在切削加工中，為適應(yīng)不斷增加的小型工件的精密加工要求，應(yīng)提高銑床的精度并實(shí)現(xiàn)刀具的小型化。銑削電主軸在此加工中起到關(guān)鍵的作用。新一代的主軸對(duì)轉(zhuǎn)速、精度和可靠性的要求明顯提高。

關(guān)于同步電機(jī)是否優(yōu)越于異步電機(jī)的觀點(diǎn)還不能一概而論，而是要根據(jù)實(shí)際的加工情況而定。通常而言異步電機(jī)十分可靠耐用。同步電機(jī)的性能可以和異步電機(jī)相媲美，只是對(duì)變頻器參數(shù)沒有精確設(shè)定時(shí)的反應(yīng)過于靈敏。因此優(yōu)化由變頻器和主軸組成的整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)極為重要。異步電機(jī)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)為耐高溫性。同步電機(jī)由于轉(zhuǎn)子上附著磁體，在120℃～150℃有去磁效應(yīng)，從而耐高溫性較差。

同步電機(jī)成為明顯發(fā)展趨勢(shì)

與異步電機(jī)相比，同步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于更大的扭矩和功率密度。此外，由于同步技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更大的軸孔，由此可實(shí)現(xiàn)更大的軸心外徑，從而提高主軸的靜態(tài)剛性及動(dòng)態(tài)性能。

通常而言，同步電機(jī)產(chǎn)生的軸心溫度較低。這將有助于降低軸心的伸長(zhǎng)和提高主軸的精度。同步電機(jī)的一個(gè)缺點(diǎn)為較小的去磁范圍。此外，在去磁環(huán)境中必須有測(cè)試系統(tǒng)來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，這將提高系統(tǒng)費(fèi)用。然而基于上述優(yōu)點(diǎn)，同步電機(jī)技術(shù)仍將為明顯的發(fā)展趨勢(shì)，因?yàn)樗梢蕴岣咧鬏S的功率、精度和動(dòng)態(tài)性能。

軸心冷卻越顯重要

在過去的若干年中，精密加工對(duì)主軸的要求給人們留下的印象僅為更高的轉(zhuǎn)速。這種印象在現(xiàn)實(shí)中并沒有錯(cuò)誤，但人們也注意到，至少主軸更高的可靠性和熱穩(wěn)定性應(yīng)該予以更多地重視。瑞士（Herzogenbuchsee）Fischer公司的電主軸軸心冷卻系統(tǒng)對(duì)上述要求給出了解決方案。軸心的冷卻技術(shù)將大幅改善主軸的精度和可靠性。此外，軸心冷卻系統(tǒng)還對(duì)主軸軸承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新的可能性。

對(duì)主軸溫度分布的影響

Fischer軸心冷卻系統(tǒng)使整個(gè)軸心、轉(zhuǎn)子和軸承內(nèi)環(huán)的直接冷卻成為可能。冷卻將通過在軸心內(nèi)的多個(gè)通道實(shí)現(xiàn)，在通道內(nèi)流經(jīng)冷卻介質(zhì)（如水或油）。系統(tǒng)的核心部件為三通道的回轉(zhuǎn)接頭，它使冷卻介質(zhì)流入和流出旋轉(zhuǎn)的軸心成為可能。回轉(zhuǎn)接頭的第三個(gè)通道用來刀具內(nèi)部冷卻。系統(tǒng)的密封為無(wú)接觸式。（圖1）為主軸基本構(gòu)成，軸心冷卻系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)流動(dòng)通道及一般的主軸軸殼冷卻圖示。除了產(chǎn)品的創(chuàng)新外，F(xiàn)ischer公司還在加工制程中有多項(xiàng)創(chuàng)新，以保證能夠可靠地在軸心中加工出冷卻通道。通過對(duì)軸心、轉(zhuǎn)子和軸承內(nèi)環(huán)的直接冷卻使熱量對(duì)主軸的影響得以減小。實(shí)驗(yàn)證明，通過軸心冷卻可以比無(wú)軸心冷卻多帶走1kW的熱損功率。圖2為軸心冷卻系統(tǒng)對(duì)主軸MFW-1412/35VC，HSK-E50的影響。通過軸心冷卻可使刀具接口處溫度降低25K。因此，F(xiàn)ischer帶軸心冷卻的電主軸對(duì)刀具幾乎沒有升溫的影響。

