超高速機床電主軸的設計與應用

高速主軸是高速機的核心部件。它將主軸和頻率電機軸整合在一起，主軸電氣的固定和旋轉元件直接安裝在主軸組件中，也被稱為內部電軸（built-inmoverspindle）。在這期間，使用鉤子或齒輪箱的輔助設備不會實現機械軸系統的“零傳動”。其具有結構緊湊、重量輕、慣性小、動態特性好等優點,并改善了機床的動平衡,避免振動和噪聲,在超高速機床中得到廣泛應用。按適用于不同機床中它分為:鉆銑主軸、加工中心主軸、雕刻機主軸、磨床用電主軸等。隨著高速加工技術的迅速發展和廣泛應用,各工業部門特別是航天、航空、汽車、摩托車和模具加工等行業,對高速度、高精度數控機床的需求與日俱增。這迫切需要開發出更加優質的高速電主軸。1套裝主軸單元的數控機床傳動電主軸是采用變頻電機與機床主軸合二為一的結構形式,即變頻電機的空心轉子與機床主軸零件直接過盈套裝在一起成為一體,帶冷卻套的定子裝配在主軸單元的殼體內直接與機床連接,成為一種集成式電機主軸——電機的轉子就是機床的主軸,機床主軸單元的殼體就是電機座。它實現了變頻電機和機床主軸之間的“零傳動”,這是數控機床傳動系統的重大改革。它克服了傳統機床皮帶或齒輪傳動方式的主軸系統在高速下打滑、振動和噪聲大、慣量大等缺點,可實現主軸轉速的高速化,有效改善主軸高速綜合性能。其結構如圖1所示。2高速高效機床主軸的特點傳統機床主軸是由電機通過中間變速和傳動裝置(如皮帶、齒輪、聯軸節等)驅動主軸旋轉而工作,這樣的主軸形式稱為分離式和直聯式主軸(通稱機械主軸)。與此相比,電主軸具有以下優點。(1)主軸由內裝式電機直接驅動,省去皮帶、齒輪、聯軸節等中間變速和傳動裝置,具有結構簡單緊湊、效率高、噪聲低、振動小和精度高等特點。(2)利用交流變頻技術,電主軸可在額定轉速范圍內實現無級變速,以適應機床工作時各種工況和負載變化的需要。(3)利用內裝電機的閉環矢量控制、伺服控制技術,不僅滿足機床低速粗切削時大轉矩、高速精加工時大功率的需求,還可實現停機時角向準確定位(即準停)及C軸傳動功能,適應要求有準停和C軸功能的加工中心、數控車床及其它數控機床的需要。(4)與其它形式的主軸相比,電主軸更易于實現高速化,其動態精度和穩定性更好,可滿足數控機床進行高速切削和精密加工的需要。(5)由于沒有中間傳動環節,電主軸工作時運行更加平穩,沒有外來沖擊,主軸軸承所承受的動負荷較小,延長了其精度壽命。(6)由于實現電機和主軸的一體化、單元化,使電主軸能夠由制造商進行系列化、規模化和專業化生產,電主軸以商品的形式進人市場,成為專門的數控機床功能部件之一,以供主機選用,促進機床模塊化和其它技術的發展。3高速脈軸對現代數據機械的發展和金屬切割技術的影響(1)高速切削必備條件的設計電主軸系由內裝式電機直接驅動,更容易滿足高速切削對機床“高速度、高精度、高可靠性及小振動”的要求,與機床高速進給系統、高速刀具系統一起組成高速切削所需的必備條件。電主軸技術與電機變頻、閉環矢量控制、交流伺服控制等技術相結合,可滿足車削、銑削、刨削、鉆削、磨削等金屬切削加工的需要。(2)簡化結構，促進機械結構的人性化電主軸根據用途、結構、性能參數等特征形成標準化、系列化產品,供主機選用,從而促進機床結構模塊化。(3)化生產,降低機床成本一方面,標準化、系列化的電主軸產品易于形成專業化、規模化生產,實現功能部件的低成本制造;另一方面,采用電主軸后,機床結構的簡單化和模塊化,有利于降低機床成本。