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NEWS CENTER高速电机角接触球轴承的应用特点(下)

高速电机角接触球轴承的应用特点(下)

高速电机角接触球轴承的应用特点

当今高速电主轴,几乎都是内置异步交流异步电机。其优点是结构简单,制造工艺比较成熟,便于安装,特别是可使磁场衰减最大,且易于实现高速化。这种类型的主轴电机还在进一步改进,如日本三菱电机最近开发的高速高效的内置感应主轴电机,它可以降低电气损耗,缩短定子长度。

目前,国外正在研究将交流永磁同步电机内嵌于电主轴中的问题。永磁同步电机与异步异步电机相比,具有以下优点:采用永磁材料制成的转子,在工作时不会发热,解决了目前异步电机内置的转子发热和难以充分冷却的问题;功率密度大,工作效率高,可以以较小的尺寸获得较大的功率和扭矩;低速性能好,易于实现精密控制等。但PMSM也有其自身的缺点,功率容量有限,磁强弱差,不利于实现高速运行。因此,迄今,只有个别机床企业有内置永磁同步电机的电动主轴在展览会上亮相,专业电动主轴制造企业尚无此产品销售。很多人认为,对于在弱磁场下运转的高转速电主轴,采用异步异步电机驱动更合适。

PWM变频调速技术是目前实现电主轴高速化的主要手段,它同时具有普通变频调速器和矢量控制驱动两大功能。前一种是恒转矩驱动,其输出功率与转速成正比;后一种是恒转矩驱动,其输出功率与额定转速低时的恒功率和高速时的恒功率成正比。电主轴的高速加工中心与数控铣床的加工中心,基本上都采用后者(即矢量驱动)。另一个特点是矢量控制驱动器具有开环和闭环两种形式,闭环形式的主轴上装有高性能编码器作为检测元件,实现位置和速度的反馈,从而获得较好的动态性能,同时还可实现立式切削主轴的定向准停和C轴功能。

高速主轴性能的好坏,在很大程度上取决于主轴轴承的润滑。滚动式轴承刚度好,加工精度高,承载能力强,结构相对简单,是普通切削机床的首选主轴,也是高速切削机床的首选。就高速性而言,以角接触球轴承为主,圆柱滚子轴承为辅,圆锥滚子轴承为辅;

角接点球轴承的球(也就是滚珠)公转和自转都会产生离心力Fc和陀螺力矩Mg。当马达主轴转速增大时,离心力和陀螺力矩都会急剧增大,使轴承产生很大的接触应力,从而引起轴承摩擦加剧,温度升高,精度降低,寿命缩短。所以要想提高这种轴承的高速性能,应该想办法抑制它的Fc和Mg的增长。由角接触球轴承Fc和Mg的计算公式可知,减小球材料的密度、球的直径和球的角度对减小Fc和Mg都有好处,因此现在高速主轴多采用小球径轴承,其接触角为15°或20°。但是,球径不能减得太多,基本上只能达到标准系列球径的70%,以免削弱轴承的刚度,更重要的是要对球径材质进行改进。

氮化硅(Si3N4)陶瓷的密度只有GCr15轴承钢的41%,用氮化硅制造的球体轻得多,而且在高速旋转时自然产生的离心力和陀螺力矩也小得多。同时,氮化硅陶瓷具有比轴承钢高1.5倍、比轴承钢高2.3倍的弹性模量和比轴承钢高25%的热膨胀系数,既能提高轴承的刚度和寿命,又能使轴承的配合间隙在不同的温升条件下变化不大,工作可靠,再加上陶瓷耐热性强,不会与金属产生粘连,显然用氮化硅陶瓷制作的球体更适合高速旋转。实际应用表明,陶瓷球角触头轴承相对于相应的钢球轴承,速度可提高25%~35%,但价格也有所提高。

外圈为钢制、内圈为陶瓷制,国外统称为混合轴承。当前,混合轴承又有了新的发展:第一,陶瓷材料已经被应用于圆柱滚子轴承的滚子中,市场上出现了陶瓷圆柱混合轴承;第二,用不锈钢制造的轴承内圈取代轴承钢制造的内外圈,特别是内圈,内圈的热膨胀系数比轴承钢低20%,因此在高速旋转时,内圈热膨胀引起的接触应力增加的自然趋势将被抑制。

油脂润滑是最简单、最环保的润滑之一。因为油脂在超高速运转下容易变质,所以它的dmh值很低,当轴承为钢球时只有80×104,当轴承为陶瓷球时可达到110×104(FAG企业开发的新一代低温轴承,它的dmh值还可以再提高10%左右)。目前,高速主轴轴承最常用的是油气润滑方式,即定时定量地向轴承供应油—气混合液,使轴承的各个部分得到最佳的微量润滑,从而减少污染。钢球或陶瓷球角接触球轴承采用油气润滑时,其dmh值一般可分别达到140×104和210×104,若采用较为特殊的油气润滑方式,陶瓷球角接触球轴承的dmh值一般可达250×104或更高一点,属于试验室中特殊油气润滑方式,其dmh值可达280×104)。


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