气体静压电主轴
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气体静压轴承工程设计方法全文共四篇示例,供读者参考第一篇示例:气体静压轴承是一种利用气体静压力支撑旋转件的轴承,其主要优点是能有效降低摩擦力,提高旋转部件的转动精度和稳定性。
在工业领域中,气体静压轴承被广泛应用于高速旋转设备的支撑系统中,如风力发电机、涡轮机、离心泵等。
本文将详细介绍气体静压轴承的设计方法,帮助读者了解如何正确设计和选择气体静压轴承,以保证设备的正常运行和性能表现。
一、气体静压轴承的工作原理气体静压轴承的工作原理主要是利用气体的压力来支撑旋转部件,形成与轴承座间的薄气膜。
当旋转部件开始运转时,气体在旋转部件和轴承座之间形成一定的气体动压力,使旋转部件悬浮在气膜上并保持稳定运转。
由于气体具有良好的可压缩性和弹性,因此气体静压轴承能够有效减小轴承与旋转部件间的接触面积,降低摩擦力和磨损,提高旋转精度和稳定性。
1. 轴承结构设计:气体静压轴承的结构设计主要包括轴承座、轴承座套、密封件、供气口等部件。
轴承座应具有足够的刚度和稳定性,能够有效支撑旋转部件并能够承受气体静压力的作用。
轴承座套的内表面应平整光滑,以确保形成均匀、稳定的气膜。
密封件应具有良好的密封性能,避免气体泄漏。
供气口应设在适当位置,以便于气体进入轴承座内,形成气膜支撑。
2. 气体供给系统设计:气体静压轴承的气体供给系统是保证轴承正常运行的关键。
气体供给系统应具有稳定的供气压力和流量,以满足轴承需要。
供气口的位置应设计在轴承座的适当位置,并根据轴承的尺寸和转速合理设置。
供气系统还应考虑到气体的过滤、干燥和净化等问题,以避免气体中的杂质对轴承的影响。
3. 材料选择和润滑设计:气体静压轴承的材料选择应考虑到轴承座和密封件的耐磨性、导热性和化学稳定性等特性。
通常采用金属材料如铜、铝或不锈钢来制造轴承座,密封件则采用聚四氟乙烯等高分子材料。
润滑设计应采用无油润滑方式,减小摩擦力和磨损,提高轴承的使用寿命。
4. 载荷和速度计算:在设计气体静压轴承时,需要准确计算轴承的承载能力和转速范围。
2023年气浮电主轴行业市场需求分析电主轴是数控机床的关键零部件之一,主要用于高速加工、精密加工和重型高负载加工等方面。
气浮电主轴采用气浮静压技术,具有高刚性、高速度、高温度、高精度、高可靠性等特点。
因此,在机械制造、汽车制造、模具制造、航空制造、电子制造等领域得到广泛应用。
下面将对气浮电主轴行业市场需求进行分析。
一、消费者需求1.制造业需求气浮电主轴作为数控机床的核心部件之一,是现代制造业生产和加工过程中必不可少的设备之一。
目前,国内制造业正处在快速发展阶段,对机械加工、模具加工、轮廓加工、光电制造等领域需求量逐年增长。
加之国家一系列政策的扶持,制造业对气浮电主轴的需求将较大。
2.汽车制造行业需求汽车行业是气浮电主轴的重要应用领域,现今全球汽车行业正处于一个快速发展期,这必然会带动气浮电主轴的需求增长。
我国正加大汽车市场开发力度,促进汽车工业升级,对气浮电主轴的高精度、高速度、高负载的需求将逐年增长。
3.医疗器械行业需求医疗器械是气浮电主轴的另一个重要应用领域,如医疗器械的高速切割,医用模具的加工等,都需要使用气浮电主轴。
随着我国人口老龄化趋势的显现,医疗器械市场需求量不断增长,这将推动气浮电主轴需求量的增加。
