高速主軸之技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

1、高速主軸之技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[精華]高速切削是近年來工具機的熱門話題，眾多的技術(shù)發(fā)表或新機型的研發(fā)都強調(diào)高速切削的技術(shù)。在高速切削的領(lǐng)域裡，高速主軸是相當(dāng)重要的一環(huán)，卻也是國內(nèi)工具機技術(shù)發(fā)展起步較晚的部份。目前日本及歐美都有專業(yè)主軸製造公司，其在HSK63刀把(相當(dāng)於BT＃40)24000rpm，HSK100(相當(dāng)於BT#50)刀把12000rpm都已是相當(dāng)成熟的產(chǎn)品。但國內(nèi)仍普遍停留於BT＃40刀把12000rpm或BT#50刀把8000

2、rpm的階段，相較於國外的技術(shù)仍有一段差距。本文將介紹高速主軸技術(shù)及國外專業(yè)主軸公司的產(chǎn)品現(xiàn)況。軸承技術(shù)發(fā)展主軸之軸承可分為接觸式和非接觸式。接觸式軸承方面，由於陶瓷軸承價格的降低，已可普遍使用。陶珠的重量是鋼珠的13，熱膨脹係數(shù)是14，磨擦係數(shù)為14，因此可提高主軸之轉(zhuǎn)速及切削性能，陶瓷軸承配合油氣潤滑系統(tǒng)DN值可達200萬以上。主軸滑移端的設(shè)計一般是以滾珠軸承加上鋼珠套筒構(gòu)成，但機構(gòu)較為複雜且需注意配合件的加工精度。另一個作法是使用

3、能夠軸向自由滑動的滾柱軸承作為滑移端軸承以徑向支撐心軸並吸收軸向熱變形，但需注意潤滑油量的控制和預(yù)壓的調(diào)整。滾柱軸承陶瓷化可使?jié)L柱軸承應(yīng)用範圍提昇，使支撐端機構(gòu)簡單化。另外已有一款滾珠軸承，其內(nèi)環(huán)經(jīng)過特殊設(shè)計（如圖一），可使用於主軸滑移端而不需加上鋼珠套筒，DN值可達200萬，對於設(shè)計及組裝都相當(dāng)便利，可惜價格仍相當(dāng)高。非接觸式軸承方面，磁浮軸承的高迴轉(zhuǎn)精度和高阻尼特性有助於高迴轉(zhuǎn)精度和加工精度，市面已有磁浮主軸標準產(chǎn)品，HSK50刀把

4、可達40000rpm。氣靜壓軸承由於承載力較差，所以使用於低負荷、微量切削之超精密加工，目前已有成熟產(chǎn)品應(yīng)用於PCB鑽孔機和晶圓切割機。軸承排列方式和預(yù)壓控制軸承的排列方式和預(yù)壓控制對於主軸轉(zhuǎn)速和剛性都有絕對關(guān)係。最常見的軸承排列方式分為前軸承組和後軸承組，前軸承組由數(shù)個斜角滾珠軸承排列成小O型，形成一個封閉迴路以承受切削負載，並採用定位預(yù)壓保持主軸剛性，而後軸承則由能在軸向自由滑動的滾柱軸承或是斜角滾珠軸承加上鋼珠套筒構(gòu)成。軸承預(yù)壓量

5、直接決定主軸剛性和最高轉(zhuǎn)速，所以在主軸設(shè)計中，應(yīng)該針對所需的剛性和轉(zhuǎn)速設(shè)定預(yù)壓量。至於高速主軸，由於溫昇會造成定位預(yù)壓的預(yù)壓值增加，所以一般皆採用大O型的軸承配置，並以彈簧保持預(yù)壓定值(如圖二)，軸承採用大O型的配置軸向承載能力佳。但目前過內(nèi)使用的日系馬達長度都較長，如此前後軸承的跨距很大，所以限制了軸承排列的方式，也使得主軸長度和重量都增加不少。如果還必須顧慮低轉(zhuǎn)速時的重切削，則必須以可變預(yù)壓來控制不同轉(zhuǎn)速的預(yù)壓力，適當(dāng)?shù)念A(yù)壓值也可延

6、長主軸壽命?？勺冾A(yù)壓的方式很多，目前較實用的方法是以油壓（如圖三）來調(diào)整預(yù)壓值，GMNHCS23024000主軸採用可變預(yù)壓，原始設(shè)定是以彈簧預(yù)壓設(shè)定在高轉(zhuǎn)速時的預(yù)壓力，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在4000rpm以下時，需打入1bar的油壓或氣壓來增加預(yù)壓量，超過這個轉(zhuǎn)速就釋放壓力回到原本設(shè)定的預(yù)壓值。軸承潤滑軸承潤滑決定主軸轉(zhuǎn)速和軸承壽命。油脂潤滑設(shè)計簡單，且省下潤滑系統(tǒng)成本，目前由於油脂的改良，已可使得BT＃40刀把達到15000rpm或BT#50

7、刀把達到10000rpm的水準，但油脂在高溫時有劣化的問題，影響軸承壽命。目前高速主軸多採用油氣式(oilair)潤滑，利用大量壓縮空氣將潤滑油噴灑在滾珠上，耗油量少且不必回收。但油氣混合機的穩(wěn)定性、油量的結(jié)論國內(nèi)工具機漸有高速機種的推出，所以國外的專業(yè)主軸廠也漸漸重視國內(nèi)市場，欲將其產(chǎn)品導(dǎo)入國內(nèi)。對於國內(nèi)工具機廠而言，能夠選擇的產(chǎn)品就比較多。但以長期成本及技術(shù)能力而言，國內(nèi)仍須建立高速主軸的研製能力，並將其導(dǎo)入商品化。由於高速主軸零件