【分　 类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 加工中心  高速电主轴 密封设计
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四、电主轴密封技术的改进
对于精密电主轴来说，在干净、干燥和不受环境振动影响，以及没有对轴承和润滑剂产生不利影响的速度变化、载荷变化和过热温度的环境下，最理想的状况是主轴尺寸配合精确、安装正确，润滑适当。然而，现实并非如此。
   主轴为什么会失效？据我们和主要用户——轴承制造商的共同研究分析，主轴失效最为常见的原因是由于污物造成的。一旦污物进入主轴，就会发生磨损，用不了多少时间轴承便会完全损坏，除非进行大修或更换主轴，否则主轴和机床就会变成无用废铁。
   清洁生产线与合成专用润滑脂等方面的改进，以及选用具有防腐蚀特性的轴承材料大幅度降低了污物对轴承的侵害。但，由污物造成的最常见的失效仍是因为密封不好而造成的。为防止冷却液及所含污物进入主轴，常用的密封方式有以下四种：
（1） 小间隙型密封
在油雾（油气）润滑的电主轴中应用比较多，因为在前螺帽和前小盖之间的间隙有
油气排出，所以在考虑其间隙的大小时一方面要求对轴承能起到一定的密封效果，另一方面要使废油气畅通地排出，经过长期研究和大量试验表明其直径间隙在0.4～0.6mm范围内比较合理，轴向间隙一般控制在0.5～1mm范围，根据基本尺寸的大小选择合适的间隙量
（2  迷宫型密封
迷宫型密封是在小间隙型密封的基础上延长了间隙密封长度的一种密封形式。德国GMN公司的TSSV系列磨用电主轴多为此种结构。轴头结构参见附图4。在具体的设计中需要根据具体的位置空间和工作条件进行选择单迷宫、双迷宫或者多迷宫密封结构。
 
 
 
