高速高精度電主軸關鍵技術研究進展
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- 高速高精度電主軸關鍵技術研究進展 摘要：高速加工和高精度加工是世界制造技術發展的兩大趨勢。電主軸是機床實現高速高精加工的核心部件，在很大程度上影響機床的總體發展水平。本文對其關鍵技術的研究進展進行綜述，其中包含了高速高精度主軸軸承，主軸的動力學和熱力學特性，對高頻電機和驅動程序的設計技術，電機的抗電磁損傷技術，以及加工和裝配技術。最后介紹了電主軸的發展趨勢。
關鍵詞：電主軸，高速加工
1介紹
在最近的幾十年里，高速加工技術有了很快很大的發展變化。相比于常規加工，這種技術的優點是如下所述：（1）材料去除率和生產率的提高明顯；（2）切削力可降低30%以上，特別是在輻射方向；（3）大部分切削熱可由碎片帶走，工件可保持在低溫狀態，從而易于切削工件，不容易受到熱變形；（4）它微小的旋轉振動，有利于加工一流的質量和高精度的表面尺寸，因為激動頻率比的機床切削刀具工件工藝系統的固有頻率更高。
實現高速加工的關鍵技術之一是使用電主軸。電主軸是電機與主軸作為一個整體的一種新的設計。高速軸承技術、高速電機技術、高速工具技術，冷卻和潤滑技術，現代電流改變技術都包含在電主軸技術之中。電主軸消除了如齒輪和皮帶等傳輸系統的必要性，從而避免了來自傳動系統的振動和噪聲，提高了主軸旋轉精度。 對于簡單的結構和較低的旋轉慣性，它可以實現快速停止，高速加速；它可以得到大的主軸輸出功率，廣范圍的操作及好的輸出功率扭矩特性。電主軸的應用不僅可以提供更高的生產率，更好的表面光潔度和較低的生產成本，還可以實現薄零件的精加工及硬材料的加工。它代表了高速主軸的一個發展趨勢。
在本文中，回顧了電主軸技術的歷程，其中包括了高速及高精度主軸軸承，主軸的動態和熱態特性，高頻電機和驅動程序的設計技術，電機的抗電磁損傷技術，以及加工和裝配技術，同樣，也預測了電主軸的一些相對發展趨勢。
2 高速及高精度軸承
實現主軸的高速及高精度的關鍵部件是它的軸承。目前，大多數用于大功率以及高速精密電主軸的軸承是接觸陶瓷軸承和液壓軸承。氣體軸承不適于大功率的場合，磁懸浮軸承受限于其高昂的價格及復雜的控制系統。
角接觸式陶瓷軸承常用于精密數控機床的主軸，但動態荷載引起的巨大的離心力和輥子高速回轉引起的回轉力矩普遍高于切削載荷，但使用混合軸承的輥子及鋼環可以減少它們。陶瓷輥子常用的材料是Si3N4，由于其密度小、熱膨脹系數小、彈性模量大、剛度高，可大大降低輥子的離心力和回轉力矩。這樣可以提高軸承的旋轉速度和使用壽命的限制，降低軸承溫升。除了混合軸承，陶瓷軸承廣泛應用于國內外電主軸的實驗研究中。它的內環和外環，外殼及陶瓷輥子的材料是ZrO2，Si3N4,Al2O3，PTFE等。陶瓷輥子的強度采用靜壓燒結工藝保證。其加工精度通過加工方法及測量精度保證。現在國內的輥子加工精度可超過G5水平，陶瓷軸承的內圈和外圈的加工精度也十分重要，這就需要特別的工藝裝備去固定壓緊環。對陶瓷軸承內圈和外圈符合性也要通過適當的工藝設備和加工過程來保證。
雖然目前大多數高速精密電主軸用的是角接觸式陶瓷軸承，一些公司還注重液壓混合軸承的研究，因為軸承的攪混壽命因為旋轉速度和大負載條件的限制而比較短。雖然液壓混合軸承壽命很長，但是很難實現高速度，對層流和混亂的流動慣性的計算的研究，對油腔的結構設計、軸承的溫升和熱變形控制的研究，和潤滑技術是非常關鍵的。當主軸高速旋轉時，對液壓混合軸承潤滑的一部分是層流流動，另一個是混亂流動。工程中采用的只存在層流流動傳統假設，往往帶來的誤差較大，不適合高速滑軸承的動力學研究。對于高速液壓混合軸承，僅僅出現在高速狀況下的潤滑的物理特性，如混亂流動，慣性等的動力效應，必須根據高速及高精密電主軸潤滑的關鍵技術研究進展規定考慮，高速液壓混合軸承從層流流動到混亂流動的轉換必須在線速度接近或者超過50m/s。其他因素，如軸承和軸頸的表面粗糙度，軸承的結構，對軸頸在軸承傾斜、溫升及離心力，也會影響油的流動特性。所有的因素都必須考慮在內。其次，適當的油腔結構要求降低空載功率損失，因為空載功率損失系數在混合主軸單元高速運轉時會逐漸增加。再次，隨著軸承的旋轉速度的增加，剪切的潤滑效果和混流效應會促進軸承溫度上升，這會增加摩擦功率損失和浪費很多動力。軸承的熱變形和它的溫度梯度要小，軸承和主軸熱變形必須協調一致，因為溫度升高會引起熱變形對軸承的動態平衡的影響，油的粘度和軸承的配合間隙，從而顯著影響軸承的性能。最后，高速條件下工作，會在潤滑顆粒被分離出來并改變潤滑性能，從而影響了主軸的穩定性。...
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