電主軸技術的發展趨勢

        電主軸技術發展趨勢主要表現在以下幾個方面:
        一、繼續向高速度、高剛度方向發展
        由于高速切削和實際應用的需要,隨著主軸軸承及其潤滑技術、精密加工技術、精密動平衡技術、高速刀具及其接口技術等相關技術的發展,數控機床用電主軸高速化已成為目前發展的普遍趨勢,如鉆、銑用電主軸,瑞士IBAG的HF42的轉速達到140000r/min,英國WestWind公司的PCB鉆孔機電主軸D1733更是達到了250000r/min;加工中心用電主軸,瑞士FISCHER最高轉速達到42000r/min,意大利CAMFIOR達到了75000r/min。在電主軸的系統剛度方面,由于軸承及其潤滑技術的發展,電主軸的系統剛度越來越大,滿足了數控機床高速、高效和精密加工發展的需要。
        二、向高速大功率、低速大轉矩方向發展
        根據實際使用的需要,多數數控機床需要同時能夠滿足低速粗加工時的重切削、高速切削時精加工的要求,因此,機床電主軸應該具備低速大轉矩、高速大功率的性能。如意大利CAMFIOR、瑞士Step—Tec、德國GMN等制造商生產的加工中心用電主軸,低速段輸出轉矩到200Nm以上的已經不是難事,德國 CYTEC的數控銑床和車床用電主軸的最大扭矩更是達到了630N·m;在高速段大功率方面,一般在l0~50kW;CYTEC電主軸的最大輸出功率為 50kW;瑞士Step—Tec電主軸的最大功率更是達到65kW(S1),用于航空器制造和模具加工;更有電主軸功率達到80kW 的報道。
        三、進一步向高精度、高可靠性和延長工作壽命方向發展
        用戶對數控機床的精度和使用可靠性提出了越來越高的要求,作為數控機床核心功能部件之一的電主軸,要求其本身的精度和可靠性隨之越來越高。如主軸徑向跳動在0.001mm 以內、軸向定位精度<0.0005mm以下。同時,由于采用了特殊的精密主軸軸承、先進的潤滑方法以及特殊的預負荷施加方式,電主軸的壽命相應得到了延長,其使用可靠性越來越高。Step—Tec的電主軸還加裝了加速度傳感器,降低軸承振動加速度水平,為了監視和限制軸承上的振動,安裝了振動監測模塊,以延長電主軸工作壽命。
        四、電主軸內裝電機性能和形式多樣化
        為滿足實際應用的需要,電主軸電機的性能得到了改善,如瑞士FISCHER主軸電機輸出的恒轉矩高轉速與恒功率高轉速之比(即恒功率調速范圍)達到了 l:14。此外,出現了永磁同步電機電主軸,與相同功率的異步電機電主軸相比,同步電機電主軸的外形尺寸小,有利于提高功率密度,實現小尺寸、大功率。
        五、向快速啟、停方向發展
        為縮短輔助時間,提高效率,要求數控機床電主軸的啟、停時間越短越好,因此需要很高的啟動和停機加(減)速度。目前,國外機床電主軸的啟、停加速度可達到lg以上,全速啟、停時間在ls以內。
        六、軸承及其預載荷施加方式、潤滑方式多樣化
        除了常規的鋼制滾動軸承外,近年來陶瓷球混合軸承越來越得到廣泛的應用,潤滑方式有油脂、油霧、油氣等,尤其是油氣潤滑方法(又稱Oil-air),由于具有適應 高速、環保節能的特點,得到越來越廣泛的推廣和應用;滾動軸承的預負荷施加方式除了剛性預負荷(又稱定位預負荷)、彈性預負荷(又稱定壓預負荷)之外,又發展了一種智能預負荷方式,即利用液壓油缸對軸承施加預負荷,并且可以根據主軸的轉速、負載等具體工況控制預負荷的大小,使軸承的支承性能更加優良。在非接觸形式軸承支承的電主軸方面,如磁浮軸承、氣浮軸承電主軸(瑞士IBAG等)、液浮軸承電主軸(美國Ingersoll等)等已經有系列商品供應市場。
        七、刀具接口逐步趨于HSK、Capto刀柄技術
        機床主軸高速化后,由于離心力作用,傳統的CAT(7:24)刀柄結構已經不能滿足使用要求,需要采用HSK(1:10)等其它符合高速要求的刀柄接口形式。HSK刀柄具有突出的靜態和動態聯接剛性、大的傳遞扭矩能力、高的刀具重復定位精度和聯接可靠性,特別適合在高速、高精度情況下使用。因此,HSK刀柄接口已經廣泛為高速電主軸所采用(如瑞士的IBAG、德國的CYTEC、意大利CAMFIOR等)。近年來由SANDVIK公司提出的Capto刀具接口也開始在機床行業得到應用,其基本原理與HSK接口相似,但傳遞扭矩的能力稍大一些,缺點是主軸軸端內孔加工困難較大,工藝比較復雜。
        八、向多功能、智能化方向發展
        在多功能方面,有角向停機精確定位(準停)、C軸傳動、換刀中空吹氣、中空通冷卻液、軸端氣體密封、低速轉矩放大、軸向定位精密補償、換刀自動動平衡技術等。在智能化方面,主要表現在各種安全保護和故障監測診斷措施,如換刀聯鎖保護、軸承溫度監控、電機過載和過熱保護、松刀時軸承卸荷保護、主軸振動信號監測和故障異常診斷、軸向位置變化自動補償、砂輪修整過程信號監測和自動控制、刀具磨損和損壞信號監控等,如Step-Tec電主軸安裝有診斷模塊,維修人員可通過紅外接口讀取數據,識別過載,統計電主軸工作壽命。

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