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。新一代的主軸對轉(zhuǎn)速、精度和可靠性的要求明顯提高。

關(guān)于同步電機是否優(yōu)越于異步電機的觀點還不能一概而論，而是要根據(jù)實際的加工情況而定。通常而言異步電機十分可靠耐用。同步電機的性能可以和異步電機相媲美，只是對變頻器參數(shù)沒有精確設(shè)定時的反應(yīng)過于靈敏。因此優(yōu)化由變頻器和主軸組成的整個驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計極為重要。異步電機的一個優(yōu)勢為耐高溫性。同步電機由于轉(zhuǎn)子上附著磁體，在120℃～150℃有去磁效應(yīng)，從而耐高溫性較差。

同步電機成為明顯發(fā)展趨勢

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

通常而言，同步電機產(chǎn)生的軸心溫度較低。這將有助于降低軸心的伸長和提高主軸的精度。同步電機的一個缺點為較小的去磁范圍。此外，在去磁環(huán)境中必須有測試系統(tǒng)來檢測轉(zhuǎn)子的位置，這將提高系統(tǒng)費用。然而基于上述優(yōu)點，同步電機技術(shù)仍將為明顯的發(fā)展趨勢，因為它可以提高主軸的功率、精度和動態(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)實中并沒有錯誤，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)還對主軸軸承系統(tǒng)的設(shè)計提供了新的可能性。

對主軸溫度分布的影響

Fischer軸心冷卻系統(tǒng)使整個軸心、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)的多個通道實現(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)接頭的第三個通道用來刀具內(nèi)部冷卻。系統(tǒng)的密封為無接觸式。（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。通過對軸心、轉(zhuǎn)子和軸承內(nèi)環(huán)的直接冷卻使熱量對主軸的影響得以減小。實驗證明，通過軸心冷卻可以比無軸心冷卻多帶走1kW的熱損功率。圖2為軸心冷卻系統(tǒng)對主軸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)主軸空載時測試結(jié)果，由
熱象儀拍攝（主軸型號>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）和機床的熱機運轉(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)速對溫度變化的影響幾乎消除。被測試主軸的總熱伸長量由于軸心冷卻減少了70%，此外，達到穩(wěn)定溫度的時間也減少了80%（圖3）。與此同時主軸較低的運轉(zhuǎn)溫度將減少對機床的熱影響，進而提高機床精度。

圖3 軸心冷卻系統(tǒng)對主軸熱機過程的影響

用于高轉(zhuǎn)速和長使用壽命的油脂供給技術(shù)

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

用于微量精密切削的刀具直徑一般為0.1～20mm，因此微量切削對主軸的負載很小。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。其原因為該軸承損壞不是一般的機械疲勞，而是因為磨耗和在某些情況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，油脂及軸承的使用壽命即達到極限。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)速還沒有進行相關(guān)的試驗。

圖4 主軸帶油脂添加單元

高精無接觸軸承技術(shù)

在微量精密切削中除了滾珠軸承外，無接觸軸承（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。另一個優(yōu)點為無磨耗旋轉(zhuǎn)，比油氣潤滑或油脂潤滑軸承有更長的使用壽命。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，空氣軸承的優(yōu)勢更加明顯。空氣軸承應(yīng)用的一個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，還可達到極高的動態(tài)旋轉(zhuǎn)精度（<1μm）。由于空氣軸承的旋轉(zhuǎn)面無磨耗，和滾珠軸承相比，主軸的旋轉(zhuǎn)精度隨著運行時間保持不變。在精密微量切削中空氣軸承結(jié)合同步驅(qū)動技術(shù)后，在考慮到運行噪聲，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。配有同步電機，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，可達到的夾持精度越高。熱縮式HSK帶有兩個內(nèi)部接口無疑是當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)。為了達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)直接夾持的一個缺點為所有刀柄直徑必須相同。對此應(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可實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)速80 000r/min，HSK-E32可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速60 000r/min，因此對小刀具加工只能用折衷的圓周線速度驅(qū)動。一種可能的解決方案為應(yīng)用一前置主軸，如氣動主軸，可通過HSK接口和主軸聯(lián)接。這種解決方案將減小機床的工作空間而且由于接口數(shù)量使可達到的精度降低。但該方案對較廣泛的加工應(yīng)用無疑可作為一種選擇。在微量精密切削中為到達一定的加工精度，刀具本身的精度也是一個極為重要的因素。

針對性的降低熱影響

對Fischer Precise而言，降低主軸對Z軸的熱量影響已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。應(yīng)用的同步電機尤其降低了在負載下對軸心的升溫，而且還將使熱量對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)時間延遲，以消除熱量對軸向位置精度的影響。冷卻介質(zhì)的溫度變化在± 2K時就可導(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。同步電機驅(qū)動方案，不同的刀具夾持系統(tǒng)，緊湊的主軸結(jié)構(gòu)及外型（以減少機床動態(tài)的運動慣量），智能的冷卻方案，先進的軸承系統(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)集成于機床的技術(shù)咨詢，F(xiàn)ischer Precise集團為微量精密切削的高精度，高效機床提供核心的解決方案。