高速主轴之技术发展与应用

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1、高速主軸之技術發展與應用[精华] 高速切削是近年來工具機的熱門話題，眾多的技術發表或新機型的研發都強調高速切削的技術。在高速切削的領域裡，高速主軸是相當重要的一環，卻也是國內工具機技術發展起步較晚的部份。目前日本及歐美都有專業主軸製造公司，其在HSK63刀把(相當於BT＃40) 24000rpm，HSK100(相當於BT#50)刀把12000rpm都已是相當成熟的產品。但國內仍普遍停留於BT＃40刀把12000rpm或BT#50刀把8000rpm的階段，相較於國外的技術仍有一段差距。本文將介紹高速主軸技術及國外專業主軸

2、公司的產品現況。軸承技術發展        主軸之軸承可分為接觸式和非接觸式。接觸式軸承方面，由於陶瓷軸承價格的降低，已可普遍使用。陶珠的重量是鋼珠的1/3，熱膨脹係數是1/4，磨擦係數為1/4，因此可提高主軸之轉速及切削性能，陶瓷軸承配合油氣潤滑系統DN值可達200萬以上。主軸滑移端的設計一般是以滾珠軸承加上鋼珠套筒構成，但機構較為複雜且需注意配合件的加工精度。另一個作法是使用能夠軸向自由滑動的滾柱軸承作為滑移端軸承以徑向支撐心軸並吸收軸向熱變形，但需注意潤滑油量的控制和預壓的調整。滾柱軸承陶瓷化可使滾柱軸承應用範圍

3、提昇，使支撐端機構簡單化。另外已有一款滾珠軸承，其內環經過特殊設計（如圖一），可使用於主軸滑移端而不需加上鋼珠套筒， DN值可達200萬，對於設計及組裝都相當便利，可惜價格仍相當高。非接觸式軸承方面，磁浮軸承的高迴轉精度和高阻尼特性有助於高迴轉精度和加工精度，市面已有磁浮主軸標準產品，HSK 50刀把可達40000rpm。氣靜壓軸承由於承載力較差，所以使用於低負荷、微量切削之超精密加工，目前已有成熟產品應用於PCB鑽孔機和晶圓切割機。軸承排列方式和預壓控制        軸承的排列方式和預壓控制對於主軸轉速和剛性都有絕

4、對關係。最常見的軸承排列方式分為前軸承組和後軸承組，前軸承組由數個斜角滾珠軸承排列成小O型，形成一個封閉迴路以承受切削負載，並採用定位預壓保持主軸剛性，而後軸承則由能在軸向自由滑動的滾柱軸承或是斜角滾珠軸承加上鋼珠套筒構成。軸承預壓量直接決定主軸剛性和最高轉速，所以在主軸設計中，應該針對所需的剛性和轉速設定預壓量。至於高速主軸，由於溫昇會造成定位預壓的預壓值增加，所以一般皆採用大O型的軸承配置，並以彈簧保持預壓定值(如圖二)，軸承採用大O型的配置軸向承載能力佳。但目前過內使用的日系馬達長度都較長，如此前後軸承的跨距很大

5、，所以限制了軸承排列的方式，也使得主軸長度和重量都增加不少。如果還必須顧慮低轉速時的重切削，則必須以可變預壓來控制不同轉速的預壓力，適當的預壓值也可延長主軸壽命。可變預壓的方式很多，目前較實用的方法是以油壓（如圖三）來調整預壓值， GMN HCS230-24000主軸採用可變預壓，原始設定是以彈簧預壓設定在高轉速時的預壓力，當主軸轉速在4000rpm以下時，需打入1bar的油壓或氣壓來增加預壓量，超過這個轉速就釋放壓力回到原本設定的預壓值。  軸承潤滑        軸承潤滑決定主軸轉速和軸承壽命。油脂潤滑設計簡單，且

6、省下潤滑系統成本，目前由於油脂的改良，已可使得BT＃40刀把達到15000rpm或BT#50刀把達到10000rpm的水準，但油脂在高溫時有劣化的問題，影響軸承壽命。目前高速主軸多採用油氣式(oil-air)潤滑，利用大量壓縮空氣將潤滑油噴灑在滾珠上，耗油量少且不必回收。但油氣混合機的穩定性、油量的正確性、噴嘴角度是油氣式潤滑可能的問題。油噴射式　(oil-jet)潤滑系統雖可提高軸承的DN值，但由於潤滑系統成本昂貴和運轉後維護不易，且需要對潤滑油進行回收，因此使用的例子很少。如何有效的將潤滑油提供到滾珠上是潤滑系統另

7、一個必須克服的問題，傳統作法是由間隔環鑽油孔噴入，但高轉速時軸承內部會產生氣體渦流效應而阻礙潤滑油之供應，解決的方式是在滾動體上直接潤滑。一個方法是由內環噴油的under race潤滑，推出的廠商有SKF、NSK、NTN等。另一種是在軸承外環上開個小孔噴油（如圖四），都可確保高速時的潤滑效果，DN值可提高到300萬。 刀把型式        國內傳統使用BT刀把，但歐美國家已漸漸將HSK刀把列為標準規格。HSK刀把的優點包括法蘭端面與斜錐兩面承靠故具有高剛性以及能傳達高扭距等。HSK刀把有六種型態（如圖五），型態A較常

8、用，鍵槽在斜錐底部，型態B的直徑較大且在外徑上有鍵槽，型態C、D應用於手動換刀，型態E、F針對高速切削用，刀把外徑無鍵槽或辨識孔。HSK刀把能適用於重切削是因為雙面承靠，所以端面與心軸錐孔必須維持相當高的精度公差以確保雙面接觸，因此必須提高加工精度，此為目前HSK刀把在國內推廣不易的原因之一，且目前國內加工廠多為BT刀把，要轉換為