什么是高速主軸，有什么選擇要求？

發(fā)布時間：2020-10-24 11:18:15點(diǎn)擊率：

高速電主軸是最近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)。高速數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動機(jī)直接驅(qū)動，從而把機(jī)床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動”。這種主軸電動機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨(dú)立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”。
高速電主軸所融合的技術(shù)：
電主軸是最近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)，它與直線電機(jī)技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將會把高速加工推向一個新時代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置。
高速電主軸所融合的技術(shù)：
高速軸承技術(shù)：電主軸通常采用復(fù)合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限；
高速電機(jī)技術(shù)：電主軸是電動機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電動機(jī)。關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動平衡；
潤滑：電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑；也可以采用油脂潤滑，但相應(yīng)的速度要打折扣。所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個叫定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時會因油的阻力而發(fā)熱。
冷卻裝置：為了盡快給高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。
內(nèi)置脈沖編碼器：為了實現(xiàn)自動換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實現(xiàn)準(zhǔn)確的相角控制以及與進(jìn)給的配合。
自動換刀裝置：為了應(yīng)用于加工中心，電主軸配備了自動換刀裝置，包括碟形簧、拉刀油缸等；
高速刀具的裝卡方式：廣為熟悉的BT、ISO刀具，已被實踐證明不適合于高速加工。這種情況下出現(xiàn)了HSK、SKI等高速刀具。
高頻變頻裝置：要實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用一高頻變頻裝置來驅(qū)動電主軸的內(nèi)置高速電動機(jī)，變頻器的輸出頻率必須達(dá)到上千或幾千赫茲。
高速主軸的優(yōu)勢分析：
在高速主軸單元中，由于機(jī)床既要進(jìn)行粗加工，也要進(jìn)行精加工，因此對主軸單元提出了較高的靜剛度和工作精度的要求。另外，高速機(jī)床主軸單元的動態(tài)特性也在很大程度上決定或者制約了機(jī)床的價格質(zhì)量和切削能力。當(dāng)切削過程出現(xiàn)較大的在振動時，會使刀具出現(xiàn)劇烈的磨損或破損，也會增加主軸軸承所承受的動載荷，降低軸承的精度和壽命，影響加工精度和表面質(zhì)量。因此，主軸單元應(yīng)具有較高的抗振性。
相比一般的傳統(tǒng)主軸，電主軸將電機(jī)內(nèi)置，傳動上摒棄了皮帶和齒輪，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，很好的解決了振動和噪聲問題，提高了機(jī)床的加工精度和加工表面粗糙度，可以最快地實現(xiàn)較高的速度變化，即主軸回轉(zhuǎn)時要具有極大的角加速度，這極大的提高了生產(chǎn)效率。
用在高精度機(jī)床上的電主軸，不但要求主軸轉(zhuǎn)速高，而且要求其旋轉(zhuǎn)精度也高、并且振動小。因此，在電主軸的設(shè)計階段，必須對它進(jìn)行動力學(xué)特性分析，以確定其各階臨界轉(zhuǎn)速和各階振型。對于高速軸系，其轉(zhuǎn)子動力學(xué)性能的分析和設(shè)計是直接決定主軸性能設(shè)計的一項重要內(nèi)容。主軸的轉(zhuǎn)子動力學(xué)性能如何，對整臺機(jī)床能否實現(xiàn)高速加工以及加工精度、主軸軸承的壽命和其它關(guān)鍵部件的正常工作等方面都有著至關(guān)重要的影響。另外，陶瓷角接觸球軸承具有制造精度高、極限轉(zhuǎn)速高、承載能力強(qiáng)，能同時承受徑向和軸向載荷等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于高速機(jī)床主軸的支承中。軸承內(nèi)部各元件的運(yùn)動及所受載荷比較復(fù)雜，特別是高速球軸承中，離心力和陀螺力矩作用的結(jié)果使軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)發(fā)生變化，影響到軸承的變形與載荷關(guān)系特性，從而影響到球軸承支撐的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)性能。
