超高速空氣靜壓電主軸的關(guān)鍵技術(shù)

吳魁 吳志璇

摘要：超高速空氣靜壓電主軸具有精度高、極限轉(zhuǎn)速高、壽命長、振動小等特點，被廣泛應(yīng)用于精密超高速輕載切削加工。空氣電主軸以氣體作為支撐，其剛度和承載力以及高速加工中的穩(wěn)定性相對不足。文章對超高速空氣靜壓電主軸的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：空氣軸承；超高速電主軸；關(guān)鍵技術(shù)；空氣靜壓；切削加工 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TH133 文章編號：1009-2374（2016）18-0148-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.073

1 概述

電主軸是將機(jī)床主軸和主軸電機(jī)融為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。隨著數(shù)控技術(shù)以及切屑刀具的飛速發(fā)展，機(jī)械工業(yè)行業(yè)也向著更高速度、更高精度、更高效率的方向發(fā)展，而高性能、高轉(zhuǎn)速的電主軸則是機(jī)床裝備發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)部件。超高速空氣靜壓電主軸又稱為氣浮電主軸，由于以空氣作為支撐，無其他摩擦阻力，具有高轉(zhuǎn)速、高回轉(zhuǎn)精度、低振動性等特點。由于轉(zhuǎn)速高、切屑力小，可實現(xiàn)對難加工的材料進(jìn)行加工，且可延長刀具使用壽命，大大降低生產(chǎn)成本，能極大地滿足現(xiàn)在制造業(yè)以及世界裝備業(yè)對精密零件的需求。超高速空氣電主軸目前主要應(yīng)用于PCB行業(yè)，在國內(nèi)、國際上已大面積推廣應(yīng)用120000～200000r/min超高速空氣電主軸，其中廣州昊志機(jī)電股份有限公司已研發(fā)出用于PCB微孔加工的超高速空氣靜壓電主軸轉(zhuǎn)速達(dá)400000r/min，已領(lǐng)先國際水平。

1.1 空氣靜壓電主軸的主要結(jié)構(gòu)

空氣電主軸主要分為七個部分：氣缸部件、機(jī)體部件、軸承部件、電機(jī)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)軸部件、檢測功能、外圍配套附件，如圖1所示。氣缸部件目前主要有膜片和活塞式兩種，用以裝夾刀具和卸載刀具；機(jī)體部件是主軸的外殼，內(nèi)部會布置循環(huán)式冷卻水槽，并通入冷卻水，用以冷卻定子和軸承，從而減小主軸的發(fā)熱；軸承部件一般分為上、下軸承（也稱之為前、后培林），通入壓縮空氣時，對轉(zhuǎn)軸起支撐作用；電機(jī)系統(tǒng)包括定子和轉(zhuǎn)子，電機(jī)系統(tǒng)的性能直接影響著主軸的性能，為了提高主軸的穩(wěn)定性，超高速空氣靜壓電主軸常采用電機(jī)中置；轉(zhuǎn)軸部分為高速旋轉(zhuǎn)部件，刀具安裝在其前端，承載著加工任務(wù)；檢測功能一般為測溫、測速功能，時刻監(jiān)控主軸是否處于良好的狀態(tài)；外圍附件包含接頭、控制開關(guān)等。

1.2 空氣電主軸的工作原理

空氣軸承電主軸以空氣作為支撐，其工作原理為：向空氣軸承中通入壓縮空氣，在徑向軸承和推力軸承的共同作用下支撐轉(zhuǎn)軸，使轉(zhuǎn)軸完全懸浮，再由變頻器輸出三相電供給電主軸電機(jī)，轉(zhuǎn)軸在懸浮狀態(tài)下開始運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸上的刀具隨著轉(zhuǎn)軸一起運轉(zhuǎn)，從而進(jìn)行切屑加工。

2 超高速空氣靜壓電主軸制備關(guān)鍵技術(shù)

要使得超高速空氣靜壓電主軸能穩(wěn)定的工作，其制備需克服很多難關(guān)，其關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在超高速空氣軸承的研發(fā)、電機(jī)控制、主軸循環(huán)冷卻系統(tǒng)、電主軸動平衡優(yōu)化、電機(jī)材料的選用等。

