高速加工技术与电主轴,中国减变速机协会

1高速加工的特点及关键技术高速加工技术是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。高速加工是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。高速加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术，其切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150~100m/min，纤维增强塑料为2000~9000m/min。 1.1高速加工的特点高速加工技术与传统加工方法相比有以下特点。 1）高速加工可在大幅度提高零件的加工效率、缩短加工时间、降低加工成本的同时，还中以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。 2）高速加工中工件执变形的可能性小。由于切屑的切除产品在极短的瞬间，切屑温度增高，切削热绝大竞争被切削带走，因而工件温度并不高。这对于加工不耐热的零件，加工对温度和热变形十分敏感的零件是有利的，特别适于加工镁合金零件。 3）高速加工中单位切削力由于工件切削层材料软化而减小，从而可减小零件加工中的变形，保证零件的尺寸和形位精度。这对于薄壁类和薄板类等加工刚性差的零件的加工特别的有利。 4）高速加工可获得很好的已加工表面质量和较小的表面粗糙度值。高速加工可减小表面硬化层度、减小表面层残余应力、表面层微观组织的热损伤，从而减小零件表面层材质的机械、物理及化学性质发生变化的可能性，保证已加工表面的内在质量，从而确保零件的使用性能。因此，高速加工可用于加工精密零件和有特种精密表面要求的零件。 5）高速加工，特别是高速铣削的突出优点在于在提高切削速度的同时可提高进给速度。当保持切削厚度不变，进给速度比常规规铣削可提高5~10倍，从而达到很高的材料切除率，有效地降低切削机动时间，提高机床的利用率。 1.2高速加工关键技术高速加工关键技术主要包括以下内容。 1.2.1高速切削机理高速切削的“高速”是一个相对概念，为常规切削速度的5~10倍。高速切削最初是作为提高加工效率、降低成本的一种手段，实际上产生了效好的连带效果，能够有效地克服难加工材料切削中的各种困难。要实现难加工材料的高速切削，道德应该加强机理研究，这是必然的先行条件。 1.2.2高速主轴单元制造技术高速电主轴是一套组件，包括电主轴及其附件，即电主轴、高速变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等，因此它融合了高速轴承、冷却、、润滑等技术。 1.2.3高速进给单元制造技术高速的主轴速度必须配备相应的高速进给系统。研究具有高速、大加/减速度的进给系统是进给单元的关键。 1.2.4高速加工用刀具系统技术在影响金属切削发展的各种因素中，刀具材料及刀具制造技术起着决定性的作用，并推动高速加工实用化。高速切削加工时，对不同的工件材料选用与其合理匹配的刀具材料和允许的切削条件，才能获得最佳的切削效果。因此，高速加工刀具所涉及的关键技术有：高速加工用刀具材料及制备技术，高速加工用刀具结构及刀具几何参数的研究 1.2.5高速在线检测与CNC控制系统高速加工在线检测技术主要是指在高速加工过程中通过传感、分析、信号处理等，对高速机床及系统的状态进行实时在线的监测和控制。在线检测技术的内容可分为对机床系统工作状态检查和加工系统状态的检查。在高速加工中，输入的控制程序仍是标准ISO数字控制代码。但在高速条件下，传统的数控程序存在诸多的问题，应采用特殊的编程方法，例如：如何使切削数据适合高速主轴的功率特征曲线，如何解决高速加工时CAD、CAM高速通信的可靠性等，这些问题都需要进一步加以研究。 2电光轴高速机床的重要性部件是机床主轴，传统机床主轴是通过中间的传动装置（如皮带。齿轮等）带动主轴旋转进行工作。电主轴又称内置式电动机主轴单元，就是将高速电动机置于机床主轴部件的内部，通过交流变频控制系统，使主轴获得所需的二作速度和扭矩。电主轴及其驱动系统是一种技术含量很高的机电一体化产品，涉及机械。电动机、驱动和控制、支承、润滑、材料热处理及振动等诸多领域，是一套相对独立、完整的功能部件。 2.1结构及工作原理主轴电动机和机床主轴合为一体的电主轴，通常采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”（High Frequency Spindle）[1-3]。图1所示为电主轴的结构简图，基础代谢要特征是将电动机内置于主轴内部直接驱动主轴，实现电动机、主轴一体化的功能。其工作原理和普通的异步电动机的工作原理一致，改变输入电动机定子绕组的电流频率和励磁电压获得各种转速。在加速和制动过程中，通过改变频率进行加/减速，以免电动机温度过高。由于电动机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，帮改变电主轴输入电流的相序便可改变电主轴的旋转方向。 [img]http://jiansuji001.com/xh/19页.jpg[/img] 与传统机床主轴相比，电主轴具有如下特点： 1）主轴由内装式电动机直接驱动，省去了中间传动环节，具有结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。 