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发表于 2006-12-22 17:29:20
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来自： 中国山东青岛
广州市钜联高速电主轴有限公司
8 r* {2 f# }9 y6 C( q# w9 a 教授级高工 陈世钰
* {1 u8 h0 U9 m: t8 c/ g$ L 气静压电主轴是一个功能部件，在国外已应用于高速精密磨削，铣削、雕刻和难加工材料的微小孔钻削及抛光等。它是空气静压轴承应用的一个重要方面，涉及的行业范围广数量大。美国POPE公司、英国WESTWIND公司、日本东芝公司及韩国三星公司等，已经进行专业化生产，并已有系列产品供应。
( ?. b1 e2 L' Y 我国也有个别厂家生产气静压电主轴，但是输出功率小（小于1千瓦），而且承载力和刚性低。因此，只适合于小孔的磨削及微小孔钻削。滚珠轴承电主轴在我国市场上仍占据着统治地位。近年来广州市钜联高速电主轴有限公司研制成功了一种大功率，高刚性的气静压电主轴，已形成系列化，并已初步投入市场使用，取得良好效果。
; p4 }* ^1 f$ U0 r一、高刚性气静压电主轴的结构特点和工作原理：
" Y4 K6 F9 z& U$ d) b2 y0 _1．结构特点：
4 k) {+ b: g: C! \2 Y6 H2 f 气静压电主轴是采用空气静压轴承作主轴的支承，采用变频电机驱动主轴，变频电机的转子安装在主轴上（因此称作电主轴），电机的定子安装在壳体内。空气轴承采用“全支承”结构与国内传统的设计相比，能成倍地提高轴系的承载和刚度。其结构示图如下：
+ e5 ~ Z9 n6 z3 g8 x# \" | T4 ]高刚性气静压轴承电主轴示意图01前盖 02止推轴承 03定位板 04轴承 05体壳 06主轴 07定子 08水套 09转子, F" M8 p0 W C9 z/ S) l& g. b
2．工作原理：% l- F' ^; s6 W0 n: r* M2 T! M
工作时，来自管道经过精密过滤的压缩空气进入壳体的通道，再流入轴承的节流小孔。然后流进轴承与主轴之间的间隙，形成一层压力气膜，将主轴浮起。启动电机驱动主轴，通过改变电源的频率，使主轴以不同的速度旋转。% D( o% k2 T1 V# w: E; g6 d
二、刚度对比和分析：1 i, B v; M/ R; R1 g: n
十多年前，我国已经有单位生产气静压电主轴，但是由于承载低、刚性低，因此只能用于小孔的磨削和钻削，使气静压电主轴的应用范围受到很大的局限。滚珠轴承电主轴直至现在在国内市场仍占据着统治地位，而且还使人们在认识上还存在着这样一个概念：气静压电主轴的刚度低于滚珠轴承的刚度。现在随着高刚性气静压电主轴先后在国外及国内出现，这种观念应该改变了。下面我们分别举出规格和用途相似的两种气静压电主轴和滚珠轴承电主轴的刚度进行对比：
U3 ]! }+ L+ `8 m5 ~# n, z1 g品 种 空气静压轴承电主轴 滚珠轴承电主轴( b* W( d: s# O# y1 }5 \
生产厂 英国WESTWIND公司 德国FORTUNA公司
; g2 e2 o# i$ I( D# c0 L; m型 号 D1156 D1150 MS32 .165LR36/25 MS32.100LC51/62 s. U) I( j8 u
转 速 20000~30000rpm 30000~50000rpm 36000rpm 51000rpm7 H% J8 H k1 _+ k
刚 度 径向=19kg/μm轴向=6.35kg/μm 径向=13.6kg/μm轴向=3.63kg/μm 径向=8.7kg/μm轴向=4.5kg/μm 径向=5.3kg/μm轴向=3.0kg/μm
# R% p1 t5 e3 A' z 从上表可以看出，当今相似规格和用途的气静压电主轴的径向刚度和轴向刚度都比滚珠轴承的高。
1 N! I* X( [1 Z, S8 p0 e" h7 V我们也曾对国内某厂生产的M131W的高精度的滚珠轴承内圆磨具的径向刚度进行测试，在主轴伸出端30毫米处吊重100N，主轴向下位移3~4微米。
5 d o* e# x( ]5 X. F我们对本公司生产的KG25型（额定转速25000转/分）高刚度气静压电主轴作同样加载试验，加载100N主轴向下位移小于1μm。其刚度不仅比M131W滚珠轴承内圆磨具的径向刚度高，而且比上述德国FORTUNA公司生产的滚珠轴承电主轴的径向刚度也高。
1 q" a$ p& q/ I8 g6 W, B/ a6 A 滚珠轴承由于其元件内部有游隙，而且实际上是一个弹性体，它受力以后的刚度不是常数。受力从零开始，由于力的作用，逐步消除游隙并产生变形，使刚度逐渐增加。当轴承受力逐渐增加，至使元件产生完全刚性接触，至没有位移时，刚性从零达到极大值，但是后面一段刚性是没有实用价值的。为了进行比较，我们取一段具有实用意义的刚度值，此段轴承受力从零开始至切削规范允许的最大受力段，作者称此刚度为初始刚度，我们只是认为气静压电主轴的刚度大于滚珠轴承电主轴的初始刚度。滚珠轴承电主轴在选取规范的切削参数进行加工的情况下，主轴受力是比较小的，它的初始刚度是比较小的，如上表所述，滚珠轴承电主轴的刚度要低于气静压电主轴的刚度。
