淺析磁懸浮支承技術(shù)在高性能機床中的應(yīng)用

王蕓

【摘要】闡述了在機床中應(yīng)用的磁懸浮軸承特點、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)速下運行上萬小時；將磁懸浮支承技術(shù)用于機床直線電機的進給平臺中，與傳統(tǒng)的機床導(dǎo)軌支承相比，磁懸浮支承具有無機械摩擦、無磨損、無爬行、無潤滑、可靠性提高、壽命延長等諸多特點。

【關(guān)鍵詞】磁懸??；支承；磁懸浮軸承；電主軸

1 磁懸浮支承技術(shù)的特點

隨著現(xiàn)代機械向著高速發(fā)展，人們研究了磁懸浮支承技術(shù)，它是目前唯一投入實用的可以實現(xiàn)主動控制的現(xiàn)代支承技術(shù)，能夠達到許多傳統(tǒng)機械支承技術(shù)無法達到的技術(shù)指標，它具有下述特點。

1.可容許轉(zhuǎn)子達到很高的轉(zhuǎn)速。由磁懸浮支承的轉(zhuǎn)子可以在超臨界、每分鐘數(shù)10萬轉(zhuǎn)的工況下運行，其圓周速度只受轉(zhuǎn)子材料強度的限制。通常在相同的軸頸直徑下，磁懸浮支承的轉(zhuǎn)子能達到的轉(zhuǎn)速比滾動軸承支承的轉(zhuǎn)子大約高2倍，比滑動軸承支承的轉(zhuǎn)子大約高3倍。

2.摩擦功耗小。在10000r/min 時，磁懸浮支承的功耗大約只有流體動壓潤滑支承的6%，只有滾動支承的17%，這對節(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.維護成本低，壽命長。由于磁懸浮支承是靠磁場力來懸浮軸頸，相對運動表面之間沒有接觸，不存在摩擦、磨損和接觸疲勞產(chǎn)生的壽命問題，所以磁懸浮軸承的壽命和可靠性均遠高于傳統(tǒng)類型軸承。

4.磁懸浮支承無需潤滑，因而不存在潤滑劑對環(huán)境的污染在真空、輻射和禁止?jié)櫥瑒┙橘|(zhì)污染的應(yīng)用場合，如真空技術(shù)、超凈無菌室以及腐蝕性或非常純凈的介質(zhì)等，磁懸浮支承具有無可比擬的優(yōu)勢。在一般應(yīng)用場合，由于省掉了潤滑油的存儲、過濾、冷卻、循環(huán)等設(shè)施，在價格和占有空間位置上，完全可以和滑動支承相競爭。

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)在機床電主軸中的應(yīng)用

電主軸是將電機內(nèi)置于機床主軸內(nèi)部、實現(xiàn)電機與主軸一體化功能的內(nèi)裝式電機主軸單元，它省去了皮帶、齒輪、聯(lián)軸節(jié)等中間傳動和變速機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機械效率高、噪聲低、振動小和精度高等特點；由于它采用交流變頻技術(shù)，可在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速，以適應(yīng)各種工況和負載變化的要求；利用電機矢量控制技術(shù)，它不僅可以滿足強力切削時低速大扭矩的要求，還可以實現(xiàn)準確的C軸定位及傳動的功能，適應(yīng)對C軸功能要求的車削、鏜銑等加工中心及其它數(shù)控機床的需要。因此，電主軸是機械加工中心和數(shù)控機床的關(guān)鍵部件，它廣泛應(yīng)用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、各種高速離心機、高速旋碾機、高速試驗機等領(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)。

電主軸分為車削電主軸、銑床電主軸和磨削電主軸，另外還有組合機床使用的多功能電主軸等多種類型，其工作轉(zhuǎn)速為：車削電主軸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：滾動軸承、滑動軸承或氣懸浮軸承等，但也有部分電主軸上已開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，采用滾動軸承支承的銑床電主軸轉(zhuǎn)速最高，在電機功率為95kw 時，可以達到約24000r/min 的轉(zhuǎn)速。由于受到軸承內(nèi)滾動體表面速度的限制，傳統(tǒng)電主軸往往無法實現(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。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)速下運行上萬小時。1986年法國S2M 公司研制出第一臺AMB 高速磨削設(shè)備，設(shè)計的高速磨床電主軸轉(zhuǎn)速達60000r/min，1990年日本研制的超高速內(nèi)圓磨磁懸浮電主軸，加工精度超過滾珠軸承，并具備在線監(jiān)測能力，如監(jiān)測研磨力、砂輪磨損等。

3 磁懸浮支承技術(shù)在機床直線電機進給平臺中的應(yīng)用

直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能而不需通過任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)（如鏈條、齒條或絲杠等）的新型直線驅(qū)動裝置。它是20世紀下半葉電工領(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)動系統(tǒng)。傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機-滾珠絲杠”的傳動形式，已不適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)的要求。而直線電機直接驅(qū)動進給平臺所具有的優(yōu)點則恰恰可以彌補傳統(tǒng)傳動方式的不足，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10g，剛度提高了7倍，定位精度和重復(fù)定位精度可達到微米級，甚至納米級。

4 結(jié)語

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)軌通過磁場力把進給平臺浮起，直線電機則驅(qū)動平臺運動。與傳統(tǒng)的機床導(dǎo)軌相比，磁懸浮導(dǎo)軌具有無機械摩擦、無接觸磨損和無需潤滑的優(yōu)點。由于相對運動表面間沒有接觸，因而徹底消除了爬行現(xiàn)象，沒有因磨損和接觸疲勞所產(chǎn)生的精度下降和壽命問題，而電子元件的可靠性優(yōu)于機械零件，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控制，可提高機床的信息處理能力，如工況檢測、預(yù)報和故障診斷。而且磁懸浮導(dǎo)軌具有工作溫度范圍大、維護簡單、壽命長等優(yōu)點。采用磁懸浮支承技術(shù)的機床電主軸和工作平臺可以滿足超高速超精密的加工要求，它是未來加工機床發(fā)展的趨勢。

參考文獻：

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