)等組成。床身用于支撐和連接機(jī)床各部件。 主軸箱用于安裝主軸。 主軸下端的錐孔用于安裝銑刀。 當(dāng)主軸箱內(nèi)的主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，

6、 銑刀能夠切削工件。 主軸箱還可沿立柱上的導(dǎo)軌在 Z 向移動(dòng)，使刀具上升或下降。工作臺(tái)用于安裝工件或夾具。工作臺(tái)可沿滑鞍上的導(dǎo)軌在 X 向移動(dòng)，滑鞍可沿床身上的導(dǎo)軌在 Y 向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件在 X 和 Y 向的移動(dòng)。無論是 X、Y 向，還是 Z 向的移動(dòng)都是靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)的。 伺服裝置用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。 控制器用于輸入零件加工程序和控制機(jī)床工作狀態(tài)。控制電源用于向伺服裝置和控制器供電。圖 1.1數(shù)控銑床的基本組成圖數(shù)控銑床的機(jī)械結(jié)構(gòu)， 除銑床基礎(chǔ)部件外， 由下列各部分組成： 1. 主傳動(dòng)系統(tǒng)；2. 進(jìn)給系統(tǒng)； 3. 實(shí)現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、定位、的裝置和附件；4. 實(shí)現(xiàn)某些部件動(dòng)作和輔助

7、功能的系統(tǒng)和裝置，如液壓、氣動(dòng)、潤滑、冷卻等系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置；5. 刀架或自動(dòng)換刀裝置（ ATC）；6. 自動(dòng)托盤交換裝置（ APC）;7. 特殊功能裝置，如刀具破損監(jiān)控、 精度檢測(cè)和監(jiān)控裝置； 8. 為完成自動(dòng)化控制功能的各種反饋信號(hào)裝置及元件。1.2. 數(shù)控銑床的工作原理根據(jù)零件形狀、 尺寸、精度和表面粗糙度等技術(shù)要求制定加工工藝， 選擇加工參數(shù)。通過手工編程或利用 CAM軟件自動(dòng)編程，將編好的加工程序輸入到控制器?？刂破鲗?duì)加工程序處理后， 向伺服裝置傳送指令。 伺服裝置向伺服電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)。主軸電機(jī)使刀具旋轉(zhuǎn)， X、Y 和 Z 向的伺服電機(jī)控制刀具和工件按一定的軌跡相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而

8、實(shí)現(xiàn)工件的切削。1.3 數(shù)控銑床加工的特點(diǎn)（ 1）用數(shù)控銑床加工零件，精度很穩(wěn)定。如果忽略刀具的磨損，用同一程序加工出的零件具有相同的精度。（ 2）數(shù)控銑床尤其適合加工形狀比較復(fù)雜的零件，如各種模具等。（ 3）數(shù)控銑床自動(dòng)化程度很高，生產(chǎn)率高，適合加工批量較大的零件。1.4 數(shù)控銑床加工的主要對(duì)象（ 1） 平面類零件加工面平行或垂直與水平面， 或加工面與水平面的夾角為定角的餓零件為平面類零件。平面類零件一般只需用三坐標(biāo)數(shù)控銑床的兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)（即兩軸半坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)）就可以加工出來。（2） 變斜角類零件加工面與水平面夾角呈連續(xù)變化的零件稱為變斜角零件。此類零件的變斜角加工面不能展開為平面，最好采用四坐標(biāo)

9、、五坐標(biāo)數(shù)控銑床擺角加工。（3） 曲面類零件加工面為空間曲面的零件稱為曲面類零件。也不能展開為平面，一般采用球頭刀在三軸數(shù)控銑床上加工。2. 電主軸概述2.1 電主軸的基本概念加工中心是集機(jī)、電、液、氣、計(jì)算機(jī)和信息控制等各種技術(shù)于一體的機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，最能體現(xiàn)高速、高效、超精、數(shù)字化及結(jié)構(gòu)緊湊等當(dāng)今最先進(jìn)、最流行的技術(shù)水平。它廣泛應(yīng)用于能源、交通、原材料、農(nóng)機(jī)、軍工、輕紡織機(jī)械、汽車、模具等各個(gè)工業(yè)部門的機(jī)械制造領(lǐng)域中， 它的技術(shù)水平高速及其在金屬切削機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量中的百分比是衡量一個(gè)國家機(jī)械工業(yè)制造水平的重要標(biāo)志。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、

