超高速机床电主轴的设计与应用

超高速机床电主轴的设计与应用

高速主轴是高速机的核心部件。它将主轴和频率电机轴整合在一起，主轴电气的固定和旋转元件直接安装在主轴组件中，也被称为内部电轴（built-inmoverspindle）。在这期间，使用钩子或齿轮箱的辅助设备不会实现机械轴系统的“零传动”。其具有结构紧凑、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广泛应用。按适用于不同机床中它分为: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速发展和广泛应用,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。1套装主轴单元的数控机床传动电主轴是采用变频电机与机床主轴合二为一的结构形式,即变频电机的空心转子与机床主轴零件直接过盈套装在一起成为一体,带冷却套的定子装配在主轴单元的壳体内直接与机床连接,成为一种集成式电机主轴——电机的转子就是机床的主轴,机床主轴单元的壳体就是电机座。它实现了变频电机和机床主轴之间的“零传动”,这是数控机床传动系统的重大改革。它克服了传统机床皮带或齿轮传动方式的主轴系统在高速下打滑、振动和噪声大、惯量大等缺点,可实现主轴转速的高速化,有效改善主轴高速综合性能。其结构如图1所示。2高速高效机床主轴的特点传统机床主轴是由电机通过中间变速和传动装置(如皮带、齿轮、联轴节等)驱动主轴旋转而工作,这样的主轴形式称为分离式和直联式主轴(通称机械主轴)。与此相比,电主轴具有以下优点。(1)主轴由内装式电机直接驱动,省去皮带、齿轮、联轴节等中间变速和传动装置,具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。(2)利用交流变频技术,电主轴可在额定转速范围内实现无级变速,以适应机床工作时各种工况和负载变化的需要。(3)利用内装电机的闭环矢量控制、伺服控制技术,不仅满足机床低速粗切削时大转矩、高速精加工时大功率的需求,还可实现停机时角向准确定位(即准停)及C轴传动功能,适应要求有准停和C轴功能的加工中心、数控车床及其它数控机床的需要。(4)与其它形式的主轴相比,电主轴更易于实现高速化,其动态精度和稳定性更好,可满足数控机床进行高速切削和精密加工的需要。(5)由于没有中间传动环节,电主轴工作时运行更加平稳,没有外来冲击,主轴轴承所承受的动负荷较小,延长了其精度寿命。(6)由于实现电机和主轴的一体化、单元化,使电主轴能够由制造商进行系列化、规模化和专业化生产,电主轴以商品的形式进人市场,成为专门的数控机床功能部件之一,以供主机选用,促进机床模块化和其它技术的发展。3高速脉轴对现代数据机械的发展和金属切割技术的影响(1)高速切削必备条件的设计电主轴系由内装式电机直接驱动,更容易满足高速切削对机床“高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求,与机床高速进给系统、高速刀具系统一起组成高速切削所需的必备条件。电主轴技术与电机变频、闭环矢量控制、交流伺服控制等技术相结合,可满足车削、铣削、刨削、钻削、磨削等金属切削加工的需要。(2)简化结构，促进机械结构的人性化电主轴根据用途、结构、性能参数等特征形成标准化、系列化产品,供主机选用,从而促进机床结构模块化。(3)化生产,降低机床成本一方面,标准化、系列化的电主轴产品易于形成专业化、规模化生产,实现功能部件的低成本制造;另一方面,采用电主轴后,机床结构的简单化和模块化,有利于降低机床成本。此外,还可缩短机床研制周期,适应目前快速多变的市场趋势。(4)提高了机床的可靠性采用电主轴结构的数控机床,由于结构简化,传动、连接环节减少,因此提高了机床的可靠性;技术成熟、功能完善、性能优良、质量可靠的电主轴功能部件使机床的性能更加完善,可靠性进一步提高。(5)实现一些高端数据机床的特殊要求有些高档数控机床,如并联运动机床、五面体加工中心、小孔和超小孔加工机床等,必须采用电主轴,才能满足完善的功能要求。4旋转机构的安装在电主轴的结构设计中,良好的电机性能、合理的选配轴承、采取减小振动的各项措施、设计有效的冷却系统、以及确定主轴零件与电机定子的过盈配合量是电主轴设计中的关键技术。电机性能是电主轴的核心,正确设计电机的电磁参数十分重要。首先其磁通密度要高,以增大单位体积的出功率,缩小定转子体积;其次,电机的机械特性电气特性,需要和高速加工相适应,满足机床在宽调速范围内对功率和扭矩的要求;再次,转子在高速旋转时应有足够的强度。另外由于电主轴是在高频窄波下工作的,通常在其外壳产生强烈的感应电流,应对定子进行屏蔽,采用特殊浸漆工艺,外壳接地是必要的。支撑的合理选用与配置是电主轴设计的一项关键技术。在适合于高速电主轴的轴承中,常用陶瓷轴承、磁力轴承和动静压轴承,在DmN值不高且要求高刚性的情况下,可考虑选用刚质滚珠轴承。在高转速下对刚性要求不高的情况下,可选用动静压轴承。采用何种支撑主要根据工作转速、工作载荷来选择。陶瓷轴承具有良好的高速性能,刚性较好,较多采用。另外,为保证轴承在高速条件下具有良好的工作性能,必须对轴承进行冷却、润滑、预紧等措施,润滑方式有油脂润滑、油雾润滑、油气润滑等,其中以油气润滑适应高速效果最好。预紧量的选择可根据经验公式进行计算获得。解决高速、高效、高精度工作状态下的发热振动是电主轴的另一项关键技术。电主轴的热源除切削热外,主要是定转子发热和轴承发热。电主轴的结构特点是电机的定子直接安装在壳体内,这对电机的散热很不利。发热引起的热变形将导致机床丧失精度。因此电主轴必须有冷却系统,来保证机床恒温。此外,电主轴由于转速高,任何不平衡量都会引起振动,产生噪声,影响主轴平稳运转。振动问题的解决,取决于动平衡的精度,即对各回转零件进行动平衡和对所有回转件装配于主轴之上后进行整体动平衡,使其达到规定的平衡精度要求。在结构设计上主要采用两端加装动平衡环。主轴零件与电机定子的过盈配合量应合理确定。为保证高速切削,主轴应具有良好的运转精度和传动能力,其零部件需具有良好的加工精度、表面质量及良好的装配精度。且为达到精确的动平衡,电机转子与机床主轴之间采用无键过盈联接,并由此具备足够传递扭矩的能力。过盈量的大小直接影响电主轴的性能,过盈量过大会使主轴装配困难,影响装配精度,甚至破坏配合表面;过盈量过小则会影响主轴传递扭矩的性能。