耐磨耐熱高速電主軸在數(shù)控機床中的應用
發(fā)布時間：2021-04-12 18:10:34 點擊率：
數(shù)控機床將高效、高精度和高柔性集為一體，同時，為了得到高生產(chǎn)率，提高加工精度，高速的加工技術(shù)也越來越受到業(yè)內(nèi)的重視。超高速數(shù)控機床是實現(xiàn)超高速加工的物質(zhì)基礎(chǔ)，而高速主軸又是超高速數(shù)控機床的“核心”部件，耐磨耐熱高速電主軸不但要求較高的速度、精度，而且要求連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)矩能力和非常寬的恒功率運行范嗣，因此，具備相應的高轉(zhuǎn)速和高精度、高速精密和高效率特性的數(shù)控機床電主軸應運而生。
耐磨耐熱高速電主軸是用在磨床上，后來才發(fā)展到加T中心。因強大的精密機械工業(yè)不斷提出要求，使電主軸的功率和品質(zhì)不斷得到提高。目前，電主軸大轉(zhuǎn)速可達20 000 r／min，直徑范圍33—300 mm，功率范圍125 W-80 kw.扭矩范圍0.02—300 Nm。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。慣性小，動態(tài)特性好等優(yōu)點，并可改善機床的動平衡。避免振動、污染和噪聲，因而它在超高速切削機床卜得到了廣泛的應用。
1 耐磨耐熱高速電主軸的工作原理及典型結(jié)構(gòu)
1.1 電主軸的工作原理
所謂電主軸就是將電機的轉(zhuǎn)子直接作為機床的主軸，主軸單元的殼體就是電機座，并配合其他安全保障措施，實現(xiàn)電機與機床主軸的一體化。電主軸直接將空心的電動機轉(zhuǎn)子裝在主軸上，定子通過冷卻套同定在主軸箱體孔內(nèi)，形成一個完整的主軸單元，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動主軸運轉(zhuǎn)。
1.2 電主軸的基本構(gòu)成
電主軸結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成，它通常由電主軸單元、軸承及其潤滑單元，主軸冷卻單元以及動平衡單元組成。電主軸單元典型的結(jié)構(gòu)布局方式是電機置于主軸前、后軸承之間，其優(yōu)點是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大，功率大，較適合于大、中型高速數(shù)控機床；其不足是在封閉的主軸箱體內(nèi)電機的自然散熱條件差，溫升比較高。
1.3 電主軸的典型結(jié)構(gòu)
圖2為內(nèi)裝式電主軸結(jié)構(gòu)。電動機的轉(zhuǎn)子與機床的主軸間是靠過盈套筒的過盈配合實現(xiàn)扭矩傳遞的，其過盈量是按所傳遞扭矩的大小計算出來的。在主軸上取消了一切形式的鍵連接和螺紋連接，便于使主軸運轉(zhuǎn)部分達到精確的動平衡。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)孔與主軸配合面之間有很大的過盈量，因此，在裝配時必須先在油浴中將轉(zhuǎn)子加熱到200℃左右，然后迅速進行熱壓裝配。電動機的定子通過一個冷卻套同裝在電主軸的殼體中。
2 電主軸的關(guān)鍵技術(shù)
電主軸是高速軸承技術(shù)、潤滑技術(shù)、冷卻技術(shù)、動平衡技術(shù)、精密制造與裝配技術(shù)以及電機高速驅(qū)動等技術(shù)的綜合運用。
2.1 電主軸的高速軸承技術(shù)
實現(xiàn)電主軸高速化精密化的關(guān)鍵是高速精密軸承技術(shù)的應用。目前，在耐磨耐熱高速電主軸中應用的軸承有精密滾動軸承、液體動靜壓軸承、氣體靜壓軸承和磁懸浮軸承等，但主要是精密角接觸陶瓷球軸承和精密圓柱滾子軸承。角接觸球軸承不但可同時承受徑向和軸向載荷，而且剛度高，高速性能好，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，品種規(guī)格繁多，便于維修更換，因而在電主軸中得到廣泛的應用。隨著陶瓷軸承技術(shù)的發(fā)展，應用多的電主軸軸承是混合陶瓷球軸承，即滾動體使用Si3N4陶瓷球，采用“小珠密珠”結(jié)構(gòu)，軸承套圈為GCrl5鋼圈。這種混合軸承通過減小離心力和陀螺力矩，來減小滾珠與溝道間的摩擦，從而獲得較低的溫升及較好的高速性能。
2.2 電主軸的潤滑技術(shù)
1）耐磨耐熱高速電主軸必須采用合理的、可控制的軸承潤滑方式來控制軸承的溫升，以保證數(shù)控機床工藝系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。電主軸的潤滑方式主要有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑等。
2）實踐表明在潤滑中供油量過多或過少都是有害的，而前兩種潤滑方式均無法準確地控制供油量多少，不利于主軸軸承轉(zhuǎn)速和壽命的提高。而新近發(fā)展起來的油氣潤滑方式則可以精確地控制各個摩擦點的潤滑油量，可靠性極高。
