高速电主轴的原理与应用

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 收稿日期 1998 - 10 - 15 国家自然科学基金资助项目(59775064) 第一作者:28岁,男,硕士研究生,沈阳建筑工程学院机械工程系,沈阳,110015. 高速电主轴的原理与应用 张 珂 孙 红 富大伟 吴玉厚 摘 要 介绍高速电主轴的工作原理和基本结构,分析高速电主轴的驱动和冷 却润滑方式,综述其应用及发展前景. 关键词 主轴;润滑;轴承;机床 中图法分类号 TH 133. 2 现代机械制造工业向高精度、 高速度、 高效率的方向飞速发展,对加工机床提出了更高要 求.这就需要可以高速运转的主轴部件系统 高速主轴单元.电主轴具有结构紧凑、 重量轻、 惯性小、 振动小、 噪音低、 响应快等优点,可以减少齿轮传动,简化机床外形设计,易于实现主轴 定位,是高速主轴单元中一种理想结构.现代的高速电主轴是一种智能型功能部件,它的种类 多,应用范围日益广泛.表1中给出1996年东京第18届机床展览会展出的部分机床.从表1 中可以看出:绝大多数参展的加工中心,高速主轴轴承采用陶瓷轴承,驱动方式是采用内藏主 轴电机驱动 1 . 表1 1996年日本东京第18届机床展览会展出机械调查结果 机 械回转数/ (r/ min)主轴径/ mm转动体材质驱动方式dn值(104) 加工中心30 00065陶瓷内藏主轴电机195 数控铣床20 00030陶瓷内藏主轴电机60 加工中心8 000100钢齿轮80 加工中心50 00040陶瓷内藏主轴电机200 加工中心15 00070陶瓷直接驱动105 加工中心40 00045陶瓷内藏主轴电机180 加工中心25 00070陶瓷内藏主轴电机175 1 电主轴的基本结构和工作原理 高速主轴单元是高速加工机床最为关键的部件.高速主轴单元的类型主要有电主轴、 气动 主轴、 水动主轴.不同类型输出功率相差较大,高速加工机床主轴需在极短的时间内实现升降 速,并在指定位置快速准停.这就要求主轴有很高的角减速度和角加速度.如果通过皮带等中 间环节,不仅会在高速状态打滑、 产生振动和噪音,而且增加转动惯量,给机床快速准停造成很 大困难.目前,多数高速机床主轴采用内装式主轴电机一体化的主轴单元,即所谓内装式电机 1 9 9 9年1月 第15卷第1期 沈 阳 建 筑 工 程 学 院 学 报 Journal of Shenyang Arch. and Civ. Eng. Inst1 Jan1 1999 Vol115 , No11 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 主轴(Build - in Motor Spindle) ,简称 “电主轴”.它采用无外壳电机,将带有冷却套的电机定子 装配在主轴单元的壳体内,转子和机床主轴的旋转部件做成一体,主轴的变速范围完全由变频 交流电机控制,使变频电机和机床主轴合二为一. 111 高速电主轴结构特点 图1 高速电主轴结构原理图 高速电主轴要获得好的动性能和使用寿 命,必须对高速电主轴各个部分进行精心设计 和制造.高速电主轴基本结构原理简图如图1 所示 2: 1. 1. 1 轴 壳 轴壳是高速电主轴的主要部件.轴壳的尺 寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精度. 通常将轴承座孔直接设计在轴壳上.电主轴为 加装电机定子,必须开放一端.大型或特种电主 轴,可将轴壳两端均设计成开放型.高速、 大功 率和超高速电主轴,其转子直径往往大于轴承外径,为控制整机装配精度,应将后轴承安装部 分设计成无间隙配合. 1. 1. 2 转 轴 转轴是高速电主轴的主要回转主体.它的制造精度直接影响电主轴的最终精度.成品转轴 的形位公差和尺寸精度要求都很高,转轴高速运转时,由偏心质量引起振动,严重影响其动性 能,必须对转轴进行严格动平衡测试.