電主軸的結構設計

根據(jù)電動機在主軸上安裝位置的不同，電主軸通常有下面兩種結構形式：電動機安裝在主軸前后軸承之間。即該類電主軸有前后兩個支承。采用這種結構的電主軸，由于其軸向尺寸相對較小，使得主軸的整體剛性好、功率也大。所以，這種結構形式的電主軸非常適用于高速數(shù)控機床。

電動機安裝在主軸后軸承之后。也就是說主軸電動機和主軸箱都在主軸的軸線方向上布置。采用這種結構的優(yōu)點是可以有效地縮短主軸前端的徑向尺寸，同時還有利于電機的散熱。缺點是主軸的軸向尺寸比較大。所以，這種結構形式的電主軸通常用在小型高速數(shù)控機床上。

2、主軸電機

電動機作為高速電主軸的關鍵部件之一，其技術參數(shù)的高低直接決定了電主軸的技術水平。目前，可供電主軸使用的電動機主要有兩種：交流同步電機和異步電機。交流異步電機與同步電機相比，具有以下優(yōu)點：價格適宜、極限轉速高、維修便利、控制系統(tǒng)簡單。交流同步電機與異步電機相比，具有的優(yōu)點是：在相同的扭矩下，電機體積較小，從而可以使電主軸具有緊湊型的機械結構；在相同的慣性矩下，啟動時間短；在相同的力矩下，冷卻功率較高；在相同的轉速下，功率和扭矩都比較大；轉子功率損耗小，可以使軸承和轉子的溫升較小。通過對二者優(yōu)點的對比可知，同步電機更適用于高速電主軸。由于同步電機的功率因數(shù)高，損耗的功率小，可以從根本上降低電主軸的熱源強度，從而有效地改善電主軸的熱態(tài)性能。

3、主軸軸承

軸承作為高速電主軸的又一關鍵部件，是電主軸實現(xiàn)高速、高精度的前提條件。因此，我們在為電主軸選擇合適的軸承時，要充分考慮到主軸軸承與普通軸承的差異性。主軸軸承作為電主軸的支承核心，在電主軸進行高速運轉時，會受到比較大的載荷，同時軸承內部的摩擦也在加劇。所以，在選擇電主軸軸承的時候，必須考慮該軸承是否能達到電主軸的極限轉速，同時對軸承的剛度和低溫升也有極高的要求。在綜合分析各種軸承的性能之后，總結出兩種電主軸常使用的軸承：陶瓷球軸承和磁懸浮軸承。陶瓷球軸承陶瓷球軸承，是伴隨著電主軸的高速化要求而發(fā)展起來的。普通的滾動軸承，由于其滾動體是鋼珠，極大地制約了軸承轉速的提高，而將滾動軸承的滾動體用具有耐高溫、密度小等優(yōu)點的陶瓷材料做成后，滾動軸承的極限轉速得到了巨大的提高。在滾動軸承眾多的結構形式中，由于角接觸球軸承的高速性能高，又可以同時承受徑向負荷和軸向負荷，所以它是電主軸支承的選。與此同時，當角接觸球軸承的滾動體使用陶瓷材料后，其壽命和轉速與鋼珠角接觸球軸承相比均有較大幅度的提高，而且它還具有剛度大、溫升小的優(yōu)點。所以角接觸陶瓷球軸承是目前電主軸理想的主軸軸承。磁懸浮軸承磁懸浮軸承，作為一種智能化控制的軸承，是隨著現(xiàn)代機械加工對電主軸功率和轉速要求提高的基礎上產(chǎn)生的，由于它具有很高的轉速和功率，目前主要應用于超高速大功率機床上。由于磁懸浮軸承的定子線圈與轉軸之間沒有機械接觸，所以磁懸浮軸承可以達到很高的轉速，大約是滾動軸承主軸轉速的 2 倍。如果兩個電主軸的極限轉速相同，采用磁懸浮軸承的電主軸可以有較大的軸徑，從而具有較大的負荷能力與剛度。總而言之，使用磁懸浮軸承的電主軸會具備高剛度、高轉速和高功率的優(yōu)點。但是，由于磁懸浮軸承制造費用高，發(fā)熱問題較難解決。所以至今仍沒在工業(yè)上得到推廣和應用，只是用于一些特定的場合。電主軸軸承的配置方式為：一端固定，一端浮動。具體來說，就是主軸前端的軸承固定，后端的軸承浮動。這種軸承的配置方式一方面可以保證電主軸的高速性與整體剛度，另一方面可以補償主軸的熱變形。

4、電主軸潤滑

軸承潤滑的主要目的就是利用潤滑劑在套圈、滾動體和保持架之間的摩擦面形成起隔離作用的潤滑油膜以降低軸承的磨損與摩擦，確保其良好的運轉。與此同時，潤滑對軸承還具有一定的散熱作用。

5、電主軸冷卻系統(tǒng)

由于電主軸在高速的運轉過程中，其內置電機與高速軸承的發(fā)熱是無法避免的。因此，在選定了電主軸的電機與軸承之后，我們已不可能從降低熱源的發(fā)熱強度來實現(xiàn)對電主軸發(fā)熱和溫升的控制。所以，為了達到對電主軸內部熱源發(fā)熱量的控制，必須設計專門的冷卻系統(tǒng)對電主軸的主要熱源進行針對性的冷卻。我們知道，電機與軸承是電主軸的主要熱源，因此，對電主軸的冷卻就是對內置電機和主軸軸承的冷卻。由于高速軸承油氣潤滑系統(tǒng)中的潤滑劑在對軸承起到潤滑作用的同時，也帶走了軸承內部摩擦所產(chǎn)生的大量熱，所以對軸承的發(fā)熱起到了一定程度的散熱作用。其實軸承的油氣潤滑系統(tǒng)可謂是一舉兩得，不僅有潤滑作用，同時也擁有冷卻散熱的作用，也是電主軸軸承的一個冷卻系統(tǒng)。