電主軸與高速加工技術

編者按：在CCMT2002（中國數(shù)控機床展覽會）本刊記者采訪了參展的瑞士IBAG公司中國代表處首席代表邵傳偉先生和IBAG公司工程師Walter Paiha先生。IBAG在電主軸領域技術領先，現(xiàn)將其在展會期間技術交流講座的主要內(nèi)容介紹如下。IBAG電主軸將在CIMT2003瑞士館展出。

一、高速加工技術


高速加工技術（HSC）能使我們以盡量短的時間加工出質(zhì)量合格的零件，提高一個企業(yè)的市場反應能力。下面幾個行業(yè)極大推動了高速加工技術的發(fā)展。首先是電子行業(yè)，例如計算機、移動通訊、CD播放機、隨身聽等，這些大批量產(chǎn)品在市場上競爭激烈，生產(chǎn)商必須不斷推出新產(chǎn)品，而且所要求的更新?lián)Q代時間也越來越短。因此快速模具制造就變得載來越重要，模具制造商就用HSC技術來更快地加工紫銅或石墨電極，大大提高了交貨的周期。同時高速切削在另兩個領域也得到了廣泛的應用，那就是航空與高速機車行業(yè)。飛機的骨架與機翼、高速機車的車廂骨架都需要切除大量的金屬，從毛坯開始的切除量甚至達到90%，漫長的加工時間使經(jīng)營者難以忍受，所以這兩個行業(yè)欣然接受了高速切削這項新技術，使得加工時間縮短到了原來的幾分之一。

采用電主軸的高速加工技術是目前機床行業(yè)非常熱門的一個話題，但對于還不太熟悉這個領域的我國的用戶來說，高速加工到底是什么，有什么優(yōu)勢呢？這里我們用表1最簡單有了的數(shù)據(jù)讓大家對高速加工有個概念性的了解，然后我們再介紹一些電主軸方面的知識，以及在電主軸方面技術領先的瑞士IBAG公司的產(chǎn)品特色，以便讓大家了解目前電主軸的最新技術與發(fā)展趨勢。

高速加工的幾個優(yōu)勢：


加工時間大幅度縮短，只有原來的約1/4，這意味著一臺HSC高速機床可以代替4臺普通CNC機床；

加工表面質(zhì)量很高，不用再進行比如打磨等表面處理工序；

零件重復性好，這很利于模具行業(yè)電極的制造；

零件變形小，基本不產(chǎn)生熱量，可以加工很薄的零件；

高速機床的投資可以很快收回，可以縮短交貨期，減小車間占地面積，減少工人數(shù)量。


高速加工采用小直徑刀具、小切深、小切寬、快速多次走刀來提高效率，而傳統(tǒng)的加工一般采用大直徑刀具、大切深、大切寬；高速加工的切削力大幅度減小，需要的主軸扭矩相應減小。

高速加工不僅僅用于加工一些比較軟的材料如鋁、銅、塑料等，現(xiàn)在已經(jīng)可以用于加工硬度在60HRC以上的淬硬鋼，這要歸功于刀具商開發(fā)出了像TiA1N這樣的新的刀具涂層，以及像CBN這樣的新的刀具材料，目前加工淬硬鋼的線速度也達到了500m/min，使鋼材料的加工也開始采用高速切削。模具制造商因此也越來越多地采用高速加工技術來加工三維的鋼零件。

二、電主軸知識簡介


電主軸是最近幾年在數(shù)控機床領域出現(xiàn)的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術，它與直線電機技術、高速刀具技術一起，將會把高速加工推向一個新時代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置等。

電主軸所融合的技術：


高速軸承技術：電主軸通常采用復合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時也采用電磁懸浮軸承，或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限長。

高速電機技術：電主軸是電機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電機，其關鍵技術是高速度下的動平衡。

潤滑：電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑；也可以采用脂潤滑，但相應的速度要打折扣。

所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油，所謂定量，就是通過一個叫做定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的注油量。

而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時會因油的阻力而發(fā)熱。

冷卻裝置：為了盡快給高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。

內(nèi)置脈沖編碼器：為了實現(xiàn)自動換刀以及剛性攻絲，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實現(xiàn)準確的相位控制以及與進給的配合。

自動換刀裝置：為了適用于加工中心，電主軸配備了能進行自動換刀的裝置，包括碟形簧、拉刀油缸。

高速刀具的裝卡方式：廣為熟悉的BT、ISO刀具，已被實踐證明不適合于高速加工。這種情況下出現(xiàn)了HSK、SKI等高速刀柄。

高頻變頻裝置：要實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用高頻變頻裝置來驅(qū)動電主軸的內(nèi)置高速電機，變頻器的輸出頻率甚至需要達到幾千Hz。


