MC内藏主轴介绍

前言

    随著加工技术的进步，工具机业除了强调结构的高刚性外，更追求更高的主轴转速与进给速度。目前除国内几家较大的工具机厂有自行研发高速内藏主轴外，其余大多自国外进口或是购买国内的内藏主轴。台中精机近年积极开发高速主轴，现阶段在直结式高速主轴已趋成熟的当下，开发内藏式高速主轴便是下一阶段的重点目标；而目前14000rpm内藏主轴已进入量产阶段，未来将有更多规格的内藏式主轴供客户挑选。

内藏主轴结构

    内藏式主轴系将马达定子固定于主轴座上，而将转子与心轴结合作为转动件的主轴，相较于其它型式主轴，优点是省略了马达与主轴间的传动机构，故高速运转时不会产生过大的噪音与振动，且转速更稳定。

    内藏主轴的结构主要分为：前轴承与轴承座、心轴、转定子、冷却套筒、后轴承与轴承座、油气润滑设备、打刀缸与拉刀爪组。其中前后轴承用以支撑心轴转动，转定子为驱动主轴之内藏马达，打刀缸与拉刀爪组为挟持刀具之设备，冷却套筒则提供外部冷却油循环管路以冷却发热的马达与轴承，油气润滑设备是轴承转动时的润滑介质。   

    一般而言，内藏主轴组成另件的加工质量、组装技术要求与组装设备等级相对较高，再加上主轴于高速运转时，马达及轴承更容易产生高热，为将高热迅速带离，避免影响主轴寿命与精度，因此主轴的冷却装置尤需注意，这也就说明了内藏主轴为何成本会比一般马达来的高。但相对的，内藏主轴的加工效率与加工精度也是一般外置马达的主轴所无法比拟。

轴承选择与排列方式

    内藏主轴大多采用容许转速较高的斜角滚珠轴承，但斜角滚珠轴承在高速运转时容易因内外环温差、离心力、滚珠回转滑动和热膨胀等因素造成预压急剧增加因而导致寿命问题；爲改进上述之缺点，本厂内藏主轴皆采用陶珠轴承来减少预压的增加量；而陶珠轴承由于预压变动量小因此可使用较大的初始预压，这可改进主轴之刚性与切削能力，一般而言转速可提高25~60%、温度降低35~60%、刚性可提高50%以上，而寿命较钢珠轴承提高3~6倍。

    一般内藏主轴较常见之轴承排列有以下两种：大O型式排列、小O排列搭配滚柱轴承。前者的优点是容易达到高转速，且仍能保持一定的径向与轴向刚性。后者的优点则除了能保持一定的轴向刚性外，亦提供相对较佳的径向刚性。 

轴承润滑方式

    本厂内藏主轴采用油气(Oil-Air)润滑系统，这种润滑方式同时具有润滑和冷却目的。油气润滑的原理是将油藉由气流将其散开，经过管路往轴承传送，使其以持续、微雾状的油喷洒在滚子上，用压缩空气带著受控制的最小限油量进入轴承，使润滑产生作用；所谓的最小限油量润滑原理可来说明，当润滑油不足时润滑油膜无法形成，此时轴承温升高且功率损失大，当润滑油量增加到必要之最小限油量时，油膜形成而使滚子与轨道得到充分润滑，此时摩擦热与功率损失同时降到最小，但如果润滑油量再继续增加将导致温升和功率损失增加；油气润滑的优点是油耗量很少，持续性的给油可增加轴承的使用寿命。

主轴中心出水

    传统之切削液是由主轴四周喷洒在加工刀具上，而高速切削时产生的大量切屑必须迅速的从加工点部位排除，否则易造成刀具破损或伤害工件表面，主轴中心出水可使切削液由刀刃端喷出，更接近真正切削点，这不仅有助于切屑之排除，也降低刀具温度及延长刀具寿命；更有研究指出此项技术可有效降低所需之切削力且获得更佳的加工精度及表面粗糙度。

其它设计

1.迷宫式轴封：本厂于主轴前端设计有迷宫式轴封，除了多弯道形状外，另有空气气幕，防止切削、切削液等进入前轴承而导致前轴承受损。

2.轴承强制冷却：采用循环式冷却油，强制带走轴承所产生的热量，有效抑制温升，减少主轴热变位，提供更好的加工精度与表面粗糙度。

3.主轴前端环喷系统：客户可以依照需求，调整喷水方向与喷水头使用数量，更贴近客户适合的使用方式。

4.双平面动平衡校正：对高转速之主轴而言，动平衡的要求越趋严苛，厂内主轴设计有双平面动平衡校正环，出厂前皆调校至最佳状态，以提供更好的回转精度，提供客户更佳的真圆度与更好的加工粗糙度。

5.高转速主轴马达：本厂内藏主轴搭配Fanuc之高速主轴马达，于低转速时提供高的扭力，高转速时提供大的马力。

结论

    为配合客户多样化加工型态，内藏式高速主轴为本厂后续开发重点，未来新机种开发都将搭配内藏式主轴供客户选择。除目前已推出之14000rpm内藏主轴外，后续将会推出其它转速之内藏主轴，在精机一贯的质量要求下，相信绝对能符合客户所需，值得所有客户的加以期待。