眾所周知,高速主軸系統歷來(lái)就是數控機床三大高新技術(shù)之一(高速主軸、數控系統、送給驅動(dòng))。 隨著(zhù)數控技術(shù)及切削刀具的飛躍發(fā)展,越來(lái)越多的機械制造裝備都在不斷地向高速、高精、高效、高智能化發(fā)展,內裝式電主軸單元已成為最能適宜上述高性能工況的數控機床核心功能部件之一。尤其是在多軸聯(lián)動(dòng)、多面體加工、并聯(lián)機床、復合加工機床等諸多先進(jìn)產(chǎn)品中,內裝式電主軸單元的優(yōu)異特點(diǎn)是其他類(lèi)型主軸單元不能替代的。
據中國機床工具工業(yè)協(xié)會(huì )專(zhuān)項信息——EMO2003考察報告匯編介紹:2003年意大利米蘭歐洲國際機床展覽會(huì )中,大部分展出的加工中心均采用電主軸配置。其最高轉速普遍為12,000-20,000r/min。其中最高的是日本MAKINO銑床公司的J4M臥式加工中心,其配備的電主軸最高轉速可達60,000r/min。本次展會(huì )電主軸展品琳瑯滿(mǎn)目,具有不同檔次的技術(shù)性能,可選擇性較大。高速電主軸的最高轉速及功率、扭矩普遍提高。有的還采用了傳感技術(shù)對振動(dòng)進(jìn)行監測和診斷。瑞士的IBAG、Step-Tec、Flscher、Starrag-Heckert公司,德國的GMN、Cytec、INA,意大利的Gamfier、Omlat等公司的電主軸都各有特色。
我國大型數控銑、加工中心和數控車(chē)床實(shí)用型電主軸的開(kāi)發(fā)始于1998年。洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司在“九五”期間,以國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項目為依托,先后開(kāi)發(fā)了裝備國產(chǎn)電機的、最高轉速為15,000r/min、12,000r/min。10,000r/min、 8,000r/min的內裝式電主軸,其最大扭矩為129Nm。
“十五”期間又繼續開(kāi)展上述科技攻關(guān)工作。到2003年止,洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司又先后開(kāi)發(fā)了用于高速數控銑的30,000r/min電主軸和用于加工中心的24,000r/min電主軸。同時(shí)又系列開(kāi)發(fā)了轉速自5,000r/min到12,000r/min的數控車(chē)床用電主軸。與此同時(shí),北京機床研究所數控機床有限公司也相繼開(kāi)發(fā)了用日本FUNAC電機組裝的15,000r/min、20,000r/min電主軸。北京機電研究院、上海第二機床廠(chǎng)等單位,利用德國REXROTH的電機組裝成轉速高于10,000r/min的電主軸。北京第一機床廠(chǎng)和日本大隈合作也開(kāi)發(fā)出轉速高于10,000r/min的電主軸。近期又有漢川機床廠(chǎng),濟寧博特精密絲杠制造有限公司,大連金功機械有限公司等數家企業(yè)相繼投入開(kāi)發(fā)電主軸單元的行列。 二、內裝式電主軸單元
電主軸單元應具備兩大基本特點(diǎn):
裝有內裝式電機。
具備整齊的外形尺寸,以利于主機廠(chǎng)安裝使用。
用于大型數控銑、加工中心的內裝式電主軸單元(圖1)由主軸軸系1、內裝式電機2、支承及其潤滑系統3、冷卻系統4、松拉刀系統5(用于數控車(chē)床的是卡盤(pán)、油缸對接法蘭)、軸承自動(dòng)卸載系統6、編碼器安裝調整系統7組成。
圖1加工中心用電主軸結構簡(jiǎn)圖主軸軸系1是高速、高精度主軸的本體。為使主軸軸系在極寬的轉速范圍內正常平穩工作,必須對該軸系進(jìn)行全面的軸系結構分析,找出該軸系的臨界轉速。使之工作轉速遠離其固有頻率。同時(shí)應對旋轉軸系的選材及熱處理工藝方案等加以詳細分析,以期獲得理想的尺寸穩定性。
主軸電機2用于接受驅動(dòng)控制器提供的中頻電,并將其轉換成主軸的機械能。為適應數控機床在寬轉速范圍內,實(shí)現低速大扭矩的特殊性,大型數控銑、加工中心和數控車(chē)床用電主軸的電機通常被設計成恒功率控制的。
高轉速電主軸的支承3通常選用角接觸球軸承。轉速15,000r/min以下的電主軸軸承dn值一般小于800,000mmr/min,為方便用戶(hù),通常使用脂潤滑。高轉速電主軸的軸承dn值大于800,000mmr/min,通常采用油氣潤滑。這樣可減輕油霧廢氣對環(huán)境的污染。超高速的電主軸建議選用陶瓷球混合型軸承,以提高滾動(dòng)體的強度及耐熱性。
高速意大利電主軸的轉軸上不能安裝風(fēng)扇,其外殼是功能部件的安裝表面,也無(wú)法設置貫通的散熱筋。因此,必須設置必要的冷卻系統4,將電主軸運行過(guò)程中由電機和軸承座產(chǎn)生的熱量帶走,使電主軸在某一溫度上達到熱平衡。
用于數控銑及加工中心的電主軸由安裝在尾端的氣、液缸產(chǎn)生松刀力,經(jīng)安放在轉軸內腔的松拉刀機構5,通過(guò)拉刀器來(lái)實(shí)現松拉刀。其拉刀器可視電主軸轉速及傳遞扭矩的不同選用HSK、卡爪、鋼球等不同型式。
用于車(chē)削的電主軸動(dòng)力卡盤(pán)與動(dòng)力回轉油缸分裝在電主軸的兩端,必須設置相應的裝配法蘭,使上述部件可靠、同軸地安裝在主軸上。
用于數控銑及加工中心的電主軸松刀時(shí),尾端氣、液缸產(chǎn)生的強大松刀力項動(dòng)松拉刀機構的拉桿向前運動(dòng),同時(shí)也使電主軸軸承承受強大的推力。為使電主軸軸承免遭損傷,應在電主軸上設計一套理想的卸載系統6。使松刀力轉換為轉軸的內力。
大型數控車(chē)、加工中心用電主軸需具備準停、準位。準速功能。必須在電主軸單元中安裝能實(shí)現速度反饋和傳遞位置信號的磁性編碼器。其鋼質(zhì)碼盤(pán)應安裝在轉軸本體上,接受器應牢固地安裝在電主軸外殼上,同時(shí)應便于調整。