圖1 FISCHER軸心冷卻系統(tǒng)圖示

圖2 帶軸心冷卻系統(tǒng)主軸空載時(shí)測(cè)試結(jié)果，由
熱象儀拍攝（主軸型號(hào)>MFW-1412/35<，HSK-E50，
外徑140mm，額定功率15kW，轉(zhuǎn)速 36000r/min）

這種溫度分布的良性變化改善了TCP重復(fù)精度（TCP=刀具中心點(diǎn)）和機(jī)床的熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度。由于主軸的溫度很低，使系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性明顯提高，轉(zhuǎn)速對(duì)溫度變化的影響幾乎消除。被測(cè)試主軸的總熱伸長(zhǎng)量由于軸心冷卻減少了70%，此外，達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間也減少了80%（圖3）。與此同時(shí)主軸較低的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度將減少對(duì)機(jī)床的熱影響，進(jìn)而提高機(jī)床精度。

圖3 軸心冷卻系統(tǒng)對(duì)主軸熱機(jī)過程的影響

用于高轉(zhuǎn)速和長(zhǎng)使用壽命的油脂供給技術(shù)

在加工吸濕性的材料時(shí)油脂潤(rùn)滑主軸經(jīng)常要比油氣潤(rùn)滑主軸更為適合。除了降低成本外，另一個(gè)選擇油脂潤(rùn)滑的原因?yàn)闇p少故障因素的可能性。這些故障因素，如不正確的油氣潤(rùn)滑設(shè)置，使用不適合或清凈度不足的潤(rùn)滑油等。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

用于微量精密切削的刀具直徑一般為0.1～20mm，因此微量切削對(duì)主軸的負(fù)載很小。通常用來判斷軸承使用期限的方法，如疲勞使用壽命不能應(yīng)用在高速切削，特別是微量精密切削中。其原因?yàn)樵撦S承損壞不是一般的機(jī)械疲勞，而是因?yàn)槟ズ暮驮谀承┣闆r下的黏滯所造成的損壞。軸承的使用壽命主要受到油脂使用壽命的限制。當(dāng)油脂中的油基含量不足時(shí)，油脂及軸承的使用壽命即達(dá)到極限。用來隔離滾珠，軸承內(nèi)外環(huán)和軸承滾珠保質(zhì)架的潤(rùn)滑油膜將破裂，其后果為摩擦和磨損的增加。通過使用Fischer Precise研發(fā)的油脂供給技術(shù)可以將新油脂定期微量的輸入到軸承外環(huán)（圖4）。已消耗的油脂將從軸承擠出，其結(jié)果為軸承壽命明顯提高。通過油脂供給技術(shù)是否可以提高轉(zhuǎn)速還沒有進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)。

圖4 主軸帶油脂添加單元

高精無(wú)接觸軸承技術(shù)

在微量精密切削中除了滾珠軸承外，無(wú)接觸軸承（空氣軸承）技術(shù)日顯重要。空氣軸承特別適合用于應(yīng)用范圍和主軸負(fù)載明確，或?qū)Ρ砻娴膾伖饧庸ぁＬ貏e是在小刀具，高轉(zhuǎn)速，高精度的要求下空氣軸承尤為適合。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為無(wú)磨耗旋轉(zhuǎn)，比油氣潤(rùn)滑或油脂潤(rùn)滑軸承有更長(zhǎng)的使用壽命。尤其是在主軸漏油影響工件質(zhì)量或因油的污染損壞工件時(shí)，空氣軸承的優(yōu)勢(shì)更加明顯。空氣軸承應(yīng)用的一個(gè)典型的例子是在印刷電路板的鉆孔。除了空氣軸承極低的噪聲外，還可達(dá)到極高的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)精度（<1μm）。由于空氣軸承的旋轉(zhuǎn)面無(wú)磨耗，和滾珠軸承相比，主軸的旋轉(zhuǎn)精度隨著運(yùn)行時(shí)間保持不變。在精密微量切削中空氣軸承結(jié)合同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)后，在考慮到運(yùn)行噪聲，使用壽命和發(fā)熱方面的因素，可獲得理想的主軸系統(tǒng)（圖5）。