二、竞争分析1.外资品牌优势外资品牌占据气浮电主轴市场的大额份额,其中美国、日本先进设备等国家的产品更是一直保持着高水平的技术竞争力。
这主要与这些国家在科学技术和制造工艺方面的发展有密切关系。
2.国内品牌挑战国内品牌的气浮电主轴生产商,对于国外久经考验的技术和品质尚存在很大的差距,但国内品牌应该把握好自身产业内的发展机遇。
随着中国经济的快速发展,各行各业的需求在逐渐增长,国内品牌的气浮电主轴可以在质量、服务、价格等方面优化,进一步提高自身的竞争力。
三、未来发展趋势1.多元化发展随着市场需求的不断扩大,气浮电主轴行业的未来趋势是多元化发展。
气浮电主轴厂商应该从高航空、高铁、高速列车、智能化制造等领域展开,从单一的应用领域扩大到多个领域,做到不失专业性,同时兼顾多样化和协作发展。
主轴静压轴承的工作原理主轴静压轴承是一种常见的工业设备,广泛应用于机械设备中。
它的工作原理是靠气体的静压力来支撑主轴,减小主轴与轴承之间的接触摩擦力,从而达到减少能量损耗、提高工作效率的目的。
下面将详细介绍主轴静压轴承的工作原理。
主轴静压轴承的工作原理可以分为两个方面来解释:气体的静压作用和静压力的调节。
我们来了解气体的静压作用。
主轴静压轴承内部有一定的气体空间,当主轴转动时,气体被带动形成气膜。
这个气膜可以起到支撑主轴的作用,减小主轴与轴承之间的接触面积,从而减小接触摩擦力。
这种气体静压作用可以使主轴在高速运转时更加平稳,减少能量损耗。
我们来看一下静压力的调节。
静压轴承内部有多个分隔的气腔,这些气腔之间通过通道连接。
当主轴运转时,气体在气腔之间流动,通过控制气体的流动速度和压力来实现对静压力的调节。
当主轴受到外力作用,使得主轴与轴承之间的间隙变大时,气体会流向间隙较大的地方,形成较高的气膜厚度,从而增大静压力,使主轴重新回到平衡状态。
反之,当主轴受到外力作用,使主轴与轴承之间的间隙变小时,气体会流向间隙较小的地方,气膜厚度减小,从而减小静压力,使主轴重新回到平衡状态。
通过这种方式,主轴静压轴承可以实现对主轴的稳定支撑,保证主轴的正常工作。
主轴静压轴承的工作原理还有一点需要注意,那就是气体的压力和流速对静压力的调节有重要影响。
当气体压力较高、流速较快时,气膜厚度较大,静压力较大,主轴的支撑能力也较强。
相反,当气体压力较低、流速较慢时,气膜厚度较小,静压力较小,主轴的支撑能力也较弱。
因此,在实际应用中,需要根据主轴的工作要求和负载情况来调节气体压力和流速,以保证主轴静压轴承的正常工作。
总结起来,主轴静压轴承的工作原理是通过气体的静压作用和静压力的调节来实现对主轴的支撑。
它可以减小主轴与轴承之间的接触摩擦力,提高主轴的工作效率和稳定性。
在实际应用中,需要根据主轴的工作要求和负载情况来调节气体压力和流速,以保证主轴静压轴承的正常工作。
静压主轴原理
静压主轴是一种常见的工业设备,它通过静压气体的作用来实现高速旋转,广泛应用于机床、风力发电、航空航天等领域。
静压主轴原理是指静压气体在轴承内部形成气膜,使得轴承与轴承座之间形成气膜支撑,从而减小了摩擦力和磨损,提高了轴承的工作效率和使用寿命。
本文将从静压主轴的工作原理、结构特点和应用领域等方面进行介绍。
静压主轴的工作原理是利用气体的静压效应来实现轴承支撑。
当轴承内部的气体压力大于外部环境的压力时,气体会在轴承座与轴承之间形成气膜,从而形成支撑力,使得轴承可以在气膜的支撑下实现高速旋转。
