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高性能主軸

 

高性能機床主軸概述
  
   機床主軸是機床的核心部件,其功能是帶動刀具(砂輪)或工件旋轉,實現高速精密加工。隨著現代工業對機床加工精度和加工效率要求的不斷提高,機床對主軸性能的要求也越來越高,傳統的高速主軸概念已難以充分描述機床主軸的技術內涵。
  
   高性能機床主軸是指在滿足加工精度和加工效率的前提下,速度、精度、剛度、功率、轉矩匹配特性好,可靠性高,性能價格比高的機床主軸。
  
   機床主軸按所采用的軸承類型可分為滾動軸承(角接觸球軸承、滾子軸承)、液體滑動軸承(動壓軸承、靜壓軸承、動靜壓軸承)、氣體軸承和磁懸浮軸承等,按照與電動機的連接方式可分為機械主軸和電主軸。
  
   電主軸是將機床主軸功能與電動機功能從結構上融為一體的新型主軸部件,它省去了皮帶傳動或齒輪傳動環節,具有速度高、精度高、調速范圍寬、振動噪聲小、可快速起動和準停等優點。用電主軸取代傳統機械主軸是機床工業發展的大趨勢。
  
   電主軸按照電動機的類型又可分為異步型電主軸和永磁同步型電主軸。
  
   從機床行業的客觀需求來看,角接觸球軸承電主軸、液體(動)靜壓軸承電主軸和氣體軸承電主軸既是市場開發的重點,也是學術研究的熱點。角接觸球軸承是最適宜高速化的滾動軸承,具有摩擦阻力小、功耗小、成本低、便于系列化和標準化等優點,其極限轉速高、精度高、剛度高,在加工中心、數控銑床、車床、內圓磨床和高速雕銑機中獲得了廣泛應用,其主要技術難點在于提高精度壽命和可靠性。液體(動)靜壓主軸以液態“油膜”作為支撐,具有顯著的“誤差均化效應”和阻尼減振性,回轉精度遠高于滾動軸承式主軸,其剛度高,磨損小,壽命長,在精密超精密機床上獲得了廣泛應用,其主要技術難點在于控制高速時主軸的溫升和熱變形。氣體軸承電主軸以“氣膜”作為支撐,回轉精度和極限轉速高于液體(動)靜壓電主軸和滾動軸承式電主軸,其熱穩定性好,是超精密機床和印刷電路板(PCD)鉆床不可或缺的核心部件,其不足之處在于承載能力低,工藝要求高。
  
   磁懸浮軸承也是一類重要的主軸支撐方式,極限轉速高,運轉過程中無磨損,其技術難點在于如何提高動剛度和阻尼減振性能,在實現高速的同時保證高加工精度。磁懸浮主軸的核心研究內容是機械系統特性和電磁特性的控制問題。
  
   高性能機床主軸的技術現狀
  
   1.角接觸球軸承電主軸領域
  
   國內現有水平:在加工中心和數控銑床電主軸方面,洛陽軸承研究所開發了油氣潤滑型加工中心電主軸,額定功率和最高轉速達22kW、24000r/min;湖南大學研制的永磁同步型加工中心電主軸,額定功率35kW,最高轉速18000r/min,徑向圓跳動1.5μm,動平衡精度G0.4,配備HSK-A63刀柄,采用油氣潤滑和強制水冷方式。沈陽建筑大學開發高速大功率陶瓷球軸承電主軸單元最高轉速達到30000r/min,功率達20kW;研制開發的無內圈式全陶瓷電主軸單元最高轉速達到30000r/min,最大功率達到15kW,回轉精度≤±1μm。在磨用電主軸方面,洛陽軸承研究所主軸產品Dmn值達到170~200萬mm·r/min;軸承套圈磨用電主軸最大功率為達32kW(S6~60%),最高轉速為120000r/min;高鐵軌道板磨用電主軸達150kW(S1~100%),最高轉速2000r/min;工作壽命普遍在1500~2000h。
  
   國際先進技術水平:在加工中心和數控銑床電主軸方面,國際上油脂潤滑型加工中心用電主軸最高轉速為60000r/min,油氣潤滑型數控銑最高轉速為140000r/min,而大功率電主軸的功率可達80kW,轉速為10000r/min,其最大轉矩可達380N·m。在磨用電主軸方面,國際主軸產品的軸承Dmn值高達240萬mm·r/min,選用油氣潤滑方式,輸出功率普遍比上一代產品增加50%左右,其工作壽命亦普遍增長50%左右。
  
   國家數控機床重大專項技術目標:①額定功率和最高轉速為50kW、20000r/min(另兩款為30kW、30000r/min和10kW、40000r/min)。②具有軸承動態預緊調整功能。③平均無故障運行時間≥5000h。④主軸回轉精度<1.0μm。⑤軸系統剛度≥300N·μm。⑥動平衡精度G0.4級。⑦恒功率>14。⑧轉速波動范圍0.04%以下。⑨C軸位置控制精度10″。⑩高分辨率編碼器接口最大可支持17位編碼器(131072脈沖/r)。11.具有兩種現場總線接口。
  
   2.液體(動)靜壓軸承電主軸領域
  
   國內現有水平:上海原創精密機床主軸有限公司研制的液體(動)靜壓電主軸,額定功率和最高轉速達到34kW、8500r/min,徑向跳動1μm。東方精益公司生產的液體(動)靜壓電主軸,額定功率/最高轉速達到17kW、8000r/min,徑向跳動1μm,徑向剛度>500N·μm。湖南大學針對超高速外圓/凸輪軸磨床開發了電動機內置式液體(動)靜壓電主軸,額定功率和最高轉速達35kW、10000r/min,徑向圓跳動1μm;同時還針對高速內圓磨床,開發了12kW、30000r/min電動機內裝式液體動靜壓電主軸。北京航空航天大學下屬的北京北航精密有限公司開發了系列(動)靜壓主軸產品,額定功率和最高轉速達到7.5kW、48000r/min,回轉精度能達到0.5μm以內。在內圓磨(動)靜壓主軸方面,國內已生產轉速達20000r/min,主軸直徑28mm的主軸產品。目前國內液體(動)靜壓主軸的回轉精度最高能達到0.1μm。
  
   國際先進水平:德國HYPOSTATIK公司開發的外圓磨電主軸,最高工作轉速為7600r/min,功率為50kW,砂輪徑向剛度>320N·μm;凸輪磨凹面磨削主軸,轉速25000/35000r/min,砂輪徑向剛度為120/60N·μm;銑削靜壓電主軸,最高工作轉速為42000r/min,功率為15kW,軸承剛度為200/160N·μm。英國CranfieldPrecision公司開發的液體靜壓主軸最高轉速為15000r/min,供油壓力為3.5MPa,徑向/軸向剛度為200/440N·μm,回轉精度達0.1μm。

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