关于电主轴你想知道的那些事儿

一、电主轴组成

    电主轴是将机床主轴与主轴电机融为一体的技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件:电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。
    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;有时也采用电磁悬浮轴承或静轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限;
    高速电机技术: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。关键技术是高速度下的动平衡;
    高效润滑技术: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，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。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。
    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。
    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，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。
    自动换刀装置:为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等;
    高速刀具的装卡方式: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、SKI等高速刀具。
    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，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。

机床主轴　 

三、电主轴热特性

高速电主轴作为高速机床的核心部件，同时也是该类机床的主要热源。在高速机床中，电主轴单元各零件的刚度和精度都比较高，工作负荷不大，电主轴因切削力引起的加工误差比较小。电主轴中电机的发热和轴承的摩擦发热却是不可避免的，由此引起的热变形如果处理不当会严重地降低机床的加工精度。因此在高速机床中，电主轴的热态特性成为影响加工精度的一个主要因素，并直接限制了电主轴转速的提高。

3.1高速电主轴的热源
高速电主轴的热变形主要是由电机发热与主轴轴承的发热引起。机床在加工过程中，电机输出功率是它在空转时消耗的功率与切削时消耗的功率的总和。在高速加工中，机床的空转功耗所转化的热成为高速加工机床的主要热源。主轴轴承在高速运转中，存在着复杂的摩擦现象，加剧了发热强度，直接影响电主轴系统的热变形。

由于电机发热传递给轴承，使轴承的温升更高，这就加速了轴承的磨损而使精度丧失，严重时甚至发生金属粘结烧伤现象，使轴承失效。主轴轴承的热强度与主轴系统的结构、轴承的型号、配置和预紧、润滑剂以及传动方式都有密切的关系。试验表明同样尺寸规格的钢球和陶瓷球角接触轴承，在速度不高（3000rpm以下）时温升值相差不多，但是随着主轴转速的进一步的提高进入高速区（10000rpm以上），则轴承的温升急剧增大。随着轴承预紧力的增加，轴承发热量也会迅速增加。另外在油一气润滑系统中，油和气相互混合，一起对轴承进行冷却，其中空气的冷却占很大的比例。
3.2主轴热变形的机理
机床主轴在工作时处于内、外热源的作用下，而且这些热源一般来说都是非恒定的。由于加工条件不同，变化的程度也不同，主轴各零部件的材料、形状和结构各不相同，各自热惯性也不相同，再加上联结件之间结合面的热阻、主轴表面不尽相同的传热状况等因素，使主轴形成了一个复杂多变的温度场。在这样的温度场作用下，主轴构件材料产生了热应力和热位移，且随着材料物理特性、零部件形状以及支承联接状态的不同而不同，从而使主轴的热变形问题更加复杂，给研究主轴热变形带来很大的困难。在加工过程中，影响机床加工精度的热源可分为内热源和外热源两大类。

3.3主轴系统的温升
通常使指在无外加载荷和无外部热源影响的条件下的典型区域温度与环境温度的差值。多用主轴前轴承的外圈作为测量系统温升的典型区域。系统温升越高，零件的热变形越大，引起精度丧失的可能性越大，系统的热态特性就越差。影响主轴系统工作精度的关键因素并不是温升，而是温度场的分布，也就是温度场对主轴轴线的对称性和温度梯度。在温度上升的过程中，主轴本身将产生轴向伸长，同时主轴前后支承的中心位置必会在径向发生变化。由于前支撑的直径和负荷通常比后支承大，因此前支撑的发热量也比后支承大，故前支承和前箱壁的温度也要比后支承和后箱壁的温度高，热变形的结果将使主轴的工作端产生径向位移，出现抬头现象。
3.4高速电主轴的散热
高速电主轴在内、外热源的作用下，其各部分的温度有差异，而热量总是从高温向低温处传递，三种基本的传热方式在电主轴中都存在。定子产生的热量大部分通过对流由冷却水或油带走，而少部分通过对流和辐射传递给定子周围的空气：转子产生的热量一部分通过导热直接传递给主轴和轴承，而另一部分通过对流和辐射传递给定子。
电机定子油-水热交换冷却系统，高速电主轴通常采用油-水热交换的系统，油泵连续输出大流量的冷却油，通过电机定子冷却套的螺旋槽与电机定子产生热交换，再经过输出回路与水进行热交换，使油冷却后流回油池，实现循环冷却。主轴轴承的油一气润滑系统，油一气润滑系统是利用具有一定力的缩空气和定量输出的微量润滑油，在一定长度的管道中混合，通过缩空气在管道中的流动，带动润滑油沿管道内壁不断地流动，把油气混合物输送给安装在轴承附近的喷嘴，经过喷嘴射向轴承内圈和滚动体的接触点实现润滑和冷却。
电主轴与周围空气的传热，工作中高速主轴电机表面是热的，所以在较大温差的作用下发生自由对流换热，同时还有辐射换热。为了减发热对主轴性能的影响，特别是对主轴轴承性能的影响，在结构设计的过程中在主轴电机转子与轴承之间安装了冷却环，可以有效地减小由于电机发热对主轴轴承的影响，提高轴承的使用寿命。