電主軸是最近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)。高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”。

  電主軸溫升的抑制措施：

  一、減小軸承發(fā)熱量的措施

  (1)適當(dāng)減小軸承滾珠直徑

  減小滾珠直徑可以減小離心力，從而減小摩擦力矩。但是，滾珠直徑的減小應(yīng)以不過多削弱軸承的剛度為限。一般高速精密滾動(dòng)軸承的滾珠直徑約為標(biāo)準(zhǔn)系列滾珠軸承滾珠直徑的70% ，而且做成小直徑密珠的結(jié)構(gòu)形式，通過增加軸承的滾珠數(shù)和滾珠與內(nèi)外套圈的接觸點(diǎn)，提高滾珠軸承的剛度。

  (2)采用新材料

  陶瓷球軸承與鋼質(zhì)角接觸球軸承相比，在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠與滾道間的滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦減小，發(fā)熱量降低。比如陶瓷球軸承與鋼質(zhì)角接觸球軸承相比的主要優(yōu)點(diǎn)有:

  1、質(zhì)量輕。材料密度僅為3. 218 × 103 kg /m3，只相當(dāng)于鋼球的40%。在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)體的離心力和陀螺力矩可顯著減小從而接觸應(yīng)力減小，摩擦功耗下降，發(fā)熱量降低。

  2、線膨脹系數(shù)小。α = 3. 2 × 10 - 6 /℃，約為鋼球的25% ，使得在不同溫升的條件下，球與內(nèi)外環(huán)的配合間隙變化小，提高了軸承工作的可靠性，并減小了溫升導(dǎo)致的軸承軸向位移，也使得預(yù)加載荷變化小。

  二、電主軸單元發(fā)熱的解決方法

  電主軸單元異常發(fā)熱后如何將熱量盡快帶走，從而有效控制溫升。

  (1)主軸軸承的潤(rùn)滑冷卻措施———油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)

  油氣潤(rùn)滑是將微量的潤(rùn)滑油均勻、連續(xù)地混入壓縮空氣流，再把它噴入要潤(rùn)滑的摩擦副內(nèi)的一種潤(rùn)滑方法。它除了具有很好的潤(rùn)滑性能之外，還有極強(qiáng)的冷卻效果。雖油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)比較昂貴，但對(duì)于高精密加工中心來說，一套油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)不至于將產(chǎn)品成本提高很多。

  油氣潤(rùn)滑在加工中心中應(yīng)用，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

  ①噴嘴距滾動(dòng)軸承端面的距離可在3 ～ 25 mm 之間;

  ②在軸承腔壁上需開設(shè)排氣孔，以便流通;

  ③油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的用油量極少，大約1 mL /h;

  ④油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的含油量：采用油氣潤(rùn)滑時(shí)影響軸承溫升的因素之一是供油量。供油量決定著油氣兩者混合流中的含油量，給定速度下的軸承溫升與該含油量有關(guān)，初始階段軸承溫升隨含油量增加而迅速下降，而后其影響減弱，當(dāng)含油量增加到某一數(shù)值后溫升緩慢增加，繼而急劇上升，因而油氣兩者的混合流中的含油量達(dá)到一個(gè)最佳值，才能既保證軸承的潤(rùn)滑充足又保證軸承的強(qiáng)力冷卻。為此，油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)參數(shù)確定為: 空氣壓力為0. 4MPa，空氣流量為( 3. 3 ～ 6. 7) × 10 - 4 m3 /s，潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度為32 mm2 /s，潤(rùn)滑油流量約為( 0. 28 ～ 0. 83) ×10 - 10 m3 /s，調(diào)整潤(rùn)滑油流量取得最佳含油量;

  ⑤油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)供油的均勻性：采用油氣潤(rùn)滑時(shí)影響軸承溫升的因素之二是供油的均勻性。決定供油均勻性的最主要參數(shù)是供油頻率。為了獲得合適的供油量，不能只降低供油頻率，而是合理匹配活塞直徑、沖程、供油頻率( 2 ～ 8 min) ，取得最佳方案，獲得理想的供油量。軸承潤(rùn)滑方式的選擇與軸承的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、許用溫升及軸承類型有關(guān)，一般根據(jù)速度因數(shù)dm·n 值選擇。

