高速高精度电主轴关键技术研究进展
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- 高速高精度电主轴关键技术研究进展 摘要：高速加工和高精度加工是世界制造技术发展的两大趋势。电主轴是机床实现高速高精加工的核心部件，在很大程度上影响机床的总体发展水平。本文对其关键技术的研究进展进行综述，其中包含了高速高精度主轴轴承，主轴的动力学和热力学特性，对高频电机和驱动程序的设计技术，电机的抗电磁损伤技术，以及加工和装配技术。最后介绍了电主轴的发展趋势。
关键词：电主轴，高速加工
1介绍
在最近的几十年里，高速加工技术有了很快很大的发展变化。相比于常规加工，这种技术的优点是如下所述：（1）材料去除率和生产率的提高明显；（2）切削力可降低30%以上，特别是在辐射方向；（3）大部分切削热可由碎片带走，工件可保持在低温状态，从而易于切削工件，不容易受到热变形；（4）它微小的旋转振动，有利于加工一流的质量和高精度的表面尺寸，因为激动频率比的机床切削刀具工件工艺系统的固有频率更高。
实现高速加工的关键技术之一是使用电主轴。电主轴是电机与主轴作为一个整体的一种新的设计。高速轴承技术、高速电机技术、高速工具技术，冷却和润滑技术，现代电流改变技术都包含在电主轴技术之中。电主轴消除了如齿轮和皮带等传输系统的必要性，从而避免了来自传动系统的振动和噪声，提高了主轴旋转精度。 对于简单的结构和较低的旋转惯性，它可以实现快速停止，高速加速；它可以得到大的主轴输出功率，广范围的操作及好的输出功率扭矩特性。电主轴的应用不仅可以提供更高的生产率，更好的表面光洁度和较低的生产成本，还可以实现薄零件的精加工及硬材料的加工。它代表了高速主轴的一个发展趋势。
在本文中，回顾了电主轴技术的历程，其中包括了高速及高精度主轴轴承，主轴的动态和热态特性，高频电机和驱动程序的设计技术，电机的抗电磁损伤技术，以及加工和装配技术，同样，也预测了电主轴的一些相对发展趋势。
2 高速及高精度轴承
实现主轴的高速及高精度的关键部件是它的轴承。目前，大多数用于大功率以及高速精密电主轴的轴承是接触陶瓷轴承和液压轴承。气体轴承不适于大功率的场合，磁悬浮轴承受限于其高昂的价格及复杂的控制系统。
角接触式陶瓷轴承常用于精密数控机床的主轴，但动态荷载引起的巨大的离心力和辊子高速回转引起的回转力矩普遍高于切削载荷，但使用混合轴承的辊子及钢环可以减少它们。陶瓷辊子常用的材料是Si3N4，由于其密度小、热膨胀系数小、弹性模量大、刚度高，可大大降低辊子的离心力和回转力矩。这样可以提高轴承的旋转速度和使用寿命的限制，降低轴承温升。除了混合轴承，陶瓷轴承广泛应用于国内外电主轴的实验研究中。它的内环和外环，外壳及陶瓷辊子的材料是ZrO2，Si3N4,Al2O3，PTFE等。陶瓷辊子的强度采用静压烧结工艺保证。其加工精度通过加工方法及测量精度保证。现在国内的辊子加工精度可超过G5水平，陶瓷轴承的内圈和外圈的加工精度也十分重要，这就需要特别的工艺装备去固定压紧环。对陶瓷轴承内圈和外圈符合性也要通过适当的工艺设备和加工过程来保证。
虽然目前大多数高速精密电主轴用的是角接触式陶瓷轴承，一些公司还注重液压混合轴承的研究，因为轴承的搅混寿命因为旋转速度和大负载条件的限制而比较短。虽然液压混合轴承寿命很长，但是很难实现高速度，对层流和混乱的流动惯性的计算的研究，对油腔的结构设计、轴承的温升和热变形控制的研究，和润滑技术是非常关键的。当主轴高速旋转时，对液压混合轴承润滑的一部分是层流流动，另一个是混乱流动。工程中采用的只存在层流流动传统假设，往往带来的误差较大，不适合高速滑轴承的动力学研究。对于高速液压混合轴承，仅仅出现在高速状况下的润滑的物理特性，如混乱流动，惯性等的动力效应，必须根据高速及高精密电主轴润滑的关键技术研究进展规定考虑，高速液压混合轴承从层流流动到混乱流动的转换必须在线速度接近或者超过50m/s。其他因素，如轴承和轴颈的表面粗糙度，轴承的结构，对轴颈在轴承倾斜、温升及离心力，也会影响油的流动特性。所有的因素都必须考虑在内。其次，适当的油腔结构要求降低空载功率损失，因为空载功率损失系数在混合主轴单元高速运转时会逐渐增加。再次，随着轴承的旋转速度的增加，剪切的润滑效果和混流效应会促进轴承温度上升，这会增加摩擦功率损失和浪费很多动力。轴承的热变形和它的温度梯度要小，轴承和主轴热变形必须协调一致，因为温度升高会引起热变形对轴承的动态平衡的影响，油的粘度和轴承的配合间隙，从而显著影响轴承的性能。最后，高速条件下工作，会在润滑颗粒被分离出来并改变润滑性能，从而影响了主轴的稳定性。...
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