部分安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡测 试. 1. 1. 3 轴 承 高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承.因电主轴的最高转速取决于轴承的大小、 布 置和润滑方法,所以这种轴承必须具有高速性能好、 动负荷承载能力高、 润滑性能好、 发热量小 等优点 3 .近年来,相继开发研制了陶瓷轴承和磁浮轴承.磁浮轴承的高速性能好、 精度高,容 易实现诊断和在线监控.但这种轴承由于电磁测控系统复杂,价格十分昂贵,而且长期居高不 下,至今未能得到广泛应用.目前,应用最多的高速主轴轴承还是混合陶瓷球轴承.即滚动体使 用热压Si3N4陶瓷球,轴承套圈仍为钢圈 46 .这种轴承标准化程度高,对机床结构改动小,便 于维护保养,特别适合高速运行场合,它的dn值已超过2. 7106 7 .用其组装的高速电主轴, 能兼得高速、 高刚度、 大功率、 长寿命等优点. 1. 1. 4定子与转子 高速电主轴的定子由具有高导磁率的优质矽钢片迭压而成.迭压成型的定子内腔带有冲 制嵌线槽.转子是中频电机的旋转部分,它的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能.转子 由转子铁芯、 鼠笼、 转轴三部分组成. 1. 2 工作原理 高速电主轴电机的绕组相位互差120,通以三相交流电后,三相绕组各自形成一个正弦 交变磁场,这三个对称的交变磁场互相迭加,合成一个强度不变,磁极朝一定方向恒速旋转的 磁场,磁场转速就是电主轴的同步转速.异步电动机的同步转速n由输入电机定子绕组电流 96第1期张 珂等:高速电主轴的原理与应用 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 的频率f和电机定子的极对数P决定 ( n = 60f / p ) . 电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组 的电流的频率和激磁电压来获得各种转速.在加速和制动过程中,通过改变频率进行加减速, 以免电机温升过高.由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序,故改变电主 轴输入电流的相序,便可改变电主轴的旋转方向. 2 高速电主轴的驱动 高速电主轴由静止升速至每分钟数万转乃至数十万转是相当困难的.电主轴为保证正常 工作,必须施加一定量的预负荷,这又增加了电主轴的阻力矩.为使电主轴能顺利地完成启动 过程,应选取较大的启动转矩,故高速电主轴的启动电流要超出普通电机的额定电流57倍. 现有的高速电主轴的驱动电源可分为两类 :(1) 三相中频发电机组是由一台电动机和一台中频 发电机组合而成.就其励磁方式可分为整流子励磁中频发电机和异步绕笼励磁中频发电机.这 种电源自身机械损耗和在机电转换中的电磁能量损耗很大.并且噪音大、 振动大,需建专用发 电机房.又面临输电线路损耗大等难题,已很少使用 . (2) 静止变频电源是利用交流变频调速技 术.变频器将工频交流电转换为所需频率交流电.变频器工作原理是建立在磁场矢量控制理论 基础上的.早期的静止变频电源多数以硅控元器件为主体,故体积大、 可靠性差.已被大功率晶 体管静止变频电源所替代.现今广泛使用的晶体管变频器是脉冲调幅式变频调速电源.可将三 相50Hz380V交流电源转换成三相中频电源,其输出电压、 频率连续可调.最新的变频器采用 先进的IGBT晶体管技术(如瑞士ABB公司生产的SAMIGS系列变频器 ) , 可以实现异步电动 机的无级变速,其适应性、 实用性、 经济性均优于中频发电机组.目前已成为高速电主轴主要驱 动电源. 3 高速电主轴的润滑和冷却 311 润 滑 高速电主轴的润滑主要指主轴轴承的润滑,一般以脂润滑和油雾润滑两种方式为主.脂润 滑在dn值较低的电主轴中是较常见的润滑方式.脂润滑型高速电主轴结构简单,使用方便, 无污染,通用性强,但主轴温升较高,工作寿命较短. 