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精密主軸部件是超精密機(jī)床保證加工精度的核心，主軸要求達(dá)到極高的回轉(zhuǎn)精度，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)振動(dòng)，其關(guān)鍵在于所用的精密軸承。
從目前發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，電主軸單元形成獨(dú)立的單元而成為功能部件以方便地配置到加工中心主軸及高速機(jī)床上是高速、高效、高精度數(shù)控機(jī)床發(fā)展的一種趨勢(shì)。電主軸技術(shù)包括主軸機(jī)械體、高速主軸軸承、無(wú)外殼主軸電機(jī)及其控制模塊、潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)、主軸刀柄接口和刀具夾緊方式以及刀具動(dòng)平衡等。
電主軸是高速機(jī)床的“心臟部件”,是高速精密且承受較大的徑向和軸向切削負(fù)荷的旋轉(zhuǎn)部件。軸承作為其關(guān)鍵的支承技術(shù)首先必須滿足高速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求,并且有較高的回轉(zhuǎn)精度和較低的溫升;其次,必須具有盡可能高的徑向和軸向剛度。此外,還要具有較長(zhǎng)的使用壽命,特別是保持精度的壽命。因此,軸承的性能對(duì)電主軸的使用功能極為重要。
目前使用在高速主軸中的軸承主要有：液體靜壓軸承、空氣靜壓軸承等。
2.3.1液體靜壓軸承的高速主軸
液體靜壓軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在軸頸處形成高壓油膜，把軸懸浮抬起，形成液體摩擦，使主軸能高速運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)液體靜壓軸 承元件的幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)1.0×106 mm.r/min；若軸徑為30mm的主軸，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3000r/min以上。
圖2是典型液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)原理圖，液體靜壓軸承常用的液壓為0.6~1MPa，液體靜壓軸承主軸的運(yùn)動(dòng)精度很高，回轉(zhuǎn)誤差一般在0.2um以下。不但可以提高刀具的使用壽命，而且可以達(dá)到很高的加工精度和低的表面粗糙度
圖2 典型液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)原理圖
1-徑向軸承 2-推力軸承 3-真空吸盤(pán)
值。制造模具時(shí)，使用液體靜壓主軸的液體摩擦損失大，故驅(qū)動(dòng)功率損失比滾珠軸承大。同時(shí)為減少高速運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱，靜壓軸承的軸徑不宜過(guò)大，這類高速主軸其徑向剛度較低，但軸向剛度能過(guò)超滾珠軸承主軸。因此，選用何種軸承必須根據(jù)具體應(yīng)用要求來(lái)定。
液體靜壓軸承有較高的剛度和回轉(zhuǎn)精度，但也有下列缺點(diǎn)有待解決：
- 液體靜壓軸承的油溫升高，在不同轉(zhuǎn)速的溫升值不等，因此要控制恒溫較難，同時(shí)溫升將造成熱變形，影響主軸精度。
- 靜壓油回油會(huì)將空氣帶入油源，形成微小氣泡懸浮在油中，不易排出，因此將降低液體靜壓軸承的剛度和動(dòng)特性。
為解決這些問(wèn)題，一般采用如下措施：
- 提高靜壓油的壓力到6~8MPa，使油中微小氣泡的影響減小，提高了靜壓軸承的剛度和動(dòng)特性。
- 靜壓軸承用油經(jīng)溫度控制，基本達(dá)到恒溫，減少軸承的溫升。
- 軸承用恒溫水冷卻，減小軸承的溫升。
2.3.2空氣靜壓軸承的高速主軸
空氣靜壓軸承能在軸頸處形成高壓氣膜，降低摩擦，實(shí)現(xiàn)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)。空氣靜壓軸承高速主軸的轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)2.7×106 mm.r/min，回轉(zhuǎn)誤差在0.05um以下，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)10000r/min。采用金剛石刀具可以進(jìn)行鏡面銑削，加工各種復(fù)雜的高精度面。
空氣靜壓軸承高速主軸的優(yōu)點(diǎn)在于高回轉(zhuǎn)精度、高轉(zhuǎn)速和低溫升，因此造成的熱變形誤差很小，空氣軸承的應(yīng)用促成了超精密機(jī)床的發(fā)展，而空氣軸承的主要問(wèn)題是剛度低，只能承受較小的載荷。
（1）圓柱徑向軸承和端面止推空氣靜壓軸承
（2）雙半球空氣軸承主軸
- 前部用球形，后半部用圓柱徑向空氣軸承的主軸
（4）立式空氣軸承
2.3.3磁懸浮軸承的高速主軸
磁懸浮軸承利用磁力把軸頸抬起運(yùn)轉(zhuǎn)，能使主軸達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)4.0×106 mm.r/min，為滾珠軸承主軸的兩倍。目前使用的磁懸浮主軸的回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.2um。磁懸浮主軸的優(yōu)點(diǎn)是高精度、高轉(zhuǎn)速和高剛度；缺點(diǎn)是磁懸 浮軸承由于價(jià)格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)熱問(wèn)題難以解決，因而還無(wú)法在高速主軸單元上推廣應(yīng)用。
2.3.4混合陶瓷軸承的高速主軸
用氮化硅制的滾珠與鋼制軌道相組合，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)離心力小，剛性好，溫度低，壽命長(zhǎng)，功率可達(dá)80kW，轉(zhuǎn)速高達(dá)150000r／min。它的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，便于維護(hù)，價(jià)格低，是目前在高速切削機(jī)床主軸上使用最多的支承元件。
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