電主軸在數(shù)控機床中的應(yīng)用

      數(shù)控機床將高效、高精度和高柔性集為一體，同時，為了得到高生產(chǎn)率，提高加工精度，高速的加工技術(shù)也越來越受到業(yè)內(nèi)的重視。超高速數(shù)控機床是實現(xiàn)超高速加工的物質(zhì)基礎(chǔ)，而高速主軸又是超高速數(shù)控機床的“核心”部件，它不但要求較高的速度、精度，而且要求連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)矩能力和非常寬的恒功率運行范嗣，因此，具備相應(yīng)的高轉(zhuǎn)速和高精度、高速精密和高效率特性的數(shù)控機床電主軸應(yīng)運而生。

　　電主軸早是用在磨床上，后來才發(fā)展到加T中心。因強大的精密機械工業(yè)不斷提出要求，使電主軸的功率和品質(zhì)不斷得到提高。目前，電主軸大轉(zhuǎn)速可達(dá)20 000 r／min，直徑范圍33—300 mm，功率范圍125 W-80 kw．扭矩范圍0.02—300 Nm。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。慣性小，動態(tài)特性好等優(yōu)點，并可改善機床的動平衡。避免振動、污染和噪聲，因而它在超高速切削機床卜得到了廣泛的應(yīng)用。

1 電主軸的工作原理及典型結(jié)構(gòu)

　　1.1 電主軸的工作原理

　　所謂電主軸就是將電機的轉(zhuǎn)子直接作為機床的主軸，主軸單元的殼體就是電機座，并配合其他安全保障措施，實現(xiàn)電機與機床主軸的一體化。電主軸直接將空心的電動機轉(zhuǎn)子裝在主軸上，定子通過冷卻套同定在主軸箱體孔內(nèi)，形成一個完整的主軸單元，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動主軸運轉(zhuǎn)。

　　1.2 電主軸的基本構(gòu)成

　　電主軸結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成如圖1所示，它通常由電主軸單元、軸承及其潤滑單元，主軸冷卻單元以及動平衡單元組成。電主軸單元典型的結(jié)構(gòu)布局方式是電機置于主軸前、后軸承之間，其優(yōu)點是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大，功率大，較適合于大、中型高速數(shù)控機床；其不足是在封閉的主軸箱體內(nèi)電機的自然散熱條件差，溫升比較高。

電主軸的結(jié)構(gòu)圖

　　1.3 電主軸的典型結(jié)構(gòu)

　　為內(nèi)裝式電主軸結(jié)構(gòu)。電動機的轉(zhuǎn)子與機床的主軸間是靠過盈套筒的過盈配合實現(xiàn)扭矩傳遞的，其過盈量是按所傳遞扭矩的大小計算出來的。在主軸上取消了一切形式的鍵連接和螺紋連接，便于使主軸運轉(zhuǎn)部分達(dá)到精確的動平衡。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)孔與主軸配合面之間有很大的過盈量，因此，在裝配時必須先在油浴中將轉(zhuǎn)子加熱到200℃左右，然后迅速進行熱壓裝配。電動機的定子通過一個冷卻套同裝在電主軸的殼體中。
電主軸典型結(jié)構(gòu)圖

2 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)、動平衡技術(shù)、精密制造與裝配技術(shù)以及電機高速驅(qū)動等技術(shù)的綜合運用。

　　2.1 電主軸的高速軸承技術(shù)

　　實現(xiàn)電主軸高速化精密化的關(guān)鍵是高速精密軸承技術(shù)的應(yīng)用。目前，在電主軸中應(yīng)用的軸承有精密滾動軸承、液體動靜軸承、氣體靜軸承和磁懸浮軸承等，但主要是精密角接觸陶瓷球軸承和精密圓柱滾子軸承。角接觸球軸承不但可同時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)格繁多，便于維修更換，因而在電主軸中得到廣泛的應(yīng)用。隨著陶瓷軸承技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的電主軸軸承是混合陶瓷球軸承，即滾動體使用Si3N4陶瓷球，采用“小珠密珠”結(jié)構(gòu)，軸承套圈為GCrl5鋼圈。這種混合軸承通過減小離心力和陀螺力矩，來減小滾珠與溝道間的摩擦，從而獲得較低的溫升及較好的高速性能。

　　2.2 電主軸的潤滑技術(shù)

　　1)高速電主軸必須采用合理的、可控制的軸承潤滑方式來控制軸承的溫升，以保證數(shù)控機床工藝系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。電主軸的潤滑方式主要有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑等。

　　2)實踐表明在潤滑中供油量過多或過少都是有害的，而前兩種潤滑方式均無法準(zhǔn)確地控制供油量多少，不利于主軸軸承轉(zhuǎn)速和壽命的提高。而新近發(fā)展起來的油氣潤滑方式則可以精確地控制各個摩擦點的潤滑油量，可靠性極高。

