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         主軸是直接體現(xiàn)機床性能的關(guān)鍵部件。目前，數(shù)控機床大量采用內(nèi)裝變頻電動機的主軸部件。它是一種機電一體化的功能部件，其電動機轉(zhuǎn)子與主軸是一體的，無需任何機械連接。改變供電的頻率，就可以實現(xiàn)主軸調(diào)速。

這種模塊化、系列化的功能部件稱為電主軸。通常由具有設(shè)計和制造高速、高精度、變頻調(diào)速電主軸豐富經(jīng)驗的專業(yè)公司提供，產(chǎn)品質(zhì)量和供貨容易獲得保證。

一、高速電主軸的特點

高速運轉(zhuǎn)的電主軸的主軸形式是將主軸電機的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部,即把高速電機置于精密主軸內(nèi)部,電主軸的電機轉(zhuǎn)子就是主軸,主軸的殼體就是電機的機座,實現(xiàn)了變頻調(diào)速電機和主軸一體,電機直接驅(qū)動主軸,形成電主軸。電主軸取消了電機到主軸傳動鏈中的齒輪、皮帶等一切中間環(huán)節(jié),動力源對主軸的直接傳動,傳動鏈長度為零,實現(xiàn)了機床主軸系統(tǒng)的“零傳動”。它具有高轉(zhuǎn)速、高精密、噪聲低、低溫升、體積小、安裝方便等特點,是現(xiàn)代數(shù)控機床主要的關(guān)鍵部件。它與早年應(yīng)用于內(nèi)圓磨床的內(nèi)裝式電機主軸的區(qū)別是采用了變頻調(diào)速技術(shù),主軸有較大的驅(qū)動功率和轉(zhuǎn)矩,并有一系列監(jiān)控主軸振動、軸承溫升等參數(shù)的傳感器及其檢測控制系統(tǒng)。因此電主軸及驅(qū)動系統(tǒng)是一種技術(shù)含量很高的機電一體化產(chǎn)品,涉及機械、電機、驅(qū)動與控制、支承、潤滑、材料熱處理及振動等諸多領(lǐng)域,是一套相對獨立、完整的智能型功能部件。

二、結(jié)構(gòu)簡圖及工作原理

主軸電動機和機床主軸合為一體的電主軸,通常采用的是交流高頻電動機,也稱為“高頻主軸”（High Frequency Spindle）。圖1所示為電主軸的結(jié)構(gòu)簡圖,其主要特征是將電動機內(nèi)置于主軸內(nèi)部直接驅(qū)動主軸,實現(xiàn)電動機、主軸一體化的功能。電主軸由無外殼電機、主軸、軸承、主軸單元殼體、驅(qū)動模塊和冷卻裝置等組成。電機的轉(zhuǎn)子采用壓配方法與主軸做成一體，主軸則由前后軸承支承。電機的定子通過冷卻套安裝于主軸單元的殼體中。主軸的變速由主軸驅(qū)動模塊控制,而主軸單元內(nèi)的溫升由冷卻裝置限制。在主軸的后端裝有測速、測角位移傳感器，前端的內(nèi)錐孔和端面用于安裝刀具。

工作原理和普通的異步電動機的工作原理一致,改變輸入電動機定子繞組的電流頻率和勵磁電壓獲得各種轉(zhuǎn)速。在加速和制動過程中,通過改變頻率進行加/減速,以免電動機溫升過高。由于電動機旋轉(zhuǎn)磁場的方向取決于輸入定子三相交流電的相序,故改變電主軸輸入電流的相序,便可改變電主軸的旋轉(zhuǎn)方向。

 

1.電源接口  2.電動機反饋  3.后軸承

4.無外殼主軸電動機  5.主軸  6.主軸箱體  7.前軸承

圖1　電主軸的結(jié)構(gòu)簡圖

三、關(guān)鍵技術(shù)

從圖1中可見，電主軸的結(jié)構(gòu)十分緊湊，通常又在高速下運轉(zhuǎn)，因而它的關(guān)鍵技術(shù)是如何解決它的發(fā)熱問題。

電主軸的溫度使其穩(wěn)定在電主軸中有兩大熱源:內(nèi)置電動機的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。分析檢測結(jié)果表明,轉(zhuǎn)子的溫度可高達140～160℃,定子溫度也可達到45～85℃。圖2所示為高速主軸單元冷卻系統(tǒng)圖,為了盡快給高速運動的電主軸散熱,通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑,嚴格控制一個恒定值內(nèi)。

 

圖2  高速主軸單元冷卻系統(tǒng)圖

以德國CyTec公司的CySpeed系列高速電主軸為例，它的功率范圍為10~60kW，zui高轉(zhuǎn)速為8000~40000r/min。它可具有四種不同功能的冷卻回路：

1）主軸冷卻：主軸冷卻回路是為了避免主軸前端伸長以及保護主軸軸承。它的目的是保持主軸溫度恒定，使其與轉(zhuǎn)速無關(guān)，因而可以保證主軸的精度不受電動機發(fā)熱的影響。

2）電動機冷卻：電動機冷卻回路是為了加強電動機對外部的散熱能力，使主軸部件的殼體保持為室溫狀態(tài)。

3）刀具冷卻：刀具冷卻是選用件，可以任意選用外部冷卻或者內(nèi)孔冷卻，或者內(nèi)外同時冷卻。

4）刀具內(nèi)孔冷卻：采用通過刀具內(nèi)孔冷卻時，冷卻液在80kPa的壓力下通過旋轉(zhuǎn)分配器中間的孔道，打開單向閥，從刀柄（包括刀具）的中間孔噴出。為了盡快給高速運行的電主軸散熱,通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑,用循環(huán)冷卻劑吸收和帶走電機產(chǎn)生的熱量,保持電主軸單元殼體均勻的溫度分布。冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度,電主軸常用的冷卻劑是水。電主軸在zui高轉(zhuǎn)速時,噪聲一般應(yīng)低于70～75dB （A）。

綜上，電主軸的出現(xiàn)，很好的適應(yīng)了超高速加工的要求，并將逐步取代傳統(tǒng)的機床主軸系統(tǒng)。