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當(dāng)前位置：電主軸在國內(nèi)使用越來越廣泛，20世紀60年代，我國電主軸行業(yè)處于萌芽期，主要仿制歐美及前蘇聯(lián)樣機。國內(nèi)形成以洛陽軸承研究所，哈、瓦、洛三大軸承廠與上海微型軸承廠為主體的開發(fā)試制電主軸的實體。20世紀70年代，我國第一代自行設(shè)計、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。此時電主軸行業(yè)逐漸形成技術(shù)優(yōu)勢占領(lǐng)先地位的洛陽軸承研究所，以配套機床為主的無錫機床廠和安陽萊必泰三家電主軸專業(yè)生產(chǎn)廠。20世紀90年代，洛陽軸承研究所開發(fā)了2GDZ系列超大功率、超大剛度磨床用電主軸，無錫機床廠開發(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、高速試驗等領(lǐng)域。
1、何為電主軸
電主軸是在數(shù)控機床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術(shù)，高速數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)取消了帶輪傳動和齒輪傳動，機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床的"零傳動"，這種主軸電動 機與機床主軸"合二為一"的傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相 對獨立出來，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機作為動力源，故也稱為“高頻主軸”(High Frequency Spindle);由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)，有時又稱為“直接傳動主軸”(Direct Drive Spindle);由于電動機裝在主軸內(nèi)部又稱為“內(nèi)裝式電動機主軸”(Build-in Motor Spindle)。
2、電主軸的基本構(gòu)成
高速電主軸由動力源(電動機轉(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械部件組成。電主軸采用無外殼電動機，且電動機內(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，能夠使主軸運轉(zhuǎn)部分達到精確的動平衡。電動機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，電動機轉(zhuǎn)子直接作為機床的主軸，主軸單元的外殼體就是電動機機座。在主軸的后端裝有測速、測角位移傳感器( 旋轉(zhuǎn)編碼器)，以實現(xiàn)電動機的全閉環(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)動器的電氣連接。通電后轉(zhuǎn)子可以直接帶動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸的轉(zhuǎn)速用電動機的變頻調(diào)速與矢量控制裝置來改變。
3、電主軸的發(fā)展趨勢
電主軸總體發(fā)展趨勢為：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)實際應(yīng)用的需要，多數(shù)數(shù)控機床需要能夠同時滿足低速粗加工時的重切削、高速切削時精加工的要求，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滑技術(shù)、精密加工技術(shù)、精密動平衡技術(shù)等不斷發(fā)展的背景下，數(shù)控機床電主軸高速化已成為目前發(fā)展的普遍趨勢。在剛性方面，由于軸承及其潤滑技術(shù)的發(fā)展，電主軸的系統(tǒng)剛度越來越大，滿足了數(shù)控機床高速、高效和精密加工發(fā)展的需要。
高精度：電主軸進一步向高精度、高可靠性和長壽命方向發(fā)展。由于終端用戶對數(shù)控機床的精度和可靠性提出了越來越高的要求，相應(yīng)地對電主軸的精度與可靠性的要求也不斷提高。同時，由于采用了特殊的精密軸承、先進的潤滑方法以及特殊的預(yù)負荷施加方式，電主軸的壽命相應(yīng)得到了延長，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)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，機床工業(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)備都需要有機床才能加工出來。機床主軸的旋轉(zhuǎn)都是由電機帶動的，傳統(tǒng)機床都是一臺異步電機通過皮帶輪驅(qū)動齒輪箱的輸入軸，機床通過齒輪箱齒輪嚙合的變換來實現(xiàn)電機主軸的調(diào)速。電主軸是高精密機床的核心功能部件，電機轉(zhuǎn)子直接安裝刀具，省去了中間皮帶輪和齒輪箱的傳動環(huán)節(jié)，其功能是帶動刀具或工件旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)高速高效精密加工。機床主軸的性能很大程度上決定了機床的加工效率和加工質(zhì)量，對機床性能具有至關(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)用場所，不同的應(yīng)用場合的接口是不同的，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)計的電機，電機的最高轉(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。
