高速電主軸：讓數(shù)控機(jī)床擁有一顆強(qiáng)悍的心

高速加工技術(shù)以其生產(chǎn)效率高、加工精度大、加工成本低等優(yōu)勢(shì)，近年來廣受人們的關(guān)注，被譽(yù)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的先進(jìn)制造技術(shù)之一。繼數(shù)控加工技術(shù)之后，高速加工技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域正在掀起又一次重大變革，并將左右未來工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。要實(shí)現(xiàn)高速加工，擁有更高的切削速度是不可或缺的前提條件，而為高速切削工具提供驅(qū)動(dòng)力的高速電主軸，在其中扮演著最為關(guān)鍵的角色。作為整個(gè)高速加工技術(shù)的核心功能部件，高速電主軸在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，正得到越來越廣泛的推廣應(yīng)用。

高速電主軸技術(shù)概述

高速電主軸（簡(jiǎn)稱電主軸）技術(shù)是一種通過將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直接作為機(jī)床主軸，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床主軸部件與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)。實(shí)際工作中，空心的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(nèi)，形成一個(gè)完整的主軸單元，由后轉(zhuǎn)子帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。主軸無需任何機(jī)械連接，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”，只要改變供電頻率，即可實(shí)現(xiàn)主軸調(diào)速。

電主軸與傳統(tǒng)的機(jī)床主軸相比，結(jié)構(gòu)更加緊湊、重量也更輕盈，工作時(shí)轉(zhuǎn)速更高、功率更大、具有更快的響應(yīng)速度，制造的噪音也比傳統(tǒng)主軸要低得多。這種單元化結(jié)構(gòu)極大地簡(jiǎn)化了機(jī)床設(shè)計(jì)，易于定位，是一種比較理想的結(jié)構(gòu)。在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，這一技術(shù)與直線電機(jī)技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將高速加工工藝水品推上了一個(gè)新的高度。

我國對(duì)數(shù)控機(jī)床電主軸的使用研究起步于1998年，目前與國外先進(jìn)技術(shù)還有一定的差距，尚未形成批量自主生產(chǎn)規(guī)模。

相關(guān)高科技應(yīng)用

高速電主軸對(duì)其軸承和電機(jī)性能有著非常嚴(yán)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(zhǎng)的使用壽命。通常有動(dòng)靜壓軸承、復(fù)合陶瓷軸承或是電磁懸浮軸承三種選擇。其中，復(fù)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(biāo)準(zhǔn)化高、易于維護(hù)，在電主軸單元中應(yīng)用最為廣泛。而電磁懸浮軸承雖然高速性能好、精度高、便于顯現(xiàn)監(jiān)控，但由于構(gòu)造和系統(tǒng)過于復(fù)雜，制造成本較高，價(jià)格長(zhǎng)期居高不下，因此還沒有得到廣泛推廣。

由于與電動(dòng)機(jī)融為一體，電主軸本身也可以看做是一臺(tái)高速電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)上可以有多種不同形式，如感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和磁阻電機(jī)等，其關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動(dòng)平衡。

電主軸主要附件配備

一套完整的電主軸系統(tǒng)除了包括主軸本身外，還應(yīng)包括高頻變頻裝置、油霧潤(rùn)滑器、冷卻裝置、內(nèi)置脈沖編碼器、換刀裝置等主要的相關(guān)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(zhuǎn)，從而帶動(dòng)切削工具高速運(yùn)轉(zhuǎn)。需要有一臺(tái)設(shè)備來作為電主軸內(nèi)置高速電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，使其轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘幾萬甚至是十幾萬次，高頻變頻裝置的作用即在于此。為完成目標(biāo)，高頻變頻器的輸出頻率必須要達(dá)到幾千赫茲以上。

油霧潤(rùn)滑器：良好的潤(rùn)滑度可以降低設(shè)備運(yùn)行的阻力、磨損和發(fā)熱等情況。電主軸的潤(rùn)滑需要嚴(yán)格遵循定時(shí)定量的原則，即每隔固定的一段時(shí)間，就向軸承內(nèi)注油一次。注油時(shí)，潤(rùn)滑油在壓縮空氣的攜帶之下，以油霧的形態(tài)被吹入軸承內(nèi)，注油量的多少則是由定量閥進(jìn)行精確地控制，過多或是過少都會(huì)造成不利的影響。

冷卻裝置：如果工作時(shí)電主軸溫度過高，會(huì)對(duì)設(shè)備造成傷害，為了給高速運(yùn)行的電主軸散熱，盡快降低工作溫度，通常須要使用循環(huán)冷卻劑。循環(huán)冷卻劑作用于電主軸外壁，并帶走電主軸的部分熱量。但如果冷卻劑吸熱后溫度升高，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(qiáng)化冷卻效果。

內(nèi)置脈沖編碼器：這是一種采用光學(xué)傳感器原理的位置檢測(cè)元件，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式的檢測(cè)。編碼盤安裝在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，在旋轉(zhuǎn)中將會(huì)自動(dòng)測(cè)定軸旋轉(zhuǎn)的角度、位置及速度變化，并將檢測(cè)結(jié)果以電脈沖形式輸出。這種檢測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)是沒有摩擦和磨損，只需要較小的驅(qū)動(dòng)力，卻可以得到最精確的檢測(cè)結(jié)果和最快的響應(yīng)速度，從而實(shí)現(xiàn)電主軸準(zhǔn)確的旋轉(zhuǎn)相角控制以及與進(jìn)給的配合。

自動(dòng)換刀裝置：為實(shí)現(xiàn)對(duì)各種加工材料和工藝的靈活適應(yīng)及快速響應(yīng)，電主軸配備了自動(dòng)換刀裝置，可依據(jù)不同情況自動(dòng)選擇最高效、最合理的切削設(shè)備。自動(dòng)換刀裝置是由碟形簧、拉刀油缸等部件組成的。經(jīng)實(shí)踐證明，HSK、SKI等高速刀具更適用于高速加工工藝。

如果說，高速加工設(shè)備以其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)加工設(shè)備的加工速度，堪稱是現(xiàn)代制造業(yè)中的“運(yùn)動(dòng)健將”，那么，高速電主軸無疑就是這位“運(yùn)動(dòng)健將”的心臟，為其帶來強(qiáng)悍的驅(qū)動(dòng)力。對(duì)高速電主軸技術(shù)的完善，是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)高速化、精確化革命的關(guān)鍵一環(huán)，是工業(yè)制造業(yè)水品緊跟時(shí)代的重要標(biāo)志，必須得到我們的重視。