I. Giới thiệu

Máy CNC tích hợp hiệu quả cao, độ chính xác cao và tính linh hoạt cao, đồng thời để có được năng suất cao và cải thiện độ chính xác xử lý, công nghệ gia công tốc độ cao ngày càng được ngành công nghiệp chú ý. Máy CNC siêu tốc độ là cơ sở vật chất để đạt được gia công siêu tốc, và trục chính tốc độ cao là thành phần "cốt lõi" của máy CNC siêu tốc độ, đòi hỏi cả tốc độ quay cao, độ chính xác và khả năng mô-men xoắn cao của đầu ra liên tục và một loạt các hoạt động công suất không đổi. Do đó, trục chính điện của máy CNC với tốc độ quay cao, độ chính xác cao, hiệu quả cao và các đặc điểm tương ứng khác đã ra đời.

Trục chính điện được sử dụng sớm trên máy mài và sau đó được phát triển để tăng trung tâm loại T. Do nhu cầu liên tục của ngành công nghiệp máy móc chính xác mạnh mẽ, sức mạnh và chất lượng của trục chính điện tiếp tục được cải thiện. Hiện nay tốc độ quay lớn hơn của trục chính điện có thể đạt 20000 r/phút, phạm vi đường kính 33-300mm, phạm vi công suất 125w-80kw, phạm vi mô-men xoắn 0,02-300nm. Trục chính điện có cấu trúc nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ. Quán tính nhỏ, đặc tính động tốt và các đặc điểm khác, và có thể cải thiện cân bằng động của máy công cụ. Rung động, ô nhiễm và tiếng ồn được tránh, vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong các máy cắt siêu tốc.

II. Nguyên tắc làm việc và cấu trúc điển hình của trục chính điện

1. Nguyên tắc làm việc của trục chính điện

Cái gọi là trục chính điện, có nghĩa là rôto của động cơ được sử dụng trực tiếp như trục chính của máy công cụ, vỏ của đơn vị trục chính là ghế động cơ, và các biện pháp bảo vệ an toàn khác được thực hiện để đạt được sự tích hợp của động cơ và trục chính của máy công cụ. Trục chính điện trực tiếp gắn rôto động cơ rỗng trên trục chính. Stator được cố định trong lỗ thân hộp trục chính bằng tay áo làm mát, tạo thành một đơn vị trục chính hoàn chỉnh. Sau khi bật nguồn, rôto trực tiếp kéo trục chính chạy.

2, Thành phần cơ bản của trục chính điện

Cấu trúc cơ bản của cấu trúc trục chính điện thường bao gồm đơn vị trục chính điện, ổ trục và đơn vị bôi trơn của nó, đơn vị làm mát trục chính và đơn vị cân bằng động. Cách bố trí cấu trúc điển hình của đơn vị trục chính điện là động cơ nằm giữa vòng bi phía trước và vòng bi phía sau của trục chính. Ưu điểm của nó là kích thước trục của đơn vị trục chính ngắn hơn, độ cứng trục chính cao và công suất lớn, phù hợp hơn cho các máy CNC tốc độ cao lớn và trung bình; Nhược điểm của nó là điều kiện tản nhiệt tự nhiên kém của động cơ trong hộp trục chính kín, và sự gia tăng nhiệt độ tương đối cao.

3. Cấu trúc điển hình của trục chính điện

Việc truyền mô-men xoắn giữa rôto của máy động cơ và trục chính của máy công cụ được thực hiện thông qua sự phối hợp quá mức của tay áo, được tính toán theo kích thước của mô-men xoắn được truyền. Các hình thức kết nối phím và kết nối ren khác nhau đã bị hủy bỏ trên trục chính, tạo điều kiện cho phần chạy của trục chính đạt được cân bằng động chính xác. Do lượng quá tải lớn giữa lỗ bên trong rôto và bề mặt giao phối trục chính, rôto cần được làm nóng đến khoảng 200 ℃ trong bồn tắm dầu khi lắp ráp nhanh ép nóng. Stator của động cơ điện được lắp đặt trong vỏ của trục chính điện bằng tay áo làm mát.

III. Công nghệ chính của trục chính điện

Trục chính điện là ứng dụng toàn diện của công nghệ vòng bi tốc độ cao, công nghệ bôi trơn, công nghệ làm mát, công nghệ cân bằng động, công nghệ sản xuất và lắp ráp chính xác và ổ đĩa động cơ tốc độ cao.

