第5章 高速加工机床.doc

说明：（1）棕色为参考内容； （2）绿色为新加的内容，尚未仔细阅读决定是否加入课件PPT第4章 高速加工机床目录 (根据张伯霖书整理，与正文略有不同)4.1高速加工机床概述 4.1.1高速机床的发展现状 4.1.2高速机床应满足的要求4.2高速机床主轴单元 4.2.1高速主轴单元的特点及关键技术 4.2.2电主轴的结构 4.2.3电主轴的参数及选用 4.2.4高速主轴轴承及其润滑 4.2.5电主轴的电动机及驱动模块76 4.2.6电主轴的支持技术及装置834.3高速机床进给系统 4.3.1高速机床进给系统概述94-95 4.3.2高速滚珠丝杠副传动系统（96-98）4.3.3直线电动机进给驱动系统984.3.3.1直线电动机及其在高速机床上的应用（98）4.3.3.2直线电动机与高速滚珠丝杠的性能对比及应用场合4.3.3.3直流直线电动机进给驱动系统（100）4.3.3.4交流永磁（同步）直线电动机进给驱动系统（101）4.3.3.5交流异步直线电动机进给驱动系统（102）4.4 高速机床总体设计的有关问题4.4.1高速加工机床结构件的设计原则4.4.2高速电主轴单元4.4.3高速进给系统4.4.4各轴进给运动的相互结构联系4.4.5数控、伺服控制系统正文4.1 高速加工机床概述4.1.1 高速机床的发展现状随着大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、磁悬浮以及动静压高速主轴轴承、高性能的控制系统等一系列关键技术的解决，已使得高速、超高速加工机床有了很大的发展。近年来,高速、超高速加工的实际应用和实验研究取得了显著的成果。在国外许多著名公司的加工中心上,如美国Cincinnati、Ingersoll,日本的牧野,意大利的Rambaudi等公司,标准主轴转速配置可以到800010000r/min,可选的20000r/min以下的主轴单元已经处于商品化阶段。采用滚珠丝杠的进给系统，快速进给可以达到4060m/min,工作进给可达到30m/min以上。采用直线电机的进给驱动系统,快速进给可以达到120m/min,进给加速度到2g(g9.8m/s2)以上。目前主轴最高转速除个别产品外基本上是：小型2000060000r/min、中型1000030000r/min、大(重)型8000 24000r/min。最高的有达到10 0000r/min。如瑞士Mikron公司生产的HSM700高速铣床,主轴最高转速达到42000r/min，快速进给为40m/min,输出功率可到14kW。上述高速加工中心的刀具到刀具的换刀时间最快小于1s，换刀时间小于2.4s,托盘交换时间小于10s。机床的定位精度到2.5m,重复定位精度1m。我国在高速加工的各关键领域也进行了较多的研究，但总体水平同国外尚有一定的差距,主轴转速尚未突破10000r/min。 高速加工的最典型机床为高速加工中心。此外还有高速车床、高速车铣床、高速钻床、高速虚拟轴机床。4.1.2 高速机床应满足的要求高速机床技术主要包括高速单元技术（或称功能部件）和机床整机技术。单元技术包括高速主轴系统、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、安全设施和加工环境等。应满足的要求包括：高转速、大功率主轴系统；快速进给系统；优良的静、动特性和热态特性。（1） 高速主轴单元 高速主轴单元要求主轴转速高、功率大。目前适用于高速加工的加工中心，其主轴最高转速一般都大于10000r/min,有的高达60000-100000r/min，为常规机床的10倍左右；主电机功率为1580kW，以满足高速铣削、高速车削等要求。同时满足极高加速度要求。高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速切削加工机床的核心部件，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。高速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术，其中一些技术又是相互制约的，包括高转速和高刚度的矛盾、高速度和大转矩的矛盾等等。因此提高主轴转速和精度是一项很困难的工作，设计和制造高速主轴系统必须综合考虑满足多方面的技术要求。 （2）高速进给系统进给系统的高速性也是评价高速机床性能的重要指标之一，不仅对提高生产率有重要意义，而且也是维持高速切削刀具正常工作的必要条件。对高速进给系统的要求不仅仅能够达到高速运动，而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。高速进给系统包括进给伺服驱动技术、滚动元件导向技术、高速测量与反馈控制技术和其它周边技术，如冷却和润滑、防尘、防切屑、降噪及安全技术等。目前常用的高速进给系统有三种主要驱动方式高速滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴机构等。与高速进给系统相关联的还有工作台（拖板）和导轨的设计制造技术等。 主轴和工作台（拖板）运动都要有极高的加速度。