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数控机床高速精密电主轴的关键技术


日期:2009年11月04 来源:沈阳第一机床厂 关键字:数控机床

    屯主轴实现高速化和精密化的关键足籼承;刚V在人功率高速精密电土籼巾应用的籼承主要是角接触轴承和液体动静压轴承。空气籼承仅适合数控机床小功率场合,而磁悬浮籼承由于价格昴贵、柞制系统复杂,其实州性受到限制。
    (1)角接触陶瓷球轴脉
    滚动轴承的滚动体在尚速运转叫会itt:!l;巨人的离心力和陀螺力矩。其小,离心力厂((N)
    可按下式计算:
    厂’二"可人畦    (5-1)
    式:[’  P——滚珠剂料的密皮(kg/n13):
    Di,  滚珠的直径(m);
    厶——滚珠轴承的节阑白什tin);
    呜——滚珠的公转角速度(rad/s)。
    巾式(5-])可见,滚珠的离心力,抻rr承转速的平方成正比。当轴承的转速很高时,滚琳的离心力就很大,有时甚至超过切削力的负荷。
    滚动体所受的陀螺力矩肘Z,(N•111)叫用下式训算:
    Mb-Jtom~,sin"    (5-2)
    式中  fob--滚珠的自转角速度,rad/s:
    卜—滚珠自转轴与坐标牛面的灾角,tad:
    j--滚珠的转动惯量,kN•√。
    为了降低滚动体的离心力和陀螺力矩,采用陶数控机床瓷球和钢质套囤组成的混合轴承成为最常见的选择。白从氮化硅(Si3N4)陶瓷材料被英国科学家于20世纪70年代川人下台成的方法发明以来,由于其优良的力学、物J里和化学性能,引起机械千租界的极大兴趣和高度重视。
与钢质球相比,陶瓷球有以/优点:
    ①密度小、质量轻。采用陶瓷球以后,离心力和陀螺力矩都人幅度减小,从而接触庇力减小,摩擦功耗下降,温升降低,轴承寿命延K。
    ②弹性模量高。陶瓷的弹性模量数控机床为钢球的1.5倍,既提高了轴承和主轴系统的刚度,也提高了土轴系统的临界转速。
    ③线膨胀系数低。在√÷同温升条什下,球与内外环的配合间隙变化小,提高厂轴承上作的叮靠性,并减小了温升导致的轴承轴向位移,也使得预加载荷变化小。
    ④硬度高,达到1600~1700HV,为钢球的2.3倍,叫减少磨损,提高轴承寿命c
    ⑤陶瓷与金属问不产生“咬住”  (galling)现象,磨损物也不会嵌入陶瓷球中,从而进步提高了轴承寿命。由于陶瓷球具备以上优点,使得陶瓷球轴承在高速及更载条件F,仍叫获得高刚度、低温升和长寿命的效果。实践表明,在相同的负荷、润滑和精度等级的条件下,混合轴承的d•n值是钢球轴承的1.25—1 35倍。
    尽管陶瓷球轴承的价格比钢质球数控机床轴承的价格高出2~2.5倍,但其依然有较好的性价比。
    德国GMN公司和瑞士STEP-TEC公司用邗口工中心和数控铣床的电主轴个部采用陶瓷球轴承。采用油脂润滑的方式,功串达16kW的电主轴,转速町达18 000~12 000r/min:采用油气润滑方式,功率25kW的电主轴的转速可达30000r/min。
陶瓷球轴承常见的润滑方式有油脂润滑、油雾润滑、油气润滑、喷射润滑及环下润滑等。其中,油脂润滑不需任何设备,是低速主轴普遍采用的润滑方式。d•n值在L0x106以上的主轴,多采用油润滑的方式,其中,油雾润滑是将润滑汕经斥缩牛气雾化后对轴  承进行润滑的,这种方式容易实现、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l陵,对环境污染严重,故逐渐被新型的油气润滑方式所取代。
    油气润滑是少量的润滑油不经雾化数控机床而自接由匝缩宁气定时、定量地沿着专用的油气管道壁而均匀地送到轴承的润滑区。润滑汕起到润滑作用,而压缩空气起到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,有利于润滑油的回收,所以对环境没有污染。实施油气润滑时,一般要求每个轴承都有单独的油气喷嘴,对轴承喷射处的位胃有严格的要求,舌则不易保证润滑效果,汕气润滑的效果还受压缩空气流量和油、数控机床气压力的影响。  .般地讲,增大空气流量可以提高冷却效果,而提高油、气压力,不仅叮以提高冷却效果,而日.有助于润滑油到达润滑区,田此,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叫使轴承的转速提高20%。汕气润滑介质一般从轴承的一侧供应给轴承,如图5—2(a)所示。~SCHER公司开发了一种“直接滑”系统(DirectLubricationSystem,DLS),如图5—2(b)所示,使油、气   直接从径向送达接触应力最高处。这种直接润滑系统可作为选件供给对电主轴要求极高的用户。


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