數(shù)控金切機(jī)床的高速主軸系統(tǒng)
高速主軸系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)器
數(shù)控金切機(jī)床的高速主軸系統(tǒng)癞糙,顧名思義是具有高回轉(zhuǎn)速度嗽上,但這并無嚴(yán)格的界限徙缴。對作為高速切削機(jī)床代表的加工中心和數(shù)控銑床而言冒黑,一般是指最高轉(zhuǎn)速≥10000r/min的主軸系統(tǒng)田绑,并相應(yīng)具有高的角加(減)速度,以實(shí)現(xiàn)主軸的瞬時(shí)升降速與起停抡爹。為適應(yīng)制造業(yè)對機(jī)床加工精度愈來愈高的要求掩驱,高速切削主軸還應(yīng)有較高的回轉(zhuǎn)精度,通常要求主軸的徑向跳動(dòng)小于1或2μm冬竟,軸向竄動(dòng)小于1μm欧穴。此外,主軸也要有足夠的靜悟津、動(dòng)剛度山椎,以承受一定的切削負(fù)荷和保持高的回轉(zhuǎn)精度。
傳統(tǒng)的主軸系統(tǒng)包含皮帶宗瓢、齒輪等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)徒妒,不僅轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大,難于實(shí)現(xiàn)高的角加(減)速度旷厨,而且高速時(shí)也難于解決中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的振動(dòng)和噪聲乘恩。因此院籍,現(xiàn)在的高速主軸系統(tǒng)大多是把電動(dòng)機(jī)與主軸“合二而一”、將傳動(dòng)鏈縮短為零的電主軸單元容蕉,結(jié)構(gòu)上基本是把主電動(dòng)機(jī)置于主軸前后軸承之間衡达。這樣的電主軸,軸向尺寸較短淋憋,結(jié)構(gòu)緊湊课娃,主軸剛度高吴澜,出力較大桃序。圖1所示德國GMN公司用于加工中心和數(shù)控銑床的電主軸就是這種結(jié)構(gòu),其軸承是適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)的精密角接觸球軸承(一般相當(dāng)于國際標(biāo)準(zhǔn)P2和P4級)烂瘫,所有關(guān)鍵零件都必須進(jìn)行精密加工和精密裝配媒熊,同時(shí)還要用恒溫冷卻水(GMN為23±0.7℃甚至±0.3℃)對主電機(jī)的定子和前后軸承進(jìn)行冷卻。GMN用于加工中心和數(shù)控銑床的電主軸共有20幾種型號坟比,最高轉(zhuǎn)速從8000r/min到60000r/min芦鳍,功率從5.5KW到76KW,扭矩從0.9Nm到306Nm葛账。
圖1 GMN公司用於加工中心和數(shù)控銑床的電主軸
當(dāng)前的高速電主軸衫沽,幾乎都是內(nèi)置異步交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。異步型電主軸的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡單阀霸,制造工藝相對成熟和安裝方便莉遥,特別是可以更大限度地減弱磁場,易于實(shí)現(xiàn)高速化屠剥。此種主軸電機(jī)也正在進(jìn)一步改進(jìn)灶逃,比如日本三菱電機(jī)公司最近開發(fā)出可減少電損耗和縮短定子長度的高速舶舅、高效率內(nèi)置感應(yīng)主軸電動(dòng)機(jī)。
最近鬼胸,國外正研討在電主軸中內(nèi)置交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的問題奸闽。與異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比,永磁同步電動(dòng)機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn):用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子在工作過程中不發(fā)熱恢筝,解決了目前內(nèi)置的異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱且難于充分冷卻的問題哀卫;功率密度大,工作效率高撬槽,即可用較小的尺寸得到較大的功率和扭矩此改;低速性能好,易于實(shí)現(xiàn)精密控制等侄柔。