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数控加工中心电主轴技术发展浅析

2022-05-10 作者:火狐体育官网   来源:火狐体育官方网站app

  高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一,是装备制造业的战略性产业。高速数控机床的工作性能,首先取决于高速主轴的性能。数控机床高速电主轴单元影响加工系统的精度、稳定性及应用范围,其动力性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。

  随着高速切削、超高速切削技术以及切削刀具的发展,越来越多的机械制造装备不断地向高速、高精、高效以及高智能化转变,各行业对高速数控机床的需求与日俱增。其中高速电主轴是数控机床高新技术之一,其内置电主轴直驱单元已经成为最适宜高性能工况的数控机床产品的核心功能部件之一。在高速数控机床的设计制造中,高速电主轴最为关键。

  电主轴可以根据用途、结构和性能参数等特征形成标准化、系列化产品,供主机选用,从而促进机床结构模块化。

  一方面,标准化、系列化的电主轴产品易于形成专业化、规模化生产,实现功能部件的低成本制造;另一方面,采用电主轴后,机床结构的简单化和模块化,也有利于降低机床成本。此外,还可以缩短机床研制周期,适应目前快速多变的市场趋势。

  采用电主轴结构的数控机床,由于结构简化,传动、连接环节减少,因此提高了机床的可靠性;技术成熟、功能完善、性能优良以及质量可靠的电主轴功能部件使机床的性能更加完善,可靠性进一步提高。

  有些高档数控机床,如并联运动机床、五面体加工中心以及小孔和超小孔加工机床等,必须采用电主轴,方能满足完善的功能要求。

  国外电主轴最早用于内圆磨床,20世纪80年代,随着数控机床和高速切削技术的发展和需要,逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床,成为近年来机床技术所取得的重大成就之一。随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要,人们对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求,目前国外从事高速数控机床电主轴研发与生产的企业主要包括GMN、西门子、IBAG、Setco、Omlet、Faemat、Gamfior以及大隈等,其中GMN、IBAG、Omlet、Setco和Gammfier等公司的技术代表了这个领域的最高水平。这些公司生产的电主轴有以下几个特点:功率大、转速高;采用高速、高刚度轴承,主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承,特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承;精密加工与精密装配工艺水平高;配套控制系统水平高,这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统和主轴变形温度补偿精密控制系统等。

  在此基础之上,美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床。如瑞士米克朗公司生产的机床配备最高达60000r/min的高速电主轴,可以满足不同的切削要求;所有的电主轴均装有恒温冷却水套对主轴电动机和轴承进行冷却,并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑;所有的电主轴均采用矢量控制技术,可以在低转速时输出大转矩。

  由于高速切削和实际应用的需要,随着主轴轴承及其润滑、精密加工、精密动平衡、高速刀具和接口等相关技术的发展,数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势。如钻、铣用电主轴,IBAG的HF42的转速达到140000r/min,WestWind公司的PCB钻孔机电主轴D1733更是达到了250000r/min;加工中心用电主轴,FISCHER最高转速达到42000r/min,CAMFIOR达到了75000r/min。在电主轴的系统刚度方面,由于轴承及其润滑技术的发展,电主轴的系统刚度越来越大,满足了数控机床高速、高效和精密加工发展的需要。

  根据实际使用的需要,多数数控机床需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求。因此,机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。如CAMFIOR、Step-Tec以及GMN等制造商生产的加工中心用电主轴,低速段输出转矩到200N.m以上已经不是难事,CYTEC的数控铣床和车床用电主轴的最大转矩更是达到了630N.m;在高速段大功率方面,一般在l0~50kW;CYTEC电主轴的最大输出功率为50kW;瑞士Step-Tec电主轴的最大功率更是达到65kW(S1),用于航空器制造和模具加工;甚至有电主轴功率可以达到80kW。

  用户对数控机床的精度和使用可靠性提出了越来越高的要求,作为数控机床核心功能部件之一的电主轴,对其本身的精度和可靠性要求也随之变高,如主轴径向跳动在0.001mm以内、轴向定位精度在0.5mm以下。同时,由于采用了特殊的精密主轴轴承、先进的润滑方法以及特殊的预负荷施加方式,电主轴的寿命相应得到了延长,其使用可靠性越来越高。Step-Tec的电主轴还加装了加速度传感器,降低轴承振动加速度水平,为了监视和限制轴承上的振动,安装了振动监测模块,以延长电主轴工作寿命。

  为满足实际应用的需要,电主轴电动机的性能得到了改善,如FISCHER主轴电动机输出的恒转矩高转速与恒功率高转速之比(即恒功率调速范围)达到了l:14。此外,出现了永磁同步电动机电主轴,与相同功率的异步电动机电主轴相比,其外形尺寸小,有利于提高功率密度,实现了小尺寸、大功率。

  为缩短辅助时间、提高效率,要求数控机床电主轴的启、停时间越短越好,因此需要很高的起动和停机加(减)速度。目前,国外机床电主轴的启、停加速度可达到lg以上,全速启、停时间在ls以内。

