加工中心電主軸原理、結構、應用
1 I k$ b# @! M/ i$ l 電主軸是最近十年在數控機床領域出現的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術，它是高速數控機床的“核心”部件，它的性能直接決定了機床的高速加工性能。電主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪音低、響應快等優點，可以減少齒輪傳動，簡化機床外形設計，易于實現主軸定位，是高速主軸單元中一種理想結構。
0 k5 Q, h* h0 T6 n5 m1、電主軸的基本結構和工作原理0 j6 ]3 E0 I/ u
電主軸的工作不僅轉速高，而且要求有很高的角減速度和角加速度、在指定位置快速準停，這就對其結構設計、制造和控制提出了非常嚴格的要求并帶來了一系列技術難題，如電主軸的散熱、潤滑及精密控制等。在設計中，必須妥善的解決這些問題，才能確保主軸穩定可靠的高速運轉，實現高效精密加工。, l' ~7 q, [# _% b5 Z2 { x' f0 @
1.1電主軸的結構
; E5 [0 s( m5 P( p. R$ _$ x* W電主軸由主軸及主軸箱本體、內置式的交流伺服電機、輔助裝置、檢測裝置組成。電機的轉子采用壓配方法與主軸做成一體，主軸則由前后軸承支撐。轉子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動模塊控制，而主軸單元內的溫升由冷卻裝置控制。在主軸的后面裝有測速、測角位移編碼器，松刀油缸，旋轉接頭；前端的內錐孔和端面用于安裝刀具，刀具夾爪；中間有刀具拉桿，刀具夾緊彈簧。: O: h6 V& B- z. R. m* `
1.1.1電主軸的軸承及裝配方式+ D8 D4 i" a+ Q, R$ z
（1）電主軸的軸承2 w% i8 g, J) l8 @3 m' G! n
高速電主軸的核心支撐部件是高速精密軸承。因為電主軸的最高轉速取決于軸承的大小、布置和潤滑方法，所以這種軸承必須具有高速性能好、動負荷承載能力高、潤滑性能好、發熱量小等優點。近年來，相繼開發研制了陶瓷軸承、磁浮軸承、動靜壓軸承。
& {8 v" C3 w0 z) K$ z- ]6 ` 1.1.2定子與轉子
2 _3 g5 \/ z |) m) \9 | 高速電主軸的定子由具有高導磁率的優質矽鋼片迭壓而成。迭壓成型的定子內腔帶有沖制嵌線槽。轉子是中頻電機的旋轉部分，它的功能是將定子的電磁場能量轉換成機械能。轉子由轉子鐵芯、鼠籠、轉軸三部分組成。
& j* o1 \! v8 m! l/ h" Z; j1.2 工作原理9 P& ]5 F- x* u0 I: [
電主軸作為加工中心的核心部件 ,它將機床主軸與交流伺服電機軸合二為一 ,即將主軸電機的定子、轉子直接裝入主軸組件的內部 ,并經過精確的動平衡校正，具有良好的回轉精度和穩定性，形成一個完美的高速主軸單元，也被稱為內裝式電主軸 (Built-inMotorSpindle) ,其間不再使用皮帶齒輪傳動副 ,從而實現機床主軸系統的“零傳動”，通電后轉子直接帶動主軸運轉。
" ?3 Y8 s, y% v( q8 O2、主軸的冷卻及軸承的潤滑
& C2 b. M4 q- \( H6 K& `4 B2.1 冷卻
* K% l' F7 G4 N5 g3 U7 u 內置電動機的發熱和主軸軸承的發熱是電主軸有兩個主要的內部熱源。如果不加以控制，由此引起的熱變形會嚴重降低機床的加工精度和軸承使用壽命，從而導致電主軸的使用壽命縮短。5 ~2 f' D& h: p+ w
