電主軸在數控機床中的應用

      數控機床將高效、高精度和高柔性集為一體，同時(shí)，為了得到高生產(chǎn)率，提高加工精度，高速的加工技術(shù)也越來(lái)越受到業(yè)內的重視。超高速數控機床是實(shí)現超高速加工的物質(zhì)基礎，而高速主軸又是超高速數控機床的“核心”部件，它不但要求較高的速度、精度，而且要求連續輸出的高轉矩能力和非常寬的恒功率運行范嗣，因此，具備相應的高轉速和高精度、高速精密和高效率特性的數控機床電主軸應運而生。

　　電主軸早是用在磨床上，后來(lái)才發(fā)展到加T中心。因強大的精密機械工業(yè)不斷提出要求，使電主軸的功率和品質(zhì)不斷得到提高。目前，電主軸大轉速可達20 000 r／min，直徑范圍33—300 mm，功率范圍125 W-80 kw．扭矩范圍0.02—300 Nm。電主軸具有結構緊湊，重量輕。慣性小，動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，并可改善機床的動(dòng)平衡。避免振動(dòng)、污染和噪聲，因而它在超高速切削機床卜得到了廣泛的應用。

1 電主軸的工作原理及典型結構

　　1.1 電主軸的工作原理

　　所謂電主軸就是將電機的轉子直接作為機床的主軸，主軸單元的殼體就是電機座，并配合其他安全保障措施，實(shí)現電機與機床主軸的一體化。電主軸直接將空心的電動(dòng)機轉子裝在主軸上，定子通過(guò)冷卻套同定在主軸箱體孔內，形成一個(gè)完整的主軸單元，通電后轉子直接帶動(dòng)主軸運轉。

　　1.2 電主軸的基本構成

　　電主軸結構的基本構成如圖1所示，它通常由電主軸單元、軸承及其潤滑單元，主軸冷卻單元以及動(dòng)平衡單元組成。電主軸單元典型的結構布局方式是電機置于主軸前、后軸承之間，其優(yōu)點(diǎn)是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大，功率大，較適合于大、中型高速數控機床；其不足是在封閉的主軸箱體內電機的自然散熱條件差，溫升比較高。

電主軸的結構圖

　　1.3 電主軸的典型結構

　　為內裝式電主軸結構。電動(dòng)機的轉子與機床的主軸間是靠過(guò)盈套筒的過(guò)盈配合實(shí)現扭矩傳遞的，其過(guò)盈量是按所傳遞扭矩的大小計算出來(lái)的。在主軸上取消了一切形式的鍵連接和螺紋連接，便于使主軸運轉部分達到精確的動(dòng)平衡。由于轉子內孔與主軸配合面之間有很大的過(guò)盈量，因此，在裝配時(shí)必須先在油浴中將轉子加熱到200℃左右，然后迅速進(jìn)行熱壓裝配。電動(dòng)機的定子通過(guò)一個(gè)冷卻套同裝在電主軸的殼體中。
電主軸典型結構圖

2 電主軸的關(guān)鍵技術(shù)

　　電主軸是高速軸承技術(shù)、潤滑技術(shù)、冷卻技術(shù)、動(dòng)平衡技術(shù)、精密制造與裝配技術(shù)以及電機高速驅動(dòng)等技術(shù)的綜合運用。

　　2.1 電主軸的高速軸承技術(shù)

　　實(shí)現電主軸高速化精密化的關(guān)鍵是高速精密軸承技術(shù)的應用。目前，在電主軸中應用的軸承有精密滾動(dòng)軸承、液體動(dòng)靜軸承、氣體靜軸承和磁懸浮軸承等，但主要是精密角接觸陶瓷球軸承和精密圓柱滾子軸承。角接觸球軸承不但可同時(shí)承受徑向和軸向載荷，而且剛度高，高速性能好，結構簡(jiǎn)單緊湊，品種規格繁多，便于維修更換，因而在電主軸中得到廣泛的應用。隨著(zhù)陶瓷軸承技術(shù)的發(fā)展，應用的電主軸軸承是混合陶瓷球軸承，即滾動(dòng)體使用Si3N4陶瓷球，采用“小珠密珠”結構，軸承套圈為GCrl5鋼圈。這種混合軸承通過(guò)減小離心力和陀螺力矩，來(lái)減小滾珠與溝道間的摩擦，從而獲得較低的溫升及較好的高速性能。

　　2.2 電主軸的潤滑技術(shù)

　　1)高速電主軸必須采用合理的、可控制的軸承潤滑方式來(lái)控制軸承的溫升，以保證數控機床工藝系統的精度和穩定性。電主軸的潤滑方式主要有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑等。

　　2)實(shí)踐表明在潤滑中供油量過(guò)多或過(guò)少都是有害的，而前兩種潤滑方式均無(wú)法準確地控制供油量多少，不利于主軸軸承轉速和壽命的提高。而新近發(fā)展起來(lái)的油氣潤滑方式則可以精確地控制各個(gè)摩擦點(diǎn)的潤滑油量，可靠性極高。

