木工機械用高速電主軸特點及關鍵技術分析

【摘 要】 對木材進行精深加工的最主要方法就是高速鏤銑。對于現在使用比較廣泛的數控鏤銑機而言，它的主傳動系統采用的是應用比較廣泛的電主軸結構。這種電主軸結構是數控鏤銑機的核心部件，有很多特殊的要求。本文針對國內外關于高速電主軸研發和應用現狀，從木材加工的特點對高速電主軸的特殊要求進行了分析，在此基礎上進一步分析了高速電主軸在軸承的潤滑、散熱和制動平衡等方面的特殊要求，最后分析了木工電主軸設計過程中用到的關鍵技術。

【關鍵詞】 木工；電主軸；動平衡；預緊力控制

高速切削加工在金融切削加工領域中具有非常廣泛的應用，而且現在發展迅速，它具有非常多的優點。高速機床的最主要優點就是和傳統的主傳動系統相比，電主軸充分的應用到了高速機床中。高速電主軸在木工機械中的應用，大大的實現了木材的高速加工，提高了木材加工效率和加工質量。可以說，要想提高木材加工質量和效率，必須要盡快研發出適合木工機械用的電主軸。

從目前的技術發展來看，電主軸技術含量要求高，而且不是一般的企業能夠制造的，真正能夠生產并提供高質量電主軸的企業非常少，而這當中能夠提供適合木工機械用的電主軸的企業就更少了。國內外很多研究機構和個人都對電主軸進行了不同程度研究。國外發達國家比如德國和意大利等，這些國家的高速電主軸研發已經達到了一定的水平而且基本上實現了專業化和系統化進程。其中意大利的HSD公司是全球規模最大的輕型電主軸制造商， 該公司的電主軸產品主要應用于木工雕刻機和木工加工中心。

1 木工電軸的結構特點

木工切削機床的工作條件不同于傳統的技術切削機床，它加工的多是木質復合材料或者是木材纖維等，具有一定的方向性，加工的時候對切削力度大小波動要求比較高。而且在加工的時候由于環境粉塵較多，為了避免粉塵對成品污染，在進行加工時不允許液體潤滑和冷卻。所以，必須要對木工電主軸進行特殊的設計，和金屬切削電主軸相比，木工電主軸主要有以下幾個方面的特點。

一是由于工作環境和木工機床外形以及生產成本等各個因素，木工機械用的高速電主軸不能完全使用和金屬切削用高速電主軸一樣的軸承。空氣動靜壓軸承是一種新型多氣腔軸承，它綜合了靜雅軸承和動壓軸承的優點，但是這種軸承必須要進行專業的設計，很難得到大規模的推廣，而且維修起來也難度較大。從目前應用來看，空氣動靜壓軸承主要應用在了超高速微小切削電軸承上磁浮軸承由于控制系統復雜以及性能和成本問題，通常只是應用在具有特殊要求的場合。它很難在高速主軸單元上獲得廣泛應用。

二是和一般電主軸相比，主軸密封要求相對較高。這是由于木工機械的加工對象和金屬切削的加工對象不同，切削過程中會產生大量的粉塵，所以，相比較而言，木工機械用的電主軸的使用環境更加惡劣，要求條件更高，必須要密封更好。

三是對金屬切削電主軸而言，它允許使用冷卻液對切削區進行排屑和冷卻，木材在加工過程中比較容易受到環境中液體的污染，所以，必須在加工的時候必須要用強力抽風設備來抽取切削過程中產生的各種粉塵，同時要用風冷方式來降低電主軸的溫度。總的來說，角接觸軸承是電軸承中應用最廣泛、性能最好、有點最多的軸承，它具有標準化程度高、高速性能好、剛度高、結構簡單和便于維護等優點。但是由于在進行高速運動時，滾球會產生強大的陀螺力矩和離心力，所以它產生的載荷有時會超過機床的切削符合，這就會導致機床使用壽命的減少。為了解決這個問題，最好的辦法是采用混合式陶瓷球軸承，也就是用陶瓷材料來制造滾珠，用鋼制材料來制造抽成的內外圈。為了更好的滿足實際生產要求，可以在陶瓷球軸承中使用脂潤滑。同時可以把兩個或者多個混合陶瓷球軸承組合使用，這樣可以進一步提高軸承的承載能力和剛度。

2 木工機械用電主軸的關鍵技術問題

在進行電主軸的結構設計的時候，必須要充分結合木工機械用高速電主軸的使用特點來設計，為此，必須要首先解決以下幾個方面的問題：

① 必須要設計良好的冷卻與散熱裝置

對主軸電動機來說，它的兩端就是主軸軸承，軸承的工作會隨著電動機的發熱程度發生變壞，如果電動機發熱過高，就會影響到機床工作的穩定程度和精度。因此，一定要首先解好主電動機的散熱問題。確切的數據統計顯示，電主軸的主要熱量來源就是電主軸的轉子和定子。通常的電主軸可以采用循環強制水冷卻系統來進行冷卻，而木工機械用電主軸在進行冷卻時，只能采用強力排風設備來進行冷卻，而切削區的冷卻也是采用風流冷卻，并吹掉切削過程中產生的粉塵。

② 選用合理的潤滑方式

和普通電主軸一樣，木工機械電主軸也要控制主軸的溫度，一般采用的是潤滑方式，為了確保電主軸的穩定性和工作精度，對潤滑方式的選擇至關重要，必須要綜合考慮軸承的負荷、轉速和類型等等。通常比較常用的高速電主軸的潤滑形式有環下潤滑、噴射潤滑、油氣潤滑和油霧潤滑等。木工機械用的電主軸又有特別的要求，需要一次的永久性脂潤滑。但是這種散熱效果并不十分理想，這是由于油脂的流動性不好，從而產生了機械阻力進而影響了散熱效果。為了更好的使用，必須要對使用的油脂進行進一步改進，建議可以采用普通潤滑脂加上引擎抗磨按照一定的比例混合拌勻添加到軸承里面。另外為了不影響散熱，高速軸承的加入量要不能超過空隙的70%。經過這種方法改進的油脂具有噪聲低、溫度升高慢等特點，可以非常好的滿足使用要求。

③木工機械用高速電主軸的動平衡設計

對于高速主軸來說，即使是很小的不平衡量，都會產生很大的震動，從而導致加工表面和加工精度的下降。木工機械加工的木材纖維一般不均勻，對加工過程中的刀具的力度波動要求比較高。因此，在進行設計時，除了考慮主軸的剛性外，還要對主軸的每一個零件進行精密的加工和裝配、校正。

3 結語

高速電主軸是實現木工機械高速化加工的核心部件。由于木材加工的特殊性，木工電主軸的設計和裝配比傳統的金屬切削電主軸有更高的更特殊的要求，比如軸承的發熱、潤滑、動態平衡等。只有將這些影響電主軸性能關鍵因素引起的問題很好地解決了， 才能開發出合格的適用于木材加工的高速電主軸產品。

參考文獻

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