作者：李勁夫
（衡陽(yáng)財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

　　近年來(lái)，美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，在制造大量數(shù)控機(jī)床的同時(shí)，也非常重視對(duì)普通機(jī)床的數(shù)控化改造，形成了用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線的新的行業(yè)和領(lǐng)域。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動(dòng)小、噪音低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，可以減少齒輪傳動(dòng)，簡(jiǎn)化機(jī)床外形設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中一種理想結(jié)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)電主軸技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到內(nèi)外表面磨削、高速數(shù)控銑、高速雕銑、加工中心、PCB板數(shù)控鉆銑、高速數(shù)控車、高速離心、高速旋碾、高速試驗(yàn)等領(lǐng)域。內(nèi)裝式電主軸單元將電機(jī)和高精度主軸結(jié)合在一起，使機(jī)床擺脫了機(jī)械傳動(dòng)的束縛，簡(jiǎn)化了機(jī)床結(jié)構(gòu)，同時(shí)消除了由機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲，降低了成本。因此，研究將電主軸技術(shù)應(yīng)用到機(jī)床行業(yè)的數(shù)控改造具有廣泛的前景和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
　　1　電主軸簡(jiǎn)介
　　電主軸是Z近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)，它與直線電機(jī)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[3]。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(rùn)滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置等。電主軸則將異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接通過(guò)過(guò)盈配合與機(jī)床主軸相連，從而取消了從主電動(dòng)機(jī)到主軸之間一切中間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了主電機(jī)與機(jī)床主軸的一體化，使機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了所謂的“零傳動(dòng)”。電主軸就是利用變換輸入電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流的頻率和激磁電壓來(lái)獲得各種轉(zhuǎn)速。電主軸外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　電主軸外形圖

　　2　電主軸的潤(rùn)滑和密封
　　在高速電主軸的使用過(guò)程中，電主軸的潤(rùn)滑和密封非常重要。電主軸的潤(rùn)滑一般采用定時(shí)定量油氣潤(rùn)滑；也可以采用脂潤(rùn)滑，但相應(yīng)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(rùn)滑油的油量。而油氣潤(rùn)滑，指的是潤(rùn)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(rùn)滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因油的阻力而發(fā)熱。筆者在討論數(shù)控化改造時(shí)所應(yīng)用的高速電主軸中的潤(rùn)滑采用油霧潤(rùn)滑。油霧潤(rùn)滑是一種具有潤(rùn)滑與冷卻雙重作用的潤(rùn)滑方式，它以壓縮空氣為動(dòng)力，通過(guò)油霧器使油液霧化并混人空氣流中，然后輸送到需要潤(rùn)滑的地方。當(dāng)軸承的速度因值在范圍時(shí)適宜采用油霧潤(rùn)滑，因此轉(zhuǎn)速為的高速主軸一般均采用油霧潤(rùn)滑。當(dāng)電主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)油霧可在軸承溝道內(nèi)形成流體動(dòng)力潤(rùn)滑油膜。油霧潤(rùn)滑屬持續(xù)潤(rùn)滑，油霧經(jīng)過(guò)油路，源源不斷進(jìn)人軸承，有利于高速電主軸穩(wěn)定工作。油霧潤(rùn)滑所需設(shè)備簡(jiǎn)單，維修方便，是廣泛使用的一種高速電主軸潤(rùn)滑方式。盡管油霧潤(rùn)滑方式價(jià)格比較便宜，但它也有污染環(huán)境，損害工人健康，油耗比較高等缺點(diǎn)。對(duì)于高速電主軸軸承會(huì)因?yàn)橛懈鞣N微小顆粒的進(jìn)入而影響到精度和壽命，這會(huì)大大影響電主軸的性能。高速電主軸的密封技術(shù)有很多種，筆者討論和設(shè)計(jì)了一種能夠應(yīng)用到高速電主軸的迷宮裝置。
　　3　迷宮密封裝置的設(shè)計(jì)
　　迷宮密封就是人為地在泄漏通道內(nèi)加設(shè)許多個(gè)齒或槽，來(lái)增加泄漏流動(dòng)中的阻力，使造成泄漏的壓差急驟地?fù)p失。若迷宮設(shè)計(jì)良好，泄漏通道兩端的壓差全部損失后，可以實(shí)現(xiàn)封嚴(yán)不漏。筆者在機(jī)床數(shù)控化改造的過(guò)程中采用的潤(rùn)滑方式為油霧潤(rùn)滑。油液霧化后與空氣混合后送到需要潤(rùn)滑的地方。對(duì)于含有油霧的氣流通過(guò)迷宮產(chǎn)生阻力并使其流量減少的機(jī)能稱為“迷宮效應(yīng)”。對(duì)一般密封所不能勝任的高溫、高壓、高速和大尺寸密封部位，都可以做到封嚴(yán)不漏，特別是高速下密封性能好。通常不需要采用其它密封材料，且密封零件可以在制造設(shè)備本體時(shí)一并設(shè)計(jì)制造。只要密封件加工裝配良好，在運(yùn)行中就不致發(fā)生其它密封件經(jīng)常發(fā)生的事故，一般不需要額外加以維護(hù)。無(wú)摩擦、功耗小，使用壽命長(zhǎng)。筆者設(shè)計(jì)的具有迷宮密封裝置的高速電主軸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　具有迷宮密封的電主軸結(jié)構(gòu)圖
 

　　4　迷宮密封的機(jī)理
　　迷宮密封機(jī)理是很復(fù)雜的。泄露混合流在迷宮中流動(dòng)時(shí)，因粘性而產(chǎn)生的摩擦，使流速減慢流量（泄露量）減少。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，混合流體沿流道的沿程摩擦和局部磨阻構(gòu)成了磨阻效應(yīng)，前者與通道的長(zhǎng)度和截面形狀有關(guān)，后者與迷宮的彎曲數(shù)和幾何形狀有關(guān)。一般是：當(dāng)流道長(zhǎng)、拐彎急、齒頂尖時(shí)，阻力大，壓差損失顯著，泄露量減小。
　　4.1泄漏量的計(jì)算
　　在我們?cè)O(shè)計(jì)的迷宮密封側(cè)要求有一定量的保護(hù)氣體以較高的流速進(jìn)入電主軸內(nèi)，以阻止微小固體微粒進(jìn)行密封腔。氣流通過(guò)梳齒流動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣體膨脹，勢(shì)能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，在Z后迷宮槽內(nèi)，氣體比容增大，流速提高，在一定壓差下，進(jìn)入電主軸內(nèi)的保護(hù)氣體具有極高的動(dòng)能，阻止微粒進(jìn)入密封腔，從而使密封結(jié)構(gòu)正常工作。Z后一個(gè)迷宮室內(nèi)的流動(dòng)條件可根據(jù)迷宮出口（電主軸內(nèi)側(cè)）和入口（保護(hù)氣分配環(huán)）處的壓力比確定，臨界音速壓比：

　　此時(shí)空氣通過(guò)梳齒的速度為，可以阻止微小顆粒進(jìn)入密封腔，能夠確保密封裝置正常地工作。
　　5　結(jié)論
　　對(duì)采用油霧潤(rùn)滑方式的高速電主軸設(shè)計(jì)了一種迷宮密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封，對(duì)迷宮密封的泄漏量和混合氣流速度進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果與預(yù)期相符合，泄漏量滿足使用要求，并能較好地滿足阻止微小固體顆粒進(jìn)入電主軸內(nèi)，能夠被應(yīng)用到具有粉塵顆粒的環(huán)境中。

來(lái)源：《煤礦機(jī)械》