这种支撑方式不仅可以减小摩擦力和磨损,还可以有效降低轴承的运转温度,提高了轴承的工作效率和使用寿命。
静压主轴的结构特点主要体现在轴承和轴承座的设计上。
轴承通常采用气体动压轴承或气体静压轴承,它们都具有较高的旋转精度和承载能力。
轴承座通常采用特殊的结构设计,以保证气体能够在轴承座与轴承之间形成稳定的气膜支撑。
此外,静压主轴还需要配备气体供给系统和控制系统,以确保气体的稳定供给和轴承的稳定运转。
静压主轴广泛应用于机床、风力发电、航空航天等领域。
在机床领域,静压主轴可以实现高速、高精度的加工,提高了加工效率和加工质量。
在风力发电领域,静压主轴可以实现风力发电机组的高效运转,提高了发电效率。
在航空航天领域,静压主轴可以实现飞机发动机的高速旋转,提高了动力性能和可靠性。
总之,静压主轴通过静压气体的作用实现了轴承的支撑,减小了摩擦力和磨损,提高了轴承的工作效率和使用寿命。
它具有较高的旋转精度和承载能力,广泛应用于机床、风力发电、航空航天等领域,为这些领域的发展和进步提供了有力支持。
1.气体静压电主轴的结构特点目前气体静压电主轴的结构基本大同小异,其结构的差别主要体现在轴承对主轴的支撑位置不同,按照支撑位置的不同,气体静压强主轴大体可分为两类:全支撑式和两端支撑式。
典型的全支撑式气体静压电主轴结构如图1.1所示,该结构的电主轴其电机部分从承压面伸出,形成了悬臂结构,悬臂的质量对整个主轴产生了力矩作用,对主轴的精度会带来一定的影响。
随着对供气方式的深入研究和不断改进,气体静压轴承的承载力也得到不断提升,因此,不再需要密集排布供气孔以满足承载力需要,同时也为了克服全支撑式的缺点,两端支撑式气体静压电主轴得到大规模应用,其典型结构如图1.2所示,分别是气体流道和冷却液流道的剖视图。
2.国内外应用情况随着加工精度要求越来越高,传统机床的车、铣、镗、磨及钻削已经不适应各种精密元件的加工,所以新的机械装备得到推广。
气体静压电主轴精度高,适用于微小孔钻削、精密光学镜片的磨削、精密半导体元件的磨削等,其转速极高,使加工效率成倍提高。
因此,目前气体静压电主轴广泛应用于精密加工领域,其加工的零件也多用在要求精密、高效及微型化的高科技领域。
美国AMETEK Precitech公司研制的Nanoform 250ultragind机床,可用于单点金刚石车削、刀具正交金刚石车削、精密磨削、铣削和自由曲面铣削、磨削,该机床上用于高速铣削和磨削的主轴采用气体静压轴承支承,其轴向与径向运动误差均小于0.05μm,该公司的Nanoform 700ultra机床可用于微铣削,其轴向与径向运动误差也都小于0.05μm,安装在这些机床上气体静压电主轴主要是HS、SP和HD系列电主轴,其中HS-75高速电主轴最大速度达到18000rpm,其轴向径向运动精度达到了20nm以内,而SP-150高性能电主轴转速虽然不高,但其轴向径向运动精度都达到了15nm以内,HD-160系列电主轴是重载电主轴,其轴向与径向刚度分别达到了350N/μm和175N/μm,主轴头部处的径向承载能力达到102kg,其轴向径向运动精度也在50nm以内。
静压主轴原理
静压主轴是一种常用于机械加工中的重要设备,它利用静压原理来实现工件的高速旋转和精密加工。
静压主轴的工作原理是通过静压气体或液体在主轴内部形成薄膜,从而减少主轴与轴承之间的接触,降低摩擦力和磨损,提高旋转精度和稳定性。
