电主轴相关英文文献中文翻译.doc

1、高速高精密电主轴的研究进展级关键技术摘要：高速加工和高精度加工是世界范围内，制造业的两个发展方向。电主轴是机床实现高速度和高精密加工的核心组成部分，这在很大程度上影响了机床的总体发展水平。本文综述了一些关键技术的进展，包括：高速高精度电主轴的轴承、主轴的动力学和热学特性，高频马达和驱动器设计技术，马达的抗电磁损害技术，以及机械加工和装配技术。最后，介绍目前电主轴的发展趋势。关键词：电主轴，高速加工正文：1、简介近几十年来，高速加工技术表现出了快速和巨大的发展。相比传统的机械加工，这项技术的主要优点如下：（1）材料去除率和生产率大幅上升; （2）切削力可降低30以上，尤其是在径向方向;（3）切削

2、热大部分被带走，芯片和工件可以保持在非高温的状态，这是由于被切割工件很容易受到热影响变形;（4）旋转，振动小，这对创造良好的表面质量，高尺寸精度要求很有帮助，因为机床切削刀具和工件处理系统工作频率远高于整体自然频率。实现高速加工的一种关键方法是使用电主轴。电主轴是一种新的设计，它配备有内置的电机作为主轴的组成部分。高速轴承技术，电主轴技术涉及高速电机技术，高速工具的技术，冷却和润滑技术以及现代电流改变技术。电主轴的传动系统设计消除了齿轮，皮带等传动设备的需求，从而避免了震动和噪音，提高主轴回转精度。它可以实现快速停止，快速获得高速度和大的加速度，它的主轴也可以获得较大的输出功率，宽范围的操作和

3、出色的扭矩是它的特点。电主轴的应用，不仅可以提供更高的生产率，更好的表面光洁度和降低生产成本的好处，但也实现薄壁零件和高精密加工淬硬材料。它代表了高速主轴的发展趋势之一。在本文中，对电主轴技术的进展进行了综述，其中高速，高精度主轴轴承，主轴的动力学和热学特性，高频马达和驱动器，电机的防电磁损害工艺设计技术，以及在机械加工和装配技术的应用。也有一些对于电主轴未来发展趋势的预测。2、高速，高精密轴承实现电主轴的高速和高精度，关键组件是主轴的轴承部分。目前，大功率高速精密电主轴多采用的陶瓷角接触轴承和液压混合角接触轴承。气体轴承不适用于高功率的场合，然而应用磁悬浮轴承其高价格和复杂的控制系统，造成其

4、适用的局限性。角接触陶瓷轴承通常用作精密数控机床的主轴支持。但是，动态载荷造成了巨大的离心力和陀螺力矩导致回转的高速运动具有比通常状况下更高的切割载荷。使用混合轴承附加陶瓷辊棒和钢圈可以减少它们。所用的陶瓷辊棒材料往常是氮化硅。由于其密度小，热膨胀系数小，且具有大的弹性模量，高硬度，它可以大大降低辊的离心力和陀螺力矩。因此，它可以提高轴承的旋转极限速度，使用寿命，减少轴承温升。除了混合轴承，在国内和国外的实验研究，陶瓷轴承在目前高速精密主轴的使用比较普遍。它的内外环以及保持架的材料是陶瓷辊氧化锆，氮化硅，氧化铝，聚四氟乙烯等。陶瓷辊棒的力量是保证烧结过程的等静压。其加工精度保证了加工方法和测量

5、技术。现在在国内的轧辊加工精度可以达到G5水平。陶瓷轴承内圈和外圈的加工精度也很重要，这就需要特殊的技术设备，解决了环的约束。在加工的陶瓷轴承内，外圈的准确性、一致性也需要通过适当的技术设备和工艺保证。 虽然目前大多数支持高速精密电主轴的是陶瓷角接触轴承，但是一些公司仍然对液压混合轴承的研究，因为滚动轴承在极限转速还有大的载荷条件下的寿命很短。虽然液压混合轴承有一个很长的寿命，但是他却很难达到高速度的要求。层流和湍流惯性计算，出油腔的结构，轴承的温升及热变形的控制研究设计，润滑技术的研究是非常重要的。当主轴高速旋转，其中的液压混合轴承润滑油一部分是层流，而另一部分是湍流。在工程中采用传统的假设