1. Công nghệ mang tốc độ cao cho trục chính điện

Chìa khóa để đạt được độ chính xác cao của trục chính điện là ứng dụng công nghệ vòng bi chính xác tốc độ cao. Vòng bi được sử dụng bởi trục chính điện hiện nay có vòng bi lăn chính xác, vòng bi tĩnh điện lỏng, vòng bi tĩnh điện không khí và vòng bi từ, v.v., nhưng chủ yếu là vòng bi cầu gốm tiếp xúc góc chính xác và vòng bi lăn hình trụ chính xác. Vòng bi tiếp xúc góc không chỉ có thể chịu được tải trọng xuyên tâm và trục cùng một lúc, mà còn có độ cứng cao, hiệu suất tốc độ cao tốt, cấu trúc đơn giản và nhỏ gọn, nhiều thông số kỹ thuật đa dạng và dễ sửa chữa và thay thế. Nó được sử dụng rộng rãi trên trục chính điện. Với sự phát triển của công nghệ vòng bi gốm, vòng bi trục chính điện được sử dụng rộng rãi là vòng bi gốm lai, tức là cơ thể lăn sử dụng quả bóng gốm Si3N4, sử dụng cấu trúc "hạt nhỏ hạt dày", vòng bi là vòng thép GCr5. Vòng bi lai này có thể giảm ma sát giữa quả bóng và kênh bằng cách giảm lực ly tâm và mô men con quay hồi chuyển, dẫn đến tăng nhiệt độ thấp hơn và hiệu suất tốc độ cao tốt hơn.

2. Công nghệ bôi trơn của trục chính điện

1) Trục chính điện tốc độ cao cần áp dụng chế độ bôi trơn ổ trục hợp lý và có thể kiểm soát để kiểm soát sự gia tăng nhiệt độ của ổ trục, để đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống công nghệ máy CNC. Phương pháp bôi trơn của trục chính điện chủ yếu là bôi trơn dầu mỡ, bôi trơn sương mù dầu và bôi trơn dầu khí, v.v.

2) Thực tế cho thấy rằng quá nhiều hoặc quá ít nguồn cung cấp dầu là có hại trong bôi trơn, trong khi hai cách bôi trơn đầu tiên không thể kiểm soát chính xác lượng dầu cung cấp, không có lợi cho tốc độ vòng bi trục chính và cải thiện tuổi thọ. Tuy nhiên, phương pháp bôi trơn dầu khí mới được phát triển có thể kiểm soát chính xác lượng dầu bôi trơn tại mỗi điểm ma sát và có độ tin cậy cao.

3) Công nghệ bôi trơn dầu khí là sử dụng khí nén để cung cấp liên tục và chính xác các dấu vết dầu bôi trơn cho mỗi bộ vòng bi trục chính, các giọt dầu nhỏ tạo thành màng dầu áp suất động đàn hồi giữa vòng bi lăn và mương vòng trong và ngoài, trong khi khí nén có thể lấy đi một phần nhiệt được tạo ra bởi hoạt động của ổ trục.

4) Thực tế đã chứng minh rằng bôi trơn dầu khí là cách bôi trơn lý tưởng hơn cho vòng bi trục chính công suất cao tốc độ cao, nhưng thiết bị cần thiết của nó phức tạp và chi phí cao. Phương pháp bôi trơn dầu khí trở thành phương pháp bôi trơn rất phổ biến trên thế giới với hiệu quả bôi trơn lý tưởng của nó.

3. Công nghệ làm mát cho trục chính điện

1) Trục chính điện có hai nguồn nhiệt bên trong chính: nhiệt của động cơ điện tích hợp và nhiệt của vòng bi trục chính. Nếu không được kiểm soát, biến dạng nhiệt kết quả có thể làm giảm đáng kể độ chính xác gia công của máy công cụ và tuổi thọ của ổ trục, dẫn đến tuổi thọ ngắn hơn của trục chính điện.

2) Trục chính điện áp dụng hình thức cấu trúc trục chính kiểu Tây Tạng bên trong. Động cơ nằm trong đơn vị trục chính không thể sử dụng quạt để tản nhiệt, điều kiện tản nhiệt tự nhiên kém. Trong quá trình chuyển đổi năng lượng, mất điện xảy ra bên trong động cơ, làm cho động cơ nóng lên. Nghiên cứu cho thấy rằng trong trường hợp động cơ chạy ở tốc độ cao, gần một phần ba lượng nhiệt của động cơ là do rôto của động cơ tạo ra, phần lớn nhiệt do rôto tạo ra được truyền vào stator thông qua khoảng cách không khí giữa rôto và stator; 2/3 nhiệt còn lại được tạo ra trong stator của động cơ, vì vậy giải pháp chính để tạo ra nhiệt cho động cơ là sử dụng dòng chảy tuần hoàn của chất làm mát để làm mát cưỡng bức stator của động cơ. Một hệ thống làm mát điển hình là việc sử dụng một thiết bị làm mát kiểu nước tuần hoàn bên ngoài để làm mát stator động cơ và lấy nhiệt từ động cơ.