本文将从静压主轴的原理、结构和应用等方面进行介绍。
首先,静压主轴的原理是利用静压气体或液体在主轴内部形成薄膜,从而与轴承分离。
这种薄膜可以减少摩擦力和磨损,提高主轴的旋转精度和稳定性。
静压主轴通常采用气体静压或液体静压的方式,通过压缩空气或液体在主轴内部形成薄膜,从而实现主轴与轴承的分离。
其次,静压主轴的结构通常包括主轴本体、静压装置、轴承和传动装置等部分。
主轴本体是静压主轴的核心部件,它承载工件和刀具,并通过静压装置形成薄膜来减少摩擦。
静压装置是实现静压效果的关键部件,它可以采用气体静压或液体静压的方式。
轴承是支撑主轴旋转的重要部件,它需要具有高速、高精度和高刚度的特点。
传动装置则是主轴与机床主轴之间的连接部件,可以通过电机或其它动力源来驱动主轴旋转。
最后,静压主轴广泛应用于数控机床、加工中心、磨床、车床等精密加工设备中。
它具有高速、高精度、高稳定性的特点,可以实现对工件的精密加工和高效加工。
静压主轴在航空航天、汽车制造、模具加工、医疗器械等领域都有着重要的应用价值,为提高加工质量和效率发挥着重要作用。
总之,静压主轴利用静压原理实现了工件的高速旋转和精密加工,具有重要的应用价值和发展前景。
通过对静压主轴的原理、结构和应用进行深入了解,可以更好地掌握其工作原理和操作技巧,为提高加工质量和效率提供有力支持。
空气主轴气体轴承国内外研究综述由于液体滑动轴承和滚动轴承的局限性,已经不能满足诸如半导体制造,超精密加工,以及高速机械等领域的应用要求。
气体轴承采用气体作为润滑介质,有着传统的滚动轴承和滑动轴承所无法比拟的优点。
滚动轴承、液体滑动轴承和气体轴承的性能比较如表1-1[2]。
表1-1滚动轴承、液体滑动轴承和气体轴承的性能比较滚动轴承液体动压轴承液体静压轴承空气静压轴承高转速★高耐久性★高承载能力★高精度★高刚度★高阻尼★润滑简易程度★低摩擦性★经济性★★非常好★好★一般★不好与传统的滚动轴承和滑动轴承相比,气体润滑具有如下的优点[3]:1.摩擦系数和摩擦力矩很小。
气体的摩擦系数约为普通润滑油的1/1000,适宜高速工作。
2.气体轴承可以在最清洁的状态下工作。
气体可经过过滤、干燥而净化,不污染环境,不腐蚀元器件,适合需要超净的设备。
3.具有冷态工作的特点。
气体润滑剂摩擦损耗很小,产生的热量很小,并且热量还会被流动的气体带走,因此,气体轴承的温升很小。
4.运动精度高。
充满润滑间隙的气体是可压缩流体,它比油更有柔性,使之能够在间隙内平滑的运转。
由于气膜的均化效应,可以使气体轴承达到很高的旋转精度。
5.寿命长。
处于悬浮状态的运转表面,磨损很小,可以达到很长的寿命。
6.可以在很宽的温度范围和恶劣环境中工作。
7.能够保持狭小的间隙。
气体润滑间隙比油润滑间隙小得多,可以以非常小的间隙做无接触的相对运行。
由于气体轴承的上述优点,在超精密加工和超精密检测领域,气体润滑技术以其巨大的优势得到了广泛的应用[4]。
随着硅片加工技术的发展,半导体硅片加工对机床精度提出了非常苛刻的要求,并且由于硅片在机械加工过程中不能被污染,因此,硅片超精密磨床的主轴都采用精密空气轴承支撑,采用内置的电机驱动。
硅片超精密磨削对超精密磨削机床的主轴性能,尤其是对空气轴承的性能提出了非常高的要求。
硅片超精密磨削机床空气电主轴的运动精度高,是集精密空气轴承,电机等系统于一体的机电一体化产品。
