一、簡介

數(shù)控機(jī)床集高效率、高精度、高靈活性于一體，同時(shí)為了獲得高生產(chǎn)率和提高加工精度，高速加工技術(shù)越來越受到業(yè)界的重視。超高速數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)超高速加工的物質(zhì)基礎(chǔ)，而高速主軸是超高速數(shù)控機(jī)床的“核心”部件，既要求較高的轉(zhuǎn)速、精度，又要求連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)矩能力和大范圍恒功率運(yùn)行，于是，具有高轉(zhuǎn)速、高精度、高速精密、高效率等相應(yīng)特點(diǎn)的數(shù)控機(jī)床電主軸應(yīng)運(yùn)而生。

電主軸很早用于磨床上，后來發(fā)展到增加T型中心。由于強(qiáng)大的精密機(jī)械工業(yè)的不斷需求，電主軸的功率和質(zhì)量不斷提高。目前電主軸較大的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到20000 r/min，直徑范圍33-300mm，功率范圍125w-80kw，扭矩范圍0.02-300nm。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。慣性小，動(dòng)態(tài)特性好等特點(diǎn)，并能提高機(jī)床的動(dòng)平衡。避免了振動(dòng)、污染和噪音，因此在超高速切削機(jī)床中得到了廣泛的應(yīng)用。

二、電主軸的工作原理和典型結(jié)構(gòu)

1、電主軸的工作原理

所謂電主軸，是指電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接作為機(jī)床主軸使用，主軸單元的外殼為電機(jī)座，并采取其他安全保障措施，實(shí)現(xiàn)電機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。電主軸直接將空心的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子安裝在主軸上，定子通過冷卻套固定在主軸箱體孔內(nèi)，形成完整的主軸單元，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。

2、電主軸的基本組成

電主軸結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)通常由電主軸單元、軸承及其潤滑單元，主軸冷卻單元和動(dòng)平衡單元組成。電主軸單元的典型結(jié)構(gòu)布局方式是電機(jī)位于主軸的前軸承、后軸承之間，其優(yōu)點(diǎn)是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度高，功率大，更適用于大型、中型高速數(shù)控機(jī)床；其缺點(diǎn)是在封閉的主軸箱體內(nèi)電機(jī)的自然散熱條件差，溫升相對(duì)較高。

3、電主軸的典型結(jié)構(gòu)

電機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)子與機(jī)床的主軸之間的扭矩傳遞是通過盈套筒的過盈配合來實(shí)現(xiàn)的，過盈量是根據(jù)傳遞的扭矩的大小來計(jì)算的。在主軸上取消了各種形式的鍵連接和螺紋連接，便于主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)部分實(shí)現(xiàn)精確的動(dòng)平衡。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)孔與主軸配合面之間的過盈量較大，轉(zhuǎn)子在熱壓快速裝配時(shí)需要在油浴中加熱到200℃左右，電動(dòng)機(jī)的定子通過冷卻套安裝在電主軸的外殼中。

三、電主軸的關(guān)鍵技術(shù)

電主軸是高速軸承技術(shù)、潤滑技術(shù)、冷卻技術(shù)、動(dòng)平衡技術(shù)、精密制造與裝配技術(shù)以及高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的綜合應(yīng)用。

1、電主軸的高速軸承技術(shù)

實(shí)現(xiàn)電主軸高速化精度化的關(guān)鍵是高速精密軸承技術(shù)的應(yīng)用。目前電主軸使用的軸承有精密滾動(dòng)軸承、液體靜壓軸承、空氣靜壓軸承和磁力軸承等，但主要是精密角接觸陶瓷球軸承和精密圓柱滾子軸承。角接觸球軸承不只能同時(shí)承受徑向和軸向載荷，而且剛度高、高速性能好、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、品種規(guī)格多、維修更換方便，在電主軸上應(yīng)用廣泛。隨著陶瓷軸承技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用廣泛的電主軸軸承是混合陶瓷球軸承，即滾動(dòng)體采用Si3N4陶瓷球，采用“小珠密珠”結(jié)構(gòu)，軸承套圈為GCrl5鋼圈。這種混合軸承可以通過減小離心力和陀螺力矩來減少滾珠與通道之間的摩擦，從而獲得更低的溫升和更好的高速性能。

2、電主軸的潤滑技術(shù)

1）高速電主軸需要采用合理的、可控的軸承潤滑方式來控制軸承的溫升，以保障了數(shù)控機(jī)床工藝系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。電主軸的潤滑方式主要有油脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑等。

2）實(shí)踐表明，供油量過多或過少在潤滑中都是有害的，而前兩種潤滑方式均不能準(zhǔn)確控制供油量多少，不利于主軸軸承轉(zhuǎn)速和使用壽命的提高。然而，新開發(fā)的油氣潤滑方法可以準(zhǔn)確控制每個(gè)摩擦點(diǎn)的潤滑油量，可靠性很高。

3）油氣潤滑技術(shù)是利用壓縮空氣向每套主軸軸承連續(xù)、準(zhǔn)確地供給微量潤滑油，微小的油滴在滾動(dòng)軸承與內(nèi)、外圈滾道之間形成彈性動(dòng)壓油膜，而壓縮空氣可以帶走軸承運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的部分熱量。

