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數(shù)控金切機(jī)床的高速主軸體系(1)
來(lái)源:海力軸承網(wǎng) 時(shí)間:2017-12-12
數(shù)控金切機(jī)床的高速主軸體系；望文生義是具有高反轉(zhuǎn)速度；但這并無(wú)嚴(yán)厲的邊界.對(duì)作為高速切削機(jī)床代表的加工中間和數(shù)控銑床而言；通常是指最高轉(zhuǎn)速≥10,000r/min的主軸體系；并相應(yīng)具有高的角加(減)速度；以完成主軸的瞬時(shí)升降速與起停.為習(xí)慣制造業(yè)對(duì)機(jī)床加工精度愈來(lái)愈高的需求；高速切削主軸還應(yīng)有較高的反轉(zhuǎn)精度；通常需求主軸的徑向跳動(dòng)小于1或2µm；軸向竄動(dòng)小于1µm.此外；主軸也要有滿足的靜、動(dòng)剛度；以接受必定的切削負(fù)荷和堅(jiān)持高的反轉(zhuǎn)精度.
傳統(tǒng)的主軸體系包括皮帶、齒輪等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)；不只轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大；難于完成高的角加(減)速度；并且高速時(shí)也難于處理中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)呈現(xiàn)的振蕩和噪聲.因而；如今的高速主軸體系大多是把電動(dòng)機(jī)與主軸“合二而一”、將傳動(dòng)鏈縮短為零的電主軸單元；規(guī)劃上基本是把主電動(dòng)機(jī)置于主軸前后軸承之間.這樣的電主軸；軸向尺度較短；規(guī)劃緊湊；主軸剛度高；出力較大.圖1所示德國(guó)GMN公司用于加工中間和數(shù)控銑床的電主軸就是這種規(guī)劃；其軸承是適宜高速作業(yè)的精細(xì)角觸摸球軸承(通常相當(dāng)于國(guó)際規(guī)范P2和P4級(jí))；一切要害零件都必須進(jìn)行精細(xì)加工和精細(xì)裝置；一起還要用恒溫冷卻水(GMN為23±0。7℃乃至±0。3℃)對(duì)主電機(jī)的定子和前后軸承進(jìn)行冷卻.GMN用于加工中間和數(shù)控銑床的電主軸共有20幾種類型；最高轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min到60000r/min；功率從5。5kW到76kW；扭矩從0。9Nm到306Nm.
如今；也有極少數(shù)高速輕切削銑床；運(yùn)用將主電機(jī)置于主軸后軸承之后的電主軸.這種規(guī)劃的電主軸軸向尺度長(zhǎng)；但可改善散熱條件.此外；某些主軸最高轉(zhuǎn)速在10000r/min至15000r/min的加工中間和銑床；不是選用電主軸而是經(jīng)過(guò)薄膜式之類的聯(lián)軸節(jié)；將主電動(dòng)機(jī)與主軸直接銜接；然后省去主軸冷卻體系.不過(guò)；此方法既添加了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；影響角加(減)速度；并且兩者直連后的非直線性又會(huì)招致振蕩(轉(zhuǎn)速愈高對(duì)直線性的調(diào)準(zhǔn)需求也愈高)；故不宜用于主軸轉(zhuǎn)速更高的機(jī)床.
當(dāng)時(shí)的高速電主軸；簡(jiǎn)直都是內(nèi)置異步溝通感應(yīng)電動(dòng)機(jī).異步型電主軸的長(zhǎng)處是規(guī)劃較簡(jiǎn)略；制造工藝相對(duì)老練和裝置便利；特別是能夠更大極限地削弱磁.子謔迪指咚倩.此種主軸電機(jī)也正在進(jìn)一步改善；比方日本三菱電機(jī)公司比來(lái)開(kāi)宣布可削減電損耗和縮短定子長(zhǎng)度的高速、高效率內(nèi)置感應(yīng)主軸電動(dòng)機(jī).
