電主軸在高速加工中的應(yīng)用

氣靜壓電主軸是一個(gè)功能部件，在國(guó)外已應(yīng)用于高速精密磨削，銑削、雕刻和難加工材料的微小孔鉆削及拋光等。它是空氣靜壓軸承應(yīng)用的一個(gè)重要方面，涉及的行業(yè)范圍廣數(shù)量大。美國(guó)POPE公司、英國(guó)WESTWIND公司、日本東芝公司及韓國(guó)三星公司等，已經(jīng)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)，并已有系列產(chǎn)品供應(yīng)。
    我國(guó)也有個(gè)別廠(chǎng)家生產(chǎn)氣靜壓電主軸，但是輸出功率�。ㄐ∮�1千瓦），而且承載力和剛性低。因此，只適合于小孔的磨削及微小孔鉆削。滾珠軸承電主軸在我國(guó)市場(chǎng)上仍占據(jù)著統(tǒng)治地位。近年來(lái)廣州市鉅聯(lián)高速電主軸有限公司研制成功了一種大功率，高剛性的氣靜壓電主軸，已形成系列化，并已初步投入市場(chǎng)使用，取得良好效果。
一、高剛性氣靜壓電主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理：
    1．結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
    氣靜壓電主軸是采用空氣靜壓軸承作主軸的支承，采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)子安裝在主軸上（因此稱(chēng)作電主軸），電機(jī)的定子安裝在殼體內(nèi)�？諝廨S承采用“全支承”結(jié)構(gòu)與國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比，能成倍地提高軸系的承載和剛度。其結(jié)構(gòu)示圖如下：
高剛性氣靜壓軸承電主軸示意圖
01前蓋 02止推軸承 03定位板 04軸承 05體殼 06主軸 07定子 08水套  09轉(zhuǎn)子
2．工作原理：
    工作時(shí)，來(lái)自管道經(jīng)過(guò)精密過(guò)濾的壓縮空氣進(jìn)入殼體的通道，再流入軸承的節(jié)流小孔。然后流進(jìn)軸承與主軸之間的間隙，形成一層壓力氣膜，將主軸浮起。啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，通過(guò)改變電源的頻率，使主軸以不同的速度旋轉(zhuǎn)。}
二、剛度對(duì)比和分析：
    十多年前，我國(guó)已經(jīng)有單位生產(chǎn)氣靜壓電主軸，但是由于承載低、剛性低，因此只能用于小孔的磨削和鉆削，使氣靜壓電主軸的應(yīng)用范圍受到很大的局限。滾珠軸承電主軸直至現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍占據(jù)著統(tǒng)治地位，而且還使人們?cè)谡J(rèn)識(shí)上還存在著這樣一個(gè)概念：氣靜壓電主軸的剛度低于滾珠軸承的剛度。現(xiàn)在隨著高剛性氣靜壓電主軸先后在國(guó)外及國(guó)內(nèi)出現(xiàn)，這種觀(guān)念應(yīng)該改變了。下面我們分別舉出規(guī)格和用途相似的兩種氣靜壓電主軸和滾珠軸承電主軸的剛度進(jìn)行對(duì)比：}
品  種        空氣靜壓軸承電主軸        滾珠軸承電主軸
生產(chǎn)廠(chǎng)        英國(guó)WESTWIND公司        德國(guó)FORTUNA公司
型  號(hào)        D1156        D1150        MS32 .165LR36/25        MS32.100LC51/6
