高速電主軸關鍵技術的研究

概述

　　高速加工技術越來越受到人們的關注，它不僅可獲得更大的生產率，而且還可獲得很高的加工質量，并可降低生產成本，因而被認為是21世紀最有發展前途的先進制造技術之一。在先進工業國家，此項技術已廣泛應用于航空、航天及模具行業。在近五年中，我國的該項技術也取得了長足的進步。

　　高速機床是實現高速切削的前提條件，機床的高速化是目前機床的發展趨勢。高速機床與虛擬軸機床均為機床突破性的重大變革。無論是普通數控機床還是虛擬軸機床，實現高速化的關鍵部件仍是主軸單元。主軸高速化常用dn值(dn值是指主軸軸承的平均直徑(mm)與主軸的極限轉速(r/min)的乘積)來衡量，高速主軸常是指dn值在1.0×106以上的主軸。隨著軸承技術、潤滑技術的發展，主軸的轉速在逐年提高。在資料顯示，在80年代，主軸軸承在脂潤滑條件下的dn值最多只能達到0.5×106，但當油氣潤滑裝置開發出來以后，dn值迅速提高到1.0×106，采用角接觸陶瓷球軸承后，主軸軸承的dn值進一步提高到2.0×106。到90年代，采用新的潤滑方式——噴射潤滑，使主軸的dn值達到3.0×106。對于轉速在10000r/min以上的主軸單元，通過皮帶或者聯軸器來驅動已不再合適，較合理的方式是采用內裝電機直接驅動，即將電機的轉子直接安裝在主軸上，定子安裝在主軸套筒里，做成所謂電主軸的形式。該電主軸具有結構緊湊、易于平衡、傳動較率高等優點，是高速主軸理想的結構。電主軸的性能除了受軸承及其潤滑技術影響較大以外，還受許多因素的影響，其中包括軸承預緊力的控制、內裝電機的發熱與冷卻、主軸的動平衡、軸上零件的連接等。此外，主軸軸端的設計也是高速電主軸不容忽視的問題。2 電主軸軸承的選擇及其預緊技術

　　用在高速主軸單元上的軸承主要有角接觸球軸承、磁懸浮軸承、水基動靜壓軸承、空氣動靜壓軸承等。磁懸浮軸承由于價格昂貴，控制系統復雜，發熱問題難以解決，因而還無法在高速主軸單元上推廣應用。水基靜壓軸承是目前國內較熱門的研究課題之一，它是利用水具有熱容量較大、軸承溫升較小的特點，部分解決了普通動、靜壓軸承發熱嚴重的問題，主要用在低速重載場合。空氣動靜壓軸承徑向剛度低并有沖擊，但高速性能好，一般用在超高速、輕載、精密主軸上。角接觸球軸承dn值在2.0×106以下的高速主軸單元中應用，無論是速度極限、承載能力、剛度、精度等各方面均能很好地滿足要求并已標準化，價格低廉，目前90%的主軸組件采用這種類型的軸承。該類型軸承還可通過以下方法來提高性能。

合理潤滑
　　主軸軸承常見的潤滑方式有脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑、噴射潤滑及環下潤滑等。

　　脂潤滑不需任何設備，是低速主軸普遍采用的潤滑方式。

　　dn值在1.0×106以上的主軸，多采用油潤滑的方式，其中油霧潤滑是將潤滑油(如透平油)經壓力空氣霧化后對軸承進行潤滑的。這種方式實現容易，設備簡單，油霧既有潤滑功能，又能起到冷卻軸承的作用，但油霧不易回收，對環境污染嚴重，故逐漸被新型的油氣潤滑方式所取代。

　　油氣潤滑是將少量的潤滑油不經霧化而直接由壓縮空氣定時、定量地沿著專用的油氣管道壁均勻地被帶到軸承的潤滑區。潤滑油起潤滑的作用，而壓縮空氣起推動潤滑油運動及冷卻軸承的作用。油氣始終處于分離狀態，這有利于潤滑油的回收，而對環境卻沒有污染。實施油氣潤滑時，一般要求每個軸承都有單獨的油氣噴嘴，對軸承噴射處的位置有嚴格的要求，否則不易保證潤滑效果，油氣潤滑的效果還受壓縮空氣流量和油氣壓力的影響。一般地講，增大空氣流量可以提高冷卻效果，而提高油氣壓力，不僅可以提高冷卻效果，而且還有助于潤滑油到達潤滑區，因此，提高油氣壓力有助于提高軸承的轉速。實驗表明，加大壓力比采用常規壓力進行油氣潤滑可使軸承的轉速提高20%。