10、油霧潤滑裝置、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置。高速主軸單元是高速機(jī)床最為關(guān)鍵的部件。高速主軸單元的主要類型有電主軸、氣動(dòng)主軸、水動(dòng)主軸等等。主軸部件是加工中心的主要功能部件， 是決定機(jī)床高速化和高精度的關(guān)鍵部分，始終是機(jī)床技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)（變頻調(diào)速技術(shù)、電動(dòng)機(jī)矢量控制等）的迅速發(fā)展和日趨完善， 高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。 機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的“零傳動(dòng)” 。這種主軸電動(dòng)機(jī)和主機(jī)主軸 “合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸組件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來，因此可以做成

11、“主軸單元”，通常稱為“電主軸”。其英文的稱謂有多種，比如Electro-spindle、 Motor Spindle和 MotorizedSpindle 等等。它是隨著電氣傳動(dòng)技術(shù) ( 變頻調(diào)速技術(shù)、電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)等 ) 的迅速發(fā)展而日趨完善。 由于電主軸主要采用交流高頻電動(dòng)機(jī)， 也稱為“高頻主軸” (High Frequency Spindle) 。由于沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié) ，有時(shí)稱為“直接傳動(dòng)主軸” (Direct Drive Spindle) 。電主軸是一種智能型功能部件， 不但轉(zhuǎn)速高、功率大、具有調(diào)速范圍廣、 振動(dòng)噪聲小，而且便于控制、 能實(shí)現(xiàn)定向準(zhǔn)停、 準(zhǔn)速、準(zhǔn)位等功能。2.2 電

12、主軸單元關(guān)鍵技術(shù)電主軸單元是一套組件， 它是一項(xiàng)涉及電主軸本身及其附件的系統(tǒng)工程，其系統(tǒng)框圖如圖 2.1 。電主軸單元所融合的技術(shù)主要包括以下幾方面。圖 2.1系統(tǒng)框圖2.2.1高速精密軸承技術(shù)實(shí)現(xiàn)電主軸高速化和精密化的關(guān)鍵是軸承的應(yīng)用。 目前在大功率高速精密電主軸中應(yīng)用的軸承主要是角接觸陶瓷球軸承和液體東靜壓軸承。 空氣軸承不時(shí)和于大功率場(chǎng)合，磁懸浮軸承由于價(jià)格昂貴、控制系統(tǒng)復(fù)雜，其實(shí)用性受到限制。角接觸球軸承是精密數(shù)控機(jī)床常用的主軸支撐。 由于滾球高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的離心力和陀螺力矩， 采用陶瓷球和鋼質(zhì)套圈混合軸承成為一種選擇。 最常用的陶瓷球材料是 Si3 N 4 。 Si3 N 4

13、陶瓷具有密度小、熱膨脹系數(shù)小、彈性模量大和硬度高等優(yōu)點(diǎn)。 用它作為高速主軸軸承的滾動(dòng)元件， 可大大減少滾球的離心力和陀螺力矩，從而使軸承獲得高速度、低溫升和長壽命的性能。除混合軸承外，目前國內(nèi)已開始在高速精密主軸上試驗(yàn)采用全陶瓷球軸承， 其內(nèi)外套圈、保持架和陶瓷球采用的材料有 ZrO 2 、 Si3 N 4 、 Al 2O3 和聚四氟乙烯等。陶瓷球的等靜壓成型和燒結(jié)是保證陶瓷球強(qiáng)度的基礎(chǔ)，球的加工精度靠加工和檢測(cè)來保證。目前國內(nèi)滾球的加工精度可達(dá)G5級(jí)以上。對(duì)于全陶瓷球軸承，除陶瓷球外，陶瓷內(nèi)外圈的精密加工也是關(guān)鍵， 需要設(shè)計(jì)專門的工裝固定內(nèi)外圈坯件才能實(shí)現(xiàn)精密加工，內(nèi)外溝道的加工精度的一致性

