高速電主軸的研究與發(fā)展

高速電主軸的研究與發(fā)展

高速主軸是高精密數(shù)控機(jī)床的核心功能部件。主軸由主軸和電氣工具組成，即電機(jī)的定州安裝在主套筒中，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和主缸是一體的。為了將主機(jī)間傳動鏈的長度縮短到零，以實(shí)現(xiàn)機(jī)的“零調(diào)用”。高速電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、慣性小、振動小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),不但轉(zhuǎn)速高、功率大,還有一系列控制主軸溫升和振動等機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的功能,以確保其高速運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性與安全性。隨著高速加工技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,各工業(yè)部門特別是航天、航空、汽車和模具加工等行業(yè),對高轉(zhuǎn)速、高精度、高效率和高可靠性的高速電主軸的需求越來越迫切。1電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電主軸是一種變頻電動機(jī)和機(jī)床主軸合二為一的智能型功能部件,其主要組成部分包括驅(qū)動系統(tǒng)、主軸、前后軸承、主軸電機(jī)、殼體和冷卻潤滑裝置等。主軸由前后軸承支承,與電機(jī)的轉(zhuǎn)子壓配成一體,帶有冷卻套的電機(jī)定子裝配在主軸單元的殼體中,主軸的變速是通過變頻電動機(jī)控制,溫升是通過冷卻裝置限制,主軸前端有用于安裝刀具的內(nèi)錐孔和端面,還有安裝于電主軸內(nèi)的各類傳感器。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于電主軸取消了電機(jī)到主軸傳動鏈中的齒輪、皮帶等一切中間環(huán)節(jié),動力源對主軸直接傳動,傳動鏈長度為零,使其克服了傳統(tǒng)機(jī)床主軸系統(tǒng)在高速時(shí)打滑和振動、噪聲、慣量大等缺點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)主軸的高轉(zhuǎn)速、高精度、高效率、響應(yīng)快、大功率要求。2高速能源主軸的關(guān)鍵2.1高速性能好,模板成功主軸軸承技術(shù)是電主軸系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前,國內(nèi)外高速電主軸多采用角接觸球軸承、動靜壓軸承以及磁懸浮軸承等。動靜壓軸承是一種綜合了動壓軸承和靜壓軸承優(yōu)點(diǎn)的新型多油楔油膜軸承,有很好的高速性能,而且調(diào)速范圍寬。角接觸球軸承是精密數(shù)控機(jī)床常用的主軸支撐,影響其高速性能的主要原因是高速下作用在滾珠上的離心力和陀螺力矩增大,為了提高軸承的高速性能,常采用減小滾動體直徑和改用氮化硅材料制造滾珠的方法。磁懸浮軸承由于造價(jià)高,控制系統(tǒng)復(fù)雜,發(fā)熱問題不易解決,通常只用于特殊的場合。2.2主軸轉(zhuǎn)速部分不平衡對高速電主軸穩(wěn)定性的影響高速電主軸具有轉(zhuǎn)速高、運(yùn)行精度高、加工效率高的特點(diǎn)。轉(zhuǎn)速和精度的提高是以高精度動平衡為前提的,但對于電主軸而言,由于制造、安裝誤差以及材料不均勻等因素的影響,不平衡現(xiàn)象不可避免。電主軸的最高轉(zhuǎn)速一般在10000r/min以上,有的高達(dá)60000~100000r/min,主軸運(yùn)轉(zhuǎn)部分微小的不平衡都可能導(dǎo)致主軸回轉(zhuǎn)精度的嚴(yán)重喪失乃至軸承支承系統(tǒng)的失穩(wěn)。因此高速電主軸的動平衡精度應(yīng)嚴(yán)格要求,一般應(yīng)達(dá)G0.4級以上。為減小主軸的不平衡,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用對稱的結(jié)構(gòu),在加工裝配過程中盡量減小誤差,并且主軸出廠時(shí)會進(jìn)行初始動平衡調(diào)整以減小主軸失衡量。即使如此,在使用過程中由于主軸刀具微小的不對中,以及刀具的磨損或切屑的粘刀仍然會破壞原有的動平衡。另外,主軸刀具系統(tǒng)受切削力激勵、熱變形、離心力等復(fù)雜工況的干擾,也會破壞主軸的動平衡,從而使高速機(jī)床主軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性被破壞。