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数控机床高速电主轴的技术分析

时间:2021-11-24浏览:129次

高速电主轴,即内置式电机的主轴单元,是数控机床的重要组成部分。主轴电机安装在机床主轴单元内部,驱动主轴,从而促使电机和主轴成为一个整体。为了提高数控机床的运行效率,需要掌握高速电主轴的技术要点,发挥其优势,同时促进电主轴技术的不断提高。


1、高速电主轴具备的优点

传统数控机床的主轴运行,在发挥电机驱动作用的过程中,主要驱动中间的变速装置和传动装置,如齿轮、皮带和联轴节等,这就是“机械主轴”,也形象地称为分离式主轴和直联式主轴。与这种传统主轴相比,电主轴具有以下优点:

(1)主轴运行是由内部安装的电机驱动,不需要经过中间变速装置和传动装置,其设计结构简单紧凑,能高精度地提高运行效率。在运行过程中,不会有很大的噪音和很小的振动。

(2)电主轴采用交流变频技术,可在额定转速范围内实现无级变速。机床运行时,无论什么工况或负载变化,电主轴都具有良好的适应性。

(3)内装电机运行时,可控制闭环矢量,根据控制指令有效调控功率,灵活控制驱动装置的运行速度、输出力矩等。电主轴可以满足各种大功率要求,如低速重切削和高转矩,或高速精加工,电主轴可以很好的发挥作用,实现准停,同时满足C轴传动功能。

(4)电主轴能高速运转,稳定性良好,动态精度较高,使数控机床切削的速度更快,加工精度更高。

(5)由于电主轴的运行不需要经过中间传动环节,稳定性更高,不会受到外界的冲击,主轴的轴承不需要承受很大的动载荷,延长了精度寿命

(6)电主轴使电机和主轴形成一个整体,形成一个单元,使电主轴可以系列化生产,形成一定的规模,生产更加专业化。电主轴作为数控机床的功能部件,也作为商品进入市场。企业可以根据数控机床的主机操作需求选择电主轴,这将促进机床的模块化发展。


2、高速电主轴技术要点

2.1 高速电主轴的高速精密轴承技术

在电主轴系统中,主轴轴承技术是关键,主要包括动静压轴承、角接触球轴承和磁悬浮轴承三种类型。其中,动静压轴承是静压轴承和动压轴承的结合体,结合了两者的优点,具有良好的高速性能和较宽的调速范围。角接触球轴承常用于精密数控机床,起主轴支撑作用,对高速性能有一定影响。造成这种现象的主要原因是滚珠采用氮化硅材料制作,在高速作用下会增加离心力和陀螺力矩,使轴承的高速性能得以发挥,滚动体直径得以减小。由于轴承的制造成本高,控制系统很复杂,不容易解决轴承运行中的发热问题,所以只会在特殊场合使用。


2.2  高速电主轴的动平衡技术

高速电主轴具有高运转速度、高精度运行、高加工效率的特点,但这些特点都是建立在动平衡的基础上的。电主轴的运行状态会受到很多因素的影响,如制造因素、主轴安装过程中的误差、或者存在材料不均匀等,不可避免地会导致运行不平衡的问题。通常在电主轴运行过程中,最高运行速度可超过10000r/min,甚至达到60000~100000 r/min。主轴运转时,即使不平衡量很小,也可能影响主轴回转的精度,甚至影响轴承支撑系统运行的稳定性。因此,有必要严格要求高速电主轴的动平衡精度。

为了提高主轴的平衡性,在电主轴的设计需要采用对称结构,加工装配时要提高精准度。当主轴从工厂回收时,调整初始动平衡以改善主轴的平衡性,但主轴刀具仍有轻微的不对称问题,甚至刀具磨损或切屑粘刀的问题,原有的动平衡仍会被打破。由于工作条件复杂,主轴刀具系统会受到干扰,如切削力激励、离心力和热变形等是重要的影响因素,从而破坏主轴系统,使其无法保持稳定的运行状态。为了使电主轴高速运行状态,保证数控机床的高效运行和持续稳定,需要设计在线运行和自动化运行的动平衡系统,并根据实际应用需要不断改进,以发挥其价值。


2.3 高速电主轴润滑技术

润滑高速电主轴,主要是润滑主轴轴承。因此,需要采用科学有效的润滑系统来控制轴承的温升,从而保证机床工艺系统的精度和稳定性。在选择高速电主轴的润滑方式时,需要对轴承所属类型、运转速度和负荷等,可以根据需要选择油脂润滑方式、油雾润滑方式或喷射润滑方式等。


2.4 高速电主轴冷却技术

电动机的定子安装在电主轴壳体内,电主轴实施封闭设计,当它在高速运转状态时,由于缺乏散热条件,会出现壳体过热的问题。电主轴内部有两个热源:第一个热源是电动机在运行过程中由于损耗会产生热量;第二个热源是由于轴承运行中摩擦而产生的热量。当电机运行过程中产生热量时,主要的散热功能是主轴壳体,部分热量通过主轴传递到轴承,导致轴承温度快速升高,其使用寿命必受到影响,主轴的制造精度受热伸长影响,主轴系统运行的稳定性和可靠性无法保证。电主轴冷却的方法是在定子与壳体连接的位置安装循环冷却水套,润滑轴承,以减少发热量,合理的润滑不仅能起到润滑的作用,还能起到冷却的作用。


2.5 高速电主轴的主轴电机技术

电主轴中使用的电动机大多为交流异步感应电动机。由于永磁电机使用性能的提高,交流永磁同步电动机得到了广泛的应用,优点是电主轴转子不再发热,电主轴不再产生热变形,转子无损耗,提高电主轴运行效率,减小转动惯量,加速启动和准停速度。当电主轴低速运转时,可以保持良好的性能。


2.6 高速电主轴精密的加工与装配技术

电主轴在高速运转时,为了保证其刚度和回转精度,需要对重要零件进行精密加工,甚至超精密加工,提高主轴零件装配时的精密度。在主轴单元中,所有工件都需要精密加工,包括壳体的加工、轴承座的加工等有较高的精密度,轴承隔圈会随着主轴高速旋转,这也要求加工精度高。此外,在高速电主轴上加工刀具的装配过程中,应采用先进工艺技术,装配精密度应满足要求。


2.7 高速电主轴的温度保护技术

设计高速数控铣床时,需要启动冷却系统对主轴进行冷却。主轴内部有三个轴承,分别是前轴承、中轴承和后轴承。主轴有不同的运行速度和功率。如果温度传感器安装在轴承附近,可以实时监测主轴轴承的温度。采集信号时,温度传感器需要起到可编程逻辑控制器输入模块的作用。不同类型的传感器将信号分为4~20mA。在设计机床控制程序时,需要根据传感器信号计算并校准温度。在实施轴承温度保护时,还需要在程序中设置门槛限制值来保护轴承。


3、结论

通过以上研究可以明确,在机械产品制造过程中,应用高速加工技术可以解决很多难题,加工精度高,质量有保证。因此,这项技术在制造业中得到广泛应用,成为主流技术。目前,高速电主轴技术发展迅速,各行业都根据自身需求对该技术进行了深入研究,在提高技术应用效率的同时,也要发挥其节能环保的特点,实现智能化发展。