作者：李勁夫
（衡陽財經工業職業技術學院）

　　近年來，美國、日本、德國、英國等發達國家，在制造大量數控機床的同時，也非常重視對普通機床的數控化改造，形成了用數控技術改造機床和生產線的新的行業和領域。電主軸具有結構緊湊、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，簡化機床外形設計，易于實現主軸定位，是高速主軸單元中一種理想結構。目前國內電主軸技術已經應用到內外表面磨削、高速數控銑、高速雕銑、加工中心、PCB板數控鉆銑、高速數控車、高速離心、高速旋碾、高速試驗等領域。內裝式電主軸單元將電機和高精度主軸結合在一起，使機床擺脫了機械傳動的束縛，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。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[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、內置編碼器、換刀裝置等。電主軸則將異步電機的轉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節，實現了主電機與機床主軸的一體化，使機床的主傳動系統實現了所謂的“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速。電主軸外形結構如圖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。筆者在討論數控化改造時所應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。當軸承的速度因值在范圍時適宜采用油霧潤滑，因此轉速為的高速主軸一般均采用油霧潤滑。當電主軸高速旋轉時油霧可在軸承溝道內形成流體動力潤滑油膜。油霧潤滑屬持續潤滑，油霧經過油路，源源不斷進人軸承，有利于高速電主軸穩定工作。油霧潤滑所需設備簡單，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有很多種，筆者討論和設計了一種能夠應用到高速電主軸的迷宮裝置。
　　3　迷宮密封裝置的設計
　　迷宮密封就是人為地在泄漏通道內加設許多個齒或槽，來增加泄漏流動中的阻力，使造成泄漏的壓差急驟地損失。若迷宮設計良好，泄漏通道兩端的壓差全部損失后，可以實現封嚴不漏。筆者在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生阻力并使其流量減少的機能稱為“迷宮效應”。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備本體時一并設計制造。只要密封件加工裝配良好，在運行中就不致發生其它密封件經常發生的事故，一般不需要額外加以維護。無摩擦、功耗小，使用壽命長。筆者設計的具有迷宮密封裝置的高速電主軸結構如圖2所示。

圖2　具有迷宮密封的電主軸結構圖
 

　　4　迷宮密封的機理
　　迷宮密封機理是很復雜的。泄露混合流在迷宮中流動時，因粘性而產生的摩擦，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成了磨阻效應，前者與通道的長度和截面形狀有關，后者與迷宮的彎曲數和幾何形狀有關。一般是：當流道長、拐彎急、齒頂尖時，阻力大，壓差損失顯著，泄露量減小。
　　4.1泄漏量的計算
　　在我們設計的迷宮密封側要求有一定量的保護氣體以較高的流速進入電主軸內，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氣體膨脹，勢能轉變成動能，在Z后迷宮槽內，氣體比容增大，流速提高，在一定壓差下，進入電主軸內的保護氣體具有極高的動能，阻止微粒進入密封腔，從而使密封結構正常工作。Z后一個迷宮室內的流動條件可根據迷宮出口（電主軸內側）和入口（保護氣分配環）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　結論
　　對采用油霧潤滑方式的高速電主軸設計了一種迷宮密封結構進行密封，對迷宮密封的泄漏量和混合氣流速度進行了計算，結果與預期相符合，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，能夠被應用到具有粉塵顆粒的環境中。

來源：《煤礦機械》