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數(shù)控機(jī)床高速電主軸技術(shù)要點(diǎn)分析

發(fā)布日期:2021-11-23 09:42:23  點(diǎn)擊次數(shù):2017

高速電主軸,即為內(nèi)裝式電機(jī)主軸單元,是數(shù)控機(jī)床的重要部件。其是在機(jī)床主軸單元內(nèi)部安裝主軸電機(jī),對(duì)主軸起到了驅(qū)動(dòng)作用,由此促使電機(jī)和主軸成為一個(gè)整體。要提高數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行效率,就要掌握高速電主軸技術(shù)要點(diǎn),充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),同時(shí),推進(jìn)電主軸技術(shù)不斷完善。

  

1、高速電主軸所具備的優(yōu)點(diǎn)

  

傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床上的主軸運(yùn)行,在發(fā)揮電機(jī)驅(qū)動(dòng)作用的過(guò)程中,主要是帶動(dòng)中間的變速裝置和傳動(dòng)裝置,諸如齒輪、皮帶以及聯(lián)軸節(jié)等,此為“機(jī)械主軸”,也被形象地稱為分離式和直聯(lián)式主軸。與這種傳統(tǒng)的主軸相比,電主軸具備的優(yōu)點(diǎn)如下。

  

(1)主軸運(yùn)行中,是通過(guò)內(nèi)部安裝的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的,不需要通過(guò)中間的變速裝置和傳動(dòng)裝置,其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且緊湊,能夠提高運(yùn)行效率而且精度很高。在運(yùn)行的過(guò)程中,不會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲,振動(dòng)也非常小。

  

(2)將交流變頻技術(shù)充分利用起來(lái),在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),電主軸可以無(wú)級(jí)變速。當(dāng)機(jī)床運(yùn)行的過(guò)程中,無(wú)論發(fā)生任何的工況,或者在負(fù)載變化的情況下,電主軸都有很好的適應(yīng)性。

  

(3)內(nèi)裝電機(jī)運(yùn)行中,能夠控制閉環(huán)矢量,還可以按照控制命令有效調(diào)控功率,且能夠靈活控制驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行速度、輸出力矩等等。電主軸可以滿足各種大功率要求,諸如低速重切削大轉(zhuǎn)矩的時(shí)候,或者高速精加工的時(shí)候,電主軸都能夠很好地發(fā)揮作用,還可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停,同時(shí)滿足 C 軸傳動(dòng)功能。

  

(4)電主軸可以高速運(yùn)行,有良好的穩(wěn)定性,動(dòng)態(tài)精度較高,使數(shù)控機(jī)床切削的速度更高,加工的精密度也更高。

  

(5)由于電主軸的運(yùn)行不需要經(jīng)過(guò)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),因此其平穩(wěn)性更高,不會(huì)受到外來(lái)的沖擊,主軸的軸承不需要承受很大的動(dòng)負(fù)荷,精度壽命得以延長(zhǎng)。

 

(6)電主軸使電機(jī)和主軸構(gòu)成一個(gè)整體,形成一個(gè)單元,使電主軸可以系列化生產(chǎn),形成一定的規(guī)模,而且生產(chǎn)更加專業(yè)化。電主軸作為數(shù)控機(jī)床功能部件,也作為一種商品進(jìn)入到市場(chǎng)中。企業(yè)可以根據(jù)數(shù)控機(jī)床的主機(jī)運(yùn)行需要選擇電主軸,對(duì)機(jī)床模塊化方向發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

  

2、高速電主軸的技術(shù)要點(diǎn)

  

2.1? 高速電主軸的高速精密軸承技術(shù)

  

