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數控金切機床的高速主軸體系(1)
來源:海力軸承網 時間:2017-12-12
數控金切機床的高速主軸體系；望文生義是具有高反轉速度；但這并無嚴厲的邊界.對作為高速切削機床代表的加工中間和數控銑床而言；通常是指最高轉速≥10,000r/min的主軸體系；并相應具有高的角加(減)速度；以完成主軸的瞬時升降速與起停.為習慣制造業對機床加工精度愈來愈高的需求；高速切削主軸還應有較高的反轉精度；通常需求主軸的徑向跳動小于1或2µm；軸向竄動小于1µm.此外；主軸也要有滿足的靜、動剛度；以接受必定的切削負荷和堅持高的反轉精度.
傳統的主軸體系包括皮帶、齒輪等中間傳動環節；不只轉動慣量大；難于完成高的角加(減)速度；并且高速時也難于處理中間傳動環節呈現的振蕩和噪聲.因而；如今的高速主軸體系大多是把電動機與主軸“合二而一”、將傳動鏈縮短為零的電主軸單元；規劃上基本是把主電動機置于主軸前后軸承之間.這樣的電主軸；軸向尺度較短；規劃緊湊；主軸剛度高；出力較大.圖1所示德國GMN公司用于加工中間和數控銑床的電主軸就是這種規劃；其軸承是適宜高速作業的精細角觸摸球軸承(通常相當于國際規范P2和P4級)；一切要害零件都必須進行精細加工和精細裝置；一起還要用恒溫冷卻水(GMN為23±0。7℃乃至±0。3℃)對主電機的定子和前后軸承進行冷卻.GMN用于加工中間和數控銑床的電主軸共有20幾種類型；最高轉速從8000r/min到60000r/min；功率從5。5kW到76kW；扭矩從0。9Nm到306Nm.
如今；也有極少數高速輕切削銑床；運用將主電機置于主軸后軸承之后的電主軸.這種規劃的電主軸軸向尺度長；但可改善散熱條件.此外；某些主軸最高轉速在10000r/min至15000r/min的加工中間和銑床；不是選用電主軸而是經過薄膜式之類的聯軸節；將主電動機與主軸直接銜接；然后省去主軸冷卻體系.不過；此方法既添加了轉動慣量；影響角加(減)速度；并且兩者直連后的非直線性又會招致振蕩(轉速愈高對直線性的調準需求也愈高)；故不宜用于主軸轉速更高的機床.
當時的高速電主軸；簡直都是內置異步溝通感應電動機.異步型電主軸的長處是規劃較簡略；制造工藝相對老練和裝置便利；特別是能夠更大極限地削弱磁.子謔迪指咚倩.此種主軸電機也正在進一步改善；比方日本三菱電機公司比來開宣布可削減電損耗和縮短定子長度的高速、高效率內置感應主軸電動機.
比來；國外正研討在電主軸中內置溝通永磁同步電動機的難題.與異步感應電動機比擬；永磁同步電動機有如下長處：用永磁資料制造的轉子在作業過程中不發熱；處理了當前內置的異步感應電動機轉子發熱且難于充沛冷卻的難題，功率密度大；作業效率高；即可用較小的尺度得到較大的功率和扭矩，低速功能好；易于完成精細操控等.但是；永磁同步電動機也有其缺點；那就是功率容量有限；弱磁艱難；不利于完成高速化.故迄今為止；只要單個機床公司有內置永磁同步電動機的電主軸在展會上露臉；而專業化的電主軸制造廠尚沒有此種產物出售.有不少人以為；對在弱磁場運轉的高轉速電主軸；好像用異步感應電動機驅動更為適宜.
當前首要選用PWM變頻調速技能來完成電主軸的高速化；履行此項使命的既有通常變頻調速器；又有矢量操控驅動器.前者為恒轉矩驅動；輸出功率與轉速成正比，后者在低速端(額外轉速以下)為恒轉矩驅動；在中、高速端為恒功率驅動(圖2).高速加工中間和數控銑床之電主軸；基本上都選用后者(即矢量操控驅動器).矢量操控驅動器又有開環型和閉環型之分；閉環型在主軸上裝有高功能編碼器作為檢測元件；以完成方位和速度反.傭懈玫畝閱埽換箍梢允迪種髦岬畝ㄏ蜃紀：C軸功用.
