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脂潤滑不需任何設備,是低速主軸普遍采用的潤滑方式。dn值在1.0×106以上的主軸,多采用油潤滑的方式.

油霧潤滑是將潤滑油(如透平油)經(jīng)壓力空氣霧化后對軸承進行潤滑的。這種方式實現(xiàn)容易,設備簡單,油霧既有潤滑功能,又能起到冷卻軸承的作用,但油霧不易回收,對環(huán)境污染嚴重,故逐漸被新型的油氣潤滑方式所取代。

油氣潤滑是將少量的潤滑油不經(jīng)霧化而直接由壓縮空氣定時、定量地沿著專用的油氣管道壁均勻地被帶到軸承的潤滑區(qū)。潤滑油起潤滑的作用,而壓縮空氣起推動潤滑油運動及冷卻軸承的作用。油氣始終處于分離狀態(tài),這有利于潤滑油的回收,而對環(huán)境卻沒有污染。實施油氣潤滑時,一般要求每個軸承都有單獨的油氣噴嘴,對軸承噴射處的位置有嚴格的要求,否則不易保證潤滑效果,油氣潤滑的效果還受壓縮空氣流量和油氣壓力的影響。一般地講,增大空氣流量可以提高冷卻效果,而提高油氣壓力,不僅可以提高冷卻效果,而且還有助于潤滑油到達潤滑區(qū),因此,提高油氣壓力有助于提高軸承的轉(zhuǎn)速。

實驗表明,加大壓力比采用常規(guī)壓力進行油氣潤滑可使軸承的轉(zhuǎn)速提高20%。噴射潤滑是直接用高壓潤滑油對軸承進行潤滑和冷卻的,功率消耗較大,成本高,常用在dn值為2.5×106以上的超高速主軸上。

環(huán)下潤滑是一種改進的潤滑方式(見圖1),分為環(huán)下油潤滑和環(huán)下油氣潤滑。實施環(huán)下油或者油氣潤滑時,潤滑油或油氣從軸承的內(nèi)圈噴入潤滑區(qū),在離心力的作用下潤滑油更易于到達軸承潤滑區(qū),因而比普通的噴射潤滑和油氣潤滑效果好,可進一步提高軸承的轉(zhuǎn)速,如普通油氣潤滑,角接觸陶瓷球軸承的dn值為2.0×106左右,采用加大油氣壓力的方法可將dn值提高到2.2×106,而采用環(huán)下油氣潤滑則可達到2.5×106。采用角接觸陶瓷球軸承圖1 環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)簡圖

影響角接觸球軸承高速性能的主要原因是高速下作用在滾珠上的離心力和陀螺力矩增大。

離心力增大會增加滾珠與滾道間的摩擦,而陀螺力矩增大則會使?jié)L珠與滾道間產(chǎn)生滑動摩擦,使軸承摩擦發(fā)熱加劇,因而降低軸承的壽命。

為了提高軸承的高速性能,常采用兩種方法:

一是減小滾球的直徑,如采用已標準化的71900系列主軸軸承;

另一種則是采用新型的陶瓷(Si3N4)材料做滾珠,由于Si3N4陶瓷材料的密度僅為軸承鋼的40%,因而這種軸承的高速性能明顯高于全鋼軸承。抑制振動及高速回轉(zhuǎn)時滾珠公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的滑動,提高軸的回轉(zhuǎn)精度等,在主軸上使用的滾動軸承均需預緊。預緊的方式主要有恒位置預緊和恒力預緊。

1、高速電機在空調(diào)或冰箱的離心式壓縮機等各種場合得到應用,而隨著科學技術的發(fā)展,特殊要求越來越多,它的應用也會越來越廣泛。

2、隨著汽車工業(yè)混合動力汽車的發(fā)展,體積小,重量輕的高速發(fā)電機將會得到充分的重視,并在混合動力汽車,航空,船舶等領域具有良好的應用前景。

3、由燃氣輪機驅(qū)動的高速發(fā)電機體積小,具有較高的機動性,可用于一些重要設施的備用電源,也可作為獨立電源或小型電站,彌補集中式供電的不足,具有重要的實用價值。

由于高速電機轉(zhuǎn)子上的離心力與線速度的平方成正比,高速電機要求具有很高的機械強度;又由于高速電機頻率高,鐵耗大,在設計時應適當降低鐵心中的磁密,采用低損耗的鐵心材料。

軸承的研究也是與高速電機密不可分的內(nèi)容,因為普通軸承難以承受在高速系統(tǒng)中承受長時間運行,必須采用新材料和新結(jié)構(gòu)的軸承。

高速電機可以有多種結(jié)構(gòu)形式,如感應電機、永磁電機和磁阻電機等。電機在高速旋轉(zhuǎn)時的離心力很大,當線速度達到200m/s以上時,常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子難以承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力,需要采用特殊的高強度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子。

在轉(zhuǎn)子動力學發(fā)展的近百年的歷史中,出現(xiàn)過很多計算方法,發(fā)展到今天,現(xiàn)代的計算方法主要可以分為兩大類:傳遞矩陣法和有限元法。