主轴从启动到达到最高转速（或相反），只用12s的时间。工作台的加、减速度也由常规数控机床的0.1g0.2g提高到1g8g（g9.81m/s2）。没有高的加速度，工作部件的高速度是没有意义的。因为零件加工的工作行程一般都不长，从几十毫米到几百毫米，不允许有太长的速度过渡过程，因为在进给速度变化过程中是不能进行加工的。因此在高速加工机床上，不论主轴还是工作台，速度的提升或降低往往要求在瞬间完成。由于高速机床的出现，目前机床设计已从“速度设计”进入了“加速度设计”的新阶段。（3）高速 CNC 控制系统相对而言，现有的控制系统对超高速机床所需的进给速度来说显得太慢了，超高速机床要求其 CNC系统的数据处理时间要快得多，高的进给速度要求CNC系统不但要有很高的内部数据处理速度，而且还应有较大的程序存储量。CNC 控制系统的关键技术主要包括快速处理刀具轨迹、预先前馈控制、快速反应的伺服系统等。（4）床身、立柱和工作台机床要有优良的静动态特性和热态特性。高速机床设计的一个关键点，是如何在降低运动部件质量的同时，保持基础支撑部件的高静刚度、动刚度和热刚度。通过计算机辅助设计，特别是应用有限元及优化设计理论能获得轻质量、高刚度的床身、立柱和工作台结构，为获得较好的动态性能，有些高速机床床身由聚合物混凝土材料制成，同济大学在高速机床混凝土床身的制造方面取得了很好的成果。对于直线电动机驱动的工作台所能达到的加速度，不仅与直线电动机的推力及其本身的质量有关，而且还和工作台移动部件的质量有很大关系。以往加工中心的双层工作台的质量太大。为此，一种叫“箱中箱”的结构开始被广泛采用。在这种结构中，工作台只完成一个坐标的运动，电主轴作另一坐标运动，主轴的伸缩为第三个坐标运动。这种设计不但减轻了工作台的移动质量，而且主轴箱的热对称布局还有利于克服热变形对结构精度的影响。（5）切屑处理和冷却系统高速切削单位时间内高的切屑量需要高效的切屑处理装置。高压大流量的切削液不但可以冷却机床的加工区，而且也是一种行之有效的清理切屑的方法，但它会对环境造成严重的污染。切削液的使用并不是对高速切削的任何场合都适用，例如，对抗热冲击性能差的刀具，在有些情况下，切削液反而会降低刀具的使用寿命，这时可采用干切削，并用吹气或吸气的方法清理切屑。（6）安全装置高速运动的机床部件、大量高速流出的切屑及高压喷射的切削液等都要求高速机床有一个足够大的密封工作室，工作室的仓壁一定要能吸收喷射部分的能量。刀具破损时的安全防护尤为重要。此外，防护装置还必须有灵活的控制系统，以保证操作人员在不直接接触切削区情况下的操作安全。（7）高速切削加工中的测试技术 高速切削加工是在密封的机床工作区间里进行的，在加工过程中，操作人员很难直接进行观察、操作和控制，因此机床本身有必要对加工情况、刀具的磨损状态等进行监控，实时地对加工过程在线监测，这样才能保证产品质量，提高加工效率延长刀具使用寿命，确保人员和设备的安全。高速加工的测试技术包括传感技术、信号分析和处理等技术。近年来，在线测试技术在高速机床中使用得越来越多。现在已经在机床使用的有主轴发热情况测试、滚珠丝杠发热测试、刀具磨损状态测试、工件加工状态监测等。测量传感器有热传感器、测试刀具的声发射传感器、工件加工可视监视器等。智能技术已经应用于测试信号的分析和处理。例如，神经网络技术被应用于刀具磨损状态的识别。图4.1-1是美国Ingersoll公司为英国British Aerospace公司提供的大型高速型面铣床。床身底面积为33m15m，约有三层楼高，它主要用来加工大型铝合金飞机零件。图4.1-1 大型高速型面铣床 表4.1-1为部分高速机床的参数。表4.1-1 高速加工机床参数序号机床型号主轴转速r/min最大进给速度m/min快移速度m/min制造商(国家)1DMC8518000-30000120120DECKEL MAHO(德国)2HSM700420002040MIKRON(瑞士)3K211/214400002424FIDIA SPA(意大利)4HYPERMARK6000060100CINCINATI(美国)5FF510150004060MAZAK(日本)6DIGIT165400003030沈阳机床厂7KT1400-VB150004848北京机床研究所8DHSC500180006262大连机床集团9VMC1250100004848北京机电研究院图4.1-2 五轴高速铣削头-2009-8-9摘自：艾兴等.高速切削综合技术.航空制造技术,2002.31 高速切削机床实现高速切削的最关键技术是研究开发性能优良的高速切削机床,自20 世纪80 年代中期以来,开发高速切削机床便成为国际机床工业技术发展的主流 。1.1 高速切削机床基本结构机床的基本结构有床身、底座和立柱等,高速切削会产生很大的附加惯性力,因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。很多高速机床的床身和立柱材料采用聚合物混凝土(或人造花岗岩) ,这种材料阻尼特性为铸铁的710 倍,比重只有铸铁的1/ 3 。提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构,如将立柱和底座合为一个整体,使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度。