李瀟冰

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校辦工廠，陜西咸陽(yáng)712000）

隨著超高速數(shù)控機(jī)床的迅速發(fā)展，高效、高精、高自動(dòng)化已是決定機(jī)床性能的關(guān)鍵，主軸的設(shè)計(jì)更是焦點(diǎn)所在，而電主軸已成為無(wú)可替代的主軸功能部件。

1 電主軸的特點(diǎn)

電主軸也叫內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)式主軸，是將主軸電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，將機(jī)床主軸與交流伺服電動(dòng)機(jī)軸做成一個(gè)整體，并經(jīng)過(guò)精確的動(dòng)平衡校正，其回轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性較好。在機(jī)床中使用電主軸，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)，沒(méi)有中間環(huán)節(jié)的損耗，提高了機(jī)床的加工精度和工作可靠性。電主軸的工作不僅轉(zhuǎn)速高，而且要求有很高的角減速度和角加速度、在指定角度快速停止。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和控制方面的要求非常嚴(yán)格，比如電主軸的散熱、潤(rùn)滑及精密控制等。在設(shè)計(jì)中，必須妥善地解決這些問(wèn)題，才能確保主軸穩(wěn)定可靠地高速運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高效精密加工。

2 電主軸發(fā)熱問(wèn)題的提出

電主軸的主軸軸承和內(nèi)藏式主電動(dòng)機(jī)是電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)中的主要熱源，內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化了主軸單元結(jié)構(gòu)，但發(fā)熱使電主軸熱態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性變差。主軸軸承設(shè)計(jì)在主電動(dòng)機(jī)旁邊，是電主軸的核心支承，也是其主要熱源之一。大多數(shù)高速電主軸采用角接觸陶瓷球軸承，也是因?yàn)樘沾奢S承的熱膨脹小，使軸承的預(yù)緊力穩(wěn)定。在此前提下還需要有合理的預(yù)緊力和良好而充分的潤(rùn)滑。

內(nèi)藏式主電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱是電主軸的第二大熱源，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱會(huì)影響機(jī)床工作的可靠性。常采用外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)，冷卻介質(zhì)可以是水或油，使電動(dòng)機(jī)與前后軸承都能得到充分冷卻。一般設(shè)計(jì)中，采用氣、油潤(rùn)滑和噴射潤(rùn)滑等技術(shù)解決發(fā)熱，并使冷卻液由電主軸孔通向刀柄起到冷卻作用。

電主軸結(jié)構(gòu)緊湊，不能像三相異步電動(dòng)機(jī)那樣用風(fēng)扇冷卻，與三相異步電動(dòng)機(jī)相比功率體積比大，所以必須用循環(huán)水對(duì)電主軸進(jìn)行冷卻，循環(huán)水充分不間斷地供給才能使電主軸正常工作。如果循環(huán)水流量不夠，循環(huán)水帶走的熱量就會(huì)少于電主軸產(chǎn)生的熱量，電主軸的熱平衡溫度就會(huì)升高;當(dāng)熱平衡溫度高于電主軸允許的最高溫度時(shí)，電主軸就會(huì)被燒壞。

3 電主軸發(fā)熱問(wèn)題解決方法的提出

目前國(guó)內(nèi)使用電主軸及其循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的企業(yè)很多，但其循環(huán)水冷卻系統(tǒng)均無(wú)可靠的冷卻水流量檢測(cè)裝置，常常出現(xiàn)因冷卻水流量不足，引起電主軸散熱不充分，使其溫度升高而導(dǎo)致?lián)p壞。

筆者所在的是工具磨床生產(chǎn)廠家，隨著高速磨削的發(fā)展，電主軸的轉(zhuǎn)速也在不斷提高。像數(shù)控閥芯槽及倒角磨床主軸轉(zhuǎn)速為24 000 r/min，數(shù)控立式磨床主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到51 000 r/min，數(shù)控球籠窗口磨床主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)60 000 r/min。對(duì)電主軸冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新改進(jìn)已提到議事日程。

考慮到電主軸冷卻系統(tǒng)水流量必須用一種裝置實(shí)行自動(dòng)檢測(cè)，在2008年開發(fā)新產(chǎn)品XYJ－2017數(shù)控內(nèi)螺紋磨床設(shè)計(jì)中，我們首次安裝了一種電主軸冷卻水流量檢測(cè)裝置，能可靠地在線檢測(cè)電主軸冷卻系統(tǒng)循環(huán)水的流量，當(dāng)水流量不足時(shí)能及時(shí)報(bào)警并停止電主軸工作。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低廉、自動(dòng)化程度高。