　　噴射潤滑是直接用高壓潤滑油對軸承進行潤滑和冷卻的，功率消耗較大，成本高，常用在dn值為2.5×106以上的超高速主軸上。

　　環下潤滑是一種改進的潤滑方式(見圖1)，分為環下油潤滑和環下油氣潤滑。實施環下油或者油氣潤滑時，潤滑油或油氣從軸承的內圈噴入潤滑區，在離心力的作用下潤滑油更易于到達軸承潤滑區，因而比普通的噴射潤滑和油氣潤滑效果好，可進一步提高軸承的轉速，如普通油氣潤滑，角接觸陶瓷球軸承的dn值為2.0×106左右，采用加大油氣壓力的方法可將dn值提高到2.2×106，而采用環下油氣潤滑則可達到2.5×106。

采用角接觸陶瓷球軸承


　　影響角接觸球軸承高速性能的主要原因是高速下作用在滾珠上的離心力和陀螺力矩增大。離心力增大會增加滾珠與滾道間的摩擦，而陀螺力矩增大則會使滾珠與滾道間產生滑動摩擦，使軸承摩擦發熱加劇，因而降低軸承的壽命。為了提高軸承的高速性能，常采用兩種方法：一是減小滾球的直徑，如采用已標準化的71900系列主軸軸承；另一種則是采用新型的陶瓷(Si3N4)材料做滾珠，由于Si3N4陶瓷材料的密度僅為軸承鋼的40%，因而這種軸承的高速性能明顯高于全鋼軸承。目前國外絕大多數高速機床主軸均采用這種軸承。

合理的預緊力控制
　　為了提高軸承的剛度，抑制振動及高速回轉時滾珠公轉和自轉的滑動，提高軸的回轉精度等，在主軸上使用的滾動軸承均需預緊。預緊的方式主要有恒位置預緊和恒力預緊。

　　恒位置預緊是將軸承內外圈在軸向固定，以初始預緊量確定其相對位置，運轉過程中預緊量不能自動調節。隨著轉速的提高，軸承滾子發熱膨脹、內外圈溫差增大、滾子受離心力及軸承座的變形等因素影響，使軸承預緊力急劇增加，這是超高速主軸軸承破壞的主要原因。但這種預緊方式具有較高的剛性，如果采用陶瓷球軸承，并適當潤滑和冷卻，在dn值小于2.0×106的高速主軸單元中仍廣泛應用。

　　恒力預緊是一種利用彈簧或者液壓系統對軸承實現預緊的方式。在高速運轉中，彈簧或液壓系統能吸收引起軸承預緊力增加的過盈量，以保持軸承預緊力不變，這對超高速主軸特別有利。但在低速重切削條件下，由于預緊結構的變形會影響主軸的剛性，所以恒力預緊一般用在超高速、載荷較輕的磨床主軸或者輕型超高速切削機床主軸上。

　　在超高速加工中心主軸單元中，為了克服上述兩種預緊方式的缺點，使主軸單元既能適應低速重載加工，又能適應超高速運轉，開發出可進行預緊力切換的預緊機構。在低速重切削時，軸承在恒位置預緊下工作；當高速輕切削時，系統可自動切換成恒力預緊方式，以防止預緊力增大，使軸承的高速性能得到發揮。

對軸承滾道進行涂層處理
　　另一種提高軸承高速性能的方法是對軸承的滾道進行涂層。常用的涂層材料有CrN、TiAlN、TiAlCN、TiCN等。研究表明，TiAlN涂層具有較大承載能力、粘合力和較高硬度，是理想的涂層材料。對滾道涂層可減小滾道的滾動摩擦，從而減少高速下的摩擦發熱，以提高軸承的高速性能。但應注意的是，對滾道涂層與對刀具涂層不同，對滾道涂層即使采用先進的CVD工藝，涂層溫度也不能超過500℃，否則就相當于對軸承內外圈進行一次熱處理，容易使其圓度誤差超差，推薦的涂層溫度為160℃。

　　3 軸上零件連接技術
　　在超高速電主軸上，由于轉速的提高，所以對軸上零件的動平衡要求非常高。軸承的定位元件與主軸不宜采用螺紋連接，電機轉子與主軸也不宜采用鍵連接，而普遍采用可拆的階梯過盈連接。這種連接與螺紋連接相比有較明顯的優點：①不會在軸上產生彎曲和扭轉應力，對軸的旋轉精度沒有影響；②易保證零件定位端與軸心線的垂直度，軸承預緊時不會使軸承受力不均而影響軸承的壽命；③過盈套質量均勻，主軸動平衡易得到保證；④一般用熱套法進行安裝，用注入壓力油的方法進行拆卸，對主軸無損害；⑤定位可靠，可提高主軸的剛度。確定階梯套基本過盈量時，除了根據所受載荷計算需要過盈量外，還需考慮以下因素對過盈連接強度的影響：①配合表面的粗糙度；②連接件的工作溫度與裝配溫度之差，以及主軸與過盈套材料線脹系數之差；③主軸高速旋轉時，過盈套所受到的離心力會引起過盈套內孔的擴張，導致過盈量減少，當主軸材料和過盈套的材料泊凇比、彈性模量和密度相差不大時，過盈量的修正值與主軸轉速的平方成正比，例如，當配合處直徑為66mm，主軸內孔為25mm，過盈套外徑為134.2mm，傳遞扭矩為85Nm，轉速為1000r/min時，離心力引起的過盈量減小值僅為0.096µm；而當轉速為18000r/min時，該值可達31.199µm；④重復裝卸會引起過盈量減小；⑤結合面形位公差對過盈量的影響等。