高速主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速選擇：
高速主軸電機(jī)，不管輕金屬加工還是重金屬加工，其的選擇都根據(jù)加工材料的本質(zhì)來選擇轉(zhuǎn)速。加工密度高的材料之所以要選擇24000~60000轉(zhuǎn)，是因為材料密度高，硬度強(qiáng)，低轉(zhuǎn)速加工會造成出行毛邊，表面不光滑等現(xiàn)象。加工低密度的材料之所以選擇3000~24000轉(zhuǎn)的，是因為高轉(zhuǎn)速對低密度材料來說有造成拉裂的危險等因素。
高速主軸的變速方式：
1、無級變速
數(shù)控機(jī)床一般采用直流或交流主軸伺服電動機(jī)實現(xiàn)主軸無級變速。
交流主軸電動機(jī)及交流變頻驅(qū)動裝置（籠型感應(yīng)交流電動機(jī)配置矢量變換變頻調(diào)速系統(tǒng)），由于沒有電刷，不產(chǎn)生火花，所以使用壽命長，且性能已達(dá)到直流驅(qū)動系統(tǒng)的水平，甚至在噪聲方面還有所降低。因此，目前應(yīng)用較為廣泛。
主軸傳遞的功率或轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。當(dāng)機(jī)床處在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，主軸的轉(zhuǎn)速在437~3500r/min范圍內(nèi)，主軸傳遞電動機(jī)的全部功率11kW，為主軸的恒功率區(qū)域Ⅱ（實線）。在這個區(qū)域內(nèi)，主軸的最大輸出扭矩（245N.m）隨著主軸轉(zhuǎn)速的增高而變小。主軸轉(zhuǎn)速在35~437r/min范圍內(nèi)，主軸的輸出轉(zhuǎn)矩不變，稱為主軸的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域Ⅰ（實線）。在這個區(qū)域內(nèi)，主軸所能傳遞的功率隨著主軸轉(zhuǎn)速的降低而減小。圖中虛線所示為電動機(jī)超載（允許超載30min）時，恒功率區(qū)域和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域。電動機(jī)的超載功率為15kW，超載的最大輸出轉(zhuǎn)矩為334N.m。
2、分段無級變速
數(shù)控機(jī)床在實際生產(chǎn)中，并不需要在整個變速范圍內(nèi)均為恒功率。一般要求在中、高速段為恒功率傳動，在低速段為恒轉(zhuǎn)矩傳動。為了確保數(shù)控機(jī)床主軸低速時有較大的轉(zhuǎn)矩和主軸的變速范圍盡可能大，有的數(shù)控機(jī)床在交流或直流電動機(jī)無級變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速。
高速主軸的潤滑方式：
高速主軸的主軸軸承常見的潤滑方式有脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑、噴射潤滑及環(huán)下潤滑等。
脂潤滑不需任何設(shè)備，是低速主軸普遍采用的潤滑方式。dn值在1.0×106以上的主軸，多采用油潤滑的方式。
油霧潤滑是將潤滑油(如透平油)經(jīng)壓力空氣霧化后對軸承進(jìn)行潤滑的。這種方式實現(xiàn)容易，設(shè)備簡單，油霧既有潤滑功能，又能起到冷卻軸承的作用，但油霧不易回收，對環(huán)境污染嚴(yán)重，故逐漸被新型的油氣潤滑方式所取代。
油氣潤滑是將少量的潤滑油不經(jīng)霧化而直接由壓縮空氣定時、定量地沿著專用的油氣管道壁均勻地被帶到軸承的潤滑區(qū)。潤滑油起潤滑的作用，而壓縮空氣起推動潤滑油運(yùn)動及冷卻軸承的作用。油氣始終處于分離狀態(tài)，這有利于潤滑油的回收，而對環(huán)境卻沒有污染。實施油氣潤滑時，一般要求每個軸承都有單獨(dú)的油氣噴嘴，對軸承噴射處的位置有嚴(yán)格的要求，否則不易保證潤滑效果，油氣潤滑的效果還受壓縮空氣流量和油氣壓力的影響。一般地講，增大空氣流量可以提高冷卻效果，而提高油氣壓力，不僅可以提高冷卻效果，而且還有助于潤滑油到達(dá)潤滑區(qū)，因此，提高油氣壓力有助于提高軸承的轉(zhuǎn)速。
實驗表明，加大壓力比采用常規(guī)壓力進(jìn)行油氣潤滑可使軸承的轉(zhuǎn)速提高20%。噴射潤滑是直接用高壓潤滑油對軸承進(jìn)行潤滑和冷卻的，功率消耗較大，成本高，常用在dn值為2.5×106以上的超高速主軸上。
環(huán)下潤滑是一種改進(jìn)的潤滑方式，分為環(huán)下油潤滑和環(huán)下油氣潤滑。實施環(huán)下油或者油氣潤滑時，潤滑油或油氣從軸承的內(nèi)圈噴入潤滑區(qū)，在離心力的作用下潤滑油更易于到達(dá)軸承潤滑區(qū)，因而比普通的噴射潤滑和油氣潤滑效果好，可進(jìn)一步提高軸承的轉(zhuǎn)速，如普通油氣潤滑，角接觸陶瓷球軸承的dn值為2.0×106左右，采用加大油氣壓力的方法可將dn值提高到2.2×106，而采用環(huán)下油氣潤滑則可達(dá)到2.5×106。

上一篇：高速電主軸有什么概念？

下一篇：高速電主軸的優(yōu)勢是什么？

什么是高速主軸，有什么選擇要求？

什么是高速主軸，有什么選擇要求？