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數（shù）控機床高速電主軸技術要點分析

2021-11-22 來源：江蘇領臣精密機械有限公司作者：鄭良鋼，陳錚，周誌科

摘要：數控機床中，高（gāo）速電主軸（zhóu）是核心部件。其（qí）重量輕、結構緊湊，運（yùn）行的過程中不會（huì）產生很大的慣性，有很好的（de）響應（yīng）特性，主軸的動（dòng）平衡得以改善（shàn），具有良好的動（dòng）力學性能。高速電主軸對機床的（de）運行（háng）效果起到了決定性的作用。本文著重研究數控機床（chuáng）高（gāo）速電主軸技術要點。

關鍵詞（cí）：數控機床；高速；電主軸；技術要點

高速電主（zhǔ）軸，即為內裝式電機主軸單元，是數控機床的重要部件。其是（shì）在機（jī）床主軸單元內部安（ān）裝主軸電機，對主軸起到了驅動作用，由此促使電機和主軸（zhóu）成為一個整體。要提高（gāo）數控機床的（de）運行效率，就要掌握高速電主軸技術要點，充分發揮其優（yōu）勢，同時，推進電主軸（zhóu）技術（shù）不斷完善（shàn）。

1、高速電主軸所具備的優點

傳統的數控機床上的（de）主軸運行，在發揮（huī）電機驅動作用的過程中，主要是帶動中（zhōng）間的變速裝置和傳動裝置，諸如齒輪、皮帶以及聯軸節（jiē）等，此（cǐ）為“機械主軸”，也被（bèi）形象地稱為分離式和直聯式主軸。與（yǔ）這種傳統的主軸相（xiàng）比，電主軸具備的優點如下。

（1）主軸運行（háng）中，是通過內部安（ān）裝（zhuāng）的電機驅（qū）動的，不需要通過中（zhōng）間的變速裝置（zhì）和傳動裝置，其（qí）設計結構簡單而且緊湊，能夠提高運行效率而且精度（dù）很高。在運行的過程中，不會產（chǎn）生（shēng）很大的（de）噪聲，振動（dòng）也非常小（xiǎo）。

（2）將交流變頻技術充（chōng）分利用起來，在額定轉速範圍內，電主軸（zhóu）可以（yǐ）無級變速。當機床運（yùn）行的過（guò）程中，無論發生任何的工況，或者在負載（zǎi）變化的情（qíng）況下，電主軸都有很好的適（shì）應性（xìng）。

（3）內（nèi）裝電機運（yùn）行中，能夠控製閉環（huán）矢量，還可以（yǐ）按照控製（zhì）命令有效調控功率，且能夠靈活控（kòng）製驅動裝（zhuāng）置運行速度（dù）、輸出（chū）力矩等等。電主軸可以滿足各種大功（gōng）率要求（qiú），諸如低速重切削大轉矩的時候，或者高速精加工的時候，電主（zhǔ）軸都能夠很好（hǎo）地發揮作用，還可以實現準停，同時（shí）滿足 C 軸（zhóu）傳動功能。

（4）電主軸可以高速運行，有良好的穩定性，動態精度較（jiào）高，使（shǐ）數控機床切（qiē）削的速度更高，加（jiā）工（gōng）的精（jīng）密度也更高。

（5）由於電主軸的運行不需要經過中間傳動環節，因此其平穩性更高，不會受到外來（lái）的衝擊，主軸的軸承不需要承（chéng）受很大（dà）的動負（fù）荷，精度壽命得以延長。

（6）電主軸使電機和主軸構成一（yī）個整體，形成一個單元，使電主軸可以係列（liè）化生產，形成一（yī）定的規模，而且生產更加專業化。電主軸作為（wéi）數控機床功能部件，也作為一種商品進入到市（shì）場中。企業可（kě）以根據數控機（jī）床的主（zhǔ）機運行需（xū）要（yào）選擇電主軸，對機床模塊化方向發展起到一定的促進作用（yòng）。

