數(shù)控機(jī)床主軸

——電主軸所融合的技術(shù)

電主軸是最近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)，它與直線(xiàn)電機(jī)技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將會(huì)把高速加工推向一個(gè)新時(shí)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(rùn)滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、自動(dòng)換刀裝置。

電主軸所融合的技術(shù)：

高速軸承技術(shù)：電主軸通常采用復(fù)合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時(shí)也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無(wú)限；

高速電機(jī)技術(shù)：電主軸是電動(dòng)機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺(tái)高速電動(dòng)機(jī)。關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動(dòng)平衡；

潤(rùn)滑：電主軸的潤(rùn)滑一般采用定時(shí)定量油氣潤(rùn)滑；也可以采用脂潤(rùn)滑，但相應(yīng)的速度要打折扣。所謂定時(shí)，就是每隔一定的時(shí)間間隔注一次油。所謂定量，就是通過(guò)一個(gè)叫定量閥的器件，精確地控制每次潤(rùn)滑油的油量。而油氣潤(rùn)滑，指的是潤(rùn)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(rùn)滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因油的阻力而發(fā)熱。

冷卻裝置：為了盡快給高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對(duì)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(nèi)置脈沖編碼器：為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的相角控制以及與進(jìn)給的配合。

自動(dòng)換刀裝置：為了應(yīng)用于加工中心，電主軸配備了自動(dòng)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(shí)踐證明不適合于高速加工。這種情況下出現(xiàn)了HSK、SKI、ER等高速刀具。

高頻變頻裝置：要實(shí)現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用一高頻變頻裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)電主軸的內(nèi)置高速電動(dòng)機(jī)，變頻器的輸出頻率必須達(dá)到上千或幾千赫茲。

數(shù)控機(jī)床主軸無(wú)級(jí)變速

數(shù)控機(jī)床一般采用直流或交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)主軸無(wú)級(jí)變速。

交流主軸電動(dòng)機(jī)及交流變頻驅(qū)動(dòng)裝置（籠型感應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)配置矢量變換變頻調(diào)速系統(tǒng)），由于沒(méi)有電刷，不產(chǎn)生火花，所以使用壽命長(zhǎng)，且性能已達(dá)到直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的水平，甚至在噪聲方面還有所降低。因此，目前應(yīng)用較為廣泛。

主軸傳遞的功率或轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。當(dāng)機(jī)床處在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，主軸的轉(zhuǎn)速在3000~100000r/min范圍內(nèi)，主軸傳遞電動(dòng)機(jī)的全部功率11kW，為主軸的恒功率區(qū)域Ⅱ（實(shí)線(xiàn)）。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，主軸的最大輸出扭矩（245N.m）隨著主軸轉(zhuǎn)速的增高而變小。主軸轉(zhuǎn)速在3000~100000r/min范圍內(nèi)，主軸的輸出轉(zhuǎn)矩不變，稱(chēng)為主軸的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域Ⅰ（實(shí)線(xiàn)）。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，主軸所能傳遞的功率隨著主軸轉(zhuǎn)速的降低而減小。電動(dòng)機(jī)超載（允許超載30min）時(shí)，恒功率區(qū)域和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域。電動(dòng)機(jī)的超載功率為15kW，超載的最大輸出轉(zhuǎn)矩為334N.m。

數(shù)控機(jī)床主軸分段無(wú)級(jí)變速

數(shù)控機(jī)床在實(shí)際生產(chǎn)中，并不需要在整個(gè)變速范圍內(nèi)均為恒功率。一般要求在中、高速段為恒功率傳動(dòng)，在低速段為恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。為了確保數(shù)控機(jī)床主軸低速時(shí)有較大的轉(zhuǎn)矩和主軸的變速范圍盡可能大，有的數(shù)控機(jī)床在交流或直流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無(wú)級(jí)變速。

通常由主軸、軸承和傳動(dòng)件（齒輪或帶輪）等組成主軸部件。在機(jī)器中主要用來(lái)支撐傳動(dòng)零件如齒輪、帶輪，傳遞運(yùn)動(dòng)及扭矩，如機(jī)床主軸；有的用來(lái)裝夾工件，如心軸。除了刨床、拉床等主運(yùn)動(dòng)為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床外，大多數(shù)機(jī)床都有主軸部件。主軸部件的運(yùn)動(dòng)精度和結(jié)構(gòu)剛度是決定加工質(zhì)量和切削效率的重要因素。衡量主軸部件性能的指標(biāo)主要是旋轉(zhuǎn)精度、剛度和速度適應(yīng)性。①旋轉(zhuǎn)精度：主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)在影響加工精度的方向上出現(xiàn)的徑向和軸向跳動(dòng)（見(jiàn)形位公差），主要決定于主軸和軸承的制造和裝配質(zhì)量。②動(dòng)、靜剛度：主要決定于主軸的彎曲剛度、軸承的剛度和阻尼。③速度適應(yīng)性：允許的最高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍，主要決定于軸承的結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑，以及散熱條件。

20世紀(jì)30年代以前，大多數(shù)機(jī)床的主軸采用單油楔的滑動(dòng)軸承。隨著滾動(dòng)軸承制造技術(shù)的提高，后來(lái)出現(xiàn)了多種主軸用的高精度、高剛度滾動(dòng)軸承。這種軸承供應(yīng)方便，價(jià)格較低，摩擦系數(shù)小，潤(rùn)滑方便，并能適應(yīng)轉(zhuǎn)速和載荷變動(dòng)幅度較大的工作條件，因而得到廣泛的應(yīng)用。但是滑動(dòng)軸承具有工作平穩(wěn)和抗振性好的優(yōu)點(diǎn),特別是各種多油楔的動(dòng)壓軸承，在一些精加工機(jī)床如磨床上用得很多。50年代以后出現(xiàn)的液體靜壓軸承，精度高，剛度高，摩擦系數(shù)小，又有良好的抗振性和平穩(wěn)性，但需要一套復(fù)雜的供油設(shè)備，所以只用在高精度機(jī)床和重型機(jī)床上。氣體軸承高速性能好,但由于承載能力小,而且供氣設(shè)備也復(fù)雜，主要用于高速內(nèi)圓磨床和少數(shù)超精密加工機(jī)床上。70年代初出現(xiàn)的電磁軸承，兼有高速性能好和承載能力較大的優(yōu)點(diǎn)，并能在切削過(guò)程中通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)使主軸作微量位移，以提高加工的尺寸精度，但成本較高，可用于超精密加工機(jī)床。

降低軸承的工作溫度，經(jīng)常采用的辦法是潤(rùn)滑油。潤(rùn)滑方式有，油氣潤(rùn)滑方式、油液循環(huán)潤(rùn)滑兩種。在使用這兩種方式時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

1、在采用油液循環(huán)潤(rùn)滑時(shí)，要保證主軸恒溫油箱的油量足夠充分。

2、油氣潤(rùn)滑方式剛好和油液循環(huán)潤(rùn)滑相反，它只要填充軸承空間容量的百分之十即可。

循環(huán)式潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)是，在滿(mǎn)足潤(rùn)滑的情況下，能夠減少摩擦發(fā)熱，而且能夠把主軸組件的一部分熱量給以吸收。

對(duì)于主軸的潤(rùn)滑同樣有兩種放式：油霧潤(rùn)滑方式和噴注潤(rùn)滑方式。