注液式高速切削主轴动平衡装置设计及其性能研究

机床主轴系统的动态特性研究引言：机床作为制造业中的重要设备，起着关键的作用。

而机床的核心部件之一，主轴系统，直接影响着机床的性能和精度。

因此，研究机床主轴系统的动态特性，对于优化机床设计和提高加工效率具有重要意义。

一、机床主轴系统简介机床主轴系统是机床的核心部件之一，主要由电机、轴承、刚性连接件等组成。

它承载着传递动力和负载的功能，同时具备高速运转和精确控制的要求。

二、机床主轴系统的动态特性1. 动态刚性机床主轴系统的动态刚性是指在外界作用下，主轴系统的变形程度。

它直接影响着机床的切削精度和表面质量。

动态刚性的研究中，需要考虑轴承、刚性连接件的刚性和主轴的轻负载刚度。

2. 动态特征频率机床主轴系统具有多个共振频率，它们对应着系统的固有振动频率。

在机床的实际工作中，共振频率的发生会导致机床的振动加剧，甚至发生共振破坏。

因此，研究机床主轴系统的动态特征频率，是保证机床运行安全和精度的重要手段。

3. 动态不平衡机床主轴系统在高速运转时，常常会出现动态不平衡现象。

不平衡会导致系统振动加剧，降低机床的加工精度和表面质量。

因此，研究机床主轴系统的动态不平衡特性，有助于提高机床的稳定性和加工质量。

三、机床主轴系统动态特性的研究方法1. 实验方法实验方法是研究机床主轴系统动态特性的常用手段。

通过在实验台上设置传感器，测量主轴系统的振动和共振频率。

同时，通过调整传动系统的参数，得到不同工况下的动态特性参数。

2. 数值模拟方法数值模拟方法是基于有限元理论和计算流体力学理论，对机床主轴系统进行模拟和分析。

通过建立数学模型，求解主轴系统的振动方程和流体流动方程，得到系统的动态特性。

3. 优化设计方法优化设计方法是通过改变机床主轴系统的结构参数，以优化系统的动态特性。

通过优化设计，可以提高系统的刚性、降低共振频率、减小不平衡量等，从而提高机床的性能和精度。

四、机床主轴系统动态特性研究的应用和前景1. 应用研究机床主轴系统的动态特性对于优化机床设计、提高加工效率和质量具有重要意义。

1.3 高速切削的研究发展现状
日本：
日本是在20世纪60年代开始高速切削机理的研究。 近些年来吸收了各国的研究成果，现在已后来居上，跃居世 界领先地位。 20世纪90年代研制出了日本第一台卧式加工中心，主轴转速 达到30000r／min，最大进给速度为80m／r，加速度为2g， 重复定位精度为±lµm。 同时他们也致力于高速切削工艺，特别是高速切削工艺数据 库、刀具磨损与破损机理、CAD／CAM系统开发及质量控制等 方面的研究。
1)提高排屑性能，具体措施：
①采用内部供液方式，压力为2~7MPa； ②钻尖角比普通钻头大，易于分断厚型切屑； ③对钻头横刃进行修磨，使之成为中心涡卷形状。
汽车零件孔的高速切削加工
高速钻削加工应注意的问题：
2)提高刀具刚性，具体措施：
①增大钻头芯厚； ②增大倒棱锥度。
汽车零件孔的高速加工
3)防止钻尖过热，具体措施：
1.5.1 汽车工业中的高速切削
汽车工业:
在20世纪20年代主要采用由组合机床组成的刚性生产 线。 在20世纪80年代后，开始采用由加工中心组成的柔性 生产线。 生产的柔性提高了，但生产效率不如组合机床生产线。 怎么办？能否采用高速加工来提高生产率？
1.5.1 汽车工业中的高速切削
汽车工业: 从20世纪80年代中期开始，在单轴专用加工 中心上，采用高速加工技术，以10倍于普通加工 的速度加工，使加工中心的柔性和生产率得到兼 顾，例如一台高速加工中心在一年中就能加工 40000件变速箱箱体。
汽车零件平面的高速铣削加工
1)铸铁缸体、缸盖端面的高速铣削加工：
如Lamb公司： 缸体、缸盖大平面加工采用高速铣削，用氮化硅 （Si3N4基）陶瓷刀片铣削缸体顶面，切削速度达 1524m/min，进给速度达6350mm/min，生产效率提高了 50％。

