机床主轴设计及相关技术研究【说明书+CAD】
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机床主轴单元1.介绍 机床主轴基本上完成两个任务:在空间精确的旋转刀具(钻削,铣削,磨削)或工件(车削);把所需要的能量传递到切削区。 很显然主轴对切削效率和机加工件的质量有很大影响,这篇文章评论了目前的状态和介绍了主轴技术的研究挑战。1.1历史回顾 典型地,主轴是被皮带或齿轮驱动的,转速只能通过改变传动比或通过电器开关改变驱动级的数量来改变。 之后,简单的电气或液压控制器开始发展,主轴旋转速度通过无级调速方式来改变,要提高生产力就需要更高的速度,加工技术要求发展新型轴承,电力电子与逆变器系统。在致力于发展紧凑的电力电子(静止变频器)领域的进步导致在使用高频三相异步电动机上的低成本维护,对于早在80年代的主轴,高转速只能利用磁力轴承来实现,在轴承,润滑,滚动材料和驱动系统(马达和转换器)领域的持续发展已经允许建造直接驱动电机主轴来满足目前各种需求。1.2 主要结构 如今,绝大多数机床都装配了点主轴。不同于外部驱动主轴,电主轴不需要像齿轮和接头一样的机械传动单元。主轴至少有两套主要的球轴承系统。轴承系统是对主轴的寿命影响最大的组成部件。最常见的电机是安装在两个轴承系统之间。而冷却主要是通过水冷。冷却剂流过电机定子周围的冷却套而还经常流过轴承外圈。主轴末端的密封件防止碎屑及切削液的侵入,通常这些是做了空气净化的。一个标准的工具接口例如HSK和SK是被放置在主轴前端的。一个夹紧系统是用于快速automatictool变化。理想情况下,一个可以控制夹紧力的未夹紧单元需要可靠的加工。如果切削液一定要通过刀具流到切削上,那么对应的轨道和旋转机构就要求具有夹紧系统的特点。今天,几乎每个主轴都装配有用于监视电机温度(热敏电阻或热电偶)的传感器和定位夹紧系统。用于监测轴承的附加传感器,可以监测驱动过程的稳定性,但在许多工业领域却不太普遍。1.3当前发展状况 大功率、高转速电主轴是为了加工用于航空、航天工业的大型铝制框架而发展起来的。高转速、低功率的电主轴用于电子工业为印刷电子版钻孔(PCB)。1.4工业方面的实际开发领域当前电主轴的发展主要集中在电动机的技术,降低用于预防性维护监测的成本。另一个核心问题是为了减少主轴上的热量发展用于抵消存在的约束力和输出频率的驱动系统。过去注意力主要放在增加可靠的旋转速度。如今,如今的关注点已经改变,朝着具有高转速(15000r/min)的同时还要有很高的转矩。由于在可靠性,产品生命周期和可预测维护方面需求的增加,电机主轴的状态监测系统变得越来越重要。对主轴各状态参数的定期和或连续观测能够检测磨损、过热和即将发生的故障。了解主轴的产品寿命周期费用对预测服务期间内的维护、故障和运行成本有很大帮助。2.应用领域和具体需求 主轴被研制和制造的主要目的是实现金属切削效率和加工精度的最大化。工件材料可以分门别类,包括简单的,例如像铝,要用具有高转速和大功率的主轴,还包括难加工的,例如镍钛合金,要求主轴除了具有较低的转速,还要具有较大的转矩和刚度。切削具有磨料碳或碳纤维塑料的工件材料要求主轴前端具有良好的密封性。给电路板钻孔的主轴转速要控制在100 000到300 000转/每分钟。随着空气轴承的精度的不断提高,电机主轴应用领域的生产力和转速也在不断提高。用于模具加工的主轴必须以很高的进给率完成粗轧机组操作(高性能切割、HSC)、以很高的切削速度完成切削过程(高切削速度,HSC).依据磨具和压铸车间的实施策略和机械装置,可以是两个机床配备两个不同的主轴或一个机床配备一个主轴切换单元。另一种情况就是用一个主轴来同时完成高速切削和高性能切割,但生产力仍然保持合理的水平。航空航天用的主轴要求具有大功率和高转速。如今的主轴要求材料切除率达到每分钟切除铝材料101个单位。磨削是一个要求高精度的操作过程,需要轴承具有很小的摆动的刚性轴。目前的内部磨床主轴要求轴承摆动不超过1毫米。主要用于钻孔的主轴单元要求具有很高的轴向刚度,这需要使用具有高接触角的角接触球轴承来实现。相反,高速铣削操作要使用有小接触角的轴承用以减少由于离心力引起的径向刚度变化。现代加工中心往往具有多种功能如铣、钻、磨,有时珩磨操作可以在相同的工件上实现。