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电主轴

2010-11-05  peiming
电主轴是高频主轴(High Frequency Spindle)的简称,有时也称作直接传动主轴(Direct Drive Spindle),是内装式电机主轴单元。它把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零传动”,具有结构紧凑、机械效率高、可获得极高的回转速度、回转精度高、噪声低、振动小等优点,因而在现代数控机床中获得了愈来愈广泛的应用。

 

提高加工效率、降低加工成本、改善加工质量,是加工行业永恒不变的追求,提高主轴的转速则是提高加工效率最直接的方法。然而,提高主轴转速则会使主轴的升温明显,进而影响到主轴和整个机床的寿命。而且提高主轴转速又会降低主轴的精度,从而影响加工质量。 电主轴的问世很好地解决了上述矛盾。电主轴能够在很好地控制主轴电机温度的前提下提升转速,而且很好地保证加工精度。目前电主轴的转速能够达到200000rpm,甚至更高,功率可以达到70kw。在进口的加工设备以及我国一些高档机床上都运用了电主轴。特别是在一些转速比较高的加工中心、雕刻机、数控铣床等领域应用较为广泛。可以说,电主轴是未来加工行业发展的必然趋势。

电主轴的优点

电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点,而且转速高、功率大,简化机床设计,易于实现主轴定位,是高速主轴单元中的一种理想结构。电主轴轴承采用高速轴承技术,耐磨耐热,寿命是传统轴承的几倍。  

电主轴的结构

 

电主轴由无外壳电机、主轴、轴承、主轴单元壳体、驱动模块和冷却装置等组成。电机的转子采用压配方法与主轴做成一体,主轴则由前后轴承支承。电机的定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。主轴的变速由主轴驱动模块控制, 而主轴单元内的温升由冷却装置限制。在主轴的后端装有测速、测角位移传感器,前端的内锥孔和端面用于安装刀具。

 

电主轴的轴承

轴承是决定主轴寿命和承载能力的关键部件,其性能对电主轴的使用功能极为重要。目前电主轴采用的轴承主要有陶瓷球轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。

陶瓷球轴承是应用广泛且经济的轴承,它的陶瓷滚珠质量轻、硬度高,可大幅度减小轴承离心力和内部载荷,减少磨损,从而提高轴承寿命。德国GMN公司和瑞士士STEP-TEC公司用于加工中心和铣床的电主轴全部采用了陶瓷球轴承。

流体静压轴承为非直接接触式轴承,具有磨损小、寿命长、回转情度高、振动小等优点,用于电主轴上,可延长刀具寿命、提高加工质量和加工效率。美国Ingersoll公司在其生产的电主轴单元中主要采用其拥有专利技术的流体静压轴承。

磁悬浮轴承依靠多对在圆周上互为180o的磁极产生径向吸力(或斥力)而将主轴悬浮在空气中,使轴颈与轴承不接触,径向间隙为1mm左右。当承受载荷后,主轴空间位置会产生微小变化,控制装置根据位置传感器检测出的主轴位置变化值改变相应磁极的吸力(或斥力)值,使主轴迅速恢复到原来的位置,从而保证主轴始终绕其惯性轴作高速回转,因此它的高速性能好、精度高,但由于价格昂贵,至今没有得到广泛应用。

电主轴的冷却

由于电主轴将电机集成于主轴单元中,且其转速很高,运转时会产生大量热量,引起电主轴温升,使电主轴的热态特性和动态特性变差,从而影响电主轴的正常工作。因此必须采取一定措施控制电主轴的温度,使其恒定在一定值内。目前一般采取强制循环油冷却的方式对电主轴的定子及主轴轴承进行冷却,即将经过油冷却装置的冷却油强制性地在主轴定子外和主轴轴承外循环,带走主轴高速旋转产生的热量。另外,为了减少主轴轴承的发热,还必须对主轴轴承进行合理的润滑。如对于陶瓷球轴承,可采用油雾润滑或油气润滑方式。

电主轴的驱动

当前,电主轴的电动机均采用交流异步感应电动机,由于是用在高速加工机床上,启动时要从静止迅速升速至每分钟数万转乃至数十万转,启动转矩大,因而启动电流要超出普通电机额定电流5~7倍。其驱动方式有变频器驱动和矢量控制驱动器驱动两种。变频器的驱动控制特性为恒转矩驱动,输出功率与转矩成正比。最新的变频器采用先进的晶体管技术可实现主轴的无级变速。矢量控制驱动器的驱动控制为:在低速端为恒转矩驱动,在中、高速端为恒功率驱动。

电主轴的基本参数

电主轴的基本参数包括:套筒直径、最高转速、输出功率、转矩和刀具接口等,其中套筒直径为电主轴的主要参数。

高速电主轴的选用

高速电主轴根据应用场合的不同大致可以分为8大类:磨削用、铣削用、车削用、拉碾用、钻削用、加工中心用、机械式主轴(不含内置电机)皮带传动主轴、特种旋转试验主轴等。

一般用户常用的有磨削用、铣削用、车削用、加工中心用、机械主轴(不含内置电机)皮带传动主轴几类。在选择电主轴时,要注意以下几点:

