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當(dāng)前位置：電主軸在國(guó)內(nèi)使用越來越廣泛，20世紀(jì)60年代，我國(guó)電主軸行業(yè)處于萌芽期，主要仿制歐美及前蘇聯(lián)樣機(jī)。國(guó)內(nèi)形成以洛陽(yáng)軸承研究所，哈、瓦、洛三大軸承廠與上海微型軸承廠為主體的開發(fā)試制電主軸的實(shí)體。20世紀(jì)70年代，我國(guó)第一代自行設(shè)計(jì)、自行開發(fā)的磨床用電主軸問世，軸承行業(yè)稱之為DZ系列。20世紀(jì)80年代，以GDZ系列和4SD系列電主軸為代表的高速、大功率電主軸問世。此時(shí)電主軸行業(yè)逐漸形成技術(shù)優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)先地位的洛陽(yáng)軸承研究所，以配套機(jī)床為主的無(wú)錫機(jī)床廠和安陽(yáng)萊必泰三家電主軸專業(yè)生產(chǎn)廠。20世紀(jì)90年代，洛陽(yáng)軸承研究所開發(fā)了2GDZ系列超大功率、超大剛度磨床用電主軸，無(wú)錫機(jī)床廠開發(fā)了5SD系列磨床用電主軸，近年來，隨著油氣技術(shù)、恒溫冷卻和陶瓷球軸承等新技術(shù)的發(fā)展為電主軸技術(shù)水平的提高創(chuàng)造了有利條件。現(xiàn)在電主軸正朝著超高速，高精度的方向發(fā)展，空氣電主軸，磁懸浮電主軸都是研究的方向。目前國(guó)內(nèi)電主軸產(chǎn)品涵蓋內(nèi)外表面磨削、高速數(shù)控銑、高速雕銑、加工中心、PCB板數(shù)控鉆銑、高速數(shù)控車、高速離心、高速旋碾、高速試驗(yàn)等領(lǐng)域。
1、何為電主軸
電主軸是在數(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)，高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的"零傳動(dòng)"，這種主軸電動(dòng) 機(jī)與機(jī)床主軸"合二為一"的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相 對(duì)獨(dú)立出來，因此可做成"主軸單元"，俗稱"電主軸"。電主軸在英文中有多種稱謂，如Electric-spindle, Electro-spindle, Motor Spindle和Motorized Spindle等;由于電主軸可采用交流高頻電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，故也稱為“高頻主軸”(High Frequency Spindle);由于沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，有時(shí)又稱為“直接傳動(dòng)主軸”(Direct Drive Spindle);由于電動(dòng)機(jī)裝在主軸內(nèi)部又稱為“內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)主軸”(Build-in Motor Spindle)。
2、電主軸的基本構(gòu)成
高速電主軸由動(dòng)力源(電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子)、主軸(轉(zhuǎn)軸)、前后軸承、冷卻套、主軸單元外殼、各種連接裝置以及刀具接口等基本機(jī)械部件組成。電主軸采用無(wú)外殼電動(dòng)機(jī)，且電動(dòng)機(jī)內(nèi)置，其轉(zhuǎn)子采用過盈配合的方式熱裝在主軸零件上，與主軸做成一體， 主軸則由前后軸承支承，由壓配合產(chǎn)生的摩擦力來實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩的傳道。壓配谷取清了主軸上一切形式的鍵聯(lián)接和螺紋聯(lián)接，能夠使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)部分達(dá)到精確的動(dòng)平衡。電動(dòng)機(jī)定子壓裝在冷卻套內(nèi)，并通過冷卻套固裝在電主軸的殼體內(nèi)。因此，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直接作為機(jī)床的主軸，主軸單元的外殼體就是電動(dòng)機(jī)機(jī)座。在主軸的后端裝有測(cè)速、測(cè)角位移傳感器( 旋轉(zhuǎn)編碼器)，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的全閉環(huán)控制。主軸前端外伸部分的內(nèi)錐孔和端面用于安裝和固定可換的刀柄。電源接口用于與驅(qū)動(dòng)器的電氣連接。通電后轉(zhuǎn)子可以直接帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸的轉(zhuǎn)速用電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速與矢量控制裝置來改變。
3、電主軸的發(fā)展趨勢(shì)
電主軸總體發(fā)展趨勢(shì)為：大功率、高轉(zhuǎn)速、高主軸回轉(zhuǎn)精度。
大功率：電主軸向高速大功率、低速大扭矩方向發(fā)展。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，多數(shù)數(shù)控機(jī)床需要能夠同時(shí)滿足低速粗加工時(shí)的重切削、高速切削時(shí)精加工的要求，因此電主軸應(yīng)具備低速大扭矩、高速大功率的性能。
