電主軸與高速加工技術(shù)

編者按：在CCMT2002（中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)）本刊記者采訪了參展的瑞士IBAG公司中國(guó)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(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先，現(xiàn)將其在展會(huì)期間技術(shù)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(shù)


高速加工技術(shù)（HSC）能使我們以盡量短的時(shí)間加工出質(zhì)量合格的零件，提高一個(gè)企業(yè)的市場(chǎng)反應(yīng)能力。下面幾個(gè)行業(yè)極大推動(dòng)了高速加工技術(shù)的發(fā)展。首先是電子行業(yè)，例如計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通訊、CD播放機(jī)、隨身聽(tīng)等，這些大批量產(chǎn)品在市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)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(shí)間也越來(lái)越短。因此快速模具制造就變得載來(lái)越重要，模具制造商就用HSC技術(shù)來(lái)更快地加工紫銅或石墨電極，大大提高了交貨的周期。同時(shí)高速切削在另兩個(gè)領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，那就是航空與高速機(jī)車(chē)行業(yè)。飛機(jī)的骨架與機(jī)翼、高速機(jī)車(chē)的車(chē)廂骨架都需要切除大量的金屬，從毛坯開(kāi)始的切除量甚至達(dá)到90%，漫長(zhǎng)的加工時(shí)間使經(jīng)營(yíng)者難以忍受，所以這兩個(gè)行業(yè)欣然接受了高速切削這項(xiàng)新技術(shù)，使得加工時(shí)間縮短到了原來(lái)的幾分之一。

采用電主軸的高速加工技術(shù)是目前機(jī)床行業(yè)非常熱門(mén)的一個(gè)話題，但對(duì)于還不太熟悉這個(gè)領(lǐng)域的我國(guó)的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，高速加工到底是什么，有什么優(yōu)勢(shì)呢？這里我們用表1最簡(jiǎn)單有了的數(shù)據(jù)讓大家對(duì)高速加工有個(gè)概念性的了解，然后我們?cè)俳榻B一些電主軸方面的知識(shí)，以及在電主軸方面技術(shù)領(lǐng)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(shù)與發(fā)展趨勢(shì)。

高速加工的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：


加工時(shí)間大幅度縮短，只有原來(lái)的約1/4，這意味著一臺(tái)HSC高速機(jī)床可以代替4臺(tái)普通CNC機(jī)床；

加工表面質(zhì)量很高，不用再進(jìn)行比如打磨等表面處理工序；

零件重復(fù)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(jī)床的投資可以很快收回，可以縮短交貨期，減小車(chē)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(lái)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(yīng)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?dú)w功于刀具商開(kāi)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(dá)到了500m/min，使鋼材料的加工也開(kāi)始采用高速切削。模具制造商因此也越來(lái)越多地采用高速加工技術(shù)來(lái)加工三維的鋼零件。

二、電主軸知識(shí)簡(jiǎn)介


電主軸是最近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)，它與直線電機(jī)技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將會(huì)把高速加工推向一個(gè)新時(shí)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(rùn)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(shù)：


高速軸承技術(shù)：電主軸通常采用復(fù)合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時(shí)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(wú)限長(zhǎng)。

高速電機(jī)技術(shù)：電主軸是電機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電機(jī)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(tái)高速電機(jī)，其關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動(dòng)平衡。

潤(rùn)滑：電主軸的潤(rùn)滑一般采用定時(shí)定量油氣潤(rùn)滑；也可以采用脂潤(rùn)滑，但相應(yīng)的速度要打折扣。

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

而油氣潤(rùn)滑，指的是潤(rùn)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(rùn)滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因油的阻力而發(fā)熱。

冷卻裝置：為了盡快給高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對(duì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀以及剛性攻絲，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的相位控制以及與進(jìn)給的配合。

自動(dòng)換刀裝置：為了適用于加工中心，電主軸配備了能進(jìn)行自動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用高頻變頻裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)電主軸的內(nèi)置高速電機(jī)，變頻器的輸出頻率甚至需要達(dá)到幾千Hz。


三、電主軸產(chǎn)品的最新技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)


瑞士IBAG公司在電主軸行業(yè)技術(shù)領(lǐng)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(gè)公司的產(chǎn)品為例，讓大家了解一下電主軸的最新技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)。

　　電主軸最早是用在磨床上，后來(lái)才發(fā)展到加工中心。瑞士強(qiáng)大的精密機(jī)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(lái)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(dá)140000r/min，直徑范圍33~300mm，功率范圍125W~80kW，扭矩范圍0.02~300Nm。用戶(hù)可能提出自己希望的功率、扭矩曲線，還可以為用戶(hù)做特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

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(dòng)、油氣潤(rùn)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(lèi)60幾個(gè)型號(hào)的電主軸產(chǎn)品。無(wú)論用戶(hù)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(fù)合陶瓷軸承、靜壓軸承，及電磁軸承，根據(jù)用戶(hù)要求，也可以采用鋼軸承。可以通過(guò)液壓壓力來(lái)改變軸承的預(yù)緊力，以適應(yīng)不同的切削狀態(tài)。

潤(rùn)滑：IBAG軸承的潤(rùn)滑方式有油氣潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑兩種方式，用戶(hù)可以任選其一。IBAG的直接潤(rùn)滑技術(shù)，讓潤(rùn)滑油通過(guò)軸承外圈上的小孔直接達(dá)到滾珠，這種潤(rùn)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(rùn)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(jìn)入主軸軸承。

主軸軸向尺寸動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(cè)元件來(lái)檢測(cè)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(hào)，送到數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的尺寸閉環(huán)補(bǔ)償。

刀機(jī)接口：IBAG提供HSK、SKI、CAPTO、BT刀具接口，用戶(hù)可以任選一種。

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

抓刀方式：IBAG電主軸采用液壓抓刀，采用機(jī)床本身的液壓系統(tǒng)即可；若機(jī)床沒(méi)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(méi)有問(wèn)題。內(nèi)置編碼器輸出正弦脈沖。

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


現(xiàn)在的機(jī)械加工工藝要求的主軸轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，高轉(zhuǎn)速也越來(lái)越成為衡量一個(gè)產(chǎn)品水平的標(biāo)志，成為商家競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，誰(shuí)先采用了更高轉(zhuǎn)速的主軸，誰(shuí)便在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中擁有了一張硬牌。趨勢(shì)就是：以專(zhuān)業(yè)廠家生產(chǎn)的高質(zhì)量的電主軸取代各機(jī)床廠家自己生產(chǎn)的傳統(tǒng)主軸，電主軸將會(huì)像直線導(dǎo)軌一樣成為機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)部件。我國(guó)濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司、常州多棱數(shù)控機(jī)床股份有限公司、寧江機(jī)床（集團(tuán)）股份有限公司、秦川機(jī)床集團(tuán)有限公司、東風(fēng)設(shè)備制造廠、湖南大學(xué)海捷制造公司、東莞科挺自動(dòng)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。