提高机床先进性的瓶颈仍然是机床主轴,因为他不能在相同精度的条件下满足所有的操作。可重构和模块化的机床需要有规范化的机械、液压、气动、电气接口的可互换的主轴。3.主轴分析 主轴单元的模型和分析的目标是为了实现最大的动态刚度,以最小的尺寸和功率增加材料去除率,在设计阶段模拟主轴的性能和优化它的尺寸。主轴装配的机械部件是由安装有轴承的空心主轴组成。角接触球轴承广泛用于高速主轴,由于其低摩擦性能和可以同时承受径向和轴向载荷的能力。主轴可以在有限元环境下用梁、块、或管道单元来模拟。轴承刚度可以用一个球轴承接触角的函数、在操作期间由主轴的外部负载或热膨胀所引起的预紧力来模拟。运动方程以矩阵的形式导出,包括陀螺和离心效应,还有得到了附在主轴上的工具的固有频率、振型的形状和频率响应函数。如果轴承刚度与速度有关,或如果主轴在切削载荷下模拟,数值方法用于预测沿主轴轴振动荷载和轴承上的接触载荷。主轴仿真模型考虑了主轴设计参数的优化,目的是为了使主轴在全速运行时达到最大的动刚度,用一把指定的专用刀具用指定的速度实现最大轴向切削深度。在不损坏轴承和主轴的前提下以指定的速度,主轴设计的主要目标是实现切除材料的最大化,同时还要保证各项其他指标如精度和可靠性。3.1实验模拟 一个现有的电主轴的动态行为是通过测量它的力和位移之间的频率响应函数得到的。在机械加工过程中,主轴结构会引起振动,可测量的频率响应函数可以用曲线来拟合,可用于预测固有频率、阻尼比和刚度值。频率响应函数的实验测量对于在加工工艺设计阶段评估动态刚度和确定切削颤振条件是实用的。然而,以下困难需要考虑在内: (1)只需要测量旋转轴的一小部分就可行了,因此模拟整个主轴是不可能的; (2)运算速度和温度主要影响特征值,但当主轴旋转时频率响应函数的测量是相当困难的; (3)运用从测量的输入和输出数据中提取的参数进行曲线拟合或其他方法并不总是得到主轴动态参数的精确分析。3.2理论模型理论模型是基于物理定律,在设计阶段用来预测和改善主轴的性能。模型提供输入F(力,速度)和输出q(挠度,轴承载荷,和温度)之间的数学关系。数学模型可以用状态空间形式或通过一系列的微分方程来表达,在这两种方案中主轴的线性或非线性行为都可以被精确的模拟。3.2.1轴和外壳的力学建模 有限元方法普遍适用于主轴的结构力学和动态模型。该方法是通过偏导数微分方程组在有限元区域基于结构的离散化。该分析属于转子动态研究的类型,具有对称性的轴通常用梁单元来模拟,可以得到质量和刚度矩阵。Timoshenko梁单元最为常用,因为它考虑了弯曲、转动惯量和剪切的影响,因此对主轴的固有频率和模态形状的预测有很大帮助。普遍都知道的有限元分析软件ANSYS中PIPE16单元也是使用了Timoshenko理论与质量和刚度矩阵。3.3角接触球轴承的建模 角接触球轴承普遍应用于高速主轴。为了保持径向和轴向的旋转精度和足够的刚度以满足基本的操作要求,轴承需要预紧来防止打滑。基本上,有两种类型的轴承预紧力:刚性预紧和恒预紧。图1 机床主轴轴承系统的有限元模型 毕 业 设 计 任 务 书1毕业设计的任务和要求:掌握机床主轴的基本知识;掌握机床主轴设计的技术关键;研究数控机床主轴单元的关键技术,掌握其相关知识及选型、应用、设计方法等;完成一种数控铣床主轴单元的设计,要求主轴工作的转速可达8000r/min,输出功率可达5kW,使用40柄刀具。2毕业设计的具体工作内容:1) 分析题目要求,查阅相关的国内外文献、设计资料、有关专利文献等,在此基础上,了解开题报告的撰写方法、基本要求,完成开题报告;2) 学习和掌握机床主轴的有关知识,了解主轴单元、电主轴的有关知识及发展现状;了解数控机床、加工中心对主轴的要求;总结机床主轴的设计要点、技术关键及发展方向;力争提出主轴设计的发展方向;3) 按题目要求,设计一种数控铣床的主轴单元,完成装配图及主要零件图,给出功率、强度、刚度、轴承等必要的计算;4) 编写设计说明书;5) 翻译本专业外文科技文献一份。毕 业 设 计 任 务 书3对毕业设计成果的要求:1)主轴装配图、主要零件图;2)主轴技术的研究及设计说明书一份;3)本专业外文科技文献译文一份。