数控机席高速电主轴技术及应用

高 要求 配套 的功 能部件 电必须 迅速提高 自身 的水平 功 能部件技术水平 的高低 性 能的优劣以及整体 的社会配 套 水平 都直接决定 和影 响着数控 机床整机 的技术水平 和性 能 也制约着 主机的发展速度 没有 高质量 的功能部件 数控 机 床 的 迅 速发 展 也 将 成 为 一 句 空 话 国产 电主轴技术水平 的高低 必然影响产 品在 主机上 的 应用 我 国数控机床 的发展历程 充分证明 数控功能部件 产业发展 的滞后 始终是制 约我 国数控机床发展 的瓶颈 问 题之 一 功能部件跟不上 发展 数控机床将成为空话 我 国数控机 床整体技术水平 的发展和提高 最终离不 开先 进 的功 能部件产业 的支持 要抓住 目前的黄金发展机 遇 学 习国外 同行 的先进技术 探索 国际合作途径 共 同做大做 强数控功能部件产业 促进 周产数控机床的发展 2高速 电主轴 的结构组成 数控机床 的高速 主轴具 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 T中心 和数控铣 床 而言 一般是指最 高转速 1 0 0 0 0 r mi n的主轴系统 并 相 应具有高 的角加 减1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 g u n或 2 m 轴向窜 动小于 2 m 此外 主轴 也要有足够的静 动刚度 以承受一定 的切削 负荷 并保 持 高的回转精度l4 高速 电主轴是高速 机床的核心部件 它将机床 主轴 与 驱动电机 合二 为一 即将主轴电机的定子 转 子直 接装入 主 轴 组 件 内 部 也 被 称 为 内 装 式 电 主 轴 b u i l t i n mo t o r s p i n d l e 其 间不再使用皮带或齿轮传动副 从而实现机床 主轴 系统 的 零传 动 电主轴 典型 的结构 如 图 1 所 示 高速 电主 轴的结构 紧凑 重量 轻 惯性 小 响应特 性好 并可减少主轴振动和噪声 是高速机床 主轴单 元的理想结 构 角接触球轴承 角接触球轴承 1 防尘盖2 前螺母3 前小盖4 前轴 承座5 前 大盖 6 壳体7 转轴 8 拉杆9 蝶 簧 1 0 弹簧 座 1 1 后 大 盖 1 2 后 轴承座 l 3 后螺母 1 4 编码器码盘 1 5 拉 杆 引导套 1 6 电机定子 l 7 电机转子 图 1 电主轴结构图 高速电主轴单元包 括动力源 主轴 轴承和机架 四个 主要部分 是高速机床的核心部件 这 四个部分构成一个 动力学性能及 稳定性 良好的系统 5 在很大程度上决 定了 机床所能达到的切削速度 加工精度和应用范 围 高速 电 主轴单元的性能取决于主轴的设计方法 材料 结构 轴 承 润滑冷却 动平衡 噪声等多项相关技术 其 中一些 技术又是相互制约的 包括高速和高刚度 的矛盾 高速 和 大转矩的矛盾等 从 目前发展现状来看 电主轴单元形成独立 的单元 而 成 为功 能部件 以方便地 配置 到多 种加 工 中心 及高 速机床 上 是高速 高效 高精度数控机床发展 的一种趋势 电 主轴技术包括主轴机械体 高速主轴轴承 无外壳 主轴 电 机及其控制模块 润滑冷却系统 主轴刀柄接 口和刀具夹 紧方式 以及刀具动平衡等 在高速主轴单元 中 由于机床既要完成粗加 工 又要 完成精加工 因此对主轴单元提 出了较 高的静 刚度 和工作 精度的要求 另外 高速机床主轴单元 的动态特性也在 很 大程度上决定 了机床的加 质量 和切 削能 力 当切 削过 程 现较大 的振 动时 会使刀具 出现剧烈 的磨损或 破损 也会增加主轴轴承所承受的动载荷 降低轴 承的精度 和寿 命 影 响加工精度和表面质量 因此 主轴 单元 应具有较 好 的抗振性 