數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，周志科
摘要：數控機床中，高速電主軸是核心部件。其重量輕、結構緊湊，運行的過程中不會產生很大的慣性，有很好的響應特性，主軸的動平衡得以改善，具有良好的動力學性能。高速電主軸對機床的運行效果起到了決定性的作用。本文著重研究數控機床高速電主軸技術要點。
關鍵詞：數控機床；高速；電主軸；技術要點
高速電主軸，即為內裝式電機主軸單元，是數控機床的重要部件。其是在機床主軸單元內部安裝主軸電機，對主軸起到了驅動作用，由此促使電機和主軸成為一個整體。要提高數控機床的運行效率，就要掌握高速電主軸技術要點，充分發揮其優勢，同時，推進電主軸技術不斷完善。
1、高速電主軸所具備的優點
傳統的數控機床上的主軸運行，在發揮電機驅動作用的過程中，主要是帶動中間的變速裝置和傳動裝置，諸如齒輪、皮帶以及聯軸節等，此為“機械主軸”，也被形象地稱為分離式和直聯式主軸。與這種傳統的主軸相比，電主軸具備的優點如下。
（1）主軸運行中，是通過內部安裝的電機驅動的，不需要通過中間的變速裝置和傳動裝置，其設計結構簡單而且緊湊，能夠提高運行效率而且精度很高。在運行的過程中，不會產生很大的噪聲，振動也非常小。
（2）將交流變頻技術充分利用起來，在額定轉速范圍內，電主軸可以無級變速。當機床運行的過程中，無論發生任何的工況，或者在負載變化的情況下，電主軸都有很好的適應性。
（3）內裝電機運行中，能夠控制閉環矢量，還可以按照控制命令有效調控功率，且能夠靈活控制驅動裝置運行速度、輸出力矩等等。電主軸可以滿足各種大功率要求，諸如低速重切削大轉矩的時候，或者高速精加工的時候，電主軸都能夠很好地發揮作用，還可以實現準停，同時滿足 C 軸傳動功能。
（4）電主軸可以高速運行，有良好的穩定性，動態精度較高，使數控機床切削的速度更高，加工的精密度也更高。
（5）由于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，不會受到外來的沖擊，主軸的軸承不需要承受很大的動負荷，精度壽命得以延長。
（6）電主軸使電機和主軸構成一個整體，形成一個單元，使電主軸可以系列化生產，形成一定的規模，而且生產更加專業化。電主軸作為數控機床功能部件，也作為一種商品進入到市場中。企業可以根據數控機床的主機運行需要選擇電主軸，對機床模塊化方向發展起到一定的促進作用。
2、高速電主軸的技術要點
2.1 高速電主軸的高速精密軸承技術
在電主軸系統中，主軸軸承技術是關鍵，主要包括三種，即動靜壓軸承、角接觸球軸承和磁懸浮軸承。其中，動靜壓軸承是將靜壓軸承與動壓軸承結合起來，集合了兩者的優點，其具備良好的高速性能，速度調節的范圍大。精密數控機床比較常用角接觸球軸承，其發揮主軸支撐作用，對高速性能有一定的影響。出現這種現象的主要原因是由于滾珠為氮化硅材料制作，滾珠在高速作用下會增加離心力，增大陀螺力矩，軸承的高速性能得以充分發揮，減小滾動體的直徑。由于軸承的制造成本高，具有非常復雜的控制系統，不容易解決軸承運行中產生的發熱問題，所以，只有特殊場合中才會使用。
2.2 高速電主軸的動平衡技術
高速電主軸有較高的運轉速度，同時，具有高精度運行、高加工效率的特點，但是，這些特點是建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，諸如制造因素，在主軸安裝的過程中產生誤差，或者存在材料不均勻的問題，必然會產生運行不平衡的問題。通常電主軸運行的過程中，運轉速度最高可以超過 10000r/min，甚至可以達到60000 ～ 100000r/min。當主軸運轉的過程中，即便所存在的不平衡非常微小，都有可能影響主軸回轉的精度，甚至會影響軸承支承系統運行的穩定性，所以，需要嚴格要求高速電主軸的動平衡精度。