  其中: dm為軸承中徑( mm) : n 為工作轉(zhuǎn)速( r /min) 。采用油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)來解決高速電主軸中陶瓷球軸承的潤(rùn)滑與冷卻問題。

  油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的基本原理是，利用具有一定壓力的壓縮空氣和由定量分配器每隔一定時(shí)間定量輸出微量的潤(rùn)滑油，在一定長(zhǎng)度的管道中混合，通過壓縮空氣在管道中的流動(dòng)，帶動(dòng)潤(rùn)滑油沿管道內(nèi)壁不斷地流動(dòng)，把油氣混合物輸送到安裝于軸承近處的噴嘴( 孔徑1mm 中) ，經(jīng)噴嘴射向內(nèi)圈和滾動(dòng)體的接觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑和冷卻，達(dá)到“最佳供油量”和“壓縮空氣進(jìn)行冷卻”。

  油氣潤(rùn)滑與油霧潤(rùn)滑的主要區(qū)別在于供給軸承的潤(rùn)滑油未被霧化，而是以油粒狀被壓縮空氣吹入軸承，向大氣中排放的僅是空氣，因此對(duì)環(huán)境沒有污染。具有一定壓力的潤(rùn)滑油在接觸點(diǎn)除潤(rùn)滑外還有帶走熱量和密封的作用。由于油滴是噴射而出，故可穿透在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于離心力的作用而在軸承周圍形成的空氣渦流，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑軸承的目的。油氣潤(rùn)滑用大量的壓縮空氣來冷卻軸承，使得軸承的溫升比用油霧潤(rùn)滑時(shí)要低很多。實(shí)驗(yàn)表明，使用油氣潤(rùn)滑的軸承溫升可比使用脂潤(rùn)滑時(shí)降低5 ～ 80 ℃，比油霧潤(rùn)滑降低9 ～ 160℃，隨著dm·n 值的增大，降溫的效果更明顯。

  軸承潤(rùn)滑的目的是減少軸承內(nèi)部摩擦及磨損，防止燒粘，延長(zhǎng)疲勞壽命，排出摩擦熱，冷卻。傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑方法，如油浴潤(rùn)滑法、油杯潤(rùn)滑法、飛濺潤(rùn)滑法、循環(huán)潤(rùn)滑法和油霧潤(rùn)滑法等已均不能滿足高速主軸軸承對(duì)潤(rùn)滑的要求，這是因?yàn)楦咚僦鬏S軸承不僅對(duì)油的粘度有嚴(yán)格要求，而且對(duì)供油量也有著嚴(yán)格要求。為了獲得最佳的潤(rùn)滑效果，供油量過多或過少都是有害的。而油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)則可以精確地控制各個(gè)摩擦點(diǎn)的潤(rùn)滑油量，可靠性極高，因而可在高速主軸軸承領(lǐng)域應(yīng)用。

  (2)主軸軸承外環(huán)和內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)的循環(huán)冷卻措施———油—水熱交換系統(tǒng)

  為了提高軸承外環(huán)的散熱效果，在主軸設(shè)計(jì)中可采用主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統(tǒng)，對(duì)主軸套筒進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，從而帶走主軸軸承外環(huán)異常產(chǎn)生的熱量。選擇加工各種高品質(zhì)機(jī)床主軸認(rèn)準(zhǔn)鈦浩機(jī)械，專業(yè)品質(zhì)保障!因?yàn)閷I(yè)，所以卓越!主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統(tǒng)采用連續(xù)、大流量、冷卻液對(duì)主軸套筒進(jìn)行循環(huán)冷卻，冷卻液從主軸套筒上的入油口輸入，通過主軸軸承外環(huán)主軸套筒上的螺旋槽，與主軸套筒進(jìn)行充分的熱交換，將主軸軸承外環(huán)產(chǎn)生的絕大部分熱量轉(zhuǎn)移到冷卻液中，從主軸套筒上的出油口輸出，然后流經(jīng)熱交換器，進(jìn)行再一次熱交換，將冷卻液溫度降到接近室溫后，流回冷卻箱，再經(jīng)過壓力泵增壓輸?shù)饺胗涂?，從而?shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻。

