一、電主軸組成
電主軸是將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的技術(shù)，它與直線電機(jī)技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將會(huì)把高速加工推向一個(gè)新時(shí)代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件:電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤(rùn)滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置。
高速軸承技術(shù):電主軸通常采用復(fù)合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍;有時(shí)也采用電磁懸浮軸承或靜軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限;
高速電機(jī)技術(shù):電主軸是電動(dòng)機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺(tái)高速電動(dòng)機(jī)。關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動(dòng)平衡;
高效潤(rùn)滑技術(shù):電主軸的潤(rùn)滑一般采用定時(shí)定量油氣潤(rùn)滑;也可以采用脂潤(rùn)滑，但相應(yīng)的速度要打折扣。所謂定時(shí)，就是每隔一定的時(shí)間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個(gè)叫定量閥的器件，精確地控制每次潤(rùn)滑油的油量。而油氣潤(rùn)滑，指的是潤(rùn)滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤(rùn)滑作用;太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因油的阻力而發(fā)熱。
冷卻裝置:為了盡快給高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對(duì)電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。
內(nèi)置脈沖編碼器:為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的相角控制以及與進(jìn)給的配合。
自動(dòng)換刀裝置:為了應(yīng)用于加工中心，電主軸配備了自動(dòng)換刀裝置，包括碟形簧、拉刀油缸等;
高速刀具的裝卡方式:廣為熟悉的BT、ISO刀具，已被實(shí)踐證明不適合于高速加工。這種情況下出現(xiàn)了HSK、SKI等高速刀具。
高頻變頻裝置:要實(shí)現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用一高頻變頻裝置來驅(qū)動(dòng)電主軸的內(nèi)置高速電動(dòng)機(jī)，變頻器的輸出頻率必須達(dá)到上千或幾千赫茲。
機(jī)床主軸
三、電主軸熱特性
高速電主軸作為高速機(jī)床的核心部件，同時(shí)也是該類機(jī)床的主要熱源。在高速機(jī)床中，電主軸單元各零件的剛度和精度都比較高，工作負(fù)荷不大，電主軸因切削力引起的加工誤差比較小。電主軸中電機(jī)的發(fā)熱和軸承的摩擦發(fā)熱卻是不可避免的，由此引起的熱變形如果處理不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重地降低機(jī)床的加工精度。因此在高速機(jī)床中，電主軸的熱態(tài)特性成為影響加工精度的一個(gè)主要因素，并直接限制了電主軸轉(zhuǎn)速的提高。
3.1高速電主軸的熱源
高速電主軸的熱變形主要是由電機(jī)發(fā)熱與主軸軸承的發(fā)熱引起。機(jī)床在加工過程中，電機(jī)輸出功率是它在空轉(zhuǎn)時(shí)消耗的功率與切削時(shí)消耗的功率的總和。在高速加工中，機(jī)床的空轉(zhuǎn)功耗所轉(zhuǎn)化的熱成為高速加工機(jī)床的主要熱源。主軸軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，存在著復(fù)雜的摩擦現(xiàn)象，加劇了發(fā)熱強(qiáng)度，直接影響電主軸系統(tǒng)的熱變形。
