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数控金切机床的高速主轴系统

2022-04-10 作者:火狐体育官网   来源:火狐体育官方网站app

  数控金切机床的高速主轴系统,顾名思义是具有高回转速度,但这并无严格的界限。对作为高速切削机床代表的加工中心和数控铣床而言,一般是指**高转速10,000r/min的主轴系统,并相应具有高的角加(减)速度,以实现主轴的瞬时升降速与起停。为适应制造业对机床加工精度愈来愈高的要求,高速切削主轴还应有较高的回转精度,通常要求主轴的径向跳动小于1或2m,轴向窜动小于1m。此外,主轴也要有足够的静、动刚度,以承受一定的切削负荷和保持高的回转精度。

  传统的主轴系统包含皮带、齿轮等中间传动环节,不仅转动惯量大,难于实现高的角加(减)速度,而且高速时也难于解决中间传动环节出现的振动和噪声。因此,现在的高速主轴系统大多是把电动机与主轴“合二而一”、将传动链缩短为零的电主轴单元,结构上基本是把主电动机置于主轴前后轴承之间。这样的电主轴,轴向尺寸较短,结构紧凑,主轴刚度高,出力较大。图1所示德国gmn公司用于加工中心和数控铣床的电主轴就是这种结构,其轴承是适合高速运转的精密角接触球轴承(一般相当于国际标准p2和p4级),所有关键零件都必须进行精密加工和精密装配,同时还要用恒温冷却水(gmn为230.7℃甚至0.3℃)对主电机的定子和前后轴承进行冷却。gmn用于加工中心和数控铣床的电主轴共有20几种型号,**高转速从8000r/min到60000r/min,功率从5.5kw到76kw,扭矩从0.9nm到306nm。

  现在,也有极少数高速轻切削铣床,使用将主电机置于主轴后轴承之后的电主轴。这种结构的电主轴轴向尺寸长,但可改进散热条件。此外,某些主轴**高转速在10000r/min至15000r/min的加工中心和铣床,不是采用电主轴而是通过薄膜式之类的联轴节,将主电动机与主轴直接连接,从而省去主轴冷却系统。不过,此方式既增加了转动惯量,影响角加(减)速度,而且两者直连后的非直线性又会引起振动(转速愈高对直线性的调准要求也愈高),故不宜用于主轴转速更高的机床。

  当前的高速电主轴,几乎都是内置异步交流感应电动机。异步型电主轴的优点是结构较简单,制造工艺相对成熟和安装方便,特别是可以更大限度地减弱磁场,易于实现高速化。此种主轴电机也正在进一步改进,比如日本三菱电机公司**近开发出可减少电损耗和缩短定子长度的高速、高效率内置感应主轴电动机。

  **近,国外正研讨在电主轴中内置交流永磁同步电动机的问题。与异步感应电动机相比,永磁同步电动机有如下优点:用永磁材料制造的转子在工作过程中不发热,解决了目前内置的异步感应电动机转子发热且难于充分冷却的问题;功率密度大,工作效率高,即可用较小的尺寸得到较大的功率和扭矩;低速性能好,易于实现精密控制等。然而,永磁同步电动机也有其弱点,那就是功率容量有限,弱磁困难,不利于实现高速化。故迄今为止,只有个别机床公司有内置永磁同步电动机的电主轴在展会上亮相,而专业化的电主轴制造厂尚没有此种产品出售。有不少人认为,对在弱磁场运行的高转速电主轴,似乎用异步感应电动机驱动更为合适。

  目前主要采用pwm变频调速技术来实现电主轴的高速化,执行此项任务的既有普通变频调速器,又有矢量控制驱动器。前者为恒转矩驱动,输出功率与转速成正比;后者在低速端(额定转速以下)为恒转矩驱动,在中、高速端为恒功率驱动(图2)。高速加工中心和数控铣床之电主轴,基本上都采用后者(即矢量控制驱动器)。矢量控制驱动器又有开环型和闭环型之分,闭环型在主轴上装有高性能编码器作为检测元件,以实现位置和速度反馈,从而有更好的动态性能,还可以实现主轴的定向准停和c轴功能。