14、也要靠恰當(dāng)?shù)墓ぱb和工序來保證。盡管目前高速精密電主軸的支撐絕大部分為角接觸陶瓷球軸承，但由于在極限轉(zhuǎn)速和大負(fù)載工況下滾動(dòng)軸承的功能喪失很快，液體動(dòng)靜壓軸承的研究一直為國內(nèi)外電主軸企業(yè)及專家重視。 動(dòng)靜壓軸承作為電主軸軸承的主要技術(shù)難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)高速化，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的研究主要有：動(dòng)靜壓軸承的層流、 紊流流體慣性的計(jì)算算法研究；動(dòng)靜壓軸承層油腔結(jié)構(gòu)的研究；軸承溫升及熱變形控制技術(shù)的研究及潤滑介質(zhì)的研究等。2.2.2高速精密電主軸的動(dòng)態(tài)性能和熱態(tài)性能設(shè)計(jì)高速精密電主軸設(shè)計(jì)目標(biāo)要求主軸剛度高、精度高、抗振性好、可靠性高。傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析常常將軸承剛度用假設(shè)的彈簧代替， 利用有限元或傳遞矩陣法等數(shù)值計(jì)算方法

15、計(jì)算主軸的各階固有頻率和振型， 并在設(shè)計(jì)時(shí)使主軸的一階固有頻率高于設(shè)計(jì)的主軸最高轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的頻率。該方法還能解釋隨著主軸速度升高，球軸承離心力變化導(dǎo)致主軸固有頻率變化等動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。 但該方法對(duì)球軸承剛度的非線性變化特點(diǎn)沒有充分考慮。 根據(jù)電主軸的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)， 有必要將“軸承主軸電動(dòng)機(jī)軸承座” 作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析， 同時(shí)充分考慮支承剛度非線性、 主軸熱擴(kuò)散及熱變形等熱態(tài)性能對(duì)主軸動(dòng)態(tài)性能的影響， 并對(duì)整個(gè)電主軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，而軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真是基礎(chǔ)。主軸動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)有：滾動(dòng)接觸界面的非線性剛度變化規(guī)律。 滾動(dòng)軸承的支承剛度與運(yùn)轉(zhuǎn)速度之間、載荷與變形之間是非線性的關(guān)系，

16、 且由于有限個(gè)滾動(dòng)體的存在、 軸承元件接觸表面的加工幾何誤差、 軸承材料的彈性及外力的變化等， 使得軸承的剛度成為時(shí)變函數(shù)。在考慮定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊兩種預(yù)緊方式、 計(jì)算球與內(nèi)外圈溝道接觸載荷和接觸角的基礎(chǔ)上， 計(jì)算每個(gè)球與內(nèi)外圈溝道接觸點(diǎn)的接觸剛度， 需要根據(jù)軸承內(nèi)部變形的幾何關(guān)系， 提出合適的計(jì)算軸承徑向剛度、 軸向剛度和角剛度的方法。主軸的熱變形和熱擴(kuò)散規(guī)律。 高速精密主軸單元各零件的剛度及精密都較高，主軸的彈性變形所引起的誤差常常很小， 而運(yùn)動(dòng)副間的摩擦發(fā)熱和溫升卻不可避免。在各類誤差中， 熱變形引起的誤差往往比其他誤差更為突出。 高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，主軸多個(gè)支承軸承和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是電主軸多區(qū)

