數(shù)控機(jī)床高速電主軸技術(shù)要點(diǎn)分析

鄭良鋼，陳錚，周志科

（江蘇領(lǐng)臣精密機(jī)械有限公司，江蘇 常州 213011）

高速電主軸，即為內(nèi)裝式電機(jī)主軸單元，是數(shù)控機(jī)床的重要部件。其是在機(jī)床主軸單元內(nèi)部安裝主軸電機(jī)，對(duì)主軸起到了驅(qū)動(dòng)作用，由此促使電機(jī)和主軸成為一個(gè)整體。要提高數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行效率，就要掌握高速電主軸技術(shù)要點(diǎn)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，推進(jìn)電主軸技術(shù)不斷完善。

1 高速電主軸所具備的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床上的主軸運(yùn)行，在發(fā)揮電機(jī)驅(qū)動(dòng)作用的過(guò)程中，主要是帶動(dòng)中間的變速裝置和傳動(dòng)裝置，諸如齒輪、皮帶以及聯(lián)軸節(jié)等，此為“機(jī)械主軸”，也被形象地稱為分離式和直聯(lián)式主軸。與這種傳統(tǒng)的主軸相比，電主軸具備的優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）主軸運(yùn)行中，是通過(guò)內(nèi)部安裝的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，不需要通過(guò)中間的變速裝置和傳動(dòng)裝置，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且緊湊，能夠提高運(yùn)行效率而且精度很高。在運(yùn)行的過(guò)程中，不會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲，振動(dòng)也非常小。

（2）將交流變頻技術(shù)充分利用起來(lái)，在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電主軸可以無(wú)級(jí)變速。當(dāng)機(jī)床運(yùn)行的過(guò)程中，無(wú)論發(fā)生任何的工況，或者在負(fù)載變化的情況下，電主軸都有很好的適應(yīng)性。

（3）內(nèi)裝電機(jī)運(yùn)行中，能夠控制閉環(huán)矢量，還可以按照控制命令有效調(diào)控功率，且能夠靈活控制驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行速度、輸出力矩等等。電主軸可以滿足各種大功率要求，諸如低速重切削大轉(zhuǎn)矩的時(shí)候，或者高速精加工的時(shí)候，電主軸都能夠很好地發(fā)揮作用，還可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停，同時(shí)滿足C軸傳動(dòng)功能。

（4）電主軸可以高速運(yùn)行，有良好的穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)精度較高，使數(shù)控機(jī)床切削的速度更高，加工的精密度也更高。

（5）由于電主軸的運(yùn)行不需要經(jīng)過(guò)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此其平穩(wěn)性更高，不會(huì)受到外來(lái)的沖擊，主軸的軸承不需要承受很大的動(dòng)負(fù)荷，精度壽命得以延長(zhǎng)。

（6）電主軸使電機(jī)和主軸構(gòu)成一個(gè)整體，形成一個(gè)單元，使電主軸可以系列化生產(chǎn)，形成一定的規(guī)模，而且生產(chǎn)更加專(zhuān)業(yè)化。電主軸作為數(shù)控機(jī)床功能部件，也作為一種商品進(jìn)入到市場(chǎng)中。企業(yè)可以根據(jù)數(shù)控機(jī)床的主機(jī)運(yùn)行需要選擇電主軸，對(duì)機(jī)床模塊化方向發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

2 高速電主軸的技術(shù)要點(diǎn)

2.1 高速電主軸的高速精密軸承技術(shù)

在電主軸系統(tǒng)中，主軸軸承技術(shù)是關(guān)鍵，主要包括三種，即動(dòng)靜壓軸承、角接觸球軸承和磁懸浮軸承。其中，動(dòng)靜壓軸承是將靜壓軸承與動(dòng)壓軸承結(jié)合起來(lái)，集合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，其具備良好的高速性能，速度調(diào)節(jié)的范圍大。精密數(shù)控機(jī)床比較常用角接觸球軸承，其發(fā)揮主軸支撐作用，對(duì)高速性能有一定的影響。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是由于滾珠為氮化硅材料制作，滾珠在高速作用下會(huì)增加離心力，增大陀螺力矩，軸承的高速性能得以充分發(fā)揮，減小滾動(dòng)體的直徑。由于軸承的制造成本高，具有非常復(fù)雜的控制系統(tǒng)，不容易解決軸承運(yùn)行中產(chǎn)生的發(fā)熱問(wèn)題，所以，只有特殊場(chǎng)合中才會(huì)使用。

2.2 高速電主軸的動(dòng)平衡技術(shù)

高速電主軸有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，同時(shí)，具有高精度運(yùn)行、高加工效率的特點(diǎn)，但是，這些特點(diǎn)是建立在動(dòng)平衡基礎(chǔ)上的。電主軸的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)受到諸多因素的影響，諸如制造因素，在主軸安裝的過(guò)程中產(chǎn)生誤差，或者存在材料不均勻的問(wèn)題，必然會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行不平衡的問(wèn)題。通常電主軸運(yùn)行的過(guò)程中，運(yùn)轉(zhuǎn)速度最高可以超過(guò)10000r/min，甚至可以達(dá)到60000～100000r/min。當(dāng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，即便所存在的不平衡非常微小，都有可能影響主軸回轉(zhuǎn)的精度，甚至?xí)绊戄S承支承系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，所以，需要嚴(yán)格要求高速電主軸的動(dòng)平衡精度。