1.2 高速主轴高速主轴是高速切削最关键零件之一。目前主轴转速在10 00020 000 r/ min 的加工中心越来越普及,转速高达100 000 r/ min ,200 000 r/ min ,2 50 000 r/ min的实用高速主轴也正在研制开发中。高速主轴由于转速极高,主轴零件在离心力作用下产生振动和变形,高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形,所以必须严格控制。为此对高速主轴提出如下性能要求: (1) 高转速和高转速范围; (2) 足够的刚性和较高的回转精度; (3) 良好的热稳定性; (4) 大功率; (5)先进的润滑和冷却系统; (6) 可靠的主轴监测系统。为满足以上性能要求,高速主轴采用了交流伺服电机直接驱动的“内装电机”集成化结构,减少了传动部件,具有更高的可靠性。高速主轴要在极短时间内实现升降速,在指定位置快速准停,这就要求主轴具有很高的角加速度。为此,将主轴电机和主轴合二为一,制成电主轴,实现无中间环节的直接传动,是高速主轴单元的理想结构。轴承是决定主轴寿命和负荷容量的关键部件。为了适应高速切削加工,高速切削机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承和润滑、散热等新技术。目前高速主轴主要采用3 种特殊轴承5 : (1) 陶瓷轴承; (2) 磁力轴承; (3) 空气轴承。主轴轴承润滑对主轴转速的提高起着重要作用,高速主轴一般采用油空气润滑或喷油润滑。采用油空气润滑后,轴承的DN 值(主轴轴承孔径与最大转速的乘积) 将比脂润滑提高20 %50 %。喷油润滑的轴承极限转速可达(2.32.5) 106 r/min。1.3 高速进给机构（已摘录到下面相应内容中）1.4 高速CNC控制系统 6 ,7数控高速切削加工要求CNC 控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性,以保证在高速切削时(特别是在45 轴坐标联动加工复杂曲面时) 仍具有良好的加工性能。高速CNC 数控系统的数据处理能力有两个重要指标:一是单个程序段处理时间,为了适应高速,要求单个程序段处理时间要短,为此,需使用32位CPU和64位CPU ,并采用多处理器;二是插补精度,为了确保高速下的插补精度,要有前馈和大数目超前程序段处理功能,此外,还可采用NURBS(非线形B样条) 插补、回冲加速、平滑插补、钟形加减速等轮廓控制技术。高速切削加工CNC 系统的功能特征包括: (1) 加减预插补; (2) 前馈控制; (3) 精确矢量补偿;(4) 最佳拐角减速度。1.5 高速切削机床冷却系统在高速切削条件下,单位时间内产生的大量热切屑不仅干扰切削工作的正常进行,还可能造成机床、刀具和工件的热变形。解决的办法是采用强力高压、高效的冷却系统(如高压喷射装置) ,把大流量的高压冷却液直接射向切削部位,对切削区供给压力为7 MPa 、流量达60 L/ min 的高压冷却液,使冷却液以“瀑布”方式从机床顶部淋向工作台,把大量热切屑冲离工作台。1.6 高速切削机床安全防护与实时监控系统高速切削的速度相当高,当主轴转速达40 000 r/min 时,若有刀片崩裂,掉下来的刀具碎片就像出膛的子弹。因此,对高速切削引起的安全问题必须充分重视。从总体上讲,高速切削的安全保障包括以下诸方面:机床操作者及机床周围现场人员的安全保障;避免机床、刀具、工件及有关设施的损伤;识别和避免可能引起重大事故的工况。在机床结构方面,机床设有安全保护墙和门窗。刀片,特别是抗变强度低的材料制成的机夹刀片,除结构上防止由于离心力作用产生飞离外,还要进行极限转速的测定。刀具夹紧、工件夹紧必须绝对安全可靠,故工况监测系统的可靠性就变得非常重要。机床及切削过程的监测包括8 :切削力监测;机床主轴功率监测;主轴转速监测;刀具破损监测;主轴轴承状况监测;电器控制系统过程稳定性监测等。1.7 高速切削机床换刀装置9 高速切削机床取消了换刀机械手,刀库与工件并排放置,刀库只作回转分度运动,由主轴部件作前后、上下、左右的直线运动来放刀和取刀。换刀时间虽比普通机床略有增加,但可靠性却大大提高了。1.8 高速切削机床温控系统机床的热特性是指机床结构在其内部热源和外部热源的作用下,产生结构变形和对加工精度影响的特性,为了改善高速加工机床的热特性,一般采用温控循环水(或其他介质) 来冷却主轴电机、主轴轴承、直线电机、液压油箱、电气柜,有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。此外,还可采用低膨胀系数的铸铁来作高速机床的主轴箱体,以减少主轴的热伸长和主轴部件的热变形。-4.2 高速机床主轴单元4.2.1高速主轴单元的特点及关键技术高速主轴单元是高速加工机床最为关键的部件，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。传统的主轴系统包含皮带、齿轮等中间传动环节，不仅转动惯量大，难于实现高的角加(减)速度，而且高速时也难于解决中间传动环节出现的振动和噪声。