切削速度达到ｌ 临界速度之前 ，切削温度和刀具 解决 ： 比如高速 机床 的动态 、 热态特性 ； 刀具材 系统 、 安全设施 和加工环境等。 磨损随着切削速度增 大而增大 ，当切削速度达 料 、 几何 角度和耐用度问题， 机床与刀具间的接 ４ ． 高速主轴。 ．１ １ 高速主轴是高速切 削的首 到普通切削速度的 ５ ６ 时，切削刃 口的温度 口技术 （ －倍 刀具的动平衡 、 扭矩传输 ）冷却润滑液 要条件 ， 、 对于不 同的工件材料 ， 前 的切削速度 目 开始随切削速度增大而降低 ，刀具磨 损随切削 的选择 、Ａ ／ Ａ 的程序后置处理 问题 、 Ｃ ＤＣ Ｍ 高速 可达 ５ １０ ／ －０ｍｓ 。主轴 的转速 与刀具 的直 径有 加工 时刀具轨迹的优化问题等等 。高速切削在 关 ，采用 小直 径球头 铣刀 时 ，主轴 转速 可达 速度增大而减小。 按照他的假设 ， 在具有一定速度 的高速 区 我国， 刚刚起步 ， 目前 ， 尚未正式进入大学课堂 。 １０ ０ ｒ ｎ ００ ０／ 。高速主轴单元包括 动力源 、 ｍｉ 主轴 、 进行切削加工 ， 会有 比较低的切削温度和 比较 按 目前看 ， 工业发达 国家的航空 、 车、 汽 动 轴承和机架 四个主要部分 ，是高速切削机床的 小的切削力 ， 有可能用现有的刀具进行超高速 力机 械 、 模具 、 轴承 、 机床等 行业首先受惠 于该 核心部件 ，在很大程度上决定 了机床所能达到 切削 ， 从而大幅度减少切削时间 ， 成倍地提高机 项新技术 ， 使上述行业 的产品质量明显提 高， 成 的切 削速度 、 加工精度 和应用范围。 高速主轴单 获得 高速切 削 元 的性能取决于主轴 的设计方法 、 床的生产率 ， 而且可 以实现零 件的高精度和高 本大幅度降低 ， 了市场竞争优势。 材料 、 结构 、 表面质量。 技术是未来切削加工 的方 向，也是 时代发展 的 轴承 、 润滑冷却 、 动平衡 、 噪声等多项相关 技术 。 产物 。 随着对主轴转速要求 的不断提高 ， 的齿轮 、 传统 般来说 ， 高速切削加工有以下几个方 面 皮带变速传动系统 由于本身的振动 、噪音 等原 的技 术 特 点 ： 因已不能适 应要求 ，取而代之的是一种新颖 的 ３ 高的主轴转速 。对 于高速 加工的定义 功能部件 ： ． １ 电主轴 ， 它将主轴电机与机床主轴合 很难有 统一 的标 准 ，０ ０ ｒ ｉ １０ ０ ｍ ｎ的转速通 常就 二为一 ， ／ 实现了主轴电机与机床 主轴 的一体化 。 可以被认 为是 “ 高速” 。事实上 ， 在高速加工中 ， 电主轴采用 了电子传感器来 控制温度 ， 自 带水 主轴的转速一般在 ２ ００／ ｎ以上。 ００ ｒ ｍｉ 图 １切 削温度与切削速度 的关系 冷或油冷循环 系统 ，使主轴在 高速旋转时保持 ３ 小 的切削深度 。高速加工 的切穴深度 恒温 ，一般可控制在 ２ 。 ２ 。 围内某一设定 ． ２ ２现代切削技术的概念 Ｏ ～ ５范 ． ． ～ ｍｍ之 间，特殊情况下切削深度 温度 ， 精度为± ． ， ０ 。 同时使用油雾 润滑 、 ７ 混合陶 所 罗门原理 出发点是 用传统 刀具进行 高 般在 ０３ ０６ 速度切 削， 从而提高生产率 。到 目前为止 ， 其原 也可小于 ０１ ｍ ． 。小的切削深度可以降低 切削 瓷轴承等新技术 ， 主轴免维护 、 ｍ 使 长寿命 、 高精 理仍未被现代科学研究所证实 。但这一原理的 力 ， 降低加工过程 中产生的切削热 ， 延长刀具的 度。 高速精密轴 承是高速切削机床 的核心 ， 是决 成功应该不只局限于此 。高速切削技术是 切削 使用 寿命 。 定高速 主轴寿命和负载容量 的最关键部件 。最 技术 的重要发展方向之一 ，从现代科 学技 术的 ３ 快的进给速度 。高速加工钢件 的进 给 高主轴转速受限于主轴轴承性能 ，提高主轴的 ． ３ ｍ ／ｉ 小 ｎ 根据高速轴承的 角度去确切定义高速切 削，目前还没有取得 一 速度在 ５ ｍ ｍ ｎ以上。从加工方式上讲 ， 的 ｄ 值是提高主轴转速的关键 。 致， 因为它是一个相对概念 ， 不同的加工方式 ， 切削深度能够获得加工 时更好的刀具长度直径 不同，又可将高速主轴分为 ：滚珠轴承高速主 不同的切削材料有着不 同的高速切削速度 和加 比， 使得许多深度很 大的零件也能完成加工 ， 而 轴、 液体静压轴承高速主轴 、 空气静压轴承高速 工参数 。这里包含了高速软切削 、 高速硬切削 、 快的进给保证了足够 的切削效率。 主轴 、 磁浮轴承高速主轴 。目前 ， 高速切削铣床 ３４小的切削行距 。高速加工所采用 的刀 上装备 的主轴多数为滚珠轴承 电动主轴。如图 ． 高速湿切削和高速干切削等。 事实上 ， 高速切削技术是一个非常庞大而 具路径 的行距 一般 在 ０１ ． ｍｍ以下。一般来说 ， ２ 所示 ， 电动 主轴 由转子 、 轴承 、 外壳 、 电机组 件 复杂的系统工程，它涵盖了机床材料 的研究及 小 的刀具轨迹行距总是可以降低在加工过程 中 子 选用技术 ， 机床结构设计和制造技术 ， 高性能 的表面粗糙度 ， 高加工表面质量 ， 提 从而可能免 Ｃ Ｃ控 制系统 、 Ｎ 通讯系统 ， 高速 、 高效冷 却 、 高 除后续的精加工工序 。 所有这些特点 ， 了高速加工所能获得 决定 精度和大功率 主轴系统 。 高精度快速进给系统 ， 也即高速加工能达到效率高 ， 加工 高性能刀具夹持 系统 ， 高性能刀具材料 、 刀具结 的加工效果 ， 零件表面光洁 ， 加工稳定 以及零件无变 构设计和制造技术 ， 高效高精度测试测量技术 ， 精度高 ， 高速切削机理 ， 高速切削工艺， 适合高速加工的 形 ， 无表面变质层等性能指标 ， 高速加工的这些 床 ； 高速主轴 ； 高速进给 系统 ； 高速 刀具