4毕业设计工作进度计划:起 迄 日 期工 作 内 容2016年 02月29日 03月21日 03月22日 04月30日05月01日 05月20日05月21日 05月31日06月01日 06月05日分析课题要求,查阅相关文献资料,了解机床主轴设计的国内外现状及发展趋势,提出自己的设计思路,完成开题报告;全面掌握主轴相关的基本知识,了解高速主轴的关键技术,了解主轴单元的设计特点;分析总结主轴技术的发展方向;设计主轴,完成装配图和主要零件图;完成研究总结及设计说明书撰写答辩讲稿,准备答辩;学生所在系审查意见: 同意下发任务书系主任: 2016年 2 月 29 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计课题情况,根据所查阅的文献资料,撰写2000字左右的文献综述: 文 献 综 述1.1国内外机床主轴研究现状 (1)国内研究现状 目前国内研究高速电主轴的科研机构有我国河南省洛阳轴承研究所 ,他们能自行研究开发电主轴 ,其DmN值达到了很高的水平 ;广州钜联高速电主轴有限公司研发的大功率静压轴承电主轴曾获得日内瓦国际专利技术博览会金奖 ;广东工业大学高速加工和机床研究所也开发了数控铣床高速电主轴。其主要技术指标为 :电主轴的额定功率是 13.5kW ,最高转速为 180 0 0r/min ,在额定转速 5 0 0r/min时产生最大输出转矩为 85Nm。在我国的安阳市 ,有一家中外合资的电主轴生产厂家安阳莱必泰机械有限公司 ,它拥有先进的电主轴、机床主轴设计和制造技术。该公司研制生产的加工中心电主轴 ,采用先进技术 ,配有矢量闭环控制系统 ,能对主轴实行恒功率调速 ,准停制动。功率为 3.7 2 5kW ,恒功率段 15 0 0 12 0 0 0r/min。采用进口高速精密轴承 ,旋转件经高精度平衡。该系列产品具有高精度、高刚度、高速度、低噪声、低振动、低温升等优点 ,系99国家火炬计划项目。 (2)国外研究现状 国外高速电主轴技术由于研究较早 ,技术水平也处于领先地位 ,电主轴已越来越多地应用到工业制造业中。著名的有瑞士的Fisher公司、Ibag公司、德 国的GMN公司、Hofer公司、Siemens公司、意大利Faemat公司、Gamfior公司及美国Ingersoll公司、日本Okuma公司和Fanuc公司等,它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点 :功率大、转速高。采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承 ,主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承 ,特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。精密加工与精密装配工艺水平高。配套控制系统水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。并在此基础之上,这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床。如瑞士米克朗公司 ,就是世界上著名的精密机床制造商。它生产的机床配备最高达 6 0 0 0 0r/min的高速电主轴 ,可以满足不同的切削要求 ,所有的电主轴均装有恒温冷却水套对主轴电机和轴承进行冷却 ,并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑。所有的电主轴均采用矢量控制技术 ,可以在低转速时输出大扭矩。国产电主轴和国外产品相比较 ,无论是性能、品种和质量都有较大差距 ,国产电主轴产品和国外的相比较 ,主要存在以下差距 :(1)国外电主轴低速段的输出扭矩最大可达 30 0Nm ,而我国目前仅在 10 0Nm以内。(2 )在高转速方面 ,国外用于加工中心的电主轴转速已达 75 0 0 0r/min ,我国则多在15 0 0 0r/min以内。(3)电主轴的轴承润滑 ,国外普遍采用油气润滑 ,而我国仍用油脂润滑。(4 )其他配套技术也有较大差距 ,如主轴电机矢量控制、交流伺服控制技术、精确定向技术、快速启动、停止等。(5 )在产品的品种、规格、数量和制造规模等方面 ,国产电主轴仍然处于小量研发试制阶段 ,没有形成系列化、专业化 ,远不能满足国内数控机床和加工中心发展的需求。