因此，现在的高速主轴系统大多是把电动机与主轴“合二而一”、将传动链缩短为零的电主轴单元，即所谓“零传动”或“直接传动的主轴系统。结构上基本是把主轴电动机置于主轴前后轴承之间。这样的电主轴，轴向尺寸较短，结构紧凑，主轴刚度高。目前大功率主轴单元的基本方案是采用集成内装式电主轴。例如，德国GMN用于加工中心和数控铣床的电主轴共有20几种型号，最高转速从8000r/min到60000r/min，功率从5.5kW到76kW，扭矩从0.9Nm到306Nm。图4.2-1 电主轴尽管将主电机内置于机床主轴箱中会带来很多问题,但在高速机床上这几乎是惟一的选择。原因如下：（1）如果电机不内置,则在高速下由皮带或齿轮等中间传动件产生的振动与噪声问题很难解决,会大大降低加工精度和表面质量,并对车间生产环境产生严重的噪声污染。（2）高速加工对主轴运转的角加(减)速度有极高的要求,实现这一严酷要求最经济的方法，就是尽可能把传动系统的转动惯量减至最小。为此，只有将电机内置，取消齿轮、皮带等一系列中间传动环节。（3）和皮带、齿轮的末端传动方式相比，主电机内置于主轴前后轴承之间，可大大提高主轴系统的刚度和固有频率。这就使电主轴运转在最高转速时，仍可远离机床的临界转速，确保不发生共振，这点对高速加工的安全尤为重要。（4）结构简单紧凑，容易做成独立的功能部件，可由专业厂进行标准化、系列化生产。机床主机厂只需根据用户的不同要求进行选用，可方便地组成各种类型、各种性能的机床，包括多轴联动机床，多面加工中心和并联(虚拟轴)机床等。 高速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术。高速主轴单元所涉及的关键技术有： 超高速主轴材料、结构； 主轴轴承的研究与开发； 超高速主轴系统动态特性与热态特性的研究； 柔性主轴的设计技术； 主轴系统动态优化设计与计算机虚拟设计技术。 超高速主轴系统的润滑与冷却技术。4.2.2 电主轴的结构4.2.2.1 电主轴的组成高速电主轴(Electrospindle或MotorizedSpindle)原理见图4.2-2，包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分。电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座,实现了变频电机与机床主轴的一体化。电主轴有一系列监视主轴振动、轴承温升、回转角度和转速等运行参数的传感器及其测试控制系统，是一种智能型功能部件，广泛用于高速加工中心和其它高速数控机床。高速电主轴的典型结构如图4.2-3所示。主轴由前后两套滚珠轴承来支撑。电动机的空心转子用压配合的方法安装在机床主轴上，处于前后轴承之间,由压配合产生的摩擦力实现转矩的传递。在主轴上取消了一切形式的键联接和螺纹联接，这种设计主要是为了使主轴旋转部分易于达到精确的动平衡。由于转子内孔与主轴配合过盈量较大，因此，在装配时必须在油浴中将转子加热到200左右，迅速进行热压装配。电动机定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体中。这样，电动机的转子就是机床的主轴，电主轴的箱体就是电动机座，成为机电一体化的新型主轴系统。主轴的转速用电动机的变频调速与矢量控制装置来改变。在主轴的后部安装有齿盘和测速、测角传感器。主轴前端外伸部分的内锥孔和端面用于安装和固定刀柄。现在，也有极少数高速轻切削铣床，使用将主电机置于主轴后轴承之后的电主轴。这种结构的电主轴轴向尺寸长，但可改进散热条件。为了精确校正转子与主轴的动平衡，在转子两端设置有两个平衡环。每个环上有大小不同的许多均布的螺孔。可根据动平衡测试的结果，在适当的螺孔中拧入配合螺钉，螺钉旋入的长度应根据动平衡的要求来确定。达到精确动平衡后，再用环氧树脂将这些螺钉紧固在相应位置上，以防止主轴高速旋转时被甩出。图4.2-2 电主轴原理图(a)(b)图4.2-3 高速电主轴结构图无外壳主轴电动机的结构如图4.2-4所示，采用转子和定子分离式结构。转子做成空心的结构，用于安装机床主轴。国外许多电动机厂或控制设备厂，如德国的INDRAMAT，SIEMENS公司等都有这种散装式主轴电动机按订货生产，供机床制造厂自制电主轴用。图4.2-4无外壳主轴电机电主轴是一种超高速运转部件，结构上微小的不平衡量，在高速下都会产生巨大的离心力，造成机床的振动，影响加工精度和表面质量。因而电主轴设计必须严格遵循对称性设计原则，键连接和螺纹联接在这里被禁止使用。转子和主轴之间用过盈配合实现扭矩的传递，主轴、主轴上的零件和主轴箱体都必须经过十分精密的加工、装配和调校，使主轴组件的动平衡精度达到G0.4级以上的水平。根据主电动机和主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴有两种布局方式：（1）主电动机置于主轴前、后轴承之间，如图4.2-5所示。为电主轴的基本结构形式。其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度高，适用于中、大型高速加工中心，目前大多数电主轴都采用这种结构形式。 （2）主电动机置于主轴后轴承之后，如图4.2-6所示，即主轴箱和主电机作轴向的同轴布置(有的用联轴节)。这种布局方式有利于减小电主轴前端的径向尺寸，电动机的散热条件也较好。但整个主轴单元的轴向尺寸较大，常用于小型高速数控机床，尤其适合于模具型腔的高速精密加工。1.编码盘 2.电主轴壳体 3.冷却水套 4.电动机定子 5.油气喷嘴 6.电动机转子 7.阶梯过盈套 8.平衡盘 9.陶瓷球轴承图4.2-5 GD-2型电主轴1.液压缸 2.拉杆 3.主轴轴承 4.碟形弹簧 5.夹头 6.主轴 7.内置电动机图4.2-6 主电动机位于后轴承之后的电主轴4.2.2.2 电主轴的主要热源及解决措施内置电机的散热问题是电主轴特有的技术难题，处理不好会造成主轴过高的温升，影响机床工作的可靠性和所能达到的最高转速。电主轴的内部有两个主要热源，一是内藏式主电动机，另一个是主轴轴承。与一般的主轴部件不同，电主轴最突出的问题之一是内藏式高速主电动机的发热。由于主电动机旁边就是主轴轴承，电动机的发热会直接降低轴承的工作精度和寿命。目前解决发热问题有两条途径：对于交流感应式主电机，可以采用外循环油-水热交换冷却系统把电机定子产生的热量带走。但转子产生的热量(约占电机总热量的13)很难全部带走；采用交流永磁式主电机。这种电机的转子用含有稀土元素的永久磁铁制成，转子不发热，从而可大大改善电主轴的发热特性，可用风冷代替上述液冷装置，而且结构紧凑、扭矩大，可扩大空心主轴的内孔直径。当用于卧式数控车床或车削中心时，还可提高棒料的通过能力。图4.2-7所示为电主轴的外循环油-水热交换冷却系统。在主电动机定子的外面加一带螺旋槽的铝质外套3(图4.2-5)，机床工作时，冷却油不断在该螺旋槽中流动，从而把主电动机的热量及时、迅速地带走，实现循环冷却。冷却油的流量可按主电动机的发热量进行计算。 根据主轴电机的要求，冷却油的入口温度Tin在1040之间，温升T不得超过l0。图4.2-7电主轴定子油水热交换冷却系统采用合适的润滑方式也有助于进一步降低主轴轴承的温升，如油-气润滑系统。 实测表明，在高速运转条件下，主轴轴承采用油-气润滑比油雾润滑的温升可降低916，而且随着dmn 值的增大，降温效果更好。4.2.3 电主轴的参数及选用4.2.3.1 电主轴的基本参数电主轴的主要参数有：(1)主轴最高转速和恒功率转速范围（额定转动又称基速）；(2)主轴的额定功率和最大扭矩；(3)主轴前轴颈直径和前后轴承的跨距等。其中主轴最高转速、前轴颈直径和额定功率是基本参数。电主轴通常装备在高速加工中心上，在设计电主轴时要根据用户的工艺要求，采用典型零件统计分析的方法来确定这些参数。机床厂对同一尺寸规格的高速机床，一般会分两大类型，即“高速型”和“高刚度型”分别进行设计。前者主要用于航空、航天等工业加工轻合金、复合材料和铸铁等零件；后者主要用于模具制造、汽车工业中高强度钢或耐热合金等难加工材料和钢件的高效加工。在设计电主轴时，还要注意选择有较好扭矩-功率特性和有足够宽调速范围的变频电动机及其控制模块。表4.2-1 FISCHER公司的部分高速电主轴技术参数4.2.3.2 电主轴的性能参数（p78-83）电主轴的性能参数包括:精度和刚度、临界转速、残余动不平衡值及验收振动速度值、噪声与套筒温升值、拉紧刀具的拉力值和松开刀具所需液(气)压最小、最大值、使用寿命值、电主轴与刀具的接口等。1. 精度和静刚度2. 临界转速临界转速是指一个回转质量系统（包括刀具在内），在某一特定的支撑条件下产生系统最低一阶共振时的转速。厂家在设计电主轴时，已对此进行了精细的计算，并确保其最高转速低于临界转速。如果用户必须使用超重或大于规定长径比的刀具，有些电主轴厂家可以承诺代为计算其新的临界转速值，已验证其运转是否安全。3. 残余动不平衡值及振动速度值4. 噪声与套筒温升值5. 刀具拉紧力6. 使用寿命值7. 电主轴与刀具的接口4.2.3.3 电主轴的选用（另参考p86-88）高速电主轴根据应用场合的不同大致可以分为八大类：磨削用、铣削用、车削用、拉碾用、钻削用、加工中心用、机械式皮带传动主轴（不含内置电机）、特种旋转试验主轴等。选用电主轴时须注意以下原则：（1）在选择电主轴时，一定要清楚工况的功率和转速要求。这一点很关键，因为同样是1kW，在1000转和10000转的要求下电主轴的外形尺寸是相差很多的，对于电主轴设计的难度也是不同的，所以工况一定要准确。（2）刀具的接口一定要明确。这也是有原则的，一般情况下BT50的接口转速只能在8000RPM以下的电主轴中使用，BT40的接口可以在18000RPM下的电主轴中使用，如果要更高的转速，刀具接口需要选择相应的HSK等高速刀具接口，数控铣削电主轴上配用的ER弹簧夹头或者SD弹簧夹头也是有一定的许用最高转速的。（3）磨削用电主轴一般都是恒转矩设计的电机，电机的最高转速和功率以及电压的关系是等比关系，电压和功率随电主轴转速的增加线性增加。电流维持基本恒定不变，由于转矩和电流的关系是线性关系，所以称这种制式的电主轴为恒转矩制电机。