高速电主轴原理与结构设计

内 电动机 的发热和 主轴轴承 的发热是 电主轴 有两个主要 的内部热 源 , 如 果不加 以 控制 , 由此引起 的热 变形会严重降低机床 的 加工精度和轴承使用寿命 , 从 而导致 电主轴 的使用寿命缩短 。
电主轴 由于采用 内藏式主轴结构形 式 , 位于 主轴 单 元体 中 的 电机 不 能采 用风 扇散 热 ,因此 自然散热条件较差 。电机在实现能 转换过程 中 ,内部产生功率损耗 ,从而使 电机 发热 。对 电机产生发热 的主要解决 方法是对 电机定子采用冷却液 的循环流动来 实行强制 冷却 。加工 中心 电主轴典型的冷却系统是用 外循环水式冷却装置来冷却 电机定子 , 将 电 机 的热量带走 。
主轴附件设计
电主轴要获得好的性能和使用寿命 ,其 附
件不仅要能够实现 电主轴 的功能 , 而且适应
长时间和高速度的运行要求 。对加工中心 ,电
主轴 为 了完成
刀具 自动交换 的动作过
程和刚性攻丝过程 ,必须 内 主轴编码器 为 了高速切削刀具进行冷却 , 选择使用带有陶 瓷密封的旋转接头 ,为刀具提供 内冷冷却液 电主轴还配备 了 自动松夹 刀具 装 、主轴 气 密封 、松夹刀信号检测开关等 。
夹刀装置等技术特点 。
【关键词 】电主轴 结构 抽承 冷却
主轴的冷却及轴承的润滑 冷却
附件 应用
电主轴的基本结构和工作原理 电主轴 的工作 不仅 转速 高 , 而且要求有 很高的角加减速度和在指定位置快速准停 , 这就对其结构设计 、制造和控制提 出了非常 严格 的要求并带来 了一系列技术难题 , 如 电 主轴 的散热 、润滑及精 密控制等 。在设计 中 , 必须妥善的解决这些问题 , 才能确保主轴稳 定可靠的高速运转 ,实现高效精密加工 。
内 编码器
加 工 中心为 了完 成
和刚性攻丝动
作过程准停位 和角度检测 , 必须设工主轴
位置编码器 。主轴编码器 由齿轮分度盘和传
感器组成 。齿轮环一周有 个齿的齿轮分
度盘 ,并且上面还有一个琴点标记 ,磁 光 感
应传感器感应齿轮分度盘 ,通过检测 、统计信
号 的通断数 来计 算旋 转角度 , 反馈到数控
为
,要达到 电主轴如 此高的精度 ,前后
支承都采用成组角接触球轴承 ,承 受轴 向和径
向负荷 ,前面一对 ,后面一对 。轴承一般是厂家
配好的或者是 自由组合轴承 , 在 维修装配时 , 要检查轴承 内外 圈衬套尺 寸 ,经过 测量 ,轴承 内圈的宽度加 上 内圈衬套长度要大于轴承 外
圈的宽度加 上 外 圈衬 套 长度 。轴承 内圈预加 载
刀具锥柄和 主轴 内锥 孔和前端面 紧密接触 , 刀具夹 紧 。一般加 工 中心 的换 刀时间只有两 秒 ,所 以这套 装里 非常灵活 ,能够 实现快速 刀 具 的松 夹 。
结束语 电主轴作 为高速 数控 机床 最 关键 部 件 , 其性 能好坏在 很大程度上决定 了整 台高速机
床 的加 工 精 度 和 生 产 效 率 , 因 此 为 了加 快 我
系统 , 实现准确 的相位控制 以及与进给 的配
合转动 。
刀具 自动松夹装 自动松夹装里包括刀具夹爪 、碟形资 、松 夹刀油缸等 。松 刀时 ,电主轴后面配皿 了一个 松 刀油缸 ,油 缸 的后腔充入液压 油 ,使活塞 向 前推进 , 从而把刀具拉杆克服蝶形弹赞的涨 紧力 向前伸出 ,拉杆 向前移动 ,刀具 弹性夹爪 收缩 , 刀具 即可轻松拔 出进行 新 旧刀具 的交 换 新 刀装入 后 ,液压 缸 活塞 后移 ,蝶 形 弹 簧 涨 紧力把拉杆 向后移 动 ,夹爪把刀具 涨 紧 ,把
油气润滑技术是利用压缩空气将徽
质 矽 钢 片 迭 压 而 成 。迭压 成 型 的定 子 内腔 带 量 的润 滑油 分 别连 续 不 断地 、精 确 地 供 给 每
有 冲制 嵌 线 槽 。转子 是 中频 电机 的旋 转部 分 , 一 套 主 轴 轴 承 ,微 小 油 滴 在 滚 动 和 内 、外 滚 道 它 的功 能是 将 定 子 的 电磁 场 能 转换 成机 械 间形成弹性动压油膜 , 而压 缩 空气则可 带走 能 。转子 由转子 铁 芯 、鼠笼 、转轴 三部 分组 成 。 轴承 运 转所 产 生 的部 分热 量 。
由于 电主轴 的 电机 转子 直 接和 主轴 联
结 ,增加 了主轴 的转动惯 量 ,使主轴 的极 限转
速下 降 , 因 此超 高速 电主轴 的动平 衡 精 度 要
求十 分严格 一般 应达 到 一
