数控金切机床的高速主轴系统(3)

魔神

    

　　最近几年，由于陶瓷圆柱混合轴承的面世和油气润滑的较普遍应用，圆柱滚子轴承的高速性能得到较大改进，所以现在已有相当数量的高速加工中心，其电主轴的后轴承采用了允许内、外圈相对移动量较大并能承受更大径向负荷的圆柱滚子轴承(图4)。这样就可在提高刚度的条件下，用比较简单的结构达到主轴可自由向后膨胀的目的，瑞士Step-Tec公司生产的高速电主轴，其后轴承就是采用陶瓷圆柱混合轴承。

　　高速电主轴除普遍采用滚动轴承外，还有其他几种轴承可供考虑：

　　静压轴承。空气静压轴承由于刚度特别是承载能力很差，尽管回转精度很高和摩擦损失较小，也只能在超精密高速铣削等切削负荷很小的埸合使用。油静压轴承在高速回转时，油囊内产生紊流，液体摩擦力也随转速增高而增大，会造成大的功率损失和引起严重的发热，故高速回转的切削机床仍很少采用(IBAG公司已有一种最高转速为32000r/min油静压轴承电主轴供应)。此外，FISCHER公司正研制一种以水为介质，名为Hrdro-F的静压轴承电主轴，最高转速36000r/min(功率67kW)。

　　动、静压轴承。它用流体动力与流体静力相结合的方法使主轴在油膜支撑中回转，兼有动压轴承和静压轴承的优点，刚度和精度高，阻尼大，寿命长，已用于Ingersoll主轴最高转速为20000r/min的卧式加工中心和某些高速磨床上。然而，此种轴承在主轴轴颈表面线速度超过50m/s时，油流也会由层流变为紊流，同样会出现发热严重和功率损失的问题，其进一步高速化仍是一个正在研究的课题，并一直受到业界人士的重视。

　　磁浮轴承。它是利用电磁力将主轴悬浮在空气中的一种高性能轴承，而且在运转过程中用灵敏的传感器不断检测主轴位置，并反馈给控制器实时调整电磁力，使与转子(轴承转子和电动机转子)结合在一起的主轴始终保持在正确位置上。由于采用电子反馈系统进行自动调节，其刚度和阻尼可控，主轴能自动动平衡，其回转精度可高达0.1µm。磁浮轴承无机械接触，寿命很长，它的高速性能仅受转子矽钢片离心力的制约，转子最高线速度可达200m/s。显而易见，磁浮轴承很适合高速高精度切削机床使用，但由于控制复杂，成本很高，目前实际在机床上使用的还不多。德国GMN公司和瑞士IBAG公司已有成熟的磁浮轴承电主轴出售(IBAG生产最高转速为70000r/min和40000r/min的两种型号)。

　　高速主轴的动平衡和HSK刀柄

　　离心力与主轴转速的平方成正比，主轴高速回转时，微小的不平衡量也会引起巨大的离心力，造成机床振动进而影响加工质量，故此，动平衡是高速主轴系统需要认真解决的问题。专业电主轴厂生产的电主轴都经过严格的动平衡，一般都执行ISO标准G0.4级(G=ew，e为质量中心与回转中心之间的位移，即偏心量，w为角速度)，即在最高转速时残馀动不平衡引起的振动速度最大不得超过0.4mm/s。广义的主轴系统还包含刀具，加工过程中每更换一把刀具，其动不平衡量就会发生变化。为此，FISCHER公司提供一种在线自动平衡装置，它能自动测出主轴系统的不平衡量，并自动使位于电主轴前端的两个平衡圆盘相对转动到一个动不平衡量最小的位置。

　　北京机床研究所µ1000系列精密立式加工中心，在利用FANUC主轴电动机的基础上，自行制造了最高转速为15000r/min的电主轴。该电主轴在制造过程中经过两次精确的动平衡，第一次是在转子热装后，第二次是所有回转零件装配好且几何精度检验完毕后。同时，还在电主轴前后位置设有平衡环以备在线动平衡用。