电主轴冷却方式高速电主轴在工作时,内装电机和滚动轴承在转动的过程中将产生大量的热,由于电主轴结构紧凑、空隙较小、自发散热效果较弱,如果热量得不到及时的散发,会导致电主轴内部零件之间产生不同程度的热膨胀,从而影响电主轴刚度和加工精度等性能参数,更会严重影响主轴的使用寿命。
下面介绍两种高速电主轴常见的冷却方式。
对于电主轴的整体冷却,通常有液体冷却和空气强制冷却两种方式。
(1)液体冷却是指在电主轴的内部设计冷却水循环,在外部配备相应的冷却机,使冷却液体在主轴内部循环带走内部热量。
这种冷却方式的优点设计简单可靠,冷却效果较为明显,缺点是对主轴轴芯的冷却效果比较差,冷却机的成本比较高。
(2)空气强制冷却是指在电主轴的壳体与电机定子之间设计一个强制对流的通道,电机的发热量通过热传导进入到强制对流区,最后把热量带入空气中,实现电主轴的恒温工作。
空气强制冷却具有无污染的特点。
如果使用静压气体轴承,可以利用静压气体轴承的气体在主轴内部循环带走一部分电机的热量。
对电主轴进行冷却散热很有必要,尤其是进入高温天气内,如果大家在应用过程中发现电主轴出现过热情况,这时就要考虑是不是要采取散热措施了,不要让电主轴过热情况下运转,进而影响使用寿命。
高速轴承技术:电主轴通常采用复合陶瓷轴承,耐磨耐热,寿命是传统轴承的几倍;有时也采用电磁悬浮轴承,或静压轴承,内外圈不接触,理论上寿命无限长。
高速电机技术:电主轴是电机与主轴融合在一起的产物,电机的转子即为主轴的旋转部分,理论上可以把电主轴看作一台高速电机,其关键技术是高速度下的动平衡。
润滑:电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑;也可以采用脂润滑,但相应的速度要打折扣。
所谓定时,就是每隔一定的时间间隔注一次油,所谓定量,就是通过一个叫做定量阀的器件,精确地控制每次润滑油的注油量。
而油气润滑,指的是润滑油在压缩空气的携带下,被吹入陶瓷轴承。
油量控制很重要,太少,起不到润滑作用;太多,在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。
空气静压电主轴一、什么是空气静压电主轴?空气静压电主轴,简称APS电主轴,是一种高速精密加工设备。
它采用了先进的气动技术和电子控制技术,能够在高速旋转时产生空气静压力,使加工过程更加稳定和精确。
二、APS电主轴的优点有哪些?1.高速旋转:APS电主轴可以达到极高的转速,最高可达到80,000rpm以上。
这使得它在加工细小零件时更加精确。
2.稳定性好:由于APS电主轴产生的是空气静压力,而不是机械接触力,因此可以大大减少振动和噪音,从而提高了设备的稳定性。
3.寿命长:由于APS电主轴没有机械接触部件,因此磨损非常小。
同时,在使用过程中也不需要进行润滑和维护,因此寿命非常长。
4.节能环保:由于APS电主轴采用了气动技术,在使用过程中不需要消耗任何油液或其他化学物质。
同时,在运行时也不会产生任何噪音或污染物,是一种非常环保的设备。
三、APS电主轴的工作原理是什么?APS电主轴的工作原理可以分为两个部分:气动部分和电子控制部分。
1.气动部分:APS电主轴内部有一个空气静压装置,当主轴开始旋转时,空气静压装置会产生一定的压力,使得加工件与刀具之间保持一定的距离。
这样就可以避免机械接触产生的振动和噪音,并且能够保证加工精度。