所以目前国产的高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴 ,仍然主要从国外进口。1.2主轴技术的发展趋势1)继续向高速度、高刚度方向发展由于高速切削和实际应用的需要,随着主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具及其接口技术等相关技术的发展,数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势,如钻、铣用电主轴,瑞士IBAG的HF42的转速达到140000rmin,英国WestWind公司的PCB钻孔机电主轴D1733更是达到了250000rmin;加工中心用电主轴,瑞士FISCHER最高转速达到42000rmin,意大利CAMFIOR达到了75000rmin。在电主轴的系统刚度方面,由于轴承及其润滑技术的发展,电主轴的系统刚度越来越大,满足了数控机床高速、高效和精密加工发展的需要。2) 向高速大功率、低速大转矩方向发展根据实际使用的需要,多数数控机床需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求,因此,机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。如意大利CAMFIOR、瑞士StepTec、德国GMN等制造商生产的加工中心用电主轴,低速段输出转矩到200Nm以上的已经不是难事,德国CYTEC的数控铣床和车床用电主轴的最大扭矩更是达到了630Nm;在高速段大功率方面,一般在l050kW;CYTEC电主轴的最大输出功率为50kW;瑞士StepTec电主轴的最大功率更是达到65kW(S1),用于航空器制造和模具加工;更有电主轴功率达到80kW 的报道。 3) 进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展用户对数控机床的精度和使用可靠性提出了越来越高的要求,作为数控机床核心功能部件之一的电主轴,要求其本身的精度和可靠性随之越来越高。如主轴径向跳动在0.001mm 以内、轴向定位精度0.0005mm以下。同时,由于采用了特殊的精密主轴轴承、先进的润滑方法以及特殊的预负荷施加方式,电主轴的寿命相应得到了延长,其使用可靠性越来越高。StepTec的电主轴还加装了加速度传感器,降低轴承振动加速度水平,为了监视和限制轴承上的振动,安装了振动监测模块,以延长电主轴工作寿命。4) 快速启动、停止响应速度加快为缩短辅助时间,提高效率,要求数控机床电主轴的启、停时间越短越好,因此需要很高的启动和停机加(减)速度。目前,国外机床电主轴的启、停加速度可达到lg以上,全速启、停时间在ls以内。5) 轴承及其预加载荷方式、润滑方式多样化除了常规的钢制滚动轴承外,近年来陶瓷球混合轴承越来越得到广泛的应用,润滑方式有油脂、油雾、油气等,尤其是油气润滑方法(又Oil-air),由于具有适应高速、环保节能的特点,得到越来越广泛的推广和应用;滚动轴承的预负荷施加方式除了刚性预负荷(又称定位预负荷)、弹性预负荷(又称定压预负荷)之外,又发展了一种智能预负荷方式,即利用液压油缸对轴承施加预负荷,并且可以根据主轴的转速、负载等具体工况控制预负荷的大小,使轴承的支承性能更加优良。在非接触形式轴承支承的电主轴方面,如磁浮轴承、气浮轴承电主轴(瑞士IBAG等)、液浮轴承电主轴(美国Ingersoll等)等已经有系列商品供应市场。 6)向多功能、智能化方向发展在多功能方面,有角向停机精确定位(准停)、C轴传动、换刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密补偿、换刀自动动平衡技术等。在智能化方面,主要表现在各种安全保护和故障监测诊断措施,如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、主轴振动信号监测和故障异常诊断、轴向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监测和自动控制、刀具磨损和损坏信号监控等,如Step-Tec 电主轴安装有诊断模块,维修人员可通过红外接口读取数据,识别过载,统计电主轴工作寿命。