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)經壓力空氣霧化后對軸承進行潤滑的。這種方式實現容易,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。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,這有利于潤滑油的回收,而對環境卻沒有污染。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,因此,提高油氣壓力有助于提高軸承的轉速。

實驗表明,加大壓力比采用常規壓力進行油氣潤滑可使軸承的轉速提高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。

環下潤滑是一種改進的潤滑方式(見圖1),分為環下油潤滑和環下油氣潤滑。實施環下油或者油氣潤滑時,潤滑油或油氣從軸承的內圈噴入潤滑區,在離心力的作用下潤滑油更易于到達軸承潤滑區,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 環下潤滑結構簡圖

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滾珠與滾道間產生滑動摩擦,使軸承摩擦發熱加劇,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時滾珠公轉和自轉的滑動,提高軸的回轉精度等,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、隨著汽車工業混合動力汽車的發展,體積小,重量輕的高速發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、由燃氣輪機驅動的高速發電機體積小,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容,因為普通軸承難以承受在高速系統中承受長時間運行,必須采用新材料和新結構的軸承。

高速電機可以有多種結構形式,如感應電機、永磁電機和磁阻電機等。電機在高速旋轉時的離心力很大,當線速度達到200m/s以上時,常規疊片轉子難以承受高速旋轉產生的離心力,需要采用特殊的高強度疊片或實心轉子。

在轉子動力學發展的近百年的歷史中,出現過很多計算方法,發展到今天,現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,規范,在求解轉子動力學問題或轉子和周圍結構一起組成的復雜機械系統的問題時,有很多優點。有限元法對復雜轉子系統剖分龐大,計算結果比傳遞矩陣法準確,然而計算耗時長,占用內存大。現代計算機技術的發展,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控雕刻機、精密磨床及高速離心設備等設備,本方案以數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

主軸系統是數控雕刻機的重要組成部件,其性能對數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,運行轉速一般在0~24000RPM,對應的變頻器運行頻率為0~400HZ。因此系統要求穩速精度高、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效率與加工品質。

1、基本操作

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

根據現場生產要求,將參數F0.18和F0.19設置成2秒(加減速時間),因運行轉速較高,變頻器需帶制動單元。系統在50HZ,100HZ,200HZ,250HZ,300HZ,350HZ,400HZ這七段速度頻率下,運行穩定,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,已經取得了很多的研究成果,而且隨著新材料的不斷出現,加工工藝的不斷改進,技術必將以更快的速度向前推進。國內對高速電機的研究還不是很多,基本上限于功率較小的發電機或電動機。

電主軸是最近幾年在數控機床領域出現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,壽命是傳統軸承的幾倍;有時也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承,內外圈不接觸,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物,電動機的轉子即為主軸的旋轉部分,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,在軸承高速旋轉時會因油的阻力而發熱。

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冷卻劑,冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。

內置脈沖編碼器:為了實現自動換刀以及剛性攻螺紋,電主軸內置一脈沖編碼器,以實現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。這種情況下出現了HSK、SKI等高速刀具。

高頻變頻裝置:要實現電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉的轉速,必須用一高頻變頻裝置來驅動電主軸的內置高速電動機,變頻器的輸出頻率必須達到上千或幾千赫茲。

數控機床一般采用直流或交流主軸伺服電動機實現主軸無級變速。

交流主軸電動機及交流變頻驅動裝置(籠型感應交流電動機配置矢量變換變頻調速系統),由于沒有電刷,不產生火花,所以使用壽命長,且性能已達到直流驅動系統的水平,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矩與轉速之間的關系。當機床處在連續運轉狀態下,主軸的轉速在437~3500r/min范圍內,主軸傳遞電動機的全部功率11kW,為主軸的恒功率區域Ⅱ(實線)。在這個區域內,主軸的最大輸出扭矩(245N.m)隨著主軸轉速的增高而變小。主軸轉速在35~437r/min范圍內,主軸的輸出轉矩不變,稱為主軸的恒轉矩區域Ⅰ(實線)。在這個區域內,主軸所能傳遞的功率隨著主軸轉速的降低而減小。圖中虛線所示為電動機超載(允許超載30min)時,恒功率區域和恒轉矩區域。電動機的超載功率為15kW,超載的最大輸出轉矩為334N.m。

分段無級變速

數控機床在實際生產中,并不需要在整個變速范圍內均為恒功率。一般要求在中、高速段為恒功率傳動,在低速段為恒轉矩傳動。為了確保數控機床主軸低速時有較大的轉矩和主軸的變速范圍盡可能大,有的數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。