2.电子控制部分:APS电主轴内部有一个高精度的传感器,可以实时监测主轴转速和振动情况。
同时,还有一个智能控制系统,可以根据传感器反馈的数据自动调整空气静压力和转速,以达到最佳加工效果。
四、APS电主轴在哪些领域有应用?1.模具加工:由于APS电主轴具有高精度、高速旋转等优点,在模具加工领域得到了广泛应用。
它可以用于雕刻、铣削、打孔等各种操作。
2.半导体制造:在半导体制造领域,需要对芯片进行高精度的切割和打孔。
APS电主轴可以实现高速旋转和稳定性好的加工,因此也被广泛应用于该领域。
3.医疗器械制造:在医疗器械制造领域,需要对各种小型零件进行加工。
APS电主轴具有高速旋转和稳定性好的特点,因此也被广泛应用于该领域。
电主轴润滑方式
电主轴是机床上的一种重要零部件,它通常采用高速转动,需要良好的润滑方式以确保其正常运转和使用寿命。
电主轴的润滑方式有多种,包括以下几种:
空气润滑:空气润滑是指通过喷嘴或喷头向电主轴喷入高速气流,形成气膜润滑,以减少电主轴磨损和摩擦。
空气润滑具有简单、可靠的优点,但适用于较高转速的电主轴。
油润滑:油润滑是指在电主轴上喷入润滑油,形成油膜润滑,以减少电主轴的磨损和摩擦。
油润滑具有润滑效果好、使用寿命长的优点,但需要定期更换润滑油,并进行润滑油的监测和管理。
气体润滑:气体润滑是指通过将气体(如氮气、氩气等)喷入电主轴内部形成气膜润滑,以减少磨损和摩擦。
气体润滑适用于高速、高温、高负荷的电主轴,具有抗高温、抗氧化、抗污染的优点。
油气复合润滑:油气复合润滑是将润滑油和气体同时喷入电主轴内部,形成油气复合的润滑膜,以提高电主轴的润滑效果和使用寿命。
在选择电主轴润滑方式时,需要根据电主轴的转速、负荷、温度、材料等因素进行综合考虑,并根据实际情况和需求选择合适的润滑方式。
同时,还需要定期对润滑方式和润滑系统进行检查和维护,以确保电主轴的正常运转和使用寿命。
静压气浮电主轴静压气浮电主轴是一种常见的机械设备,广泛应用于各个工业领域。
它采用了静压气体作为主轴支撑力的来源,具有高速旋转、高刚度、高精度等特点,能够满足工业生产对于高速、高精度、高稳定性的需求。
首先,静压气浮电主轴具有高速旋转的优势。
通过电动机将能量传递给主轴,主轴在高速转动的同时,通过静压气体的力量将受力点向轴线方向推力,有效减小了磨擦和振动,从而实现高速旋转。
其次,静压气浮电主轴具有高刚度的特点。
静压气体作为支撑力的来源,使得轴承与主轴之间几乎没有接触,减小了机械磨损,从而提高了主轴的刚度。
这种高刚度的设计能够保证主轴在高速运转时的稳定性,提高机械加工的准确性和效率。
最后,静压气浮电主轴具有高精度的特点。
通过静压气体的力量,有效降低了摩擦和振动,消除了机械间隙,使得主轴能够以较高精度运转。
这对于需要进行精细加工的工件来说,非常重要。
高精度的设计可以保证机械加工的质量和效率,提高产品的竞争力。
总的来说,静压气浮电主轴是一种高性能的机械设备,具有高速旋转、高刚度和高精度的优势。
它在工业生产中扮演着重要的角色,能够满足高速、高精度、高稳定性的需求。
静压气浮电主轴的应用不仅提高了机械加工的效率和质量,还推动了工业技术的不断进步。
为了充分发挥静压气浮电主轴的优势,我们需要在设计和使用时注意相应的要求。
例如,在设计过程中要考虑到主轴的材质选择、结构设计和制造工艺等因素,以确保其性能和稳定性。
在使用过程中要注意对主轴进行定期维护和保养,保证其正常运转和延长使用寿命。
