高性能主軸
高性能機(jī)床主軸概述
機(jī)床主軸是機(jī)床的核心部件,其功能是帶動(dòng)刀具(砂輪)或工件旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)高速精密加工。隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)機(jī)床加工精度和加工效率要求的不斷提高,機(jī)床對(duì)主軸性能的要求也越來(lái)越高,傳統(tǒng)的高速主軸概念已難以充分描述機(jī)床主軸的技術(shù)內(nèi)涵。
高性能機(jī)床主軸是指在滿足加工精度和加工效率的前提下,速度、精度、剛度、功率、轉(zhuǎn)矩匹配特性好,可靠性高,性能價(jià)格比高的機(jī)床主軸。
機(jī)床主軸按所采用的軸承類(lèi)型可分為滾動(dòng)軸承(角接觸球軸承、滾子軸承)、液體滑動(dòng)軸承(動(dòng)壓軸承、靜壓軸承、動(dòng)靜壓軸承)、氣體軸承和磁懸浮軸承等,按照與電動(dòng)機(jī)的連接方式可分為機(jī)械主軸和電主軸。
電主軸是將機(jī)床主軸功能與電動(dòng)機(jī)功能從結(jié)構(gòu)上融為一體的新型主軸部件,它省去了皮帶傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)環(huán)節(jié),具有速度高、精度高、調(diào)速范圍寬、振動(dòng)噪聲小、可快速起動(dòng)和準(zhǔn)停等優(yōu)點(diǎn)。用電主軸取代傳統(tǒng)機(jī)械主軸是機(jī)床工業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。
電主軸按照電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型又可分為異步型電主軸和永磁同步型電主軸。
從機(jī)床行業(yè)的客觀需求來(lái)看,角接觸球軸承電主軸、液體(動(dòng))靜壓軸承電主軸和氣體軸承電主軸既是市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn),也是學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。角接觸球軸承是最適宜高速化的滾動(dòng)軸承,具有摩擦阻力小、功耗小、成本低、便于系列化和標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn),其極限轉(zhuǎn)速高、精度高、剛度高,在加工中心、數(shù)控銑床、車(chē)床、內(nèi)圓磨床和高速雕銑機(jī)中獲得了廣泛應(yīng)用,其主要技術(shù)難點(diǎn)在于提高精度壽命和可靠性。液體(動(dòng))靜壓主軸以液態(tài)“油膜”作為支撐,具有顯著的“誤差均化效應(yīng)”和阻尼減振性,回轉(zhuǎn)精度遠(yuǎn)高于滾動(dòng)軸承式主軸,其剛度高,磨損小,壽命長(zhǎng),在精密超精密機(jī)床上獲得了廣泛應(yīng)用,其主要技術(shù)難點(diǎn)在于控制高速時(shí)主軸的溫升和熱變形。氣體軸承電主軸以“氣膜”作為支撐,回轉(zhuǎn)精度和極限轉(zhuǎn)速高于液體(動(dòng))靜壓電主軸和滾動(dòng)軸承式電主軸,其熱穩(wěn)定性好,是超精密機(jī)床和印刷電路板(PCD)鉆床不可或缺的核心部件,其不足之處在于承載能力低,工藝要求高。
磁懸浮軸承也是一類(lèi)重要的主軸支撐方式,極限轉(zhuǎn)速高,運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中無(wú)磨損,其技術(shù)難點(diǎn)在于如何提高動(dòng)剛度和阻尼減振性能,在實(shí)現(xiàn)高速的同時(shí)保證高加工精度。磁懸浮主軸的核心研究?jī)?nèi)容是機(jī)械系統(tǒng)特性和電磁特性的控制問(wèn)題。
高性能機(jī)床主軸的技術(shù)現(xiàn)狀
1.角接觸球軸承電主軸領(lǐng)域
國(guó)內(nèi)現(xiàn)有水平:在加工中心和數(shù)控銑床電主軸方面,洛陽(yáng)軸承研究所開(kāi)發(fā)了油氣潤(rùn)滑型加工中心電主軸,額定功率和最高轉(zhuǎn)速達(dá)22kW、24000r/min;湖南大學(xué)研制的永磁同步型加工中心電主軸,額定功率35kW,最高轉(zhuǎn)速18000r/min,徑向圓跳動(dòng)1.5μm,動(dòng)平衡精度G0.4,配備HSK-A63刀柄,采用油氣潤(rùn)滑和強(qiáng)制水冷方式。沈陽(yáng)建筑大學(xué)開(kāi)發(fā)高速大功率陶瓷球軸承電主軸單元最高轉(zhuǎn)速達(dá)到30000r/min,功率達(dá)20kW;研制開(kāi)發(fā)的無(wú)內(nèi)圈式全陶瓷電主軸單元最高轉(zhuǎn)速達(dá)到30000r/min,最大功率達(dá)到15kW,回轉(zhuǎn)精度≤±1μm。在磨用電主軸方面,洛陽(yáng)軸承研究所主軸產(chǎn)品Dmn值達(dá)到170~200萬(wàn)mm·r/min;軸承套圈磨用電主軸最大功率為達(dá)32kW(S6~60%),最高轉(zhuǎn)速為120000r/min;高鐵軌道板磨用電主軸達(dá)150kW(S1~100%),最高轉(zhuǎn)速2000r/min;工作壽命普遍在1500~2000h。
