一、概要

数値制御工作機械は高効率、高精度、高柔軟性を一体に集めると同時に、高生産性を獲得し、加工精度を高めるために、高速加工技術はますます業界から重視されている。超高速NC工作機械は超高速加工を実現する物質的基礎であり、高速主軸は超高速NC工作機械の「核心」部品であり、高い回転速度、精度を要求するだけでなく、連続出力の高いトルク能力と広範囲の定電力運転を要求する。そこで、高回転速度、高精度、高速精密、高効率などの相応の特徴を持つNC工作機械の電気主軸が誕生した。

電気主軸は研削盤に使われていたが、その後T型中心を増やすまでに発展した。強力な精密機械工業の絶え間ない需要のため、電気主軸の電力と品質は絶えず向上している。現在、電気主軸の大きな回転速度は20000 r/min、直径範囲33-300 mm、電力範囲125 w-80 kw、トルク範囲0.02-300 nmに達することができる。電気主軸は構造がコンパクトで、重量が軽い。慣性が小さく、動的特性が良いなどの特徴があり、工作機械の動平衡を高めることができる。振動、汚染、騒音を回避したため、超高速切削工作機械に広く応用されている。

二、電気主軸の動作原理と典型的な構造

1、電気主軸の動作原理

電気スピンドルとは、モータのロータが直接工作機械のスピンドルとして使用され、スピンドルユニットのハウジングがモータホルダであり、その他の安全保障措置を講じて、モータと工作機械のスピンドルの一体化を実現することをいう。電気主軸は直接中空の電動機回転子を主軸に取り付け、固定子は冷却ジャケットを通じて主軸箱体孔内に固定し、完全な主軸ユニットを形成し、通電後回転子は直接主軸を動かして運転する。

2、電気主軸の基本構成

電気主軸構造の基本構造は通常、電気主軸ユニット、軸受及びその潤滑ユニット、主軸冷却ユニット及び動平衡ユニットから構成される。電気主軸ユニットの典型的な構造配置方式はモーターが主軸の前軸受、後軸受の間に位置し、その利点は主軸ユニットの軸方向寸法が短く、主軸剛性が高く、パワーが大きく、大型、中型高速デジタル制御工作機械に適していることである。その欠点は閉鎖されたスピンドルボックス内のモータの自然放熱条件が悪く、温度上昇が相対的に高いことである。

3、電気主軸の典型的な構造

モータ機のロータと工作機械の主軸との間のトルク伝達は、伝達されたトルクの大きさに基づいて計算される締スリーブの締付け嵌合によって実現される。主軸には様々な形式のキー接続とねじ接続が解除され、主軸の運転部分が正確な動平衡を実現するのに便利である。回転子の内孔と主軸の嵌合面との間の締め付け量が大きいため、回転子は熱圧急速組立時に油浴中で200℃程度まで加熱する必要があり、電動機の固定子は冷却ジャケットを通じて電気主軸のケーシングに取り付けられる。

三、電気主軸の重要技術

電気主軸は高速軸受技術、潤滑技術、冷却技術、動平衡技術、精密製造と組立技術及び高速モータ駆動などの技術の総合応用である。

1、電気主軸の高速軸受技術

電気主軸の高速化精度化を実現する鍵は高速精密軸受技術の応用である。現在、電気主軸に使用されている軸受は精密転がり軸受、液体静圧軸受、空気静圧軸受、磁力軸受などがあるが、主に精密角接触セラミックス玉軸受と精密円筒ころ軸受である。角接触玉軸受は径方向と軸方向の荷重を同時に受けることしかできず、しかも剛性が高く、高速性能がよく、構造が簡単でコンパクトで、品種規格が多く、修理交換が便利で、電気主軸に広く応用されている。セラミックス軸受技術の発展に伴い、広く応用されている電気主軸軸受は混合セラミックス玉軸受であり、すなわち転動体はSi 3 N 4セラミックス玉を採用し、「小珠密珠」構造を採用し、軸受カラーはGCul 5鋼輪である。このハイブリッド軸受は、遠心力とジャイロモーメントを減少させることにより、ボールと通路との摩擦を減少させ、より低い温度上昇とより良い高速性能を得ることができる。

2、電気主軸の潤滑技術

1）高速電気主軸は合理的で制御可能な軸受潤滑方式を採用して軸受の温度上昇を制御する必要があり、デジタル制御工作機械技術システムの精度と安定性を保障する。電気主軸の潤滑方式には主にグリース潤滑、オイルミスト潤滑、オイルガス潤滑などがある。

2）実践によると、給油量が多すぎるか少なすぎるのは潤滑中に有害であり、前の2種類の潤滑方式はいずれも給油量の多さを正確に制御できず、主軸軸受の回転速度と使用寿命の向上に不利である。しかし、新開発のオイルガス潤滑方法は摩擦点ごとの潤滑油量を正確に制御することができ、信頼性が高い。