　　3)油氣潤滑技術(shù)是利用壓縮空氣將微量的潤滑油分別連續(xù)不斷地、精確地供給每一套主軸軸承，微小油滴在滾動和內(nèi)、外滾道問形成彈性動壓油膜，而壓縮空氣則可帶走軸承運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量。

　　4)實踐證明，油氣潤滑是高速大功率電主軸軸承的理想潤滑方法，但其所需設(shè)備復(fù)雜，成本高。由于油氣潤滑方式潤滑效果理想，目前已成為國際上流行的潤滑方式。

　　2.3 電主軸的冷卻技術(shù)

　　1)電主軸有兩個主要的內(nèi)部熱源：內(nèi)置電動機的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。如果不加以控制，由此引起的熱變形會嚴(yán)重降低機床的加工精度和軸承使用壽命，從而導(dǎo)致電主軸的使用壽命縮短。

　　2)電主軸由采用內(nèi)藏式主軸結(jié)構(gòu)形式，位于主軸單元體中的電機不能采用風(fēng)扇散熱，因此，自然散熱條件較差。電機在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程中，內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗，從而使電機發(fā)熱。研究表明，在電機高速運轉(zhuǎn)條件下，有近1/3的電機發(fā)熱量南電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，并且轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙傳人定子中；其余2／3的熱量產(chǎn)生于電機的定子，所以，對電機產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對電機定子采用冷卻液的循環(huán)流動來實行強制冷卻。典型的冷卻系統(tǒng)是用外循環(huán)水式冷卻裝置來冷卻電機定子，將電機的熱量帶走。

　　3)角接觸球軸承的發(fā)熱主要是滾子與滾道之間的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動摩擦以及潤滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的。減小軸承發(fā)熱量的主要措施：(1)適當(dāng)減小滾珠的直徑，從而減小摩擦，減少發(fā)熱量。(2)采用合理的潤滑方式，油氣潤滑方式對軸承不但具有潤滑作用，還具有一定的冷卻作用。

　　2.4 電主軸的動平衡技術(shù)

　　主軸高速旋轉(zhuǎn)時，任何小的不平衡質(zhì)量即可引起電主軸大的高頻振動，因此，精密電主軸的動平衡精度要求達(dá)到G1-G0.4級。對于這種等級的動平衡，采用常規(guī)的方法即僅在裝配前對主軸上的每個零件分別進行動平衡是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需在裝配后進行整體的動平衡，甚至還要設(shè)計專門的自動平衡系統(tǒng)來實現(xiàn)主軸的在線動平衡。另外，在設(shè)計電主軸時，必須嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)對稱原則，鍵連接和螺紋連接在電主軸上被禁止使用，而普遍采用過盈連接，并以此來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。

　　2.5 電主軸的運動控制技術(shù)

　　在數(shù)控機床中，電主軸通常采用變頻調(diào)速方法。目前，主要有普通變頻驅(qū)動和控制、矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動和控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制三種控制方式。

　　1)普通變頻為標(biāo)量驅(qū)動和控制，其驅(qū)動控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比。普通變頻控制的動態(tài)性能不夠理想，在低速時控制性能不佳，輸出功率不夠穩(wěn)定，也不具備C軸功能，但價格便宜、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

仿直流電動機的控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法來實現(xiàn)驅(qū)動和控制，具有良好的動態(tài)性能。矢量控制驅(qū)動器在剛啟動時具有很大的轉(zhuǎn)矩值，加之電主軸本身結(jié)構(gòu)簡單，慣性很小，故啟動加速度大，可以實現(xiàn)啟動后瞬時達(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)展起來的又一種新型的高性能交流調(diào)速技術(shù)，其控制思想新穎，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔明了，更適合于高速電主軸的驅(qū)動，更能滿足高速電主軸高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍、高速瞬l’日J(rèn)準(zhǔn)停的動態(tài)特性和靜態(tài)特性的要求，已成為交流傳動領(lǐng)域的一個熱點技術(shù)。

3 結(jié)束語

　　目前，電主軸應(yīng)用越來越廣，國外高速電主軸技術(shù)由于研究較早，電主軸單元發(fā)展較快，技術(shù)水平也處于領(lǐng)先地位，并且隨著變頻技術(shù)及數(shù)字技術(shù)的發(fā)展日趨完善，逐步形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，高轉(zhuǎn)速電動主軸在機床行業(yè)和工業(yè)制造業(yè)中普遍采用。今后一段時間應(yīng)著重發(fā)展研究大功率、大扭矩、調(diào)速范圍寬、能實現(xiàn)快速制啟動、準(zhǔn)確定位、自動對刀等數(shù)字化高標(biāo)準(zhǔn)電動主軸單元。