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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)，顧名思義是具有高回轉(zhuǎn)速度，但這并無(wú)嚴(yán)格的界限。對(duì)作為高速切削機(jī)床代表的加工中心和數(shù)控銑床而言，一般是指最高轉(zhuǎn)速≥10,000r/min的主軸系統(tǒng)，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。為適應(yīng)制造業(yè)對(duì)機(jī)床加工精度愈來(lái)愈高的要求，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，軸向竄動(dòng)小于1µm。此外，主軸也要有足夠的靜、動(dòng)剛度，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、齒輪等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，不僅轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，難于實(shí)現(xiàn)高的角加(減)速度，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。因此，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，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。這樣的電主軸，軸向尺寸較短，結(jié)構(gòu)緊湊，主軸剛度高，出力較大。圖1所示德國(guó)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)P2和P4級(jí))，所有關(guān)鍵零件都必須進(jìn)行精密加工和精密裝配，同時(shí)還要用恒溫冷卻水(GMN為23±0.7℃甚至±0.3℃)對(duì)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(hào)，最高轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min到60000r/min，功率從5.5kW到76kW，扭矩從0.9Nm到306Nm。
現(xiàn)在，也有極少數(shù)高速輕切削銑床，使用將主電機(jī)置于主軸后軸承之后的電主軸。這種結(jié)構(gòu)的電主軸軸向尺寸長(zhǎng)，但可改進(jìn)散熱條件。此外，某些主軸最高轉(zhuǎn)速在10000r/min至15000r/min的加工中心和銑床，不是采用電主軸而是通過(guò)薄膜式之類的聯(lián)軸節(jié)，將主電動(dòng)機(jī)與主軸直接連接，從而省去主軸冷卻系統(tǒng)。不過(guò)，此方式既增加了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，影響角加(減)速度，而且兩者直連后的非直線性又會(huì)引起振動(dòng)(轉(zhuǎn)速愈高對(duì)直線性的調(diào)準(zhǔn)要求也愈高)，故不宜用于主軸轉(zhuǎn)速更高的機(jī)床。
當(dāng)前的高速電主軸，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(jiǎn)單，制造工藝相對(duì)成熟和安裝方便，特別是可以更大限度地減弱磁場(chǎng)，易于實(shí)現(xiàn)高速化。此種主軸電機(jī)也正在進(jìn)一步改進(jìn)，比如日本三菱電機(jī)公司最近開(kāi)發(fā)出可減少電損耗和縮短定子長(zhǎng)度的高速、高效率內(nèi)置感應(yīng)主軸電動(dòng)機(jī)。
最近，國(guó)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(wèn)題。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(guò)程中不發(fā)熱，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(wèn)題；功率密度大，工作效率高，即可用較小的尺寸得到較大的功率和扭矩；低速性能好，易于實(shí)現(xiàn)精密控制等。然而，永磁同步電動(dòng)機(jī)也有其弱點(diǎn)，那就是功率容量有限，弱磁困難，不利于實(shí)現(xiàn)高速化。故迄今為止，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，而專業(yè)化的電主軸制造廠尚沒(méi)有此種產(chǎn)品出售。有不少人認(rèn)為，對(duì)在弱磁場(chǎng)運(yùn)行的高轉(zhuǎn)速電主軸，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(lái)實(shí)現(xiàn)電主軸的高速化，執(zhí)行此項(xiàng)任務(wù)的既有普通變頻調(diào)速器，又有矢量控制驅(qū)動(dòng)器。前者為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比；后者在低速端(額定轉(zhuǎn)速以下)為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，在中、高速端為恒功率驅(qū)動(dòng)(圖2)。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)。矢量控制驅(qū)動(dòng)器又有開(kāi)環(huán)型和閉環(huán)型之分，閉環(huán)型在主軸上裝有高性能編碼器作為檢測(cè)元件，以實(shí)現(xiàn)位置和速度反饋，從而有更好的動(dòng)態(tài)性能，還可以實(shí)現(xiàn)主軸的定向準(zhǔn)停和C軸功能。