在電主軸系統(tǒng)中,主軸軸承技術(shù)是關(guān)鍵,主要包括三種,即動(dòng)靜壓軸承、角接觸球軸承和磁懸浮軸承。其中,動(dòng)靜壓軸承是將靜壓軸承與動(dòng)壓軸承結(jié)合起來(lái),集合了兩者的優(yōu)點(diǎn),其具備良好的高速性能,速度調(diào)節(jié)的范圍大。精密數(shù)控機(jī)床比較常用角接觸球軸承,其發(fā)揮主軸支撐作用,對(duì)高速性能有一定的影響。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是由于滾珠為氮化硅材料制作,滾珠在高速作用下會(huì)增加離心力,增大陀螺力矩,軸承的高速性能得以充分發(fā)揮,減小滾動(dòng)體的直徑。由于軸承的制造成本高,具有非常復(fù)雜的控制系統(tǒng),不容易解決軸承運(yùn)行中產(chǎn)生的發(fā)熱問(wèn)題,所以,只有特殊場(chǎng)合中才會(huì)使用。

  

2.2? 高速電主軸的動(dòng)平衡技術(shù)

  

高速電主軸有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度,同時(shí),具有高精度運(yùn)行、高加工效率的特點(diǎn),但是,這些特點(diǎn)是建立在動(dòng)平衡基礎(chǔ)上的。電主軸的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)受到諸多因素的影響,諸如制造因素,在主軸安裝的過(guò)程中產(chǎn)生誤差,或者存在材料不均勻的問(wèn)題,必然會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行不平衡的問(wèn)題。通常電主軸運(yùn)行的過(guò)程中,運(yùn)轉(zhuǎn)速度最高可以超過(guò) 10000r/min,甚至可以達(dá)到60000 ~ 100000r/min。當(dāng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中,即便所存在的不平衡非常微小,都有可能影響主軸回轉(zhuǎn)的精度,甚至?xí)绊戄S承支承系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,所以,需要嚴(yán)格要求高速電主軸的動(dòng)平衡精度。

  

為了提高主軸的平衡性,在電主軸的設(shè)計(jì)中,需要采用對(duì)稱結(jié)構(gòu),加工裝配的時(shí)候要提高精確度。當(dāng)主軸出廠的回收,調(diào)整好初始動(dòng)平衡,提高主軸的平衡性,但是,主軸刀具依然會(huì)存在細(xì)微的不對(duì)稱問(wèn)題,甚至?xí)霈F(xiàn)刀具磨損的問(wèn)題,或者切屑粘刀的問(wèn)題,原有的動(dòng)平衡依然會(huì)被打破。由于工況復(fù)雜,主軸刀具系統(tǒng)會(huì)受到干擾,諸如切削力激勵(lì)、離心力以及熱變形等都是重要的影響因素,并因此破壞主軸系統(tǒng),使其無(wú)法保持穩(wěn)定的穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。要使電主軸處于高速運(yùn)行狀態(tài),確保數(shù)控機(jī)床高效運(yùn)行且持續(xù)穩(wěn)定,就需要將在線運(yùn)行且自動(dòng)化操作的動(dòng)平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái),并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要不斷完善,更好地發(fā)揮其價(jià)值。

  

2.3? 高速電主軸的潤(rùn)滑技術(shù)

  

對(duì)高速電主軸進(jìn)行潤(rùn)滑,主要是潤(rùn)滑主軸軸承。這就需要采用科學(xué)有效的潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)軸承的溫升狀況進(jìn)行控制,確保機(jī)床工藝系統(tǒng)運(yùn)行中提高精度,且保證穩(wěn)定性。高速電主軸在選擇潤(rùn)滑方式的時(shí)候,需要對(duì)軸承所屬類型、運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及負(fù)荷等等有關(guān),可以根據(jù)需要選擇油脂潤(rùn)滑方法、油霧潤(rùn)滑方法或者噴射潤(rùn)滑方法等。

  

2.4? 高速電主軸的冷卻技術(shù)

  