2.1 超高速空氣軸承原理

靜壓氣體軸承是用空氣作為運動副。其原理如下圖2所示，在件1和件2之間有細(xì)小的間隙，該間隙一般取h=12～50um，當(dāng)具有一定壓力的空氣從節(jié)流器3中的節(jié)流孔中進(jìn)入間隙中，會形成一個氣膜，該氣膜可對件1上的負(fù)荷W進(jìn)行支撐。若將多個節(jié)流孔均勻的布置在圓周（件2）上，支撐件1改為圓形，且與件2仍保持間隙h，這就是典型的空氣軸承結(jié)構(gòu)。

2.1.1 軸承的節(jié)流形式。氣體軸承設(shè)計的關(guān)鍵部分是節(jié)流孔形式的設(shè)計。節(jié)流孔形式很多，實際應(yīng)用較多的主要有如下三種：小孔節(jié)流、環(huán)面節(jié)流、多孔質(zhì)節(jié)流。每種節(jié)流形式的軸承在剛度、承載能力、穩(wěn)定性等性能上有各自的特點，相對于其他節(jié)流方式，小孔節(jié)流具有較高的剛度以及較高的承載能力，但易發(fā)生氣錘自激現(xiàn)象，也就是通常所說的氣鳴，在高速時容易導(dǎo)致主軸失溫而卡死。環(huán)面節(jié)流穩(wěn)定性好，但剛性不如小孔節(jié)流，也很難滿足實際加工需求。多孔質(zhì)節(jié)流形式主要是運用特殊的材料，其剛度、承載力、穩(wěn)定性很好，但要受材料的限制，且材料性能具有不穩(wěn)定性、加工難度大，在實際應(yīng)用中并沒有得到很大的推廣。目前，靜壓空氣超高速電主軸普遍采用小孔節(jié)流方式。

2.1.2 節(jié)流孔孔徑大小和數(shù)量的選取。節(jié)流孔孔徑的大小直接影響主軸的承載力和剛度，實驗驗證，當(dāng)節(jié)流孔孔徑在一個合適的值時，會獲得較大的承載力和剛度，在主軸設(shè)計時，需要通過Ansys等專業(yè)軟件進(jìn)行模擬計算，以取最佳的孔徑值，同時也要考慮小孔的加工難易程度。目前的徑向軸承大部分采用雙排結(jié)構(gòu)設(shè)計，有些結(jié)構(gòu)也可采用四排。

2.1.3 氣膜間隙。氣膜間隙也是影響主軸性能的一個重要因素，氣膜間隙越小，主軸的剛性越好，但間隙過小，主軸的承載能力會降低，且易產(chǎn)生氣錘自激現(xiàn)象。為了獲得較大的承載力，在軸承設(shè)計時，往往會在所有的節(jié)流孔處增加一個環(huán)形的均壓槽，均勻槽的深度都有嚴(yán)格的控制。

2.2 電機(jī)及控制

超高速空氣靜壓電主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接鑲嵌在轉(zhuǎn)軸部件上，在設(shè)計電機(jī)時，需要考慮如下三個條件：（1）了解電機(jī)工件條件和工況要求（主要了解電機(jī)的冷卻情況和使用要求）；（2）電機(jī)的額定功率或電機(jī)工作所需要的轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速或主要工作轉(zhuǎn)速、電壓（驅(qū)動器輸出電壓）；（3）電機(jī)的外形尺寸要求和裝配尺寸要求。目前，高速電主軸電機(jī)常設(shè)計為異步電機(jī)，為了提高穩(wěn)定性，電機(jī)處于機(jī)體部件中部居多，近些年永磁電機(jī)快速發(fā)展，其性能逐步提高，控制精度及調(diào)速范圍優(yōu)于異步電機(jī)，未來在超高速領(lǐng)域的應(yīng)用也會越來越廣泛。