6、電主軸的結(jié)構(gòu)形式
根據(jù)電動機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：電動機安裝在主軸前后軸承之間。即該類電主軸有前后兩個支承。采用這種結(jié)構(gòu)的電主軸，由于其軸向尺寸相對較小，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)控機床。電動機安裝在主軸后軸承之后。也就是說主軸電動機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)點是可以有效地縮短主軸前端的徑向尺寸，同時還有利于電機的散熱。缺點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)控機床上。
7、主軸電機
電動機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機主要有兩種：交流同步電機和異步電機。交流異步電機與同步電機相比，具有以下優(yōu)點：價格適宜、極限轉(zhuǎn)速高、維修便利、控制系統(tǒng)簡單。
交流同步電機與異步電機相比，具有的優(yōu)點是：在相同的扭矩下，電機體積較小，從而可以使電主軸具有緊湊型的機械結(jié)構(gòu);在相同的慣性矩下，啟動時間短;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。
通過對二者優(yōu)點的對比可知，同步電機更適用于高速電主軸。由于同步電機的功率因數(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，是電主軸實現(xiàn)高速、高精度的前提條件。因此，我們在為電主軸選擇合適的軸承時，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，在電主軸進行高速運轉(zhuǎn)時，會受到比較大的載荷，同時軸承內(nèi)部的摩擦也在加劇。所以，在選擇電主軸軸承的時候，必須考慮該軸承是否能達到電主軸的極限轉(zhuǎn)速，同時對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。普通的滾動軸承，由于其滾動體是鋼珠，極大地制約了軸承轉(zhuǎn)速的提高，而將滾動軸承的滾動體用具有耐高溫、密度小等優(yōu)點的陶瓷材料做成后，滾動軸承的極限轉(zhuǎn)速得到了巨大的提高。在滾動軸承眾多的結(jié)構(gòu)形式中，由于角接觸球軸承的高速性能最高，又可以同時承受徑向負荷和軸向負荷，所以它是電主軸支承的首選。與此同時，當(dāng)角接觸球軸承的滾動體使用陶瓷材料后，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。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)代機械加工對電主軸功率和轉(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床上。由于磁懸浮軸承的定子線圈與轉(zhuǎn)軸之間沒有機械接觸，所以磁懸浮軸承可以達到很高的轉(zhuǎn)速，大約是滾動軸承主軸轉(zhuǎn)速的 2 倍。如果兩個電主軸的極限轉(zhuǎn)速相同，采用磁懸浮軸承的電主軸可以有較大的軸徑，從而具有較大的負荷能力與剛度。總而言之，使用磁懸浮軸承的電主軸會具備高剛度、高轉(zhuǎn)速和高功率的優(yōu)點。但是，由于磁懸浮軸承制造費用高，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合。
電主軸軸承的配置方式為：一端固定，一端浮動。具體來說，就是主軸前端的軸承固定，后端的軸承浮動。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，另一方面可以補償主軸的熱變形。
11、電主軸潤滑
軸承潤滑的主要目的就是利用潤滑劑在套圈、滾動體和保持架之間的摩擦面形成起隔離作用的潤滑油膜以降低軸承的磨損與摩擦，確保其良好的運轉(zhuǎn)。與此同時，潤滑對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轉(zhuǎn)過程中，其內(nèi)置電機與高速軸承的發(fā)熱是無法避免的。因此，在選定了電主軸的電機與軸承之后，我們已不可能從降低熱源的發(fā)熱強度來實現(xiàn)對電主軸發(fā)熱和溫升的控制。所以，為了達到對電主軸內(nèi)部熱源發(fā)熱量的控制，必須設(shè)計專門的冷卻系
統(tǒng)對電主軸的主要熱源進行針對性的冷卻。我們知道，電機與軸承是電主軸的主要熱源，因此，對電主軸的冷卻就是對內(nèi)置電機和主軸軸承的冷卻。由于高速軸承油氣潤滑系統(tǒng)中的潤滑劑在對軸承起到潤滑作用的同時，也帶走了軸承內(nèi)部摩擦所產(chǎn)生的大量熱，所以對軸
承的發(fā)熱起到了一定程度的散熱作用。其實軸承的油氣潤滑系統(tǒng)可謂是一舉兩得，不僅有潤滑作用，同時也擁有冷卻散熱的作用，也是電主軸軸承的一個冷卻系統(tǒng)。
