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(jī)的熱門話題，眾多的技術(shù)發(fā)表或新機(jī)型的研發(fā)都強(qiáng)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(jī)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(jià)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(dá)200萬以上。主軸滑移端的設(shè)計(jì)一般是以滾珠軸承加上鋼珠套筒構(gòu)成，但機(jī)構(gòu)較為複雜且需注意配合件的加工精度。另一個(gè)作法是使用

3、能夠軸向自由滑動(dòng)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(fàn)圍提昇，使支撐端機(jī)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(jì)（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(dá)200萬，對(duì)於設(shè)計(jì)及組裝都相當(dāng)便利，可惜價(jià)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(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，HSK50刀把

4、可達(dá)40000rpm。氣靜壓軸承由於承載力較差，所以使用於低負(fù)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(jī)和晶圓切割機(jī)。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(duì)於主軸轉(zhuǎn)速和剛性都有絕對(duì)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(gè)斜角滾珠軸承排列成小O型，形成一個(gè)封閉迴路以承受切削負(fù)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(dòng)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(jì)中，應(yīng)該針對(duì)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(huì)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(dá)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(shí)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(shí)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(shí)的預(yù)壓力，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在4000rpm以下時(shí)，需打入1bar的油壓或氣壓來增加預(yù)壓量，超過這個(gè)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(jì)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(dá)到15000rpm或BT#50

7、刀把達(dá)到10000rpm的水準(zhǔn)，但油脂在高溫時(shí)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(jī)的穩(wěn)定性、油量的結(jié)論國內(nèi)工具機(jī)漸有高速機(jī)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(duì)於國內(nèi)工具機(jī)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