電主軸的殼體中安裝有電動(dòng)機(jī)的定子,電主軸實(shí)施封閉設(shè)計(jì),當(dāng)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的時(shí)候,由于缺乏散熱條件,就會(huì)出現(xiàn)殼體中過(guò)熱的問(wèn)題。電主軸的內(nèi)部安裝有兩個(gè)熱源:第一個(gè)熱源是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中會(huì)由于損耗而發(fā)熱;第二個(gè)熱源是由于軸承運(yùn)行中產(chǎn)生摩擦而發(fā)熱。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中有熱量產(chǎn)生,主要發(fā)揮散熱作用的是主軸殼體,而且部分熱量通過(guò)主軸向軸承傳輸,導(dǎo)致軸承快速升溫,其壽命必然受到影響,轉(zhuǎn)軸的制造精度受到熱伸長(zhǎng)的影響,主軸系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性無(wú)法保證。冷卻電主軸的方法是將循環(huán)冷卻水套安裝在定子與殼體連接的位置,同潤(rùn)滑軸承,使發(fā)熱量減少,采用合理的潤(rùn)滑方式除了發(fā)揮潤(rùn)滑作用,而且還可以起到冷卻的效果。

  

2.5? 高速電主軸的主軸電機(jī)技術(shù)

  

電主軸所采用的電動(dòng)機(jī)多為交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī),由于永磁電機(jī)增強(qiáng)了使用性能,交流永磁同步電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用,所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是,電主軸轉(zhuǎn)子不再散發(fā)熱量,電主軸不再產(chǎn)生熱變形,轉(zhuǎn)子沒(méi)有損耗,電主軸的運(yùn)行效率提高,減小了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,啟動(dòng)和準(zhǔn)停的速度加快。當(dāng)電主軸處于低速運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候,也能保持良好的性能。

  

2.6? 高速電主軸的精密加工和精密裝配技術(shù)

  

當(dāng)電主軸處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的時(shí)候,要保證其剛度以及回轉(zhuǎn)精度,需要對(duì)重要的零件精密加工,甚至需要超精密加工,在裝配主軸零部件的時(shí)候,要提高精密度。在主軸單元中,對(duì)工件都需要精密加工,包括殼體的加工、軸承座的加工等等都要有較高的精密度,軸承隔圈會(huì)隨著主軸高速旋轉(zhuǎn),對(duì)加工精密度也有較高的要求。另外,在高速電主軸上進(jìn)行加工刀具的裝配過(guò)程中,需要采用先進(jìn)的工藝技術(shù),且裝配的精密度要符合要求。

 

2.7? 高速電主軸的溫度保護(hù)技術(shù)

  

在設(shè)計(jì)高速數(shù)控銑床的時(shí)候,需要啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)對(duì)主軸進(jìn)行降溫。主軸內(nèi)部安裝有三個(gè)軸承,即前端軸承、中間軸承和后端軸承,主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度不同,功率不同,將溫度傳感器安裝在軸承附近,就可以對(duì)主軸軸承的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。溫度傳感器采集信號(hào)的時(shí)候需要發(fā)揮可編程邏輯控制器的輸入模塊作用,不同類型的傳感器,將信號(hào)劃分為 4 ~20mA。在設(shè)計(jì)機(jī)床控制程序的時(shí)候,需要按照傳感器信號(hào)將溫度計(jì)算出來(lái),標(biāo)定好。實(shí)施軸承升溫保護(hù)的時(shí)候,還需要在程序中將門檻限制值設(shè)置好,保護(hù)好軸承。

  

3、 結(jié)語(yǔ)

 

通過(guò)上面的研究可以明確,在制造機(jī)械產(chǎn)品的過(guò)程中,應(yīng)用高速加工技術(shù),很多難題都能夠得到解決,而且加工精度高,質(zhì)量有所保證,所以,該技術(shù)在制造業(yè)廣泛應(yīng)用,并已經(jīng)成為主流技術(shù)?,F(xiàn)在高速電主軸技術(shù)發(fā)展迅速,各個(gè)行業(yè)都根據(jù)自身的需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行深入研究,在提高技術(shù)應(yīng)用效率的同時(shí),還要發(fā)揮其節(jié)能環(huán)保特性,實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)展。


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