　　階梯過盈套過盈量的實現有兩種方式：①利用公差配合來實現，根據基本過盈量的計算值和配合面的公稱尺寸，查有關手冊圖表，得出相應的過盈配合；②利用階梯配合面的公稱尺寸的差值來實現，并選用H4/h4的過渡配合，這種方法容易控制和保證配合的實際過盈量，適用于高精度的零件配合和進行標準化、系列化生產。

　　4 電主軸的動平衡技術

　　由于不平衡質量是以主軸的轉速二次方影響主軸動態性能的，所以主軸的轉速越高，主軸不平衡量引起的動態問題越嚴重。對于電主軸來說，由于電機轉子直接過盈固定在主軸上，增加了主軸的轉動質量，使主軸的極限頻率下降，因此超高速電主軸的動平衡精度應嚴格要求，一般應達到G1～G0.4級(G＝ew，e為質量中心與回轉中心之間的位移，即偏心量；w為角速度)。對于這種等級的動平衡要求，采用常規的方法僅在裝配前對主軸的每個零件分別進行動平衡是不夠的，還需在裝配后進行整體精確動平衡，甚至還要設計專門的自動平衡系統來實現主軸在線動平衡，以確保主軸高速平穩運行。

　　主軸動平衡常用方法有兩種：去重法和增重法。小型主軸和普通電機常采用去重法。該法是在電機的轉子兩端設計有去重盤，當電機轉子和其他零件安裝到主軸上以后進行整體動平衡時，根據要求由自動平衡機在轉子的去重盤處切去不平衡量。增重法是近年來某些主軸電機制造商為適應高速主軸發展的需要，在開發出商品化的無框架主軸電機(Frameless spindle motor)上常采用的方法。電機轉子的兩端設計有平衡盤，平衡盤的圓周方向設計有均勻分布的螺紋孔，轉子安裝到主軸上以后進行主軸組件整體動平衡時，不是在平衡盤上去重，而是在螺紋孔內擰入螺釘，以螺釘的擰入深度和周向位置來平衡主軸組件的偏心量。






　　5 高速電主軸軸端的設計

　　隨著機床向高速、高精度、大功率方向發展，機床的結構剛性越來越好，而主軸與刀具的結合面多年來仍沿用標準化的7/24錐度配合。分析表明，刀尖25%～50%的變形來源于7/24錐度連接，只有40%左右的變形源于主軸和軸承。因此，主軸軸端的合理設計已不容忽視。

　　高速加工要求確保高速下主軸與刀具連接狀態不能發生變化。但是，高速主軸的前端由于離心力的作用會使主軸膨脹(如圖3)，如30號錐度主軸前端在30000r/min時，膨脹量為4～5µm，然而，標準的7/24實心刀柄不會有這樣大的膨脹量，因此連接的剛度會下降，而且刀具的軸向位置也會發生改變。主軸的膨脹還會引起刀柄及夾緊機構質心的偏離，從而影響主軸的動平衡。要保證這種連接在高速下仍有可靠的接觸定位，需要一個很大的過盈量來抵消主軸軸端的膨脹，如標準40號錐需初始過盈量為15～20µm，而且還需預加過盈來消除錐配合的公差帶。這樣大的過盈量需拉桿產生很大的預緊拉力，而拉桿產生這樣大的拉力一般很難，對換刀也非常不利，還會使主軸膨脹，對主軸前軸承有不良影響。設計一種端面定位并使定位面具有很大的摩擦以防止主軸膨脹的刀軸連接結構，便可解決上述問題。

　　由于高速主軸組件對動平衡要求非常高，所以刀具及夾緊機構也需精密動平衡。但是，傳遞轉矩的鍵和鍵槽很容易破壞動平衡。結合面的公差帶會使刀具產生徑向跳動，引起不平衡。鍵是用來傳遞轉矩和進行角向定位的，有人試圖研究一種刀/軸連接方式能在連接處產生很大的摩擦力來實現轉矩傳遞，用在刀柄上作標記的方法實現安裝的角向定位，達到取消鍵的目的。

