高速電機(jī)概況1概述高速加工技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，它不僅可獲得更大的生產(chǎn)率，而且還可獲得很高的加工質(zhì)量，并可降低生產(chǎn)成本，因而被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的先進(jìn)制造技術(shù)之一。在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家，此項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天及模具行業(yè)。在近五年中，我國(guó)的該項(xiàng)技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。是實(shí)現(xiàn)高速切削的前提條件，機(jī)床的高速化是目前機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)。高速機(jī)床與虛擬軸機(jī)床均為機(jī)床突破性的重大變革。無(wú)論是普通數(shù)控機(jī)床還是虛擬軸機(jī)床，實(shí)現(xiàn)高速化的關(guān)鍵部件仍是主軸單元。主軸高速化常用dn值(dn值是指主軸軸承的平均直徑(mm)與主軸的極限轉(zhuǎn)速(r/min)的乘積)來(lái)衡量，高速主軸常是指dn值在1.0 106以上的主軸。隨著軸承技術(shù)、潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展，主軸的轉(zhuǎn)速在逐年提高。在資料顯示，在80年代，主軸軸承在脂潤(rùn)滑條件下的dn值最多只能達(dá)到0.5 106，但當(dāng)油氣潤(rùn)滑裝置開(kāi)發(fā)出來(lái)以后，dn值迅速提高到1.0 106，采用角接觸陶瓷球軸承后，主軸軸承的dn值進(jìn)一步提高到2.0 106。到90年代，采用新的潤(rùn)滑方式 噴射潤(rùn)滑，使主軸的dn值達(dá)到3.0 106。對(duì)于轉(zhuǎn)速在10000r/min以上的主軸單元，通過(guò)皮帶或者聯(lián)軸器來(lái)驅(qū)動(dòng)已不再合適，較合理的方式是采用內(nèi)裝電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，即將電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接安裝在主軸上，定子安裝在主軸套筒里，做成所謂電主軸的形式。該電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于平衡、傳動(dòng)較率高等優(yōu)點(diǎn)，是高速主軸理想的結(jié)構(gòu)。電主軸的性能除了受軸承及其潤(rùn)滑技術(shù)影響較大以外，還受許多因素的影響，其中包括軸承預(yù)緊力的控制、內(nèi)裝電機(jī)的發(fā)熱與冷卻、主軸的動(dòng)平衡、軸上零件的連接等。此外，主軸軸端的設(shè)計(jì)也是高速電主軸不容忽視的問(wèn)題。2電主軸軸承的選擇及其預(yù)緊技術(shù)用在高速主軸單元上的軸承主要有角接觸球軸承、磁懸浮軸承、水基動(dòng)靜壓軸承、空氣動(dòng)靜壓軸承等。磁懸浮軸承由于價(jià)格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)熱問(wèn)題難以解決，因而還無(wú)法在高速主軸單元上推廣應(yīng)用。水基靜壓軸承是目前國(guó)內(nèi)較熱門的研究課題之一，它是利用水具有熱容量較大、軸承溫升較小的特點(diǎn)，部分解決了普通動(dòng)、靜壓軸承發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題，主要用在低速重載場(chǎng)合。空氣動(dòng)靜壓軸承徑向剛度低并有沖擊，但高速性能好，一般用在超高速、輕載、精密主軸上。角接觸球軸承dn值在2.0 106以下的高速主軸單元中應(yīng)用，無(wú)論是速度極限、承載能力、剛度、精度等各方面均能很好地滿足要求并已標(biāo)準(zhǔn)化，價(jià)格低廉，目前90%的主軸組件采用這種類型的軸承。該類型軸承還可通過(guò)以下方法來(lái)提高性能。