此外,還可縮短機床研制周期,適應目前快速多變的市場趨勢。(4)提高了機床的可靠性采用電主軸結構的數控機床,由于結構簡化,傳動、連接環節減少,因此提高了機床的可靠性;技術成熟、功能完善、性能優良、質量可靠的電主軸功能部件使機床的性能更加完善,可靠性進一步提高。(5)實現一些高端數據機床的特殊要求有些高檔數控機床,如并聯運動機床、五面體加工中心、小孔和超小孔加工機床等,必須采用電主軸,才能滿足完善的功能要求。4旋轉機構的安裝在電主軸的結構設計中,良好的電機性能、合理的選配軸承、采取減小振動的各項措施、設計有效的冷卻系統、以及確定主軸零件與電機定子的過盈配合量是電主軸設計中的關鍵技術。電機性能是電主軸的核心,正確設計電機的電磁參數十分重要。首先其磁通密度要高,以增大單位體積的出功率,縮小定轉子體積;其次,電機的機械特性電氣特性,需要和高速加工相適應,滿足機床在寬調速范圍內對功率和扭矩的要求;再次,轉子在高速旋轉時應有足夠的強度。另外由于電主軸是在高頻窄波下工作的,通常在其外殼產生強烈的感應電流,應對定子進行屏蔽,采用特殊浸漆工藝,外殼接地是必要的。支撐的合理選用與配置是電主軸設計的一項關鍵技術。在適合于高速電主軸的軸承中,常用陶瓷軸承、磁力軸承和動靜壓軸承,在DmN值不高且要求高剛性的情況下,可考慮選用剛質滾珠軸承。在高轉速下對剛性要求不高的情況下,可選用動靜壓軸承。采用何種支撐主要根據工作轉速、工作載荷來選擇。陶瓷軸承具有良好的高速性能,剛性較好,較多采用。另外,為保證軸承在高速條件下具有良好的工作性能,必須對軸承進行冷卻、潤滑、預緊等措施,潤滑方式有油脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑等,其中以油氣潤滑適應高速效果最好。預緊量的選擇可根據經驗公式進行計算獲得。解決高速、高效、高精度工作狀態下的發熱振動是電主軸的另一項關鍵技術。電主軸的熱源除切削熱外,主要是定轉子發熱和軸承發熱。電主軸的結構特點是電機的定子直接安裝在殼體內,這對電機的散熱很不利。發熱引起的熱變形將導致機床喪失精度。因此電主軸必須有冷卻系統,來保證機床恒溫。此外,電主軸由于轉速高,任何不平衡量都會引起振動,產生噪聲,影響主軸平穩運轉。振動問題的解決,取決于動平衡的精度,即對各回轉零件進行動平衡和對所有回轉件裝配于主軸之上后進行整體動平衡,使其達到規定的平衡精度要求。在結構設計上主要采用兩端加裝動平衡環。主軸零件與電機定子的過盈配合量應合理確定。為保證高速切削,主軸應具有良好的運轉精度和傳動能力,其零部件需具有良好的加工精度、表面質量及良好的裝配精度。且為達到精確的動平衡,電機轉子與機床主軸之間采用無鍵過盈聯接,并由此具備足夠傳遞扭矩的能力。過盈量的大小直接影響電主軸的性能,過盈量過大會使主軸裝配困難,影響裝配精度,甚至破壞配合表面;過盈量過小則會影響主軸傳遞扭矩的性能。5高速軸承冷卻技術高速電主軸是一套組件,它包括電主軸及一些附件:電主軸、高速變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內置編碼器、換刀裝置,因此它融合高速軸承技術、冷卻技術、潤滑等技術。