機牀主軸

機牀主軸指的是機牀上帶動工件或刀具旋轉的軸。通常由主軸、軸承和傳動件（齒輪或帶輪）等組成主軸部件。在機器中主要用來支撐傳動零件如齒輪、帶輪，傳遞運動及扭矩，如機牀主軸；有的用來裝夾工件，如心軸。除了刨牀、拉牀等主運動為直線運動的機牀外，大多數機牀都有主軸部件。主軸部件的運動精度和結構剛度是決定加工質量和切削效率的重要因素。

衡量主軸部件性能的指標主要是旋轉精度、剛度和速度適應性。

①旋轉精度：主軸旋轉時在影響加工精度的方向上出現的徑向和軸向跳動，主要決定於主軸和軸承的製造和裝配質量。

②動、靜剛度：主要決定於主軸的彎曲剛度、軸承的剛度和阻尼。

③速度適應性：允許的最高轉速和轉速範圍，主要決定於軸承的結構和潤滑，以及散熱條件 ^[1]  。

降低軸承的工作温度，經常採用的辦法是潤滑油。潤滑方式有，油氣潤滑方式、油液循環潤滑兩種。在使用這兩種方式時要注意以下幾點：

1、在採用油液循環潤滑時，要保證主軸恆温油箱的油量足夠充分。

2、油氣潤滑方式剛好和油液循環潤滑相反，它只要填充軸承空間容量的百分之十即可。

循環式潤滑的優點是，在滿足潤滑的情況下，能夠減少摩擦發熱，而且能夠把主軸組件的一部分熱量給以吸收。

對於主軸的潤滑同樣有兩種放式：油霧潤滑方式和噴注潤滑方式。

1.電主軸所融合的技術：

電主軸是在數控機牀領域出現的將機牀主軸與主軸電機融為一體的新技術，它與直線電機技術、高速刀具技術一起，將會把高速加工推向一個新時代。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。

2.電主軸所融合的技術：

高速軸承技術：電主軸通常採用複合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統軸承的幾倍；有時也採用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內外圈不接觸，理論上壽命無限；

高速電機技術：電主軸是電動機與主軸融合在一起的產物，電動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台高速電動機。關鍵技術是高速度下的動平衡；

潤滑：電主軸的潤滑一般採用定時定量油氣潤滑；也可以採用脂潤滑，但相應的速度要打折扣。所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個叫定量閥的器件，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，在軸承高速旋轉時會因油的阻力而發熱。

冷卻裝置：為了儘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冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的温度。

內置脈衝編碼器：為了實現自動換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內置一脈衝編碼器，以實現準確的相角控制以及與進給的配合。

自動換刀裝置：為了應用於加工中心，電主軸配備了自動換刀裝置，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，已被實踐證明不適合於高速加工。這種情況下出現了HSK、SKI等高速刀具。

高頻變頻裝置：要實現電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉的轉速，必須用一高頻變頻裝置來驅動電主軸的內置高速電動機，變頻器的輸出頻率必須達到上千或幾千赫茲 ^[2]  。

機牀主軸(7張)

20世紀30年代以前，大多數機牀的主軸採用單油楔的滑動軸承。隨着滾動軸承製造技術的提高，後來出現了多種主軸用的高精度、高剛度滾動軸承。這種軸承供應方便，價格較低，摩擦係數小，潤滑方便，並能適應轉速和載荷變動幅度較大的工作條件，因而得到廣泛的應用。但是滑動軸承具有工作平穩和抗振性好的優點,特別是各種多油楔的動壓軸承，在一些精加工機牀如磨牀上用得很多。

50年代以後出現的液體靜壓軸承，精度高，剛度高，摩擦係數小，又有良好的抗振性和平穩性，但需要一套複雜的供油設備，所以只用在高精度機牀和重型機牀上。氣體軸承高速性能好,但由於承載能力小,而且供氣設備也複雜，主要用於高速內圓磨牀和少數超精密加工機牀上。

70年代初出現的電磁軸承，兼有高速性能好和承載能力較大的優點，並能在切削過程中通過調整磁場使主軸作微量位移，以提高加工的尺寸精度，但成本較高，可用於超精密加工機牀。

數控機牀一般採用直流或交流主軸伺服電動機實現主軸無級變速。

交流主軸電動機及交流變頻驅動裝置（籠型感應交流電動機配置矢量變換變頻調速系統），由於沒有電刷，不產生火花，所以使用壽命長，且性能已達到直流驅動系統的水平，甚至在噪聲方面還有所降低。因此，應用較為廣泛。

主軸傳遞的功率或轉矩與轉速之間的關係。當機牀處在連續運轉狀態下，主軸的轉速在437~3500r/min範圍內，主軸傳遞電動機的全部功率11kW，為主軸的恆功率區域Ⅱ（實線）。在這個區域內，主軸的最大輸出扭矩（245N.m）隨着主軸轉速的增高而變小。主軸轉速在35~437r/min範圍內，主軸的輸出轉矩不變，稱為主軸的恆轉矩區域Ⅰ（實線）。在這個區域內，主軸所能傳遞的功率隨着主軸轉速的降低而減小。電動機超載（允許超載30min）時，恆功率區域和恆轉矩區域。電動機的超載功率為15kW，超載的最大輸出轉矩為334N.m。

數控機牀在實際生產中，並不需要在整個變速範圍內均為恆功率。一般要求在中、高速段為恆功率傳動，在低速段為恆轉矩傳動。為了確保數控機牀主軸低速時有較大的轉矩和主軸的變速範圍儘可能大，有的數控機牀在交流或直流電動機無級變速的基礎上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速。

主軸是加工中心的主要組成部分之一，因為它的設計直接影響到加工效率和工件質量。因此，主軸設計（靜態和動態剛度，軸的直徑，軸承，設計參數等）已得到了深入研究[5-8]。機牀主軸加速器的性能主要取決與為所需的速度和動力傳動比的優化設計。尤其是，兩個因素必須考慮，因為它們在主軸調速裝置的優化設計方面非常重要，這兩個因素是最小的體積和最小的傳輸動能。 

為了減輕重量，主軸調速裝置的體積必須要最小化，並且不能減少機牀操作所需的空間。但是，同樣，機械主軸加速器必須要為長期的生產工作而設計，因此，傳輸動能必須最少以確保最佳的性能。 

主軸調速裝置的設計導致了基於行星齒輪序列（PGTs）的傳動裝置的使用，因為行星齒輪序列PGTs提供了一個非常緊湊、高效的解決方案（減少了普通齒輪序列的重量和尺寸），它的速率高，效率高。PGTs還用在許多配備了汽車變速箱的機器設備中，從而延長了機牀低速主軸驅動電機的恆功率範圍 ^[3]  。