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数控金切机床的高速主轴系统
2006年5月31日 10:48   

    高速主轴系统及其驱动器

    数控金切机的高速主轴系统,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的加工中心和数控铣床而言,一般是指最高转速≥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2µm,轴向窜动小于1µm。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23±0.7℃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,最高转速从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,某些主轴最高转速在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最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。

    最近,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。

    高速主轴用的轴承

    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首选,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最好,圆柱滚子轴承次之,圆锥滚子轴承最差。

    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。

    脂润滑是最简单和环保性最好的一种润滑方式。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最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,使轴承各部位获得最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,选定一个最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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