高速主轴之技术发展与应用.doc

高速主軸之技術發展與應用 精华 高速切削是近年來工具機的熱門話題，眾多的技術發表或新機型的研發都強調高速切削的技術。在高速切削的領域裡，高速主軸是相當重要的一環，卻也是國內工具機技術發展起步較晚的部份。目前日本及歐美都有專業主軸製造公司，其在HSK63刀把(相當於BT40)24000rpm，HSK100(相當於BT#50)刀把12000rpm都已是相當成熟的產品。但國內仍普遍停留於BT40刀把12000rpm或BT#50刀把8000rpm的階段，相較於國外的技術仍有一段差距。本文將介紹高速主軸技術及國外專業主軸公司的產品現況。軸承技術發展主軸之軸承可分為接觸式和非接觸式。接觸式軸承方面，由於陶瓷軸承價格的降低，已可普遍使用。陶珠的重量是鋼珠的1/3，熱膨脹係數是1/4，磨擦係數為1/4，因此可提高主軸之轉速及切削性能，陶瓷軸承配合油氣潤滑系統DN值可達200萬以上。主軸滑移端的設計一般是以滾珠軸承加上鋼珠套筒構成，但機構較為複雜且需注意配合件的加工精度。另一個作法是使用能夠軸向自由滑動的滾柱軸承作為滑移端軸承以徑向支撐心軸並吸收軸向熱變形，但需注意潤滑油量的控制和預壓的調整。滾柱軸承陶瓷化可使滾柱軸承應用範圍提昇，使支撐端機構簡單化。另外已有一款滾珠軸承，其內環經過特殊設計（如圖一），可使用於主軸滑移端而不需加上鋼珠套筒，DN值可達200萬，對於設計及組裝都相當便利，可惜價格仍相當高。非接觸式軸承方面，磁浮軸承的高迴轉精度和高阻尼特性有助於高迴轉精度和加工精度，市面已有磁浮主軸標準產品，HSK50刀把可達40000rpm。氣靜壓軸承由於承載力較差，所以使用於低負荷、微量切削之超精密加工，目前已有成熟產品應用於PCB鑽孔機和晶圓切割機。軸承排列方式和預壓控制軸承的排列方式和預壓控制對於主軸轉速和剛性都有絕對關係。最常見的軸承排列方式分為前軸承組和後軸承組，前軸承組由數個斜角滾珠軸承排列成小O型，形成一個封閉迴路以承受切削負載，並採用定位預壓保持主軸剛性，而後軸承則由能在軸向自由滑動的滾柱軸承或是斜角滾珠軸承加上鋼珠套筒構成。軸承預壓量直接決定主軸剛性和最高轉速，所以在主軸設計中，應該針對所需的剛性和轉速設定預壓量。至於高速主軸，由於溫昇會造成定位預壓的預壓值增加，所以一般皆採用大O型的軸承配置，並以彈簧保持預壓定值(如圖二)，軸承採用大O型的配置軸向承載能力佳。但目前過內使用的日系馬達長度都較長，如此前後軸承的跨距很大，所以限制了軸承排列的方式，也使得主軸長度和重量都增加不少。如果還必須顧慮低轉速時的重切削，則必須以可變預壓來控制不同轉速的預壓力，適當的預壓值也可延長主軸壽命。可變預壓的方式很多，目前較實用的方法是以油壓（如圖三）來調整預壓值，GMNHCS230-24000主軸採用可變預壓，原始設定是以彈簧預壓設定在高轉速時的預壓力，當主軸轉速在4000rpm以下時，需打入1bar的油壓或氣壓來增加預壓量，超過這個轉速就釋放壓力回到原本設定的預壓值。軸承潤滑軸承潤滑決定主軸轉速和軸承壽命。油脂潤滑設計簡單，且省下潤滑系統成本，目前由於油脂的改良，已可使得BT40刀把達到15000rpm或BT#50刀把達到10000rpm的水準，但油脂在高溫時有劣化的問題，影響軸承壽命。目前高速主軸多採用油氣式(oil-air)潤滑，利用大量壓縮空氣將潤滑油噴灑在滾珠上，耗油量少且不必回收。