  主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統(tǒng)在加工中心中應(yīng)用，應(yīng)考慮以下內(nèi)容：

  ①冷卻劑的選擇: 常用的冷卻劑有制冷劑、水、油及油水混合物，因產(chǎn)品具體情況選取，其中水冷降熱比高、價(jià)格低廉、維護(hù)方便，深受廣大用戶青睞;

  ②冷卻液或油或油水混合物冷卻時(shí)介質(zhì)壓力約0. 4 MPa 為宜，介質(zhì)流量約50 L /min 為宜。由于主軸電動(dòng)機(jī)兩端就是主軸軸承，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱會(huì)直接降低軸承的工作精度，如果主電動(dòng)機(jī)的散熱解決得不好，將會(huì)影響到機(jī)床工作的可靠性和穩(wěn)定性。有限元分析表明，電主軸的定子和轉(zhuǎn)子是電主軸的兩大熱源。另外，電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，有近1 /3 的電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量是由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的，并且轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙傳入定子中，只有少部分熱量直接傳入主軸和端蓋上，其余2 /3的熱量產(chǎn)生于電動(dòng)機(jī)定子。

  轉(zhuǎn)子散熱條件差，又直接安裝在主軸上，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小電動(dòng)機(jī)徑向傳熱熱阻，使轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量盡可能多地通過氣隙傳到定子和殼體中去，并由冷卻液帶走。為了提高散熱效果，保證電動(dòng)機(jī)的絕緣安全，高速電主軸采用油一水熱交換循環(huán)冷卻系統(tǒng)。系統(tǒng)采用連續(xù)、大流量、冷卻油對(duì)定子進(jìn)行循環(huán)冷卻，冷卻油從主軸殼體上的入油口輸入，通過定子冷卻套上的螺旋槽，與電動(dòng)機(jī)定子進(jìn)行充分的熱交換，將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的絕大部分熱量轉(zhuǎn)移到油中，從殼體的出油口輸出，然后流經(jīng)逆流式冷卻交換器，與冷卻水進(jìn)行再一次熱交換，將熱油溫度降到接近室溫后，流回油箱，再經(jīng)過壓力泵增壓輸?shù)饺胗涂?，從而?shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻。根據(jù)主軸電動(dòng)機(jī)的要求，冷卻油的入口溫度T 在10 ～ 40 ℃之間，溫升不得超過10 ℃。

  現(xiàn)有的高速主軸主要是通過在主軸殼體內(nèi)加冷卻油，并不斷地循環(huán)，把熱量帶走，來進(jìn)行冷卻。其基本的冷卻路線是: 首先從主軸冷卻油溫控制器流出冷卻油，經(jīng)過在靠近前端蓋的入水口，冷卻油進(jìn)入前端軸承的外圍，對(duì)前端軸承進(jìn)行冷卻。接著流向主軸的定子和后端軸承進(jìn)行冷卻，最后從出水口流回主軸冷卻油溫控制器完成循環(huán)。

  (3)主軸軸承內(nèi)環(huán)和內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻措施———B 型內(nèi)冷

  采用主軸套筒螺旋槽冷卻液熱交換系統(tǒng)，與不采用主軸套筒熱交換系統(tǒng)冷卻時(shí)軸承內(nèi)環(huán)的溫度也下降了一些，只有4 ～ 5 ℃，這表明主軸套筒熱交換系統(tǒng)對(duì)軸承內(nèi)環(huán)的散熱效果不明顯。要減少主軸軸承內(nèi)環(huán)的溫升和熱影響，必須采用冷卻劑對(duì)主軸中心孔冷卻( B型內(nèi)冷) ，提高主軸軸承內(nèi)環(huán)的散熱來實(shí)現(xiàn)。

  由此可見，機(jī)床設(shè)計(jì)師在進(jìn)行高速加工中心電主軸單元設(shè)計(jì)時(shí)，兼顧折中各方面因素，一定要權(quán)衡剛度、變形量和壽命等之間的利弊，取得最佳主軸系統(tǒng)的溫升控制和熱變形抑制。以上只是對(duì)機(jī)床熱變形研究和試驗(yàn)分析，希望對(duì)機(jī)床電主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)者起到一定的幫助作用。