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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