电主轴系统的组成及结构示意图

高速数控机床要求主轴高速工作时,尽量扩大主轴恒功率的工作范围,缩短主轴的加速时间、减速时间和定位时间,实现高速、高精度控制。另外,高速数控机床要求主轴的刚度要高、转速波动要小、发热量要小、定位精度要高、稳定性要好。为了达到上述要求,理论上电动机与主轴之间的连接不能有任何机械传动机构(如齿轮传动、带传动等),只能采用电动机与主轴直接连接驱动的方式,从而把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式,通常简称为“电主轴”。

电主轴将电动机的转子和主轴集成为一个整体,中空的、直径较大的转子轴同时也是机床的主轴,并具备足够的空间容纳刀具夹紧机构,成为一种结构复杂、功能集成的机电一体化的功能部件。

图2-7所示为电主轴的结构示意图,电主轴采用无壳电动机,由内装变频电动机直接驱动,将其空心转子用压配合的形式直接装在机床主轴上,内置有脉冲编码器,以实现准确的相位控制。电动机定子带有冷却套,主轴轴承带有冷却和润滑装置。

电主轴最早是用在磨床上,后来才发展到加工中心。现在的机械加工工艺要求主轴的转速越来越高,高转速也越来越成为衡量一个产品水平的标志,成为商家竞争的焦点,谁先采用了更高转速的主轴,谁便在激烈的竞争中拥有了一张硬牌。各机床厂家通常选择由专业厂家生产的高质量的电主轴取代自己生产的传统主轴,主要有瑞士的Fisher、IBAG、德国的GMN等。IBAG公司提供几乎任何转速、转矩、功率、尺寸的电主轴,产品范围很宽,其电主轴最大转速可达140000r/min,直径范围为33～300mm,功率范围为125W～80kW,转矩范围为0.02～300N·m。图2-8所示为瑞士的IBAG电主轴。

电主轴不能简单理解为只是一根光主轴套筒,它是高速加工的核心部件,是一个完整的系统,主要由主轴、轴承、内装式电动机、刀具夹持装置、传感器及反馈装置、冷却和润滑装置等部分组成。图2-9所示为电主轴结构和系统组成示意图。电主轴所融合的技术包括以下几个部分:

(1)高速轴承技术 电主轴通常采用复合陶瓷轴承,耐磨耐热,寿命是传统轴承的几倍;也有的采用电磁悬浮轴承,或静压轴承,内外圈不接触,理论上寿命无限长。

图2-7 电主轴的结构示意图

(2)高速电动机技术 电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物,电动机的转子即为主轴的旋转部分,理论上可以把电主轴看作一台高速电动机,其关键技术是高速度下的动平衡。

(3)润滑 电主轴的润滑一般采用定时、定量油气润滑;也可以采用脂润滑,但相应的速度要打折扣。所谓定时,就是每隔一定的时间间隔注一次油,所谓定量,就是通过一个定量阀的器件,精确地控制每次润滑油的注油量。而油气润滑,指的是润滑油在压缩空气的携带下,被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要,太少,起不到润滑作用;太多,在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。

(4)冷却装置 为了尽快给高速运行的电主轴散热,通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂,冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。(www.xing528.com)

图2-8 瑞士的IBAG电主轴

图2-9 电主轴结构和系统组成示意图

(5)内置脉冲编码器 为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹,电主轴内置一脉冲编码器,以实现准确的相位控制以及与进给的配合。

(6)自动换刀装置 为了适用于加工中心,电主轴配备了能进行自动换刀的装置,包括碟形弹簧、拉刀油缸。

(7)高速刀具的装夹方式 广为熟悉的BT、ISO刀具,已被实践证明不适合于高速加工。这种情况下,出现了HSK、KM等高速刀柄。

(8)高频变频装置 要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速,必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机,变频器的输出频率甚至需要达到几千赫兹。

电主轴与传统带传动和齿轮传动机构相比,它具有结构紧凑、重量轻、惯性小、响应性能好,并可避免振动和噪声的干扰,精度高(径向圆跳动可达2μm,轴向圆跳动可达1μm)等特点,是高速主轴单元的理想结构。