圖5 空氣軸承主軸>ASC125<，最高轉(zhuǎn)速125000r/min，
應(yīng)用在日本Sodick Hightech高精加工中心

Fischer Precise在研發(fā)應(yīng)用于精密微量切削的空氣主軸上取得了很大的成就，在印刷電路板工業(yè)中已獲得了很多經(jīng)驗(yàn)。配有同步電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速至200 000r/min的ASD 200已證明是能滿足微量精密切削的主軸產(chǎn)品。Precise應(yīng)用專利的空氣軸承具有僅40Nl/min極低的空氣消耗。

正確選擇刀具和夾刀系統(tǒng)

主軸和刀具之間的接口數(shù)量影響夾持精度。刀具和主軸之間的接口越少，可達(dá)到的夾持精度越高。熱縮式HSK帶有兩個(gè)內(nèi)部接口無(wú)疑是當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)。為了達(dá)到更高的精度可通過精密筒夾，熱縮式聯(lián)接或多邊形夾持技術(shù)在軸心內(nèi)直接夾持。軸心內(nèi)直接夾持的一個(gè)缺點(diǎn)為所有刀柄直徑必須相同。對(duì)此應(yīng)用的轉(zhuǎn)換接頭通常較麻煩并增加的接口數(shù)量。

HSK接口的最大允許圓周線速度限制了主軸的轉(zhuǎn)速。HSK-E25可實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)速80 000r/min，HSK-E32可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速60 000r/min，因此對(duì)小刀具加工只能用折衷的圓周線速度驅(qū)動(dòng)。一種可能的解決方案為應(yīng)用一前置主軸，如氣動(dòng)主軸，可通過HSK接口和主軸聯(lián)接。這種解決方案將減小機(jī)床的工作空間而且由于接口數(shù)量使可達(dá)到的精度降低。但該方案對(duì)較廣泛的加工應(yīng)用無(wú)疑可作為一種選擇。在微量精密切削中為到達(dá)一定的加工精度，刀具本身的精度也是一個(gè)極為重要的因素。

針對(duì)性的降低熱影響

對(duì)Fischer Precise而言，降低主軸對(duì)Z軸的熱量影響已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。應(yīng)用的同步電機(jī)尤其降低了在負(fù)載下對(duì)軸心的升溫，而且還將使熱量對(duì)微量切削精度的影響降低到最小。此外，F(xiàn)ischer Precise還致力于對(duì)主軸軸殼冷卻的優(yōu)化。其目標(biāo)為盡可能使溫度分散均勻從而避免主軸軸殼由于溫度的不均勻擴(kuò)散在微米范圍內(nèi)的變形。所應(yīng)用的冷卻裝置應(yīng)具有極小的反應(yīng)時(shí)間延遲，以消除熱量對(duì)軸向位置精度的影響。冷卻介質(zhì)的溫度變化在± 2K時(shí)就可導(dǎo)致切削刀刃在幾微米內(nèi)變化，這也將同樣影響到微量精密切削中工件的表面精度，因此應(yīng)盡量減少冷卻介質(zhì)的溫度變化。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

根據(jù)需要選擇適合的主軸

表

Fischer Precise具有廣泛的產(chǎn)品范圍，可根據(jù)不同的微量精密切削提供適合的主軸。同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，不同的刀具夾持系統(tǒng)，緊湊的主軸結(jié)構(gòu)及外型（以減少機(jī)床動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)慣量），智能的冷卻方案，先進(jìn)的軸承系統(tǒng)均含在Fischer Precise的產(chǎn)品范圍中（如上表）。結(jié)合全面的主軸系統(tǒng)集成于機(jī)床的技術(shù)咨詢，F(xiàn)ischer Precise集團(tuán)為微量精密切削的高精度，高效機(jī)床提供核心的解決方案。