一、電主軸組成

    電主軸是將機床主軸與主軸電機融為一體的技術(shù)，它與直線(xiàn)電機技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將會(huì )把高速加工推向一個(gè)新時(shí)代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件:電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內置編碼器、換刀裝置。
    高速軸承技術(shù):電主軸通常采用復合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統軸承的幾倍;有時(shí)也采用電磁懸浮軸承或靜軸承，內外圈不接觸，理論上壽命無(wú)限;
    高速電機技術(shù):電主軸是電動(dòng)機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動(dòng)機的轉子即為主軸的旋轉部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電動(dòng)機。關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動(dòng)平衡;
    高效潤滑技術(shù):電主軸的潤滑一般采用定時(shí)定量油氣潤滑;也可以采用脂潤滑，但相應的速度要打折扣。所謂定時(shí)，就是每隔一定的時(shí)間間隔注一次油。所謂定量，就是通過(guò)一個(gè)叫定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用;太多，在軸承高速旋轉時(shí)會(huì )因油的阻力而發(fā)熱。
    冷卻裝置:為了盡快給高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。
    內置脈沖編碼器:為了實(shí)現自動(dòng)換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內置一脈沖編碼器，以實(shí)現準確的相角控制以及與進(jìn)給的配合。
    自動(dòng)換刀裝置:為了應用于加工中心，電主軸配備了自動(dòng)換刀裝置，包括碟形簧、拉刀油缸等;
    高速刀具的裝卡方式:廣為熟悉的BT、ISO刀具，已被實(shí)踐證明不適合于高速加工。這種情況下出現了HSK、SKI等高速刀具。
    高頻變頻裝置:要實(shí)現電主軸每分鐘幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)轉的轉速，必須用一高頻變頻裝置來(lái)驅動(dòng)電主軸的內置高速電動(dòng)機，變頻器的輸出頻率必須達到上千或幾千赫茲。

機床主軸　 

三、電主軸熱特性

高速電主軸作為高速機床的核心部件，同時(shí)也是該類(lèi)機床的主要熱源。在高速機床中，電主軸單元各零件的剛度和精度都比較高，工作負荷不大，電主軸因切削力引起的加工誤差比較小。電主軸中電機的發(fā)熱和軸承的摩擦發(fā)熱卻是不可避免的，由此引起的熱變形如果處理不當會(huì )嚴重地降低機床的加工精度。因此在高速機床中，電主軸的熱態(tài)特性成為影響加工精度的一個(gè)主要因素，并直接限制了電主軸轉速的提高。

3.1高速電主軸的熱源
高速電主軸的熱變形主要是由電機發(fā)熱與主軸軸承的發(fā)熱引起。機床在加工過(guò)程中，電機輸出功率是它在空轉時(shí)消耗的功率與切削時(shí)消耗的功率的總和。在高速加工中，機床的空轉功耗所轉化的熱成為高速加工機床的主要熱源。主軸軸承在高速運轉中，存在著(zhù)復雜的摩擦現象，加劇了發(fā)熱強度，直接影響電主軸系統的熱變形。

由于電機發(fā)熱傳遞給軸承，使軸承的溫升更高，這就加速了軸承的磨損而使精度喪失，嚴重時(shí)甚至發(fā)生金屬粘結燒傷現象，使軸承失效。主軸軸承的熱強度與主軸系統的結構、軸承的型號、配置和預緊、潤滑劑以及傳動(dòng)方式都有密切的關(guān)系。試驗表明同樣尺寸規格的鋼球和陶瓷球角接觸軸承，在速度不高（3000rpm以下）時(shí)溫升值相差不多，但是隨著(zhù)主軸轉速的進(jìn)一步的提高進(jìn)入高速區（10000rpm以上），則軸承的溫升急劇增大。隨著(zhù)軸承預緊力的增加，軸承發(fā)熱量也會(huì )迅速增加。另外在油一氣潤滑系統中，油和氣相互混合，一起對軸承進(jìn)行冷卻，其中空氣的冷卻占很大的比例。
3.2主軸熱變形的機理
機床主軸在工作時(shí)處于內、外熱源的作用下，而且這些熱源一般來(lái)說(shuō)都是非恒定的。由于加工條件不同，變化的程度也不同，主軸各零部件的材料、形狀和結構各不相同，各自熱慣性也不相同，再加上聯(lián)結件之間結合面的熱阻、主軸表面不盡相同的傳熱狀況等因素，使主軸形成了一個(gè)復雜多變的溫度場(chǎng)。在這樣的溫度場(chǎng)作用下，主軸構件材料產(chǎn)生了熱應力和熱位移，且隨著(zhù)材料物理特性、零部件形狀以及支承聯(lián)接狀態(tài)的不同而不同，從而使主軸的熱變形問(wèn)題更加復雜，給研究主軸熱變形帶來(lái)很大的困難。在加工過(guò)程中，影響機床加工精度的熱源可分為內熱源和外熱源兩大類(lèi)。

