淺析磁懸浮支承技術(shù)在高性能機(jī)床中的應(yīng)用

王蕓

【摘要】闡述了在機(jī)床中應(yīng)用的磁懸浮軸承特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域。將磁懸浮支承技術(shù)用于電主軸中，電主軸可以在5000-8000r/min的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行上萬(wàn)小時(shí)；將磁懸浮支承技術(shù)用于機(jī)床直線電機(jī)的進(jìn)給平臺(tái)中，與傳統(tǒng)的機(jī)床導(dǎo)軌支承相比，磁懸浮支承具有無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)磨損、無(wú)爬行、無(wú)潤(rùn)滑、可靠性提高、壽命延長(zhǎng)等諸多特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】磁懸浮；支承；磁懸浮軸承；電主軸

1 磁懸浮支承技術(shù)的特點(diǎn)

隨著現(xiàn)代機(jī)械向著高速發(fā)展，人們研究了磁懸浮支承技術(shù)，它是目前唯一投入實(shí)用的可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制的現(xiàn)代支承技術(shù)，能夠達(dá)到許多傳統(tǒng)機(jī)械支承技術(shù)無(wú)法達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，它具有下述特點(diǎn)。

1.可容許轉(zhuǎn)子達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速。由磁懸浮支承的轉(zhuǎn)子可以在超臨界、每分鐘數(shù)10萬(wàn)轉(zhuǎn)的工況下運(yùn)行，其圓周速度只受轉(zhuǎn)子材料強(qiáng)度的限制。通常在相同的軸頸直徑下，磁懸浮支承的轉(zhuǎn)子能達(dá)到的轉(zhuǎn)速比滾動(dòng)軸承支承的轉(zhuǎn)子大約高2倍，比滑動(dòng)軸承支承的轉(zhuǎn)子大約高3倍。

2.摩擦功耗小。在10000r/min 時(shí)，磁懸浮支承的功耗大約只有流體動(dòng)壓潤(rùn)滑支承的6%，只有滾動(dòng)支承的17%，這對(duì)節(jié)約能源有重大意義。首先，磁懸浮支承本身的能耗小，大大節(jié)約了能源；另外，磁懸浮軸承不用油，節(jié)約了石油資源。

3.維護(hù)成本低，壽命長(zhǎng)。由于磁懸浮支承是靠磁場(chǎng)力來(lái)懸浮軸頸，相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間沒(méi)有接觸，不存在摩擦、磨損和接觸疲勞產(chǎn)生的壽命問(wèn)題，所以磁懸浮軸承的壽命和可靠性均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)類(lèi)型軸承。

4.磁懸浮支承無(wú)需潤(rùn)滑，因而不存在潤(rùn)滑劑對(duì)環(huán)境的污染在真空、輻射和禁止?jié)櫥瑒┙橘|(zhì)污染的應(yīng)用場(chǎng)合，如真空技術(shù)、超凈無(wú)菌室以及腐蝕性或非常純凈的介質(zhì)等，磁懸浮支承具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。在一般應(yīng)用場(chǎng)合，由于省掉了潤(rùn)滑油的存儲(chǔ)、過(guò)濾、冷卻、循環(huán)等設(shè)施，在價(jià)格和占有空間位置上，完全可以和滑動(dòng)支承相競(jìng)爭(zhēng)。

5.磁懸浮支承系統(tǒng)具有靈活的剛度和阻尼調(diào)整能力，能夠安全地超越轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。

2 磁懸浮支承技術(shù)在機(jī)床電主軸中的應(yīng)用

電主軸是將電機(jī)內(nèi)置于機(jī)床主軸內(nèi)部、實(shí)現(xiàn)電機(jī)與主軸一體化功能的內(nèi)裝式電機(jī)主軸單元，它省去了皮帶、齒輪、聯(lián)軸節(jié)等中間傳動(dòng)和變速機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械效率高、噪聲低、振動(dòng)小和精度高等特點(diǎn)；由于它采用交流變頻技術(shù)，可在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，以適應(yīng)各種工況和負(fù)載變化的要求；利用電機(jī)矢量控制技術(shù)，它不僅可以滿足強(qiáng)力切削時(shí)低速大扭矩的要求，還可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的C軸定位及傳動(dòng)的功能，適應(yīng)對(duì)C軸功能要求的車(chē)削、鏜銑等加工中心及其它數(shù)控機(jī)床的需要。因此，電主軸是機(jī)械加工中心和數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，它廣泛應(yīng)用于數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、各種高速離心機(jī)、高速旋碾機(jī)、高速試驗(yàn)機(jī)等領(lǐng)域。在上述高速設(shè)備上應(yīng)用的電主軸其關(guān)鍵技術(shù)是具有良好性能的軸承支承技術(shù)。

