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第1章 绪论 1

1.1 数控机床主轴系统概述 1

1.1.1 机床主轴的类型 1

1.1.2 电主轴概述 4

1.1.3 电主轴的分类及发展 5

1.2 数控机床电主轴单元技术发展概况 7

1.2.1 国外电主轴技术现状及发展趋势 8

1.2.2 我国机床电主轴技术发展概况 10

1.2.3 我国电主轴技术领域存在的差距 13

1.2.4 我国电主轴技术领域发展的方向 15

1.3 数控机床电主轴关键技术及研究现状 15

1.3.1 高速精密主轴轴承技术 16

1.3.2 高速主轴电机设计及驱动技术 18

1.3.3 精密加工和精密装配技术 19

1.3.4 主轴-轴承系统的动力学特性 20

1.3.5 电主轴单元的可靠性技术 22

1.3.6 电主轴系统综合性能测试技术 23

1.4 陶瓷电主轴单元技术研究内容及意义 24

1.4.1 研究内容 25

1.4.2 研究意义 26

第2章 陶瓷电主轴单元的创新设计与关键技术 28

2.1 数控机床电主轴工作原理及基本要求 28

2.1.1 电主轴基本结构 28

2.1.2 电主轴的工作原理 30

2.1.3 电主轴的基本参数 32

2.1.4 数控机床电主轴设计的基本要求 34

2.2 无内圈式全陶瓷电主轴的创新设计 35

2.2.1 全陶瓷电主轴单元的开发目标 36

2.2.2 全陶瓷电主轴单元研制的技术路线 36

2.2.3 无内圈式全陶瓷电主轴的总体结构设计 38

2.3 陶瓷电主轴单元关键技术及相关配套技术设计 39

2.3.1 高速精密无内圈式全陶瓷球轴承技术 39

2.3.2 陶瓷主轴及其刀具接口的设计 43

2.3.3 全陶瓷电主轴单元高速动平衡及精密装配 44

2.4 陶瓷球轴承的相关基础理论分析 49

2.4.1 陶瓷球轴承的典型结构 50

2.4.2 陶瓷球轴承的几何学分析 51

2.4.3 陶瓷球轴承的力学分析 53

2.4.4 陶瓷球轴承的运动学分析 53

2.4.5 陶瓷球轴承的破坏机理与寿命估计 54

2.5 陶瓷球轴承结构参数的优化设计 59

2.5.1 陶瓷球轴承设计方法概述 60

2.5.2 优化设计数学方法的基本概念 60

2.5.3 陶瓷球轴承的优化设计方案 64

2.5.4 陶瓷球轴承的优化设计计算 65

2.6 陶瓷电主轴冷却系统设计 69

2.6.1 冷却系统概述 70

2.6.2 高速电主轴的热源分析 70

2.6.3 电主轴的传热机制 74

2.7 陶瓷电主轴润滑系统的设计 76

2.7.1 润滑系统概述 76

2.7.2 陶瓷主轴油-气润滑系统设计 78

第3章 主轴电机及驱动控制技术 81

3.1 三相感应电动机机电转换机理 81

3.1.1 三相感应电动机的磁动势和磁场 81

3.1.2 三相感应电动机的电压方程 85

3.1.3 感应电动机的功率方程和转矩方程 89

3.2 陶瓷电主轴电磁振动 90

3.2.1 电主轴噪声测量 91

3.2.2 电主轴电磁振动 93

3.2.3 电主轴定子的固有振动特性 107

3.2.4 电主轴转子的固有振动特性 112

3.2.5 电主轴的单边磁拉力 117

3.3 电主轴控制技术 122

3.3.1 交流调速系统的难点和复杂性 123

3.3.2 电主轴变频调速方法 124

第4章 陶瓷主轴零部件的制备及其加工机理 143

4.1 陶瓷材料概述 143

4.2 陶瓷主轴零件对材料的性能要求 145

4.2.1 典型结构陶瓷材料的性能 145

4.2.2 陶瓷主轴零件对陶瓷材料的性能要求 148

4.3 高性能结构陶瓷主轴零件的制备 149

4.3.1 高性能结构陶瓷材料的制备技术简介 149

4.3.2 氮化硅陶瓷零件毛坯的制备工艺 152

4.3.3 氧化锆陶瓷零件毛坯的制备工艺 153

4.4 陶瓷材料的脆性本质及其可加工性 154

4.5 陶瓷材料的加工方法 156

4.5.1 磨削加工 156

4.5.2 研磨、抛光加工 157

4.5.3 变压应力切削法加工 157

4.5.4 塑性法加工 158

4.5.5 超声波加工 158

4.5.6 电火花加工 159

4.5.7 激光加工 159

4.5.8 电解磨削加工 159

4.6 陶瓷材料切削加工机理 159

