作者：李（lǐ）勁夫
（衡陽財（cái）經工業職業技術學院（yuàn））

　　近年來，美國、日本、德國、英國等發達（dá）國家，在製造大量數控機床的同時，也非（fēi）常重視對普通機床（chuáng）的數控化改造，形成了用數控技術改造（zào）機床和生（shēng）產線的新的行業和（hé）領域。電（diàn）主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪音低、響應快等優點，可以減少齒輪傳動（dòng），簡化機床外形設計，易於實現主軸定位，是高速主軸單元中一種理想結構。目前國內（nèi）電主軸（zhóu）技術已經應用到內外（wài）表麵磨削、高速數控銑、高速雕銑、加工中心、PCB板數控鑽銑、高速（sù）數控車、高速離心、高速旋碾、高（gāo）速試驗等領域。內裝（zhuāng）式電主軸單元將電機和高精度主（zhǔ）軸結合在一起，使機床擺脫了（le）機械傳動的束縛，簡化了機床結構，同時消除了由機械傳動產生的振動噪聲，降低了成本（běn）。因此，研究將電主軸技術應用到機床行業的數控改造具有廣泛的前景和可觀的（de）經濟效益。
　　1　電主軸簡介
　　電主軸是Z近幾年在數控機床領域出現的將機床主軸（zhóu）與主軸電機融為一體的新技術，它與直（zhí）線電機技術、高速刀具技術一起，將會把高速加（jiā）工推向一（yī）個新時代[3]。電主軸是（shì）一套組件（jiàn），它包括電主軸本身及其附件：電主（zhǔ）軸（zhóu）、高頻變（biàn）頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內置編碼器、換刀裝置等（děng）。電主軸則將異步電機的轉子直接通過過盈（yíng）配合與機床（chuáng）主軸相（xiàng）連，從而（ér）取消了（le）從主（zhǔ）電動機到主軸之間（jiān）一切中間的（de）機械傳動環節，實現了主電機與機床主軸的一體化（huà），使機床（chuáng）的主（zhǔ）傳動係統實現了所謂的“零傳（chuán）動”。電主軸就是利用變（biàn）換輸入電動機定子繞組的電流的頻率和激磁電壓來（lái）獲得各種轉速。電主軸外形結（jié）構如（rú）圖1所示。

圖1　電主軸（zhóu）外形圖

　　2　電主軸的潤滑和密封
　　在高速電主軸的（de）使用過程中，電主軸（zhóu）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（qì）潤滑；也可以采用脂潤滑，但相應的速度要打折扣。所謂定時，就是每隔（gé）一定（dìng）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（què）地控製每次潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的（de）攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控製很重要，太少，起（qǐ）不到潤滑作用；太多，在軸（zhóu）承高速旋轉時會因油的阻力而發熱。筆者在討論數控化改造時所應用的高（gāo）速電主軸中的潤滑采用（yòng）油霧潤滑。油霧潤滑是一種具有（yǒu）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（qì）使油（yóu）液（yè）霧化並混人空氣流中，然後輸送（sòng）到需要潤滑的地方。當（dāng）軸承的速度因（yīn）值在（zài）範圍（wéi）時適宜采用油霧潤滑，因此轉（zhuǎn）速為的高速主軸（zhóu）一般均采用（yòng）油霧潤（rùn）滑。當電主軸高速旋轉時油霧可在軸承溝（gōu）道內形成流體動力（lì）潤滑（huá）油膜（mó）。油霧潤（rùn）滑屬持續（xù）潤滑，油霧經過油路（lù），源源不斷進人軸承，有利（lì）於高速電主軸穩定工作。油霧潤滑所需設備簡單，維修（xiū）方便，是廣泛使用的一種（zhǒng）高速電主（zhǔ）軸潤滑方式。盡管油霧潤滑方式價格比較（jiào）便宜（yí），但它也有（yǒu）汙染環境，損害工人健康，油耗比較（jiào）高等缺點（diǎn）。對於高速電主（zhǔ）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（diàn）主軸的密封技術有很多種，筆者討論和設計了一（yī）種能夠應用到高速（sù）電主軸的迷宮裝置（zhì）。
　　3　迷宮密封裝置的設計（jì）
　　迷宮密封就是人為地在泄漏（lòu）通道內加設許多個（gè）齒（chǐ）或槽（cáo），來增加泄（xiè）漏流（liú）動中的阻力，使造成（chéng）泄（xiè）漏的壓差急驟地損（sǔn）失。若迷宮設計良好，泄漏通道兩端的壓差全部損失後，可以實現封嚴不（bú）漏。筆者在（zài）機床數控化改造的過程中采用的潤滑方式為油霧潤滑。油液霧（wù）化後與空（kōng）氣混合後送到（dào）需（xū）要潤滑的地方。對於含有油霧的氣流通（tōng）過迷宮產生（shēng）阻力（lì）並使其流量（liàng）減少（shǎo）的機（jī）能稱為“迷宮效應”。對一般密封所不能勝任的高溫、高（gāo）壓、高（gāo）速和大尺（chǐ）寸密（mì）封部（bù）位，都可以做到（dào）封嚴不漏，特別是高速下密封性能好。通常不需要（yào）采用其它密封材料，且密封零件可以在製造設備（bèi）本體時一並設計製造。隻要（yào）密封件加（jiā）工裝配良好，在運行中就（jiù）不致發生其它密封件（jiàn）經常發生的事故，一般不需要額外加（jiā）以維護（hù）。無摩擦、功耗小，使用（yòng）壽命長。筆者設計的具有迷宮密封裝置的高速電主軸（zhóu）結構如圖2所示。

