一种新型电主轴冷却水流量自动检测装置

李潇冰

（陕西工业职业技术学院校办工厂，陕西咸阳712000）

随着超高速数控机床的迅速发展，高效、高精、高自动化已是决定机床性能的关键，主轴的设计更是焦点所在，而电主轴已成为无可替代的主轴功能部件。

1 电主轴的特点

电主轴也叫内装电动机式主轴，是将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，将机床主轴与交流伺服电动机轴做成一个整体，并经过精确的动平衡校正，其回转精度和稳定性较好。在机床中使用电主轴，通电后转子直接带动主轴运转，没有中间环节的损耗，提高了机床的加工精度和工作可靠性。电主轴的工作不仅转速高，而且要求有很高的角减速度和角加速度、在指定角度快速停止。但在结构设计、制造和控制方面的要求非常严格，比如电主轴的散热、润滑及精密控制等。在设计中，必须妥善地解决这些问题，才能确保主轴稳定可靠地高速运转，实现高效精密加工。

2 电主轴发热问题的提出

电主轴的主轴轴承和内藏式主电动机是电主轴运转中的主要热源，内装式电动机简化了主轴单元结构，但发热使电主轴热态特性和动态特性变差。主轴轴承设计在主电动机旁边，是电主轴的核心支承，也是其主要热源之一。大多数高速电主轴采用角接触陶瓷球轴承，也是因为陶瓷轴承的热膨胀小，使轴承的预紧力稳定。在此前提下还需要有合理的预紧力和良好而充分的润滑。

内藏式主电动机的发热是电主轴的第二大热源，电动机的发热会影响机床工作的可靠性。常采用外循环和内循环冷却结构，冷却介质可以是水或油，使电动机与前后轴承都能得到充分冷却。一般设计中，采用气、油润滑和喷射润滑等技术解决发热，并使冷却液由电主轴孔通向刀柄起到冷却作用。

电主轴结构紧凑，不能像三相异步电动机那样用风扇冷却，与三相异步电动机相比功率体积比大，所以必须用循环水对电主轴进行冷却，循环水充分不间断地供给才能使电主轴正常工作。如果循环水流量不够，循环水带走的热量就会少于电主轴产生的热量，电主轴的热平衡温度就会升高;当热平衡温度高于电主轴允许的最高温度时，电主轴就会被烧坏。

3 电主轴发热问题解决方法的提出

目前国内使用电主轴及其循环水冷却系统的企业很多，但其循环水冷却系统均无可靠的冷却水流量检测装置，常常出现因冷却水流量不足，引起电主轴散热不充分，使其温度升高而导致损坏。

笔者所在的是工具磨床生产厂家，随着高速磨削的发展，电主轴的转速也在不断提高。像数控阀芯槽及倒角磨床主轴转速为24 000 r/min，数控立式磨床主轴转速达到51 000 r/min，数控球笼窗口磨床主轴转速高达60 000 r/min。对电主轴冷却系统的创新改进已提到议事日程。

考虑到电主轴冷却系统水流量必须用一种装置实行自动检测，在2008年开发新产品XYJ－2017数控内螺纹磨床设计中，我们首次安装了一种电主轴冷却水流量检测装置，能可靠地在线检测电主轴冷却系统循环水的流量，当水流量不足时能及时报警并停止电主轴工作。其结构简单、制造成本低廉、自动化程度高。

4 电主轴冷却水流量自动检测装置

4.1 冷却系统原理

本电主轴冷却水流量检测装置，是在水箱上表面固定设有水流量检测装置，在循环水流量不足时能及时报警，告知CNC停止电主轴工作，可避免电主轴工作时因温度过高而损坏，引发机械事故。

冷却系统原理如图1所示。在水箱1与电主轴5之间设有两条管道，在进水管道6上设有电动机3和水泵4构成抽水装置，出水管道7通过水流量检测装置8与水箱1相连接。

4.2 冷却系统检测装置介绍

在水箱内设有进水管和出水口，在水箱一侧设有溢水管，水箱内设置有浮球，浮球上面固定设有金属杆并与水箱上面所设的孔滑动连接;在水箱上面设有一支架，在支架上设有无触点感应开关，局部结构如图2。电主轴冷却系统的回水经过检测装置的进水管6，流入流量比较水箱3之后，在重力作用下从出水口流出。当电主轴冷却系统回水流入量小于出水口可通过的最大流量时，流入的水全部从出水口流出，浮球2在原位置不动，无触点感应开关5无信号输出，告知CNC系统电主轴冷却水流量不足。当电主轴冷却系统回水流入量大于出水口可通过的最大流量时，回入的水有一部分从出水口流出，剩余在流量比较水箱3中的水随时间的增长而不断增加，使浮球2亦逐渐向上移动;当浮球2带动金属杆4靠近无触点感应开关5时，无触点感应开关5接通，信号输出，告知CNC系统电主轴冷却水流量正常。另外，当比较水箱3的水液面超过溢水管1的管口高度时，水溢出。本装置检测的最小水流量是可调整的，使用本装置者应按照电主轴冷却系统对最小水流量的规定进行调整。调整方法:松开螺钉8，适当移动调整板7，向左移动流量减少，向右移动流量增大，然后紧固螺钉8。

5 使用实例

在新产品XYJ－2015数控阀芯槽倒角磨床研制中，连续使用8个月，每天三班24 h工作不间断，电主轴循环水冷却系统发生过两次故障:一次是水泵连接电缆线接头松动，致使水泵停转;另一次是水泵出现机械故障不能供水。两次故障该装置均发出信号，CNC得到信号后停止加工程序，并停止电主轴工作，避免了电主轴损坏等事故的发生。XYJ－2015数控阀芯槽倒角磨床主要用于磨削阀芯，XYJ－2017数控专用内螺纹磨床主要用于磨削内螺纹，MKA6032X4数控工具磨床主要用于磨削刀具。这3台机床都用了此电主轴冷却系统水流量自动检测装置，区别仅仅只是电主轴功率不同，冷却系统水流量大小不同，使用场合不同。

本装置已申请了实用新型专利（专利号201020539551），在后续新产品研发中，冷却系统基本都采用了该装置，该装置已经成为我们厂的经典结构。实践证明，该装置使用效果非常好。