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高速電主軸的技術

發布日期:2017/03/01

  高速電主軸(簡稱電主軸)技術是一種通過將電動機轉子直接作爲機床主軸,從而實現數控機床主軸部件與主軸電機融爲一體的新技術。實際工作中,空心的電動機轉子直接安裝在主軸之上,定子通過冷卻套固定在主軸箱體孔內,形成一個完整的主軸單元,由後轉子帶動主軸運轉。主軸無需任何機械連接,實現了機床的“零傳動”,只要改變供電頻率,即可實現主軸調速。

  電主軸與傳統的機床主軸相比,結構更加緊湊、重量也更輕盈,工作時轉速更高、功率更大、具有更快的響應速度,制造的噪音也比傳統主軸要低得多。這種單元化結構極大地簡化了機床設計,易于定位,是一種比較理想的結構。

  在數控機床領域,這一技術與直線電機技術、高速刀具技術一起,將高速加工工藝水品推上了一個新的高度。我國對數控機床電主軸的使用研究起步于1998年,目前與國外先進技術還有一定的差距,尚未形成批量自主生産規模。

  高速電主軸對其軸承和電機性能有著非常嚴格,甚至是苛刻的要求。

  軸承需要具備良好的剛性、抗阻尼性和較長的使用壽命。通常有動靜壓軸承、複合陶瓷軸承或是電磁懸浮軸承三種選擇。其中,複合陶瓷軸承使用熱壓陶瓷球以及鋼制軸承套圈,因其耐熱耐磨,且標准化高、易于維護,在電主軸單元中應用超爲廣泛。而電磁懸浮軸承雖然高速性能好、精度高、便于顯現監控,但由于構造和系統過于複雜,制造成本較高,價格長期居高不下,因此還沒有得到廣泛推廣。

  由于與電動機融爲一體,電主軸本身也可以看做是一台高速電動機,結構上可以有多種不同形式,如感應電機、永磁電機和磁阻電機等,其關鍵技術是高速度下的動平衡。

  電主軸主要附件配備一套完整的電主軸系統除了包括主軸本身外,還應包括高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內置脈沖編碼器、換刀裝置等主要的相關附件。

  高頻變頻裝置:要提升加工速度,必須保證電主軸的高速旋轉,從而帶動切削工具高速運轉。需要有一台設備來作爲電主軸內置高速電動機的驅動裝置,使其轉速達到每分鍾幾萬甚至是十幾萬次,高頻變頻裝置的作用即在于此。爲完成目標,高頻變頻器的輸出頻率必須要達到幾千赫茲以上。

  油霧潤滑器:良好的潤滑度可以降低設備運行的阻力、磨損和發熱等情況。電主軸的潤滑需要嚴格遵循定時定量的原則,即每隔固定的一段時間,就向軸承內注油一次。注油時,潤滑油在壓縮空氣的攜帶之下,以油霧的形態被吹入軸承內,注油量的多少則是由定量閥進行准確地控制,過多或是過少都會造成不利的影響。

  冷卻裝置:如果工作時電主軸溫度過高,會對設備造成傷害,爲了給高速運行的電主軸散熱,盡快降低工作溫度,通常須要使用循環冷卻劑。循環冷卻劑作用于電主軸外壁,並帶走電主軸的部分熱量。但如果冷卻劑吸熱後溫度升高,就起不到冷卻作用了。而冷卻裝置的存在意義就在于保持冷卻劑的原始溫度,強化冷卻效果。

  內置脈沖編碼器:這是一種采用光學傳感器原理的位置檢測元件,可以實現非接觸式的檢測。編碼盤安裝在電機的旋轉軸上,在旋轉中將會自動測定軸旋轉的角度、位置及速度變化,並將檢測結果以電脈沖形式輸出。這種檢測方式的優點是沒有摩擦和磨損,只需要較小的驅動力,卻可以得到超准確的檢測結果和超快的響應速度,從而實現電主軸准確的旋轉相角控制以及與進給的配合。

  自動換刀裝置:爲實現對各種加工材料和工藝的靈活適應及快速響應,電主軸配備了自動換刀裝置,可依據不同情況自動選擇超高效、超合理的切削設備。自動換刀裝置是由碟形簧、拉刀油缸等部件組成的。經實踐證明,HSK、SKI等高速刀具更適用于高速加工工藝。