综上所述,静压气浮电主轴是一种具有高速旋转、高刚度和高精度特点的机械设备。
它的应用为工业生产带来了许多好处,能够满足高速、高精度、高稳定性的需求。
通过正确的设计和使用,静压气浮电主轴将持续推动工业技术的发展,为各个领域的生产带来更高的效率和质量。
划片机气静压电主轴的冷却与热传递研究王明权,孔德生(中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京东燕效101601)1 引言信息产业是现代经济的先导产业。
而以集成电路为核心的电子元器件是信息产业的基础;划片机是集成电路产业中分割IC晶片(wafer)电路单元(die)的精密切割设备;是电子元器件微型化的瓶颈。
划片机的切割机理是强力磨削,气静压电主轴正是带动金刚石外圆刀具高速旋转(3 000~60 000 r/min)切割(强力磨削)晶片的部件,其热态特性、刚性、轴线旋转精度等动静态特性决定着电子元器件的品质。
气静压电主轴的径向、轴向跳动均小于3μm,而在实际工作中发现,由于主轴发热造成的热变形量可大于10μm,热变形是影响主轴精度的最主要因素。
因此,研究主轴的冷却情况,并采取适当的措施恒定主轴的散热系数,减小由主轴热变形造成的加工误差,是划片机研究的重要内容。
2 气静压电主轴的冷却划片机气静压电主轴的冷却系统如图1所示。
电主轴冷却主要通过3种方式实现:一是主轴电机冷却水流过电机定子冷却套对主轴电机强制冷却;二是切割冷却水在流经主轴和冲洗刀具时带走热量;三是空气轴承排气时的散热。
值得注意的是,流入电机定子冷却套的冷却水和流出电机定子冷却套的冷却水温度并非越低越好。
这是因为内置电动机的转子无法用冷却水冷却,总有一定的温升,故希望定子温升值与转子温升值尽量接近。
划片机工作时,气静压电主轴由于内置电机的功率损耗发热及空气轴承气膜的剪切摩擦发热,主轴的温度总是比环境温度高。
热量总是从高温处向低温处传递,这就是传热。
传热有热传导、对流和辐射3种基本的方式,在这3种基本的传热方式的作用下电主轴与周围环境进行热交换。
转子产生的热量一部分通过导热直接传递给主轴和空气轴承,另一部分通过对流及辐射传递给定子;定子产生的热量一部分通过流经定子冷却套的主轴电机冷却水进行热对流,另一部分通过对流和辐射传递给定子周围的空气;空气轴承气膜的剪切摩擦产生的热量,一部分通过压缩空气进行对流换热,另一部分传递给主轴外壳。
1.气体静压电主轴的结构特点
目前气体静压电主轴的结构基本大同小异,其结构的差别主要体现在轴承对主轴的支撑位置不同,按照支撑位置的不同,气体静压强主轴大体可分为两类:全支撑式和两端支撑式。
典型的全支撑式气体静压电主轴结构如图1.1所示,该结构的电主轴其电机部分从承压面伸出,形成了悬臂结构,悬臂的质量对整个主轴产生了力矩作用,对主轴的精度会带来一定的影响。
随着对供气方式的深入研究和不断改进,气体静压轴承的承载力也得到不断提升,因此,不再需要密集排布供气孔以满足承载力需要,同时也为了克服全支撑式的缺点,两端支撑式气体静压电主轴得到大规模应用,其典型结构如图1.2所示,分别是气体流道和冷却液流道的剖视图。
2.国内外应用情况
随着加工精度要求越来越高,传统机床的车、铣、镗、磨及钻削已经不适应各种精密元件的加工,所以新的机械装备得到推广。
气体静压电主轴精度高,适用于微小孔钻削、精密光学镜片的磨削、精密半导体元件的磨削等,其转速极高,使加工效率成倍提高。
