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高速立式加工中心高速主軸的關鍵技術分析
高速加工中心的高速主軸應具有精密度高、剛性好、運行平穩和熱變形小等特點。
眾所周知,軸承是主軸設計中最重要的零部件,對高速主軸來說更是如此。低速運行的主軸常使用鋼球軸承,油脂潤滑,但是,隨著轉速的提高,這種設計方法已不再合適。現在,人們希望主軸既能輸出大的功率又有高的轉速。目前解決該問題的方法是利用混合陶瓷軸承并輔之以油潤滑,這種方法能適合于150000r/min以上的轉速。已運用此項技術制成200000r/min/75hp和3000000r/min/50hp的主軸。這種主軸中使用的軸承的內、外滾道仍然是用鋼制成的。但其滾動部件是由硬度高且耐磨性好的陶瓷材料制成。由于陶瓷材料比鋼輕,加上其制造工藝可以保證其制成的滾珠比鋼制成的更圓,且工作中不易變形,熱穩定性好,所以這種混合陶瓷軸承的運行性能良好。
任何一種軸承運行過程中產生的熱量都會對其精度和壽命產生負面影響,因此在高速主軸中,必須采取措施來處理這個問題。轉速在100000r/min以上的主軸,典型的方法是采用氣油混合潤滑系統。這種系統給軸承提供最少的(但卻是足夠)潤滑以使軸承產生較少的熱量,其中氣流不僅起潤滑作用,還可以帶走熱量,除此之外,高速主軸還使用軸承冷卻系統來散熱,這種冷卻系統有時也被稱為“冷卻器”。
還有一些其他的減少摩擦的設計方法,其功率為50hp,轉速達200000r/min的主軸使用的是靜動承,這樣,主軸在“液體”中而非在剛性件上轉動。當轉速需要很高時可以使用空氣軸承,但它一般用于直徑較小且轉速要求超過1000000r/min的主軸。幾乎無摩擦的磁力軸承也在某些場合得到運用。
在今天的高速立式加工中心高速主軸設計中,混合陶瓷軸承發揮了巨大的作用,而且在將來的一段的時間里還繼續發揮這種作用。下一代軸承將是純陶瓷軸承(包括滾道)。現在人們已經掌握了純陶瓷軸承的制造技術,但是一套高速加工主軸使用的純陶瓷軸承的價格在300000～400000美元左右,如此昂貴的價格阻礙了它的推廣應用。
另外,在主軸的運動轉速下對主軸、刀具及其刀具夾具進行充分的平衡也是非常重要的。否則,過量的振動將導致徑向跳動問題,從而縮短刀具壽命,降低加工表面質量和加工精度。