2、高速電主軸的技術要點

2.1 高（gāo）速電主軸的高速精密軸承技術

在電主軸係統中，主軸軸承技術是關鍵，主要包括三（sān）種，即動靜（jìng）壓軸承、角接觸球（qiú）軸承和磁懸浮軸（zhóu）承（chéng）。其（qí）中，動靜壓軸承是將靜壓軸承與（yǔ）動壓軸（zhóu）承結合起來，集（jí）合了兩者的優點（diǎn），其具備良好的高速性能（néng），速度調節的（de）範圍（wéi）大。精密數控機床比較（jiào）常用角接觸球軸承，其發揮主軸支撐作用，對高速性能有一定的影響。出（chū）現這種現象的主要原因是由（yóu）於滾珠為氮化矽材料製作，滾珠在高（gāo）速作用下（xià）會增加離心力，增大（dà）陀螺（luó）力矩，軸承的高速性能（néng）得以充分發揮，減（jiǎn）小滾動體的直（zhí）徑。由於軸承的製造成本高，具有非常複雜（zá）的控製係統，不容易解決軸承運行中產生的發熱問（wèn）題，所以，隻有特殊場合中才會使用。

2.2 高速電主（zhǔ）軸的動平衡（héng）技術

高速電主軸有較高的運轉速度，同時，具有（yǒu）高精度運行、高加（jiā）工效率的特點（diǎn），但是，這些特點是建（jiàn）立在動平衡基礎上的。電主軸的運行狀態會受到諸多因素的影響，諸（zhū）如（rú）製造因素，在（zài）主軸安裝的過程中產生誤差，或者存在材料不均（jun1）勻的問題，必然會產生運行不（bú）平衡的問題。通常電主軸運行（háng）的過（guò）程中，運轉速度最高可（kě）以超過 10000r/min，甚至（zhì）可以達到60000 ～ 100000r/min。當主（zhǔ）軸運轉的過程中，即便所存在的不平衡非常微小，都（dōu）有可（kě）能影響主軸回轉（zhuǎn）的精度，甚至會影響軸承支（zhī）承係（xì）統運行的（de）穩定性，所以，需（xū）要嚴格要求高速電主（zhǔ）軸（zhóu）的動平衡精度。

為了提高主軸的平衡性（xìng），在電主軸的設計中，需要采（cǎi）用對稱結構，加（jiā）工裝配的時候要提高精確度。當主軸出廠的回收，調整好初始（shǐ）動平衡，提高（gāo）主軸的平衡性，但是，主軸刀具依然會存（cún）在細微的不對稱問題，甚至會出現刀具磨損的問題，或（huò）者切屑粘刀的問題（tí），原有的動平衡依（yī）然會被打破。由於工況複雜，主軸刀具係統會受到（dào）幹擾，諸如切削力激勵、離心力以及（jí）熱變形等都是重要（yào）的影響因素，並因此破壞主軸係（xì）統，使其無法（fǎ）保持（chí）穩定的穩（wěn）定（dìng）的運（yùn）行狀態。要使電主軸處於高速運行狀態，確保數控（kòng）機床高效運行且持續穩定（dìng），就需要將在線運行且自動化操作的動平衡係統設計出來，並根據實際應用需要不斷完善（shàn），更好（hǎo）地發（fā）揮其價值。

2.3 高速電主軸的潤（rùn）滑技（jì）術

對高速電主軸（zhóu）進行潤滑，主要是（shì）潤滑主軸軸承。這就需（xū）要采用科學有效的潤滑係統對軸承的溫升狀況進行控製，確保機床工藝係統運行中（zhōng）提高精度，且保證穩定性。高速電主軸（zhóu）在選擇潤滑方式的時候，需要對軸承所屬類型、運轉速度以及負荷等等有關（guān），可以（yǐ）根據需要選擇油（yóu）脂潤滑方法、油霧潤滑方法或者噴射潤滑方法等。

