作者：李勁夫
（衡陽財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

　　近年來，美國、日本、德國、英國等發(fā)達國家，在制造大量數(shù)控機床的同時，也非常重視對普通機床的數(shù)控化改造，形成了用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(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、振動小、噪音低、響應(yīng)快等優(yōu)點，可以減少齒輪傳動，簡化機床外形設(shè)計，易于實現(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、高速試驗等領(lǐng)域。內(nèi)裝式電主軸單元將電機和高精度主軸結(jié)合在一起，使機床擺脫了機械傳動的束縛，簡化了機床結(jié)構(gòu)，同時消除了由機械傳動產(chǎn)生的振動噪聲，降低了成本。因此，研究將電主軸技術(shù)應(yīng)用到機床行業(yè)的數(shù)控改造具有廣泛的前景和可觀的經(jīng)濟效益。
　　1　電主軸簡介
　　電主軸是Z近幾年在數(shù)控機床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術(shù)，它與直線電機技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將會把高速加工推向一個新時代[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的轉(zhuǎn)子直接通過過盈配合與機床主軸相連，從而取消了從主電動機到主軸之間一切中間的機械傳動環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了主電機與機床主軸的一體化，使機床的主傳動系統(tǒng)實現(xiàn)了所謂的“零傳動”。電主軸就是利用變換輸入電動機定子繞組的電流的頻率和激磁電壓來獲得各種轉(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　電主軸的潤滑和密封
　　在高速電主軸的使用過程中，電主軸的潤滑和密封非常重要。電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑；也可以采用脂潤滑，但相應(yīng)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(zhuǎn)時會因油的阻力而發(fā)熱。筆者在討論數(shù)控化改造時所應(yīng)用的高速電主軸中的潤滑采用油霧潤滑。油霧潤滑是一種具有潤滑與冷卻雙重作用的潤滑方式，它以壓縮空氣為動力，通過油霧器使油液霧化并混人空氣流中，然后輸送到需要潤滑的地方。當(dāng)軸承的速度因值在范圍時適宜采用油霧潤滑，因此轉(zhuǎn)速為的高速主軸一般均采用油霧潤滑。當(dāng)電主軸高速旋轉(zhuǎn)時油霧可在軸承溝道內(nèi)形成流體動力潤滑油膜。油霧潤滑屬持續(xù)潤滑，油霧經(jīng)過油路，源源不斷進人軸承，有利于高速電主軸穩(wěn)定工作。油霧潤滑所需設(shè)備簡單，維修方便，是廣泛使用的一種高速電主軸潤滑方式。盡管油霧潤滑方式價格比較便宜，但它也有污染環(huán)境，損害工人健康，油耗比較高等缺點。對于高速電主軸軸承會因為有各種微小顆粒的進入而影響到精度和壽命，這會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
　　迷宮密封就是人為地在泄漏通道內(nèi)加設(shè)許多個齒或槽，來增加泄漏流動中的阻力，使造成泄漏的壓差急驟地?fù)p失。若迷宮設(shè)計良好，泄漏通道兩端的壓差全部損失后，可以實現(xiàn)封嚴(yán)不漏。筆者在機床數(shù)控化改造的過程中采用的潤滑方式為油霧潤滑。油液霧化后與空氣混合后送到需要潤滑的地方。對于含有油霧的氣流通過迷宮產(chǎn)生阻力并使其流量減少的機能稱為“迷宮效應(yīng)”。對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)備本體時一并設(shè)計制造。只要密封件加工裝配良好，在運行中就不致發(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。無摩擦、功耗小，使用壽命長。筆者設(shè)計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　迷宮密封的機理
　　迷宮密封機理是很復(fù)雜的。泄露混合流在迷宮中流動時，因粘性而產(chǎn)生的摩擦，使流速減慢流量（泄露量）減少。簡單說來，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、拐彎急、齒頂尖時，阻力大，壓差損失顯著，泄露量減小。
　　4.1泄漏量的計算
　　在我們設(shè)計的迷宮密封側(cè)要求有一定量的保護氣體以較高的流速進入電主軸內(nèi)，以阻止微小固體微粒進行密封腔。氣流通過梳齒流動時會出現(xiàn)氣體膨脹，勢能轉(zhuǎn)變成動能，在Z后迷宮槽內(nèi)，氣體比容增大，流速提高，在一定壓差下，進入電主軸內(nèi)的保護氣體具有極高的動能，阻止微粒進入密封腔，從而使密封結(jié)構(gòu)正常工作。Z后一個迷宮室內(nèi)的流動條件可根據(jù)迷宮出口（電主軸內(nèi)側(cè)）和入口（保護氣分配環(huán)）處的壓力比確定，臨界音速壓比：

　　此時空氣通過梳齒的速度為，可以阻止微小顆粒進入密封腔，能夠確保密封裝置正常地工作。
　　5　結(jié)論
　　對采用油霧潤滑方式的高速電主軸設(shè)計了一種迷宮密封結(jié)構(gòu)進行密封，對迷宮密封的泄漏量和混合氣流速度進行了計算，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。

來源：《煤礦機械》