高轉(zhuǎn)速：電主軸繼續(xù)向高速度、高剛性發(fā)展。在電主軸軸承及其潤(rùn)滑技術(shù)、精密加工技術(shù)、精密動(dòng)平衡技術(shù)等不斷發(fā)展的背景下，數(shù)控機(jī)床電主軸高速化已成為目前發(fā)展的普遍趨勢(shì)。在剛性方面，由于軸承及其潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展，電主軸的系統(tǒng)剛度越來越大，滿足了數(shù)控機(jī)床高速、高效和精密加工發(fā)展的需要。
高精度：電主軸進(jìn)一步向高精度、高可靠性和長(zhǎng)壽命方向發(fā)展。由于終端用戶對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度和可靠性提出了越來越高的要求，相應(yīng)地對(duì)電主軸的精度與可靠性的要求也不斷提高。同時(shí)，由于采用了特殊的精密軸承、先進(jìn)的潤(rùn)滑方法以及特殊的預(yù)負(fù)荷施加方式，電主軸的壽命相應(yīng)得到了延長(zhǎng)，其使用可靠性也越來越高。
4、電主軸的重要性
裝備制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，機(jī)床工業(yè)更是裝備制造業(yè)的基石，所有的有精度要求的零件設(shè)備都需要有機(jī)床才能加工出來。機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)都是由電機(jī)帶動(dòng)的，傳統(tǒng)機(jī)床都是一臺(tái)異步電機(jī)通過皮帶輪驅(qū)動(dòng)齒輪箱的輸入軸，機(jī)床通過齒輪箱齒輪嚙合的變換來實(shí)現(xiàn)電機(jī)主軸的調(diào)速。電主軸是高精密機(jī)床的核心功能部件，電機(jī)轉(zhuǎn)子直接安裝刀具，省去了中間皮帶輪和齒輪箱的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，其功能是帶動(dòng)刀具或工件旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高速高效精密加工。機(jī)床主軸的性能很大程度上決定了機(jī)床的加工效率和加工質(zhì)量，對(duì)機(jī)床性能具有至關(guān)重要的影響。
5、電主軸如何選擇
選擇電主軸需依據(jù)場(chǎng)所需求，找到適合的電主軸產(chǎn)品。
一定要關(guān)注電主軸應(yīng)用場(chǎng)所，不同的應(yīng)用場(chǎng)合的接口是不同的，另外要弄清楚工況的功率要求，以及在此功率下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速;
刀具的接口一定要明確，一般情況下固定接口轉(zhuǎn)速只能在指定的電主軸使用。
如果要更高轉(zhuǎn)速的電主軸，刀具接口需要選擇相應(yīng)的等高速刀具接口，數(shù)控銑削電主軸上配用的彈簧夾頭也是有一定的許用最高轉(zhuǎn)速的;
磨用電主軸一般都是橫扭矩設(shè)計(jì)的電機(jī)，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和功率以及電壓的關(guān)系是等比關(guān)系，電壓和功率隨電主軸轉(zhuǎn)速的增加線性增加，表示電流維持基本恒定不變，由于轉(zhuǎn)矩和電流的關(guān)系是線性關(guān)系，所以稱這種制式的電主軸為恒轉(zhuǎn)矩制電機(jī)。
6、電主軸的結(jié)構(gòu)形式
根據(jù)電動(dòng)機(jī)在主軸上安裝位置的不同，電主軸通常有下面兩種結(jié)構(gòu)形式：電動(dòng)機(jī)安裝在主軸前后軸承之間。即該類電主軸有前后兩個(gè)支承。采用這種結(jié)構(gòu)的電主軸，由于其軸向尺寸相對(duì)較小，使得主軸的整體剛性好、功率也大。所以，這種結(jié)構(gòu)形式的電主軸非常適用于高速數(shù)控機(jī)床。電動(dòng)機(jī)安裝在主軸后軸承之后。也就是說主軸電動(dòng)機(jī)和主軸箱都在主軸的軸線方向上布置。采用這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地縮短主軸前端的徑向尺寸，同時(shí)還有利于電機(jī)的散熱。缺點(diǎn)是主軸的軸向尺寸比較大。所以，這種結(jié)構(gòu)形式的電主軸通常用在小型高速數(shù)控機(jī)床上。
7、主軸電機(jī)
電動(dòng)機(jī)作為高速電主軸的關(guān)鍵部件之一，其技術(shù)參數(shù)的高低直接決定了電主軸的技術(shù)水平。目前，可供電主軸使用的電動(dòng)機(jī)主要有兩種：交流同步電機(jī)和異步電機(jī)。交流異步電機(jī)與同步電機(jī)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格適宜、極限轉(zhuǎn)速高、維修便利、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。
交流同步電機(jī)與異步電機(jī)相比，具有的優(yōu)點(diǎn)是：在相同的扭矩下，電機(jī)體積較小，從而可以使電主軸具有緊湊型的機(jī)械結(jié)構(gòu);在相同的慣性矩下，啟動(dòng)時(shí)間短;在相同的力矩下，冷卻功率較高;在相同的轉(zhuǎn)速下，功率和扭矩都比較大;轉(zhuǎn)子功率損耗小，可以使軸承和轉(zhuǎn)子的溫升較小。