電主軸分為車(chē)削電主軸、銑床電主軸和磨削電主軸，另外還有組合機(jī)床使用的多功能電主軸等多種類(lèi)型，其工作轉(zhuǎn)速為：車(chē)削電主軸3000-15000r/min銑床電主軸5000-50000r/min；磨削電主軸8000-150000r/min；組合機(jī)床使用的多功能電主軸工作轉(zhuǎn)速一般在數(shù)千轉(zhuǎn)至數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)。

目前，在大多數(shù)電主軸中采用的軸承支承技術(shù)是傳統(tǒng)的支承技術(shù)，如：滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承或氣懸浮軸承等，但也有部分電主軸上已開(kāi)始采用磁懸浮軸承技術(shù)。在采用傳統(tǒng)支承技術(shù)的電主軸中，采用滾動(dòng)軸承支承的銑床電主軸轉(zhuǎn)速最高，在電機(jī)功率為95kw 時(shí)，可以達(dá)到約24000r/min 的轉(zhuǎn)速。由于受到軸承內(nèi)滾動(dòng)體表面速度的限制，傳統(tǒng)電主軸往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)所希望的切削速度。采用最新的陶瓷軸承可以將最高轉(zhuǎn)速提高20%-30%，但這種軸承的壽命最多也只有數(shù)千小時(shí)。如果采用磁懸浮軸承支承技術(shù)，電主軸可以在5000-80000r/min的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行上萬(wàn)小時(shí)。1986年法國(guó)S2M 公司研制出第一臺(tái)AMB 高速磨削設(shè)備，設(shè)計(jì)的高速磨床電主軸轉(zhuǎn)速達(dá)60000r/min，1990年日本研制的超高速內(nèi)圓磨磁懸浮電主軸，加工精度超過(guò)滾珠軸承，并具備在線監(jiān)測(cè)能力，如監(jiān)測(cè)研磨力、砂輪磨損等。

3 磁懸浮支承技術(shù)在機(jī)床直線電機(jī)進(jìn)給平臺(tái)中的應(yīng)用

直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不需通過(guò)任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)（如鏈條、齒條或絲杠等）的新型直線驅(qū)動(dòng)裝置。它是20世紀(jì)下半葉電工領(lǐng)域中出現(xiàn)的具有新原理、新理論的新技術(shù)，在的各個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

在現(xiàn)代制造業(yè)中，超高速超精密加工設(shè)備必須有超高精度的支承、定位和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)-滾珠絲杠”的傳動(dòng)形式，已不適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)的要求。而直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給平臺(tái)所具有的優(yōu)點(diǎn)則恰恰可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)傳動(dòng)方式的不足，其速度是滾珠絲桿副的30倍，加速度是滾珠絲桿副的10倍，最大可達(dá)10g，剛度提高了7倍，定位精度和重復(fù)定位精度可達(dá)到微米級(jí)，甚至納米級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著磁懸浮支承技術(shù)的日益成熟和在工業(yè)上的應(yīng)用，采用磁懸浮支承技術(shù)的直線導(dǎo)軌成為可能。磁懸浮直線導(dǎo)軌通過(guò)磁場(chǎng)力把進(jìn)給平臺(tái)浮起，直線電機(jī)則驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的機(jī)床導(dǎo)軌相比，磁懸浮導(dǎo)軌具有無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)接觸磨損和無(wú)需潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)。由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間沒(méi)有接觸，因而徹底消除了爬行現(xiàn)象，沒(méi)有因磨損和接觸疲勞所產(chǎn)生的精度下降和壽命問(wèn)題，而電子元件的可靠性?xún)?yōu)于機(jī)械零件，使得其可靠性高于傳統(tǒng)的導(dǎo)軌；而且省掉了靜壓導(dǎo)軌必需的龐大油路輔助設(shè)備，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染，并且其自身的加工精度要求比氣體靜壓導(dǎo)軌低的多，降低了超潔凈防塵條件；由于磁懸浮支承采用了主動(dòng)控制，可提高機(jī)床的信息處理能力，如工況檢測(cè)、預(yù)報(bào)和故障診斷。而且磁懸浮導(dǎo)軌具有工作溫度范圍大、維護(hù)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。采用磁懸浮支承技術(shù)的機(jī)床電主軸和工作平臺(tái)可以滿足超高速超精密的加工要求，它是未來(lái)加工機(jī)床發(fā)展的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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