當(dāng)前位置：
首頁(yè) > 數(shù)控金切機(jī)床的高速主軸系統(tǒng)(2)
最近幾年，由于陶瓷圓柱混合軸承的面世和油氣潤(rùn)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)，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)、外圈相對(duì)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)。這樣就可在提高剛度的條件下，用比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)達(dá)到主軸可自由向后膨脹的目的，瑞士Step-Tec公司生產(chǎn)的高速電主軸，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，還有其他幾種軸承可供考慮：
靜壓軸承?？諝忪o壓軸承由于剛度特別是承載能力很差，盡管回轉(zhuǎn)精度很高和摩擦損失較小，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)，油囊內(nèi)產(chǎn)生紊流，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，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))。此外，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，最高轉(zhuǎn)速36000r/min(功率67kW)。
動(dòng)、靜壓軸承。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)，兼有動(dòng)壓軸承和靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn)，剛度和精度高，阻尼大，壽命長(zhǎng)，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。然而，此種軸承在主軸軸頸表面線速度超過(guò)50m/s時(shí)，油流也會(huì)由層流變?yōu)槲闪鳎瑯訒?huì)出現(xiàn)發(fā)熱嚴(yán)重和功率損失的問(wèn)題，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。
磁浮軸承。
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(guò)程中用靈敏的傳感器不斷檢測(cè)主軸位置，并反饋給控制器實(shí)時(shí)調(diào)整電磁力，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)，其剛度和阻尼可控，主軸能自動(dòng)動(dòng)平衡，其回轉(zhuǎn)精度可高達(dá)0.1µm。磁浮軸承無(wú)機(jī)械接觸，壽命很長(zhǎng)，它的高速性能僅受轉(zhuǎn)子矽鋼片離心力的制約，轉(zhuǎn)子最高線速度可達(dá)200m/s。顯而易見(jiàn)，磁浮軸承很適合高速高精度切削機(jī)床使用，但由于控制復(fù)雜，成本很高，目前實(shí)際在機(jī)床上使用的還不多。德國(guó)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(hào))。
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，造成機(jī)床振動(dòng)進(jìn)而影響加工質(zhì)量，故此，動(dòng)平衡是高速主軸系統(tǒng)需要認(rèn)真解決的問(wèn)題。專業(yè)電主軸廠生產(chǎn)的電主軸都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的動(dòng)平衡，一般都執(zhí)行ISO標(biāo)準(zhǔn)G0.4級(jí)(G=ew，e為質(zhì)量中心與回轉(zhuǎn)中心之間的位移，即偏心量，w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(guò)0.4mm/s。廣義的主軸系統(tǒng)還包含刀具，加工過(guò)程中每更換一把刀具，其動(dòng)不平衡量就會(huì)發(fā)生變化。為此，F(xiàn)ISCHER公司提供一種在線自動(dòng)平衡裝置，它能自動(dòng)測(cè)出主軸系統(tǒng)的不平衡量，并自動(dòng)使位于電主軸前端的兩個(gè)平衡圓盤(pán)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)動(dòng)不平衡量最小的位置。
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，自行制造了最高轉(zhuǎn)速為15000r/min的電主軸。該電主軸在制造過(guò)程中經(jīng)過(guò)兩次精確的動(dòng)平衡，第一次是在轉(zhuǎn)子熱裝后，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。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。
主軸與刀具的連接關(guān)系到加工質(zhì)量，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(duì)應(yīng)于不同的刀柄。傳統(tǒng)的7:24實(shí)心刀柄，與主軸孔僅靠錐面定位，當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，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”，主軸孔便發(fā)生“張口”使刀具在其中搖擺，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(lái)另一種高速性能好的HSK刀柄迅速興起，為愈來(lái)愈多的高速加工機(jī)床所采用，2001年已被列為國(guó)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，其錐度為1:10且錐體比較短，在拉桿軸向拉力的作用下，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)。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)，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)，由于刀柄薄壁錐體的彈性變形消除了間隙h。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”，故中間不會(huì)產(chǎn)生間隙，兩者的端面也不會(huì)分離，所以HSK刀柄在高速加工過(guò)程中與主軸有良好的連接剛度，自然刀具能一直保持高的定位精度，而且HSK刀柄較短、較輕，有利于提高加工中心的換刀速度。
HSK系列刀柄有A、B、C、D、E、F等類(lèi)型，用得最多的是A型和E型。HSK?A型刀柄有鍵槽，適合切削負(fù)荷較大時(shí)采用；HSK?E型沒(méi)有傳動(dòng)鍵，僅靠錐面之間的摩擦力來(lái)傳遞扭矩，適合切削負(fù)荷小時(shí)使用。
結(jié)語(yǔ)
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，似乎已進(jìn)入一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的發(fā)展階段。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、中型10000~30000r/min、大(重)8000~24000r/min。從EMO2003得到的信息，其加工中心展品的最高轉(zhuǎn)數(shù)絕大多數(shù)為10000~30000r/min，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，而電主軸的軸承又基本為滾動(dòng)軸承，其dmh值一般都不超過(guò)250×104。從目前的研究開(kāi)發(fā)情況來(lái)看，在不久的將來(lái)有可能達(dá)到300×104甚至更高一點(diǎn)，也就是說(shuō)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。更高的速度需求則寄希望于磁浮軸承，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(wèn)題。此外，與電主軸相關(guān)的課題，比如集成傳感監(jiān)控、小型高出力主軸電機(jī)、輕量化主軸等，都正在深入研討中。
現(xiàn)時(shí)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)電主軸的廠家很少，國(guó)產(chǎn)電主軸尚未能充分滿足市場(chǎng)需求(在CIMT2003展會(huì)上，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床配裝的電主軸只有23.8％是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品)。不過(guò)，在這一領(lǐng)域，中國(guó)也已具有一定的基礎(chǔ)和能力，在當(dāng)前國(guó)家明確支持國(guó)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，加快國(guó)產(chǎn)高速電主軸的發(fā)展。