轉(zhuǎn)  速        20000~30000rpm        30000~50000rpm        36000rpm        51000rpm
剛  度        徑向=19kg/μm軸向=6.35kg/μm        徑向=13.6kg/μm軸向=3.63kg/μm        徑向=8.7kg/μm軸向=4.5kg/μm        徑向=5.3kg/μm軸向=3.0kg/μm
    從上表可以看出，當(dāng)今相似規(guī)格和用途的氣靜壓電主軸的徑向剛度和軸向剛度都比滾珠軸承的高。
    我們也曾對(duì)國(guó)內(nèi)某廠(chǎng)生產(chǎn)的M131W的高精度的滾珠軸承內(nèi)圓磨具的徑向剛度進(jìn)行測(cè)試，在主軸伸出端30毫米處吊重100N，主軸向下位移3~4微米。
    我們對(duì)本公司生產(chǎn)的KG25型（額定轉(zhuǎn)速25000轉(zhuǎn)/分）高剛度氣靜壓電主軸作同樣加載試驗(yàn)，加載100N主軸向下位移小于1μm。其剛度不僅比M131W滾珠軸承內(nèi)圓磨具的徑向剛度高，而且比上述德國(guó)FORTUNA公司生產(chǎn)的滾珠軸承電主軸的徑向剛度也高。
    滾珠軸承由于其元件內(nèi)部有游隙，而且實(shí)際上是一個(gè)彈性體，它受力以后的剛度不是常數(shù)。受力從零開(kāi)始，由于力的作用，逐步消除游隙并產(chǎn)生變形，使剛度逐漸增加。當(dāng)軸承受力逐漸增加，至使元件產(chǎn)生完全剛性接觸，至沒(méi)有位移時(shí)，剛性從零達(dá)到極大值，但是后面一段剛性是沒(méi)有實(shí)用價(jià)值的。為了進(jìn)行比較，我們?nèi)∫欢尉哂袑?shí)用意義的剛度值，此段軸承受力從零開(kāi)始至切削規(guī)范允許的最大受力段，作者稱(chēng)此剛度為初始剛度，我們只是認(rèn)為氣靜壓電主軸的剛度大于滾珠軸承電主軸的初始剛度。滾珠軸承電主軸在選取規(guī)范的切削參數(shù)進(jìn)行加工的情況下，主軸受力是比較小的，它的初始剛度是比較小的，如上表所述，滾珠軸承電主軸的剛度要低于氣靜壓電主軸的剛度。
    因此，可以推論，在高速精密加工的范圍內(nèi)，從剛性的角度看，氣靜壓電主軸的應(yīng)用可以遍及現(xiàn)在滾珠軸承電主軸的應(yīng)用領(lǐng)域，甚至可以基本取代后者，而且會(huì)得到更好的效果。
三、優(yōu)點(diǎn)：
    氣靜壓電主軸其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、回轉(zhuǎn)精度高、精度壽命長(zhǎng)、使用壽命長(zhǎng)、摩擦功耗小、振動(dòng)和噪音小。這是大家所熟知的，下面著重介紹使用氣靜壓電主軸加工時(shí)所顯示的比較突出的優(yōu)點(diǎn)。
1．增加刃具的壽命
    氣靜壓電主軸作為高速磨具使用時(shí)，由于主軸回轉(zhuǎn)精度高，沒(méi)有振動(dòng)，因此可以較好地保持砂輪的鋒銳性，不易鈍化，從而可以得到較高的生產(chǎn)率，降低加工零件表面粗糙度，減少砂輪的修整次數(shù)，延長(zhǎng)砂輪的使用壽命，減小操作成本。國(guó)外某廠(chǎng)的數(shù)據(jù)表明，使用氣靜壓電主軸磨削軸承零件時(shí)，砂輪的磨損和修整砂輪時(shí)金剛石的磨損，要比使用滾珠軸承電主軸時(shí)約小3/8。在進(jìn)行高速雕銑和鉆削時(shí)，也一樣能延長(zhǎng)刃具的使用壽命，及提高生產(chǎn)效率并得到很好的加工質(zhì)量，英國(guó)WESTWIND公司認(rèn)為這是氣靜壓電主軸加工的最大特點(diǎn)。
    本公司的一套氣靜壓電主軸裝在中山市盈科軸承制造公司的3MZ204A內(nèi)園磨床上使用，自3月27日至8月25日磨削軸承環(huán)的內(nèi)孔效果良好，除了內(nèi)徑圓度有所提高外，磨削效率有較大提高并且表面粗糙度明顯降低。（據(jù)該廠(chǎng)使用報(bào)告）