4）實(shí)踐證明，油氣潤滑是高速大功率電主軸軸承較理想的潤滑方式，但其所需設(shè)備復(fù)雜，成本高。油氣潤滑方式以其理想的潤滑效果成為世界上很受歡迎的潤滑方式。

3、電主軸的冷卻技術(shù)

1）電主軸有兩個(gè)主要的內(nèi)部熱源：內(nèi)置電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。如果不加以控制，由此產(chǎn)生的熱變形會(huì)嚴(yán)重減少機(jī)床的加工精度和軸承的使用壽命，從而導(dǎo)致電主軸的使用壽命縮短。

2）電主軸采用內(nèi)藏式主軸結(jié)構(gòu)形式，位于主軸單元內(nèi)的電機(jī)無法使用風(fēng)扇散熱，自然散熱條件較差。在能量轉(zhuǎn)換過程中，電機(jī)內(nèi)部發(fā)生功率損耗，使電機(jī)發(fā)熱。研究表明，在電機(jī)高速運(yùn)行的情況下，電機(jī)發(fā)熱量有近三分之一是由電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量大部分通過轉(zhuǎn)子與定子之間的氣隙傳遞給定子中；剩余的2/3的熱量是在電機(jī)的定子中產(chǎn)生的，所以對(duì)電機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方案是利用冷卻液的循環(huán)流動(dòng)對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。典型的冷卻系統(tǒng)是使用外部循環(huán)水式冷卻裝置來冷卻電機(jī)定子并帶走電機(jī)的熱量。

3）角接觸球軸承發(fā)熱主要由滾子與滾道間的滾動(dòng)摩擦、高速時(shí)陀螺力矩引起的滑動(dòng)摩擦和潤滑油的粘性摩擦等引起。減小軸承發(fā)熱量的主要措施有：①適當(dāng)減小滾珠直徑，從而減小摩擦和發(fā)熱量。②采用合理的潤滑方式，油氣潤滑方式不只對(duì)軸承有潤滑作用，還有一定的冷卻作用。

4、電主軸的動(dòng)平衡技術(shù)

當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，任何小的不平衡質(zhì)量都會(huì)引起電主軸的大的高頻振動(dòng)，因此精密電主軸的動(dòng)平衡精度需要達(dá)到G1-G0.4級(jí)。對(duì)于這種水平的動(dòng)平衡，采用常規(guī)的方法，即在裝配前將主軸上的各個(gè)零件分別進(jìn)行動(dòng)平衡是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，裝配后還要對(duì)整個(gè)主軸進(jìn)行動(dòng)平衡，甚至設(shè)計(jì)專門的自動(dòng)平衡系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)主軸的在線動(dòng)平衡。此外，在設(shè)計(jì)電主軸時(shí)，需要嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)對(duì)稱的原則，電主軸上禁止使用鍵連接和螺紋連接，但一般采用過盈連接實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞。

5、電主軸的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

在數(shù)控機(jī)床中，電主軸通常采用變頻調(diào)速的方法。目前主要有三種控制方式：普通變頻驅(qū)動(dòng)和控制、矢量控制驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)和控制，以及直接轉(zhuǎn)矩控制。

1）普通變頻是標(biāo)量驅(qū)動(dòng)和控制，其驅(qū)動(dòng)控制特點(diǎn)是恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比。普通變頻控制動(dòng)態(tài)性能不理想，低速時(shí)控制性能不好，輸出功率不夠穩(wěn)定，不具備C軸功能，但價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，一般用于磨床和普通的高速銑床等。

2）矢量控制技術(shù)模

模仿DC電動(dòng)機(jī)的控制方式，對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)進(jìn)行定向，采用矢量變換的方法實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和控制，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制驅(qū)動(dòng)器在啟動(dòng)初期扭矩值大，電主軸本身結(jié)構(gòu)簡單，慣性小，因此啟動(dòng)加速度大，啟動(dòng)后瞬間即可達(dá)到允許極限速度。

3）直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型高性能交流調(diào)速技術(shù)，其控制思想新穎，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單明了，更適合驅(qū)動(dòng)高速電主軸，能更好地滿足高速電主軸高轉(zhuǎn)速、寬轉(zhuǎn)速范圍、高速瞬l’日J(rèn)準(zhǔn)停的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性的要求，它已成為交流傳動(dòng)領(lǐng)域的一項(xiàng)熱門技術(shù)。

四、結(jié)束語

目前，電主軸應(yīng)用廣泛，國外高速電主軸技術(shù)研究較早，電主軸單元發(fā)展迅速，技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位，隨著變頻技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展日趨完善，一系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品逐漸形成。高轉(zhuǎn)速電動(dòng)主軸廣泛應(yīng)用于機(jī)床工業(yè)和工業(yè)制造業(yè)。未來應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)大功率、大扭矩、寬調(diào)速范圍、快速啟動(dòng)、準(zhǔn)確定位、自動(dòng)對(duì)刀等數(shù)字化高標(biāo)準(zhǔn)電主軸單元。