季福云　張克健

摘 要:本文敘述了高速電主軸的特點(diǎn)之后,依據(jù)簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖詳細(xì)描述了其工作原理,然后分析高速電主軸因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)緊湊而帶來(lái)的一些重要技術(shù)問(wèn)題,并且提出了相對(duì)應(yīng)的解決方法。

關(guān)鍵詞:高速電主軸加工數(shù)控機(jī)床

中圖分類號(hào):TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Ａ 文章編號(hào):1672-3791(2012)07(a)-0091-01

數(shù)控機(jī)床中用來(lái)表現(xiàn)機(jī)床主要性能的重要部件就是主軸。數(shù)控機(jī)床在當(dāng)前情況下,大部分所用的主軸部件均為內(nèi)置變頻電動(dòng)機(jī)。該種電動(dòng)機(jī)是將機(jī)電集于一體,主軸和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是成為一體的,并不需要通過(guò)任何機(jī)械進(jìn)行連接。主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。電主軸就是人們用來(lái)稱呼這種系列化、模塊化功能部件的代名詞。這種電主軸的制造商必須具有豐富的經(jīng)驗(yàn),能夠設(shè)計(jì)并制造出高速、高精準(zhǔn)度以及變頻調(diào)速的電主軸,并且是一家正規(guī)專業(yè)的生產(chǎn)公司,這樣在電主軸方面質(zhì)量才能夠得到很好的保證。

1高速電主軸特點(diǎn)

在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的電機(jī)主軸的工作形式是在主軸組件的內(nèi)部裝入主軸電機(jī)的定子以及轉(zhuǎn)子,即將高速電機(jī)安裝子精密主軸的內(nèi)部,將電主軸中的電機(jī)轉(zhuǎn)子作為主軸,電機(jī)的機(jī)座作為主軸的外殼,從而使得主軸和變頻調(diào)速的電機(jī)能夠一體化,主軸直接被電機(jī)所驅(qū)動(dòng),從而形成了電主軸。電主軸將電機(jī)到主軸傳動(dòng)鏈上的皮帶和齒輪等所有中間環(huán)節(jié)進(jìn)行了省略,主軸的運(yùn)行動(dòng)力直接來(lái)源于動(dòng)力源,傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度是零,這樣就實(shí)現(xiàn)了主軸系統(tǒng)在機(jī)床上的零距離傳動(dòng)電主軸具備高精準(zhǔn)度以及高轉(zhuǎn)速、所產(chǎn)生的噪音小、體積相對(duì)較小、溫度升高緩慢、安裝運(yùn)載方便等特點(diǎn),是現(xiàn)今高檔數(shù)控機(jī)床上主要且關(guān)鍵性的部件。其與早些年前應(yīng)用在內(nèi)圓磨床中的內(nèi)裝式電機(jī)的主軸的區(qū)別之處在于其將變頻控速技術(shù)得到應(yīng)用,電機(jī)主軸的驅(qū)動(dòng)功率和轉(zhuǎn)矩相對(duì)較大,除此之外其還具有一系列的監(jiān)控系統(tǒng),可以對(duì)主軸的振動(dòng)和軸承溫度參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)控制。電主軸以及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一套技術(shù)含量較高的機(jī)電一體化產(chǎn)品,其所涉及的領(lǐng)域非常廣泛,電機(jī)、驅(qū)動(dòng)和控制、機(jī)械、潤(rùn)滑、熱處理和振動(dòng)等均包含在內(nèi),可以稱其為是一套完整的、獨(dú)立的智能型功能部件。

2簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖與其工作原理

在機(jī)床的主軸與電動(dòng)機(jī)主軸所組成的電主軸中,比較普遍采用的是高頻率的交流電動(dòng)機(jī),亦將其稱之為“高頻主軸”。圖1為電主軸結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易圖,它的主要特點(diǎn)是在主軸的內(nèi)部安裝電動(dòng)機(jī)裝置,使其能夠?qū)崿F(xiàn)直接對(duì)主軸的驅(qū)動(dòng),從而使主軸和電動(dòng)機(jī)成為一體。由無(wú)殼電機(jī)、主軸單元?dú)んw、軸承、驅(qū)動(dòng)模塊、以及冷卻裝置和主軸等部件組成了電主軸。人們通常采用壓配的方式將電機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸合成一體,利用前后軸承將主軸支撐起來(lái)。將電機(jī)中的定子安裝在主軸的殼體中是通過(guò)冷卻套來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主軸驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)主軸的運(yùn)行速度進(jìn)行控制,冷卻裝置對(duì)主軸單元內(nèi)的溫度升溫情況進(jìn)行制約。主軸后端所裝的傳感器用于對(duì)主軸速度的測(cè)量和角位移動(dòng)的測(cè)量,前端則配有內(nèi)錐孔與端面用來(lái)安裝刀具。