因此,目前气体静压电主轴广泛应用于精密加工领域,其加工的零件也多用在要求精密、高效及微型化的高科技领域。
美国AMETEK Precitech公司研制的Nanoform 250ultragind机床,可用于单点金刚石车削、刀具正交金刚石车削、精密磨削、铣削和自由曲面铣削、磨削,该机床上用于高速铣削和磨削的主轴采用气体静压轴承支承,其轴向与径向运动误差均小于0.05μm,该公司的Nanoform 700ultra机床可用于微铣削,其轴向与径向运动误差也都小于0.05μm,安装在这些机床上气体静压电主轴主要是HS、SP和HD系列电主轴,其中HS-75高速电主轴最大速度达到18000rpm,其轴向径向运动精度达到了20nm以内,而SP-150高性能电主轴转速虽然不高,但其轴向径向运动精度都达到了15nm以内,HD-160系列电主轴是重载电主轴,其轴向与径向刚度分别达到了350N/μm和175N/μm,主轴头部处的径向承载能力达到102kg,其轴向径向运动精度也在50nm以内。
这三个系列的电主轴都需要冷却液对其主轴壳体进行冷却,主轴采用硬化的440系列不锈钢轴和青铜轴颈,这样在主轴无空气旋转的意外情况下不会造成永久损坏。
美国PMT集团下属的Moore Nanotechnology公司生产的Nanotech 250UPL 和450UPL高精度金刚石车床的定位夹紧主轴和回转主轴都采用了气体静压主轴,电机直接驱动,主轴径向和轴向运动精度达到了12.5nm以内,而其轴向与径向刚度也分别达到260N/μm和140N/μm,该公司的Nanotech 350UPM高精度微磨床的磨削主轴也采用了气体静压主轴,其径向与轴向运动精度也都在50nm以内。
英国Loadpoint公司专业生产空气静压轴承和精密机床,该公司的切割用系列主轴可与φ50mm~φ101mm全系列刀片相配使用。
对于配置φ50mm刀片的主
轴转速最高可达到60,000rpm,功率1.2kw;对于配置φ101mm刀片的大型主轴最高转速40,000rpm,功率2.5kw;另外,该公司的金刚石刀具车削用主轴回转精度也小于0.05μm。
英国Westwind公司研制空气静压主轴已有四十多年,其产品广泛用于印刷电路板钻削、半导体加工、芯片磨削、抛光等精密加工。
其中的D1733型PCB 钻削主轴转速为30,000~250,000 r/min,最高转速时主轴动态回转误差小于5μm,能够钻削φ0.075~φ3.17mm微小孔。
在国内,研制气体静压电主轴的单位主要有洛阳轴承研究所、北京机床研究所、航空部303所,生产出的气体静压电主轴主要用于印刷电路板钻孔、小孔磨削、硅片切割机、超精密机床等。
其主轴采用的空气静压轴承,回转精度达到0.05μm。
3.研究现状与发展方向
国内对气体静压电主轴的研究水平整体上要远远落后于国外。
国外电主轴公司或研究机构主要进行气体静压电主轴的设计、研发、装配及测试等工作,而在其关键零部件上则采购其他更具有研发和技术优势的零部件生产商的产品,这样产业分工与合作更加细化和有组织性,在此产业环境下,国外气体静压电主轴行业的各生产商可以专攻各自专业领域,从而推动了该行业的整体技术进步。
而在国内,对于气体静压电主轴的研究相对分散,技术力量薄弱。
零部件生产商基本都是在仿制国外产品,产品性能较差,这些领域基本都被国外产品垄断,制约了国产气体静压电主轴的发展。