3) Sự nóng lên của vòng bi tiếp xúc góc chủ yếu là do ma sát lăn giữa con lăn và mương, ma sát trượt do thời điểm con quay hồi chuyển ở tốc độ cao và ma sát dính của dầu bôi trơn, v.v. Các biện pháp chính để giảm lượng nhiệt của ổ trục là: ① Giảm đúng đường kính bóng, do đó giảm ma sát và lượng nhiệt. ② Sử dụng chế độ bôi trơn hợp lý, chế độ bôi trơn dầu và khí không chỉ có tác dụng bôi trơn vòng bi, mà còn có tác dụng làm mát nhất định.

4. Công nghệ cân bằng động của trục chính điện

Khi trục chính quay ở tốc độ cao, bất kỳ khối lượng mất cân bằng nhỏ nào cũng sẽ gây ra rung động tần số cao lớn của trục chính điện, vì vậy độ chính xác cân bằng động của trục chính điện chính xác cần đạt đến cấp G1-G0.4. Đối với mức độ cân bằng động này, phương pháp thông thường được áp dụng, tức là trước khi lắp ráp các bộ phận riêng lẻ trên trục chính để cân bằng động là không đủ, sau khi lắp ráp cũng phải cân bằng động toàn bộ trục chính, và thậm chí thiết kế hệ thống cân bằng tự động đặc biệt để đạt được cân bằng động trực tuyến của trục chính. Ngoài ra, khi thiết kế trục chính điện, cần phải tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên tắc đối xứng cấu trúc, việc sử dụng kết nối khóa và kết nối ren bị cấm trên trục chính điện, nhưng kết nối quá mức thường được sử dụng để đạt được việc truyền mô-men xoắn.

5. Công nghệ điều khiển chuyển động của trục chính điện

Trong máy CNC, trục chính điện thường sử dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ tần số. Hiện tại có ba loại điều khiển chính: điều khiển và điều khiển tần số biến tần thông thường, điều khiển và điều khiển trình điều khiển vector và điều khiển mô-men xoắn trực tiếp.

1) Biến tần thông thường là ổ đĩa vô hướng và điều khiển, đặc điểm điều khiển ổ đĩa của nó là ổ đĩa mô-men xoắn không đổi, công suất đầu ra tỷ lệ thuận với tốc độ quay. Hiệu suất động điều khiển tần số thông thường không lý tưởng, hiệu suất điều khiển không tốt ở tốc độ thấp, công suất đầu ra không đủ ổn định, không có chức năng trục C, nhưng giá rẻ và cấu trúc đơn giản, thường được sử dụng cho máy mài và máy phay tốc độ cao thông thường, v.v.

2) khuôn công nghệ điều khiển vector

Bắt chước cách điều khiển động cơ DC, định hướng từ trường rôto, sử dụng phương pháp chuyển đổi vectơ để đạt được ổ đĩa và điều khiển, có hiệu suất động tốt. Trình điều khiển điều khiển vector có giá trị mô-men xoắn lớn trong giai đoạn đầu khởi động, trục chính điện có cấu trúc đơn giản và quán tính nhỏ, do đó, gia tốc khởi động lớn và tốc độ giới hạn cho phép có thể đạt được ngay sau khi khởi động.

3) Điều khiển mô-men xoắn trực tiếp là một loại công nghệ điều khiển tốc độ AC hiệu suất cao mới được phát triển sau công nghệ điều khiển vector. Ý tưởng điều khiển của nó là mới lạ, cấu trúc hệ thống đơn giản và rõ ràng, phù hợp hơn để lái trục chính điện tốc độ cao. Nó có thể đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về tốc độ quay cao của trục chính điện tốc độ cao, phạm vi tốc độ quay rộng, đặc điểm động và đặc điểm tĩnh của chuẩn dừng L'Day J tốc độ cao. Nó đã trở thành một công nghệ phổ biến trong lĩnh vực truyền động AC.

IV. Kết luận

Hiện nay, trục chính điện được sử dụng rộng rãi, nghiên cứu công nghệ trục chính điện tốc độ cao ở nước ngoài sớm hơn, đơn vị trục chính điện phát triển nhanh chóng, trình độ công nghệ đang dẫn đầu. Với sự phát triển ngày càng hoàn thiện của công nghệ chuyển đổi tần số và công nghệ kỹ thuật số, một loạt các sản phẩm tiêu chuẩn dần được hình thành. Trục chính điện RPM cao được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp máy công cụ và sản xuất công nghiệp. Trong tương lai nên tập trung vào nghiên cứu và phát triển các đơn vị trục chính điện tiêu chuẩn cao kỹ thuật số như công suất cao, mô-men xoắn lớn, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, khởi động nhanh, định vị chính xác và cắt tự động.