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高速电机的关键技术

发表时间:18-09-04

  高速加工技术越来越受到人们的关注,它不仅可获得更大的生产率,而且还可获得很高的加工质量,并可降低生产成本,因而被认为是21世纪最有发展前途的先进制造技术之一。在先进工业国家,此项技术已广泛应用于航空、航天及模具行业。在近五年中,我国的该项技术也取得了长足的进步。

  高速机床是实现高速切削的前提条件,机床的高速化是目前机床的发展趋势。高速机床与虚拟轴机床均为机床突破性的重大变革。无论是普通数控机床还是虚拟轴机床,实现高速化的关键部件仍是主轴单元。主轴高速化常用dn值(dn值是指主轴轴承的平均直径(mm)与主轴的极限转速(r/min)的乘积)来衡量,高速主轴常是指dn值在1.0×106以上的主轴。随着轴承技术、润滑技术的发展,主轴的转速在逐年提高。在资料显示,在80年代,主轴轴承在脂润滑条件下的dn值最多只能达到0.5×106,但当油气润滑装置开发出来以后,dn值迅速提高到1.0×106,采用角接触陶瓷球轴承后,主轴轴承的dn值进一步提高到2.0×106。到90年代,采用新的润滑方式——喷射润滑,使主轴的dn值达到3.0×106。对于转速在10000r/min以上的主轴单元,通过皮带或者联轴器来驱动已不再合适,较合理的方式是采用内装电机直接驱动,即将电机的转子直接安装在主轴上,定子安装在主轴套筒里,做成所谓电主轴的形式。该电主轴具有结构紧凑、易于平衡、传动较率高等优点,是高速主轴理想的结构。电主轴的性能除了受轴承及其润滑技术影响较大以外,还受许多因素的影响,其中包括轴承预紧力的控制、内装电机的发热与冷却、主轴的动平衡、轴上零件的连接等。此外,主轴轴端的设计也是不容忽视的问题。

  2 .电主轴轴承的选择及其预紧技术

  用在高速主轴单元上的轴承主要有角接触球轴承、磁悬浮轴承、水基动静压轴承、空气动静压轴承等。磁悬浮轴承由于价格昂贵,控制系统复杂,发热问题难以解决,因而还无法在高速主轴单元上推广应用。水基静压轴承是目前国内较热门的研究课题之一,它是利用水具有热容量较大、轴承温升较小的特点,部分解决了普通动、静压轴承发热严重的问题,主要用在低速重载场合。空气动静压轴承径向刚度低并有冲击,但高速性能好,一般用在超高速、轻载、精密主轴上。角接触球轴承dn值在2.0×106以下的高速主轴单元中应用,无论是速度极限、承载能力、刚度、精度等各方面均能很好地满足要求并已标准化,价格低廉,目前90%的主轴组件采用这种类型的轴承。该类型轴承还可通过以下方法来提高性能。

  3. 合理润滑

  主轴轴承常见的润滑方式有脂润滑、油雾润滑、油气润滑、喷射润滑及环下润滑等。

  脂润滑不需任何设备,是低速主轴普遍采用的润滑方式。

  dn值在1.0×106以上的主轴,多采用油润滑的方式,其中油雾润滑是将润滑油(如透平油)经压力空气雾化后对轴承进行润滑的。这种方式实现容易,设备简单,油雾既有润滑功能,又能起到冷却轴承的作用,但油雾不易回收,对环境污染严重,故逐渐被新型的油气润滑方式所取代。

  油气润滑是将少量的润滑油不经雾化而直接由压缩空气定时、定量地沿着专用的油气管道壁均匀地被带到轴承的润滑区。润滑油起润滑的作用,而压缩空气起推动润滑油运动及冷却轴承的作用。油气始终处于分离状态,这有利于润滑油的回收,而对环境却没有污染。实施油气润滑时,一般要求每个轴承都有单独的油气喷嘴,对轴承喷射处的位置有严格的要求,否则不易保证润滑效果,油气润滑的效果还受压缩空气流量和油气压力的影响。一般地讲,增大空气流量可以提高冷却效果,而提高油气压力,不仅可以提高冷却效果,而且还有助于润滑油到达润滑区,因此,提高油气压力有助于提高轴承的转速。实验表明,加大压力比采用常规压力进行油气润滑可使轴承的转速提高20%。

  喷射润滑是直接用高压润滑油对轴承进行润滑和冷却的,功率消耗较大,成本高,常用在dn值为2.5×106以上的超高速主轴上。

  环下润滑是一种改进的润滑方式(见图1),分为环下油润滑和环下油气润滑。实施环下油或者油气润滑时,润滑油或油气从轴承的内圈喷入润滑区,在离心力的作用下润滑油更易于到达轴承润滑区,因而比普通的喷射润滑和油气润滑效果好,可进一步提高轴承的转速,如普通油气润滑,角接触陶瓷球轴承的dn值为2.0×106左右,采用加大油气压力的方法可将dn值提高到2.2×106,而采用环下油气润滑则可达到2.5×106。




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