3）油氣潤滑技術(shù)是利用壓縮空氣將微量的潤滑油分別連續(xù)不斷地、精確地供給每一套主軸軸承，微小油滴在滾動和內(nèi)、外滾道問形成彈性動壓油膜，而壓縮空氣則可帶走軸承運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量。
4）實踐證明，油氣潤滑是高速大功率電主軸軸承的理想潤滑方法，但其所需設(shè)備復雜，成本高。由于油氣潤滑方式潤滑效果理想，目前已成為流行的潤滑方式。
2.3 電主軸的冷卻技術(shù)
1）耐磨耐熱高速電主軸有兩個主要的內(nèi)部熱源：內(nèi)置電動機的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。如果不加以控制，由此引起的熱變形會嚴重降低機床的加工精度和軸承使用壽命，從而導致電主軸的使用壽命縮短。
2）電主軸由采用內(nèi)藏式主軸結(jié)構(gòu)形式，位于主軸單元體中的電機不能采用風扇散熱，因此，自然散熱條件較差。電機在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程中，內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗，從而使電機發(fā)熱。研究表明，在電機高速運轉(zhuǎn)條件下，有近1/3的電機發(fā)熱量南電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，并且轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙傳人定子中；其余2／3的熱量產(chǎn)生于電機的定子，所以，對電機產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對電機定子采用冷卻液的循環(huán)流動來實行強制冷卻。典型的冷卻系統(tǒng)是用外循環(huán)水式冷卻裝置來冷卻電機定子，將電機的熱量帶走。
3）角接觸球軸承的發(fā)熱主要是滾子與滾道之間的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動摩擦以及潤滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的。減小軸承發(fā)熱量的主要措施：（1）適當減小滾珠的直徑，從而減小摩擦，減少發(fā)熱量。（2）采用合理的潤滑方式，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。
2.4 電主軸的動平衡技術(shù)
主軸高速旋轉(zhuǎn)時，任何小的不平衡質(zhì)量即可引起電主軸大的高頻振動，因此，精密電主軸的動平衡精度要求達到G1-G0.4級。對于這種等級的動平衡，采用常規(guī)的方法即僅在裝配前對主軸上的每個零件分別進行動平衡是遠遠不夠的，還需在裝配后進行整體的動平衡，甚至還要設(shè)計專門的自動平衡系統(tǒng)來實現(xiàn)主軸的在線動平衡。另外，在設(shè)計電主軸時，必須嚴格遵守結(jié)構(gòu)對稱原則，鍵連接和螺紋連接在電主軸上被禁止使用，而普遍采用過盈連接，并以此來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。
2.5 電主軸的運動控制技術(shù)
在數(shù)控機床中，耐磨耐熱高速電主軸通常采用變頻調(diào)速方法。目前，主要有普通變頻驅(qū)動和控制、矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動和控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制三種控制方式。
1）普通變頻為標量驅(qū)動和控制，其驅(qū)動控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比。普通變頻控制的動態(tài)性能不夠理想，在低速時控制性能不佳，輸出功率不夠穩(wěn)定，也不具備C軸功能，但價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，一般用于磨床和普通的高速銑床等。
2）矢量控制技術(shù)模
仿直流電動機的控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法來實現(xiàn)驅(qū)動和控制，具有良好的動態(tài)性能。矢量控制驅(qū)動器在剛啟動時具有很大的轉(zhuǎn)矩值，加之電主軸本身結(jié)構(gòu)簡單，慣性很小，故啟動加速度大，可以實現(xiàn)啟動后瞬時達到允許極限速度。
