加工中心电主轴原理、结构、应用
$ ?; l2 h! c1 h 电主轴是最近十年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它是高速数控机床的“核心”部件，它的性能直接决定了机床的高速加工性能。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪音低、响应快等优点，可以减少齿轮传动，简化机床外形设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中一种理想结构。
R; B% t& Q' K' V1、电主轴的基本结构和工作原理
8 M$ R# f3 D4 z/ \ 电主轴的工作不仅转速高，而且要求有很高的角减速度和角加速度、在指定位置快速准停，这就对其结构设计、制造和控制提出了非常严格的要求并带来了一系列技术难题，如电主轴的散热、润滑及精密控制等。在设计中，必须妥善的解决这些问题，才能确保主轴稳定可靠的高速运转，实现高效精密加工。& W3 u9 C7 }5 P! _( K6 h7 @
1.1电主轴的结构
O3 @& s k4 F8 P$ k4 i* t+ A电主轴由主轴及主轴箱本体、内置式的交流伺服电机、辅助装置、检测装置组成。电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支撑。转子定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。主轴的变速由主轴驱动模块控制，而主轴单元内的温升由冷却装置控制。在主轴的后面装有测速、测角位移编码器，松刀油缸，旋转接头；前端的内锥孔和端面用于安装刀具，刀具夹爪；中间有刀具拉杆，刀具夹紧弹簧。0 n6 |+ |# z) `
1.1.1电主轴的轴承及装配方式: T9 H2 R8 i& i' R( o- g
（1）电主轴的轴承
5 R/ i$ a# K. S( s4 e8 k/ ?1 [' w4 D 高速电主轴的核心支撑部件是高速精密轴承。因为电主轴的最高转速取决于轴承的大小、布置和润滑方法，所以这种轴承必须具有高速性能好、动负荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。近年来，相继开发研制了陶瓷轴承、磁浮轴承、动静压轴承。
" M; d* n3 S6 B 1.1.2定子与转子 ; {7 v: k# Z o! @
高速电主轴的定子由具有高导磁率的优质矽钢片迭压而成。迭压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。转子是中频电机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能。转子由转子铁芯、鼠笼、转轴三部分组成。7 P* c3 P9 B9 s2 _( w7 f% @
1.2 工作原理
, `3 d. g4 r9 N. D5 x: t/ { 电主轴作为加工中心的核心部件 ,它将机床主轴与交流伺服电机轴合二为一 ,即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部 ,并经过精确的动平衡校正，具有良好的回转精度和稳定性，形成一个完美的高速主轴单元，也被称为内装式电主轴 (Built-inMotorSpindle) ,其间不再使用皮带齿轮传动副 ,从而实现机床主轴系统的“零传动”，通电后转子直接带动主轴运转。! p$ ~# T# x* z8 H1 H5 ~! l
2、主轴的冷却及轴承的润滑
9 i+ d8 m( L) N h. Y7 h2.1 冷却" R: P% X3 F3 Q
内置电动机的发热和主轴轴承的发热是电主轴有两个主要的内部热源。如果不加以控制，由此引起的热变形会严重降低机床的加工精度和轴承使用寿命，从而导致电主轴的使用寿命缩短。( L5 r' |2 j& W+ o+ e2 C
超高速主轴必须采用合理的、可控制的轴承精密润滑系统来控制轴承的温升 ,来保证机床工艺加工系统的精度和稳定性。高速电主轴的润滑主要指主轴轴承的润滑，一般以脂润滑、油雾润滑和油气润滑三种方式为主。/ s9 @8 N. l5 @! h8 B
3、主轴的动平衡设计
- c" K4 r s9 M2 p 在超高速主轴中 ,微小的不平衡量会产生巨大的振动 ,导致加工精度和表面质量下降 ,因此设计中必须严格遵循对称设计的原则 ,且主轴的每一个零件都必须经过十分精密的加工、装配、校正。由于电主轴的电机转子直接和主轴联结 ,增加了主轴的转动惯量 ,使主轴的极限转速下降 ,因此超高速电主轴的动平衡精度要求十分严格 ,一般应达到 G1～G0. 4级(G= eω,e 为质量中心与回转中心之间的位移 ,ω为角速度) 。这样高的要求 ,仅在装配前对主轴的每个零件分别进行动平衡是不够的 ,必须在装配后进行整体精确动平衡 ,甚至设计专门的自动平衡系统来实现主轴在线平衡 ,以确保主轴的高速平稳运行。
% s0 R U) l4 D3 f% |4、主轴附件设计' u% Q, m) Z- t
电主轴要获得好的性能和使用寿命，不仅对电主轴的轴承、伺服电机进行精心设计、制造、装配，而且，它所带附件设计要求也非常高。其附件不仅完美的实现电主轴的功能，而且要禁得起时间和速度的考验。为了适用于加工中心，电主轴为了完成ATC(刀具自动交换)的动作过程和刚性攻丝过程，必须内置主轴编码器；为了高速切削刀具进行冷却，选择使用带有陶瓷密封的旋转接头，为提供刀具内冷冷却液；电主轴还配备了自动松夹刀具装置、主轴气密封、松夹刀信号检测开关等。. X, I+ _- k7 ~/ @0 K" }. t; B
5、电主轴的维护与应用; {' z( O, q/ M. I7 }5 U- W; Z
5.1电主轴的维护
9 ~" `( Q0 Y$ U0 ] 由于电主轴是高速精密元件，定期维护是非常有必要的。在奇瑞发动机公司电主轴定期维护如下：
6 I6 x( [ i) }5 M5.1.1电主轴的轴向跳动一般要求为0.002mm（2μm），每年检测2次.。
5 g) ^# a( \/ o5.1.2电主轴内锥孔的径向跳动一般要求为0.002mm（2μm），每年检测2次。
$ \: b- J" b P/ o' _$ h1 l5.1.3电主轴芯棒远端（250mm）径向跳动一般要求为：0.012mm（12μm），每年检测2次。+ R4 @ p/ `; O7 ^& }+ \* _' K
5.1.4蝶形弹簧的涨紧力要求为：16~27KN（以HSK63为例）每年检测2次。 % }, c# c3 l6 f* B" `$ H# l& A
5.1.5拉刀杆松刀时伸出的距离为：10.5±0.1mm（以HSK63为例）每年检测4次。
' P8 Z. Y9 O! Q/ o5.2电主轴的应用 e& p; |2 w/ d2 v
电主轴作为高速数控机床最关键部件，其性能好坏在很大程度上决定了整台高速机床的加工精度和生产效率，因此各工业国家都十分关注高速电主轴的研究与发展，纷纷投入巨资，装备精良的加工和测试设备，建立恒温、洁净的装配环境，形成了不少电主轴的专业生产基地。我国电主轴的设计制造技术刚刚起步，目前尚未形成批量生产规模，电主轴的各项性能指标和国外尚有较大的差距。为了加快我国高速加工技术的发展与应用，加速数控机床产品的更新换代，建议进一步组织力量进行技术攻关，早日实现电主轴的专业化批量生产。 |
发表于 2008-6-25 15:29:56
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