然而共啃,永磁同步電動(dòng)機(jī)也有其弱點(diǎn),那就是功率容量有限暂题,弱磁困難移剪,不利于實(shí)現(xiàn)高速化。故迄今為止薪者,只有個(gè)別機(jī)床公司有內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的電主軸在展會(huì)上亮相纵苛,而專業(yè)化的電主軸制造廠尚沒有此種產(chǎn)品出售。有不少人認(rèn)為言津,對在弱磁場運(yùn)行的高轉(zhuǎn)速電主軸攻人,似乎用異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)更為合適。
目前主要采用PWM變頻調(diào)速技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電主軸的高速化鲫础,執(zhí)行此項(xiàng)任務(wù)的既有普通變頻調(diào)速器惕秧,又有矢量控制驅(qū)動(dòng)器。前者為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)嫉卵,輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比的炫;后者在低速端(額定轉(zhuǎn)速以下)為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng),在中移卢、高速端為恒功率驅(qū)動(dòng)(圖2)蜕裳。高速加工中心和數(shù)控銑床之電主軸,基本上都采用后者(即矢量控制驅(qū)動(dòng)器)涩凑。矢量控制驅(qū)動(dòng)器又有開環(huán)型和閉環(huán)型之分呈锣,閉環(huán)型在主軸上裝有高性能編碼器作為檢測元件,以實(shí)現(xiàn)位置和速度反饋宜掏,從而有更好的動(dòng)態(tài)性能秒准,還可以實(shí)現(xiàn)主軸的定向準(zhǔn)停和C軸功能。
圖2 矢量控制驅(qū)動(dòng)時(shí)電主軸之轉(zhuǎn)矩——功率特性
數(shù)控金切機(jī)床高速主軸的性能惹虏,在相當(dāng)程度上取決于主軸軸承及其潤滑供役。滾動(dòng)軸承由于剛度好泻帮、精度可以制造得較高、承載能力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)相對簡單计寇,不僅是一般切削機(jī)床主軸的首選锣杂,也受到高速切削機(jī)床的青睞。從高速性的角度看番宁,滾動(dòng)軸承中角接觸球軸承最好元莫,圓柱滾子軸承次之,圓錐滾子軸承最差蝶押。
角接觸球軸承的球(即滾珠)既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)踱蠢,會(huì)產(chǎn)生離心力Fc和陀螺力矩Mg。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加播聪,離心力Fc和陀螺力矩Mg也會(huì)急劇加大朽基,使軸承產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力,從而導(dǎo)致軸承摩擦加劇离陶、溫升增高、精度下降和壽命縮短衅檀。因此招刨,要提高這種軸承的高速性能,就應(yīng)想方設(shè)法抑制其Fc和Mg的增加倾氮。從角接觸球軸承Fc和Mg的計(jì)算公式得知匣酸,減少球材料的密度、球的直徑和球的接觸角都有利于減少Fc和Mg英甜,所以現(xiàn)在高速主軸多使用接觸角為15°或20°的小球徑軸承卡撤。可是埃灿,球徑不能減小過多企亮,基本上只能是標(biāo)準(zhǔn)系列球徑的70%,以免削弱軸承的剛度绝开,更關(guān)鍵的還是要在球的材料上尋求改進(jìn)讶里。