203中国设备工程C h i n a P l a n t E n g i n e e r i ng中国设备工程 2021.05 （上）高速电主轴，即为内装式电机主轴单元，是数控机床的重要部件。

其是在机床主轴单元内部安装主轴电机，对主轴起到了驱动作用，由此促使电机和主轴成为一个整体。

要提高数控机床的运行效率，就要掌握高速电主轴技术要点，充分发挥其优势，同时，推进电主轴技术不断完善。

1 高速电主轴所具备的优点传统的数控机床上的主轴运行，在发挥电机驱动作用的过程中，主要是带动中间的变速装置和传动装置，诸如齿轮、皮带以及联轴节等，此为“机械主轴”，也被形象地称为分离式和直联式主轴。

与这种传统的主轴相比，电主轴具备的优点如下。

（1）主轴运行中，是通过内部安装的电机驱动的，不需要通过中间的变速装置和传动装置，其设计结构简单而且紧凑，能够提高运行效率而且精度很高。

在运行的过程中，不会产生很大的噪声，振动也非常小。

（2）将交流变频技术充分利用起来，在额定转速范围内，电主轴可以无级变速。

当机床运行的过程中，无论发生任何的工况，或者在负载变化的情况下，电主轴都有很好的适应性。

（3）内装电机运行中，能够控制闭环矢量，还可以按照控制命令有效调控功率，且能够灵活控制驱动装置运行速度、输出力矩等等。

电主轴可以满足各种大功率要求，诸如低速重切削大转矩的时候，或者高速精加工的时候，电主轴都能够很好地发挥作用，还可以实现准停，同时满足C 轴传动功能。

（4）电主轴可以高速运行，有良好的稳定性，动态精度较高，使数控机床切削的速度更高，加工的精密度也更高。

（5）由于电主轴的运行不需要经过中间传动环节，因此其平稳性更高，不会受到外来的冲击，主轴的轴承不需要承受很大的动负荷，精度寿命得以延长。

（6）电主轴使电机和主轴构成一个整体，形成一个单元，使电主轴可以系列化生产，形成一定的规模，而且生产更加专业化。

电主轴作为数控机床功能部件，也作为一种商品进入到市场中。