合理潤(rùn)滑主軸軸承常見(jiàn)的潤(rùn)滑方式有脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑、噴射潤(rùn)滑及環(huán)下潤(rùn)滑等。脂潤(rùn)滑不需任何設(shè)備，是低速主軸普遍采用的潤(rùn)滑方式。dn值在1.0 106以上的主軸，多采用油潤(rùn)滑的方式，其中油霧潤(rùn)滑是將潤(rùn)滑油(如透平油)經(jīng)壓力空氣霧化后對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑的。這種方式實(shí)現(xiàn)容易，設(shè)備簡(jiǎn)單，油霧既有潤(rùn)滑功能，又能起到冷卻軸承的作用，但油霧不易回收，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，故逐漸被新型的油氣潤(rùn)滑方式所取代。油氣潤(rùn)滑是將少量的潤(rùn)滑油不經(jīng)霧化而直接由壓縮空氣定時(shí)、定量地沿著專用的油氣管道壁均勻地被帶到軸承的潤(rùn)滑區(qū)。潤(rùn)滑油起潤(rùn)滑的作用，而壓縮空氣起推動(dòng)潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)及冷卻軸承的作用。油氣始終處于分離狀態(tài)，這有利于潤(rùn)滑油的回收，而對(duì)環(huán)境卻沒(méi)有污染。實(shí)施油氣潤(rùn)滑時(shí)，一般要求每個(gè)軸承都有單獨(dú)的油氣噴嘴，對(duì)軸承噴射處的位置有嚴(yán)格的要求，否則不易保證潤(rùn)滑效果，油氣潤(rùn)滑的效果還受壓縮空氣流量和油氣壓力的影響。一般地講，增大空氣流量可以提高冷卻效果，而提高油氣壓力，不僅可以提高冷卻效果，而且還有助于潤(rùn)滑油到達(dá)潤(rùn)滑區(qū)，因此，提高油氣壓力有助于提高軸承的轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)表明，加大壓力比采用常規(guī)壓力進(jìn)行油氣潤(rùn)滑可使軸承的轉(zhuǎn)速提高20%。噴射潤(rùn)滑是直接用高壓潤(rùn)滑油對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻的，功率消耗較大，成本高，常用在dn值為2.5 106以上的超高速主軸上。環(huán)下潤(rùn)滑是一種改進(jìn)的潤(rùn)滑方式(見(jiàn)圖1)，分為環(huán)下油潤(rùn)滑和環(huán)下油氣潤(rùn)滑。實(shí)施環(huán)下油或者油氣潤(rùn)滑時(shí)，潤(rùn)滑油或油氣從軸承的內(nèi)圈噴入潤(rùn)滑區(qū)，在離心力的作用下潤(rùn)滑油更易于到達(dá)軸承潤(rùn)滑區(qū)，因而比普通的噴射潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑效果好，可進(jìn)一步提高軸承的轉(zhuǎn)速，如普通油氣潤(rùn)滑，角接觸陶瓷球軸承的dn值為2.0 106左右，采用加大油氣壓力的方法可將dn值提高到2.2 106，而采用環(huán)下油氣潤(rùn)滑則可達(dá)到2.5 106。采用角接觸陶瓷球軸承圖1環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖影響角接觸球軸承高速性能的主要原因是高速下作用在滾珠上的離心力和陀螺力矩增大。離心力增大會(huì)增加滾珠與滾道間的摩擦，而陀螺力矩增大則會(huì)使?jié)L珠與滾道間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，使軸承摩擦發(fā)熱加劇，因而降低軸承的壽命。為了提高軸承的高速性能，常采用兩種方法：一是減小滾球的直徑，如采用已標(biāo)準(zhǔn)化的71900系列主軸軸承；另一種則是采用新型的陶瓷(Si3N4)材料做滾珠，由于Si3N4陶瓷材料的密度僅為軸承鋼的40%，因而這種軸承的高速性能明顯高于全鋼軸承。目前國(guó)外絕大多數(shù)高速機(jī)床主軸均采用這種軸承。合理的預(yù)緊力控制為了提高軸承的剛度，抑制振動(dòng)及高速回轉(zhuǎn)時(shí)滾珠公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的滑動(dòng)，提高軸的回轉(zhuǎn)精度等，在主軸上使用的滾動(dòng)軸承均需預(yù)緊。預(yù)緊的方式主要有恒位置預(yù)緊和恒力預(yù)緊