高速軸承技術是高速電主軸技術中很關鍵的技術,資料顯示,在20世紀80年代,主軸軸承在脂潤滑條件下的DmN(DmN是指主軸軸承的平均直徑(mm)與主軸的極限轉速(r/min)的乘積)值,最多能達到0.5×106,當采用角接觸陶瓷球軸承后,主軸速度迅速提高到2.0×106。5.1高速電主軸生產設備的應用國內電主軸的研究始于20世紀60年代,主要用于零件內表面磨削,這種電主軸的功率低,剛度小。且采用無內圈式向心推力球軸承,限制了高速電主軸的生產社會化和商品化。20世紀70年代后期至80年代,隨著高速主軸軸承的開發,研制了高剛度、高速電主軸,它被廣泛應用于各種內圓磨床和各機械制造領域。在20世紀80年代末以后,由磨用電主軸轉向銑用電主軸,它不僅能加工各種形體復雜的模具,還開發了用于木工機械用的風冷式高速銑用電主軸,推動高速電主軸在銑削中的應用。此外,食品工業的固體飲料;染化工業的染料;醫藥工業的藥品等粉狀和粒狀物質均需用高速離心干燥技術來生產,而高速離心干燥設備也需要高速電主軸技術。高速拉伸電主軸的應用促進了我國有色管材精密冷成型技術的發展。高精度硅片切割機用電主軸,促進電子工業設備的更新和進步。利用高速電主軸的優良性能,還可開發多種高性能試驗機。目前國內研究高速電主軸的科研機構有我國河南省洛陽軸承研究所,他們能自行研究開發電主軸,其DmN值達到很高的水平;廣州鉅聯高速電主軸有限公司研發的大功率靜壓軸承電主軸曾獲得日內瓦國際專利技術博覽會金獎;廣東工業大學高速加工和機床研究所也開發了數控銑床高速電主軸。在我國安陽市,有一家中外合資的電主軸生產廠家——安陽萊必泰機械有限公司,它擁有先進的電主軸、機床主軸設計和制造技術。該公司研制生產的加工中心電主軸,采用先進技術,配有矢量閉環控制系統,能對主軸實行恒功率調速,準停制動。采用進口高速精密軸承,旋轉件經高精度平衡。該系列產品具有高精度、高剛度、高速度、低噪聲、低振動、低溫升等優點,系99國家火炬計劃項目。5.2機床電主軸的發展趨勢國外電主軸最早用于內圓磨床,20世紀80年代,隨著數控機床和高速切削技術的發展和需要,逐漸將電主軸技術應用于加工中心、數控銑床等高檔數控機床,成為近年來機床技術所取得的重大成就之一。目前,采用電主軸技術的數控機床越來越多。電主軸已成為現代數控機床最熱門的主要功能部件之一,世界上形成許多著名機床電主軸功能部件專業制造商,它們生產的電主軸功能部件已經系列化,如瑞士的FISCHER,Step-Tec和IBAG,德國的GMN和CYTEC,意大利的CAMFIOR和OMLAT等。隨機床技術、高速切削技術的發展及實際應用的需要,對機床電主軸的性能也提出越來越高的要求,電主軸技術的發展趨勢主要表現在以下幾個方面:(1)繼續向高速度、高剛度方向發展。由于高速切削和實際應用的需要,隨著主軸軸承及其潤滑技術、精密加工技術、精密動平衡技術、高速刀具及其接口技術等相關技術的發展,數控機床用電主軸高速化已成為目前發展的普遍趨勢。在電主軸的系統剛度方面,由于軸承及其潤滑技術的發展,電主軸的系統剛度越來越大,滿足數控機床高速、高效和精密加工發展的需要。(2)向高速大功率、低速大轉矩方向發展。根據實際使用需要,多數數控機床需同時滿足低速粗加工時的重切削、高速切削時精加工的要求,因此,機床電主軸應該具備低速大轉矩、高速大功率的性能。(3)進一步向高精度、高可靠性和延長工作壽命方向發展。