高速电主轴的研究与发展

高速电主轴的研究与发展

高速主轴是高精密数控机床的核心功能部件。主轴由主轴和电气工具组成，即电机的定州安装在主套筒中，电机的旋转和主缸是一体的。为了将主机间传动链的长度缩短到零，以实现机的“零调用”。高速电主轴具有结构紧凑、质量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点,不但转速高、功率大,还有一系列控制主轴温升和振动等机床运行参数的功能,以确保其高速运转的可靠性与安全性。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、汽车和模具加工等行业,对高转速、高精度、高效率和高可靠性的高速电主轴的需求越来越迫切。1电机转子系统结构电主轴是一种变频电动机和机床主轴合二为一的智能型功能部件,其主要组成部分包括驱动系统、主轴、前后轴承、主轴电机、壳体和冷却润滑装置等。主轴由前后轴承支承,与电机的转子压配成一体,带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体中,主轴的变速是通过变频电动机控制,温升是通过冷却装置限制,主轴前端有用于安装刀具的内锥孔和端面,还有安装于电主轴内的各类传感器。其结构如图1所示。由于电主轴取消了电机到主轴传动链中的齿轮、皮带等一切中间环节,动力源对主轴直接传动,传动链长度为零,使其克服了传统机床主轴系统在高速时打滑和振动、噪声、惯量大等缺点,可实现主轴的高转速、高精度、高效率、响应快、大功率要求。2高速能源主轴的关键2.1高速性能好,模板成功主轴轴承技术是电主轴系统的一项关键技术。目前,国内外高速电主轴多采用角接触球轴承、动静压轴承以及磁悬浮轴承等。动静压轴承是一种综合了动压轴承和静压轴承优点的新型多油楔油膜轴承,有很好的高速性能,而且调速范围宽。角接触球轴承是精密数控机床常用的主轴支撑,影响其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,为了提高轴承的高速性能,常采用减小滚动体直径和改用氮化硅材料制造滚珠的方法。磁悬浮轴承由于造价高,控制系统复杂,发热问题不易解决,通常只用于特殊的场合。2.2主轴转速部分不平衡对高速电主轴稳定性的影响高速电主轴具有转速高、运行精度高、加工效率高的特点。转速和精度的提高是以高精度动平衡为前提的,但对于电主轴而言,由于制造、安装误差以及材料不均匀等因素的影响,不平衡现象不可避免。电主轴的最高转速一般在10000r/min以上,有的高达60000~100000r/min,主轴运转部分微小的不平衡都可能导致主轴回转精度的严重丧失乃至轴承支承系统的失稳。因此高速电主轴的动平衡精度应严格要求,一般应达G0.4级以上。为减小主轴的不平衡,在设计时应尽量采用对称的结构,在加工装配过程中尽量减小误差,并且主轴出厂时会进行初始动平衡调整以减小主轴失衡量。即使如此,在使用过程中由于主轴刀具微小的不对中,以及刀具的磨损或切屑的粘刀仍然会破坏原有的动平衡。另外,主轴刀具系统受切削力激励、热变形、离心力等复杂工况的干扰,也会破坏主轴的动平衡,从而使高速机床主轴系统的稳定性被破坏。因此,为了充分发挥高速电主轴的效能,保障机床的长期稳定和高效运行,应设计专门的在线自动动平衡系统。2.3润滑控制系统高速电主轴的润滑主要指主轴轴承的润滑,轴承必须采用合理的、可控制的润滑系统来控制轴承的温升,以保证机床工艺系统的精度和稳定性。高速电主轴润滑方式的选择与轴承的转速、负荷、容许温升及轴承类型有关,可采用油脂润滑、油雾润滑、油气润滑、喷射润滑以及环下润滑等。2.4电机和轴承的热性能电主轴的结构特点是电动机的定子直接安装在壳体内,由于电主轴相对封闭,其高速运转时自然散热条件较差。电主轴内部有两个主要的热源:电动机损耗发热和轴承摩擦发热。电机产生的热量主要通过主轴壳体进行散热,且有相当一部分会通过主轴传到轴承上,加剧轴承的温升,影响其使用寿命,同时造成转轴热伸长,影响制造精度,从而影响主轴系统的可靠性。电主轴采取的主要冷却措施是在电机定子与壳体连接处设计循环冷却水套,同时轴承合理的润滑方式也可减少发热量,如油气润滑方式对轴承不但具有润滑作用,还具有一定的冷却作用。2.5电机、电机同时采用交流永磁同步发电机主轴电机的性能决定了主轴的最大功率和力矩,以及电主轴的性能。合理选择电机类型,设计电机的电磁参数,使电机单位体积下的功率密度更高、体积和转动惯量相对更小具有重要意义。电主轴的电动机多采用交流异步感应电动机。随着永磁电机性能的不断增强,越来越多的电主轴采用交流永磁同步电动机~。