4 電主軸冷卻水流量自動(dòng)檢測(cè)裝置

4.1 冷卻系統(tǒng)原理

本電主軸冷卻水流量檢測(cè)裝置，是在水箱上表面固定設(shè)有水流量檢測(cè)裝置，在循環(huán)水流量不足時(shí)能及時(shí)報(bào)警，告知CNC停止電主軸工作，可避免電主軸工作時(shí)因溫度過(guò)高而損壞，引發(fā)機(jī)械事故。

冷卻系統(tǒng)原理如圖1所示。在水箱1與電主軸5之間設(shè)有兩條管道，在進(jìn)水管道6上設(shè)有電動(dòng)機(jī)3和水泵4構(gòu)成抽水裝置，出水管道7通過(guò)水流量檢測(cè)裝置8與水箱1相連接。

4.2 冷卻系統(tǒng)檢測(cè)裝置介紹

在水箱內(nèi)設(shè)有進(jìn)水管和出水口，在水箱一側(cè)設(shè)有溢水管，水箱內(nèi)設(shè)置有浮球，浮球上面固定設(shè)有金屬桿并與水箱上面所設(shè)的孔滑動(dòng)連接;在水箱上面設(shè)有一支架，在支架上設(shè)有無(wú)觸點(diǎn)感應(yīng)開關(guān)，局部結(jié)構(gòu)如圖2。電主軸冷卻系統(tǒng)的回水經(jīng)過(guò)檢測(cè)裝置的進(jìn)水管6，流入流量比較水箱3之后，在重力作用下從出水口流出。當(dāng)電主軸冷卻系統(tǒng)回水流入量小于出水口可通過(guò)的最大流量時(shí)，流入的水全部從出水口流出，浮球2在原位置不動(dòng)，無(wú)觸點(diǎn)感應(yīng)開關(guān)5無(wú)信號(hào)輸出，告知CNC系統(tǒng)電主軸冷卻水流量不足。當(dāng)電主軸冷卻系統(tǒng)回水流入量大于出水口可通過(guò)的最大流量時(shí)，回入的水有一部分從出水口流出，剩余在流量比較水箱3中的水隨時(shí)間的增長(zhǎng)而不斷增加，使浮球2亦逐漸向上移動(dòng);當(dāng)浮球2帶動(dòng)金屬桿4靠近無(wú)觸點(diǎn)感應(yīng)開關(guān)5時(shí)，無(wú)觸點(diǎn)感應(yīng)開關(guān)5接通，信號(hào)輸出，告知CNC系統(tǒng)電主軸冷卻水流量正常。另外，當(dāng)比較水箱3的水液面超過(guò)溢水管1的管口高度時(shí)，水溢出。本裝置檢測(cè)的最小水流量是可調(diào)整的，使用本裝置者應(yīng)按照電主軸冷卻系統(tǒng)對(duì)最小水流量的規(guī)定進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整方法:松開螺釘8，適當(dāng)移動(dòng)調(diào)整板7，向左移動(dòng)流量減少，向右移動(dòng)流量增大，然后緊固螺釘8。

5 使用實(shí)例

在新產(chǎn)品XYJ－2015數(shù)控閥芯槽倒角磨床研制中，連續(xù)使用8個(gè)月，每天三班24 h工作不間斷，電主軸循環(huán)水冷卻系統(tǒng)發(fā)生過(guò)兩次故障:一次是水泵連接電纜線接頭松動(dòng)，致使水泵停轉(zhuǎn);另一次是水泵出現(xiàn)機(jī)械故障不能供水。兩次故障該裝置均發(fā)出信號(hào)，CNC得到信號(hào)后停止加工程序，并停止電主軸工作，避免了電主軸損壞等事故的發(fā)生。XYJ－2015數(shù)控閥芯槽倒角磨床主要用于磨削閥芯，XYJ－2017數(shù)控專用內(nèi)螺紋磨床主要用于磨削內(nèi)螺紋，MKA6032X4數(shù)控工具磨床主要用于磨削刀具。這3臺(tái)機(jī)床都用了此電主軸冷卻系統(tǒng)水流量自動(dòng)檢測(cè)裝置，區(qū)別僅僅只是電主軸功率不同，冷卻系統(tǒng)水流量大小不同，使用場(chǎng)合不同。

本裝置已申請(qǐng)了實(shí)用新型專利（專利號(hào)201020539551），在后續(xù)新產(chǎn)品研發(fā)中，冷卻系統(tǒng)基本都采用了該裝置，該裝置已經(jīng)成為我們廠的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明，該裝置使用效果非常好。