一種新型電主軸冷卻水流量自動檢測裝置

李瀟冰

（陜西工業職業技術學院校辦工廠，陜西咸陽712000）

隨著超高速數控機床的迅速發展，高效、高精、高自動化已是決定機床性能的關鍵，主軸的設計更是焦點所在，而電主軸已成為無可替代的主軸功能部件。

1 電主軸的特點

電主軸也叫內裝電動機式主軸，是將主軸電動機的定子、轉子直接裝入主軸組件的內部，將機床主軸與交流伺服電動機軸做成一個整體，并經過精確的動平衡校正，其回轉精度和穩定性較好。在機床中使用電主軸，通電后轉子直接帶動主軸運轉，沒有中間環節的損耗，提高了機床的加工精度和工作可靠性。電主軸的工作不僅轉速高，而且要求有很高的角減速度和角加速度、在指定角度快速停止。但在結構設計、制造和控制方面的要求非常嚴格，比如電主軸的散熱、潤滑及精密控制等。在設計中，必須妥善地解決這些問題，才能確保主軸穩定可靠地高速運轉，實現高效精密加工。

2 電主軸發熱問題的提出

電主軸的主軸軸承和內藏式主電動機是電主軸運轉中的主要熱源，內裝式電動機簡化了主軸單元結構，但發熱使電主軸熱態特性和動態特性變差。主軸軸承設計在主電動機旁邊，是電主軸的核心支承，也是其主要熱源之一。大多數高速電主軸采用角接觸陶瓷球軸承，也是因為陶瓷軸承的熱膨脹小，使軸承的預緊力穩定。在此前提下還需要有合理的預緊力和良好而充分的潤滑。

內藏式主電動機的發熱是電主軸的第二大熱源，電動機的發熱會影響機床工作的可靠性。常采用外循環和內循環冷卻結構，冷卻介質可以是水或油，使電動機與前后軸承都能得到充分冷卻。一般設計中，采用氣、油潤滑和噴射潤滑等技術解決發熱，并使冷卻液由電主軸孔通向刀柄起到冷卻作用。

電主軸結構緊湊，不能像三相異步電動機那樣用風扇冷卻，與三相異步電動機相比功率體積比大，所以必須用循環水對電主軸進行冷卻，循環水充分不間斷地供給才能使電主軸正常工作。如果循環水流量不夠，循環水帶走的熱量就會少于電主軸產生的熱量，電主軸的熱平衡溫度就會升高;當熱平衡溫度高于電主軸允許的最高溫度時，電主軸就會被燒壞。

3 電主軸發熱問題解決方法的提出

目前國內使用電主軸及其循環水冷卻系統的企業很多，但其循環水冷卻系統均無可靠的冷卻水流量檢測裝置，常常出現因冷卻水流量不足，引起電主軸散熱不充分，使其溫度升高而導致損壞。

筆者所在的是工具磨床生產廠家，隨著高速磨削的發展，電主軸的轉速也在不斷提高。像數控閥芯槽及倒角磨床主軸轉速為24 000 r/min，數控立式磨床主軸轉速達到51 000 r/min，數控球籠窗口磨床主軸轉速高達60 000 r/min。對電主軸冷卻系統的創新改進已提到議事日程。

考慮到電主軸冷卻系統水流量必須用一種裝置實行自動檢測，在2008年開發新產品XYJ－2017數控內螺紋磨床設計中，我們首次安裝了一種電主軸冷卻水流量檢測裝置，能可靠地在線檢測電主軸冷卻系統循環水的流量，當水流量不足時能及時報警并停止電主軸工作。其結構簡單、制造成本低廉、自動化程度高。

4 電主軸冷卻水流量自動檢測裝置

4.1 冷卻系統原理

本電主軸冷卻水流量檢測裝置，是在水箱上表面固定設有水流量檢測裝置，在循環水流量不足時能及時報警，告知CNC停止電主軸工作，可避免電主軸工作時因溫度過高而損壞，引發機械事故。

冷卻系統原理如圖1所示。在水箱1與電主軸5之間設有兩條管道，在進水管道6上設有電動機3和水泵4構成抽水裝置，出水管道7通過水流量檢測裝置8與水箱1相連接。

4.2 冷卻系統檢測裝置介紹

在水箱內設有進水管和出水口，在水箱一側設有溢水管，水箱內設置有浮球，浮球上面固定設有金屬桿并與水箱上面所設的孔滑動連接;在水箱上面設有一支架，在支架上設有無觸點感應開關，局部結構如圖2。電主軸冷卻系統的回水經過檢測裝置的進水管6，流入流量比較水箱3之后，在重力作用下從出水口流出。當電主軸冷卻系統回水流入量小于出水口可通過的最大流量時，流入的水全部從出水口流出，浮球2在原位置不動，無觸點感應開關5無信號輸出，告知CNC系統電主軸冷卻水流量不足。當電主軸冷卻系統回水流入量大于出水口可通過的最大流量時，回入的水有一部分從出水口流出，剩余在流量比較水箱3中的水隨時間的增長而不斷增加，使浮球2亦逐漸向上移動;當浮球2帶動金屬桿4靠近無觸點感應開關5時，無觸點感應開關5接通，信號輸出，告知CNC系統電主軸冷卻水流量正常。另外，當比較水箱3的水液面超過溢水管1的管口高度時，水溢出。本裝置檢測的最小水流量是可調整的，使用本裝置者應按照電主軸冷卻系統對最小水流量的規定進行調整。調整方法:松開螺釘8，適當移動調整板7，向左移動流量減少，向右移動流量增大，然后緊固螺釘8。

5 使用實例

在新產品XYJ－2015數控閥芯槽倒角磨床研制中，連續使用8個月，每天三班24 h工作不間斷，電主軸循環水冷卻系統發生過兩次故障:一次是水泵連接電纜線接頭松動，致使水泵停轉;另一次是水泵出現機械故障不能供水。兩次故障該裝置均發出信號，CNC得到信號后停止加工程序，并停止電主軸工作，避免了電主軸損壞等事故的發生。XYJ－2015數控閥芯槽倒角磨床主要用于磨削閥芯，XYJ－2017數控專用內螺紋磨床主要用于磨削內螺紋，MKA6032X4數控工具磨床主要用于磨削刀具。這3臺機床都用了此電主軸冷卻系統水流量自動檢測裝置，區別僅僅只是電主軸功率不同，冷卻系統水流量大小不同，使用場合不同。

本裝置已申請了實用新型專利（專利號201020539551），在后續新產品研發中，冷卻系統基本都采用了該裝置，該裝置已經成為我們廠的經典結構。實踐證明，該裝置使用效果非常好。