6、只存在有层流往往带来很大的错误，是适合高速滑动轴承动力学研究的。对于高速液压混合轴承，润滑油的物理特征，只有在高速的条件下出现，例如湍流，惯性，在浅槽和湿陷性的动态效果，必须考虑根据要求，这润滑剂从层流转移到湍流后，高速液压混合轴承线速度接近或超过50米/秒5。其他因素例如表面粗糙度及杂质，轴承的结构，轴承的倾斜偏差，温升效果及离心力的作用，都能够影响到润滑油的流动性。他们都必须一并加以考虑。其次，适当的油腔结构需要减少卸载功率损耗，因为卸载功率损耗比例将逐步增加，与此同时混合主轴单元在一个较高的速度运行。第三，随着对轴承的转速的增加，润滑效果和剪切湍流流动的影响将加速轴承温升，这将增加摩擦功

7、率损失和浪费相当多的功率。轴承的热变形还有它的温度梯度必须足够小，轴承和主轴的热变形必须一致，这是因为温度上升所造成的热变形会对轴承的动态平衡产生影响，润滑剂粘度和轴承的配合间隙能够显著影响的轴承性能。最后，在高转速的工作条件下，在润滑油中的颗粒将被分离出来，改变了润滑油的性能，从而影响主轴的稳定性。3动态及主轴的热特性3.1球轴承热特性 在滚动元件轴承摩擦种类如下：纯滚动摩擦，由于弹性滞后，鉴别滑动摩擦，滚动接触，纯滚动体滑动，滚道的接触，机构之间的固体润滑剂粘性摩擦，滚动摩擦的摩擦打滑滚动体，滚动体旋转的陀螺仪摩擦，滑动架和滚动体之间的摩擦，笼子和滑动轴承套圈，对于具有变结构设计的，除了上

8、述摩擦轴承等类型，密封摩擦需要加以考虑。一个由上述摩擦，从而引起摩擦热使很多行为和润滑油的轴承元件的热膨胀变化。更有什者，轴承将无法因热扣押和烧它的一个结果。由最初的轴承产生的热量也进行到通过轴承内圈轴并通过轴承外圈圆柱，并随后影响精度，刚度和主轴的使用寿命。 温度分布的计算是基于对轴承摩擦热，热传递模型和热流阻力计算。许多研究者都提出了关于摩擦力和扭矩，对轴承温度分布网络的计算方法计算方法，强制对流换热的润滑油膜，传热初步交换承载网模型公式，轴承的热稳定性理论等，但轴承摩擦热的影响主轴转速和刚度上没有充分考虑。当主轴转速增加，轴承负荷，运动学和动力学有更多相关的摩擦热量。如今，主轴温度控制增

9、长，改善了轴承的结构设计。减少摩擦热的选择较小的旋转角的角度，以减少摩擦力矩包括手段，优化滚道外圈半径系数和指导笼模式。3.2机动主轴热特性有两个在一个完整的高电主轴系统6的速度。首先，很难准确计算到电机轴承进行热管传热特性的复杂原因。其次，它是很难准确地描绘出了最初的轴承产生的热量。由于轴承的旋转，其热传递时表现出一个国家的一个滚动的球滚道表面与其他国家接触，但表现出旋转时表面无接触的，从而导致轴和轴承内圈温度场的波动。此外，电动机的转子和定子之间的传热，冷却定子之间的夹克和冷却剂的热交换，并与周围环境之间的机动锭纱锭也增加并发症的传热热交换。当前，改善高速电动主轴的热特性的主要方法是减少热

