高速立式加工中心高速主轴的关键技术分析
高速加工中心的高速主轴应具有精密度高、刚性好、运行平稳和热变形小等特点。
众所周知,轴承是主轴设计中最重要的零部件,对高速主轴来说更是如此。低速运行的主轴常使用钢球轴承,油脂润滑,但是,随着转速的提高,这种设计方法已不再合适。现在,人们希望主轴既能输出大的功率又有高的转速。目前解决该问题的方法是利用混合陶瓷轴承并辅之以油润滑,这种方法能适合于150000r/min以上的转速。已运用此项技术制成200000r/min/75hp和3000000r/min/50hp的主轴。这种主轴中使用的轴承的内、外滚道仍然是用钢制成的。但其滚动部件是由硬度高且耐磨性好的陶瓷材料制成。由于陶瓷材料比钢轻,加上其制造工艺可以保证其制成的滚珠比钢制成的更圆,且工作中不易变形,热稳定性好,所以这种混合陶瓷轴承的运行性能良好。
任何一种轴承运行过程中产生的热量都会对其精度和寿命产生负面影响,因此在高速主轴中,必须采取措施来处理这个问题。转速在100000r/min以上的主轴,典型的方法是采用气油混合润滑系统。这种系统给轴承提供最少的(但却是足够)润滑以使轴承产生较少的热量,其中气流不仅起润滑作用,还可以带走热量,除此之外,高速主轴还使用轴承冷却系统来散热,这种冷却系统有时也被称为“冷却器”。
还有一些其他的减少摩擦的设计方法,其功率为50hp,转速达200000r/min的主轴使用的是静动承,这样,主轴在“液体”中而非在刚性件上转动。当转速需要很高时可以使用空气轴承,但它一般用于直径较小且转速要求超过1000000r/min的主轴。几乎无摩擦的磁力轴承也在某些场合得到运用。
在今天的高速立式加工中心高速主轴设计中,混合陶瓷轴承发挥了巨大的作用,而且在将来的一段的时间里还继续发挥这种作用。下一代轴承将是纯陶瓷轴承(包括滚道)。现在人们已经掌握了纯陶瓷轴承的制造技术,但是一套高速加工主轴使用的纯陶瓷轴承的价格在300000～400000美元左右,如此昂贵的价格阻碍了它的推广应用。
另外,在主轴的运动转速下对主轴、刀具及其刀具夹具进行充分的平衡也是非常重要的。否则,过量的振动将导致径向跳动问题,从而缩短刀具寿命,降低加工表面质量和加工精度。