与采用异步电动机的电主轴相比,同步电主轴优点主要表现在:转子不发热,减少了电主轴的热变形;转子无损耗,电主轴的功率密度大,工作效率高;转动惯量小,易于快速启动和准停;低速性能好,易于实现精密控制。2.6主轴单元的精密装配为了保证电主轴在高速运转时的回转精度和刚度,其关键零件必须进行精密或超精密加工,并对主轴单元的零部件进行精密装配。主轴单元中需要进行精密加工的工件包括主轴、壳体、前后轴承座以及随主轴高速旋转的轴承隔圈和定位过盈套等。主轴单元的精密装配包括主轴与电动机转子、主轴与前后轴承、主轴与轴承隔圈和定位过盈套、主轴与刀具、轴系与轴承座、轴承座与壳体等。此外,高速电主轴上加工刀具的装配也是精密装配工艺需要考虑的因素。3国内外对高速电子主轴技术的研究现状高速电主轴是高速数控机床的关键功能部件,其技术水平的高低、性能的优劣直接影响数控机床的技术水平和整机性能,也制约着主机的发展。3.1其他公司电驱系统高速电主轴在国外的研究很早就已开始,最早应用于内圆磨床。20世纪80年代末90年代初,随着高速切削技术的发展,电主轴逐渐应用于各类高速数控机床上。目前世界各主要工业国家出现了许多著名的专业电主轴生产厂,其中最著名的有:瑞士的FISCHER公司和IBAG公司,德国的GMN公司和FAG公司,美国的PRECISE公司,意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司,日本的NSK公司和MAZAK公司,以及瑞典的SKF公司等。其中,德国GMN公司生产的HS型高频电主轴,使用复合陶瓷球轴承,采用液体冷却系统及油气润滑系统,主轴转速最高可达180000r/min,功率范围为0.4~120kW,扭矩范围为0.47~450N·m,并配备在线测量和控制装置。MAZAK公司生产的MEGA-8800重切削卧式加工中心,配置了大功率、大扭矩电主轴,其输出功率高达85kW,最大输出扭矩1249N·m,适用于镍基合金、钛合金等难加工材料的加工。3.2高速电主轴技术20世纪60年代,国内开始进行电主轴的应用研究,主要用于内圆的磨削加工。由于采用无内圈式向心推力球轴承,使电主轴的功率较低,刚度较小,限制了高速电主轴的市场化进程。20世纪80年代末90年代初,随着电主轴技术的不断发展,国内一些科研单位和公司开始研发其它用途的高性能电主轴。目前国内也有一些专业的电主轴科研机构与公司。其中,河南省洛阳轴研科技股份有限公司,已拥有自行开发的最大扭矩为200N·m、最高转速为150000r/min的一系列用于加工中心的电主轴;广州市昊志机电股份有限公司开发的印刷电路板行业钻孔超高速气浮主轴最高转速达到350000r/min;广州市聚联气静压电主轴有限公司,生产大功率气静压轴承电主轴采用“全支承”结构,比传统结构能成倍地提高承载能力和刚度,获“日内瓦专利技术成果博览会金奖”。近年来,虽然我国高速电主轴技术发展迅速,但是与国外先进国家相比还存在很大的差距,主要表现在:①高转速;②低速大转矩;③高精密支承轴承技术;④冷却与润滑技术;⑤在线监测与控制;⑥高性能电动机及电动机控制系统等方面。因此,目前在高转速、高精度数控机床和加工中心上所用的电主轴,主要还是依靠进口产品。4数控机床的技术发展方向随着高速切削、数控技术的快速发展,以及实际应用的需要,对高速电主轴的性能也提出了越来越高的要求,电主轴技术的发展趋势主要表现为以下几方面。(1)向高速和高强度发展:随着高速加工、刀具技术等的进步和发展,对精密机床电主轴的转速要求越来越高,并且电主轴需要有较高的回转精度和刚度。(2)向高速大功率和低速大转矩发展:现代数控机床要求电主轴在实现较高转速的同时,低速段要求满足尽可能大的输出转矩,以实现在同一台机床上进行低速重切削和高速精加工的要求。(3)向高精度、高可靠性以及长寿命发展:用户对数控机床的精度和使用可靠性提出了越来越高的要求,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也越来越高。(4)向多样化轴承和多样化润滑冷却方式发展:除了常规的钢制滚动轴承外,陶瓷球混合轴承、动静轴承以及磁悬浮轴承越来越得到广泛应用;润滑方式有油脂、油雾、油气、喷射润滑、环下润滑等,尤其是油气润滑方法,由于具有适应高速、环保节能的特点,得到越来越广泛的推广和应用;冷却方式除利用水套对电机定子和轴承外圈强制冷却外,也可以通过对轴中心通冷却液,对主轴进行直接冷却。(5)向智能化系统发展:随着模糊逻辑和神经网络等在电机控制和在线平衡控制系统中的应用,有利于提高电主轴的精确定向、快速起停、C轴功能以及消除电主轴的动平衡等问题。5高速电主轴技术开发近年来,随着