因此,為了充分發(fā)揮高速電主軸的效能,保障機(jī)床的長期穩(wěn)定和高效運(yùn)行,應(yīng)設(shè)計(jì)專門的在線自動動平衡系統(tǒng)。2.3潤滑控制系統(tǒng)高速電主軸的潤滑主要指主軸軸承的潤滑,軸承必須采用合理的、可控制的潤滑系統(tǒng)來控制軸承的溫升,以保證機(jī)床工藝系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。高速電主軸潤滑方式的選擇與軸承的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、容許溫升及軸承類型有關(guān),可采用油脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑、噴射潤滑以及環(huán)下潤滑等。2.4電機(jī)和軸承的熱性能電主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是電動機(jī)的定子直接安裝在殼體內(nèi),由于電主軸相對封閉,其高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)自然散熱條件較差。電主軸內(nèi)部有兩個(gè)主要的熱源:電動機(jī)損耗發(fā)熱和軸承摩擦發(fā)熱。電機(jī)產(chǎn)生的熱量主要通過主軸殼體進(jìn)行散熱,且有相當(dāng)一部分會通過主軸傳到軸承上,加劇軸承的溫升,影響其使用壽命,同時(shí)造成轉(zhuǎn)軸熱伸長,影響制造精度,從而影響主軸系統(tǒng)的可靠性。電主軸采取的主要冷卻措施是在電機(jī)定子與殼體連接處設(shè)計(jì)循環(huán)冷卻水套,同時(shí)軸承合理的潤滑方式也可減少發(fā)熱量,如油氣潤滑方式對軸承不但具有潤滑作用,還具有一定的冷卻作用。2.5電機(jī)、電機(jī)同時(shí)采用交流永磁同步發(fā)電機(jī)主軸電機(jī)的性能決定了主軸的最大功率和力矩,以及電主軸的性能。合理選擇電機(jī)類型,設(shè)計(jì)電機(jī)的電磁參數(shù),使電機(jī)單位體積下的功率密度更高、體積和轉(zhuǎn)動慣量相對更小具有重要意義。電主軸的電動機(jī)多采用交流異步感應(yīng)電動機(jī)。隨著永磁電機(jī)性能的不斷增強(qiáng),越來越多的電主軸采用交流永磁同步電動機(jī)~。與采用異步電動機(jī)的電主軸相比,同步電主軸優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在:轉(zhuǎn)子不發(fā)熱,減少了電主軸的熱變形;轉(zhuǎn)子無損耗,電主軸的功率密度大,工作效率高;轉(zhuǎn)動慣量小,易于快速啟動和準(zhǔn)停;低速性能好,易于實(shí)現(xiàn)精密控制。2.6主軸單元的精密裝配為了保證電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的回轉(zhuǎn)精度和剛度,其關(guān)鍵零件必須進(jìn)行精密或超精密加工,并對主軸單元的零部件進(jìn)行精密裝配。主軸單元中需要進(jìn)行精密加工的工件包括主軸、殼體、前后軸承座以及隨主軸高速旋轉(zhuǎn)的軸承隔圈和定位過盈套等。主軸單元的精密裝配包括主軸與電動機(jī)轉(zhuǎn)子、主軸與前后軸承、主軸與軸承隔圈和定位過盈套、主軸與刀具、軸系與軸承座、軸承座與殼體等。此外,高速電主軸上加工刀具的裝配也是精密裝配工藝需要考慮的因素。3國內(nèi)外對高速電子主軸技術(shù)的研究現(xiàn)狀高速電主軸是高速數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件,其技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣直接影響數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平和整機(jī)性能,也制約著主機(jī)的發(fā)展。3.1其他公司電驅(qū)系統(tǒng)高速電主軸在國外的研究很早就已開始,最早應(yīng)用于內(nèi)圓磨床。20世紀(jì)80年代末90年代初,隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展,電主軸逐漸應(yīng)用于各類高速數(shù)控機(jī)床上。目前世界各主要工業(yè)國家出現(xiàn)了許多著名的專業(yè)電主軸生產(chǎn)廠,其中最著名的有:瑞士的FISCHER公司和IBAG公司,德國的GMN公司和FAG公司,美國的PRECISE公司,意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司,日本的NSK公司和MAZAK公司,以及瑞典的SKF公司等。