電主軸在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

　　數(shù)控機(jī)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(nèi)的重視。超高速數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)超高速加工的物質(zhì)基礎(chǔ)，而高速主軸又是超高速數(shù)控機(jī)床的“核心”部件，它不但要求較高的速度、精度，而且要求連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)矩能力和非常寬的恒功率運(yùn)行范嗣，因此，具備相應(yīng)的高轉(zhuǎn)速和高精度、高速精密和高效率特性的數(shù)控機(jī)床電主軸應(yīng)運(yùn)而生。

　　電主軸最早是用在磨床上，后來(lái)才發(fā)展到加T中心。因強(qiáng)大的精密機(jī)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，電主軸最大轉(zhuǎn)速可達(dá)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(jié)構(gòu)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(jī)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(jī)床卜得到了廣泛的應(yīng)用。

1 電主軸的工作原理及典型結(jié)構(gòu)

　　1.1 電主軸的工作原理

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

　　1.2 電主軸的基本構(gòu)成

　　電主軸結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成如圖1所示，它通常由電主軸單元、軸承及其潤(rùn)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(jié)構(gòu)布局方式是電機(jī)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(shù)控機(jī)床；其不足是在封閉的主軸箱體內(nèi)電機(jī)的自然散熱條件差，溫升比較高。

　    1.3 電主軸的典型結(jié)構(gòu)

　　電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與機(jī)床的主軸間是靠過(guò)盈套筒的過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞的，其過(guò)盈量是按所傳遞扭矩的大小計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)部分達(dá)到精確的動(dòng)平衡。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)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(zhuǎn)子加熱到200℃左右，然后迅速進(jìn)行熱壓裝配。電動(dòng)機(jī)的定子通過(guò)一個(gè)冷卻套同裝在電主軸的殼體中。

圖2電主軸典型結(jié)構(gòu)圖

2 電主軸的關(guān)鍵技術(shù)

　　電主軸是高速軸承技術(shù)、潤(rùn)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(jī)高速驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的綜合運(yùn)用。

　　2.1 電主軸的高速軸承技術(shù)

　　實(shí)現(xiàn)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(yīng)用。目前，在電主軸中應(yīng)用的軸承有精密滾動(dòng)軸承、液體動(dòng)靜壓軸承、氣體靜壓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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，品種規(guī)格繁多，便于維修更換，因而在電主軸中得到廣泛的應(yīng)用。隨著陶瓷軸承技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用最多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(jié)構(gòu)，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(rùn)滑技術(shù)

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

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

　　3)油氣潤(rùn)滑技術(shù)是利用壓縮空氣將微量的潤(rùn)滑油分別連續(xù)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(nèi)、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(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量。

　　4)實(shí)踐證明，油氣潤(rùn)滑是高速大功率電主軸軸承的最理想潤(rùn)滑方法，但其所需設(shè)備復(fù)雜，成本高。由于油氣潤(rùn)滑方式潤(rùn)滑效果理想，目前已成為國(guó)際上最流行的潤(rùn)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(nèi)部熱源：內(nèi)置電動(dòng)機(jī)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(yán)重降低機(jī)床的加工精度和軸承使用壽命，從而導(dǎo)致電主軸的使用壽命縮短。

　　2)電主軸由采用內(nèi)藏式主軸結(jié)構(gòu)形式，位于主軸單元體中的電機(jī)不能采用風(fēng)扇散熱，因此，自然散熱條件較差。電機(jī)在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗，從而使電機(jī)發(fā)熱。研究表明，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，有近1/3的電機(jī)發(fā)熱量南電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，并且轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過(guò)轉(zhuǎn)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(jī)的定子，所以，對(duì)電機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對(duì)電機(jī)定子采用冷卻液的循環(huán)流動(dòng)來(lái)實(shí)行強(qiáng)制冷卻。典型的冷卻系統(tǒng)是用外循環(huán)水式冷卻裝置來(lái)冷卻電機(jī)定子，將電機(jī)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(rùn)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(dāng)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(rùn)滑方式，油氣潤(rùn)滑方式對(duì)軸承不但具有潤(rùn)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(zhuǎn)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(dá)到G1 G0.4級(jí)。對(duì)于這種等級(jí)的動(dòng)平衡，采用常規(guī)的方法即僅在裝配前對(duì)主軸上的每個(gè)零件分別進(jìn)行動(dòng)平衡是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需在裝配后進(jìn)行整體的動(dòng)平衡，甚至還要設(shè)計(jì)專門的自動(dòng)平衡系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的在線動(dòng)平衡。另外，在設(shè)計(jì)電主軸時(shí)，必須嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)對(duì)稱原則，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(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。

　　2.5 電主軸的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

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

　　1)普通變頻為標(biāo)量驅(qū)動(dòng)和控制，其驅(qū)動(dòng)控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，輸出功率和轉(zhuǎn)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(wěn)定，也不具備C軸功能，但價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)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(jī)的控制，以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，用矢量變換的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和控制，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制驅(qū)動(dòng)器在剛啟動(dòng)時(shí)具有很大的轉(zhuǎn)矩值，加之電主軸本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，慣性很小，故啟動(dòng)加速度大，可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)后瞬時(shí)達(dá)到允許極限速度。

　　3)直接轉(zhuǎn)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(diào)速技術(shù)，其控制思想新穎，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了，更適合于高速電主軸的驅(qū)動(dòng)，更能滿足高速電主軸高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍、高速瞬l’日J(rèn)準(zhǔn)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(jié)束語(yǔ)

　　目前，電主軸應(yīng)用越來(lái)越廣，國(guó)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，并且隨著變頻技術(shù)及數(shù)字技術(shù)的發(fā)展日趨完善，逐步形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，高轉(zhuǎn)速電動(dòng)主軸在機(jī)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(yīng)著重發(fā)展研究大功率、大扭矩、調(diào)速范圍寬、能實(shí)現(xiàn)快速制啟動(dòng)、準(zhǔn)確定位、自動(dòng)對(duì)刀等數(shù)字化高標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)主軸單元。