與GCr15軸承鋼相比,氮化矽(Si3N4)陶瓷密度僅為它的41%剑督,用氮化矽制作的球要輕得多谆精,自然在高速回轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心力和陀螺力矩也要小得多。與此同時(shí)菠食,氮化矽陶瓷的彈性模量和硬度是軸承鋼的1.5倍和2.3倍浮笔,而熱膨脹系數(shù)僅為軸承鋼的25%,這既可提高軸承的剛度和壽命瓣铣,又使軸承的配合間隙在不同溫升條件下變化小答朋,工作可靠济榨,加之陶瓷耐高溫且不與金屬發(fā)生粘咬,顯然用氮化矽陶瓷制作球體更適合進(jìn)行高速回轉(zhuǎn)绿映。實(shí)踐表明擒滑,陶瓷球角接觸球軸承與相應(yīng)的鋼球軸承相比速度能提高25%~35%,不過價(jià)格也要高一些叉弦。
國外將內(nèi)外圈為鋼丐一、滾動(dòng)體為陶瓷的軸承統(tǒng)稱為混合軸承。目前混合軸承又有新發(fā)展:一是陶瓷材料已用于制作圓柱滾子軸承的滾子淹冰,市場上出現(xiàn)了陶瓷圓柱混合軸承库车;二是用不銹鋼(比如FAG公司用氮化不銹鋼Crodinur 30)代替軸承鋼制作軸承的內(nèi)外圈特別是內(nèi)圈,由于不銹鋼的熱膨脹系數(shù)比軸承鋼小20%樱拴,自然在高速回轉(zhuǎn)時(shí)柠衍,因內(nèi)圈熱膨脹所造成的接觸應(yīng)力增大趨勢會(huì)受到抑制。
眾所周知晶乔,dmη值是表達(dá)滾動(dòng)軸承高速性能的速度因子(dm是滾動(dòng)軸承內(nèi)枪岖、外圈的平均直徑,單位mm奖肋;η是軸承的轉(zhuǎn)速仑连,單位r/min)。角接觸球軸承的高速性能不僅與球的接觸角遣拔、直徑和材料相關(guān)瀑尔,而且與軸承的潤滑方式關(guān)系密切。目前滾動(dòng)軸承有脂潤滑嘶刚、油霧潤滑和油氣潤滑三種方式元糯,其中油霧潤滑雖然效果不錯(cuò),但污染環(huán)境和危害工人健康紧碴,國外已很少采用旷程。
脂潤滑是最簡單和環(huán)保性最好的一種潤滑方式。由于脂在超高速運(yùn)轉(zhuǎn)下容易變質(zhì)膘椿,故其dmη值較低童隆,軸承為鋼球時(shí)僅達(dá)80×104,為陶瓷球時(shí)可達(dá)110×104(FAG公司開發(fā)的新一代低溫軸承其dmη值還可以在此基礎(chǔ)上增加10%左右)◇舷叮現(xiàn)在高速主軸軸承用得最多的是油氣潤滑方式洪灯,它是定時(shí)、定量地供給軸承以油—?dú)饣旌衔锞固担馆S承各部位獲得最佳的微量潤滑并把污染減至很小签钩。采用油氣潤滑的鋼球或陶瓷球角接觸球軸承,其dmη值一般可分別達(dá)到到140×104和210×104坏快,若采用比較特殊的油氣潤滑方式铅檩,陶瓷球角接觸球軸承的dmη值可達(dá)250×104甚至更高一點(diǎn)(圖3為特殊油氣潤滑方式的一種憎夷,在試驗(yàn)室內(nèi)其dmη值已達(dá)280×104)。
圖3 光洋精工F型混合軸承的油氣潤滑示意圖
最近幾年标康,由于陶瓷圓柱混合軸承的面世和油氣潤滑的較普遍應(yīng)用,圓柱滾子軸承的高速性能得到較大改進(jìn)酌非,所以現(xiàn)在已有相當(dāng)數(shù)量的高速加工中心,其電主軸的后軸承采用了允許內(nèi)吸自、外圈相對移動(dòng)量較大并能承受更大徑向負(fù)荷的圓柱滾子軸承(圖4)叭静。這樣就可在提高剛度的條件下,用比較簡單的結(jié)構(gòu)達(dá)到主軸可自由向后膨脹的目的窥扭,瑞士Step-Tec公司生產(chǎn)的高速電主軸给庶,其后軸承就是采用陶瓷圓柱混合軸承。 高速電主軸除普遍采用滾動(dòng)軸承外逼肯,還有其他幾種軸承可供考慮:
靜壓軸承耸黑。空氣靜壓軸承由于剛度特別是承載能力很差篮幢,盡管回轉(zhuǎn)精度很高和摩擦損失較小大刊,也只能在超精密高速銑削等切削負(fù)荷很小的埸合使用。油靜壓軸承在高速回轉(zhuǎn)時(shí)三椿,油囊內(nèi)產(chǎn)生紊流缺菌,液體摩擦力也隨轉(zhuǎn)速增高而增大,會(huì)造成大的功率損失和引起嚴(yán)重的發(fā)熱搜锰,故高速回轉(zhuǎn)的切削機(jī)床仍很少采用(IBAG公司已有一種最高轉(zhuǎn)速為32000r/min油靜壓軸承電主軸供應(yīng))伴郁。此外耿战,F(xiàn)ISCHER公司正研制一種以水為介質(zhì),名為Hrdro-F的靜壓軸承電主軸焊傅,最高轉(zhuǎn)速36000r/min(功率67KW)剂陡。
