机床工程师
电主轴的基本参数与结构
表1列出了德国GMN公司用于加工中心和铣床的电主轴的型号和主要规格。
表1 德国GMN 公司用于加工中心和铣床的电主轴的型号和主要规格
注:HCS一矢量驱动;0L一油气润滑:G一永久油脂润滑:SK一IS0 锥度。表中产品全部使用陶瓷球轴承。
2 结构和布局
高速电主轴的典型结构如图3所示。主轴由前后两套滚珠轴承来支承。
1-连接装置;2一滚珠套;3-冷却水套:4-矢量控到5-位移传感器;6-刀具接口;7一轴承。
图3电主轴的典型结构
电动机的转子用压配合的方法安装在机床主轴上,处于前后轴承之间,由压配合产生的摩擦力来实现大转矩的传递。由于转子内孔与主轴配合面之间有很大的过盈量,因此,在装配时必须在油浴中将转子加热到200℃左右，迅速进行热压装配。电动机的定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体中。这样,电动机的转子就是机床的主轴,电主轴的套筒就是电动机座，成为一种新型主轴系统。在主轴的后部安装有齿盘作为电感式编码器,以实现电动机的全闭环控制。主轴前端外伸部分的内锥孔和端面,用于安装和固定可换的刀柄。
图3中:1为各种连接装置,用于连接电源、数据线、冷却水、润滑剂、压缩空气等,其安装和更换极为方便;2为滚珠套,它使得主轴可自由向后方膨胀;3 为冷却水套,保证有限均匀的温升,线圈中的温度传感器进一步保证工作的安全可靠;4为矢量控制确保低速大转矩,使得刚性攻丝得以实现;5为um 级位移传感器,可通过数控系统进行位移补偿;6为HSK -E刀具接口,径向和轴向重复精度小于 1μm。BT、SK、CAT、SKI接口均为选件,冷却液从刀具中喷出也是选件;7为陶瓷球混合轴承,精度优于 3um,大尺寸轴颈保证了径向和轴向刚度,最小量的润滑直接喷向轴承,延长了轴承的寿命。
3 滚动轴承的配置形式和预加载荷
根据切削负荷大小、形式和转速等,电主轴轴承一般采用如图4所示的配置形式。其中a仅适用负荷较小的磨削用电主轴,f的后轴承为陶瓷圆柱混合轴承，可用于高速,既提高了刚度,又简化了结构。依靠内孔1:12的锥度来消除间隙和施加预紧。
角接触球轴承一般必须在轴向有预加载荷条件下才能正常工作。预加载荷不仅可消除轴承的轴向游隙,还可以提高轴承刚度、主轴的旋转精度,抑制振动和钢球自转时的打滑现象等。一般说来，预加载荷越大,提高刚度和旋转精度的效果就越好;但是另一方面,预加载荷越大,温升就越高,可能造成烧伤,从而降低使用寿命，甚至不能正常工作。所以,针对不同转速和负载的电主轴来选择轴承最佳的预加载荷值，就成为电主轴制造厂家一个较为重要的技术诀窍。
对转速不太高和变速范围比较小的电主轴，一般采用刚性预加载荷,即利用内外隔圈或轴承内外环的宽度尺寸差来施加预加载荷。这种方式虽然简单，但当轴系零件发热而使长度尺寸变化时，预加载荷大小也会相应发生变化。
当转速较高和变速范围较大时，为了使预加载荷的大小少受温度或速度的影响,应采用弹性预加载荷装置,即用适当的弹簧来预加载荷，
以上两种方法,在电主轴装配完成以后,其预加载荷大小就无法改变和调整。
对于使用性能和使用寿命要求更高的电主轴,有些电主轴公司采用可调整预加载荷的装置，其工作原理如图5所示。在最高转速时,其预加载荷值由弹簧力确定;当转速较低时,按不同的转速,通以不同压力值的油压或气压,作用于活塞上而加大预加载荷,以便达到与转速相适应的最佳预加载荷值。
4 陶瓷球混合轴承
在滚珠轴承运转过程中,滚珠既自转又公转,会产生离心力和陀螺力矩。每个滚珠的离心力F(N)可按下式计算:
式中
ρ——滚珠材料的密度,kg/m^3
Db——滚珠的直径,m
dm——滚珠轴承的节圆直径,m
ωm——滚珠的公转角速度,rad/s
由式(1)可见,滚珠的离心力与轴承转速的平方成正比。当轴承的转速很高时,滚珠的离心力就很大，其值有时甚至超过切削力的负荷。滚珠所受的陀螺力矩 M(N·m)可用下式计算
式中
J——滚珠的转动惯量,kg·m^2
ωb——滚珠的自转速度,rad/s
β——滚珠自转轴与坐标平面之间的夹角，rad
同样,在轴承高速运转条件下,滚珠也将产生巨大的陀螺力矩,造成对电主轴不可忽视的额外载荷,并可能产生滚珠与滚道之间的相对滑移。
这个巨大的离心力和陀螺力矩,会对轴承产生很大的接触应力,加剧轴承的温升与磨损,降低轴承的使用寿命。