2.4 高速電主軸的冷卻技術

電主軸的殼體中安裝有電動（dòng）機的定子，電主（zhǔ）軸實施封（fēng）閉設計，當（dāng）處（chù）於高速運轉狀態的時（shí）候，由於缺乏散熱條件，就會出現殼體中過熱的問題。電主（zhǔ）軸的內部安裝（zhuāng）有兩個熱源：第（dì）一個熱（rè）源是電動機運行中會由於損耗而發熱；第二個熱源是由於軸承運行中（zhōng）產生摩擦而發熱。當電機運行的過程（chéng）中有熱量產生，主要發揮散熱作用的是（shì）主軸殼體，而且（qiě）部分熱量通過主軸向軸承傳輸，導（dǎo）致軸承快速升（shēng）溫（wēn），其壽命（mìng）必然受到影響，轉軸的製造精度受到熱伸長（zhǎng）的影響，主軸係（xì）統運（yùn）行的穩定可靠（kào）性無法保證。冷卻電（diàn）主軸的方法是將循環冷卻水套安裝在定子與殼體連接的位置，同潤滑軸承，使發熱量減少，采用合理的潤滑方式除了發揮潤滑作用，而且還可以起到冷卻（què）的效果。

2.5 高速電主軸的主軸電機技（jì）術

電主軸所（suǒ）采用的電動（dòng）機多為交流異步（bù）感（gǎn）應電動機，由於永磁電（diàn）機增強了使用性能，交流永磁同步電動機被廣泛應用，所表現出來的優點是，電主軸轉子不再（zài）散發熱量，電主軸不再產生熱變形，轉子沒有損耗，電主軸的運行效率提高，減小（xiǎo）了轉動（dòng）慣量，啟動和準停的速（sù）度加（jiā）快（kuài）。當電主軸（zhóu）處於低速運（yùn）行狀態的時（shí）候，也能保（bǎo）持良好的性能。

2.6 高速電主軸的精密加工和精密裝配技術

當電主軸處於高速運轉狀（zhuàng）態（tài）的（de）時候，要保證其剛（gāng）度以及（jí）回轉精（jīng）度（dù），需要（yào）對重要的零（líng）件精密加工，甚至需要超精密加工，在裝配主軸零部件的時候，要提高精密度。在主軸單元中，對工件都需（xū）要精密加工，包括殼體的（de）加工、軸承座的加工等等都要（yào）有較高的精密度，軸承隔圈（quān）會隨著主軸高速旋轉，對加工精密度也有較高的要求。另外，在高速電主軸上（shàng）進行加工刀具的裝配過程中，需（xū）要采用先進的工藝技術，且裝配的精密度要（yào）符合要求。

2.7 高速電主軸的溫度保護技（jì）術

在設計（jì）高速數（shù）控銑床的（de）時候，需要啟（qǐ）動冷卻係統對主軸進行降溫。主軸（zhóu）內部安裝有三個軸（zhóu）承，即前端軸（zhóu）承、中間軸承和後端軸（zhóu）承（chéng），主（zhǔ）軸的運轉速度（dù）不同，功率不同，將溫度傳感器安裝在軸承附近，就可以（yǐ）對（duì）主軸軸承（chéng）的溫度（dù）實時監測。溫度傳感器采集信號的時候需要發揮可（kě）編程邏（luó）輯（jí）控製器的（de）輸入模塊作用，不同類型的傳感器，將信號劃分（fèn）為 4 ～20mA。在設計機床控製程（chéng）序的時候，需要按照傳感器信號將溫度（dù）計算出來，標定好。實施軸承升溫保護的時（shí）候，還（hái）需要在程序中將門檻限製值設置好，保護好軸承。

3、結語

通過上麵的研究可以明確，在製造機械產品的過程中，應（yīng）用高速加工技術（shù），很多難題都能夠得到解決（jué），而（ér）且加工精（jīng）度高，質量（liàng）有所保證，所以，該技術在製造業廣（guǎng）泛應用，並已經成為主流技術。現在（zài）高速電主軸技術發展迅速，各個行（háng）業都（dōu）根（gēn）據自身的需要（yào）對該技術進行（háng）深入研究，在提高技術應用效率的（de）同時，還要（yào）發揮其（qí）節（jiē）能（néng）環（huán）保特（tè）性（xìng），實現智能化發展。

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