有限元法的運動方程表達方式簡潔,規(guī)范,在求解轉(zhuǎn)子動力學問題或轉(zhuǎn)子和周圍結(jié)構(gòu)一起組成的復雜機械系統(tǒng)的問題時,有很多優(yōu)點。有限元法對復雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剖分龐大,計算結(jié)果比傳遞矩陣法準確,然而計算耗時長,占用內(nèi)存大。現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展,給有限元法提供了良好的硬件技術,。

方案簡述

高速電機一般應用于數(shù)控雕刻機、精密磨床及高速離心設備等設備,本方案以數(shù)控雕刻機為例來闡述S350變頻器在高速電機上的應用。

工藝要求

主軸系統(tǒng)是數(shù)控雕刻機的重要組成部件,其性能對數(shù)控雕刻機整機的性能有著至關重要的影響。主軸電機多采用兩極高速無刷水冷電機,噪音小、切割力度大,運行轉(zhuǎn)速一般在0~24000RPM,對應的變頻器運行頻率為0~400HZ。因此系統(tǒng)要求穩(wěn)速精度高、低速時力矩大、加減速時間短、高速時溫升低等來滿足高生產(chǎn)效率與加工品質(zhì)。

1、基本操作

將S350控制方式選擇為V/F控制模式,用DCM端子來接收數(shù)控系統(tǒng)模擬量信號(0~10V),MI1端子來控制起停,通過MI2~MI4端子來設置生產(chǎn)需要的七段速。MI5端子作為故障輸入。

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)要求,將參數(shù)F0.18和F0.19設置成2秒(加減速時間),因運行轉(zhuǎn)速較高,變頻器需帶制動單元。系統(tǒng)在50HZ,100HZ,200HZ,250HZ,300HZ,350HZ,400HZ這七段速度頻率下,運行穩(wěn)定,400HZ(對應24000RPM)時溫升低,可以有效延長電機的壽命。

七段速參考端子設定:

MI2: 50HZ MI3: 100HZ MI3+MI2: 200HZ MI4: 250HZ

MI2+MI4: 300HZ MI3+MI4: 350HZ MI2+ MI3+MI4: 400HZ

總而言之,國外對高速電機及相關技術的研究比較早,已經(jīng)取得了很多的研究成果,而且隨著新材料的不斷出現(xiàn),加工工藝的不斷改進,技術必將以更快的速度向前推進。國內(nèi)對高速電機的研究還不是很多,基本上限于功率較小的發(fā)電機或電動機。

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。

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;

高速電機技術:電主軸是電動機與主軸融合在一起的產(chǎn)物,電動機的轉(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動機。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,就是通過一個叫定量閥的器件,精確地控制每次潤滑油的油量。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螺紋,電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器,以實現(xiàn)準確的相角控制以及與進給的配合。

自動換刀裝置:為了應用于加工中心,電主軸配備了自動換刀裝置,包括碟形簧、拉刀油缸等;

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等高速刀具。

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,必須用一高頻變頻裝置來驅(qū)動電主軸的內(nèi)置高速電動機,變頻器的輸出頻率必須達到上千或幾千赫茲。

數(shù)控機床一般采用直流或交流主軸伺服電動機實現(xiàn)主軸無級變速。

交流主軸電動機及交流變頻驅(qū)動裝置(籠型感應交流電動機配置矢量變換變頻調(diào)速系統(tǒng)),由于沒有電刷,不產(chǎn)生火花,所以使用壽命長,且性能已達到直流驅(qū)動系統(tǒng)的水平,甚至在噪聲方面還有所降低。因此,目前應用較為廣泛。

主軸傳遞的功率或轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關系。當機床處在連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)下,主軸的轉(zhuǎn)速在437~3500r/min范圍內(nèi),主軸傳遞電動機的全部功率11kW,為主軸的恒功率區(qū)域Ⅱ(實線)。在這個區(qū)域內(nèi),主軸的最大輸出扭矩(245N.m)隨著主軸轉(zhuǎn)速的增高而變小。主軸轉(zhuǎn)速在35~437r/min范圍內(nèi),主軸的輸出轉(zhuǎn)矩不變,稱為主軸的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域Ⅰ(實線)。在這個區(qū)域內(nèi),主軸所能傳遞的功率隨著主軸轉(zhuǎn)速的降低而減小。圖中虛線所示為電動機超載(允許超載30min)時,恒功率區(qū)域和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域。電動機的超載功率為15kW,超載的最大輸出轉(zhuǎn)矩為334N.m。

分段無級變速

數(shù)控機床在實際生產(chǎn)中,并不需要在整個變速范圍內(nèi)均為恒功率。一般要求在中、高速段為恒功率傳動,在低速段為恒轉(zhuǎn)矩傳動。為了確保數(shù)控機床主軸低速時有較大的轉(zhuǎn)矩和主軸的變速范圍盡可能大,有的數(shù)控機床在交流或直流電動機無級變速的基礎上配以齒輪變速,使之成為分段無級變速。