高速运转下 主轴单元 的振 动问题是非常突 的 采用电主轴是最佳的选择 这是基于以下几点 1 如果电机仍采用皮带或齿轮 等方式传 动 则在高 速运转 条件下 有机械传递所产生 的振 动和噪声等问题难 以解决 必会影响机床 的加工精度 加工表面粗糙度 7 1 2 为 了提高生产率 要求在最短 时间内实现高的速 度 变化 即主轴 回转时要具有极大 的角加速度 达到这个 要求的最经济 的办法 是将 主轴传 动系统的转动惯量尽可 能地减小 而将 电机 内置 省掉齿 轮 皮带等一系列 中间 环 节 才 是 达 到 这一 目标 的理 想 途径 3 电机 内置于主轴两支承之 间 可提高主轴系统的 刚度 也就 是提 高了系统 的固有频 率 从而提高 了其临界 转 速值 电主轴 系统 有三项 性能 指标 是非 常重要 的 分别 如 下 1 使用寿命 指更换一 次轴 承时主轴 的累计 T作时 间 实 际上就是指轴承的使用寿命 2 主轴前端轴 向 径 向刚度 是指电主轴工作端在 单位轴 向力或径 向力作用下 产生的位移 这一指标对加工 精度 生产效率影 响很大 在 其它条件相 同的情况下 主 轴的动 刚度越大 工作效率就越高 8 3 临界转速 是主轴 固有频率 即 主轴 在旋转 时 会使主轴出现挠 度急剧增 大 转动失稳现象 的那些旋转速 度 主轴工作转速应远离各 阶临界 转速 否则主轴将有可 能处于共振 区而产生剧烈振动 这三项指标对于一根设计 良好 的主轴来说 均应达到 研 究 与 预定的要求 在传统 的电主轴设计 中 由于缺乏 必要的分 析计算 只能等产 品加工出来后再 通过试验来考核 其性能 指标 若 其性 能指标 不 能满 足 预定 的要求 则要 修 改设 计 重新制做 这样 必然 导致产 品的设计周期长 并且成 本高 而现代设计方 法则要求在 没计 过程 中通过结 构分析 计算应能够预测 主轴 动态性能 指标 和它 的一 阶 二 阶 临 界 转 速 在 产 品加 T 出 来 以前 就 能 知 道 设 计 是 否 合 理 从 而 大 大缩 短设 计 周 期 降低 生 产 成 本 3国外高速 电主轴 的主要特点 从 国外 的情况来看 高速 电主轴 的主要特点如下 1 功率大 转速高 目前单独实 现电主轴 的高转 速 或大功率在技术上 已经不存 在难题 但要 同时实现 高转 速 和大功 率 则存 在相 当 的技术 难度 同绕 高速 电主轴 技 术 世 界 各 国的 公 司 展 开 了激 烈 竞 争 2 采用高速 高刚度轴承 同外高速精 密主轴均采用 高速高 刚度轴 承 主要有 陶瓷轴 承和液体动静压 轴承 特 殊场合 采用空气润滑 轴承和磁悬 浮轴承 美 国 I n g e r s o l l 公 司采用液体 动静 压轴承 最 高转速达到 4 0 0 0 0 r rai n 瑞士 I B A G公司磁悬浮轴 承最 高到 2 0 0 0 0 0 r mi n 目前 围内高速 电主轴用轴 承主要采用 国产的钢质 角接触球轴承 但寿命 有待进一步提高 部分高性 能电主轴 仍需进 口轴 承 3 精密加工与精 密装配工艺 精 密加T和精 密装配 工艺是 电主轴 的核心技术 之一 电主轴 的上轴 前后 轴承 盖等的制造工艺要求 非常高 为 了保证 电主 轴在高速 运转 时 的回转精 度 和刚 度 这些 数控 机床 的关 键零 件 必须 进 行精 密加 工或超 精 密加 工 其尺 寸误 差 一般在 微米 级 或 更小 对 同轴度 垂 直度 和 表面粗 糙 度也 都有 极严 格 的 要求 为 了制造 这些高精 度零件 国外 电主 轴的专业 制造 厂都装 备有 成套 的 高精 度加工 设备 如高 精度 数控 车削 中心 精密 数控外 圆磨床 高精度 加 工 中心 高精 度数控 内圆磨床 等 同时 还 配备 了高精 度 测试 设备 