v4 [) C" g% x$ b. Q 因此，可以推论，在高速精密加工的范围内，从刚性的角度看，气静压电主轴的应用可以遍及现在滚珠轴承电主轴的应用领域，甚至可以基本取代后者，而且会得到更好的效果。
. O8 M" D6 k' M% g7 l0 i三、优点：
7 l9 E9 I, n8 a# |- D! N+ _ 气静压电主轴其优点是转速高、回转精度高、精度寿命长、使用寿命长、摩擦功耗小、振动和噪音小。这是大家所熟知的，下面着重介绍使用气静压电主轴加工时所显示的比较突出的优点。* M* H2 p R! j1 U" V0 C4 L) D7 r
1．增加刃具的寿命
1 j0 j! v' ?& X& j* } 气静压电主轴作为高速磨具使用时，由于主轴回转精度高，没有振动，因此可以较好地保持砂轮的锋锐性，不易钝化，从而可以得到较高的生产率，降低加工零件表面粗糙度，减少砂轮的修整次数，延长砂轮的使用寿命，减小操作成本。国外某厂的数据表明，使用气静压电主轴磨削轴承零件时，砂轮的磨损和修整砂轮时金刚石的磨损，要比使用滚珠轴承电主轴时约小3/8。在进行高速雕铣和钻削时，也一样能延长刃具的使用寿命，及提高生产效率并得到很好的加工质量，英国WESTWIND公司认为这是气静压电主轴加工的最大特点。
' r5 K$ a: s" |% A 本公司的一套气静压电主轴装在中山市盈科轴承制造公司的3MZ204A内园磨床上使用，自3月27日至8月25日磨削轴承环的内孔效果良好，除了内径圆度有所提高外，磨削效率有较大提高并且表面粗糙度明显降低。（据该厂使用报告）
! Q) D; K0 D. L: R# _2．在磨削轴承环的滚道时轨迹不易偏摆。* g `- U. }3 N8 ]; j' B
气静压轴承是利用主轴轴肩的两个侧面作止推支承的，因为轴肩的左右两个止推面的面积是相等的，而两侧的气压在同一时刻是相等的，因此，轴肩两侧的止推力是相等的。因此在磨削滚道时，不易于使滚道偏摆，这也是此种电主轴优越的地方。在使用气静压电主轴切削硅片时，由于砂轮没有偏摆，能保持硅片的厚度公差减少废品率。
2 O% W: R' V! _3．恒定的刚度
" }5 @& O1 s, w+ x; V0 J3 I 英国WESTWIND公司认为，由于气静压轴承电主轴每转具有恒定的刚度。因而可以使得在加工硬的材料（如陶瓷、硅片等）时，可以使加工表面下的破裂减至最少，提高表面质量，提高加工零件的成品率。! [9 O% T; X( \/ n5 i
四、成功应用的领域。
3 S: O6 k4 r s P! V ^ 高刚性超精密气静压电主轴，在国外工业发达国家已在众多高速加工的领域取得成功的应用。国外比较著名的生产气静压电主轴的公司有英国的WESTWIND公司、日本的TOSHIBA MACHINE公司和TOSHIBA TUNGACOY公司、美国的POPE公司等。下面介绍高刚性气静压电主轴在高速加工方面的一些应用：" I4 g# I$ l0 D9 u7 A* E0 I3 ~
☆在高速加工机床上的应用
' S" s) i0 `# P& A2 b! F最近日本东芝机械公司（TOSHIBA MACHINE.CO）已生产有主轴头为高刚性超精密气静压电主轴的高速加工机床，机床型号为F-MACH 442和F-MACH 644两种，主轴转速为6000~30000rpm轴移动量（X×Y×Z）400×400×200mm和600×400×400mm，工作台面积为600×450mm和1100×450mm，可用于加工精密模具等。
% {4 w# ` F, b ☆半导体硅片的切割和磨削
" G! ^6 ?+ D, H# U现在半导体硅片直径已发展至8”（Φ200mm），使用气静压电主轴切割硅片，由于砂轮偏摆极小，所以切下的硅片厚度差很小。而且也使表面不易烧伤，大大地提高成品率。切割下来的硅片需要磨平面，使用高刚性超精密气静压电主轴安装在平面磨床上加工，能获得高质量的表面，（因为主轴每转恒刚度，所以磨削又脆又硬的硅片表面不易烧伤而且表面下的材料也不易破裂）。
& \5 y4 x; s; I$ ^( C☆印刷电路板微小孔的钻孔——英国WESTWIND公司、日本TOSHIBA MACHINE公司和TOSHIBA TUNGALOY公司均有生产转速为120000rpm的超高速气静压电主轴，英国AIR BEARING公司也生产有125000rpm的同类型产品，用于Φ0.5mm以下的印刷电路板和难加工材料微小孔的钻孔，最小钻孔直径为Φ0.1mm。
0 m) L q9 H2 W$ X ☆汽车零件内孔磨削。
g1 |, R, {# z B! ] ☆滚珠轴承外环内滚道磨削——滚珠轴承外环内滚道的偏摆公差要求很高，在磨削过程中要求砂轮不产生轴向偏摆，气静压电主轴由于结构独特优势（如前所述），能顺利地达到加工要求，得到了成功的应用。
