超高速机床用高速电主轴的研究

超高速机床用高速电主轴的研究

高速主轴是高速机的核心部件。主轴的电气东器的固定部件和电机轴的传输直接输入主轴组件的内部，也被称为内安装电气东器（built-inmoverspindle）。在这期间，不使用皮套或齿轮的辅助设备，以实现机械件主系统的“零传递”。具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点,并改善了机床的动平衡,避免振动和噪声,在超高速机床中得到了广泛的应用。它按应用于不同机床中分为:钻铣主轴、加工中心主轴、雕刻机主轴、磨床用电主轴等。随着高速加工技术的迅猛发展和广泛应用,各工业部门特别是航天、航空、汽车、摩托车和模具加工等行业,对高速度、高精度数控机床的需求与日俱增。这迫切需要开发出更加优质的高速电主轴。高速电主轴的内部结构如图1所示。1高速轴承冷却技术高速电主轴是一套组件,它包括电主轴及其一些附件:电主轴、高速变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置,因此它融合了高速轴承技术、冷却技术、润滑等技术。高速轴承技术是高速电主轴技术中很关键的技术,有资料显示,在20世纪80年代,主轴轴承在脂润滑条件下的DmN(DmN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)值最多只能达到0.5×106,但当采用了角接触陶瓷球轴承后,主轴速度迅速提高到2.0×106。1.1高速电主轴技术开发国内电主轴的研究始于20世纪60年代,主要用于零件内表面磨削,这种电主轴的功率低,刚度小。并且它采用无内圈式向心推力球轴承,限制了高速电主轴的生产社会化和商品化。20世纪70年代后期至80年代,随着高速主轴轴承的开发,研制了高刚度、高速电主轴,它被广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领域。在20世纪80年代末以后,由磨用电主轴转向铣用电主轴,它不仅能加工各种形体复杂的模具,而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铣用电主轴,推动了高速电主轴在铣削中的应用。此外,食品工业的固体饮料;染化工业的染料;医药工业的药品等粉状和粒状物质均需用高速离心干燥技术来生产,而高速离心干燥设备也需要高速电主轴技术。高速拉伸电主轴的应用也促进了我国有色管材精密冷成型技术的发展。高精度硅片切割机用电主轴,促进了电子工业设备的更新和进步。利用高速电主轴的优良性能,还可以开发多种高性能试验机。目前国内研究高速电主轴的科研机构有我国河南省洛阳轴承研究所,他们能自行研究开发电主轴,其DmN值达到了很高的水平;广州钜联高速电主轴有限公司研发的大功率静压轴承电主轴曾获得日内瓦国际专利技术博览会金奖;广东工业大学高速加工和机床研究所也开发了数控铣床高速电主轴。其主要技术指标为:电主轴的额定功率是13.5kW,最高转速为18000r/min,在额定转速500r/min时产生最大输出转矩为85Nm。在我国的安阳市,有一家中外合资的电主轴生产厂家——安阳莱必泰机械有限公司,它拥有先进的电主轴、机床主轴设计和制造技术。该公司研制生产的加工中心电主轴,采用先进技术,配有矢量闭环控制系统,能对主轴实行恒功率调速,准停制动。功率为3.7～25kW,恒功率段1500～12000r/min。采用进口高速精密轴承,旋转件经高精度平衡。该系列产品具有高精度、高刚度、高速度、低噪声、低振动、低温升等优点,系99国家火炬计划项目。1.2高速、高刚度轴承国外高速电主轴技术由于研究较早,技术水平也处于领先地位,电主轴已越来越多地应用到工业制造业中。著名的有瑞士的Fisher公司、Ibag公司、德国的GMN公司、Hofer公司、Siemens公司、意大利Faemat公司、Gamfior公司及美国Ingersoll公司、日本Okuma公司和Fanuc公司等,它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点:①功率大、转速高。②采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承,主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承,特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。③精密加工与精密装配工艺水平高。④配套控制系统水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。并在此基础之上,这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床。如瑞士米克朗公司,就是世界上著名的精密机床制造商。它生产的机床配备最高达60000r/min的高速电主轴,可以满足不同的切削要求,所有的电主轴均装有恒温冷却水套对主轴电机和轴承进行冷却,并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑。所有的电主轴均采用矢量控制技术,可以在低转速时输出大扭矩。国产电主轴和国外产品相比较,无论是性能、品种和质量都有较大差距,国产电主轴产品和国外的相比较,主要存在以下差距:(1)国外电主轴低速段的输出扭矩最大可达300Nm,而我国目前仅在100Nm以内。(2)在高转速方面,国外用于加工中心的电主轴转速已达75000r/min,我国则多在15000r/min以内。(3)电主轴的轴承润滑,国外普遍采用油气润滑,而我国仍用油脂润滑。(4)其他配套技术也有较大差距,如主轴电机矢量控制、交流伺服控制技术、精确定向技术、快速启动、停止等。(5)在产品的品种、规格、数量和制造规模等方面,国产电主轴仍然处于小量研发试制阶段,没有形成系列化、专业化,远不能满足国内数控机床和加工中心发展的需求。所以目前国产的高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴,仍然主要从国外进口。2解决制造设备的限制由于高速电主轴技术融合了多门技术,因此,要研制出优质的电主轴,各个方面的技术都需要不断改良。就我国来说,要想在这方面技术上迎头赶上发达工业国家的技术,必须朝以下几个方向努力发展:(1)提高高速电主轴使用轴承的制造水平,轴承是电主轴的关键技术之一,因此必须解决,这可以通过引进国外先进的制造设备来解决。比如现在的河南洛阳轴承研究所已从GMN公司引进高速成对轴承制造技术。(2)国内应发展大功率系列,完善中功率系列,逐步淘汰低功率系列,提高机械加工水平和效率。(3)油雾润滑通道的合理性应作具体的分析和实验,应选出较佳的通道,保证轴承的润滑和冷却达到较理想的状态,以提高其寿命。(4)改进落后的绝缘工艺,将电主轴的绝缘等级提高到F级甚至更高。(5)尽快研制出性能稳定、优良、价格适中的静态变频器;同时,如何提高异步变频机组的质量、降低噪声、改进结构、发挥