10、量的产生热源，加强散热和补偿的机动主轴热位移。内有两个高电主轴速度的主要热源损失热量积聚在马达和轴承摩擦热量。由电动机产生的热量包括在定子绕组和磁芯损耗在转子，其中定子绕组产生的热量超过2/3的总发电电动机主要铜损。为降低定子绕组产生的热量设计的方法，包括选择合适的导体材料，确定合理的负载电流密度，改变绕组的分配形式等，由于该转子的散热是在恶劣的条件，它是直接在安装轴，径向传热的阻力，为了设法降低平时转子设计成热量，热流和定子通过空气间隙气缸尽可能它是由冷却液删除。在轴向长度热主轴延伸补偿装置方面，精确的位移传感器用于Fisher公司来衡量轴的长度延伸。对IBAG公司都配备了电动主轴轴向尺寸监

11、测传感器在轴向方向的动态补偿。测量精度可达到0.001毫米。3.3设计的动力和热性能设计一个高速精密电主轴的目的是为了获得高刚性，高动态精度，可靠性高，振动强度。传统的动力学分析方法通常计算固有频率的有限元方法和振动模式或转让的过程来看，作为一个刚性弹簧支座假设的基础矩阵数值方法。这种方法不能解释的动态现象，主轴的固有频率与转速变化，以及轴承的刚度非线性变化的特点是不考虑。根据电主轴的实际运作特点，有必要把作为一个统一系统进行动态分析“轴承主轴电机轴承座“。在同时支持刚性的非线性特性和主轴的动态表演主轴的热性能的影响，应充分考虑。动态全电主轴的优化设计是基于对轴承系统动力学仿真。在设计轴承的动

12、力和热力性能的因素主要表现如下（1）非线性的滚动接触面刚度的变化原则：轴承的刚度经常变化，如之间的轴承支撑刚度，其旋转速度，数量有限存在的非线性关系的一些变化因素轧辊，轴承单元之间的接触面的几何误差，对轴承的材料和弹性变化的外部力量。考虑到预加载方法和计算之间的接触辊和内，外圈的角度，我们可以提出适当的方法来计算之间的轴承内部的变形几何关系为基础的内，外圈的接触刚度。（2）热变形和主轴扩散原则：由主轴的弹性变形引起的误差是非常因为高刚性和主轴部件精密小，而由主轴的热变形引起的误差往往大于其他错误。在高转速，主轴的支承轴承和电机的转子是该电主轴的多区域，主要热源，这将导致主轴热变形，改变轴承预紧

13、情况，影响加工精度主轴，甚至烧坏轴承。因此，重要的是要建立一个数学模型的热扩散和高速电动主轴精度失真7。在获得主轴的热传导系数，主轴的热分析可以进行了预测，对轴承的表演间隙变化的影响。4精密加工和精密装配为了保证回转精度和主轴在高速机动条件下刚度，主轴单元的关键部位，如轴，墨盒，前方和后方轴承座，垫片，袖子的干扰用于固定轴承的位置，很快，都必须精确加工。主要因素有一个主轴性能有很大影响，是精确的拟合轴和轴承之间的跨面的磨削加工，装配之间的圆锥孔轴的界面和工具持有人，而中心轴孔中，同轴度误差的装修之间的轴和轴承间的脸。作为精密主轴semblies包括轴之间的接口和转子之间的轴和轴承的接口，与轴和

14、轴承垫片接口之间的轴和轴套的定位干扰的接口，这些接口之间的主轴与刀具之间，主轴和轴承座，主要结果在一般主轴刚度和动态精度的接口。发展了高连接刚性和重复定位精度高的固定连接方式是必要的。对于机动纱锭，如果速度很高，锥孔底主轴将扩大在离心力的作用，这将导致减少的定位精度和刀具的连接刚度。5高频马达和驱动器设计为了实现高速性能所应考虑的主要因素是轴承加热和震动，电机的功率密度，以及变速电机驱动器的性能。在目前这个时候，现有的生产电动主轴都是交流感应模式。主要优点在于结构简单，成熟的制造技术，易于实现高的速度。但是，经常产生感应主轴马达转子在大量的热。他们的低速性能差，转子的参数强烈依赖于温度。所以这