磨削用电主轴的设计一般兼顾的转速范围比较小，通常是最高转速的80%100%，同时还要兼顾砂轮的最高许用线速度，因此一般在使用时不能既用高速小砂轮又用低速大砂轮，否则会因为低速功率不够大而导致大砂轮磨削的效果和效率比较低差，另外由于大砂轮本身的自重，高速电主轴轴承通常为了适应高速旋转，设计时轴承以满足最高转速要求为主，兼顾一定程度的承载能力，在低速使用大砂轮磨削时，因轴承本身的承载能力不能满足其要求会导致主轴轴承寿命的急剧降低，精度寿命大大缩短。另外磨削用电主轴由于转速分档比较接近，用户完全可以分开选择不同的产品来满足不同的磨削要求，以更好的发挥电主轴的工作能力和效率潜力。磨削用电主轴的电机参数制式通常标注S6制工作制，有S6-40%、S6-60%等几种，这是与磨削的工作特性所分不开的，磨削时一个工件的磨削拍节通常包括，快速进刀、磨削、退刀、修砂轮等几个步骤，电机功率的消耗不是恒定的负载，而且在磨削用电主轴电机的设计上通常要提高其过载能力，因此，在看磨削电主轴的参数时会看到S1和S6两组参数，S6通常比S1高出较多，一是与电机工作制有关，一是与电机的过载能力有关，标注S6制功率表明电机可以在30s120s内短时过载到该功率制，长期使用只能按S1制使用，这一点是与其它电主轴不太相似的地方，一定要注意。铣削和加工中心用电主轴属于比较复杂的类型，通常是恒转矩、恒功率混合设计。恒转矩段和恒功率段相配合，以满足宽速度范围内的切削需要。低速（通常指1500转以下）需要大转矩重切削，并具备很强的短时过载能力，通常要求能达到2.2倍以上。高速需要有足够的功率实现恒功率的精铣工作。配合能够在低速段实现数倍额定转矩输出的伺服控制器，加工中心电主轴在低速大转矩输出的能力可以更好的得到提高。所以电机制式与磨用电主轴等有较大不同。其他类型的电主轴比如车削电主轴，也和磨削用电主轴不一样，往往需要在一个转速段内实现恒功率调速，这类电主轴用户往往觉得它的功率小，这是错的，因为它的功率对应的转速相对较低，根据M=9550P/n1的扭矩计算公式，它能够输出的扭矩是相对较高的，这样设计电主轴的目的是为了满足用户在一定的常用转速范围内均可以较好的使电主轴工作。以上为一些最基本的原则。不是说所有的电主轴必须按照上面的规定进行选型，磨削用电主轴也可以有恒功率段设计的，铣削轴也有横转矩设计的。关键是看最终用户的需求，指标提的过高会使电主轴的设计难度和成本增加很高，造成不必要的浪费。4.2.4 高速主轴轴承及其润滑高速主轴单元设计中一个非常关键的问题是如何选择主轴支撑。为了适应高速切削加工，设计主轴的轴承时, 不但要求在主轴高速旋转时有较高刚度和承载能力，而且要求有较长的使用寿命。高速加工中心的主轴设计采用了先进的主轴轴承的润滑、散热技术。在大功率的主轴单元中，主轴的支撑一般采用液体动、静压轴承、磁力悬浮轴承或混合陶瓷球轴承；小功率的高速主轴单元可以采用高精度的球轴承、液体动、静压轴承或气浮动、静压轴承。接触式轴承因为存在金属接触，摩擦系数大，其性能与轴承本身的加工精度有着密切的关系。而非接触式流体轴承只与流体的摩擦系数有关，与转速和运行状态无关。高速主轴的性能，在相当程度上取决于主轴轴承及其润滑。低速主轴轴承设计时主要的设计参数是工作载荷，主轴轴承一般采用球轴承，轴承的润滑采用油脂润滑。而高速、超高速主轴工作时，主轴高速旋转所产生的离心力远大于切削加工时作用在滚动体上的力，因此，高速主轴轴承的主要设计参数应该是转速。描述转速的特征值用K=dmn (n为每分钟转速，dm为轴承中径)表示。采用接触式的主轴轴承，轴承的极限转速与其润滑方式有着密切的关系。一般多采用油-气润滑和喷油润滑。油-气润滑的轴承极限转速可以到(1.82.1)106。喷油润滑的轴承极限转速可达(2.32.5)106。这两种方案均需要专门的润滑装置。目前应用较多的主轴支撑是液体动、静压轴承和混合陶瓷球轴承。美国Ingersoll公司在HVM800高速加工中心上采用了液体动、静压轴承，主轴转速可以达到20000r/min，轴径表面的圆周速度达到50m/s。磁力悬浮轴承因其有不可比拟的优越性而受到青睐，已相继被许多国家用于高速加工机床上。磁力悬浮轴承目前可以达到K=4.0106，承载力达300kN，轴向静刚度达2000N/m，动刚度达100N/m，可靠性超过4000h。瑞士Ibag主轴制造厂制造的采用磁悬浮轴承的主轴单元，主轴转速可以到2000040000r/min。德国KAPP公司采用的磁浮轴承砂轮主轴，转速达到60000r/min。气浮轴承一般用于高精度、高转速和轻载荷的场合。使用气浮轴承的主轴单元，主轴转速最高达到150000r/min以上，但输出转矩和输出功率较小，主要用于零件的光整加工。日本东芝机械公司在ASV40加工中心上，采用了改进的气浮轴承，在大功率下实现了30000r/min的主轴转速。为了克服油基液体动、静压轴承粘度大和气浮轴承刚度和承载能力低的缺点，国外开始研究水基动、静压轴承。利用水的粘度小且不可压缩的特点，动力采用水动涡轮。综上所述, 目前大功率主轴单元的基本方案是采用集成内装式电主轴。主轴支撑考虑了功能和经济性的要求，采用混合陶瓷球轴承或油基液体动、静压轴承是较好的可选方案。但对于更高速或超高速主轴单元，磁悬浮轴承是各研究机构和制造商更为重视的研究和应用领域。4.2.4.1 滚动轴承 由于滚动轴承刚度好、精度可以制造得较高、承载能力强和结构相对简单，是高速主轴的首选。