高速主軸用的軸承
數控金切機床高速主軸的功能；在相當程度上取決于主軸軸承及其光滑.翻滾軸承因為剛度好、精度能夠制造得較高、承載能力強和規劃相對簡略；不只是通常切削機床主軸的首.彩艿礁咚僨邢骰駁那囗.從高速性的視點看；翻滾軸承中角觸摸球軸承最棒；圓柱滾子軸承次之；圓錐滾子軸承最差.
角觸摸球軸承的球(即滾珠)既公轉又自轉；會發生離心力Fc和陀螺力矩Mg.跟著主軸轉速的添加；離心力Fc和陀螺力矩Mg也會急劇加大；使軸承發生很大的觸摸應力；然后招致軸承沖突加重、溫升增高、精度降低和壽數縮短.因而；要進步這種軸承的高速功能；就應想方設法按捺其Fc和Mg的添加.從角觸摸球軸承Fc和Mg的計算公式得知；削減球資料的密度、球的直徑和球的觸摸角都有利于削減Fc和Mg；所以如今高速主軸多運用觸摸角為15°或20°的小球徑軸承.可是；球徑不能減小過多；基本上只能是規范系列球徑的70%；避免削弱軸承的剛度；更要害的仍是要在球的資料上尋求改善.
與GCr15軸承鋼比擬；氮化矽(Si3N4)陶瓷密度僅為它的41%；用氮化矽制造的球要輕得多；天然在高速反轉時所發生的離心力和陀螺力矩也要小得多.與此一起；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；而熱脹大系數僅為軸承鋼的25%；這既可進步軸承的剛度和壽數；又使軸承的合作空隙在不同溫升條件下改動.ぷ骺煽浚患又沾贍透呶慮也揮虢鶚舴⑸騁В幌勻揮玫沾芍譜髑蛺甯屎轄懈咚倩刈.理論標明；陶瓷球角觸摸球軸承與相應的鋼球軸承比擬速度能進步25%~35%；不過價錢也要高一些.
國外將內外圈為鋼、翻滾體為陶瓷的軸承統稱為混合軸承.當前混合軸承又有新發展：一是陶瓷資料已用于制造圓柱滾子軸承的滾子；市場上呈現了陶瓷圓柱混合軸承，二是用不銹鋼(比方FAG公司用氮化不銹鋼Crodinur 30)替代軸承鋼制造軸承的內外圈特別是內圈；因為不銹鋼的熱脹大系數比軸承鋼小20%；天然在高速反轉時；因內圈熱脹大所形成的觸摸應力增大趨勢會遭到按捺.
眾所周知；dmh值是表達翻滾軸承高速功能的速度因子(dm是翻滾軸承內、外圈的均勻直徑；單位mm，h是軸承的轉速；單位r/min).角觸摸球軸承的高速功能不只與球的觸摸角、直徑和資料關聯；并且與軸承的光滑方法關系密切.當前翻滾軸承有脂光滑、油霧光滑和油氣光滑三種方法；其中油霧光滑盡管作用不錯；但污染環境和損害工人安康；國外已很少選用.
脂光滑是最簡略和環保性最棒的一種光滑方法.因為脂在超高速作業下簡單蛻變；故其dmh值較低；軸承為鋼球時僅達80×104；為陶瓷球時可達110×104(FAG公司開發的新一代低溫軸承其dmh值還能夠在此基礎上添加10%左右).如今高速主軸軸承用得最多的是油氣光滑方法；它是守時、定量地供應軸承以油 氣混合物；使軸承各部位取得最佳的微量光滑并把污染減至很小.選用油氣光滑的鋼球或陶瓷球角觸摸球軸承；其dmh值通常可別離達到到140×104和210×104；若選用比擬特別的油氣光滑方法；陶瓷球角觸摸球軸承的dmh值可達250×104乃至更高一點(圖3為特別油氣光滑方法的一種；在實驗室內其dmh值已達280×104).
高速電主軸翻滾軸承的裝備方式有多種；但比擬典型的是前、后軸承呈“O”型規劃的兩對角觸摸球軸承(見圖1).因為后軸承也是角觸摸球軸承；通常要設置滾珠套以便讓后軸承能沿殼體軸向挪動；使得主軸受熱后可自在向后方脹大.通常說來；角觸摸球軸承需要在軸向有預加負荷才干正常作業；預加負荷愈大；軸承的剛度愈高但溫升也愈大.比擬簡略的方法是；依據電主軸的轉速規模和所要接受的負載；選定一個最佳的固定預加負荷值，更好的方法則是預加負荷能隨主軸轉速改動而調整；在高轉速時減小預加負荷；在低轉速時添加預加負荷.
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