電機(jī)轉(zhuǎn)子是主軸的主要生熱源，由于轉(zhuǎn)子是直接加工在轉(zhuǎn)軸上，目前還無法實現(xiàn)直接對轉(zhuǎn)子的冷卻。因此在設(shè)計時，必須要考慮電機(jī)的各種損耗，例如定子的鐵損、銅損以及轉(zhuǎn)軸在高速旋轉(zhuǎn)過程中與空氣摩擦產(chǎn)生的損耗。在設(shè)計電機(jī)時，首先必須確定額定點，然后再合理設(shè)計電機(jī)級數(shù)、尺寸、槽形和阻抗、槽數(shù)等，以確保主軸電機(jī)性能達(dá)到最優(yōu)。

2.3 主軸循環(huán)冷卻系統(tǒng)

高速空氣靜壓電主軸工作過程中，刀具與工件的切削熱、電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱、轉(zhuǎn)軸部件在高速旋轉(zhuǎn)過程中與空氣摩擦生熱是最常見的熱源。上述熱源會導(dǎo)致主軸內(nèi)部溫度上升，尤其是高速旋轉(zhuǎn)部件，溫度升高時，會導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)軸沿著軸向伸長，與軸承對應(yīng)的氣浮位在徑向也會發(fā)生位移的變化，如果主軸無良好的冷卻系統(tǒng)或者冷卻不均勻都會導(dǎo)致主軸加工精度的急劇降低，同時也會造成電機(jī)的損壞，而對于永磁體電機(jī)來說，這更是致命的傷害，會直接導(dǎo)致永磁體永久退磁。因此，主軸必須具有良好的循環(huán)冷卻系統(tǒng)。主軸運轉(zhuǎn)時，需要通入冷卻液，冷卻液在定子外表面、軸承表面以及機(jī)體之間沿圓周方向循環(huán)流動，直接將內(nèi)部大量熱量帶出，整體均勻冷卻，保證整個主軸系統(tǒng)在低溫下運行。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，冷卻通道的合理布置也顯得尤其重要。

2.4 轉(zhuǎn)軸的動平衡優(yōu)化

超高速空氣靜壓電主軸的轉(zhuǎn)速往往在12萬r/min以上，在高速旋轉(zhuǎn)時，少量的不平衡量就會引起主軸的極大振動，而空氣電主軸穩(wěn)定性差，大的振動更容易導(dǎo)致主軸失穩(wěn)，不僅會使得加工質(zhì)量和精度變差，甚至?xí)?dǎo)致主軸卡死或抱軸。電主軸在設(shè)計之初，就必須考慮主軸系統(tǒng)的自激振動能力，其工作頻率需要避開自身的固有頻率，以免引起共振。同時轉(zhuǎn)軸必須采用高性能的平衡機(jī)對其進(jìn)行平衡控制，這樣才能保證主軸在高速運轉(zhuǎn)下保持良好的精度以及穩(wěn)定性。

2.5 主軸的裝配

超高速主軸的每個零件都不可能完全一樣，合格的零件裝配起來也不一定是合格的產(chǎn)品，因此不同的裝配方式不僅影響生產(chǎn)效率，更影響主軸的質(zhì)量。在裝配過程中，遵循由內(nèi)向外、由上到下的原則，在整個裝配過程中，關(guān)鍵零件，如軸承、轉(zhuǎn)軸必須經(jīng)過認(rèn)真清理并用超聲波清洗，再用無塵布擦拭干凈，各零件需按照尺寸公差進(jìn)行選配，裝配過程需在無塵車間進(jìn)行，以避免環(huán)境因素的影響。

3 結(jié)語

根據(jù)前面的介紹，超高速空氣靜壓電主軸制備的關(guān)鍵技術(shù)主要為超高速空氣靜壓軸承、高性能電機(jī)、高效冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、精密動平衡以及裝配工藝等。雖然國內(nèi)關(guān)于超高速靜壓電主軸研究在理論與應(yīng)用上都已經(jīng)取得了不少進(jìn)展，但是還有許多問題需要解決，超高速空氣靜壓電主軸的穩(wěn)定性、剛度以及承載力如何進(jìn)一步提高，高速情況下轉(zhuǎn)子振動抑制的研究等方面還需要做進(jìn)一步探索。

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作者簡介：吳魁（1986-），男，廣東廣州人，供職于廣州市昊志機(jī)電股份有限公司，碩士，研究方向：超高速空氣靜壓電主軸設(shè)計。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）