3.3主軸系統的溫升
通常使指在無(wú)外加載荷和無(wú)外部熱源影響的條件下的典型區域溫度與環(huán)境溫度的差值。多用主軸前軸承的外圈作為測量系統溫升的典型區域。系統溫升越高，零件的熱變形越大，引起精度喪失的可能性越大，系統的熱態(tài)特性就越差。影響主軸系統工作精度的關(guān)鍵因素并不是溫升，而是溫度場(chǎng)的分布，也就是溫度場(chǎng)對主軸軸線(xiàn)的對稱(chēng)性和溫度梯度。在溫度上升的過(guò)程中，主軸本身將產(chǎn)生軸向伸長(cháng)，同時(shí)主軸前后支承的中心位置必會(huì )在徑向發(fā)生變化。由于前支撐的直徑和負荷通常比后支承大，因此前支撐的發(fā)熱量也比后支承大，故前支承和前箱壁的溫度也要比后支承和后箱壁的溫度高，熱變形的結果將使主軸的工作端產(chǎn)生徑向位移，出現抬頭現象。
3.4高速電主軸的散熱
高速電主軸在內、外熱源的作用下，其各部分的溫度有差異，而熱量總是從高溫向低溫處傳遞，三種基本的傳熱方式在電主軸中都存在。定子產(chǎn)生的熱量大部分通過(guò)對流由冷卻水或油帶走，而少部分通過(guò)對流和輻射傳遞給定子周?chē)目諝猓恨D子產(chǎn)生的熱量一部分通過(guò)導熱直接傳遞給主軸和軸承，而另一部分通過(guò)對流和輻射傳遞給定子。
電機定子油-水熱交換冷卻系統，高速電主軸通常采用油-水熱交換的系統，油泵連續輸出大流量的冷卻油，通過(guò)電機定子冷卻套的螺旋槽與電機定子產(chǎn)生熱交換，再經(jīng)過(guò)輸出回路與水進(jìn)行熱交換，使油冷卻后流回油池，實(shí)現循環(huán)冷卻。主軸軸承的油一氣潤滑系統，油一氣潤滑系統是利用具有一定力的縮空氣和定量輸出的微量潤滑油，在一定長(cháng)度的管道中混合，通過(guò)縮空氣在管道中的流動(dòng)，帶動(dòng)潤滑油沿管道內壁不斷地流動(dòng)，把油氣混合物輸送給安裝在軸承附近的噴嘴，經(jīng)過(guò)噴嘴射向軸承內圈和滾動(dòng)體的接觸點(diǎn)實(shí)現潤滑和冷卻。
電主軸與周?chē)諝獾膫鳠?，工作中高速主軸電機表面是熱的，所以在較大溫差的作用下發(fā)生自由對流換熱，同時(shí)還有輻射換熱。為了減發(fā)熱對主軸性能的影響，特別是對主軸軸承性能的影響，在結構設計的過(guò)程中在主軸電機轉子與軸承之間安裝了冷卻環(huán)，可以有效地減小由于電機發(fā)熱對主軸軸承的影響，提高軸承的使用壽命。