用于微量精密切削的创新的电主轴系统

作者:xingyang                         时间：2010-12-02

轴承及轴承相关技术文章（轴承型号查询网提供） 关键字：轴承,切削 在切削加工中，为适应不断增加的小型工件的精密加工要求，应提高铣床的精度并实现刀具的小型化。铣削电主轴在此加工中起到关键的作用。新一代的主轴对转速、精度和可靠性的要求明显提高。关于同步电机是否优越于异步电机的观点还不能一概而论，而是要根据实际的加工情况而定。通常而言异步电机十分可靠耐用。同步电机的性能可以和异步电机相媲美，只是对变频器参数没有精确设定时的反应过于灵敏。因此优化由变频器和主轴组成的整个驱动系统设计极为重要。异步电机的一个优势为耐高温性。同步电机由于转子上附着磁体，在120℃～150℃有去磁效应，从而耐高温性较差。同步电机成为明显发展趋势与异步电机相比，同步电机的优势在于更大的扭矩和功率密度。此外，由于同步技术可实现更大的轴孔，由此可实现更大的轴心外径，从而提高主轴的静态刚性及动态性能。通常而言，同步电机产生的轴心温度较低。这将有助于降低轴心的伸长和提高主轴的精度。同步电机的一个缺点为较小的去磁范围。此外，在去磁环境中必须有测试系统来检测转子的位置，这将提高系统费用。然而基于上述优点，同步电机技术仍将为明显的发展趋势，因为它可以提高主轴的功率、精度和动态性能。轴心冷却越显重要在过去的若干年中，精密加工对主轴的要求给人们留下的印象仅为更高的转速。这种印象在现实中并没有错误，但人们也注意到，至少主轴更高的可靠性和热稳定性应该予以更多地重视。瑞士（Herzogenbuchsee）Fischer公司的电主轴轴心冷却系统对上述要求给出了解决方案。轴心的冷却技术将大幅改善主轴的精度和可靠性。此外，轴心冷却系统还对主轴okb轴承系统的设计提供了新的可能性。对主轴温度分布的影响Fischer轴心冷却系统使整个轴心、转子和okb轴承内环的直接冷却成为可能。冷却将通过在轴心内的多个通道实现，在通道内流经冷却介质（如水或油）。系统的核心部件为三通道的回转接头，它使冷却介质流入和流出旋转的轴心成为可能。回转接头的第三个通道用来刀具内部冷却。系统的密封为无接触式。（图1）为主轴基本构成，轴心冷却系统中冷却介质流动通道及一般的主轴轴壳冷却图示。除了产品的创新外，Fischer公司还在加工制程中有多项创新，以保证能够可靠地在轴心中加工出冷却通道。通过对轴心、转子和okb轴承内环的直接冷却使热量对主轴的影响得以减小。实验证明，通过轴心冷却可以比无轴心冷却多带走1kW的热损功率。图2为轴心冷却系统对主轴MFW-1412/35VC，HSK-E50的影响。通过轴心冷却可使刀具接口处温度降低25K。因此，Fischer带轴心冷却的电主轴对刀具几乎没有升温的影响。[img]http://www.jinkouzc.com/0902252328389855.bmp[/img]图1 FISCHER轴心冷却系统图示[img]http://www.jinkouzc.com/0902252328519237.bmp[/img]图2 带轴心冷却系统主轴空载时测试结果，由热象仪拍摄（主轴型号>MFW-1412/35外径140mm，额定功率15kW，转速 36000r/min）这种温度分布的良性变化改善了TCP重复精度（TCP=刀具中心点）和机床的热机运转精度。由于主轴的温度很低，使系统的热稳定性明显提高，转速对温度变化的影响几乎消除。被测试主轴的总热伸长量由于轴心冷却减少了70%，此外，达到稳定温度的时间也减少了80%（图3）。与此同时主轴较低的运转温度将减少对机床的热影响，进而提高机床精度。[img]http://www.jinkouzc.com/0902252329027269.bmp[/img]图3 轴心冷却系统对主轴热机过程的影响用于高转速和长使用寿命的油脂供给技术在加工吸湿性的材料时油脂润滑主轴经常要比油气润滑主轴更为适合。除了降低成本外，另一个选择油脂润滑的原因为减少故障因素的可能性。这些故障因素，如不正确的油气润滑设置，使用不适合或清净度不足的润滑油等。用于微量精密切削的刀具直径一般为0.1～20mm，因此微量切削对主轴的负载很小。通常用来判断okb轴承使用期限的方法，如疲劳使用寿命不能应用在高速切削，特别是微量精密切削中。