其中,德國GMN公司生產(chǎn)的HS型高頻電主軸,使用復(fù)合陶瓷球軸承,采用液體冷卻系統(tǒng)及油氣潤滑系統(tǒng),主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)180000r/min,功率范圍為0.4~120kW,扭矩范圍為0.47~450N·m,并配備在線測量和控制裝置。MAZAK公司生產(chǎn)的MEGA-8800重切削臥式加工中心,配置了大功率、大扭矩電主軸,其輸出功率高達(dá)85kW,最大輸出扭矩1249N·m,適用于鎳基合金、鈦合金等難加工材料的加工。3.2高速電主軸技術(shù)20世紀(jì)60年代,國內(nèi)開始進(jìn)行電主軸的應(yīng)用研究,主要用于內(nèi)圓的磨削加工。由于采用無內(nèi)圈式向心推力球軸承,使電主軸的功率較低,剛度較小,限制了高速電主軸的市場化進(jìn)程。20世紀(jì)80年代末90年代初,隨著電主軸技術(shù)的不斷發(fā)展,國內(nèi)一些科研單位和公司開始研發(fā)其它用途的高性能電主軸。目前國內(nèi)也有一些專業(yè)的電主軸科研機(jī)構(gòu)與公司。其中,河南省洛陽軸研科技股份有限公司,已擁有自行開發(fā)的最大扭矩為200N·m、最高轉(zhuǎn)速為150000r/min的一系列用于加工中心的電主軸;廣州市昊志機(jī)電股份有限公司開發(fā)的印刷電路板行業(yè)鉆孔超高速氣浮主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)到350000r/min;廣州市聚聯(lián)氣靜壓電主軸有限公司,生產(chǎn)大功率氣靜壓軸承電主軸采用“全支承”結(jié)構(gòu),比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)能成倍地提高承載能力和剛度,獲“日內(nèi)瓦專利技術(shù)成果博覽會金獎”。近年來,雖然我國高速電主軸技術(shù)發(fā)展迅速,但是與國外先進(jìn)國家相比還存在很大的差距,主要表現(xiàn)在:①高轉(zhuǎn)速;②低速大轉(zhuǎn)矩;③高精密支承軸承技術(shù);④冷卻與潤滑技術(shù);⑤在線監(jiān)測與控制;⑥高性能電動機(jī)及電動機(jī)控制系統(tǒng)等方面。因此,目前在高轉(zhuǎn)速、高精度數(shù)控機(jī)床和加工中心上所用的電主軸,主要還是依靠進(jìn)口產(chǎn)品。4數(shù)控機(jī)床的技術(shù)發(fā)展方向隨著高速切削、數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展,以及實(shí)際應(yīng)用的需要,對高速電主軸的性能也提出了越來越高的要求,電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為以下幾方面。(1)向高速和高強(qiáng)度發(fā)展:隨著高速加工、刀具技術(shù)等的進(jìn)步和發(fā)展,對精密機(jī)床電主軸的轉(zhuǎn)速要求越來越高,并且電主軸需要有較高的回轉(zhuǎn)精度和剛度。(2)向高速大功率和低速大轉(zhuǎn)矩發(fā)展:現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床要求電主軸在實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速的同時(shí),低速段要求滿足盡可能大的輸出轉(zhuǎn)矩,以實(shí)現(xiàn)在同一臺機(jī)床上進(jìn)行低速重切削和高速精加工的要求。(3)向高精度、高可靠性以及長壽命發(fā)展:用戶對數(shù)控機(jī)床的精度和使用可靠性提出了越來越高的要求,作為數(shù)控機(jī)床核心功能部件之一的電主軸,要求其本身的精度和可靠性也越來越高。(4)向多樣化軸承和多樣化潤滑冷卻方式發(fā)展:除了常規(guī)的鋼制滾動軸承外,陶瓷球混合軸承、動靜軸承以及磁懸浮軸承越來越得到廣泛應(yīng)用;潤滑方式有油脂、油霧、油氣、噴射潤滑、環(huán)下潤滑等,尤其是油氣潤滑方法,由于具有適應(yīng)高速、環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn),得到越來越廣泛的推廣和應(yīng)用;冷卻方式除利用水套對電機(jī)定子和軸承外圈強(qiáng)制冷卻外,也可以通過對軸中心通冷卻液,對主軸進(jìn)行直接冷卻。(5)向智能化系統(tǒng)發(fā)展:隨著模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等在電機(jī)控制和在線平衡控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,有利于提高電主軸的精確定向、快速起停、C軸功能以及消除電主軸的動平衡等問題。5高速電主軸技術(shù)開發(fā)近年來,隨著