超高速機床電主軸的設(shè)計與應(yīng)用

超高速機床電主軸的設(shè)計與應(yīng)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(zhuǎn)元件直接安裝在主軸組件中，也被稱為內(nèi)部電軸（built-inmoverspindle）。在這期間，使用鉤子或齒輪箱的輔助設(shè)備不會實現(xiàn)機械軸系統(tǒng)的“零傳動”。其具有結(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(yīng)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(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、摩托車和模具加工等行業(yè),對高速度、高精度數(shù)控機床的需求與日俱增。這迫切需要開發(fā)出更加優(yōu)質(zhì)的高速電主軸。1套裝主軸單元的數(shù)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(jié)構(gòu)形式,即變頻電機的空心轉(zhuǎn)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(nèi)直接與機床連接,成為一種集成式電機主軸——電機的轉(zhuǎn)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(xiàn)了變頻電機和機床主軸之間的“零傳動”,這是數(shù)控機床傳動系統(tǒng)的重大改革。它克服了傳統(tǒng)機床皮帶或齒輪傳動方式的主軸系統(tǒng)在高速下打滑、振動和噪聲大、慣量大等缺點,可實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的高速化,有效改善主軸高速綜合性能。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。2高速高效機床主軸的特點傳統(tǒng)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(lián)軸節(jié)等)驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)而工作,這樣的主軸形式稱為分離式和直聯(lián)式主軸(通稱機械主軸)。與此相比,電主軸具有以下優(yōu)點。(1)主軸由內(nèi)裝式電機直接驅(qū)動,省去皮帶、齒輪、聯(lián)軸節(jié)等中間變速和傳動裝置,具有結(jié)構(gòu)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(shù),電主軸可在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速,以適應(yīng)機床工作時各種工況和負(fù)載變化的需要。(3)利用內(nèi)裝電機的閉環(huán)矢量控制、伺服控制技術(shù),不僅滿足機床低速粗切削時大轉(zhuǎn)矩、高速精加工時大功率的需求,還可實現(xiàn)停機時角向準(zhǔn)確定位(即準(zhǔn)停)及C軸傳動功能,適應(yīng)要求有準(zhǔn)停和C軸功能的加工中心、數(shù)控車床及其它數(shù)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(xiàn)高速化,其動態(tài)精度和穩(wěn)定性更好,可滿足數(shù)控機床進(jìn)行高速切削和精密加工的需要。(5)由于沒有中間傳動環(huán)節(jié),電主軸工作時運行更加平穩(wěn),沒有外來沖擊,主軸軸承所承受的動負(fù)荷較小,延長了其精度壽命。(6)由于實現(xiàn)電機和主軸的一體化、單元化,使電主軸能夠由制造商進(jìn)行系列化、規(guī)模化和專業(yè)化生產(chǎn),電主軸以商品的形式進(jìn)人市場,成為專門的數(shù)控機床功能部件之一,以供主機選用,促進(jìn)機床模塊化和其它技術(shù)的發(fā)展。3高速脈軸對現(xiàn)代數(shù)據(jù)機械的發(fā)展和金屬切割技術(shù)的影響(1)高速切削必備條件的設(shè)計電主軸系由內(nèi)裝式電機直接驅(qū)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(jìn)給系統(tǒng)、高速刀具系統(tǒng)一起組成高速切削所需的必備條件。電主軸技術(shù)與電機變頻、閉環(huán)矢量控制、交流伺服控制等技術(shù)相結(jié)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(jié)構(gòu)，促進(jìn)機械結(jié)構(gòu)的人性化電主軸根據(jù)用途、結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)等特征形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化產(chǎn)品,供主機選用,從而促進(jìn)機床結(jié)構(gòu)模塊化。(3)化生產(chǎn),降低機床成本一方面,標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的電主軸產(chǎn)品易于形成專業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn),實現(xiàn)功能部件的低成本制造;另一方面,采用電主軸后,機床結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)的數(shù)控機床,由于結(jié)構(gòu)簡化,傳動、連接環(huán)節(jié)減少,因此提高了機床的可靠性;技術(shù)成熟、功能完善、性能優(yōu)良、質(zhì)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(jìn)一步提高。(5)實現(xiàn)一些高端數(shù)據(jù)機床的特殊要求有些高檔數(shù)控機床,如并聯(lián)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(zhuǎn)機構(gòu)的安裝在電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計有效的冷卻系統(tǒng)、以及確定主軸零件與電機定子的過盈配合量是電主軸設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)。