从高速性的角度看，滚动轴承中角接触球轴承最好，圆柱滚子轴承次之，圆锥滚子轴承最差。1.配置形式和预加载荷角接触球轴承的配置形式和预加载荷决定了电主轴系统的承载能力、精度及刚度，并对使用寿命有很大影响。根据切削负荷大小、形式和转速等，电主轴轴承有多种配置形式。图4.2-8为配置形式之一。高速电主轴滚动轴承的配置形式有多种，但比较典型的是前、后轴承呈“O”型布局的两对角接触球轴承。由于后轴承也是角接触球轴承，一般要设置滚珠套以便让后轴承能沿壳体轴向移动，使得主轴受热后可自由向后方膨胀。为了提高主轴刚度，常用角接触球轴承多联组配的结构。背靠背组配支撑点 (接触线与轴线的交点)间的距离比较大，因而能产生一个较大的抗弯力矩。径向膨胀将使得轴承内的过盈加大，而轴向膨胀将使过盈减小，因此，在高速主轴单元中背靠背组配比较常见。图4.2-8电主轴轴承的支撑型式之一一般说来，角接触球轴承需要在预加负荷下才能正常工作（在实际应用中，球轴承多采用轴向预紧）。滚动轴承的预紧是指采用适当的方法使轴承滚动体和内，外套圈之间产生一定的预变形，以保持轴承内，外圈均处于压紧状态，使轴承带负游隙运行。预紧的目的是增加轴承的刚度；使旋转轴在轴向和径向正确定位，提高轴的旋转精度；降低轴的振动和噪声；减小由于惯性力矩所引起的滚动体相对于内，外圈滚道的滑动；补偿因磨损造成的轴承内部游隙变化；处长延长轴承寿命。预加负荷愈大，轴承的刚度愈高但温升也愈大。比较简单的办法是，根据电主轴的转速范围和所要承受的负载，选定一个最佳的固定预加负荷值；更好的办法则是预加负荷能随主轴转速改变而调整，在高转速时减小预加负荷，在低转速时增加预加负荷。（参考：轴向预紧 在大多数应用场合，向心轴承通过轴向预紧主要目的是提高轴承的径向刚度和角刚度。轴向预紧还能改变刚度的变化规律。 单列角接触球轴承可以用预紧的方法提高轴承的轴向刚度。 两个相同型号的角接触球轴承或圆锥滚子轴承成对安装时，按照施加预载荷的方法，可分为定位预紧和定压预紧。 定位预紧 定位预紧是指轴承的轴向位置在使用过程中保持不变的一种轴向预紧方式，如图1-15所示，可以通过调整两轴承之间的隔套的宽度以获得一定的预紧量。 当两个型号相同的圆锥滚子轴承成对安装时，成对安装的圆锥滚子轴承通过预紧可提高刚度一倍。 定压预紧 定压预紧是指使轴承的轴向预紧载荷在使用中保持不变的一种轴向预紧方式。如图1-18所示，可以通过调整弹簧的压缩量以获得一定的预紧量。 当两个相同型号的角接触球轴承成对安装并采用定压预紧时，在外加轴向载荷作用下，轴承I的变形量增加a，而轴承II的变形量和预紧载荷保持不变。 与定位预紧相比，在相同预紧变形量时，定压预紧对支撑系统轴向刚度的增加不显著。但在定位预紧时，轴和轴承座温度差所引起的轴向长度差，内外圈温度差引起的径向膨胀量等均会影响到预紧变形量，而定压预紧时，则不受影响。因此，必须根据具体技术要求选择预紧方式。通常，在要求高刚度时，选用定位预紧；在高速运转时，选用定压预紧。 最小轴向载荷的选取 预紧载荷的大小，应根据载荷情况和使用要求确定。一般地说，在高速轻载荷条件下，或是为了减小支撑系统的振动和提高旋转精度，则选用较轻的预紧载荷；在中速中载荷或低速重载荷条件下，以及为了增加支撑系统的刚度，则选用中预紧载荷和重预紧载荷。但预紧载荷过大，轴承的刚度并不能得到显著提高，反而使轴承中的摩擦增大，温度升高，轴承寿命降低。一般应通过计算并结合使用经验决定预紧载荷的大小。定位预紧时，应使滚动体与滚道始终保持接触。在实际应用中，要正确测定所施加的预紧载荷值是很困难的。可以采用测量轴承的起动摩擦力矩，测量轴承的轴向位移量，测量预紧弹簧的变形量，测量螺母紧固扭矩等方法预紧量。成对安装角接触球轴承预紧 面对面，背对背配置的成对角接触球轴承在轴承组装时就考虑了在预紧载荷作用下产生的轴向变形量，在相配置的两个轴承的内圈或外圈的端面上，磨去一定的预紧变形量，使单个轴承非基准端面凸出另一套圈基准端面的凸出量为 。当成对轴承安装到轴和轴承座时，用紧固装置压紧端面，两轴承即处于预紧状态。)2. 混合陶瓷球轴承角接触球轴承的球(即滚珠)既公转又自转，会产生离心力Fc和陀螺力矩Mg。随着主轴转速的增加，离心力Fc和陀螺力矩Mg也会急剧加大，使轴承产生很大的接触应力，从而导致轴承摩擦加剧、温升增高、精度下降和寿命缩短。高速机床主轴单元高速旋转所产生的惯性力远远大于作用在主轴轴承上的切削力。因此，要提高这种轴承的高速性能，就应想方设法抑制其Fc和Mg的增加。从角接触球轴承Fc和Mg的计算公式得知，减少球材料的密度、球的直径和球的接触角都有利于减少Fc和Mg，所以现在高速主轴多使用接触角为15或20的小球径轴承，同时增加滚珠数量，即“小球密珠”结构。可是，球径不能减小过多，基本上只能是标准系列球径的70%，以免削弱轴承的刚度，更关键的还是要在球的材料上寻求改进。钢球所受的离心力Fc： （4-1）式中：-球材料的密度；Db-滚珠直径；dm-滚珠轴承的节圆直径；m-滚珠的公转角速度。由式可见，滚珠的离心力与轴承转速的平方成正比。当轴承的转速很高时，滚珠的离心力就很大，其值超过切削力负荷。根据力学原理，当旋转刚体的自转轴在空间方向发生变化时，就会产生陀螺力矩，使旋转刚体做陀螺运动。