　　在眾多的高速刀/軸連接方案中，已被DIN標準化的HSK短錐刀柄結構比較適合高速主軸。這種刀柄采用1∶10的錐度，比標準的7/24錐度短，錐柄部分采用薄壁結構，刀柄利用短錐和端面同時實現軸向定位(如圖4)。這種結構對主軸和刀柄連接處的公差帶要求特別嚴格，僅為2～6µm，由于短錐嚴格的公差和具有彈性的薄壁，在拉桿軸向拉力的作用下，短錐會產生一定的收縮，所以刀柄的短錐和法蘭端面較容易與主軸相應的結合面緊密接觸，實現錐面與端面同時定位，因而具有很高的連接精度和剛度。當主軸高速旋轉時，盡管主軸軸端會產生一定程度的擴張，使短錐的收縮得到部分伸張，但是短錐與主軸錐孔仍保持較好的接觸，主軸轉速對連接性能影響很小。





　　6 電主軸的熱穩定性分析

　　高速電主軸的熱穩定性問題是該類主軸需要解決的關鍵問題之一。由于電主軸將電機集成于主軸組件的結構中，無疑在其結構的內部增加了一個熱源。電機的發熱主要有定子繞組的銅耗發熱及轉子的鐵損發熱，其中定子繞組的發熱占電機總發熱量的三分之二以上。另外，電機轉子在主軸殼體內的高速攪動，使內腔中的空氣也會發熱，這些熱源產生的熱量主要通過主軸殼體和主軸進行散熱，所以電機產生的熱量有相當一部分會通過主軸傳到軸承上去，因而影響軸承的壽命，并且會使主軸產生熱伸長，影響加工精度。

　　除了電機的發熱之外，主軸軸承的發熱也不容忽視，引起軸承發熱的因素很多，也很復雜，主要有滾子與滾道的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產生的滑動摩擦、潤滑油的粘性摩擦等。上述各種摩擦會隨著主軸轉速的升高而加劇，發熱量也隨之增大，溫升增加，軸承的預緊量增大，這樣反過來又加劇了軸承的發熱，再加上主軸電機的熱輻射和熱傳導，所以主軸軸承必須合理潤滑和冷卻，否則，無法保證電主軸高速運轉。

　　從以上分析可以看出，為改善電主軸的熱特性，電機冷卻必不可省。采取的主要措施是在電機定子與殼體連接處設計循環冷卻水套。水套用熱阻較小的材料制造，套外環加工有螺旋水槽，電機工作時，水槽里通入循環冷卻水，為加強冷卻效果，冷卻水的入口溫度應嚴格控制，并有一定的壓力和流量。另外，為防止電機發熱影響主軸軸承，主軸應盡量采用熱阻較大的材料，使電機轉子的發熱主要通過氣隙傳給定子，由冷卻水吸收帶走。

　　對某電主軸在額定功率38kW、額定轉速800r/min下達到熱平衡時熱傳導有限元分析的結果。從圖中可以看出，電主軸的溫度分布是不均勻的，由于定子與主軸殼體間設計有冷卻水套，散熱條件較好，溫度較低，電機轉子由于散熱條件差，溫度較高，對前后軸承有明顯的影響。

　　7 電主軸開發實例

　　在廣東省自然科學基金和廣州市重點攻關項目基金資助下，我校高速加工與機床研究室成功開發了數控銑床高速電主軸。實現的主要指標有：電主軸的額定功率13.5kW，最高轉速為18000r/min，在額定轉速1500r/min時產生最大輸出轉矩為85Nm。

　　該電主軸主要結構特點包括：前后主軸軸承分別采用美國的2MMVC9114HXC-RDUL和2MMVC9112HXCRDUL精密角接觸陶瓷球軸承，背靠背配列，恒位置輕預緊。采用前支承定位、后支承可軸向浮動的結構，防止主軸運轉熱伸長對加工精度的影響。主軸軸承采用油氣潤滑，每個軸承均有單獨噴嘴。軸上零件一律采用階梯過盈套定位與傳遞轉矩。主軸電機定子與殼體間設計有水套，并專門設計了循環冷卻水系統對定子進行冷卻。軸上零件均進行嚴格動平衡試驗，采用增重法在電機轉子兩端調節螺釘實現主軸整體動平衡。軸上有編碼盤實現主軸的轉速反饋和C軸控制功能。由于國內尚無新型刀柄配套，主軸軸端仍采用7/24標準錐度，用鍵實現軸向定位與傳遞扭矩。

　　8 結論

　　高速機床是實現高速加工的關鍵設備，高速電主軸作為高速機床的核心部件，它的開發為機床高速化提供了必要的技術準備。高速電主軸由于結構的特殊性，尚有許多新的問題需要解決，本文僅就結構設計中關鍵技術和應該注意的問題作了簡要介紹。有關高速大功率電機的開發、電主軸的監控等問題仍有待進一步研究。