電機性能是電主軸的核心,正確設(shè)計電機的電磁參數(shù)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(zhuǎn)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(yīng),滿足機床在寬調(diào)速范圍內(nèi)對功率和扭矩的要求;再次,轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時應(yīng)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(chǎn)生強烈的感應(yīng)電流,應(yīng)對定子進(jìn)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(shè)計的一項關(guān)鍵技術(shù)。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(zhì)滾珠軸承。在高轉(zhuǎn)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(jù)工作轉(zhuǎn)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(jìn)行冷卻、潤滑、預(yù)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(yīng)高速效果最好。預(yù)緊量的選擇可根據(jù)經(jīng)驗公式進(jìn)行計算獲得。解決高速、高效、高精度工作狀態(tài)下的發(fā)熱振動是電主軸的另一項關(guān)鍵技術(shù)。電主軸的熱源除切削熱外,主要是定轉(zhuǎn)子發(fā)熱和軸承發(fā)熱。電主軸的結(jié)構(gòu)特點是電機的定子直接安裝在殼體內(nèi),這對電機的散熱很不利。發(fā)熱引起的熱變形將導(dǎo)致機床喪失精度。因此電主軸必須有冷卻系統(tǒng),來保證機床恒溫。此外,電主軸由于轉(zhuǎn)速高,任何不平衡量都會引起振動,產(chǎn)生噪聲,影響主軸平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。振動問題的解決,取決于動平衡的精度,即對各回轉(zhuǎn)零件進(jìn)行動平衡和對所有回轉(zhuǎn)件裝配于主軸之上后進(jìn)行整體動平衡,使其達(dá)到規(guī)定的平衡精度要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上主要采用兩端加裝動平衡環(huán)。主軸零件與電機定子的過盈配合量應(yīng)合理確定。為保證高速切削,主軸應(yīng)具有良好的運轉(zhuǎn)精度和傳動能力,其零部件需具有良好的加工精度、表面質(zhì)量及良好的裝配精度。且為達(dá)到精確的動平衡,電機轉(zhuǎn)子與機床主軸之間采用無鍵過盈聯(lián)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(shù)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(nèi)置編碼器、換刀裝置,因此它融合高速軸承技術(shù)、冷卻技術(shù)、潤滑等技術(shù)。高速軸承技術(shù)是高速電主軸技術(shù)中很關(guān)鍵的技術(shù),資料顯示,在20世紀(jì)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(zhuǎn)速(r/min)的乘積)值,最多能達(dá)到0.5×106,當(dāng)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(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用國內(nèi)電主軸的研究始于20世紀(jì)60年代,主要用于零件內(nèi)表面磨削,這種電主軸的功率低,剛度小。且采用無內(nèi)圈式向心推力球軸承,限制了高速電主軸的生產(chǎn)社會化和商品化。20世紀(jì)70年代后期至80年代,隨著高速主軸軸承的開發(fā),研制了高剛度、高速電主軸,它被廣泛應(yīng)用于各種內(nèi)圓磨床和各機械制造領(lǐng)域。在20世紀(jì)80年代末以后,由磨用電主軸轉(zhuǎn)向銑用電主軸,它不僅能加工各種形體復(fù)雜的模具,還開發(fā)了用于木工機械用的風(fēng)冷式高速銑用電主軸,推動高速電主軸在銑削中的應(yīng)用。此外,食品工業(yè)的固體飲料;染化工業(yè)的染料;醫(yī)藥工業(yè)的藥品等粉狀和粒狀物質(zhì)均需用高速離心干燥技術(shù)來生產(chǎn),而高速離心干燥設(shè)備也需要高速電主軸技術(shù)。高速拉伸電主軸的應(yīng)用促進(jìn)了我國有色管材精密冷成型技術(shù)的發(fā)展。高精度硅片切割機用電主軸,促進(jìn)電子工業(yè)設(shè)備的更新和進(jìn)步。利用高速電主軸的優(yōu)良性能,還可開發(fā)多種高性能試驗機。目前國內(nèi)研究高速電主軸的科研機構(gòu)有我國河南省洛陽軸承研究所,他們能自行研究開發(fā)電主軸,其DmN值達(dá)到很高的水平;廣州鉅聯(lián)高速電主軸有限公司研發(fā)的大功率靜壓軸承電主軸曾獲得日內(nèi)瓦國際專利技術(shù)博覽會金獎;廣東工業(yè)大學(xué)高速加工和機床研究所也開發(fā)了數(shù)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(chǎn)廠家——安陽萊必泰機械有限公司,它擁有先進(jìn)的電主軸、機床主軸設(shè)計和制造技術(shù)。該公司研制生產(chǎn)的加工中心電主軸,采用先進(jìn)技術(shù),配有矢量閉環(huán)控制系統(tǒng),能對主軸實行恒功率調(diào)速,準(zhǔn)停制動。采用進(jìn)口高速精密軸承,旋轉(zhuǎn)件經(jīng)高精度平衡。該系列產(chǎn)品具有高精度、高剛度、高速度、低噪聲、低振動、低溫升等優(yōu)點,系99國家火炬計劃項目。