3）直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的又一種新型的高性能交流調(diào)速技術(shù)，其控制思想新穎，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔明了，更適合于高速電主軸的驅(qū)動，更能滿足高速電主軸高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍、高速瞬l’日J準停的動態(tài)特性和靜態(tài)特性的要求，已成為交流傳動領(lǐng)域的一個熱點技術(shù)。
耐磨耐熱高速電主軸是用在磨床上，后來才發(fā)展到加T中心。因強大的精密機械工業(yè)不斷提出要求，使電主軸的功率和品質(zhì)不斷得到提高。目前，電主軸大轉(zhuǎn)速可達20 000 r／min，直徑范圍33—300 mm，功率范圍125 W-80 kw.扭矩范圍0.02—300 Nm。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。慣性小，動態(tài)特性好等優(yōu)點，并可改善機床的動平衡。避免振動、污染和噪聲，因而它在超高速切削機床卜得到了廣泛的應用。
1 耐磨耐熱高速電主軸的工作原理及典型結(jié)構(gòu)
1.1 電主軸的工作原理
所謂電主軸就是將電機的轉(zhuǎn)子直接作為機床的主軸，主軸單元的殼體就是電機座，并配合其他安全保障措施，實現(xiàn)電機與機床主軸的一體化。電主軸直接將空心的電動機轉(zhuǎn)子裝在主軸上，定子通過冷卻套同定在主軸箱體孔內(nèi)，形成一個完整的主軸單元，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動主軸運轉(zhuǎn)。
1.2 電主軸的基本構(gòu)成
電主軸結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成，它通常由電主軸單元、軸承及其潤滑單元，主軸冷卻單元以及動平衡單元組成。電主軸單元典型的結(jié)構(gòu)布局方式是電機置于主軸前、后軸承之間，其優(yōu)點是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大，功率大，較適合于大、中型高速數(shù)控機床；其不足是在封閉的主軸箱體內(nèi)電機的自然散熱條件差，溫升比較高。
1.3 電主軸的典型結(jié)構(gòu)
圖2為內(nèi)裝式電主軸結(jié)構(gòu)。電動機的轉(zhuǎn)子與機床的主軸間是靠過盈套筒的過盈配合實現(xiàn)扭矩傳遞的，其過盈量是按所傳遞扭矩的大小計算出來的。在主軸上取消了一切形式的鍵連接和螺紋連接，便于使主軸運轉(zhuǎn)部分達到精確的動平衡。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)孔與主軸配合面之間有很大的過盈量，因此，在裝配時必須先在油浴中將轉(zhuǎn)子加熱到200℃左右，然后迅速進行熱壓裝配。電動機的定子通過一個冷卻套同裝在電主軸的殼體中。
2 電主軸的關(guān)鍵技術(shù)
電主軸是高速軸承技術(shù)、潤滑技術(shù)、冷卻技術(shù)、動平衡技術(shù)、精密制造與裝配技術(shù)以及電機高速驅(qū)動等技術(shù)的綜合運用。
2.1 電主軸的高速軸承技術(shù)
實現(xiàn)電主軸高速化精密化的關(guān)鍵是高速精密軸承技術(shù)的應用。目前，在耐磨耐熱高速電主軸中應用的軸承有精密滾動軸承、液體動靜壓軸承、氣體靜壓軸承和磁懸浮軸承等，但主要是精密角接觸陶瓷球軸承和精密圓柱滾子軸承。角接觸球軸承不但可同時承受徑向和軸向載荷，而且剛度高，高速性能好，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，品種規(guī)格繁多，便于維修更換，因而在電主軸中得到廣泛的應用。隨著陶瓷軸承技術(shù)的發(fā)展，應用多的電主軸軸承是混合陶瓷球軸承，即滾動體使用Si3N4陶瓷球，采用“小珠密珠”結(jié)構(gòu)，軸承套圈為GCrl5鋼圈。這種混合軸承通過減小離心力和陀螺力矩，來減小滾珠與溝道間的摩擦，從而獲得較低的溫升及較好的高速性能。
2.2 電主軸的潤滑技術(shù)
1）耐磨耐熱高速電主軸必須采用合理的、可控制的軸承潤滑方式來控制軸承的溫升，以保證數(shù)控機床工藝系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。電主軸的潤滑方式主要有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑等。
2）實踐表明在潤滑中供油量過多或過少都是有害的，而前兩種潤滑方式均無法準確地控制供油量多少，不利于主軸軸承轉(zhuǎn)速和壽命的提高。而新近發(fā)展起來的油氣潤滑方式則可以精確地控制各個摩擦點的潤滑油量，可靠性極高。
3）油氣潤滑技術(shù)是利用壓縮空氣將微量的潤滑油分別連續(xù)不斷地、精確地供給每一套主軸軸承，微小油滴在滾動和內(nèi)、外滾道問形成彈性動壓油膜，而壓縮空氣則可帶走軸承運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量。