超高速主軸必須采用合理的、可控制的軸承精密潤滑系統來控制軸承的溫升 ,來保證機床工藝加工系統的精度和穩定性。高速電主軸的潤滑主要指主軸軸承的潤滑，一般以脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑三種方式為主。
% j: O. o( d' } [! n9 s; U" M2 `3、主軸的動平衡設計; ~0 |5 E3 F+ f) T. w" J
在超高速主軸中 ,微小的不平衡量會產生巨大的振動 ,導致加工精度和表面質量下降 ,因此設計中必須嚴格遵循對稱設計的原則 ,且主軸的每一個零件都必須經過十分精密的加工、裝配、校正。由于電主軸的電機轉子直接和主軸聯結 ,增加了主軸的轉動慣量 ,使主軸的極限轉速下降 ,因此超高速電主軸的動平衡精度要求十分嚴格 ,一般應達到 G1～G0. 4級(G= eω,e 為質量中心與回轉中心之間的位移 ,ω為角速度) 。這樣高的要求 ,僅在裝配前對主軸的每個零件分別進行動平衡是不夠的 ,必須在裝配后進行整體精確動平衡 ,甚至設計專門的自動平衡系統來實現主軸在線平衡 ,以確保主軸的高速平穩運行。
: m: }1 J. f, L3 n4、主軸附件設計
9 i ?2 b- l7 ^2 [/ Y! \ 電主軸要獲得好的性能和使用壽命，不僅對電主軸的軸承、伺服電機進行精心設計、制造、裝配，而且，它所帶附件設計要求也非常高。其附件不僅完美的實現電主軸的功能，而且要禁得起時間和速度的考驗。為了適用于加工中心，電主軸為了完成ATC(刀具自動交換)的動作過程和剛性攻絲過程，必須內置主軸編碼器；為了高速切削刀具進行冷卻，選擇使用帶有陶瓷密封的旋轉接頭，為提供刀具內冷冷卻液；電主軸還配備了自動松夾刀具裝置、主軸氣密封、松夾刀信號檢測開關等。8 G' A( [& ^. F. K/ `
5、電主軸的維護與應用
9 i3 h, I6 F. Y) T d5.1電主軸的維護
* V1 q8 u! c$ v0 S3 L 由于電主軸是高速精密元件，定期維護是非常有必要的。在奇瑞發動機公司電主軸定期維護如下：9 j3 v2 k% [5 h* z ?4 |
5.1.1電主軸的軸向跳動一般要求為0.002mm（2μm），每年檢測2次.。, j9 e' J/ l3 b" v1 S: E& o
5.1.2電主軸內錐孔的徑向跳動一般要求為0.002mm（2μm），每年檢測2次。
, F) q( R7 t% S( ^3 S1 _5.1.3電主軸芯棒遠端（250mm）徑向跳動一般要求為：0.012mm（12μm），每年檢測2次。. D6 d5 @/ _7 ^, A' A' O
5.1.4蝶形彈簧的漲緊力要求為：16~27KN（以HSK63為例）每年檢測2次。
1 x( e q+ }$ ^5.1.5拉刀桿松刀時伸出的距離為：10.5±0.1mm（以HSK63為例）每年檢測4次。
+ {- M7 E3 \& G9 L5.2電主軸的應用- e- q4 B* M1 l1 c* @1 f- ~
電主軸作為高速數控機床最關鍵部件，其性能好壞在很大程度上決定了整臺高速機床的加工精度和生產效率，因此各工業國家都十分關注高速電主軸的研究與發展，紛紛投入巨資，裝備精良的加工和測試設備，建立恒溫、潔凈的裝配環境，形成了不少電主軸的專業生產基地。我國電主軸的設計制造技術剛剛起步，目前尚未形成批量生產規模，電主軸的各項性能指標和國外尚有較大的差距。為了加快我國高速加工技術的發展與應用，加速數控機床產品的更新換代，建議進一步組織力量進行技術攻關，早日實現電主軸的專業化批量生產。 |
發表于 2008-6-25 15:29:56
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