机床主轴设计及相关技术研究开题报告

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1、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

2、。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

3、、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

4、。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

5、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

6、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

7、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

8、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，

9、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

10、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

11、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,20

12、109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

13、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

14、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

15、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。