但油氣混合機的穩定性、油量的正確性、噴嘴角度是油氣式潤滑可能的問題。油噴射式(oil-jet)潤滑系統雖可提高軸承的DN值，但由於潤滑系統成本昂貴和運轉後維護不易，且需要對潤滑油進行回收，因此使用的例子很少。如何有效的將潤滑油提供到滾珠上是潤滑系統另一個必須克服的問題，傳統作法是由間隔環鑽油孔噴入，但高轉速時軸承內部會產生氣體渦流效應而阻礙潤滑油之供應，解決的方式是在滾動體上直接潤滑。一個方法是由內環噴油的underrace潤滑，推出的廠商有SKF、NSK、NTN等。另一種是在軸承外環上開個小孔噴油（如圖四），都可確保高速時的潤滑效果，DN值可提高到300萬。刀把型式國內傳統使用BT刀把，但歐美國家已漸漸將HSK刀把列為標準規格。HSK刀把的優點包括法蘭端面與斜錐兩面承靠故具有高剛性以及能傳達高扭距等。HSK刀把有六種型態（如圖五），型態A較常用，鍵槽在斜錐底部，型態B的直徑較大且在外徑上有鍵槽，型態C、D應用於手動換刀，型態E、F針對高速切削用，刀把外徑無鍵槽或辨識孔。HSK刀把能適用於重切削是因為雙面承靠，所以端面與心軸錐孔必須維持相當高的精度公差以確保雙面接觸，因此必須提高加工精度，此為目前HSK刀把在國內推廣不易的原因之一，且目前國內加工廠多為BT刀把，要轉換為HSK刀把勢必要有一番投資，但由歐美的發展趨勢及高速加工的需要，雙面承靠刀把是發展趨勢。拉刀機構包含拉刀裝置、為增強拉刀力設計的倍力裝置、為保護軸承設計的反扣裝置、打刀單元、中噴切削液的旋轉接頭等。目前國內常見HSK刀把的拉刀機構有OTT彈簧式拉刀系統及CYTEC的液壓拉刀系統，但售價都不便宜，且已申請相當多的專利，這也是國內發展高速主軸另一必須突破的瓶頸。Sensor和Airsealing目前發展的主軸已有幾個裝置列為標準配置值得我們參考。一是監控系統的增加（如圖六），由於高速主軸造價昂貴，相對的配置高速主軸也都是高價機種，主軸故障不僅修復成本昂貴，整台機器也必須停機，所以監控系統的增加是一個趨勢，除了基本的馬達溫度感測器外，還增加軸承溫度感測器和震動感測器，使得主軸有異常時都能預先得知而做保護措施。另一是空氣軸封（如圖七），空氣軸封是藉由空氣渦流在主軸末端轉動件和固定件之間形成一道氣流，可以避免外界異物進入污染軸承及防止潤滑油在加工時由主軸鼻端流出，加強迷宮環的功用，但必須注意使用的空氣必須經過過濾且是乾燥的。高速主軸發展現況高速主軸模組化生產是一個趨勢，在歐美許多工具機廠主軸皆由專業主軸公司製造提供。高速主軸在設計、加工及組裝都有相當多的技術需要經驗累積，藉由專業主軸公司的製造，品質的可靠度可以提昇，也藉由數量增加降低成本。目前國外發展的主軸特色有：1.高轉速：以HSK63刀把為例，最高轉速都可達24000rpm，如GMN公司的HCS230-24000，WEISS公司的174633，FISCHER的MFW-2305。2.高扭矩:如GMNHCS230的57Nm，WEISS174633的60Nm。3.長度短，相對重量輕：如GMNHCS230外觀長度822mm，WEISS174633外觀長度833mm。4.主軸定位、中噴切削水、Airsealing、打拉刀位置確認都為標準配備。結論國內工具機漸有高速機種的推出，所以國外的專業主軸廠也漸漸重視國內市場，欲將其產品導入國內。對於國內工具機廠而言，能夠選擇的產品就