2．在磨削軸承環(huán)的滾道時(shí)軌跡不易偏擺。
    氣靜壓軸承是利用主軸軸肩的兩個(gè)側(cè)面作止推支承的，因?yàn)檩S肩的左右兩個(gè)止推面的面積是相等的，而兩側(cè)的氣壓在同一時(shí)刻是相等的，因此，軸肩兩側(cè)的止推力是相等的。因此在磨削滾道時(shí)，不易于使?jié)L道偏擺，這也是此種電主軸優(yōu)越的地方。在使用氣靜壓電主軸切削硅片時(shí)，由于砂輪沒(méi)有偏擺，能保持硅片的厚度公差減少?gòu)U品率。
3．恒定的剛度
    英國(guó)WESTWIND公司認(rèn)為，由于氣靜壓軸承電主軸每轉(zhuǎn)具有恒定的剛度。因而可以使得在加工硬的材料（如陶瓷、硅片等）時(shí)，可以使加工表面下的破裂減至最少，提高表面質(zhì)量，提高加工零件的成品率。
四、成功應(yīng)用的領(lǐng)域
    高剛性超精密氣靜壓電主軸，在國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已在眾多高速加工的領(lǐng)域取得成功的應(yīng)用。國(guó)外比較著名的生產(chǎn)氣靜壓電主軸的公司有英國(guó)的WESTWIND公司、日本的TOSHIBA MACHINE公司和TOSHIBA TUNGACOY公司、美國(guó)的POPE公司等。下面介紹高剛性氣靜壓電主軸在高速加工方面的一些應(yīng)用：
    ☆在高速加工機(jī)床上的應(yīng)用
  最近日本東芝機(jī)械公司（TOSHIBA MACHINE.CO）已生產(chǎn)有主軸頭為高剛性超精密氣靜壓電主軸的高速加工機(jī)床，機(jī)床型號(hào)為F-MACH 442和F-MACH 644兩種，主軸轉(zhuǎn)速為6000~30000rpm軸移動(dòng)量（X×Y×Z）400×400×200mm和600×400×400mm，工作臺(tái)面積為600×450mm和1100×450mm，可用于加工精密模具等。
    ☆半導(dǎo)體硅片的切割和磨削}
   現(xiàn)在半導(dǎo)體硅片直徑已發(fā)展至8”（Φ200mm），使用氣靜壓電主軸切割硅片，由于砂輪偏擺極小，所以切下的硅片厚度差很小。而且也使表面不易燒傷，大大地提高成品率。切割下來(lái)的硅片需要磨平面，使用高剛性超精密氣靜壓電主軸安裝在平面磨床上加工，能獲得高質(zhì)量的表面，（因?yàn)橹鬏S每轉(zhuǎn)恒剛度，所以磨削又脆又硬的硅片表面不易燒傷而且表面下的材料也不易破裂）。
    ☆印刷電路板微小孔的鉆孔——英國(guó)WESTWIND公司、日本TOSHIBA MACHINE公司和TOSHIBA TUNGALOY公司均有生產(chǎn)轉(zhuǎn)速為120000rpm的超高速氣靜壓電主軸，英國(guó)AIR BEARING公司也生產(chǎn)有125000rpm的同類(lèi)型產(chǎn)品，用于Φ0.5mm以下的印刷電路板和難加工材料微小孔的鉆孔，最小鉆孔直徑為Φ0.1mm。
    ☆汽車(chē)零件內(nèi)孔磨削。
    ☆滾珠軸承外環(huán)內(nèi)滾道磨削——滾珠軸承外環(huán)內(nèi)滾道的偏擺公差要求很高，在磨削過(guò)程中要求砂輪不產(chǎn)生軸向偏擺，氣靜壓電主軸由于結(jié)構(gòu)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)（如前所述），能順利地達(dá)到加工要求，得到了成功的應(yīng)用。
    ☆陶瓷零件和光學(xué)玻璃等脆硬零件的加工。
    ☆內(nèi)燃機(jī)噴油嘴內(nèi)孔磨削。
    ☆用作精密雕銑的雕刻機(jī)主軸頭。