3）オイルガス潤滑技術は圧縮空気を利用して各主軸軸受に微量潤滑油を連続的、正確に供給し、微小な油滴は転がり軸受と内、外輪転路の間に弾性動圧油膜を形成し、圧縮空気は軸受運転によって発生した一部の熱を持ち去ることができる。

4）実践により、オイルガス潤滑は高速大出力電気主軸軸受の理想的な潤滑方式であるが、必要な設備が複雑で、コストが高いことが証明された。オイルガス潤滑方式はその理想的な潤滑効果で世界的に人気のある潤滑方式となっている。

3、電気主軸の冷却技術

1）電気主軸には2つの主要な内部熱源がある：内蔵電動機の発熱と主軸軸受の発熱。制御しないと、これによる熱変形が工作機械の加工精度と軸受の寿命を著しく低下させ、電気主軸の寿命が短くなる。

2）電気主軸は内蔵主軸構造を採用し、主軸ユニット内にあるモーターはファンを使用して放熱することができず、自然放熱条件が悪い。エネルギー変換の過程で、モータ内部に電力損失が発生し、モータを発熱させる。研究によると、モータの高速運転の場合、モータ発熱量の3分の1近くはモータロータによって発生し、ロータによって発生した熱の大部分はロータとステータの間のエアギャップを通じてステータに伝達される、残りの2/3の熱はモータのステータに発生するので、モータに発熱を発生させる主な解決策は冷却液の循環流を利用してモータステータを強制冷却することである。典型的な冷却システムは、外部循環水式冷却装置を用いてモータステータを冷却し、モータの熱を奪う。

3）アンギュラ玉軸受の発熱は主にローラとトラック間の転動摩擦、高速時のジャイロモーメントによる摺動摩擦と潤滑油の粘性摩擦などによる。軸受の発熱量を減少させる主な措置は、①ボール径を適切に減少させ、摩擦と発熱量を減少させることである。②合理的な潤滑方式を採用し、オイルガス潤滑方式は軸受に潤滑作用があるだけでなく、一定の冷却作用がある。

4、電気主軸の動平衡技術

主軸が高速回転すると、小さな不均衡質量でも電気主軸の大きな高周波振動を引き起こすため、精密電気主軸の動平衡精度はG 1-G 0.4級に達する必要がある。この水平な動平衡に対して、通常の方法を採用して、つまり組み立て前に主軸上の各部品をそれぞれ動平衡にするのは十分ではなくて、組み立て後に主軸全体を動平衡にして、甚だしきに至っては専用の自動平衡システムを設計して主軸のオンライン動平衡を実現します。また、電気主軸を設計する際には、構造対称の原則を厳格に遵守する必要があり、電気主軸ではキー接続とねじ接続の使用は禁止されているが、一般的には締め付け接続を採用してトルクの伝達を実現する。

5、電気主軸の運動制御技術

デジタル制御工作機械では、電気主軸は通常周波数変換速度調整の方法を採用している。現在、主に3つの制御方式がある：通常の周波数変換駆動と制御、ベクトル制御ドライバの駆動と制御、及び直接トルク制御。

1）通常の周波数変換はスカラー駆動と制御であり、その駆動制御の特徴は定トルク駆動であり、出力電力は回転数に比例する。通常の周波数変換制御の動的性能は理想的ではなく、低速時の制御性能はよくなく、出力電力は安定しておらず、C軸機能を備えていないが、価格は安く、構造は簡単で、一般的に研削盤と通常の高速フライス盤などに用いられる。

2）ベクトル制御技術モデル

DCモータの制御方式を模倣して、回転子磁場に対して方向付けを行い、ベクトル変換の方法を採用して駆動と制御を実現し、良好な動的性能を持っている。ベクトル制御ドライバは起動初期にトルク値が大きく、電気主軸自体の構造が簡単で、慣性が小さいため、起動加速度が大きく、起動後瞬間に許容限界速度に達することができる。

3）直接トルク制御はベクトル制御技術に続いて発展した新型高性能交流速度調整技術であり、その制御思想は斬新で、システム構造は簡単明瞭で、高速電気主軸の駆動により適し、高速電気主軸の高回転速度、広い回転速度範囲、高速瞬間l’日J準停止の動態特性と静止特性の要求をよりよく満たすことができ、それはすでに交流伝動分野の人気技術となっている。

四、おわりに

現在、電気主軸の応用は広く、国外の高速電気主軸技術の研究は比較的に早く、電気主軸ユニットの発展は迅速で、技術レベルはリードしており、周波数変換技術とデジタル技術の発展が日増しに完備されるにつれて、一連の標準製品は次第に形成されている。高回転電動主軸は工作機械工業と工業製造業に広く応用されている。将来的には、大出力、大トルク、広い速度調整範囲、高速起動、正確な位置決め、自動対刀などのデジタル化された高標準電気主軸ユニットを重点的に研究開発しなければならない。