動(dòng)、靜壓軸承狐胎。它用流體動(dòng)力與流體靜力相結(jié)合的方法使主軸在油膜支撐中回轉(zhuǎn)鸭栖,兼有動(dòng)壓軸承和靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn),剛度和精度高电味,阻尼大气穴,壽命長,已用于Ingersoll主軸最高轉(zhuǎn)速為20000r/min的臥式加工中心和某些高速磨床上晌箍。然而肉敏,此種軸承在主軸軸頸表面線速度超過50m/s時(shí),油流也會(huì)由層流變?yōu)槲闪鹘颂瘢瑯訒?huì)出現(xiàn)發(fā)熱嚴(yán)重和功率損失的問題索击,其進(jìn)一步高速化仍是一個(gè)正在研究的課題,并一直受到業(yè)界人士的重視铡暂。
磁浮軸承邢侵。它是利用電磁力將主軸懸浮在空氣中的一種高性能軸承,而且在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中用靈敏的傳感器不斷檢測主軸位置倡油,并反饋給控制器實(shí)時(shí)調(diào)整電磁力版鳞,使與轉(zhuǎn)子(軸承轉(zhuǎn)子和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子)結(jié)合在一起的主軸始終保持在正確位置上。由于采用電子反饋系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)栓栋,其剛度和阻尼可控程腹,主軸能自動(dòng)動(dòng)平衡,其回轉(zhuǎn)精度可高達(dá)0.1μm儒拂。磁浮軸承無機(jī)械接觸寸潦,壽命很長,它的高速性能僅受轉(zhuǎn)子矽鋼片離心力的制約社痛,轉(zhuǎn)子最高線速度可達(dá)200m/s见转。顯而易見,磁浮軸承很適合高速高精度切削機(jī)床使用蒜哀,但由于控制復(fù)雜斩箫,成本很高,目前實(shí)際在機(jī)床上使用的還不多凡怎。德國GMN公司和瑞士IBAG公司已有成熟的磁浮軸承電主軸出售(IBAG生產(chǎn)最高轉(zhuǎn)速為70000r/min和40000r/min的兩種型號)校焦。
高速主軸的動(dòng)平衡和HSK刀柄
離心力與主軸轉(zhuǎn)速的平方成正比,主軸高速回轉(zhuǎn)時(shí),微小的不平衡量也會(huì)引起巨大的離心力寨典,造成機(jī)床振動(dòng)進(jìn)而影響加工質(zhì)量氛雪,故此,動(dòng)平衡是高速主軸系統(tǒng)需要認(rèn)真解決的問題耸成。專業(yè)電主軸廠生產(chǎn)的電主軸都經(jīng)過嚴(yán)格的動(dòng)平衡灶昏,一般都執(zhí)行ISO標(biāo)準(zhǔn)G0.4級(G=eω,e為質(zhì)量中心與回轉(zhuǎn)中心之間的位移台泥,即偏心量言雀,ω為角速度),即在最高轉(zhuǎn)速時(shí)殘馀動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)速度最大不得超過0.4mm/s必胜。廣義的主軸系統(tǒng)還包含刀具刚哼,加工過程中每更換一把刀具,其動(dòng)不平衡量就會(huì)發(fā)生變化誓梦。為此丹残,F(xiàn)ISCHER公司提供一種在線自動(dòng)平衡裝置,它能自動(dòng)測出主軸系統(tǒng)的不平衡量夯饲,并自動(dòng)使位于電主軸前端的兩個(gè)平衡圓盤相對轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)動(dòng)不平衡量最小的位置搬体。
北京機(jī)床研究所μ1000系列精密立式加工中心,在利用FANUC主軸電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上撑雨,自行制造了最高轉(zhuǎn)速為15000r/min的電主軸垮川。該電主軸在制造過程中經(jīng)過兩次精確的動(dòng)平衡,第一次是在轉(zhuǎn)子熱裝后戴卜,第二次是所有回轉(zhuǎn)零件裝配好且?guī)缀尉葯z驗(yàn)完畢后逾条。同時(shí),還在電主軸前后位置設(shè)有平衡環(huán)以備在線動(dòng)平衡用投剥。