为了减小这个离心力和陀螺力矩,根据式1和式2,可以采用以下两种方法:
(1)适当减小滚珠的直径。但是,滚珠直径的减小应以不过多削弱轴承的刚度为限。一般高速精密滚动轴承的滚珠直径约为标准系列滚珠轴承的70%，而且做成小直径密珠的结构形式,通过增加轴承的滚珠数和滚珠与内外套圈的接触点,提高滚珠轴承的刚度。
(2)采用轻质材料来制造滚珠。自从氮化硅SiN,)陶瓷新材料被英国科学家于 20 世纪 70年代用人工合成的方法发明以来，由于这种材料优良的力学、物理和化学性能(见表2),引起了机械工程界的极大兴趣和高度重视。人们一直想用这种新材料来制造滚动轴承的滚动体,以解决高速运转中出现的上述问题。经过近20年的努力,氮化硅(SiN)陶瓷球终于研制成功并投入了工业生产。
表2 氮化硅陶瓷与轴承钢的性能对比
当钢质的内外环配以氨化硅(SiN)陶瓷球时,这种角接触球轴承称为混合陶瓷轴承(Hybrid CeramicBearing)。国外一般简称为混合轴承(Hybrid Bear-img),而国内习称陶瓷球轴承,现已得到比较广泛的应用。
与钢质球相比,陶瓷球有以下优点:
(1)质量轻。材料密度仅为 3.218 g/cm^3,只相当于钢球的 40%。在高速回转时,轻质球的离心力可显著减小。以内径为70mm,外径为 110 mm 的滚珠轴承为例(见图6),普通钢质轴承的滚珠直径为12.7mm。按式1计算,在转速为 15 000 /min 进行运转时,每一个钢球(用黑色表示)的离心力为 174 N; 如将钢球的直径减少至7.938 mm,则离心力可减至 79 N。当用氮化硅陶瓷材料来制作滚珠(陶瓷球用白色表示)时,标准直径( 12.7 mm)陶瓷球的离心力为 71 N:如果再把陶瓷球的直径减至7.938 mm,则离心力可进一步减至 32 N,约为原来的 1/6。陀螺力矩也有相类似的情况。由此可见,采用陶瓷球以后,离心力和陀螺力矩都得到大幅度的减小,从而接触应力减小,摩擦功耗下降,温升降低,轴承寿命延长。
离心力减小后,还可使轴向位移减小(见图7),使预加载荷的变化小,更好地适应于转速范围大的应用场合。
(2)弹性模量高。E=3.22×10^7MPa,为钢球的1.5 倍,提高了轴承和主轴系统的刚度,也提高了主轴系统的临界转速。
（3）线膨胀系数低,α=3.2×10^-6/℃,约为钢球的 25%,使得在不同温升的条件下,球与内外环的配合间隙变化小,提高了轴承工作的可靠性,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,能达到1600~1 700 HV,为钢球的2.3 倍,可减少磨损,提高轴承寿命。
5)陶瓷与金属间不产生“咬住”(galling)现象,磨损物也不会嵌入陶瓷球中，从而进一步提高了轴承寿命。
由于陶瓷球具备以上这些优点,使得陶瓷球轴承在高速及重载的条件下,仍可获得高刚度、低温升和长寿命的效果。
轴承允许的工作极限,常用 dmn值来表示,dm为轴承内外径的平均值,又称轴承节圆直径,为主轴转速。在相同的负荷、润滑条件和精度等级的条件下，混合轴承的 dmn 值是钢球轴承的 1.25 ~1.35 倍。因此,虽然陶瓷球轴承价格约为钢质球轴承的2~2.5 倍,但寿命比钢质球轴承长3~6倍,可见其性能价格比并不低。世界闻名的德国GMN公司(公司名称为 Paul Muller,以下简称 GMN)和瑞士 STEP -TEC 公司用于加工中心和铣床的电主轴全部采用陶瓷球轴承,其规格详见第四讲的表1和表2。由表可见，采用永久性油脂润滑的电主轴,在功率高达16 kW 时(套筒外径为 ф170 mm),转速仍可分别高达 18 000 r/min 和 12 000 min。在油-气润滑条件下,功率高达25 kW 时(套筒外径仍为 Φ170 mm),转速仍可分别高达 18 000 r/min 和 12 000 r/min。在油-气润滑条件下,功率高达 25 kW 时(套筒外径仍为 Φ170 mm),转速可高达 30 000 min。这些均是钢质球轴承难以做到的。
钢制圆柱滚动轴承径向承载能力大、刚度高,但由于它为线接触，发热量大而不能应用于高速。而陶瓷圆柱混合轴承,由于陶瓷的特性，可以应用于高速。Step -Tec 公司电主轴的后轴承,全部采用了这种轴承(如图 4f),最高转速达 42 000 r/min。最近,国外一些加工中心等普通主轴也仿效这种做法。