15、是不容易实现精确控制。对于电主轴感应，一个中央冷却系统必须减少与在电力容量的增加以及在旋转轴的温度上升的速度增长。此外，轴向预紧的轴承恒定压力的目的是克服轴向轴的热变形的影响。为了克服缺点的感应电动机，永磁（下午）同步电动主轴发展。他们的优点分述如下：（1）转子不产生热量，从而克服了轴的热变形和热传递对轴承（2）转子的小功率损耗。电机具有更大的功率密度，更高的工作效率，以及更高的功率因数。与同容量异步电动机相比，永磁电机的驱动设备体积更小，（3）由于它的体积和重量大大减少，其转动惯量较小，很容易实现快速启动和时间停止;（4），其输出力矩大，这是一个以上的时间比同等体积的异步电动机大;（5）具有

16、良好的低速性能;（6）易于精确控制。他们虽然有上述优点，电动主轴同步发电能力是有限的。和削弱磁场来调节速度是非常困难的。采取一些措施，克服缺点：（1）选择内置的转子结构，减少之间的定子和转子气隙长度，增加电感，这将有利于减弱磁场，实现高速; （2）使用转子磁场定向控制方法;（3）使用的AC - DC- AC的电压自动控制模式;（4）降低了定子槽开维，利用磁楔，减少定位力矩实现高精确控制;（五）研究和发展同步驱动电源模块，这使主轴实现高速增长。6技术抗电磁失败如今，脉冲宽度调制（PWM）变频变速电主轴技术被广泛用于实现高速增长。这项技术，但是，把一些如轴承故障，损坏编码器，绕组绝缘电机故障以及不

17、良影响。以PWM技术，三相交流电源应先转换成三相直流电源和整流器和滤波器合格后，应采用直流电压逆变器。然后，直流电压应转换成交流电压。最后，对电主轴转速可随输出电压和逆变器频率。虽然理论值为零根据矢量三相电压合成转化为PWM驱动器的理论，是有关系的PWM三相功率器件和正弦三相电网供电很大的差别。正弦三相电源的三个引脚保持平衡和对称，而事实上，矢量合成值不等于零，在PWM三相功率器件，导致共模电压。共模电压会产生油膜润滑放电，导致电化学反应两种润滑膜和辊道表面，在电磁失败的结果。更进一步，轴电压非对称电主轴在空气中，静电耦合的外部电磁干扰和静电电荷从系统内部产生的积累会导致失败的润滑电磁感应造成

18、的差距电影在轴承放电形式。该电压的dv/高开关绝缘栅双极晶体管（IGBT）的频率高造成dt的变化率在PWM是一种对润滑膜电磁失败的重要原因。随着电力设备的快速发展，关断晶闸管时间下降和载波频率的增加将提高输出的PWM电压性能越来越接近正弦三相电源，这将提高性能变频器和意愿，但是，请电磁伤害越来越严重。在DV的效果/ dt电流，会发生降解润滑剂，从而导致润滑性能下降，最终导致服务的轴承寿命下降。7发展趋势高速加工技术的现状进行审查和几个制约了电主轴发展的关键技术，本文介绍了系统。该电主轴技术，需要考虑的一些发展趋势如下。（1） 为了减少热量的产生，提高了电机的功率密度，开发永磁同步电动主轴驱动系统是和他们的预期。（二）发展高速大功率电动主轴的动态和静态液压轴承支撑是非常提高主轴的使用寿命，减少维修次数必要的。（3）电主轴分析其中的“轴承轴电机基地“，是作为一个整体系统的集成要求特殊的软件是为优化主轴热机械动力行为。（4）为提高制造精度，开发新工艺，新设备和精密加工和精密的部件和零件装配的机动主轴机床针对新的特殊需要。