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        關于電主軸你想知道的那些事兒

        一、電主軸組成

            電主軸是將機床主軸與主軸電機融為一體的技術,它與直線電機技術、高速刀具技術一起,將會把高速加工推向一個新時代。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、油霧潤滑器、冷卻裝置、內置編碼器、換刀裝置。
            高速軸承技術:電主軸通常采用復合陶瓷軸承,耐磨耐熱,壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍;有時也采用電磁懸浮軸承或靜軸承,內外圈不接觸,理論上壽命無限;
            高速電機技術:電主軸是電動機與主軸融合在一起的產物,電動機的轉子即為主軸的旋轉部分,理論上可以把電主軸看作一臺高速電動機。關鍵技術是高速度下的動平衡;
            高效潤滑技術:電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑;也可以采用脂潤滑,但相應的速度要打折扣。所謂定時,就是每隔一定的時間間隔注一次油。所謂定量,就是通過一個叫定量閥的器件,精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑,指的是潤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,起不到潤滑作用;太多,在軸承高速旋轉時會因油的阻力而發(fā)熱。
            冷卻裝置: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,冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。
            內置脈沖編碼器:為了實現(xiàn)自動換刀以及剛性攻螺紋,電主軸內置一脈沖編碼器,以實現(xiàn)準確的相角控制以及與進給的配合。
            自動換刀裝置:為了應用于加工中心,電主軸配備了自動換刀裝置,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:要實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉的轉速,必須用一高頻變頻裝置來驅動電主軸的內置高速電動機,變頻器的輸出頻率必須達到上千或幾千赫茲。

        機床主軸  

        三、電主軸熱特性

        高速電主軸作為高速機床的核心部件,同時也是該類機床的主要熱源。在高速機床中,電主軸單元各零件的剛度和精度都比較高,工作負荷不大,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會嚴重地降低機床的加工精度。因此在高速機床中,電主軸的熱態(tài)特性成為影響加工精度的一個主要因素,并直接限制了電主軸轉速的提高。

        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發(fā)熱與主軸軸承的發(fā)熱引起。機床在加工過程中,電機輸出功率是它在空轉時消耗的功率與切削時消耗的功率的總和。在高速加工中,機床的空轉功耗所轉化的熱成為高速加工機床的主要熱源。主軸軸承在高速運轉中,存在著復雜的摩擦現(xiàn)象,加劇了發(fā)熱強度,直接影響電主軸系統(tǒng)的熱變形。

        由于電機發(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,嚴重時甚至發(fā)生金屬粘結燒傷現(xiàn)象,使軸承失效。主軸軸承的熱強度與主軸系統(tǒng)的結構、軸承的型號、配置和預緊、潤滑劑以及傳動方式都有密切的關系。試驗表明同樣尺寸規(guī)格的鋼球和陶瓷球角接觸軸承,在速度不高(3000rpm以下)時溫升值相差不多,但是隨著主軸轉速的進一步的提高進入高速區(qū)(10000rpm以上),則軸承的溫升急劇增大。隨著軸承預緊力的增加,軸承發(fā)熱量也會迅速增加。另外在油一氣潤滑系統(tǒng)中,油和氣相互混合,一起對軸承進行冷卻,其中空氣的冷卻占很大的比例。
        3.2主軸熱變形的機理
        機床主軸在工作時處于內、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、形狀和結構各不相同,各自熱慣性也不相同,再加上聯(lián)結件之間結合面的熱阻、主軸表面不盡相同的傳熱狀況等因素,使主軸形成了一個復雜多變的溫度場。在這樣的溫度場作用下,主軸構件材料產生了熱應力和熱位移,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,影響機床加工精度的熱源可分為內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)工作精度的關鍵因素并不是溫升,而是溫度場的分布,也就是溫度場對主軸軸線的對稱性和溫度梯度。在溫度上升的過程中,主軸本身將產生軸向伸長,同時主軸前后支承的中心位置必會在徑向發(fā)生變化。由于前支撐的直徑和負荷通常比后支承大,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,熱變形的結果將使主軸的工作端產生徑向位移,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、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。定子產生的熱量大部分通過對流由冷卻水或油帶走,而少部分通過對流和輻射傳遞給定子周圍的空氣:轉子產生的熱量一部分通過導熱直接傳遞給主軸和軸承,而另一部分通過對流和輻射傳遞給定子。
        電機定子油-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,通過電機定子冷卻套的螺旋槽與電機定子產生熱交換,再經過輸出回路與水進行熱交換,使油冷卻后流回油池,實現(xiàn)循環(huán)冷卻。主軸軸承的油一氣潤滑系統(tǒng),油一氣潤滑系統(tǒng)是利用具有一定力的縮空氣和定量輸出的微量潤滑油,在一定長度的管道中混合,通過縮空氣在管道中的流動,帶動潤滑油沿管道內壁不斷地流動,把油氣混合物輸送給安裝在軸承附近的噴嘴,經過噴嘴射向軸承內圈和滾動體的接觸點實現(xiàn)潤滑和冷卻。
        電主軸與周圍空氣的傳熱,工作中高速主軸電機表面是熱的,所以在較大溫差的作用下發(fā)生自由對流換熱,同時還有輻射換熱。為了減發(fā)熱對主軸性能的影響,特別是對主軸軸承性能的影響,在結構設計的過程中在主軸電機轉子與軸承之間安裝了冷卻環(huán),可以有效地減小由于電機發(fā)熱對主軸軸承的影響,提高軸承的使用壽命。

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