  数控金切机床高速主轴的性能,在相当程度上取决于主轴轴承及其润滑。滚动轴承由于刚度好、精度可以制造得较高、承载能力强和结构相对简单,不仅是一般切削机床主轴的**,也受到高速切削机床的青睐。从高速性的角度看,滚动轴承中角接触球轴承**好,圆柱滚子轴承次之,圆锥滚子轴承**差。

  角接触球轴承的球(即滚珠)既公转又自转,会产生离心力fc和陀螺力矩mg。随着主轴转速的增加,离心力fc和陀螺力矩mg也会急剧加大,使轴承产生很大的接触应力,从而导致轴承摩擦加剧、温升增高、精度下降和寿命缩短。因此,要提高这种轴承的高速性能,就应想方设法抑制其fc和mg的增加。从角接触球轴承fc和mg的计算公式得知,减少球材料的密度、球的直径和球的接触角都有利于减少fc和mg,所以现在高速主轴多使用接触角为15或20的小球径轴承。可是,球径不能减小过多,基本上只能是标准系列球径的70%,以免削弱轴承的刚度,更关键的还是要在球的材料上寻求改进。

  与gcr15轴承钢相比,氮化矽(si3n4)陶瓷密度仅为它的41%,用氮化矽制作的球要轻得多,自然在高速回转时所产生的离心力和陀螺力矩也要小得多。与此同时,氮化矽陶瓷的弹性模量和硬度是轴承钢的1.5倍和2.3倍,而热膨胀系数仅为轴承钢的25%,这既可提高轴承的刚度和寿命,又使轴承的配合间隙在不同温升条件下变化小,工作可靠,加之陶瓷耐高温且不与金属发生粘咬,显然用氮化矽陶瓷制作球体更适合进行高速回转。实践表明,陶瓷球角接触球轴承与相应的钢球轴承相比速度能提高25%~35%,不过价格也要高一些。

  国外将内外圈为钢、滚动体为陶瓷的轴承统称为混合轴承。目前混合轴承又有新发展:一是陶瓷材料已用于制作圆柱滚子轴承的滚子,市场上出现了陶瓷圆柱混合轴承;二是用不锈钢(比如fag公司用氮化不锈钢crodinur30)代替轴承钢制作轴承的内外圈特别是内圈,由于不锈钢的热膨胀系数比轴承钢小20%,自然在高速回转时,因内圈热膨胀所造成的接触应力增大趋势会受到抑制。

  众所周知,dmh值是表达滚动轴承高速性能的速度因子(dm是滚动轴承内、外圈的平均直径,单位mm;h是轴承的转速,单位r/min)。角接触球轴承的高速性能不仅与球的接触角、直径和材料相关,而且与轴承的润滑方式关系密切。目前滚动轴承有脂润滑、油雾润滑和油气润滑三种方式,其中油雾润滑虽然效果不错,但污染环境和危害工人健康,国外已很少采用。

  脂润滑是**简单和环保性**好的一种润滑方式。由于脂在超高速运转下容易变质,故其dmh值较低,轴承为钢球时仅达80×104,为陶瓷球时可达110×104(fag公司开发的新一代低温轴承其dmh值还可以在此基础上增加10%左右)。现在高速主轴轴承用得**多的是油气润滑方式,它是定时、定量地供给轴承以油气混合物,使轴承各部位获得**佳的微量润滑并把污染减至很小。采用油气润滑的钢球或陶瓷球角接触球轴承,其dmh值一般可分别达到到140×104和210×104,若采用比较特殊的油气润滑方式,陶瓷球角接触球轴承的dmh值可达250×104甚至更高一点(图3为特殊油气润滑方式的一种,在试验室内其dmh值已达280×104)。

  高速电主轴滚动轴承的配置形式有多种,但比较典型的是前、后轴承呈“o”型布局的两对角接触球轴承(见图1)。由于后轴承也是角接触球轴承,一般要设置滚珠套以便让后轴承能沿壳体轴向移动,使得主轴受热后可自由向后方膨胀。一般说来,角接触球轴承需要在轴向有预加负荷才能正常工作,预加负荷愈大,轴承的刚度愈高但温升也愈大。比较简单的办法是,根据电主轴的转速范围和所要承受的负载,选定一个**佳的固定预加负荷值;更好的办法则是预加负荷能随主轴转速改变而调整,在高转速时减小预加负荷,在低转速时增加预加负荷。

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