三、電主軸產(chǎn)品的最新技術與發(fā)展趨勢


瑞士IBAG公司在電主軸行業(yè)技術領先，公司成立于1941年，生產(chǎn)慢慢主軸已經(jīng)有30年的歷史了�，F(xiàn)在就以這個公司的產(chǎn)品為例，讓大家了解一下電主軸的最新技術與發(fā)展趨勢。

　　電主軸最早是用在磨床上，后來才發(fā)展到加工中心。瑞士強大的精密機械工業(yè)（例如的表工業(yè)）不斷提出要求，早在20年前高速切削就在瑞士變是越來直流行，使電主軸的功率和品質(zhì)都不斷得到提高。IBAG公司提供幾乎任何轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、尺寸的電主軸，產(chǎn)品范圍很寬，其電主軸最大轉(zhuǎn)速可達140000r/min，直徑范圍33~300mm，功率范圍125W~80kW，扭矩范圍0.02~300Nm。用戶可能提出自己希望的功率、扭矩曲線，還可以為用戶做特殊的機械結構。

IBAG電主軸特色


IBAG提供全套的電主軸系統(tǒng)，包括：電主軸、矢量變頻驅(qū)動、油氣潤滑裝置、冷卻裝置、管路、電纜、刀具等。

IBAG電主軸產(chǎn)品種為非常齊全，共有15類60幾個型號的電主軸產(chǎn)品。無論用戶要求的是高速度、大扭矩還是大功率，IBAG的產(chǎn)品總有一款能滿足您的要求。目前為止，IBAG電主軸的最高速度是140000r/min，最大額定扭矩是300Nm，最大功率80kW。

軸承：IBAG電主軸采用復合陶瓷軸承、靜壓軸承，及電磁軸承，根據(jù)用戶要求，也可以采用鋼軸承�？梢酝ㄟ^液壓壓力來改變軸承的預緊力，以適應不同的切削狀態(tài)。

潤滑：IBAG軸承的潤滑方式有油氣潤滑和脂潤滑兩種方式，用戶可以任選其一。IBAG的直接潤滑技術，讓潤滑油通過軸承外圈上的小孔直接達到滾珠，這種潤滑方式可以使相同規(guī)格的軸承工作在更高的極限轉(zhuǎn)速，而且消耗的潤滑油量更少。

氣封：電主軸的前端采用氣封，保證灰塵、冷卻液等不進入主軸軸承。

主軸軸向尺寸動態(tài)補償：在位置精度要求極高的情況下，IBAG可以在電主軸上提供一檢測元件來檢測電主軸的同向尺寸變化，尺寸的變化量被轉(zhuǎn)化1V/10μm的模擬信號，送到數(shù)控系統(tǒng)進行動態(tài)的尺寸閉環(huán)補償。

刀機接口：IBAG提供HSK、SKI、CAPTO、BT刀具接口，用戶可以任選一種。

主軸中心冷卻：IBAG提供主軸中心冷卻選項，30000r/min之內(nèi)都可以采用刀具內(nèi)冷，冷卻液壓力可達80bar（8MPa）。

抓刀方式：IBAG電主軸采用液壓抓刀，采用機床本身的液壓系統(tǒng)即可；若機床沒有液壓系統(tǒng)，IBAG提供的氣液轉(zhuǎn)換裝置可以將壓縮空氣的壓力轉(zhuǎn)換為液壓壓力送到主軸。

與數(shù)控系統(tǒng)的接口：IBAG電主軸系統(tǒng)既提供數(shù)字接口，也提供模擬接口，與任何數(shù)控系統(tǒng)匹配都沒有問題。內(nèi)置編碼器輸出正弦脈沖。

主軸驅(qū)動：IBAG提供性能優(yōu)異的主軸矢量驅(qū)動裝置，但考慮用戶的方便，也可選擇Siemens，F(xiàn)anuc，Indramat或是其它品牌的主軸驅(qū)動裝置。


現(xiàn)在的機械加工工藝要求的主軸轉(zhuǎn)速越來越高，高轉(zhuǎn)速也越來越成為衡量一個產(chǎn)品水平的標志，成為商家競爭的焦點，誰先采用了更高轉(zhuǎn)速的主軸，誰便在激烈的競爭中擁有了一張硬牌。趨勢就是：以專業(yè)廠家生產(chǎn)的高質(zhì)量的電主軸取代各機床廠家自己生產(chǎn)的傳統(tǒng)主軸，電主軸將會像直線導軌一樣成為機床標準部件。我國濟南二機床集團有限公司、常州多棱數(shù)控機床股份有限公司、寧江機床（集團）股份有限公司、秦川機床集團有限公司、東風設備制造廠、湖南大學海捷制造公司、東莞科挺自動化公司、昆山G01模具工具制造公司等都已在其產(chǎn)品上采用了IBAG公司的電主軸，其中有些產(chǎn)品將在CIMT2003展出。