為了提高主軸的平衡性，在電主軸的設計中，需要采用對稱結構，加工裝配的時候要提高精確度。當主軸出廠的回收，調整好初始動平衡，提高主軸的平衡性，但是，主軸刀具依然會存在細微的不對稱問題，甚至會出現刀具磨損的問題，或者切屑粘刀的問題，原有的動平衡依然會被打破。由于工況復雜，主軸刀具系統會受到干擾，諸如切削力激勵、離心力以及熱變形等都是重要的影響因素，并因此破壞主軸系統，使其無法保持穩定的穩定的運行狀態。要使電主軸處于高速運行狀態，確保數控機床高效運行且持續穩定，就需要將在線運行且自動化操作的動平衡系統設計出來，并根據實際應用需要不斷完善，更好地發揮其價值。
2.3 高速電主軸的潤滑技術
對高速電主軸進行潤滑，主要是潤滑主軸軸承。這就需要采用科學有效的潤滑系統對軸承的溫升狀況進行控制，確保機床工藝系統運行中提高精度，且保證穩定性。高速電主軸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，可以根據需要選擇油脂潤滑方法、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機的定子，電主軸實施封閉設計，當處于高速運轉狀態的時候，由于缺乏散熱條件，就會出現殼體中過熱的問題。電主軸的內部安裝有兩個熱源：第一個熱源是電動機運行中會由于損耗而發熱；第二個熱源是由于軸承運行中產生摩擦而發熱。當電機運行的過程中有熱量產生，主要發揮散熱作用的是主軸殼體，而且部分熱量通過主軸向軸承傳輸，導致軸承快速升溫，其壽命必然受到影響，轉軸的制造精度受到熱伸長的影響，主軸系統運行的穩定可靠性無法保證。冷卻電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的效果。
2.5 高速電主軸的主軸電機技術
電主軸所采用的電動機多為交流異步感應電動機，由于永磁電機增強了使用性能，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，減小了轉動慣量，啟動和準停的速度加快。當電主軸處于低速運行狀態的時候，也能保持良好的性能。
2.6 高速電主軸的精密加工和精密裝配技術
當電主軸處于高速運轉狀態的時候，要保證其剛度以及回轉精度，需要對重要的零件精密加工，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，對工件都需要精密加工，包括殼體的加工、軸承座的加工等等都要有較高的精密度，軸承隔圈會隨著主軸高速旋轉，對加工精密度也有較高的要求。另外，在高速電主軸上進行加工刀具的裝配過程中，需要采用先進的工藝技術，且裝配的精密度要符合要求。
2.7 高速電主軸的溫度保護技術
在設計高速數控銑床的時候，需要啟動冷卻系統對主軸進行降溫。主軸內部安裝有三個軸承，即前端軸承、中間軸承和后端軸承，主軸的運轉速度不同，功率不同，將溫度傳感器安裝在軸承附近，就可以對主軸軸承的溫度實時監測。溫度傳感器采集信號的時候需要發揮可編程邏輯控制器的輸入模塊作用，不同類型的傳感器，將信號劃分為 4 ～20mA。在設計機床控制程序的時候，需要按照傳感器信號將溫度計算出來，標定好。實施軸承升溫保護的時候，還需要在程序中將門檻限制值設置好，保護好軸承。
3、 結語
通過上面的研究可以明確，在制造機械產品的過程中，應用高速加工技術，很多難題都能夠得到解決，而且加工精度高，質量有所保證，所以，該技術在制造業廣泛應用，并已經成為主流技術。現在高速電主軸技術發展迅速，各個行業都根據自身的需要對該技術進行深入研究，在提高技術應用效率的同時，還要發揮其節能環保特性，實現智能化發展。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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