17、段的主要熱源， 會(huì)直接導(dǎo)致主軸熱變形， 改變軸承的預(yù)緊狀況， 影響主軸的加工精度， 嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤лS承，導(dǎo)致主軸損壞。 為了避免這種危害， 對(duì)主軸熱變形和熱擴(kuò)散的研究至關(guān)重要，而建立高速精密主軸多區(qū)段熱擴(kuò)散、 熱變形及主軸熱變形與振動(dòng)耦合規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，是主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的一個(gè)關(guān)鍵。主軸熱分析可在獲得正確的主軸熱傳導(dǎo)系數(shù)后， 采用有限元法進(jìn)行研究， 預(yù)測(cè)主軸熱變形后引起的間隙變化對(duì)軸承及主軸部件性能的影響，并在主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、裝配過程中做出補(bǔ)償，防止主軸單元工作精度降低。2.2.3高速電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)電主軸是電動(dòng)機(jī)與主軸結(jié)合在一起的產(chǎn)物， 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以

18、把主軸看作一臺(tái)高速電動(dòng)機(jī)，其關(guān)鍵技術(shù)是高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)平衡。電主軸實(shí)現(xiàn)高速化存在的問題，從機(jī)械方面考慮主要是軸承發(fā)熱和振動(dòng)問題；從設(shè)計(jì)方面考慮主要是定轉(zhuǎn)子功率密度和線圈發(fā)熱問題； 從驅(qū)動(dòng)和控制角度考慮主要是調(diào)速性能問題。 異步型電主軸的主要優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、 制造工藝相對(duì)成熟、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)高速化， 其不足之處在于轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重、 低速性能不好、轉(zhuǎn)子參數(shù)受溫度影響大，難于實(shí)現(xiàn)精密控制。異步型電主軸功率容量大、轉(zhuǎn)速提高時(shí)，常常需配備中心冷卻系統(tǒng)以降低主軸升溫， 同時(shí)，在主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)軸承采用恒壓預(yù)緊方式， 以克服主軸軸向熱變形帶來的影響。 對(duì)于同步型電主軸，其優(yōu)點(diǎn)在于： 轉(zhuǎn)子不發(fā)熱，從原理上避免

19、了旋轉(zhuǎn)軸熱變形和向軸承散熱等問題。 轉(zhuǎn)子無損耗，功率密度大，工作效率高，功率因數(shù)高，與同容量的異步電動(dòng)機(jī)相比，其驅(qū)動(dòng)裝置容量較小。 體積和重量大為減小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，易于快速起動(dòng)和準(zhǔn)停。 與同體積的異步電動(dòng)機(jī)相比，其輸出轉(zhuǎn)矩大一倍以上。 低速性能好。 易于實(shí)現(xiàn)精密控制。2.2.4高速電主軸的精密加工和精密裝配技術(shù)為了保證電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的回轉(zhuǎn)精度和剛度， 其關(guān)鍵零件必須進(jìn)行精密加工或超精密加工。 主軸單元的精密加工件包括主軸、 箱體、先后軸承座以及隨主軸高速旋轉(zhuǎn)的軸承隔圈和定位過盈套等。 主軸與軸承的配合面、 主軸錐孔與刀柄的配合面、 主軸拉刀孔的表面、 主軸前后軸承德同軸度、 主軸的徑向圓跳

20、動(dòng)是必須保證的主要精度指標(biāo)。 主軸單元的精密裝配包括主軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、 主軸與前后軸承、主軸與軸承隔圈和定位過盈套、主軸與刀具、軸系于軸承座、軸承座與殼體之間的精密裝配。 精密裝配要保證的主要兩點(diǎn)是電主軸整體剛度和整體的動(dòng)平衡精度。圍繞精密加工和精密裝配開發(fā)的工裝和專用機(jī)床是高速精密電主軸核心技術(shù)的重要組成部分。 此外，高速主軸上旋轉(zhuǎn)刀具的裝配也是精密裝配工藝需要考慮的因素。2.2.5高速精密電主軸的潤滑技術(shù)電主軸的潤滑一般采用定時(shí)定量的油氣潤滑， 也可以采用脂潤滑， 但其相應(yīng)的速度要大打折扣。 定時(shí)就是指每隔一定的時(shí)間間隔注一次油， 定量是指通過一個(gè)叫做定量閥的器件， 精確地控制每次潤滑油的