角接触球轴承转动时钢球自转轴线的空间方向是不断发生变化的，就要受到陀螺力矩的作用。轴承的转速越高，陀螺力矩就越大。滚珠所受的陀螺力矩可用式(4-2)计算: (4-2 )式中：J-球的转动惯量；b-球的自转速度；-球自转轴与坐标平面之间的夹角。为了减少高速旋转时产生的离心力以及减少发热（主轴轴承的发热是电主轴的主要热源之一），高速主轴轴承多采用混合陶瓷球轴承(Hybrid Ceramic Ball Bearing)，即轴承滚动体使用陶瓷材料，内外圈仍为轴承钢。滚珠多使用热等静压氮化硅(HIPSN)陶瓷，直径比同规格球轴承小1/3。与GCr15轴承钢相比，Si3N4陶瓷密度仅为它的40%，用氮化硅制作的球要轻得多，自然在高速回转时所产生的离心力和陀螺力矩也要小得多。其发热少，比钢轴承温升可减少35%60%。与此同时，氮化硅陶瓷的弹性模量和硬度是轴承钢的1.5倍和2.3倍，而热膨胀系数仅为轴承钢的25%，这既可提高轴承的刚度和寿命，又使轴承的配合间隙在不同温升条件下变化小，工作可靠，加之陶瓷耐高温且不与金属发生粘咬，显然用氮化硅陶瓷制作球体更适合进行高速回转，该类轴承的K值已超过2.0106。实践表明，陶瓷球角接触球轴承与相应的钢球轴承相比速度能提高25%35%，甚至比同规格的钢轴承提高50%以上。为了增加滚道的耐磨性，可以对滚道进行涂层处理或其它表面处理。新的研究用不锈钢(比如FAG公司用氮化不锈钢Crodinur 30)代替轴承钢制作轴承的内外圈特别是内圈，由于不锈钢的热膨胀系数比轴承钢小20%，自然在高速回转时，因内圈热膨胀所造成的接触应力增大趋势会受到抑制。混合陶瓷球轴承价格比同规格同精度等级的钢质球轴承高22.5倍，但其使用寿命要高36倍，因此其性能/价格比并不差，容易被机床设计师接受。目前国内外绝大多数高速电主轴都采用HPSN角接触陶瓷球轴承。陶瓷滚动轴承能达到的最大dn值为2106。转速再高的电主轴就应该采用磁浮轴承或液体动静压轴承。旋转变压器冷却水出口图4.2-9 陶瓷轴承高速主轴陶瓷球轴承密封圈电主轴陶瓷球轴承冷却水入口 陶瓷轴承高速主轴特征 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“小球密珠”结构，滚珠材料Si3N4； 与钢球相比，陶瓷轴承的优点是： 陶瓷球密度减小60%，从而可大大降低离心力； 陶瓷弹性模量比钢高50%，使轴承具有更高刚度； 陶瓷摩擦系数低，减小轴承发热、磨损和功率损失； 陶瓷耐磨性好，轴承寿命长。 采用电主轴（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0.51106。3. 滚动轴承的润滑轴承的润滑主要是为了降低摩擦阻力和减轻磨损，保证轴承正常运转。合理的润滑对提高轴承的性能、延长轴承的寿命很重要。轴承润滑方式的选择与轴承的转速、负荷、许用温升及轴承类型有关，一般根据速度因数dmn值选择。其中，dm为轴颈中径（mm），n为工作转速（r/min）。角接触球轴承的高速性能不仅与球的接触角、直径和材料相关，而且与轴承的润滑方式关系密切。目前滚动轴承有脂润滑、油雾润滑、油气润滑和喷油润滑四种方式。油雾润滑虽然效果不错，但污染环境和危害工人健康，国外已很少采用。高速主轴一般采用油空气润滑或喷油润滑。油-气润滑的轴承极限转速可以到(1.82.1)106。喷油润滑的轴承极限转速可达(2.32.5)106。这两种方案均需要专门的润滑装置。对于立式安装的电主轴,可以采用特殊的一次性脂润滑陶瓷轴承。脂润滑是最简单和环保性最好的一种润滑方式。由于脂在超高速运转下容易变质，故其dmn值较低，轴承为钢球时仅达80104，为陶瓷球时可达110104(FAG公司开发的新一代低温轴承其dmn值还可以在此基础上增加10%左右)。现在高速主轴轴承用得最多的是油气润滑方式，它是定时、定量地供给轴承以油-气混合物，使轴承各部位获得最佳的微量润滑并把污染减至很小。采用油气润滑的钢球或陶瓷球角接触球轴承，其dmn值一般可分别达到到140104和210104，若采用比较特殊的油-气润滑方式，陶瓷球角接触球轴承的dmn值可达250104甚至更高一点。图4.2-8油-气润滑系统示意图 油-气润滑系统的基本原理是，利用具有一定压力的压缩空气和由定量分配器每隔一定时间定量输出微量的润滑油，在一定长度的管道中混合，通过压缩空气在管道中的流动，带动润滑油沿管道内壁不断地流动，把油气混合物输送到安装于轴承近处的喷嘴(孔径1mm)，经喷嘴射向内圈和滚动体的接触点实现润滑和冷却，达到“最佳供油量”和“压缩空气进行冷却”的效果。 油-气润滑与油雾润滑的主要区别在于供给轴承的润滑油未被雾化，而是以油粒状被压缩空气吹入轴承，向大气中排放的仅是空气，因此对环境没有污染。具有一定压力的润滑油在接触点除润滑外还有带走热量和密封的作用。由于油滴是喷射而出，故可穿透在高速运转时由于离心力的作用而在轴承周围形成的空气涡流，实现润滑轴承的目的。油-气润滑用大量的压缩空气来冷却轴承，使得轴承的温升比用油雾润滑时要低很多。实验表明，使用油-气润滑的轴承温升可比使用脂润滑时降低5-8 ，比油雾润滑降低9-16，随着dmn值的增大，降温的效果更