圖2　具有迷宮密封（fēng）的電主軸結（jié）構圖
 

　　4　迷（mí）宮密封的機理
　　迷（mí）宮（gōng）密封機（jī）理是很複雜的（de）。泄露混合流在迷宮中流動時，因粘性而產生的（de）摩擦，使流速減慢流量（泄露量）減少。簡單說來，混合流體沿（yán）流道的沿程摩擦和局部磨阻構成了磨阻效應，前者（zhě）與通道的（de）長度和截（jié）麵形狀有（yǒu）關，後者與迷宮的彎（wān）曲數（shù）和（hé）幾何形狀有關。一般是：當流道長、拐彎急、齒頂尖時，阻力大，壓差損失顯（xiǎn）著，泄露量減小。
　　4.1泄漏量的計算（suàn）
　　在我們（men）設計的迷宮（gōng）密封側要求有一定量的保護氣體以較高的（de）流速（sù）進入電主（zhǔ）軸內，以阻止微小（xiǎo）固體微粒進行密（mì）封腔。氣流通（tōng）過梳齒流動時會出（chū）現氣體膨脹，勢能轉變成動能，在Z後迷宮（gōng）槽內，氣體比容增大，流速提高，在一定（dìng）壓差下（xià），進入電主（zhǔ）軸內的保護（hù）氣體具有極高（gāo）的動能，阻止微粒（lì）進入密封腔，從而使密封結構正常工作。Z後一個迷宮室內的流動條件可根（gēn）據迷（mí）宮出口（電主軸內側）和入口（保護氣分配環）處的壓力（lì）比確定，臨界音（yīn）速壓比：

　　此時空氣通過（guò）梳齒（chǐ）的速度（dù）為（wéi），可以阻止（zhǐ）微小顆（kē）粒進入密封腔，能夠確保密封裝置正（zhèng）常地工作。
　　5　結論
　　對采用油霧（wù）潤滑方式的高速電主軸設（shè）計了一（yī）種迷宮密封結構（gòu）進行密封，對迷宮（gōng）密封的泄漏量和混合氣流速度進（jìn）行了計算，結果（guǒ）與預期相符合（hé），泄漏量滿足使用（yòng）要求，並能較好地滿足阻止微（wēi）小固體顆粒進入電主軸內（nèi），能夠被應用（yòng）到具有粉塵顆粒的環境中。

來源：《煤礦機械》