21、注油量。 油氣潤滑，通常是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下， 被吹入陶瓷球軸承。 油氣潤滑技術(shù)中， 油亮控制顯得十分重要，如果過少，起不到潤滑作用；過多，又會(huì)在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)因油的阻力而發(fā)熱。2.2.6高速精密電主軸的冷卻技術(shù)為了盡快使高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對(duì)電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，而冷卻劑的溫度通過冷卻裝置來保持。2.3 高速電主軸發(fā)展及現(xiàn)狀2.3.1高速電主軸技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀早在 20 世紀(jì) 50 年代，就已經(jīng)出現(xiàn)了用于磨削小孔的高頻電主軸，當(dāng)時(shí)的變頻器采用的是真空電子管，雖然轉(zhuǎn)速高，但傳遞的功率小，轉(zhuǎn)矩也小。隨著高速切削發(fā)展的需要和功率電子器件、微電子器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了全固態(tài)

22、元件的變頻器和矢量控制驅(qū)動(dòng)器；加上混合陶瓷球軸承的出現(xiàn)，使得在 20 世紀(jì) 80 年代末、 90 年代初出現(xiàn)了用于銑削、鉆削、加工中心及車削等加工的大功率、大轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速的電主軸。國外高速電主軸技術(shù)發(fā)展較快， 中等規(guī)格的加工中心的主軸轉(zhuǎn)速目前己普遍達(dá)到 10000r/min 甚至更高。 1976 年美國的 Vought 公司首次推出一臺(tái)超高速銑床，采用了 Bryant 內(nèi)裝式電機(jī)主軸系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了 20,OOOr/min，功率為 15KW。到 90 年代末期，電主軸發(fā)展的水平是 : 轉(zhuǎn)速 40,000 r/min ，功率 40 KW(即所謂的“40-40 水平”) 。但 2001 年美國

23、 Cincinnati 公司為宇航工業(yè)生產(chǎn)了 SuperMach大型高速加工中心，其電主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá) 60,000 r/min ，功率為 80 KW。目前世界各主要工業(yè)國家均有裝備優(yōu)良的專業(yè)電主軸生產(chǎn)廠， 批量生產(chǎn)一系列用于加工中心和高速數(shù)控機(jī)床的電主軸。其中最著名的生產(chǎn)廠家有: 瑞士的FISCHER公司、 IBAG公司和 STEP-TEC公司，德國的 GMN公司和 FAG公司，美國的 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。 高速電主軸生產(chǎn)技術(shù)的突破， 大大推動(dòng)了世界高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。從

24、80 年代中后期以來，商品化的超高速切削機(jī)床不斷出現(xiàn)，超高速機(jī)床從單一的超高速銑床發(fā)展成為超高速車銑床、鉆銑床乃至各種加工中心等。德國、美國、瑞士、英國、法國、日本也相繼推出了自己的超高速機(jī)床。其中日本工業(yè)界善于汲取各國的研究成果并及時(shí)應(yīng)用到新產(chǎn)品開發(fā)中去， 尤其在超高速切削機(jī)床的研究和開發(fā)方面后來居上， 現(xiàn)己躍居世界領(lǐng)先地位。 日本廠商現(xiàn)己成為世界上超高速機(jī)床的主要提供者。在我國，也開始有廠家生產(chǎn)超高速機(jī)床。中國機(jī)床工具行業(yè)近幾年的快速發(fā)展， 受到世界機(jī)床制造業(yè)界矚目。 代表當(dāng)今機(jī)床技術(shù)發(fā)展主流的數(shù)控機(jī)床，更是異軍突起，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在高速、多軸、復(fù)合、精密以及自動(dòng)化等方面都取得了明顯的進(jìn)展。

25、 尤其在數(shù)控機(jī)床的高速化和品種發(fā)展上進(jìn)步明顯。 在 CIMT2003屆展會(huì)的高速加工中心展品有 30 多臺(tái)，占參展國產(chǎn)加工中心總數(shù)的 30%。在高速加工中心展品中，寧江機(jī)床集團(tuán)公司的NJ-5HMC40臥式加工中心最高主軸轉(zhuǎn)速達(dá) 40000r /min ，快速行程達(dá) 60m/min。在高精度產(chǎn)品中有北京機(jī)床研究所的高速立式加工中心， 成都托普數(shù)控機(jī)床公司的 PMC600高速立式加工中心，大連機(jī)床集團(tuán)有限公司的 DHSC500高速臥式加工中心，沈陽機(jī)床股份有限公司的 BW60HS/1臥式加工中心等。高速加工機(jī)床的涌現(xiàn)及超高速切削技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)及數(shù)控功能部件的專業(yè)化生產(chǎn)。數(shù)控功能部件是指