4）實踐證明，油氣潤滑是高速大功率電主軸軸承的理想潤滑方法，但其所需設(shè)備復雜，成本高。由于油氣潤滑方式潤滑效果理想，目前已成為流行的潤滑方式。
2.3 電主軸的冷卻技術(shù)
1）耐磨耐熱高速電主軸有兩個主要的內(nèi)部熱源：內(nèi)置電動機的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。如果不加以控制，由此引起的熱變形會嚴重降低機床的加工精度和軸承使用壽命，從而導致電主軸的使用壽命縮短。
2）電主軸由采用內(nèi)藏式主軸結(jié)構(gòu)形式，位于主軸單元體中的電機不能采用風扇散熱，因此，自然散熱條件較差。電機在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程中，內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗，從而使電機發(fā)熱。研究表明，在電機高速運轉(zhuǎn)條件下，有近1/3的電機發(fā)熱量南電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，并且轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙傳人定子中；其余2／3的熱量產(chǎn)生于電機的定子，所以，對電機產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對電機定子采用冷卻液的循環(huán)流動來實行強制冷卻。典型的冷卻系統(tǒng)是用外循環(huán)水式冷卻裝置來冷卻電機定子，將電機的熱量帶走。
3）角接觸球軸承的發(fā)熱主要是滾子與滾道之間的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動摩擦以及潤滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的。減小軸承發(fā)熱量的主要措施：（1）適當減小滾珠的直徑，從而減小摩擦，減少發(fā)熱量。（2）采用合理的潤滑方式，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。
2.4 電主軸的動平衡技術(shù)
主軸高速旋轉(zhuǎn)時，任何小的不平衡質(zhì)量即可引起電主軸大的高頻振動，因此，精密電主軸的動平衡精度要求達到G1-G0.4級。對于這種等級的動平衡，采用常規(guī)的方法即僅在裝配前對主軸上的每個零件分別進行動平衡是遠遠不夠的，還需在裝配后進行整體的動平衡，甚至還要設(shè)計專門的自動平衡系統(tǒng)來實現(xiàn)主軸的在線動平衡。另外，在設(shè)計電主軸時，必須嚴格遵守結(jié)構(gòu)對稱原則，鍵連接和螺紋連接在電主軸上被禁止使用，而普遍采用過盈連接，并以此來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。
2.5 電主軸的運動控制技術(shù)
在數(shù)控機床中，耐磨耐熱高速電主軸通常采用變頻調(diào)速方法。目前，主要有普通變頻驅(qū)動和控制、矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動和控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制三種控制方式。
1）普通變頻為標量驅(qū)動和控制，其驅(qū)動控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比。普通變頻控制的動態(tài)性能不夠理想，在低速時控制性能不佳，輸出功率不夠穩(wěn)定，也不具備C軸功能，但價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，一般用于磨床和普通的高速銑床等。
2）矢量控制技術(shù)模
仿直流電動機的控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法來實現(xiàn)驅(qū)動和控制，具有良好的動態(tài)性能。矢量控制驅(qū)動器在剛啟動時具有很大的轉(zhuǎn)矩值，加之電主軸本身結(jié)構(gòu)簡單，慣性很小，故啟動加速度大，可以實現(xiàn)啟動后瞬時達到允許極限速度。
3）直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的又一種新型的高性能交流調(diào)速技術(shù)，其控制思想新穎，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔明了，更適合于高速電主軸的驅(qū)動，更能滿足高速電主軸高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍、高速瞬l’日J準停的動態(tài)特性和靜態(tài)特性的要求，已成為交流傳動領(lǐng)域的一個熱點技術(shù)。