基于高速電主軸結構的數控機床分析

季福云　張克健

摘 要:本文敘述了高速電主軸的特點之后,依據簡易結構圖詳細描述了其工作原理,然后分析高速電主軸因為結構緊湊而帶來的一些重要技術問題,并且提出了相對應的解決方法。

關鍵詞:高速電主軸加工數控機床

中圖分類號:TG659 文獻標識碼:Ａ 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0091-01

數控機床中用來表現機床主要性能的重要部件就是主軸。數控機床在當前情況下,大部分所用的主軸部件均為內置變頻電動機。該種電動機是將機電集于一體,主軸和電動機的轉子是成為一體的,并不需要通過任何機械進行連接。主軸轉速的調節可以通過改變電動機的供電頻率來實現。電主軸就是人們用來稱呼這種系列化、模塊化功能部件的代名詞。這種電主軸的制造商必須具有豐富的經驗,能夠設計并制造出高速、高精準度以及變頻調速的電主軸,并且是一家正規專業的生產公司,這樣在電主軸方面質量才能夠得到很好的保證。

1高速電主軸特點

在高速運轉狀態下的電機主軸的工作形式是在主軸組件的內部裝入主軸電機的定子以及轉子,即將高速電機安裝子精密主軸的內部,將電主軸中的電機轉子作為主軸,電機的機座作為主軸的外殼,從而使得主軸和變頻調速的電機能夠一體化,主軸直接被電機所驅動,從而形成了電主軸。電主軸將電機到主軸傳動鏈上的皮帶和齒輪等所有中間環節進行了省略,主軸的運行動力直接來源于動力源,傳動鏈的長度是零,這樣就實現了主軸系統在機床上的零距離傳動電主軸具備高精準度以及高轉速、所產生的噪音小、體積相對較小、溫度升高緩慢、安裝運載方便等特點,是現今高檔數控機床上主要且關鍵性的部件。其與早些年前應用在內圓磨床中的內裝式電機的主軸的區別之處在于其將變頻控速技術得到應用,電機主軸的驅動功率和轉矩相對較大,除此之外其還具有一系列的監控系統,可以對主軸的振動和軸承溫度參數進行檢測控制。電主軸以及其驅動系統是一套技術含量較高的機電一體化產品,其所涉及的領域非常廣泛,電機、驅動和控制、機械、潤滑、熱處理和振動等均包含在內,可以稱其為是一套完整的、獨立的智能型功能部件。

2簡易結構圖與其工作原理

在機床的主軸與電動機主軸所組成的電主軸中,比較普遍采用的是高頻率的交流電動機,亦將其稱之為“高頻主軸”。圖1為電主軸結構的簡易圖,它的主要特點是在主軸的內部安裝電動機裝置,使其能夠實現直接對主軸的驅動,從而使主軸和電動機成為一體。由無殼電機、主軸單元殼體、軸承、驅動模塊、以及冷卻裝置和主軸等部件組成了電主軸。人們通常采用壓配的方式將電機轉子與主軸合成一體,利用前后軸承將主軸支撐起來。將電機中的定子安裝在主軸的殼體中是通過冷卻套來實現的。主軸驅動模塊對主軸的運行速度進行控制,冷卻裝置對主軸單元內的溫度升溫情況進行制約。主軸后端所裝的傳感器用于對主軸速度的測量和角位移動的測量,前端則配有內錐孔與端面用來安裝刀具。

電主軸的工作原理是通過改變輸入電動機中的定子繞組的電流頻率以及勵磁電壓的變化來取得不同的轉速,其工作原理與普通的異步電動機的工作原理基本上是相同的。在提速與制動的過程中,為了有效的避免電動機的溫度升溫過高,可以通過對電主軸工作頻率的改變來控制電主軸的加速和減速。因為電動機中輸入定子的三相交流電決定了其旋轉磁場的方向,所以要想實現對電主軸的旋轉方向的改變,可以通過對電主軸輸入電流的相序的改變來實現。

3掌握重要技術

在圖1中大家可以看到,電主軸的結構相當緊密,并且其都是在高速運轉中進行工作,因此如何能夠有效控制其工作所發熱量是其的關鍵技術所在。

電主軸的溫度主要體現在兩大熱源:一個是內部安置的電動機,另一個則是主軸軸承所發出的熱量。分析以及檢測的結果表現出轉子的溫度可以達到140℃～160℃,定子的溫度則會達到45℃～85℃。為了有效快速的使高速轉動中的電主軸降溫,通常條件下會對電主軸的外壁灌注循環冷卻劑,使其嚴格控制在一個恒定溫度內。我們現在將德國CyTec公司的CySpeed系列高速電主軸作為例子,這種電主軸的功率范圍在10kW～60kW之間,最大轉速可以達到8000～40000r/min。它可以具備4種不同功能的冷卻回路。

3.1 主軸冷卻

為了減少主軸前端的伸長程度以及對主軸軸承的保護而采用了主軸冷卻回路。主軸冷卻回路無論主軸的轉速多大,其都可以保持主軸的溫度為一定值,從而確保電動機發熱的溫度不會影響到主軸的精確度。

3.2 電動機冷卻

為了使主軸部件的外殼部分的溫度與室溫相一致,從而采用了電動機冷卻回路,其可以增加電動機的對外散熱功能,進而達到預期的目的。

3.3 刀具內孔冷卻

刀具內孔冷卻法是冷卻液在80kPa的壓力情況下,通過旋轉分配器中間的孔道,打開刀具內孔的單向閥門,從刀具的刀柄中間孔而噴出。為了達到給高速轉動主軸快速散熱的目的,人們常用的方式是通過在電主軸的外壁使用循環冷卻劑,從而吸收電動機產生的熱量并將其帶走,確保電主軸外殼的溫度均勻分布。人們所采用冷卻裝置的目的是為了確保冷卻劑的溫度,而通常電主軸所用的冷卻劑是水。當電主軸處于最高速運轉時,其所產生的噪音應該低于70Db～75Db(A)。

從以上的分析可以看出,電主軸能夠較好的滿足超高速加工對主軸的技術要求,并且將來的實際工作中傳統的機床主軸系統必將被電主軸所取代。

參考文獻

[1] 陳燕林.高速電主軸技術的研究現狀與發展[J]．機械研究與應用,2004,l7(8):10.

[2] 熊萬里．高速大功率精密電主軸中的關鍵技術[J]．組合機床與自動化加工技術,2002(5):20．