参考文献1郑修本.机械制造工艺学.机械工业出版社,2012,032韩秋实.械制造技术基础.北京:机械工业出版社,2010 3 谷玉芳.立式加工中心主轴箱的抗振特性研究和拓扑优化设计D.陕西科技大学 2012.4秦大同.谢里阳.现代机械设计手册(第1卷).化学工业出版社,2011,035孙开元.骆素君.常见机构设计及应用图例.化学工业出版社,2010,076凌云.朱金生.机械设计实用机构运动仿真图解.电子工业出版社,2014,017杨雪宝.机械制造装备与设计.西北工业大学出版社,2010.8 李国斌.机械设计基础.机械工业出版社出版,20109辛文彤.Solidworks2012中文版从入门到精通.人民邮电出版社, 2012,0110詹迪维.Solid Works高级应用教程(2012中文版).机械工业出版社,2012,0311 吕建法,闫兵,王文芝.镗铣床有限元建模及其瞬态动力学分析J.机械工程师. 2012(12).12 任小星.BFK150/2镗铣床主轴夹紧装置的改造J.制造技术与机床.2016(02).13 刘超峰,张功学,张淳,陈英.DVG850高速立式加工中心主轴箱灵敏度分析J.组合机床与自动化加工技术.2010(10).14 张霄.机床主轴箱的固定联接及其结构方案设计D.大连理工大学2015.15 张乐平.面向重载数控车床的主轴箱结构优化D.南京航空航天大学2014.16 陆畅.重型数控车床主轴箱的分析及优化D.沈阳航空航天大学2014.17 梁东旭.球面车磨床主轴箱及其关键零件的有限元分析与优化D.兰州理工大学 2013.18 韩君.组合机床主轴箱智能设计系统的研究D. 河北农业大学 2012 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段(途径):2.1研究或解决的问题 (1)通过对自己所查找的相关资料,了解掌握铣床主轴的基本知识。 (2)熟悉铣床主轴单元的关键技术,掌握其相关知识及选型、应用、设计方法等。 (3)学会CAD设计软件,完成相应的工程图设计。 (4)编写说明书。2.2拟采用的设计方案 (1)本次设计拟采用数控铣床的电主轴,其结构如图所示: 图1 数控铣床主轴结构图 (2)主轴伺服驱动器的选择:由于本次设计要求主轴工作转速达8000r/min,输出功率达5KW,可采用深圳步科的伺服驱动器。具体的相关的技术参数如下:控制器等级,0.75Kw75Kw;调速范围,0r/min15000r/min(四级电机);0r/min30000r/min(二级电机);本次的电机的主功率为5Kw,转速8000r/min。 (3)确定主轴的主要结构参数:确定主轴的轴径、主轴前端悬伸量和主轴主要支承间的跨距。 (4)利用CAD软件绘制工程图。2.3拟采用的研究思路和手段初步拟采用理论分析和结构设计相结合的研究方法。针对铣床主轴单元设计主要采取以下方法: 收集国内外相关研究资料,对其进行详细分析并总结各自方案的优缺点;通过对比国内外研究情况,提出自己的看法,拥有自己的创新点。通过对机构进行总体分析并详细设计,初步确定本设计的研究思路。总结自己的思路,并与指导老师、同学们进行交流,最终确保本毕业设计思路的正确性和可行性。在做毕业设计的过程中,如果遇到疑问或问题,及时与老师沟通交流;最终完成铣床主轴变速箱设计。撰写毕业设计说明书,准备答辩。进度安排:2月29日-3月3日:查阅资料3月4日-3月21日 :撰写开题报告 3月22日-5月18日:确定优化方案 5月19日-6月1日: 完成毕业论文初稿6月2日6月5日:根据指导老师意见,修改论文初稿,完成终稿,准备答辩 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见:报告表明,该同学近期查阅了大量文献资料,特别是企业产品的技术资料,对数控机床、电主轴等有了一些新认识。对国内外采用了什么新技术,关键技术等还有些不足。但对设计任务基本明确。 同意开题。 指导教师: 2016 年 3 月 22 日所在学院审查意见: 同意开题 负责人: 2016 年 3 月 22 日
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