Hale Waihona Puke 级户浏 , 为质 量 中 心 与 回 转 中心 之 间 的位 移 ,
为角速度 。这样高的要求 ,仅在装配前对主轴 的每个零件 分别进行动平衡是 不够 的 , 必须 在装配后进行整体精确动平衡 , 甚至 设计专 门的 自动平衡 系统来 实现主轴在 线平 衡 ,以 确保主轴的高速平稳运行 。
油 雾 润 滑 属 持 续 润 滑 ,油 雾 经 过 油 路 ,源 源 不 断进 入 轴 承 ,有利 于 高 速 电主轴 稳 定 工 作 , 油 雾 润 滑 所 需 要 设备 简 单 、维 修 方 便 ,是 广泛 使 用 的一种 高 速 电主轴 润 滑 方式 。
高速 电主轴 的定子 由具 有高导磁率 的优
科技纵横
高速电主轴原理与结构设计
文 韩 江 王二镇
【摘 要 】介绍高速电主轴工作原理和 轴单元 ,也被称 为 内装式 电主轴 ,其 间不再使
基本结构 , 分析电主轴的轴承选择与装配 、动 用皮 带齿轮传 动 副 , 从 而 实现机床 主轴 系统 平衡 、轴承润滑 、主轴 密封 、电机冷却方式 、松 的“零传 动 ”,通 电后转子直接带动主轴运转 。
码器 、松 刀油缸 、旋 转接头 前端 的内锥孔和 端面用于安装刀具 、刀具夹爪 中间有刀具拉 杆 、刀具夹紧弹簧 。
电主轴 的轴承 及 装配 方式 电主轴 的轴承 高速 电主轴 的核心支撑部件是高速精密 轴承 。因为 电主轴 的最高转速和轴承 的大小 、 布 和润滑 方法有很大关系 , 所 以这种轴承 必须具有高速性 能好 、动 负荷承 载 能力 高 、润 滑性 能好 、发热量小 等优 点 。近年来 ,相继开 发研制 了陶瓷轴承 、磁浮轴承 、动静压轴承 。 轴承 的装配 方式
负荷 ,也就是锁紧螺母 的扭矩为
。
定子 与转子
承精 密润滑系统来控制轴承 的温升 ,来保证机 床工艺加工系统 的精度和稳定性 。高速 电主轴 的润滑主要指主轴轴承 的润 滑 , 一般 以脂润 滑 、油雾润滑和油气润滑三种 方式为主 。
脂润 滑在 甘 值较低 的 电主轴 中是 较 常见 的润滑 方式 , 脂润滑型高速 电主轴结 构 简 单 ,使 用 方便 ,无污 染 ,通 用 性 强 ,但 主 轴 温升较高 、工作寿命较短 。
工作原理 电主轴 作 为加 工 中心 的核 心部 件 , 它将 机床主轴 与文流伺 服 电机轴 合二为一 , 即将 主 轴 电机 的定 子 、转 子 直 接 装 入 主轴 组 件 的 内部 ,并 经 过 精 确 的 动 平 衡 校 正 ,具 有 良好 的 回转精度和稳定性 , 形成一个完美的高速主
主轴的动平衡设计
角接触球轴承 的发热主要是滚子与滚道 之间的滚动摩擦 、高速下所受陀螺力矩产生 的滑动摩擦 以及润滑油 的粘性摩 擦等产生 的 。减小轴承发热量 的主要措施
适 当减小滚珠 的直径 。减小滚珠直径
可以减小离心力和 陀螺力矩 ,从而减小摩擦 , 减少发热量 。
采用新材料 。比如采用陶瓷材 料做 滚 珠 ,陶瓷球轴承 与钢质 角接触球轴承相 比 ,在 高速回转时 , 滚珠与滚道间的滚动和滑动摩 擦减小 ,发热量 降低 。
采用合理 的润滑 方式 。油气和油雾等 润滑方式对轴承 不但具有润滑作 用 , 还具有
一定 的冷却作用 。 润滑
轴承 的装配将直接影晌主轴 的精度和寿
超高速主轴必须采用合理 的 、可控制 的轴
命 ,因此轴承座尺寸精度 、位 精 度 、轴承 内外
圈衬套尺寸精度 、轴承装配预加载 负荷要求都
非常高 , 加 工 中心 电主轴 内锥孔面跳动要求
电主轴 的结构 电主轴 由主轴 及主轴箱本体 、内 式的 文流伺服 电机 、辅助装 、检测装置组成 。电 机 的转子采用压 配 方法与主轴做 成一体 ,主 轴则 由前后轴承 支撑 。转子定子通过冷却套 安装于主轴单元的壳体 中 。主轴 的变速 由主 轴驱动模块控制 , 而主轴单元内的温升 由冷 却装 控制 。在主轴 的后面装有测速测角编
国高速加工技术的发展 与应用 , 加速数控机 床产品的更新换代 , 建议进一步组织力 进 行技术攻关 , 早 日实现 电主轴 的专业化批 生产 。
参考文献
【 张伯霖等 超 高速加工与机床 的琴传 动 中国机 械工程
张伯霖 超高速切削的关键技术 机床
』文 怀 兴 夏 田 数 控 机 床 设 计 实 践 指 南
北京 化学工业 出版社
作者单位 合肥工业大学机械与汽车工
程学院
研究所 〕