電主軸的工作原理是通過(guò)改變輸入電動(dòng)機(jī)中的定子繞組的電流頻率以及勵(lì)磁電壓的變化來(lái)取得不同的轉(zhuǎn)速,其工作原理與普通的異步電動(dòng)機(jī)的工作原理基本上是相同的。在提速與制動(dòng)的過(guò)程中,為了有效的避免電動(dòng)機(jī)的溫度升溫過(guò)高,可以通過(guò)對(duì)電主軸工作頻率的改變來(lái)控制電主軸的加速和減速。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)中輸入定子的三相交流電決定了其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向,所以要想實(shí)現(xiàn)對(duì)電主軸的旋轉(zhuǎn)方向的改變,可以通過(guò)對(duì)電主軸輸入電流的相序的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3掌握重要技術(shù)

在圖1中大家可以看到,電主軸的結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊密,并且其都是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)行工作,因此如何能夠有效控制其工作所發(fā)熱量是其的關(guān)鍵技術(shù)所在。

電主軸的溫度主要體現(xiàn)在兩大熱源:一個(gè)是內(nèi)部安置的電動(dòng)機(jī),另一個(gè)則是主軸軸承所發(fā)出的熱量。分析以及檢測(cè)的結(jié)果表現(xiàn)出轉(zhuǎn)子的溫度可以達(dá)到140℃～160℃,定子的溫度則會(huì)達(dá)到45℃～85℃。為了有效快速的使高速轉(zhuǎn)動(dòng)中的電主軸降溫,通常條件下會(huì)對(duì)電主軸的外壁灌注循環(huán)冷卻劑,使其嚴(yán)格控制在一個(gè)恒定溫度內(nèi)。我們現(xiàn)在將德國(guó)CyTec公司的CySpeed系列高速電主軸作為例子,這種電主軸的功率范圍在10kW～60kW之間,最大轉(zhuǎn)速可以達(dá)到8000～40000r/min。它可以具備4種不同功能的冷卻回路。

3.1 主軸冷卻

為了減少主軸前端的伸長(zhǎng)程度以及對(duì)主軸軸承的保護(hù)而采用了主軸冷卻回路。主軸冷卻回路無(wú)論主軸的轉(zhuǎn)速多大,其都可以保持主軸的溫度為一定值,從而確保電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的溫度不會(huì)影響到主軸的精確度。

3.2 電動(dòng)機(jī)冷卻

為了使主軸部件的外殼部分的溫度與室溫相一致,從而采用了電動(dòng)機(jī)冷卻回路,其可以增加電動(dòng)機(jī)的對(duì)外散熱功能,進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的目的。

3.3 刀具內(nèi)孔冷卻

刀具內(nèi)孔冷卻法是冷卻液在80kPa的壓力情況下,通過(guò)旋轉(zhuǎn)分配器中間的孔道,打開刀具內(nèi)孔的單向閥門,從刀具的刀柄中間孔而噴出。為了達(dá)到給高速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸快速散熱的目的,人們常用的方式是通過(guò)在電主軸的外壁使用循環(huán)冷卻劑,從而吸收電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量并將其帶走,確保電主軸外殼的溫度均勻分布。人們所采用冷卻裝置的目的是為了確保冷卻劑的溫度,而通常電主軸所用的冷卻劑是水。當(dāng)電主軸處于最高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),其所產(chǎn)生的噪音應(yīng)該低于70Db～75Db(A)。

從以上的分析可以看出,電主軸能夠較好的滿足超高速加工對(duì)主軸的技術(shù)要求,并且將來(lái)的實(shí)際工作中傳統(tǒng)的機(jī)床主軸系統(tǒng)必將被電主軸所取代。

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