在 国 内 如 陶瓷轴 承 异 步 型 电动机 转子 等 电主 轴 的关键 零 件制造 中 的关 键问题 还没有 得到很 好 的解决 影 响 了 数 控 机 床 的 制 造 水 平 4 配套 控制系统水 平 这些 控 制 系 统 包 括 转 子 自 动 平 衡 系 统 轴 承 油 气 润滑 与精 密 控 制 系 统 主 轴 变 形 温度 补 偿 精 密控 制 系统 等 例 如 瑞 士 F i s c h e r 公 司 和 德 国 H o f m a n n公 司生 产 电主 轴 配 套 的在 线 自动 平 衡 系 统 可 以在 线 自动 校 正 偏 心 大 幅 度 降 低 电 主 轴 高 速 运行 情 况 下 的振 动 S K F公 司 和 N S K公 司生 产 的 轴 承 油 气 润 滑 系 统 可 以 通 过 定 时 定 量 控 制 进 气 量 保 证 轴 承 的润 滑 和温 升 控制 在 正 常 水平 4高速电主轴对数控机床 的影响 电主轴可以根据用途 结构 性能 参数等特征形 成标 准化 系列化产品 供 主机 选用 从而促 进机床结构 模块 化 标 准 化 系 列 化 的 电 主 轴 产 品 易 于形 成 专 业 化 规 模 化生产 实现功 能部 件的低成 本制造 采用 电主轴 后 机 床结 构 的简单 化和模 块 化 也有 利 于降低 机 床成 本 此 外 还 可以缩短机床 研制周期 适应 目前快速 多变 的市场 趋 势 采用 电主轴结 构 的数控机 床 由于结构 简化 传动 连接 环节减少 因此 提高 了机 床的 可靠 性 技术成熟 功 能完善 性能优 良 质量可靠 的电主轴 功能部件使 机床的 性 能更加完善 可靠性 得 以进 一步提 高 有些高档数控 机 床 如并联运动机床 五面体加 工 中心 小孔和超4 L 加 T机床等 必 须采 用电主轴 方能 满足完善的功能要求 电主轴系由 内装式 电机直接 驱动 以满足高速切 削对 机床 高速度 高精度 高 可靠性 及小振 动 的要求 与 机床高速进 给系统 高速 刀具系统 一起组成 高速切削所需 要 的必 备条件 电主轴技 术与 电机变 频 闭环矢 量控制 交流 伺服 控制 等技 术相 结 合 可 以 满 足车 削 铣削 镗 削 钻削 磨削等金属切削加T 的需 要 采用高速加工 技术可 以解 决机械 产品制造 中的诸多难 题 取得特殊 的加工精度 和表面质量 因此这项 技术在各 类 装备制造业 中得到越来越 广泛的应 用 正在成 为当今金 切加 工的主流技 术 高精度 高转速 数控机床 主轴单元是 承载高速切削技术 的主体之一 是 高精 度 高效率 高档数 控机 床的核心功能 部件 是航 空航天 汽车 船舶 精密 模具 精密机械等 尖端产 品制 造领域所 需高档加 工母 机的 核心 部件 目前 国内外电主轴 技术 的发 展十分迅速 各生 产厂 商都 在高可靠性 节能性 高精度 高加T效率 环 保性 智 能化等方 面进 行持续 的科技攻关 以期形成 自身 的特色 占领 电主轴技 术发展的制高点 l 参考文献 1 虞付进 电主轴技术 的应用及发展趋势 I 机 电工程 2 0 0 3 6 7 1 7 3 2 Ch e n C H Wa n g K W S h i n Y C A n i n t e g r a t e d a p p r o a c h t o wa r d t h e mo d e li n g a n d d y na mi c a n a l y s i s o f h i g h s pe e d s p i n d l e s p a r t 1 s y s t e m mo d e l J J o u r n a l o f V i b r a t i o n a n d Ac o u s t i c s 1 