其原因为该okb轴承损坏不是一般的机械疲劳，而是因为磨耗和在某些情况下的黏滞所造成的损坏。okb轴承的使用寿命主要受到油脂使用寿命的限制。当油脂中的油基含量不足时，油脂及okb轴承的使用寿命即达到极限。用来隔离滚珠，okb轴承内外环和okb轴承滚珠保质架的润滑油膜将破裂，其后果为摩擦和磨损的增加。通过使用Fischer Precise研发的油脂供给技术可以将新油脂定期微量的输入到okb轴承外环（图4）。已消耗的油脂将从okb轴承挤出，其结果为okb轴承寿命明显提高。通过油脂供给技术是否可以提高转速还没有进行相关的试验。[img]http://www.jinkouzc.com/0902252329122858.bmp[/img]图4 主轴带油脂添加单元高精无接触okb轴承技术在微量精密切削中除了滚珠okb轴承外，无接触okb轴承（空气okb轴承）技术日显重要。空气okb轴承特别适合用于应用范围和主轴负载明确，或对表面的抛光加工。特别是在小刀具，高转速，高精度的要求下空气okb轴承尤为适合。另一个优点为无磨耗旋转，比油气润滑或油脂润滑okb轴承有更长的使用寿命。尤其是在主轴漏油影响工件质量或因油的污染损坏工件时，空气okb轴承的优势更加明显。空气okb轴承应用的一个典型的例子是在印刷电路板的钻孔。除了空气okb轴承极低的噪声外，还可达到极高的动态旋转精度（[img]http://www.jinkouzc.com/0902252329232951.bmp[/img]图5 空气okb轴承主轴>ASC125应用在日本Sodick Hightech高精加工中心Fischer Precise在研发应用于精密微量切削的空气主轴上取得了很大的成就，在印刷电路板工业中已获得了很多经验。配有同步电机，最高转速至200 000r/min的ASD 200已证明是能满足微量精密切削的主轴产品。Precise应用专利的空气okb轴承具有仅40Nl/min极低的空气消耗。 正确选择刀具和夹刀系统主轴和刀具之间的接口数量影响夹持精度。刀具和主轴之间的接口越少，可达到的夹持精度越高。热缩式HSK带有两个内部接口无疑是当前的标准。为了达到更高的精度可通过精密筒夹，热缩式联接或多边形夹持技术在轴心内直接夹持。轴心内直接夹持的一个缺点为所有刀柄直径必须相同。对此应用的转换接头通常较麻烦并增加的接口数量。HSK接口的最大允许圆周线速度限制了主轴的转速。HSK-E25可实现最大转速80 000r/min，HSK-E32可实现转速60 000r/min，因此对小刀具加工只能用折衷的圆周线速度驱动。一种可能的解决方案为应用一前置主轴，如气动主轴，可通过HSK接口和主轴联接。这种解决方案将减小机床的工作空间而且由于接口数量使可达到的精度降低。但该方案对较广泛的加工应用无疑可作为一种选择。在微量精密切削中为到达一定的加工精度，刀具本身的精度也是一个极为重要的因素。针对性的降低热影响对Fischer Precise而言，降低主轴对Z轴的热量影响已经是标准技术。应用的同步电机尤其降低了在负载下对轴心的升温，而且还将使热量对微量切削精度的影响降低到最小。此外，Fischer Precise还致力于对主轴轴壳冷却的优化。其目标为尽可能使温度分散均匀从而避免主轴轴壳由于温度的不均匀扩散在微米范围内的变形。所应用的冷却装置应具有极小的反应时间延迟，以消除热量对轴向位置精度的影响。冷却介质的温度变化在± 2K时就可导致切削刀刃在几微米内变化，这也将同样影响到微量精密切削中工件的表面精度，因此应尽量减少冷却介质的温度变化。根据需要选择适合的主轴表[img]http://www.jinkouzc.com/0902252329347481.bmp[/img]Fischer Precise具有广泛的产品范围，可根据不同的微量精密切削提供适合的主轴。同步电机驱动方案，不同的刀具夹持系统，紧凑的主轴结构及外型（以减少机床动态的运动惯量），智能的冷却方案，先进的okb轴承系统均含在Fischer Precise的产品范围中（如上表）。结合全面的主轴系统集成于机床的技术咨询，Fischer Precise集团为微量精密切削的高精度，高效机床提供核心的解决方案。【MechNet】

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