    ☆作為高速精密磨具還用于磨削軸承環(huán)的內(nèi)孔，彈簧夾頭的內(nèi)孔及模具導(dǎo)套的內(nèi)孔等。
據(jù)著名的英國(guó)WESTWIND公司資料介紹，該公司生產(chǎn)的氣靜壓電主軸已成功地應(yīng)用在如下16個(gè)方面。現(xiàn)轉(zhuǎn)載如下：
    Success in:
.Semiconductor Wafer Grinding              .Ceramic Grinding
.Wafer Dicing                              .Diamond Turning
.Electrostatic Coating                     .Advanced Optics Machining
.Ballrace Track Grinding                   .Prescription Optics Machining
.Diesel Injector Grinding                  .Graphite Milling
.Bore Grinding For Automotive Components   .Precision Work Heads
.PCB Drilling & Routing                    .Servo Writing Removable Drives
.Image Setter Optical Systems              .Hard Disk Verification
    由上可以看到，氣靜壓電主軸在國(guó)外已經(jīng)在眾多生產(chǎn)大行業(yè)中成功應(yīng)用。如半導(dǎo)體、軸承、模具、噴油咀、汽車(chē)、印刷電路板、雕刻機(jī)、陶瓷零件加工、光學(xué)玻璃加工等大行業(yè)中。我國(guó)在應(yīng)用方面存在很大差距，潛在的市場(chǎng)很大。
    本公司已開(kāi)發(fā)研制大功率高剛性氣靜壓電主軸系列產(chǎn)品，產(chǎn)品的性能已達(dá)到或接近國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平。有轉(zhuǎn)速120000rpm，功率0.8KW，用于印刷電路板（PCB）和難加工材料微小孔加工；轉(zhuǎn)速10000~60000rpm，功率1.5~5KW用于內(nèi)孔的磨削和雕銑等；還有轉(zhuǎn)速6000~15000rpm，功率12KW，徑向剛度達(dá)270N/μm的精密主軸頭等。
本公司生產(chǎn)的系列產(chǎn)品:
1．內(nèi)圓磨床的主軸頭        
2． 數(shù)控臺(tái)鉆
     大功率氣靜壓軸承電主軸在磨床上應(yīng)用主軸轉(zhuǎn)速有:10000~20000R.P.M 20000~30000R.P.M 30000~50000R.P.M電機(jī)功率:2~5KW(根據(jù)需要而定) 供氣壓力:0.6~0.7Mpa 耗氣量:0.35M³/min         
3．雕刻機(jī)的主軸頭（轉(zhuǎn)速25000rpm 功率3KW）        
4．高剛性超高速氣靜壓電主軸轉(zhuǎn)速120000rpm功率0.8KW
日本東芝公司生產(chǎn)的產(chǎn)品高能率・高品位加工を?qū)g現(xiàn)する高剛性超精密空気靜圧主軸を搭載した高速加工機(jī)
　主軸回転數(shù)        6,000～30,000 min-１
　軸移動(dòng)量(Ｘ×Ｙ×Ｚ）        600×400×400 mm
　テーブル作業(yè)面サイズ        1100×450 mm
　テーブル上最大積載重量        500 kg
結(jié)束語(yǔ)：鉅聯(lián)主軸公司一直使用順德華順平衡機(jī)進(jìn)行主軸的動(dòng)平衡檢測(cè)。