第七章 高速数控机床及其技术

图 7-6
7.2.2 高速电主轴轴承
• 1．滚珠轴承 • 电主轴结构一般采用角接触滚动轴承支承，轴承的配置
形式取决于载荷的大小、方向、主轴的转速以及主轴的 工作要求。电主轴轴承一般采用图7-7所示的配置形式。
• 滚珠轴承在高速旋转时滚珠会产生很大的 离心力和陀螺力矩，此时的离心力远大于 切削时作用给滚珠的力，故此时轴承设计 的主要参数不再是工作载荷了，而应是转 速。为了解决高速旋转的离心力问题，对 于滚动轴承本身，可以采取下面的措施：
• （1）尽量减小滚珠直径——减小滚珠的 径向尺寸；
• （2）采用密度小的热压烧结Si3N4陶瓷 材料制作滚珠——减小滚珠质量。
2．非接触轴承
• 非接触轴承是指空气静压轴承、液体动压轴承以及磁悬 浮轴承。
• 空气静压轴承用于高精度、高转速、轻载荷的场合。使 用空气轴承的主轴单元，
• 主轴转速可达150000r/min以上，但输出的扭矩和功率很 小，主要用于零件的小孔
• 5．高速加工的工艺系统
• 6．高速加工测试技术
• 7.2 高速主轴单元
• 7.2.1 高速加工电主轴结构
• 传统数控机床主轴驱动通常采用三种方式：电机经过有 限级齿轮传动驱动主轴的方式；电机经过同步带传动驱 动主轴的方式；电机直接驱动主轴的方式。分别适合于 大转矩、中小转矩的场合。
• 这几种传动方式如果用于高速场合，会出现皮带打滑， 振动和噪声加大，转动惯量大的缺点，影响零件的表面 加工质量。
第七章 高速数控机床及其技术
• 学习目的与要求 • 了解高速数控机床特点与关键技术； • 掌握高速数控机床电主轴单元的结构和工作原理 • 了解高速数控机床的主轴轴承； • 掌握高速数控机床的进给系统的结构、类型和工
作原理； • 了解高速刀具系统； • 了解高速控制系统特点。
• 高速切削技术是一种先进的制造技术，是指采用 超硬材料刀具和能可靠地实现高速运动的高精度 、高自动化、高柔性的制造设备，以极大地提高 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。是提高切削效果、 提高加工质量、提高加工精度和降低加工成本的 重要手段。
• 为了避免上述主轴传动方式带来的缺点，高速加工主轴 常采用电主轴的结构形式。
•1．电主轴结构的基本构成
• 所谓电主轴结构就是将电机的转子直接作为机床的主轴 ，主轴单元的壳体就是电机座，配合其它安全保障措施 ，从而实现了电机与机床主轴的一体化。如图7-3所示 ，电主轴结构通常由电主轴单元、轴承及其润滑单元、 主轴冷却单元以及动平衡单元组成。
（2）高速加工进给系统制造技术 （3）高速机床支承制造技术 • 3．高速加工的刀具系统 • 4．高速加工的数控系统 • 较先进的CNC系统还应包括下面的功能： • （1）故障诊断人工智能功能； • （2）具备工艺数据库功能； • （3）较强的图形功能； • （4）自动测量功能； • （5）较强的插补功能等。
• 图7-1反映了高速加工技术的体系结构。
图 7-1
7.1 高速切削和高速机床的关键技术
• 7.1.1 高速切削的特点 • 1．提高生产效率 • 2．降低切削力 • 3．减小工件的热变形 • 高速加工理论研究表明：在切削速度提高到一定速度值
后，随着切削速度的提高，切削温度反而会降低；不同 材料的这样一个速度值是不同的。图7-2表明了材料加工 时切削速度和温度的关系。
• 磨削、钻孔加工和光整加工。 • 液体动、静压轴承目前主要用于重载大功率场合。这种
轴承是采用液体的动力 • 和静力相结合的方法，使主轴在油膜中支撑旋转。优点
是径向和轴向跳动小、刚度 • 高、阻尼特性好、寿命长，粗精加工均适用。
• 磁悬浮轴承是用磁力将主轴无接触地悬浮起来的 新型智能化轴承。它的高速性
2．典型结构
图7-4为内装式电主轴结构。电动机的转子与机 床的主轴间是靠过盈套筒的过盈配合实现扭矩 传递的，其过盈量是按所传递扭矩的大小计算 出来的。在主轴上取消了一切形式的键连接和 螺纹连接，便于使主轴运转部分达到精确的动 平衡。 （1）电动机置于主轴前后两轴承之间。如图74a所示
（2）电动机置于后轴承之后。如图7-4b所示, 前后轴承间的跨距及主轴前端的伸出量，均应按
• 能好、无接触、无摩擦、无磨损、高精度，不需 润滑和密封，能实现实时诊断和在
• 线监控。故被美、法、瑞士、日本、中国等很多 国家作为研究对象，是超高速主轴
• 合适而且理想的主轴轴承，但价格昂贵，还有些 技术问题尚未完全解决，因而限制了它的推广使 用。
• 7.2.3 电主轴的冷却和轴承的润滑
• 与—般主轴部件不同，电主轴最突出的问题之一就是内 装式高速电动机的发热。
• 解决的办法之一就是在电动机定子的外面加一带螺旋槽 的铝质冷却套3(见图7-4)。
图 7-2
4．减小工件振动 5．可加工各种难加工材料 6．降低生产成本 7.1.2 高速加工的关键技术 1．高速加工的理论支持 2．高速切削机床结构 高速切削技术对机床提出了许多新的要求，概括起来是： （1）机床结构要有优良的静、动态特性和热态特性； （2）主轴单元能够提供高转速、大功率、大扭矩； （3）进给单元能够提供大进给量； （4）主轴和进给单元都要能够提供高的加(减)速度。 针对这样的要求，高速加工机床全新结构设计包括以下几方 面内容： （1）高速主轴单元 高速切削机床的主轴采用内装式电主轴结构或内埋式电主轴 结构。
静刚度和动刚度的要求来计算
图 7-4
wk.baidu.com
• 另一种类型的电主轴结构采用内埋式永磁同步电动机， 如图7-6所示
• 主轴部件由高速精密陶瓷轴承支撑于电主轴的外壳中， 外壳中还安装有电动机的定子铁心和三相定子绕组。为 了有效地散热，在外壳体内开设了冷却管路。主轴系统 工作时，由冷却泵打入冷却液带走主轴单元内的热量， 以保证电主轴的正常工作。主轴为空心结构，其内部和 顶端安装有刀具的拉紧和松开机构，以实现刀具的自动 换刀。主轴外套内有电动机转子，主轴端部还装有激光 角位移传感器，以实现对主轴旋转位置的闭环控制，保 证自动换刀时实现主轴的准停和螺纹加工时的C轴与Z轴 的准确联动。