4.7 陶瓷材料的磨削加工机理 160

4.7.1 陶瓷材料压痕断裂力学模型的建立 162

4.7.2 陶瓷材料的去除方式 164

4.7.3 磨削表面的形成 166

4.8 陶瓷材料磨削实验研究 167

4.8.1 陶瓷材料磨削力的实验研究 167

4.8.2 基于比磨削能对磨削机理的分析 170

4.8.3 磨削参数对表面粗糙度的影响 180

4.9 陶瓷材料磨削过程中砂轮的磨损及修整 187

4.9.1 超硬磨料磨具概述 188

4.9.2 金刚石砂轮 190

4.9.3 砂轮的磨损 190

4.9.4 超硬磨料砂轮修整 193

第5章 陶瓷主轴零件的精密加工工艺 194

5.1 陶瓷球的精密加工 194

5.1.1 陶瓷球研磨机理 194

5.1.2 陶瓷球研磨方法 195

5.1.3 陶瓷球研磨装置的设计和分析 197

5.1.4 陶瓷球研磨加工工艺 203

5.2 陶瓷轴承套圈的精密加工 205

5.2.1 陶瓷套圈加工的特点 205

5.2.2 陶瓷轴承套圈的加工工艺过程 206

5.2.3 磨削陶瓷轴承套圈的砂轮选择 207

5.2.4 陶瓷轴承套圈端面的磨削 209

5.2.5 陶瓷轴承套圈外圆的磨削 209

5.2.6 陶瓷轴承套圈内径和内锥面的磨削 209

5.2.7 陶瓷轴承套圈沟道的磨削 209

5.2.8 陶瓷轴承套圈沟道的超精加工 210

5.3 陶瓷轴的精密加工 210

5.3.1 陶瓷轴的加工工艺 210

5.3.2 中心孔的车削和研磨加工 211

5.3.3 外圆以及端面磨削加工 212

5.3.4 主轴内孔加工 213

5.3.5 陶瓷主轴沟道加工 216

5.3.6 主轴优选加工工艺 220

5.4 陶瓷主轴零件加工质量分析 221

5.4.1 加工工艺对零件精度的影响 221

5.4.2 沟道表面质量分析 223

第6章 陶瓷电主轴的动特性分析 231

6.1 陶瓷轴承电主轴单元的振动性能分析 231

6.1.1 影响电主轴振动性能的因素 231

6.1.2 主轴系统振动特性的计算 234

6.1.3 陶瓷轴承电主轴振动性能实验 241

6.2 陶瓷轴承电主轴的试验模态分析 244

6.2.1 激励方式的选择 244

6.2.2 支承方式 245

6.2.3 试验测试系统 245

6.2.4 试验过程 247

6.2.5 试验结果分析 249

6.3 全陶瓷电主轴的动态特性分析 250

6.3.1 陶瓷主轴-轴承系统有限元模型建立 250

6.3.2 在ANSYS中的模态分析 251

6.3.3 临界转速分析 253

6.3.4 在ANSYS中的谐响应分析 253

第7章 陶瓷电主轴综合性能测试 256

7.1 试验条件 256

7.1.1 试验对象 256

7.1.2 试验平台 256

7.2 陶瓷电主轴的温升测试 258

7.2.1 陶瓷电主轴温升的主要影响因素 259

7.2.2 电主轴温升的检测方法 260

7.2.3 陶瓷电主轴温升检测 261

7.3 陶瓷电主轴的输出功率及转矩转速测试 262

7.3.1 陶瓷电主轴输出功率测试 262

7.3.2 陶瓷电主轴转矩转速测试 264

7.4 陶瓷电主轴的振动测试 264

7.4.1 振动的检测方法 264

7.4.2 陶瓷电主轴转速对振动的影响 265

7.5 陶瓷电主轴的噪声测试 267

7.5.1 噪声的检测 267

7.5.2 声压 268

7.5.3 声强 269

7.6 陶瓷电主轴的回转精度 271

7.6.1 主轴回转精度影响因素 272

7.6.2 电主轴回转精度测量 272

7.7 陶瓷电主轴的系统刚度测试 276

7.8 陶瓷电主轴的精度寿命 277

第8章 陶瓷电主轴的应用及其维护保养 278

8.1 陶瓷电主轴的应用 278

8.1.1 电主轴的选用原则 278

8.1.2 陶瓷电主轴的正确使用 279

8.2 电主轴故障模式分析 279

8.2.1 电主轴温升过高 279

8.2.2 电主轴刚性差 280

8.2.3 电主轴振动大 281

8.2.4 电主轴精度差 281

8.2.5 电主轴启动困难 281

8.2.6 电主轴掉速 282

8.3 陶瓷电主轴的保养与维修 282

8.3.1 电主轴的维护与保养 282

8.3.2 电主轴的维修 283

8.3.3 电主轴的拆装的正确操作 284

参考文献 286