26、數(shù)控系統(tǒng)、主軸單元、數(shù)控刀架和轉(zhuǎn)臺(tái)、滾珠絲杠副和滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、刀庫和機(jī)械手、 高速防護(hù)裝置等。 它們是數(shù)控機(jī)床的核心組成部分。 主機(jī)技術(shù)水平的不斷提高， 要求配套的功能部件也必須迅速提高自身的水平。 功能部件技術(shù)水平的高低、 性能的優(yōu)劣以及整體的社會(huì)配套水平，都直接決定和影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的技術(shù)水平和性能，也制約著主機(jī)的發(fā)展速度。沒有高質(zhì)量的功能部件，數(shù)控機(jī)床的迅速發(fā)展也將成為一句空話。國產(chǎn)電主軸技術(shù)水平的高低必然影響產(chǎn)品在主機(jī)上的應(yīng)用。 我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程充分證明， 數(shù)控功能部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的滯后， 始終是制約我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展的瓶頸問題之一。 功能部件跟不上， 發(fā)展數(shù)控機(jī)床將成為空話。 我

27、國數(shù)控機(jī)床整體技術(shù)水平的發(fā)展和提高， 最終離不開先進(jìn)的功能部件產(chǎn)業(yè)的支持。 我們要抓住目前的黃金發(fā)展機(jī)遇， 學(xué)習(xí)國外同行的先進(jìn)技術(shù)， 探索國際合作途徑， 共同為做大做強(qiáng)數(shù)控功能部件產(chǎn)業(yè)，為國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展而努力奮斗。2.3.2主軸單元結(jié)構(gòu)形式研究的發(fā)展從電主軸的結(jié)構(gòu)形式來看， 早期主軸單元的結(jié)構(gòu)比較簡單，主軸僅由套軸向預(yù)緊面對(duì)面配置的320C系列圓錐滾子軸承支承。圓錐滾子軸承具承受較大軸向和徑向聯(lián)合載荷的能力， 徑向和軸向剛度高， 主軸單元具良好的動(dòng)力學(xué)特性。由于這種主軸單元的速度性能受到限制，在高速場(chǎng)很少采用，其dmn值一般小于0.6106 。SKF公司于1955 年所提出的著名的主軸單元

28、，其徑向載荷靠NN30K系雙列圓柱滾子軸承支承，軸向載荷靠軸向預(yù)緊的2844 系列雙向推力角接球軸承承受和軸向定位。這種主軸單元?jiǎng)傂院茫?但由于雙向推力角接觸球軸承的摩擦力矩和接觸角較大，其速度性能受到了限制，dmn值一般小于 0.6106 。為了改善主軸速度性能， 上個(gè)世紀(jì)八十年代又出現(xiàn)了一種主軸單元：它的工作端用三套主軸軸承代替雙列圓柱滾子軸承和雙向推力角接觸球軸承，dmn值可達(dá)到 1.8106 。近年來，為適應(yīng)機(jī)床提高生產(chǎn)效率和加工精度的需要，進(jìn)一步改善主軸單元的結(jié)構(gòu)，如在傳動(dòng)端用雙聯(lián)配置的主軸軸承代替雙列圓柱滾子軸承進(jìn)一步提高速度性能，工作端可以采用雙聯(lián)、 三聯(lián)甚至四聯(lián)配置的主軸軸承以