用戶對數控機床的精度和使用可靠性提出越來越高的要求,作為數控機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隨之越來越高。如主軸徑向跳動在0.001mm以內、軸向定位精度在0.0005mm以下。同時,由于采用特殊的精密主軸軸承、先進的潤滑方法及特殊的預負荷施加方式,電主軸的壽命相應得到延長,其使用可靠性越來越高。(4)電主軸內裝電機性能和形式多樣化。為滿足實際應用需要,電主軸電機的性能得到改善,如瑞士FISCHER主軸電機輸出的恒轉矩高轉速與恒功率高轉速之比(即恒功率調速范圍)達到1∶14。此外,出現永磁同步電機電主軸,與相同功率的異步電機電主軸相比,同步電機電主軸的外形尺寸小,有利于提高功率密度,實現小尺寸、大功率。(5)向快速啟、停方向發展。為縮短輔助時間,提高效率,要求數控機床電主軸的啟、停時間越短越好,因此需要很高的啟動和停機加(減)速度。目前,國外機床電主軸的啟、停加速度可達到1g以上,全速啟、停時間在1s以內。(6)軸承及其預載荷施加方式、潤滑方式多樣化。除常規的鋼制滾動軸承外,近年來陶瓷球混合軸承得到廣泛應用,潤滑方式有油脂、油霧、油氣等,尤其是油氣潤滑方法(又稱oil+air),由于具有適應高速、環保節能的特點,得到廣泛的推廣和應用;滾動軸承的預負荷施加方式除剛性預負荷(又稱定位預負荷)、彈性預負荷(又稱定壓預負荷)之外,又發展了一種智能預負荷方式,即利用液壓油缸對軸承施加預負荷,且可根據主軸的轉速、負載等具體工況控制預負荷的大小,使軸承的支承性能更加優良。在非接觸形式軸承支承的電主軸方面,如磁浮軸承、氣浮軸承電主軸(瑞士IBAG等)、液浮軸承電主軸(美國Ingersoll等)等已經有系列商品供應市場。(7)刀具接口逐步趨于HSK刀柄技術。機床主軸高速化后,由于離心力作用,傳統的CAT(7∶24)刀柄結構已不能滿足使用要求,需要采用HSK(1∶10)等其它符合高速要求的刀柄接口形式。HSK刀柄具有突出的靜態和動態聯接剛性、大的傳遞扭矩能力、高的刀具重復定位精度和聯接可靠性,特別適合在高速、高精度情況下使用。因此,HSK刀柄接口已廣泛為高速電主軸所采用(如瑞士的IBAG、德國的CYTEC、意大利CAMFIOR等)。(8)向多功能、智能化方向發展。在多功能方面,有角向停機精確定位(準停)、C軸傳動、換刀中空吹氣、中空通冷卻液、軸端氣體密封、低速轉矩放大、軸向定位精密補償、換刀自動動平衡技術等。在智能化方面,主要表現在各種安全保護和故障監測診斷措施,如換刀聯鎖保護、軸承溫度監控、電機過載和過熱保護、松刀時軸承卸荷保護、主軸振動信號監測和故障異常診斷、軸向位置變化自動補償、砂輪修整過程信號監測和自動控制、刀具磨損和損壞信號監控等,如Step-Tec電主軸安裝有診斷模塊,維修人員可通過紅外接口讀取數據,識別過載,統計電主軸工作壽命。國產電主軸和國外產品相比較,無論是性能、品種和質量都有較大差距,國產電主軸產品和國外的相比,主要存在以下差距:①國外電主軸低速段的輸出扭矩最大可達300Nm,而我國目前僅在100Nm以內。②在高轉速方面,國外用于加工中心的電主軸轉速已達75000r/min,我國則多在15000r/min以內。③電主軸的軸承潤滑,國外普遍采用油氣潤滑,而我國仍用油脂潤滑。④其它配套技術也有較大差距,如主軸電機矢量控制、交流伺服控制技術、