比來(lái)；國(guó)外正研討在電主軸中內(nèi)置溝通永磁同步電動(dòng)機(jī)的難題.與異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)比擬；永磁同步電動(dòng)機(jī)有如下長(zhǎng)處：用永磁資料制造的轉(zhuǎn)子在作業(yè)過(guò)程中不發(fā)熱；處理了當(dāng)前內(nèi)置的異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱且難于充沛冷卻的難題，功率密度大；作業(yè)效率高；即可用較小的尺度得到較大的功率和扭矩，低速功能好；易于完成精細(xì)操控等.但是；永磁同步電動(dòng)機(jī)也有其缺點(diǎn)；那就是功率容量有限；弱磁艱難；不利于完成高速化.故迄今為止；只要單個(gè)機(jī)床公司有內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的電主軸在展會(huì)上露臉；而專業(yè)化的電主軸制造廠尚沒(méi)有此種產(chǎn)物出售.有不少人以為；對(duì)在弱磁場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速電主軸；好像用異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)更為適宜.
當(dāng)前首要選用PWM變頻調(diào)速技能來(lái)完成電主軸的高速化；履行此項(xiàng)使命的既有通常變頻調(diào)速器；又有矢量操控驅(qū)動(dòng)器.前者為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)；輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比，后者在低速端(額外轉(zhuǎn)速以下)為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)；在中、高速端為恒功率驅(qū)動(dòng)(圖2).高速加工中間和數(shù)控銑床之電主軸；基本上都選用后者(即矢量操控驅(qū)動(dòng)器).矢量操控驅(qū)動(dòng)器又有開(kāi)環(huán)型和閉環(huán)型之分；閉環(huán)型在主軸上裝有高功能編碼器作為檢測(cè)元件；以完成方位和速度反.傭懈玫畝閱埽換箍梢允迪種髦岬畝ㄏ蜃紀(jì)：C軸功用.
高速主軸用的軸承
數(shù)控金切機(jī)床高速主軸的功能；在相當(dāng)程度上取決于主軸軸承及其光滑.翻滾軸承因?yàn)閯偠群谩⒕饶軌蛑圃斓幂^高、承載能力強(qiáng)和規(guī)劃相對(duì)簡(jiǎn)略；不只是通常切削機(jī)床主軸的首.彩艿礁咚僨邢骰駁那囗.從高速性的視點(diǎn)看；翻滾軸承中角觸摸球軸承最棒；圓柱滾子軸承次之；圓錐滾子軸承最差.
角觸摸球軸承的球(即滾珠)既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)；會(huì)發(fā)生離心力Fc和陀螺力矩Mg.跟著主軸轉(zhuǎn)速的添加；離心力Fc和陀螺力矩Mg也會(huì)急劇加大；使軸承發(fā)生很大的觸摸應(yīng)力；然后招致軸承沖突加重、溫升增高、精度降低和壽數(shù)縮短.因而；要進(jìn)步這種軸承的高速功能；就應(yīng)想方設(shè)法按捺其Fc和Mg的添加.從角觸摸球軸承Fc和Mg的計(jì)算公式得知；削減球資料的密度、球的直徑和球的觸摸角都有利于削減Fc和Mg；所以如今高速主軸多運(yùn)用觸摸角為15°或20°的小球徑軸承.可是；球徑不能減小過(guò)多；基本上只能是規(guī)范系列球徑的70%；避免削弱軸承的剛度；更要害的仍是要在球的資料上尋求改善.
與GCr15軸承鋼比擬；氮化矽(Si3N4)陶瓷密度僅為它的41%；用氮化矽制造的球要輕得多；天然在高速反轉(zhuǎn)時(shí)所發(fā)生的離心力和陀螺力矩也要小得多.與此一起；氮化矽陶瓷的彈性模量和硬度是軸承鋼的1。5倍和2。3倍；而熱脹大系數(shù)僅為軸承鋼的25%；這既可進(jìn)步軸承的剛度和壽數(shù)；又使軸承的合作空隙在不同溫升條件下改動(dòng).ぷ骺煽浚患又沾贍透呶慮也揮虢鶚舴⑸騁В幌勻揮玫沾芍譜髑蛺甯屎轄懈咚倩刈.理論標(biāo)明；陶瓷球角觸摸球軸承與相應(yīng)的鋼球軸承比擬速度能進(jìn)步25%~35%；不過(guò)價(jià)錢(qián)也要高一些.