主軸與刀具的連接關(guān)系到加工質(zhì)量膳帕,現(xiàn)在幾乎所有的專業(yè)電主軸廠均可按用戶要求提供各種標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)的刀具接口,當(dāng)然不同的刀具接口對應(yīng)于不同的刀柄薇缅。傳統(tǒng)的7:24實(shí)心刀柄,與主軸孔僅靠錐面定位攒磨,當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)泳桦,主軸錐孔會(huì)因離心力的作用而“脹大”,但實(shí)心錐柄不能隨之“脹大”娩缰,主軸孔便發(fā)生“張口”使刀具在其中搖擺灸撰,從而產(chǎn)生軸向定位誤差并影響主軸系統(tǒng)的動(dòng)平衡。故近10幾年來另一種高速性能好的HSK刀柄迅速興起拼坎,為愈來愈多的高速加工機(jī)床所采用浮毯,2001年已被列為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO12164-1:2001。
HSK刀柄是采用錐面和端面雙定位的空心錐柄泰鸡,其錐度為1:10且錐體比較短债蓝,在拉桿軸向拉力的作用下躯饿,刀柄的薄壁錐體會(huì)產(chǎn)生一定的彈性變形,使刀柄的短錐和端面與主軸的錐孔和端面緊密貼會(huì)缚宜。圖5就是HSK刀柄與主軸的連接情況示意:圖的上半部分為刀柄拉緊前的狀態(tài)犯弯,刀柄端面與主軸端面之間存在空隙h;圖的下半部分為拉緊后的狀態(tài)型圈,由于刀柄薄壁錐體的彈性變形消除了間隙h意澡。在高速旋轉(zhuǎn)時(shí),因?yàn)榈侗谋”阱F體也會(huì)隨主軸錐孔的“脹大”而“脹大”喜拥,故中間不會(huì)產(chǎn)生間隙蒜丙,兩者的端面也不會(huì)分離,所以HSK刀柄在高速加工過程中與主軸有良好的連接剛度抹欢,自然刀具能一直保持高的定位精度溯童,而且HSK刀柄較短、較輕奉堵,有利于提高加工中心的換刀速度吹似。
圖5 HSK刀柄與高速機(jī)床主軸連接情況示意圖
結(jié)語
盡管機(jī)床的切削速度還存在不小發(fā)展空間,但近三年世界高速加工機(jī)床主軸的最高轉(zhuǎn)速邑狸,似乎已進(jìn)入一個(gè)相對平穩(wěn)的發(fā)展階段懈糯。以高速加工中心為例,目前其主軸最高轉(zhuǎn)速除個(gè)別產(chǎn)品外基本上是:小型20000~60000r/min单雾、中型10000~30000r/min赚哗、大(重)型8000~24000r/min。從EMO2003得到的信息乐慌,其加工中心展品的最高轉(zhuǎn)數(shù)絕大多數(shù)為10000~30000r/min妈唯,最高的為60000r/min。
現(xiàn)在,高速切削機(jī)床的主軸系統(tǒng)主要采用電主軸單元燃悍,而電主軸的軸承又基本為滾動(dòng)軸承几垃,其dmη值一般都不超過250×104。從目前的研究開發(fā)情況來看笋途,在不久的將來有可能達(dá)到300×104甚至更高一點(diǎn)在缆,也就是說滾動(dòng)軸承內(nèi)徑為Φ50~55mm的電主軸,其最高轉(zhuǎn)速有望達(dá)到50000r/min左右隅凡。更高的速度需求則寄希望于磁浮軸承茫失,磁浮軸承推廣應(yīng)用的關(guān)鍵是要降低成本,同時(shí)也要考慮發(fā)熱和漏磁方面的問題绵捡。此外真王,與電主軸相關(guān)的課題,比如集成傳感監(jiān)控安揣、小型高出力主軸電機(jī)街立、輕量化主軸等,都正在深入研討中埠通。
現(xiàn)時(shí)赎离,國內(nèi)生產(chǎn)電主軸的廠家很少,國產(chǎn)電主軸尚未能充分滿足市場需求(在CIMT2003展會(huì)上端辱,國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床配裝的電主軸只有23.8%是國內(nèi)產(chǎn)品)梁剔。不過,在這一領(lǐng)域舞蔽,中國也已具有一定的基礎(chǔ)和能力荣病,在當(dāng)前國家明確支持國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床功能部件發(fā)展的政策環(huán)境下,我們更應(yīng)抓住機(jī)遇渗柿,加快國產(chǎn)高速電主軸的發(fā)展个盆。
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