* M' F! O4 x+ l+ j$ | ☆陶瓷零件和光学玻璃等脆硬零件的加工。# H( ]2 o6 C, e* G) W4 S2 ` e: [; w
☆内燃机喷油嘴内孔磨削。
: _6 [8 q7 H2 _0 \* u ☆用作精密雕铣的雕刻机主轴头。9 Z9 V' ^; S" M
☆作为高速精密磨具还用于磨削轴承环的内孔，弹簧夹头的内孔及模具导套的内孔等。( ~$ ]* X5 o1 h8 r3 N& i
据著名的英国WESTWIND公司资料介绍，该公司生产的气静压电主轴已成功地应用在如下16个方面。现转载如下：
- T" X9 c9 w; S, l) H& t Success in:
9 l2 s! [3 T$ f2 _# l.Semiconductor Wafer Grinding .Ceramic Grinding
4 Y7 Y" X) A1 K+ E. w# }8 ], v! B.Wafer Dicing .Diamond Turning
: S+ \" D! c* B$ d7 v; c: x.Electrostatic Coating .Advanced Optics Machining& W& l# _6 f5 g+ B+ Y
.Ballrace Track Grinding .Prescription Optics Machining5 ~5 m9 k! D/ g* Y3 j7 i0 Y
.Diesel Injector Grinding .Graphite Milling' N5 A9 E) l% ^4 [: ]
.Bore Grinding For Automotive Components .Precision Work Heads
+ ]) }# d k; x; B7 Y+ W.PCB Drilling & Routing .Servo Writing Removable Drives% a( o" y A+ @1 k" [3 ]
.Image Setter Optical Systems .Hard Disk Verification
; x% G/ |3 K" ~/ |3 D3 @ 由上可以看到，气静压电主轴在国外已经在众多生产大行业中成功应用。如半导体、轴承、模具、喷油咀、汽车、印刷电路板、雕刻机、陶瓷零件加工、光学玻璃加工等大行业中。我国在应用方面存在很大差距，潜在的市场很大。
* b' f* d; T& @5 t& Z/ r 本公司已开发研制大功率高刚性气静压电主轴系列产品，产品的性能已达到或接近国外同类产品的水平。有转速120000rpm，功率0.8KW，用于印刷电路板（PCB）和难加工材料微小孔加工；转速10000~60000rpm，功率1.5~5KW用于内孔的磨削和雕铣等；还有转速6000~15000rpm，功率12KW，径向刚度达270N/μm的精密主轴头等。
b5 q: n6 s# ^+ i( ^: J本公司生产的系列产品:' _5 G1 _" p* c! g [3 ]
1．内圆磨床的主轴头
6 ^6 v6 k8 _+ R7 u$ F6 T$ A2． 数控台钻
2 p' z* K2 x; \ m- n/ M 大功率气静压轴承电主轴在磨床上应用主轴转速有:10000~20000R.P.M 20000~30000R.P.M 30000~50000R.P.M电机功率:2~5KW(根据需要而定) 供气压力:0.6~0.7Mpa 耗气量:0.35M³/min
" L, b7 M6 ~6 r
+ p$ Z+ ~5 r/ N6 f9 T3．雕刻机的主轴头（转速25000rpm 功率3KW） ' w* g- ? c: [/ T- o
4．高刚性超高速气静压电主轴转速120000rpm功率0.8KW
. M; |: d& L7 q! K" y/ g日本东芝公司生产的产品高能率＆#12539;高品位加工を実現する高剛性超精密空気静圧主軸を搭載した高速加工機
0 {- ?) \& f& K0 `! w+ {" d 主軸回転数 6,000～30,000 min-１
7 |3 z7 F9 p: z3 [7 P' J 軸移動量(Ｘ×Ｙ×Ｚ） 600×400×400 mm# ^, W/ Z) d8 A3 z: J( Q
テーブル作業面サイズ 1100×450 mm
- s7 u$ n3 e+ u4 F テーブル上最大積載重量 500 kg
# A( `7 ^( N, W7 l8 @7 T结束语：钜联主轴公司一直使用顺德华顺平衡机进行主轴的动平衡检测。
# v9 r& V8 ]6 L4 K4 q$ o0 G6 l2 u, v5 b# C# `) ^
地 址：广州市黄埔区大沙地西1号0 s1 ~2 ~/ Z3 s7 Q; ~ y
电 话：+86(020)-82271775 822936690 t0 B/ i4 ~" I, ~/ [
传 真：+86(020)-82275812
: @) u* o5 {* I# t网 址：http://www.ju-lian.com |
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