國(guó)外將內(nèi)外圈為鋼、翻滾體為陶瓷的軸承統(tǒng)稱為混合軸承.當(dāng)前混合軸承又有新發(fā)展：一是陶瓷資料已用于制造圓柱滾子軸承的滾子；市場(chǎng)上呈現(xiàn)了陶瓷圓柱混合軸承，二是用不銹鋼(比方FAG公司用氮化不銹鋼Crodinur 30)替代軸承鋼制造軸承的內(nèi)外圈特別是內(nèi)圈；因?yàn)椴讳P鋼的熱脹大系數(shù)比軸承鋼小20%；天然在高速反轉(zhuǎn)時(shí)；因內(nèi)圈熱脹大所形成的觸摸應(yīng)力增大趨勢(shì)會(huì)遭到按捺.
眾所周知；dmh值是表達(dá)翻滾軸承高速功能的速度因子(dm是翻滾軸承內(nèi)、外圈的均勻直徑；單位mm，h是軸承的轉(zhuǎn)速；單位r/min).角觸摸球軸承的高速功能不只與球的觸摸角、直徑和資料關(guān)聯(lián)；并且與軸承的光滑方法關(guān)系密切.當(dāng)前翻滾軸承有脂光滑、油霧光滑和油氣光滑三種方法；其中油霧光滑盡管作用不錯(cuò)；但污染環(huán)境和損害工人安康；國(guó)外已很少選用.
脂光滑是最簡(jiǎn)略和環(huán)保性最棒的一種光滑方法.因?yàn)橹诔咚僮鳂I(yè)下簡(jiǎn)單蛻變；故其dmh值較低；軸承為鋼球時(shí)僅達(dá)80×104；為陶瓷球時(shí)可達(dá)110×104(FAG公司開(kāi)發(fā)的新一代低溫軸承其dmh值還能夠在此基礎(chǔ)上添加10%左右).如今高速主軸軸承用得最多的是油氣光滑方法；它是守時(shí)、定量地供應(yīng)軸承以油 氣混合物；使軸承各部位取得最佳的微量光滑并把污染減至很小.選用油氣光滑的鋼球或陶瓷球角觸摸球軸承；其dmh值通常可別離達(dá)到到140×104和210×104；若選用比擬特別的油氣光滑方法；陶瓷球角觸摸球軸承的dmh值可達(dá)250×104乃至更高一點(diǎn)(圖3為特別油氣光滑方法的一種；在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)其dmh值已達(dá)280×104).
高速電主軸翻滾軸承的裝備方式有多種；但比擬典型的是前、后軸承呈“O”型規(guī)劃的兩對(duì)角觸摸球軸承(見(jiàn)圖1).因?yàn)楹筝S承也是角觸摸球軸承；通常要設(shè)置滾珠套以便讓后軸承能沿殼體軸向挪動(dòng)；使得主軸受熱后可自在向后方脹大.通常說(shuō)來(lái)；角觸摸球軸承需要在軸向有預(yù)加負(fù)荷才干正常作業(yè)；預(yù)加負(fù)荷愈大；軸承的剛度愈高但溫升也愈大.比擬簡(jiǎn)略的方法是；依據(jù)電主軸的轉(zhuǎn)速規(guī)模和所要接受的負(fù)載；選定一個(gè)最佳的固定預(yù)加負(fù)荷值，更好的方法則是預(yù)加負(fù)荷能隨主軸轉(zhuǎn)速改動(dòng)而調(diào)整；在高轉(zhuǎn)速時(shí)減小預(yù)加負(fù)荷；在低轉(zhuǎn)速時(shí)添加預(yù)加負(fù)荷.
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