通過對(duì)二者優(yōu)點(diǎn)的對(duì)比可知，同步電機(jī)更適用于高速電主軸。由于同步電機(jī)的功率因數(shù)高，損耗的功率小，可以從根本上降低電主軸的熱源強(qiáng)度，從而有效地改善電主軸的熱態(tài)性能。
8、主軸軸承
軸承作為高速電主軸的又一關(guān)鍵部件，是電主軸實(shí)現(xiàn)高速、高精度的前提條件。因此，我們?cè)跒殡娭鬏S選擇合適的軸承時(shí)，要充分考慮到主軸軸承與普通軸承的差異性。主軸軸承作為電主軸的支承核心，在電主軸進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)受到比較大的載荷，同時(shí)軸承內(nèi)部的摩擦也在加劇。所以，在選擇電主軸軸承的時(shí)候，必須考慮該軸承是否能達(dá)到電主軸的極限轉(zhuǎn)速，同時(shí)對(duì)軸承的剛度和低溫升也有極高的要求。在綜合分析各種軸承的性能之后，總結(jié)出兩種電主軸最常使用的軸承：陶瓷球軸承和磁懸浮軸承。
9、陶瓷球軸承
陶瓷球軸承，是伴隨著電主軸的高速化要求而發(fā)展起來的。普通的滾動(dòng)軸承，由于其滾動(dòng)體是鋼珠，極大地制約了軸承轉(zhuǎn)速的提高，而將滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體用具有耐高溫、密度小等優(yōu)點(diǎn)的陶瓷材料做成后，滾動(dòng)軸承的極限轉(zhuǎn)速得到了巨大的提高。在滾動(dòng)軸承眾多的結(jié)構(gòu)形式中，由于角接觸球軸承的高速性能最高，又可以同時(shí)承受徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷，所以它是電主軸支承的首選。與此同時(shí)，當(dāng)角接觸球軸承的滾動(dòng)體使用陶瓷材料后，其壽命和轉(zhuǎn)速與鋼珠角接觸球軸承相比均有較大幅度的提高，而且它還具有剛度大、溫升小的優(yōu)點(diǎn)。所以角接觸陶瓷球軸承是目前電主軸最理想的主軸軸承。
10、磁懸浮軸承
磁懸浮軸承，作為一種智能化控制的軸承，是隨著現(xiàn)代機(jī)械加工對(duì)電主軸功率和轉(zhuǎn)速要求提高的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，由于它具有很高的轉(zhuǎn)速和功率，目前主要應(yīng)用于超高速大功率機(jī)床上。由于磁懸浮軸承的定子線圈與轉(zhuǎn)軸之間沒有機(jī)械接觸，所以磁懸浮軸承可以達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速，大約是滾動(dòng)軸承主軸轉(zhuǎn)速的 2 倍。如果兩個(gè)電主軸的極限轉(zhuǎn)速相同，采用磁懸浮軸承的電主軸可以有較大的軸徑，從而具有較大的負(fù)荷能力與剛度。總而言之，使用磁懸浮軸承的電主軸會(huì)具備高剛度、高轉(zhuǎn)速和高功率的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于磁懸浮軸承制造費(fèi)用高，發(fā)熱問題較難解決。所以至今仍沒在工業(yè)上得到推廣和應(yīng)用，只是用于一些特定的場(chǎng)合。
電主軸軸承的配置方式為：一端固定，一端浮動(dòng)。具體來說，就是主軸前端的軸承固定，后端的軸承浮動(dòng)。這種軸承的配置方式一方面可以保證電主軸的高速性與整體剛度，另一方面可以補(bǔ)償主軸的熱變形。
11、電主軸潤(rùn)滑
軸承潤(rùn)滑的主要目的就是利用潤(rùn)滑劑在套圈、滾動(dòng)體和保持架之間的摩擦面形成起隔離作用的潤(rùn)滑油膜以降低軸承的磨損與摩擦，確保其良好的運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，潤(rùn)滑對(duì)軸承還具有一定的散熱作用。
12、電主軸冷卻系統(tǒng)
由于電主軸在高速的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，其內(nèi)置電機(jī)與高速軸承的發(fā)熱是無(wú)法避免的。因此，在選定了電主軸的電機(jī)與軸承之后，我們已不可能從降低熱源的發(fā)熱強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)對(duì)電主軸發(fā)熱和溫升的控制。所以，為了達(dá)到對(duì)電主軸內(nèi)部熱源發(fā)熱量的控制，必須設(shè)計(jì)專門的冷卻系
統(tǒng)對(duì)電主軸的主要熱源進(jìn)行針對(duì)性的冷卻。我們知道，電機(jī)與軸承是電主軸的主要熱源，因此，對(duì)電主軸的冷卻就是對(duì)內(nèi)置電機(jī)和主軸軸承的冷卻。由于高速軸承油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)中的潤(rùn)滑劑在對(duì)軸承起到潤(rùn)滑作用的同時(shí)，也帶走了軸承內(nèi)部摩擦所產(chǎn)生的大量熱，所以對(duì)軸
承的發(fā)熱起到了一定程度的散熱作用。其實(shí)軸承的油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)可謂是一舉兩得，不僅有潤(rùn)滑作用，同時(shí)也擁有冷卻散熱的作用，也是電主軸軸承的一個(gè)冷卻系統(tǒng)。