高速主軸用的軸承
數(shù)控金切機(jī)床高速主軸的性能，在相當(dāng)程度上取決于主軸軸承及其潤(rùn)滑。滾動(dòng)軸承由于剛度好、精度可以制造得較高、承載能力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不僅是一般切削機(jī)床主軸的首選，也受到高速切削機(jī)床的青睞。從高速性的角度看，滾動(dòng)軸承中角接觸球軸承最好，圓柱滾子軸承次之，圓錐滾子軸承最差。
角接觸球軸承的球(即滾珠)既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)，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，離心力Fc和陀螺力矩Mg也會(huì)急劇加大，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、溫升增高、精度下降和壽命縮短。因此，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。從角接觸球軸承Fc和Mg的計(jì)算公式得知，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，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。可是，球徑不能減小過(guò)多，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，更關(guān)鍵的還是要在球的材料上尋求改進(jìn)。
與GCr15軸承鋼相比，氮化矽(Si3N4)陶瓷密度僅為它的41％，用氮化矽制作的球要輕得多，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)，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，又使軸承的配合間隙在不同溫升條件下變化小，工作可靠，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)。實(shí)踐表明，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(guò)價(jià)格也要高一些。
國(guó)外將內(nèi)外圈為鋼、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，市場(chǎng)上出現(xiàn)了陶瓷圓柱混合軸承；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％，自然在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，因內(nèi)圈熱膨脹所造成的接觸應(yīng)力增大趨勢(shì)會(huì)受到抑制。
眾所周知，dmh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)、外圈的平均直徑，單位mm；h是軸承的轉(zhuǎn)速，單位r/min)。角接觸球軸承的高速性能不僅與球的接觸角、直徑和材料相關(guān)，而且與軸承的潤(rùn)滑方式關(guān)系密切。目前滾動(dòng)軸承有脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑三種方式，其中油霧潤(rùn)滑雖然效果不錯(cuò)，但污染環(huán)境和危害工人健康，國(guó)外已很少采用。
脂潤(rùn)滑是最簡(jiǎn)單和環(huán)保性最好的一種潤(rùn)滑方式。由于脂在超高速運(yùn)轉(zhuǎn)下容易變質(zhì)，故其dmh值較低，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(kāi)發(fā)的新一代低溫軸承其dmh值還可以在此基礎(chǔ)上增加10％左右)?，F(xiàn)在高速主軸軸承用得最多的是油氣潤(rùn)滑方式，它是定時(shí)、定量地供給軸承以油—?dú)饣旌衔铮馆S承各部位獲得最佳的微量潤(rùn)滑并把污染減至很小。采用油氣潤(rùn)滑的鋼球或陶瓷球角接觸球軸承，其dmh值一般可分別達(dá)到到140×104和210×104，若采用比較特殊的油氣潤(rùn)滑方式，陶瓷球角接觸球軸承的dmh值可達(dá)250×104甚至更高一點(diǎn)(圖3為特殊油氣潤(rùn)滑方式的一種，在試驗(yàn)室內(nèi)其dmh值已達(dá)280×104)。
高速電主軸滾動(dòng)軸承的配置形式有多種，但比較典型的是前、后軸承呈“O”型布局的兩對(duì)角接觸球軸承(見(jiàn)圖1)。由于后軸承也是角接觸球軸承，一般要設(shè)置滾珠套以便讓后軸承能沿殼體軸向移動(dòng)，使得主軸受熱后可自由向后方膨脹。一般說(shuō)來(lái)，角接觸球軸承需要在軸向有預(yù)加負(fù)荷才能正常工作，預(yù)加負(fù)荷愈大，軸承的剛度愈高但溫升也愈大。比較簡(jiǎn)單的辦法是，根據(jù)電主軸的轉(zhuǎn)速范圍和所要承受的負(fù)載，選定一個(gè)最佳的固定預(yù)加負(fù)荷值；更好的辦法則是預(yù)加負(fù)荷能隨主軸轉(zhuǎn)速改變而調(diào)整，在高轉(zhuǎn)速時(shí)減小預(yù)加負(fù)荷，在低轉(zhuǎn)速時(shí)增加預(yù)加負(fù)荷。
