高速高精度電主軸關(guān)鍵技術(shù)研究進展
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- 高速高精度電主軸關(guān)鍵技術(shù)研究進展 摘要：高速加工和高精度加工是世界制造技術(shù)發(fā)展的兩大趨勢。電主軸是機床實現(xiàn)高速高精加工的核心部件，在很大程度上影響機床的總體發(fā)展水平。本文對其關(guān)鍵技術(shù)的研究進展進行綜述，其中包含了高速高精度主軸軸承，主軸的動力學(xué)和熱力學(xué)特性，對高頻電機和驅(qū)動程序的設(shè)計技術(shù)，電機的抗電磁損傷技術(shù)，以及加工和裝配技術(shù)。最后介紹了電主軸的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：電主軸，高速加工
1介紹
在最近的幾十年里，高速加工技術(shù)有了很快很大的發(fā)展變化。相比于常規(guī)加工，這種技術(shù)的優(yōu)點是如下所述：（1）材料去除率和生產(chǎn)率的提高明顯；（2）切削力可降低30%以上，特別是在輻射方向；（3）大部分切削熱可由碎片帶走，工件可保持在低溫狀態(tài)，從而易于切削工件，不容易受到熱變形；（4）它微小的旋轉(zhuǎn)振動，有利于加工一流的質(zhì)量和高精度的表面尺寸，因為激動頻率比的機床切削刀具工件工藝系統(tǒng)的固有頻率更高。
實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一是使用電主軸。電主軸是電機與主軸作為一個整體的一種新的設(shè)計。高速軸承技術(shù)、高速電機技術(shù)、高速工具技術(shù)，冷卻和潤滑技術(shù)，現(xiàn)代電流改變技術(shù)都包含在電主軸技術(shù)之中。電主軸消除了如齒輪和皮帶等傳輸系統(tǒng)的必要性，從而避免了來自傳動系統(tǒng)的振動和噪聲，提高了主軸旋轉(zhuǎn)精度。 對于簡單的結(jié)構(gòu)和較低的旋轉(zhuǎn)慣性，它可以實現(xiàn)快速停止，高速加速；它可以得到大的主軸輸出功率，廣范圍的操作及好的輸出功率扭矩特性。電主軸的應(yīng)用不僅可以提供更高的生產(chǎn)率，更好的表面光潔度和較低的生產(chǎn)成本，還可以實現(xiàn)薄零件的精加工及硬材料的加工。它代表了高速主軸的一個發(fā)展趨勢。
在本文中，回顧了電主軸技術(shù)的歷程，其中包括了高速及高精度主軸軸承，主軸的動態(tài)和熱態(tài)特性，高頻電機和驅(qū)動程序的設(shè)計技術(shù)，電機的抗電磁損傷技術(shù)，以及加工和裝配技術(shù)，同樣，也預(yù)測了電主軸的一些相對發(fā)展趨勢。
2 高速及高精度軸承
實現(xiàn)主軸的高速及高精度的關(guān)鍵部件是它的軸承。目前，大多數(shù)用于大功率以及高速精密電主軸的軸承是接觸陶瓷軸承和液壓軸承。氣體軸承不適于大功率的場合，磁懸浮軸承受限于其高昂的價格及復(fù)雜的控制系統(tǒng)。
角接觸式陶瓷軸承常用于精密數(shù)控機床的主軸，但動態(tài)荷載引起的巨大的離心力和輥子高速回轉(zhuǎn)引起的回轉(zhuǎn)力矩普遍高于切削載荷，但使用混合軸承的輥子及鋼環(huán)可以減少它們。陶瓷輥子常用的材料是Si3N4，由于其密度小、熱膨脹系數(shù)小、彈性模量大、剛度高，可大大降低輥子的離心力和回轉(zhuǎn)力矩。這樣可以提高軸承的旋轉(zhuǎn)速度和使用壽命的限制，降低軸承溫升。除了混合軸承，陶瓷軸承廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外電主軸的實驗研究中。它的內(nèi)環(huán)和外環(huán)，外殼及陶瓷輥子的材料是ZrO2，Si3N4,Al2O3，PTFE等。陶瓷輥子的強度采用靜壓燒結(jié)工藝保證。其加工精度通過加工方法及測量精度保證。現(xiàn)在國內(nèi)的輥子加工精度可超過G5水平，陶瓷軸承的內(nèi)圈和外圈的加工精度也十分重要，這就需要特別的工藝裝備去固定壓緊環(huán)。對陶瓷軸承內(nèi)圈和外圈符合性也要通過適當(dāng)?shù)墓に囋O(shè)備和加工過程來保證。
雖然目前大多數(shù)高速精密電主軸用的是角接觸式陶瓷軸承，一些公司還注重液壓混合軸承的研究，因為軸承的攪混壽命因為旋轉(zhuǎn)速度和大負(fù)載條件的限制而比較短。雖然液壓混合軸承壽命很長，但是很難實現(xiàn)高速度，對層流和混亂的流動慣性的計算的研究，對油腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計、軸承的溫升和熱變形控制的研究，和潤滑技術(shù)是非常關(guān)鍵的。當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時，對液壓混合軸承潤滑的一部分是層流流動，另一個是混亂流動。工程中采用的只存在層流流動傳統(tǒng)假設(shè)，往往帶來的誤差較大，不適合高速滑軸承的動力學(xué)研究。對于高速液壓混合軸承，僅僅出現(xiàn)在高速狀況下的潤滑的物理特性，如混亂流動，慣性等的動力效應(yīng)，必須根據(jù)高速及高精密電主軸潤滑的關(guān)鍵技術(shù)研究進展規(guī)定考慮，高速液壓混合軸承從層流流動到混亂流動的轉(zhuǎn)換必須在線速度接近或者超過50m/s。其他因素，如軸承和軸頸的表面粗糙度，軸承的結(jié)構(gòu)，對軸頸在軸承傾斜、溫升及離心力，也會影響油的流動特性。所有的因素都必須考慮在內(nèi)。其次，適當(dāng)?shù)挠颓唤Y(jié)構(gòu)要求降低空載功率損失，因為空載功率損失系數(shù)在混合主軸單元高速運轉(zhuǎn)時會逐漸增加。再次，隨著軸承的旋轉(zhuǎn)速度的增加，剪切的潤滑效果和混流效應(yīng)會促進軸承溫度上升，這會增加摩擦功率損失和浪費很多動力。軸承的熱變形和它的溫度梯度要小，軸承和主軸熱變形必須協(xié)調(diào)一致，因為溫度升高會引起熱變形對軸承的動態(tài)平衡的影響，油的粘度和軸承的配合間隙，從而顯著影響軸承的性能。最后，高速條件下工作，會在潤滑顆粒被分離出來并改變潤滑性能，從而影響了主軸的穩(wěn)定性。...
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