  除了常规的钢制滚动轴承外,近年来混合轴承应用陶瓷球,润滑方式有油脂、油雾和油气等。尤其是油气润滑方法(又称“Oil-air”),由于具有适应高速、环保节能的特点,得到越来越广泛的推广和应用;滚动轴承的预负荷施加方式除了刚性预负荷(又称“定位预负荷”)、弹性预负荷(又称“定压预负荷”)之外,又发展了一种智能预负荷方式,即利用液压油缸对轴承施加预负荷,并且可以根据主轴的转速、负载等具体工况控制预负荷的大小,使轴承的支承性能更加优良。在非接触形式轴承支承的电主轴方面,如磁浮轴承、气浮轴承电主轴(IBAG等)和液浮轴承电主轴(Ingersoll等)等已经有系列商品供应市场。

  机床主轴高速化后,由于离心力作用,传统的CAT(7:24)刀柄结构已经不能满足使用要求,需要采用HSK(1:10)等其他符合高速要求的刀柄接口形式。HSK刀柄具有突出的静态和动态联接刚性、大的传递转矩能力、高的刀具重复定位精度和联接可靠性,特别适合在高速、高精度情况下使用。因此,HSK刀柄接口已经广泛为高速电主轴所采用(如IBAG、CYTEC和CAMFIOR等)。近年来由SANDVIK公司提出的Capto刀具接口也开始在机床行业得到应用,其基本原理与HSK接口相似,但传递转矩的能力稍大一些,缺点是主轴轴端内孔加工困难较大,工艺比较复杂。

  在多功能方面,有角向停机精确定位(准停)、C轴传动、换刀中空吹气、中空通切削液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密补偿以及换刀自动动平衡技术等。在智能化方面,主要表现在各种安全保护和故障监测诊断措施,如换刀联锁保护、轴承温度监控、电动机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、主轴振动信号监测和故障异常诊断、轴向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监测和自动控制以及刀具磨损和损坏信号监控等。如Step-Tec电主轴安装有诊断模块,维修人员可通过红外接口读取数据,识别过载,统计电主轴工作寿命。

  国内从事电主轴研究与生产的企业总体上来说与国外上述公司相比在产品研发以及技术的创新能力上不具有优势,但是具有相对的成本优势。国外数控机床主轴公司往往只负责主轴的总体设计、技术研发以及零部件装配和测试工作,其余的关键零部件例如主轴轴承、内装电动机、主轴松拉刀机构、动力油缸或气缸以及主轴轴承润滑油品等全部实行采购,在产业的分工与合作上具有很强的组织性和互补性。同时由于分工的细致,机床主轴生产商与各附件生产商之间形成了良性的循环,各自针对本专业的关键技术投入人力、物力进行科技攻关,由此带动了国外电主轴行业的整体技术进步。反观国内厂商,各自为战,技术资源分散,除洛阳轴研科技作为原来国家轴承行业的技术归口所拥有一定的综合研发实力外,其他的企业基本上是在模仿国内外同行的产品进行生产,技术实力较弱,创新能力严重不足。在涉及电主轴轴承润滑、零部件材料选取以及加工工艺、内装式主轴电动机、松拉刀接口和主轴轴承润滑油品等方面没有自己独立的知识产权和核心技术,尤其是在电主轴的附件领域如伺服驱动控制器、编码器、动力油缸或气缸以及智能传感器等方面表现的更为突出,基本上是国外产品包打天下。这也是直到目前为止制约国产高档数控机床发展的关键原因所在。欧美公司在关键部件的研发上具有很强的前瞻性和创新能力,国际上涉及电主轴的国际标准和产品,如编码器系统、刀具接口和电动机工作制等都是欧美相关企业制定和生产的,这是他们最具有优势的地方。

  国外产品低速段的输出转矩可以达到300N.m以上,有的更是高达约600N.m(CYTEC),而国内目前则多在100N.m以内。

  国外用于加工中心电主轴的转速已经达到75000r/min(CAMFIOR),而我国则多在20000r/min以下。其他用途的电主轴,国外如今已经达到了250000r/min(WestWind公司的D1733),而我国电主轴的最高转速为150000r/min。

  国外高速电主轴轴承已经普遍采用先进的油气润滑技术,而我国则仍以油脂润滑和油雾润滑为主。

  国外已经在发展多功能、高性能的数控机床用电主轴产品,而我国仍以常规产品为主要发展方向。

  国外已经有动/静压液(气)浮轴承电主轴(IBAG等)、磁浮轴承电主轴(IBAG)的成熟商品,我国则仍处于科学研究或小批量试制之中。

  如电主轴内装电动机闭环矢量控制技术、交流伺服技术、停机角向准确定位(准停)技术、C轴传动技术、快速起动与停止技术、HSK刀柄制造与应用技术以及主轴智能监控技术等,国内仍然不够成熟,或不能满足实际应用需要。

  尽管国内已经有部分企业在从事电主轴的研究和制造,但以磨床用电主轴为主,对于数控机床用高速电主轴,则仍然处于小量开发和研究阶段,远没有形成系列化、专业化和规模化生产,还无法与国外先进水平相比,远远不能满足国内市场日益增长的需要,不具备与国外产品相抗衡的能力。


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