  • 一定要关注你的应用场合,不同的应用场合的接口是不同的,另外一定要弄清楚工况的功率要求,以及在此功率下对应的转速,这一点很关键,因为同样是1kW,在1000转和10000转的要求下电主轴的外形尺寸是相差很多的,对于电主轴设计的难度也是不同的,所以工况一定要准确。
  • 刀具的接口一定要明确,这也是有原则的,一般情况下BT50的接口转速只能在8000RPM一下的电主轴中使用,BT40的接口可以在18000RPM下的电主轴中使用,如果要更高的转速,刀具接口需要选择相应的HSK等高速刀具接口,数控铣削电主轴上配用的ER弹簧夹头或者SD弹簧夹头也是有一定的许用最高转速的。
  • 磨用电主轴一般都是横扭矩设计的电机,电机的最高转速和功率以及电压的关系是等比关系,电压和功率随电主轴转速的增加线性增加。电流维持基本恒定不变,由于转矩和电流的关系是线性关系,所以称这种制式的电主轴为恒转矩制电机。磨用电主轴的设计一般兼顾的转速范围比较小,通常是最高转速的80%~100%,同时还要兼顾砂轮的最高许用线速度,因此一般在使用时不能既用高速小砂轮又用低速大砂轮,否则会因为低速功率不够大而导致大砂轮磨削的效果和效率比较低差,另外由于大砂轮本身的自重,高速电主轴轴承通常为了适应高速旋转,设计时轴承以满足最高转速要求为主,兼顾一定程度的承载能力,在低速使用大砂轮磨削时,因轴承本身的承载能力不能满足其要求会导致主轴轴承寿命的急剧降低,精度寿命大大缩短。另外磨用电主轴由于转速分档比较接近,用户完全可以分开选择不同的产品来满足不同的磨削要求,以更大更好的发挥电主轴的工作能力和效率潜力。而铣削和加工中心用电主轴在设计上通常有横扭矩段和恒功率段相配合,以满足宽速度范围内的切削需要,低速需要大扭矩重切削,高速需要一定功率的精切削,所以电机制式与磨用电主轴等有较大不同。

另外,磨用电主轴的电机参数制式通常标注S6制工作制,有S6-40%、S6-60%等几种,这是与磨削的工作特性所分不开的,磨削时一个工件的磨削拍节通常包括,快速进刀、磨削、退刀、修砂轮等几个步骤,电机功率的消耗不是恒定的负载,而且在磨用电主轴电机的设计上我们通常要提高其过载能力,因此,在看磨削电主轴的参数时会看到S1和S6两组参数,S6通常比S1高出较多,一是与电机工作制有关,一是与电机的过载能力有关,标注S6制功率表明电机可以在30s~120s内短时过载到该功率制,长期使用只能按S1制使用,这一点是与其他电主轴不太相似的地方,一定要注意。其他类型的电主轴比如车削、铣削等,和磨用电主轴不一样,往往需要在一个转速段内实现恒功率调速,这类电主轴用户往往觉得它的功率小,这是错的,因为它的功率对应的转速相对较低,根据M=9550P/n1的扭矩计算公式,它能够输出的扭矩是相对较高的,这样设计电主轴的目的是为了满足用户在一定的常用转速范围内均可以较好的使电主轴工作。另一种比较复杂的类型是加工中心用电主轴,通常是横扭矩、恒功率混合设计,这也是和加工中心类电主轴的工作方式分不开的,在低速段,通常指1500转以下,加工中心需要大吃刀量的切削,扭矩输出要很大,并具备很强的短时过载能力,通常要求能达到2.2倍以上。而在高转速段,需要有足够的功率实现恒功率的精铣工作,需要使功率能随着转速的升高恒定保持。配合能够在低速段实现数倍额定扭矩输出的伺服控制器,加工中心电主轴在低速大扭矩输出的能力可以更好的得到提高。

国外电主轴技术的发展趋势

国外电主轴最早用于内圆磨床,上世纪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。随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要,对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求,目前国外从事高速数控机床电主轴研发与生产的企业主要有如下几家:德国GMN、西门子、瑞士IBAG、美国Setco、意大利Omlet、Faemat、Gamfior、日本大隈等,其中尤以GMN、IBAG、Omlet、Setco、Gammfier等几家的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。

这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点:

  • 功率大、转速高。
  • 采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承,主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承,特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。
  • 精密加工与精密装配工艺水平高。
  • 配套控制系统水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。

并在此基础之上,这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床。如瑞士米克朗公司,就是世界上著名的精密机床制造商。它生产的机床配备最高达60000r/min的高速电主轴,可以满足不同的切削要求,所有的电主轴均装有恒温冷却水套对主轴电机和轴承进行冷却,并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑。所有的电主轴均采用矢量控制技术,可以在低转速时输出大扭矩。

为满足实际应用的需要,电主轴电机的性能得到了改善,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)达到了l:14。此外,出现了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。

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lg以上,全速启、停时间在ls以内。

轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化

除了常规的钢制滚动轴承外,近年来陶瓷球混合轴承越来越得到广泛的应用,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,得到越来越广泛的推广和应用;滚动轴承的预负荷施加方式除了刚性预负荷(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,并且可以根据主轴的转速、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。

刀具接口逐步趋于HSK、Capto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)刀柄结构已经不能满足使用要求,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刀柄接口已经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)。近年来由SANDVIK公司提出的Capto刀具接口也开始在机床行业得到应用,其基本原理与HSK接口相似,但传递扭矩的能力稍大一些,缺点是主轴轴端内孔加工困难较大,工艺比较复杂。

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。

 

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