　　3)油氣潤滑技術(shù)是利用壓縮空氣將微量的潤滑油分別連續不斷地、精確地供給每一套主軸軸承，微小油滴在滾動(dòng)和內、外滾道問(wèn)形成彈性動(dòng)壓油膜，而壓縮空氣則可帶走軸承運轉所產(chǎn)生的部分熱量。

　　4)實(shí)踐證明，油氣潤滑是高速大功率電主軸軸承的理想潤滑方法，但其所需設備復雜，成本高。由于油氣潤滑方式潤滑效果理想，目前已成為國際上流行的潤滑方式。

　　2.3 電主軸的冷卻技術(shù)

　　1)電主軸有兩個(gè)主要的內部熱源：內置電動(dòng)機的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。如果不加以控制，由此引起的熱變形會(huì )嚴重降低機床的加工精度和軸承使用壽命，從而導致電主軸的使用壽命縮短。

　　2)電主軸由采用內藏式主軸結構形式，位于主軸單元體中的電機不能采用風(fēng)扇散熱，因此，自然散熱條件較差。電機在實(shí)現能量轉換過(guò)程中，內部產(chǎn)生功率損耗，從而使電機發(fā)熱。研究表明，在電機高速運轉條件下，有近1/3的電機發(fā)熱量南電機轉子產(chǎn)生，并且轉子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過(guò)轉子與定子間的氣隙傳人定子中；其余2／3的熱量產(chǎn)生于電機的定子，所以，對電機產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對電機定子采用冷卻液的循環(huán)流動(dòng)來(lái)實(shí)行強制冷卻。典型的冷卻系統是用外循環(huán)水式冷卻裝置來(lái)冷卻電機定子，將電機的熱量帶走。

　　3)角接觸球軸承的發(fā)熱主要是滾子與滾道之間的滾動(dòng)摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦以及潤滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的。減小軸承發(fā)熱量的主要措施：(1)適當減小滾珠的直徑，從而減小摩擦，減少發(fā)熱量。(2)采用合理的潤滑方式，油氣潤滑方式對軸承不但具有潤滑作用，還具有一定的冷卻作用。

　　2.4 電主軸的動(dòng)平衡技術(shù)

　　主軸高速旋轉時(shí)，任何小的不平衡質(zhì)量即可引起電主軸大的高頻振動(dòng)，因此，精密電主軸的動(dòng)平衡精度要求達到G1-G0.4級。對于這種等級的動(dòng)平衡，采用常規的方法即僅在裝配前對主軸上的每個(gè)零件分別進(jìn)行動(dòng)平衡是遠遠不夠的，還需在裝配后進(jìn)行整體的動(dòng)平衡，甚至還要設計專(zhuān)門(mén)的自動(dòng)平衡系統來(lái)實(shí)現主軸的在線(xiàn)動(dòng)平衡。另外，在設計電主軸時(shí)，必須嚴格遵守結構對稱(chēng)原則，鍵連接和螺紋連接在電主軸上被禁止使用，而普遍采用過(guò)盈連接，并以此來(lái)實(shí)現轉矩的傳遞。

　　2.5 電主軸的運動(dòng)控制技術(shù)

　　在數控機床中，電主軸通常采用變頻調速方法。目前，主要有普通變頻驅動(dòng)和控制、矢量控制驅動(dòng)器的驅動(dòng)和控制以及直接轉矩控制三種控制方式。

　　1)普通變頻為標量驅動(dòng)和控制，其驅動(dòng)控制特性為恒轉矩驅動(dòng)，輸出功率和轉速成正比。普通變頻控制的動(dòng)態(tài)性能不夠理想，在低速時(shí)控制性能不佳，輸出功率不夠穩定，也不具備C軸功能，但價(jià)格便宜、結構簡(jiǎn)單，一般用于磨床和普通的高速銑床等。

　　2)矢量控制技術(shù)模

仿直流電動(dòng)機的控制，以轉子磁場(chǎng)定向，用矢量變換的方法來(lái)實(shí)現驅動(dòng)和控制，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制驅動(dòng)器在剛啟動(dòng)時(shí)具有很大的轉矩值，加之電主軸本身結構簡(jiǎn)單，慣性很小，故啟動(dòng)加速度大，可以實(shí)現啟動(dòng)后瞬時(shí)達到允許極限速度。

　　3)直接轉矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的又一種新型的高性能交流調速技術(shù)，其控制思想新穎，系統結構簡(jiǎn)潔明了，更適合于高速電主軸的驅動(dòng)，更能滿(mǎn)足高速電主軸高轉速、寬調速范圍、高速瞬l’日J準停的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性的要求，已成為交流傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)。

3 結束語(yǔ)

　　目前，電主軸應用越來(lái)越廣，國外高速電主軸技術(shù)由于研究較早，電主軸單元發(fā)展較快，技術(shù)水平也處于領(lǐng)先地位，并且隨著(zhù)變頻技術(shù)及數字技術(shù)的發(fā)展日趨完善，逐步形成了一系列標準產(chǎn)品，高轉速電動(dòng)主軸在機床行業(yè)和工業(yè)制造業(yè)中普遍采用。今后一段時(shí)間應著(zhù)重發(fā)展研究大功率、大扭矩、調速范圍寬、能實(shí)現快速制啟動(dòng)、準確定位、自動(dòng)對刀等數字化高標準電動(dòng)主軸單元。