國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平:在加工中心和數(shù)控銑床電主軸方面,國(guó)際上油脂潤(rùn)滑型加工中心用電主軸最高轉(zhuǎn)速為60000r/min,油氣潤(rùn)滑型數(shù)控銑最高轉(zhuǎn)速為140000r/min,而大功率電主軸的功率可達(dá)80kW,轉(zhuǎn)速為10000r/min,其最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)380N·m。在磨用電主軸方面,國(guó)際主軸產(chǎn)品的軸承Dmn值高達(dá)240萬(wàn)mm·r/min,選用油氣潤(rùn)滑方式,輸出功率普遍比上一代產(chǎn)品增加50%左右,其工作壽命亦普遍增長(zhǎng)50%左右。
國(guó)家數(shù)控機(jī)床重大專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)目標(biāo):①額定功率和最高轉(zhuǎn)速為50kW、20000r/min(另兩款為30kW、30000r/min和10kW、40000r/min)。②具有軸承動(dòng)態(tài)預(yù)緊調(diào)整功能。③平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間≥5000h。④主軸回轉(zhuǎn)精度<1.0μm。⑤軸系統(tǒng)剛度≥300N·μm。⑥動(dòng)平衡精度G0.4級(jí)。⑦恒功率>14。⑧轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍0.04%以下。⑨C軸位置控制精度10″。⑩高分辨率編碼器接口最大可支持17位編碼器(131072脈沖/r)。11.具有兩種現(xiàn)場(chǎng)總線接口。
2.液體(動(dòng))靜壓軸承電主軸領(lǐng)域
國(guó)內(nèi)現(xiàn)有水平:上海原創(chuàng)精密機(jī)床主軸有限公司研制的液體(動(dòng))靜壓電主軸,額定功率和最高轉(zhuǎn)速達(dá)到34kW、8500r/min,徑向跳動(dòng)1μm。東方精益公司生產(chǎn)的液體(動(dòng))靜壓電主軸,額定功率/最高轉(zhuǎn)速達(dá)到17kW、8000r/min,徑向跳動(dòng)1μm,徑向剛度>500N·μm。湖南大學(xué)針對(duì)超高速外圓/凸輪軸磨床開(kāi)發(fā)了電動(dòng)機(jī)內(nèi)置式液體(動(dòng))靜壓電主軸,額定功率和最高轉(zhuǎn)速達(dá)35kW、10000r/min,徑向圓跳動(dòng)1μm;同時(shí)還針對(duì)高速內(nèi)圓磨床,開(kāi)發(fā)了12kW、30000r/min電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝式液體動(dòng)靜壓電主軸。北京航空航天大學(xué)下屬的北京北航精密有限公司開(kāi)發(fā)了系列(動(dòng))靜壓主軸產(chǎn)品,額定功率和最高轉(zhuǎn)速達(dá)到7.5kW、48000r/min,回轉(zhuǎn)精度能達(dá)到0.5μm以內(nèi)。在內(nèi)圓磨(動(dòng))靜壓主軸方面,國(guó)內(nèi)已生產(chǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)20000r/min,主軸直徑28mm的主軸產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)液體(動(dòng))靜壓主軸的回轉(zhuǎn)精度最高能達(dá)到0.1μm。
國(guó)際先進(jìn)水平:德國(guó)HYPOSTATIK公司開(kāi)發(fā)的外圓磨電主軸,最高工作轉(zhuǎn)速為7600r/min,功率為50kW,砂輪徑向剛度>320N·μm;凸輪磨凹面磨削主軸,轉(zhuǎn)速25000/35000r/min,砂輪徑向剛度為120/60N·μm;銑削靜壓電主軸,最高工作轉(zhuǎn)速為42000r/min,功率為15kW,軸承剛度為200/160N·μm。英國(guó)CranfieldPrecision公司開(kāi)發(fā)的液體靜壓主軸最高轉(zhuǎn)速為15000r/min,供油壓力為3.5MPa,徑向/軸向剛度為200/440N·μm,回轉(zhuǎn)精度達(dá)0.1μm。