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数控机床设计技术:超高精度CNC高速主轴构造

电主轴是近年来在数控加工机械领域集成机床主轴和主轴电机的新技术。结合直线电机技术和高速刀具技术,将高速加工推向新时代。 CNC加工电主轴是一套组件,包括电主轴及其附件:电主轴,高频变频器,油雾润滑器,冷却装置,内置编码器,换刀器。

高速主轴是高速切削技术中最重要的关键技术,也是高速切削机床的重要组成部分。它要求高动态平衡,刚性好,转动精度高,热稳定性好,能传递足够的扭矩和动力,能承受高离心力,具有精确的温度测量装置和高效的冷却装置。高速切削通常要求主轴转速不低于40,000 rpm,主轴功率超过15 kW。通常,与主轴电机集成的电主轴部件用于实现没有中间连杆的直接驱动。大多数电机使用感应集成主轴电机。

目前一般使用较多的是热压氮化硅(Si3N4)陶瓷轴承和液体动、静压轴承以及空气轴承。润滑多采用油-气润滑、喷射润滑等技术。主轴冷却一般采用主轴内部水冷或气冷方式。

1、陶瓷轴承高速主轴工作原理图

超高精度CNC高速主轴构造

上图为陶瓷轴承高速主轴工作原理图,采用C或B级精度角接触球轴承,轴承布置与传统磨床主轴结构相类似;采用“小珠密球”结构,滚珠材料Si3N4;采用电动主轴(电机与主轴作成一体);轴承转速特征值(=?轴径(mm)×转速(r/min))较普通钢轴承提高1.2?~ 2倍,可达0.5~1×106 。回转精度高,液体静压轴承回转误差在0.2μm以下,空气静压轴承回转误差在0.05μm以下;功率损失小;液体静压轴承转速特征值可达1×106 ,空气静压轴 承转速特征值可达3×106。空气静压轴承承载能力较小。

与钢球相比,陶瓷轴承的优点是:

(1)陶瓷球密度减小60%,从而可大大降低离心力;

(2)陶瓷弹性模量比钢高50%,使轴承具有更高刚度;

(3)陶瓷摩擦系数低,可减小轴承发热、磨损和功率损失;

(4)陶瓷耐磨性好,轴承寿命长。

2、磁浮轴承高速主轴

磁浮轴承高速主轴

上图为磁浮轴承高速主轴工作原理图,主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承,磁浮轴承定子与转子间空隙约0.1mm。?刚度高,约为滚珠轴承主轴刚度10倍。?转速特征值可 达4×106 。?回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度,以及控制电路性能,目前可达0.2μm。?机械结构及电路系统均较复杂;又由于发热多,对冷却系统性能要求较高。

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