5.2機床電主軸的發(fā)展趨勢國外電主軸最早用于內(nèi)圓磨床,20世紀(jì)80年代,隨著數(shù)控機床和高速切削技術(shù)的發(fā)展和需要,逐漸將電主軸技術(shù)應(yīng)用于加工中心、數(shù)控銑床等高檔數(shù)控機床,成為近年來機床技術(shù)所取得的重大成就之一。目前,采用電主軸技術(shù)的數(shù)控機床越來越多。電主軸已成為現(xiàn)代數(shù)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(yè)制造商,它們生產(chǎn)的電主軸功能部件已經(jīng)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(shù)、高速切削技術(shù)的發(fā)展及實際應(yīng)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(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)繼續(xù)向高速度、高剛度方向發(fā)展。由于高速切削和實際應(yīng)用的需要,隨著主軸軸承及其潤滑技術(shù)、精密加工技術(shù)、精密動平衡技術(shù)、高速刀具及其接口技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)控機床用電主軸高速化已成為目前發(fā)展的普遍趨勢。在電主軸的系統(tǒng)剛度方面,由于軸承及其潤滑技術(shù)的發(fā)展,電主軸的系統(tǒng)剛度越來越大,滿足數(shù)控機床高速、高效和精密加工發(fā)展的需要。(2)向高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展。根據(jù)實際使用需要,多數(shù)數(shù)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(yīng)該具備低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率的性能。(3)進(jìn)一步向高精度、高可靠性和延長工作壽命方向發(fā)展。用戶對數(shù)控機床的精度和使用可靠性提出越來越高的要求,作為數(shù)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(nèi)、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(jìn)的潤滑方法及特殊的預(yù)負(fù)荷施加方式,電主軸的壽命相應(yīng)得到延長,其使用可靠性越來越高。(4)電主軸內(nèi)裝電機性能和形式多樣化。為滿足實際應(yīng)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(zhuǎn)矩高轉(zhuǎn)速與恒功率高轉(zhuǎn)速之比(即恒功率調(diào)速范圍)達(dá)到1∶14。此外,出現(xiàn)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(xiàn)小尺寸、大功率。(5)向快速啟、停方向發(fā)展。為縮短輔助時間,提高效率,要求數(shù)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(dá)到1g以上,全速啟、停時間在1s以內(nèi)。(6)軸承及其預(yù)載荷施加方式、潤滑方式多樣化。除常規(guī)的鋼制滾動軸承外,近年來陶瓷球混合軸承得到廣泛應(yīng)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(yīng)高速、環(huán)保節(jié)能的特點,得到廣泛的推廣和應(yīng)用;滾動軸承的預(yù)負(fù)荷施加方式除剛性預(yù)負(fù)荷(又稱定位預(yù)負(fù)荷)、彈性預(yù)負(fù)荷(又稱定壓預(yù)負(fù)荷)之外,又發(fā)展了一種智能預(yù)負(fù)荷方式,即利用液壓油缸對軸承施加預(yù)負(fù)荷,且可根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)速、負(fù)載等具體工況控制預(yù)負(fù)荷的大小,使軸承的支承性能更加優(yōu)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(jīng)有系列商品供應(yīng)市場。(7)刀具接口逐步趨于HSK刀柄技術(shù)。機床主軸高速化后,由于離心力作用,傳統(tǒng)的CAT(7∶24)刀柄結(jié)構(gòu)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(tài)和動態(tài)聯(lián)接剛性、大的傳遞扭矩能力、高的刀具重復(fù)定位精度和聯(lián)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(fā)展。在多功能方面,有角向停機精確定位(準(zhǔn)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(zhuǎn)矩放大、軸向定位精密補償、換刀自動動平衡技術(shù)等。在智能化方面,主要表現(xiàn)在各種安全保護(hù)和故障監(jiān)測診斷措施,如換刀聯(lián)鎖保護(hù)、軸承溫度監(jiān)控、電機過載和過熱保護(hù)、松刀時軸承卸荷保護(hù)、主軸振動信號監(jiān)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(jiān)測和自動控制、刀具磨損和損壞信號監(jiān)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(shù)據(jù),識別過載,統(tǒng)計電主軸工作壽命。國產(chǎn)電主軸和國外產(chǎn)品相比較,無論是性能、品種和質(zhì)量都有較大差距,國產(chǎn)電主軸產(chǎn)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(dá)300Nm,而我國目前僅在100Nm以內(nèi)。②在高轉(zhuǎn)速方面,國外用于加工中心的電主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)75000r/min,我國則多在15000r/min以內(nèi)。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(shù)也有較大差距,如主軸電機矢量控制、交流伺服控制技術(shù)、