油雾润滑具有润滑和冷却双重作用,它以压缩空气为动力,通过油雾器将油液雾化并混入 空气流中,然后输送到需要润滑的地方.当电主轴高速旋转时,油雾可在轴承沟道内形成流体 动力润滑油膜.油雾润滑属持续润滑,油雾经过油路,源源不断进入轴承,有利于高速电主轴稳 定工作 8 .油雾润滑所需设备简单,维修方便,是广泛使用的一种高速电主轴润滑方式.图2表 示高速电主轴油雾润滑油路典型结构 8 . 图2 油雾润滑油路典型结构图 07 沈 阳 建 筑 工 程 学 院 学 报第15卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 油气润滑、 喷油润滑、 环下润滑是新型少油润滑,虽然所需设备复杂,成本很高,但这些润 滑方式能对每个轴承分别进行精确润滑,润滑油利用率极高,轴承发热量小,无环境污染,必将 为高速电主轴未来发展开辟新的途径 10 . 312 冷 却 高速电主轴在将电能转化为机械能的同时,也有一部分转化为热能.所有这些热能无法通 过风扇和机壳向外扩散,必须加以控制,否则电主轴将因热量积聚而使主轴的机械效率下降、 主轴精度丧失、 破坏电机线圈绝缘层的介电强度,主轴轴承也将受到损坏.电主轴的温度有限 元分析表明,其热量大部分产生于通电后的定子 8 .可设计一个通入冷却液的套筒,其内装定 子绕组,用循环冷却液体吸收和带走电机产生的热量,保持电主轴单元壳体均匀的温度分布. 因此,电主轴的常用冷却方法是利用水冷降低主轴系统的温升.高速电主轴的冷却系统主要依 靠冷却液的循环流动来实现,流动的冷压缩空气能起到一定的冷却作用. 4 高速电主轴的应用及其发展前景 国外关于电主轴的研究开展较早,现已逐渐应用到机械制造业中.美国福特公司和Inger2 soll公司推出的HVM800卧式加工中心的65 kW电主轴最高转速达15000 r/ min ,由静止升至 最高转速仅需15 s.瑞士DIXI公司的WAHLIW50型卧式加工中心,采用电主轴结构,主轴转 速为30 000 r/ min.日本三井精机公司生产的HT3A卧式加工中心,采用陶瓷轴承的电主轴, 主轴转速为40 000 r/ min.目前,一些主轴电机厂商如西门子(Siemens)等已达到可提供专门作 为电主轴用的电机定子和转子,由机床厂装配到主轴配件上去 10 . 我国电主轴的研制和开发始于60年代,主要种类是内表面磨削电主轴.这种电主轴功率 小、 刚度低,由于采用无内圈式向心推力球轴承,限制了高速电主轴生产社会化、 商品化. 70年 代后期至80年代,随着高速主轴轴承的开发,研制了高刚度、 高速电主轴,被广泛应用于各种 内圆磨床和各个机械制造领域.如为电子加工行业数控钻配套的高速印刷电路板钻削用主轴 DZZ24微型钻轴是油脂润滑型电主轴.还有兼作钻、 铣用的DZX15型钻削电主轴,以后又相继 开发带刀库、 带气缸的新型高速钻削电主轴 8 . 我国高速电主轴由磨用转向铣用是从80年代末开始,它不仅能加工各种形体复杂模具, 而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铣用电主轴.推动了高速电主轴在铣削中的应用.此 外,食品工业的固体饮料;染化行业的染料;医药工业的药品等粉状和粒状物质均需用高速离 心干燥技术来生产,而高速离心干燥设备也需要高速电主轴.高速拉伸电主轴的应用也促进了 我国有色管材精密冷成型技术的发展.高精度硅片切割机用电主轴,促进了电子工业的设备更 新和进步.利用高速电主轴的优良性能,还可以开发多种高性能试验机. 参 考 文 献 1 川上善久,浦野宽幸.? ? ? ?轴受 工作机械 ? ? 高速化. ? ? ? ?,1997 , (6) :3033 2 王 军.陶瓷轴承加工技术及其性能研究. 学位论文.沈阳:东北大学. 1997 3 梁 波,查 志,杨进周.主轴轴承结构及其高速性能.轴承,1997(9) :27 4 Kahles J F. 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