2）采用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调整范围宽，功率、转矩特性好。 3）机械结构简单，转动惯量小，可实现很高的速度和加速度及定角度的快速准停。 4）电主轴更容易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好。主轴端部径跳可达0.004mm，距主轴端部300mm处径跳为0.008mm。 5）由于没有中间传动环节的外力作用，主轴运行更平稳，使主轴轴承寿命得到延长。 2.2电主轴的选用对于已经系列化供应市场的电主轴，生产厂家提供有详细的外形尺寸、冷却方式、润滑方式及输入、输出参数，主轴的选用比较简单，只需配套满足功率、电流和使用要求的变频电源和外用冷却、润滑设施即可。事实上，电主轴的现有规格型号往往不能满足用户自己的需求，许多情况下仍需用户依照自己的要求定做电主轴。电轴的选择依据见图2. 电主轴的主要参数包括：1）主轴最高转速和恒功率范围；2）主轴的额定功率和最大扭矩；3）主轴轴承直径和前、后轴承跨距。选用电主轴最重要的是选定其最高转速、宝宝功率和转距及其与转速的关系。如图2所示，根据切削工艺计算所需的转速、转矩和功率的同时，还应充分考虑从最终用户的实际需要出发，以免造成性能冗余、资金浪费；根据实际可行的切削规范，对多个典型工件的多个典型工序多做计算；不要单纯依靠产品技术来选用，而应多与供应商销售服务专家交流，听取有根据的有益建议；注意正确选择轴承类型与润滑方式。 [img]http://jiansuji001.com/xh/20页左.jpg[/img] 另外，掌握忆主轴转矩、功率和转速之间的关系特性，可在不同的情况下，最大限度地利用电动机和驱动器的工作潜力，以提高经济效益。 2.3电主轴的关键技术高速电主轴是一项涉及电主轴本身及其附件的系统工程技术。所融合的技术主要包括如下内容。 1）高性能的驱动电动机技术。电主轴的核心是电动机性能，正确设计电动机的电磁参数十分重要。 2）合理选用和配置支承。电主轴的支承需要选择合适的主轴轴承形式，其支承必须满足电主轴高速、高回转精度的要求，同时需要相应的刚度。电主同的支承形式主要有滚动轴承支承，气压和液压的动、静压轴承支承和电磁轴承支承三种，其中使用最普遍的是滚动轴承支承。 3）设计有效的冷却系统。电主轴中有两大热源：内置电动机的发热和主轴轴承的发热。分析检测结果表明，转子的温度高达140~160℃，定子温度也有45~85℃。图3所示为高速主轴单元冷却系统图，为了尽快给高速运动的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，严格控制电主轴的温度，使其稳定在一个恒定值内。 [img]http://jiansuji001.com/xh/20页右.jpg[/img] 4）合理确定主轴零件与电动机定子的配合过盈量。电主轴的过盈量不仅应满足静态传递能力的要求，而且还要考虑主轴动态特性的影响。过盈量的大小直接影响电主轴的性能，过盈量过大，会使主轴装配困难，影响装配精度，甚至破坏配合表面；过盈量过小，则会影响主轴传递扭矩的能力。 5）电主轴应具有良好的动平衡特性[4]。对于电主轴，由于电动机转子直接过盈固定在主轴上，增加了主轴的转动质量。一般认为，8000r/min是高速加工中的最低主轴转速，高转速下主轴动转部分的微小不平衡质量绕旋转轴回转，形成了惯性离心力，该离心力F的计算公式如下： F =Meω2=Me(лn/30)2……………………（1）式中：M为系统总质量。Kg；e为不平衡偏心距，mm；ω为角速度（1/s）；n为工作转速，r/min。由式（1）可说明：离心力是按2л周期变化的矢量，其大小与转速的平方成正比，即使偏心距很小时，在高转速、大质量下也会产生很大的离心力。在生产过程中，系统总是在空载回转与切削加工这两个状态中不断地切换状态，而且切削时，受力状况还要复杂得多，最终使主轴轴承受到大小和方向不定的径向力，使轴承工作的平稳性大受影响，同时加剧了轴承过早的磨损和失效。离心力激起机床的振动，离心力过大，加剧切削刃的非正常磨损，降低了工件的加工精度和表面质量。因此高速电主轴的动平衡精度应严格要求，一般都执行ISO标准G1–G0.4级。对于这种等级的动平衡要求，不仅需在装配前对主轴上的每个零件分别进行动平衡，还需在装配后进行整体动平衡，甚至还要设计专门的自动平衡系统来实现主轴在线动平衡，确保主轴高速平衡运行。 3结语随着高速切削逐渐成为现代金属切削的发展趋势，我国在“十五”期间，高速加工技术的研究与应用也取得了重要进展，开展了直线电动机应用技术的研究，完成了8000~10000r/min机械式高速主轴单元和10000~18000r/min高速电主轴单元的产品开发和加工制造工艺的研究和应用，研制成功适合高速机床加工的HS工具系统，并已将其转化成国家标准。 “十一五”是我国经济发展的关键时期，随着个性化产品的社会需求增加，其生产条件为多品种、单件小批制造加工，高速加工技术必将在生产工艺离散型或混合企业中得到进一步的应用和发展。


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