9 9 4 1 1 6 4 5 0 6 5 1 3 3 袁玉敏 数控 机床 现状及发展 中的主要 问题 7 贵州科技 工 程职业学 院学报 2 0 0 7 6 2 3 0 3 2 4 吴玉厚 数控机床 电主轴 单元技 术 M 北京 机械 工业 出 版 社 2 0 0 6 5 孟杰 陈小安 电主轴动 力学分析的传递矩 阵法 1 机械 设 计 2 0 0 8 2 5 7 3 7 4 0 6 何 惜港 李玉 11 李小为 大功率 电主轴设计 L J 现代零部 件 2 0 0 4 6 4 4 4 8 7 王爱玲机床数控技 术 M 北京 高等教育 出版社 2 0 0 6 8 张伯霖高速切 削技 术及其应 用 M 北京 机 械工业 出版 社 2 0 0 3 9 昊隆 李丽 安 向 东 高速铣床 电主轴 系统的特性分析 1 下转第 O页 交流 由于托辊组两侧的边 托辊前倾 l 2 0 当皮 带偏 向一侧时 边托辊与皮带的阻力对皮带所产生 向心力 的作用 迫使 皮 带 向 中心 移 动 这 种 调 心 原 理 与 槽 形 调 心 托 辊 基 本 一 样 但由于原调心力不 大 作用 不明显 而现在承载托辊几乎 都是前倾 上托辊 增强 了调 心力 因而防止皮带跑偏效果 非 常明显 2 回程托辊采用前倾槽形托辊 如 图 3所示 槽角 5 前倾 2 原皮带机 回程段采用 3 4组平行下托辊组 现 采用 1 2组前 倾槽形下托辊 组 2 2 组平行下托辊组和 4组前倾式下托辊 替代 靠近尾轮第一 组用平行下托辊 以消除 因前倾产生 的应力 前 倾下托辊与 前倾上托辊 的作用原理一样 能有效 克服皮带在回程段严 重跑偏的现象 图 3 回程 托 辊 3 改造 龙门吊到皮带机上煤 的溜槽 在溜槽底部一节的两侧增设两块活动挡板 用 T形螺 杆 调 节 挡 料 板 的 位 置 如 图 4所 示 活 动 挡 料 扳 2由 轴 i 联接在溜槽 的两侧 挡料板 2在溜槽 内不得有 卡阻现象 调节 螺母 3焊在溜槽外侧 的钢板上 调节螺杆 4 T 3 2 x 6 穿过溜槽 两侧 的钢板伸进槽子 内 用 以调 节挡 料板 2的倾 角 若发现物料进 落不正 即不在皮带 中心部位 偏 向 一 侧 时 就应 调节 该侧 螺杆 4 使其 顶起该 侧 挡料板 2 调到使煤料落正为止 反之亦然 用 螺杆 调整挡板的角度 不但 调节 幅度大 而且可细调 通过 调节 挡料板可 以保证 煤料 落在皮带 的最佳位置上 从 落料 起就消除引发皮带 的 上 接 第 8 7页 机 械 制 造 2 0 0 4 2 3 4 3 5 1 O 陈长 江 郭 丽娟 数 控 机床 用高速 电主轴 振 动 原 因分析 J 现代零部件 2 0 0 5 1 O 4 0 4 1 1 严武升 刘宏 超高速 电主轴 的几个问题 I 机械科 学与 技 术 1 9 9 8 1 7 3 4 2 8 4 3 0 1 2 Ho n g q i L i Yu n g C S h i n An a l y s i s o f b e a ti n g c o n fi g u r a t i o n e l f e c t e s o n h i g h s p e e d s p i nd l e s u s i n g a n i n t e g r a t e d d y n a mi c t h e r mo me c h a n i c a l s p i n dle mo d e l J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f l 2 图 4 螺杆调节挡料板结构图 跑偏的一个因素 特别指 出 应注意掌握挡料板的开度大 小 以保 证 下 料 通 畅 3结论 该 皮 带机 经 过 改 造 后 皮 带 跑 偏 的 现 象 大 为