由于電機(jī)發(fā)熱傳遞給軸承，使軸承的溫升更高，這就加速了軸承的磨損而使精度喪失，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生金屬粘結(jié)燒傷現(xiàn)象，使軸承失效。主軸軸承的熱強(qiáng)度與主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、軸承的型號(hào)、配置和預(yù)緊、潤(rùn)滑劑以及傳動(dòng)方式都有密切的關(guān)系。試驗(yàn)表明同樣尺寸規(guī)格的鋼球和陶瓷球角接觸軸承，在速度不高（3000rpm以下）時(shí)溫升值相差不多，但是隨著主軸轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步的提高進(jìn)入高速區(qū)（10000rpm以上），則軸承的溫升急劇增大。隨著軸承預(yù)緊力的增加，軸承發(fā)熱量也會(huì)迅速增加。另外在油一氣潤(rùn)滑系統(tǒng)中，油和氣相互混合，一起對(duì)軸承進(jìn)行冷卻，其中空氣的冷卻占很大的比例。
3.2主軸熱變形的機(jī)理
機(jī)床主軸在工作時(shí)處于內(nèi)、外熱源的作用下，而且這些熱源一般來說都是非恒定的。由于加工條件不同，變化的程度也不同，主軸各零部件的材料、形狀和結(jié)構(gòu)各不相同，各自熱慣性也不相同，再加上聯(lián)結(jié)件之間結(jié)合面的熱阻、主軸表面不盡相同的傳熱狀況等因素，使主軸形成了一個(gè)復(fù)雜多變的溫度場(chǎng)。在這樣的溫度場(chǎng)作用下，主軸構(gòu)件材料產(chǎn)生了熱應(yīng)力和熱位移，且隨著材料物理特性、零部件形狀以及支承聯(lián)接狀態(tài)的不同而不同，從而使主軸的熱變形問題更加復(fù)雜，給研究主軸熱變形帶來很大的困難。在加工過程中，影響機(jī)床加工精度的熱源可分為內(nèi)熱源和外熱源兩大類。
3.3主軸系統(tǒng)的溫升
通常使指在無外加載荷和無外部熱源影響的條件下的典型區(qū)域溫度與環(huán)境溫度的差值。多用主軸前軸承的外圈作為測(cè)量系統(tǒng)溫升的典型區(qū)域。系統(tǒng)溫升越高，零件的熱變形越大，引起精度喪失的可能性越大，系統(tǒng)的熱態(tài)特性就越差。影響主軸系統(tǒng)工作精度的關(guān)鍵因素并不是溫升，而是溫度場(chǎng)的分布，也就是溫度場(chǎng)對(duì)主軸軸線的對(duì)稱性和溫度梯度。在溫度上升的過程中，主軸本身將產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)，同時(shí)主軸前后支承的中心位置必會(huì)在徑向發(fā)生變化。由于前支撐的直徑和負(fù)荷通常比后支承大，因此前支撐的發(fā)熱量也比后支承大，故前支承和前箱壁的溫度也要比后支承和后箱壁的溫度高，熱變形的結(jié)果將使主軸的工作端產(chǎn)生徑向位移，出現(xiàn)抬頭現(xiàn)象。
3.4高速電主軸的散熱
高速電主軸在內(nèi)、外熱源的作用下，其各部分的溫度有差異，而熱量總是從高溫向低溫處傳遞，三種基本的傳熱方式在電主軸中都存在。定子產(chǎn)生的熱量大部分通過對(duì)流由冷卻水或油帶走，而少部分通過對(duì)流和輻射傳遞給定子周圍的空氣：轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量一部分通過導(dǎo)熱直接傳遞給主軸和軸承，而另一部分通過對(duì)流和輻射傳遞給定子。
電機(jī)定子油-水熱交換冷卻系統(tǒng)，高速電主軸通常采用油-水熱交換的系統(tǒng)，油泵連續(xù)輸出大流量的冷卻油，通過電機(jī)定子冷卻套的螺旋槽與電機(jī)定子產(chǎn)生熱交換，再經(jīng)過輸出回路與水進(jìn)行熱交換，使油冷卻后流回油池，實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻。主軸軸承的油一氣潤(rùn)滑系統(tǒng)，油一氣潤(rùn)滑系統(tǒng)是利用具有一定力的縮空氣和定量輸出的微量潤(rùn)滑油，在一定長(zhǎng)度的管道中混合，通過縮空氣在管道中的流動(dòng)，帶動(dòng)潤(rùn)滑油沿管道內(nèi)壁不斷地流動(dòng)，把油氣混合物輸送給安裝在軸承附近的噴嘴，經(jīng)過噴嘴射向軸承內(nèi)圈和滾動(dòng)體的接觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑和冷卻。
電主軸與周圍空氣的傳熱，工作中高速主軸電機(jī)表面是熱的，所以在較大溫差的作用下發(fā)生自由對(duì)流換熱，同時(shí)還有輻射換熱。為了減發(fā)熱對(duì)主軸性能的影響，特別是對(duì)主軸軸承性能的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中在主軸電機(jī)轉(zhuǎn)子與軸承之間安裝了冷卻環(huán)，可以有效地減小由于電機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸軸承的影響，提高軸承的使用壽命。
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