5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,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,最多能达到0.5×106,当采用角接触陶瓷球轴承后,主轴速度迅速提高到2.0×106。5.1高速电主轴生产设备的应用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。且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,还开发了用于木工机械用的风冷式高速铣用电主轴,推动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。在我国安阳市,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。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。5.2机床电主轴的发展趋势国外电主轴最早用于内圆磨床,20世纪80年代,随着数控机床和高速切削技术的发展和需要,逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床,成为近年来机床技术所取得的重大成就之一。目前,采用电主轴技术的数控机床越来越多。电主轴已成为现代数控机床最热门的主要功能部件之一,世界上形成许多著名机床电主轴功能部件专业制造商,它们生产的电主轴功能部件已经系列化,如瑞士的FISCHER,Step-Tec和IBAG,德国的GMN和CYTEC,意大利的CAMFIOR和OMLAT等。随机床技术、高速切削技术的发展及实际应用的需要,对机床电主轴的性能也提出越来越高的要求,电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面:(1)继续向高速度、高刚度方向发展。由于高速切削和实际应用的需要,随着主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具及其接口技术等相关技术的发展,数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势。在电主轴的系统刚度方面,由于轴承及其润滑技术的发展,电主轴的系统刚度越来越大,满足数控机床高速、高效和精密加工发展的需要。(2)向高速大功率、低速大转矩方向发展。根据实际使用需要,多数数控机床需同时满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求,因此,机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。(3)进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展。用户对数控机床的精度和使用可靠性提出越来越高的要求,作为数控机床核心功能部件之一的电主轴,要求其本身的精度和可靠性随之越来越高。如主轴径向跳动在0.001mm以内、轴向定位精度在0.0005mm以下。同时,由于采用特殊的精密主轴轴承、先进的润滑方法及特殊的预负荷施加方式,电主轴的寿命相应得到延长,其使用可靠性越来越高。(4)电主轴内装电机性能和形式多样化。为满足实际应用需要,电主轴电机的性能得到改善,如瑞士FISCHER主轴电机输出的恒转矩高转速与恒功率高转速之比(即恒功率调速范围)达到1∶14。此外,出现永磁同步电机电主轴,与相同功率的异步电机电主轴相比,同步电机电主轴的外形尺寸小,有利于提高功率密度,实现小尺寸、大功率。(5)向快速启、停方向发展。为缩短辅助时间,提高效率,要求数控机床电主轴的启、停时间越短越好,因此需要很高的启动和停机加(减)速度。目前,国外机床电主轴的启、停加速度可达到1g以上,全速启、停时间在1s以内。(6)轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化。除常规的钢制滚动轴承外,近年来陶瓷球混合轴承得到广泛应用,润滑方式有油脂、油雾、油气等,尤其是油气润滑方法(又称oil+air),由于具有适应高速、环保节能的特点,得到广泛的推广和应用;滚动轴承的预负荷施加方式除刚性预负荷(又称定位预负荷)、弹性预负荷(又称定压预负荷)之外,又发展了一种智能预负荷方式,即利用液压油缸对轴承施加预负荷,且可根据主轴的转速、负载等具体工况控制预负荷的大小,使轴承的支承性能更加优良。在非接触形式轴承支承的电主轴方面,如磁浮轴承、气浮轴承电主轴(瑞士IBAG等)、液浮轴承电主轴(美国Ingersoll等)等已经有系列商品供应市场。(7)刀具接口逐步趋于HSK刀柄技术。机床主轴高速化后,由于离心力作用,传统的CAT(7∶24)刀柄结构已不能满足使用要求,需要采用HSK(1∶10)等其它符合高速要求的刀柄接口形式。HSK刀柄具有突出的静态和动态联接刚性、大的传递扭矩能力、高的刀具重复定位精度和联接可靠性,特别适合在高速、高精度情况下使用。因此,HSK刀柄接口已广泛为高速电主轴所采用(如瑞士的IBAG、德国的CYTEC、意大利CAMFIOR等)。(8)向多功能、智能化方向发展。在多功能方面,有角向停机精确定位(准停)、C轴传动、换刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密补偿、换刀自动动平衡技术等。在智能化方面,主要表现在各种安全保护和故障监测诊断措施,如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、主轴振动信号监测和故障异常诊断、轴向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监测和自动控制、刀具磨损和损坏信号监控等,如Step-Tec电主轴安装有诊断模块,维修人员可通过红外接口读取数据,识别过载,统计电主轴工作寿命。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,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其它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、