為了提高主軸的平衡性，在電主軸的設(shè)計(jì)中，需要采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，加工裝配的時(shí)候要提高精確度。當(dāng)主軸出廠的回收，調(diào)整好初始動(dòng)平衡，提高主軸的平衡性，但是，主軸刀具依然會(huì)存在細(xì)微的不對(duì)稱問(wèn)題，甚至?xí)霈F(xiàn)刀具磨損的問(wèn)題，或者切屑粘刀的問(wèn)題，原有的動(dòng)平衡依然會(huì)被打破。由于工況復(fù)雜，主軸刀具系統(tǒng)會(huì)受到干擾，諸如切削力激勵(lì)、離心力以及熱變形等都是重要的影響因素，并因此破壞主軸系統(tǒng)，使其無(wú)法保持穩(wěn)定的穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。要使電主軸處于高速運(yùn)行狀態(tài)，確保數(shù)控機(jī)床高效運(yùn)行且持續(xù)穩(wěn)定，就需要將在線運(yùn)行且自動(dòng)化操作的動(dòng)平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要不斷完善，更好地發(fā)揮其價(jià)值。

2.3 高速電主軸的潤(rùn)滑技術(shù)

對(duì)高速電主軸進(jìn)行潤(rùn)滑，主要是潤(rùn)滑主軸軸承。這就需要采用科學(xué)有效的潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)軸承的溫升狀況進(jìn)行控制，確保機(jī)床工藝系統(tǒng)運(yùn)行中提高精度，且保證穩(wěn)定性。高速電主軸在選擇潤(rùn)滑方式的時(shí)候，需要對(duì)軸承所屬類(lèi)型、運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及負(fù)荷等等有關(guān)，可以根據(jù)需要選擇油脂潤(rùn)滑方法、油霧潤(rùn)滑方法或者噴射潤(rùn)滑方法等。

2.4 高速電主軸的冷卻技術(shù)

電主軸的殼體中安裝有電動(dòng)機(jī)的定子，電主軸實(shí)施封閉設(shè)計(jì)，當(dāng)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的時(shí)候，由于缺乏散熱條件，就會(huì)出現(xiàn)殼體中過(guò)熱的問(wèn)題。電主軸的內(nèi)部安裝有兩個(gè)熱源：第一個(gè)熱源是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中會(huì)由于損耗而發(fā)熱；第二個(gè)熱源是由于軸承運(yùn)行中產(chǎn)生摩擦而發(fā)熱。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中有熱量產(chǎn)生，主要發(fā)揮散熱作用的是主軸殼體，而且部分熱量通過(guò)主軸向軸承傳輸，導(dǎo)致軸承快速升溫，其壽命必然受到影響，轉(zhuǎn)軸的制造精度受到熱伸長(zhǎng)的影響，主軸系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性無(wú)法保證。冷卻電主軸的方法是將循環(huán)冷卻水套安裝在定子與殼體連接的位置，同潤(rùn)滑軸承，使發(fā)熱量減少，采用合理的潤(rùn)滑方式除了發(fā)揮潤(rùn)滑作用，而且還可以起到冷卻的效果。

2.5 高速電主軸的主軸電機(jī)技術(shù)

電主軸所采用的電動(dòng)機(jī)多為交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，由于永磁電機(jī)增強(qiáng)了使用性能，交流永磁同步電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用，所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是，電主軸轉(zhuǎn)子不再散發(fā)熱量，電主軸不再產(chǎn)生熱變形，轉(zhuǎn)子沒(méi)有損耗，電主軸的運(yùn)行效率提高，減小了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，啟動(dòng)和準(zhǔn)停的速度加快。當(dāng)電主軸處于低速運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，也能保持良好的性能。

2.6 高速電主軸的精密加工和精密裝配技術(shù)

當(dāng)電主軸處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的時(shí)候，要保證其剛度以及回轉(zhuǎn)精度，需要對(duì)重要的零件精密加工，甚至需要超精密加工，在裝配主軸零部件的時(shí)候，要提高精密度。在主軸單元中，對(duì)工件都需要精密加工，包括殼體的加工、軸承座的加工等等都要有較高的精密度，軸承隔圈會(huì)隨著主軸高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)加工精密度也有較高的要求。另外，在高速電主軸上進(jìn)行加工刀具的裝配過(guò)程中，需要采用先進(jìn)的工藝技術(shù)，且裝配的精密度要符合要求。

2.7 高速電主軸的溫度保護(hù)技術(shù)

在設(shè)計(jì)高速數(shù)控銑床的時(shí)候，需要啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)對(duì)主軸進(jìn)行降溫。主軸內(nèi)部安裝有三個(gè)軸承，即前端軸承、中間軸承和后端軸承，主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度不同，功率不同，將溫度傳感器安裝在軸承附近，就可以對(duì)主軸軸承的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

溫度傳感器采集信號(hào)的時(shí)候需要發(fā)揮可編程邏輯控制器的輸入模塊作用，不同類(lèi)型的傳感器，將信號(hào)劃分為4～20mA。在設(shè)計(jì)機(jī)床控制程序的時(shí)候，需要按照傳感器信號(hào)將溫度計(jì)算出來(lái)，標(biāo)定好。實(shí)施軸承升溫保護(hù)的時(shí)候，還需要在程序中將門(mén)檻限制值設(shè)置好，保護(hù)好軸承。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面的研究可以明確，在制造機(jī)械產(chǎn)品的過(guò)程中，應(yīng)用高速加工技術(shù)，很多難題都能夠得到解決，而且加工精度高，質(zhì)量有所保證，所以，該技術(shù)在制造業(yè)廣泛應(yīng)用，并已經(jīng)成為主流技術(shù)?，F(xiàn)在高速電主軸技術(shù)發(fā)展迅速，各個(gè)行業(yè)都根據(jù)自身的需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行深入研究，在提高技術(shù)應(yīng)用效率的同時(shí)，還要發(fā)揮其節(jié)能環(huán)保特性，實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)展。