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高速电主轴的关键技术
发表时间:2013-11-27

 

1 .概述

        高速加工技术越来越受到人们的关注,它不仅可获得更大的生产率,而且还可获得很高的加工质量,并可降低生产成本,因而被认为是21世纪最有发展前途的先进制造技术之一。在先进工业国家,此项技术已广泛应用于航空、航天及模具行业。在近五年中,我国的该项技术也取得了长足的进步。

       高速机床是实现高速切削的前提条件,机床的高速化是目前机床的发展趋势。高速机床与虚拟轴机床均为机床突破性的重大变革。无论是普通数控机床还是虚拟轴机床,实现高速化的关键部件仍是主轴单元。主轴高速化常用dn值(dn值是指主轴轴承的平均直径(mm)与主轴的极限转速(r/min)的乘积)来衡量,高速主轴常是指dn值在1.0×106以上的主轴。随着轴承技术、润滑技术的发展,主轴的转速在逐年提高。在资料显示,在80年代,主轴轴承在脂润滑条件下的dn值最多只能达到0.5×106,但当油气润滑装置开发出来以后,dn值迅速提高到1.0×106,采用角接触陶瓷球轴承后,主轴轴承的dn值进一步提高到2.0×106。到90年代,采用新的润滑方式——喷射润滑,使主轴的dn值达到3.0×106。对于转速在10000r/min以上的主轴单元,通过皮带或者联轴器来驱动已不再合适,较合理的方式是采用内装电机直接驱动,即将电机的转子直接安装在主轴上,定子安装在主轴套筒里,做成所谓电主轴的形式。该电主轴具有结构紧凑、易于平衡、传动较率高等优点,是高速主轴理想的结构。电主轴的性能除了受轴承及其润滑技术影响较大以外,还受许多因素的影响,其中包括轴承预紧力的控制、内装电机的发热与冷却、主轴的动平衡、轴上零件的连接等。此外,主轴轴端的设计也是高速电主轴不容忽视的问题。

2 .电主轴轴承的选择及其预紧技术

       用在高速主轴单元上的轴承主要有角接触球轴承、磁悬浮轴承、水基动静压轴承、空气动静压轴承等。磁悬浮轴承由于价格昂贵,控制系统复杂,发热问题难以解决,因而还无法在高速主轴单元上推广应用。水基静压轴承是目前国内较热门的研究课题之一,它是利用水具有热容量较大、轴承温升较小的特点,部分解决了普通动、静压轴承发热严重的问题,主要用在低速重载场合。空气动静压轴承径向刚度低并有冲击,但高速性能好,一般用在超高速、轻载、精密主轴上。角接触球轴承dn值在2.0×106以下的高速主轴单元中应用,无论是速度极限、承载能力、刚度、精度等各方面均能很好地满足要求并已标准化,价格低廉,目前90%的主轴组件采用这种类型的轴承。该类型轴承还可通过以下方法来提高性能。

3. 合理润滑

       主轴轴承常见的润滑方式有脂润滑、油雾润滑、油气润滑、喷射润滑及环下润滑等。

       脂润滑不需任何设备,是低速主轴普遍采用的润滑方式。

       dn值在1.0×106以上的主轴,多采用油润滑的方式,其中油雾润滑是将润滑油(如透平油)经压力空气雾化后对轴承进行润滑的。这种方式实现容易,设备简单,油雾既有润滑功能,又能起到冷却轴承的作用,但油雾不易回收,对环境污染严重,故逐渐被新型的油气润滑方式所取代。

      油气润滑是将少量的润滑油不经雾化而直接由压缩空气定时、定量地沿着专用的油气管道壁均匀地被带到轴承的润滑区。润滑油起润滑的作用,而压缩空气起推动润滑油运动及冷却轴承的作用。油气始终处于分离状态,这有利于润滑油的回收,而对环境却没有污染。实施油气润滑时,一般要求每个轴承都有单独的油气喷嘴,对轴承喷射处的位置有严格的要求,否则不易保证润滑效果,油气润滑的效果还受压缩空气流量和油气压力的影响。一般地讲,增大空气流量可以提高冷却效果,而提高油气压力,不仅可以提高冷却效果,而且还有助于润滑油到达润滑区,因此,提高油气压力有助于提高轴承的转速。实验表明,加大压力比采用常规压力进行油气润滑可使轴承的转速提高20%。

    喷射润滑是直接用高压润滑油对轴承进行润滑和冷却的,功率消耗较大,成本高,常用在dn值为2.5×106以上的超高速主轴上。

      环下润滑是一种改进的润滑方式(见图1),分为环下油润滑和环下油气润滑。实施环下油或者油气润滑时,润滑油或油气从轴承的内圈喷入润滑区,在离心力的作用下润滑油更易于到达轴承润滑区,因而比普通的喷射润滑和油气润滑效果好,可进一步提高轴承的转速,如普通油气润滑,角接触陶瓷球轴承的dn值为2.0×106左右,采用加大油气压力的方法可将dn值提高到2.2×106,而采用环下油气润滑则可达到2.5×106。

4.采用角接触陶瓷球轴承

       影响角接触球轴承高速性能的主要原因是高速下作用在滚珠上的离心力和陀螺力矩增大。离心力增大会增加滚珠与滚道间的摩擦,而陀螺力矩增大则会使滚珠与滚道间产生滑动摩擦,使轴承摩擦发热加剧,因而降低轴承的寿命。为了提高轴承的高速性能,常采用两种方法:一是减小滚球的直径,如采用已标准化的71900系列主轴轴承;另一种则是采用新型的陶瓷(Si3N4)材料做滚珠,由于Si3N4陶瓷材料的密度仅为轴承钢的40%,因而这种轴承的高速性能明显高于全钢轴承。目前国外绝大多数高速机床主轴均采用这种轴承。

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