（3） 飞檐型密封
飞檐型密封是在旋转件前螺帽上设计了甩水边，从而达到阻止水和杂质进入轴承的目的。图5和图6是飞檐型密封结构，并且在防尘盖和前轴承座之间采用O型密封圈密封，防止水及1.转轴 2. 前螺帽3. 前小盖 4.防尘盖 5. 前轴承座
杂质沿着零件之间的间隙进入到轴承部位。这种结构设计简单， 加工工艺性良好，和小间隙型密封或者迷宫型密封结合使用密封效果会更加理想。
（4）高压气密封
气密封是二十世纪七十年代末期从气体动压轴承的基础上发展起来的一种新型非接触式密封。该密封利用流体动力学原理，通过在密封端面上开设动压槽而实现密封端面的非接触运行。经过数年的研究，英国的约翰克兰公司于七十年代末期率先将气密封应用到海洋平台的气体输送设备上，并获得成功。气密封最初是为解决高速离心压缩机轴封问题而出现的，由于密封属非接触式运行，因此密封摩擦副材料基本不受PV值的限制，特别适合作为高速、高压设备的轴封。随着气密封技术的日益 成熟，其应用范围也越来越宽广，目前，气密封正逐渐在离心泵及搅拌器上得到应用，并逐步向高速电主轴范畴发展。右图所示，是我公司具有代表性的高压气密封结构。
高压洁净的空气通过前轴承座上的空腔进入到挡板与前小盖之间的环形腔内，再通过圆周均布的小孔到达挡板与前螺帽之间的环槽腔，随着转轴的高速旋转，高压空气形成围绕前螺帽旋转并且压力几乎均匀的气流从环形小间隙泄流，形成高压气密封环，阻碍了杂质和水的进入。前螺帽上设计了几个环形尖角，当发生供气故障或由于机床停机而供气中断时，若有少量的水渗入前螺帽和挡板之间的间隙时，前螺帽上的尖角就会阻止水继续渗入，随着前螺帽的转动，水会被甩入尖角对应的环形引导槽，从挡板和防尘盖正下方引导槽或者引导孔排出电主轴。这种气密封结构对电主轴轴承起到了很好的防护作用，提高了电主轴的使用寿命和可靠性。
五、主轴系统冷却方式的合理确定
电主轴结构由于电机位于主轴单元中，其自然散热条件较差，电动机在高速旋转过程中，电动机功率损耗产生的热量，电动机转子高速旋转，搅动内腔空气发热，这些热源产生的热量主要通过主轴壳体和主轴进行散热，所以电机产生的热量有相当一部分会通过主轴传到轴承上去，因而影响轴承的寿命，并且会使主轴产生热伸长，影响加工精度和寿命。
除了电机的发热之外，主轴轴承的发热也不容忽视，引起轴承发热的因素很多，也很复杂，主要有滚子与滚道的滚动摩擦、高速下所受陀螺力矩产生的滑动摩擦、润滑油的粘性摩擦等。上述各种摩擦会随着主轴转速的升高而加剧，发热量也随之增大，温升增加，轴承的预紧量增大，这样反过来又加剧了轴承的发热，再加上主轴电机的热辐射和热传导，所以主轴轴承必须合理润滑和冷却，否则，无法保证电主轴高速运转。
从以上分析可以看出，为改善电主轴的热特性，电机冷却必不可省。采取的主要措施是在电机定子与壳体连接处设计循环冷却水套。水套用热阻较小的材料制造，套外环加工有螺旋水槽，电机工作时，水槽里通入循环冷却水，为加强冷却效果，冷却水的入口温度应严格控制，并有一定的压力和流量。另外，为防止电机发热影响主轴轴承，主轴应尽量采用热阻较大的材料，使电机转子的发热主要通过气隙传给定子，由冷却水吸收带走。
这样，电主轴达到稳定可靠的内部运行环境确保其具有较高的寿命和精度。
六、主轴单元的动平衡
高速旋转的主轴，由于转动部件材质的不均匀，毛配缺陷、加工和装配等原因，是质量分布不均匀，形成偏心。当转子转动时，就形成不平衡的偏心力，从而使整个主轴系统产生有害的振动和噪声，降低轴承及整个主轴系统的使用寿命，影响整个主轴系统的动态工作精度。为此，必须对电主轴系统做精确的动平衡。一般都执行ISO标准G1～G0.4级(G＝ew，e为质量中心与回转中心之间的位移，即偏心量；w为角速度)。对于这种等级的动平衡要求，采用常规的方法仅在装配前对主轴的每个零件分别进行动平衡是不够的，还需在装配后进行整体精确动平衡，甚至还要设计专门的自动平衡系统来实现主轴在线动平衡，以确保主轴高速平稳运行。
七、电主轴轴端的合理设计
    随着机床向高速、高精度、大功率方向发展，机床的结构刚性越来越好，而主轴与刀具的结合面多年来仍沿用标准化的7/24锥度配合。分析表明，刀尖25%～50%的变形来源于7/24锥度连接，只有40%左右的变形源于主轴和轴承。因此，主轴轴端的合理设计已不容忽视。
高速加工要求确保高速下主轴与刀具连接状态不能发生变化。但是，高速主轴的前端由于离心力的作用会使主轴膨胀(如图3)，如30号锥度主轴前端在30000r/min时，膨胀量为4～5µm，然而，标准的7/24实心刀柄不会有这样大的膨胀量，因此连接的刚度会下降，而且刀具的轴向位置也会发生改变。主轴的膨胀还会引起刀柄及夹紧机构质心的偏离，从而影响主轴的动平衡。要保证这种连接在高速下仍有可靠的接触定位，需要一个很大的过盈量来抵消主轴轴端的膨胀，如标准40号锥需初始过盈量为15～20µm，而且还需预加过盈来消除锥配合的公差带。这样大的过盈量需拉杆产生很大的预紧拉力，而拉杆产生这样大的拉力一般很难，对换刀也非常不利，还会使主轴膨胀，对主轴前轴承有不良影响。设计一种端面定位并使定位面具有很大的摩擦以防止主轴膨胀的刀轴连接结构，便可解决上述问题。

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