29、適應(yīng)不同的剛度性能要求，采用定位和定壓預(yù)緊以及定壓和定位預(yù)緊轉(zhuǎn)換， 以適應(yīng)主軸單元不同的速度和剛性要求， dmn 值可達(dá)到 2.5 106 。根據(jù)主電動(dòng)機(jī)與主軸軸承相對(duì)位置的不同， 高速電主軸單元主要有兩種結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)方式：（ l ）主電機(jī)置于主軸前、后軸承之間。它采用兩支承結(jié)構(gòu)，前軸承比后軸承尺寸大，均分別用串聯(lián)安裝方式， 前后支承受力方式為外撐式。 后支承選用小尺寸軸承，雖然會(huì)降低速度回?cái)?shù)值， 這對(duì)主軸整體剛性影響不大， 但它改變了工作條件，對(duì)保持整個(gè)軸系的使用壽命十分有利。 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大，輸出功率大，較適合大中型高速機(jī)床。（ 2）主電動(dòng)機(jī)置于主軸后軸

30、承之后， 即主軸箱和主電機(jī)作軸向的同軸布置，這種方式減少了電主軸前端的懸伸量， 電機(jī)的散熱條件較好， 但整個(gè)電主軸單元的出力較小，軸向尺寸大，常用于小型高速機(jī)床。2.4 電主軸對(duì)高速加工技術(shù)及現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床發(fā)展的意義以高切削速度、 高進(jìn)給速度、高加工精度為主要特征的高速加工是當(dāng)代四大先進(jìn)制造技術(shù)之一， 是制造技術(shù)產(chǎn)生第二次革命性飛躍的一項(xiàng)高新技術(shù)。 當(dāng)今世界各國都競相發(fā)展自己的高速加工技術(shù)，并成功應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。要發(fā)展和應(yīng)用高速加工技術(shù)， 首先必須有性能優(yōu)良的高速數(shù)控機(jī)床， 而數(shù)控機(jī)床性能的好壞則首先取決于高速主軸。高速加工的主要優(yōu)勢(shì)是：加工時(shí)間大幅度縮短，加工節(jié)拍只有原來的 1/4

31、 ，這意味著一臺(tái)高速機(jī)床可以代替 4 臺(tái)普通 CNC機(jī)床。表面質(zhì)量高，不用再進(jìn)行比如打磨等表面處理工序。零件可換性好，有利于模具行業(yè)制造。零件變形小，可以加工很薄的零件。從管理角度看， 高速機(jī)床的投資可以很快回收， 并能縮短交貨期， 占地面積小，人工數(shù)量可減少。因此，近年來高速加工技術(shù)發(fā)展十分迅猛，在航空航天、汽車工業(yè)、模具加工和摩托車工業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代高速加數(shù)控機(jī)床主軸的主要形式就是電主軸，并且已在機(jī)械、 電子、航空航天、國防、冶金、食品、化工、醫(yī)藥和光學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)顯示期旺盛的生命力 ; 其性能的好壞在很大程度上決定了整臺(tái)高速機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率。因此，電主軸單元技術(shù)的發(fā)展

32、也對(duì)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的發(fā)展及高速加工技術(shù)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：促進(jìn)了高速加工技術(shù)與機(jī)床的發(fā)展。電主軸是由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，更容易滿足高速加工對(duì)機(jī)床“高速度、高精度、高可靠性及小振動(dòng)”的要求，與機(jī)床高速進(jìn)給系統(tǒng)、 高速刀具系統(tǒng)一起組成高速切削所需要的必備條件。 電主軸技術(shù)與電動(dòng)機(jī)變頻、閉環(huán)矢量控制、交流伺服控制等技術(shù)結(jié)合，可以滿足車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削等金屬切削加工的需要。簡化結(jié)構(gòu)，促進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化。電主軸可以根據(jù)用途、結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)等特征形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化產(chǎn)品，供用戶選用，從而促進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化。降低機(jī)床成本，縮短機(jī)床研制周期。一方面，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的電主軸產(chǎn)品易于形成專業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)功能部件的低成本制造；另一方面，采用電主軸后，機(jī)床結(jié)構(gòu)的簡單化和模塊化，也有利于基地機(jī)床成本。此外，還可以縮短機(jī)床研制周期，適應(yīng)目前快速多