[科普中國]-高速主軸

概述

高速主軸 高速電主軸是最近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)。高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨(dú)立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”(ElectricSpindle,Motor Spindle)。1

合理潤滑高速主軸 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(huán)下潤滑等。

脂潤滑不需任何設(shè)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.

油霧潤滑是將潤滑油(如透平油)經(jīng)壓力空氣霧化后對軸承進(jìn)行潤滑的。這種方式實(shí)現(xiàn)容易，設(shè)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(huán)境污染嚴(yán)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(jīng)霧化而直接由壓縮空氣定時(shí)、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(qū)。潤滑油起潤滑的作用，而壓縮空氣起推動(dòng)潤滑油運(yùn)動(dòng)及冷卻軸承的作用。油氣始終處于分離狀態(tài)，這有利于潤滑油的回收，而對環(huán)境卻沒有污染。實(shí)施油氣潤滑時(shí)，一般要求每個(gè)軸承都有單獨(dú)的油氣噴嘴，對軸承噴射處的位置有嚴(yán)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(dá)潤滑區(qū)，因此，提高油氣壓力有助于提高軸承的轉(zhuǎn)速。

實(shí)驗(yàn)表明，加大壓力比采用常規(guī)壓力進(jìn)行油氣潤滑可使軸承的轉(zhuǎn)速提高20%。噴射潤滑是直接用高壓潤滑油對軸承進(jìn)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(huán)下潤滑是一種改進(jìn)的潤滑方式(見圖1)，分為環(huán)下油潤滑和環(huán)下油氣潤滑。實(shí)施環(huán)下油或者油氣潤滑時(shí)，潤滑油或油氣從軸承的內(nèi)圈噴入潤滑區(qū)，在離心力的作用下潤滑油更易于到達(dá)軸承潤滑區(qū)，因而比普通的噴射潤滑和油氣潤滑效果好，可進(jìn)一步提高軸承的轉(zhuǎn)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(huán)下油氣潤滑則可達(dá)到2.5×106。

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?jié)L珠與滾道間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，使軸承摩擦發(fā)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(biāo)準(zhǔn)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。抑制振動(dòng)及高速回轉(zhuǎn)時(shí)滾珠公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的滑動(dòng)，提高軸的回轉(zhuǎn)精度等，在主軸上使用的滾動(dòng)軸承均需預(yù)緊。預(yù)緊的方式主要有恒位置預(yù)緊和恒力預(yù)緊。

應(yīng)用前景高速電機(jī)在以下各方面具有廣闊的應(yīng)用前景：

（1） 高速電機(jī)在空調(diào)或冰箱的離心式壓縮機(jī)等各種場合得到應(yīng)用，而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特殊要求越來越多，它的應(yīng)用也會越來越廣泛。

（2） 隨著汽車工業(yè)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展，體積小，重量輕的高速發(fā)電機(jī)將會得到充分的重視，并在混合動(dòng)力汽車，航空，船舶等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

（3）由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的高速發(fā)電機(jī)體積小，具有較高的機(jī)動(dòng)性，可用于一些重要設(shè)施的備用電源，也可作為獨(dú)立電源或小型電站，彌補(bǔ)集中式供電的不足，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

由于高速電機(jī)轉(zhuǎn)子上的離心力與線速度的平方成正比，高速電機(jī)要求具有很高的機(jī)械強(qiáng)度；又由于高速電機(jī)頻率高，鐵耗大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低鐵心中的磁密，采用低損耗的鐵心材料。

軸承的研究也是與高速電機(jī)密不可分的內(nèi)容，因?yàn)槠胀ㄝS承難以承受在高速系統(tǒng)中承受長時(shí)間運(yùn)行，必須采用新材料和新結(jié)構(gòu)的軸承。

高速電機(jī)可以有多種結(jié)構(gòu)形式，如感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和磁阻電機(jī)等。電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力很大，當(dāng)線速度達(dá)到200m/s以上時(shí)，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子難以承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，需要采用特殊的高強(qiáng)度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子。

在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)發(fā)展的近百年的歷史中，出現(xiàn)過很多計(jì)算方法，發(fā)展到今天，現(xiàn)代的計(jì)算方法主要可以分為兩大類：傳遞矩陣法和有限元法。

有限元法的運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)方式簡潔，規(guī)范，在求解轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問題或轉(zhuǎn)子和周圍結(jié)構(gòu)一起組成的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的問題時(shí)，有很多優(yōu)點(diǎn)。有限元法對復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剖分龐大，計(jì)算結(jié)果比傳遞矩陣法準(zhǔn)確，然而計(jì)算耗時(shí)長，占用內(nèi)存大?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，給有限元法提供了良好的硬件技術(shù)，。

方案簡述高速電機(jī)一般應(yīng)用于數(shù)控雕刻機(jī)、精密磨床及高速離心設(shè)備等設(shè)備，本方案以數(shù)控雕刻機(jī)為例來闡述S350變頻器在高速電機(jī)上的應(yīng)用。

工藝要求主軸系統(tǒng)是數(shù)控雕刻機(jī)的重要組成部件，其性能對數(shù)控雕刻機(jī)整機(jī)的性能有著至關(guān)重要的影響。主軸電機(jī)多采用兩極高速無刷水冷電機(jī)，噪音小、切割力度大，運(yùn)行轉(zhuǎn)速一般在0～24000RPM，對應(yīng)的變頻器運(yùn)行頻率為0～400HZ。因此系統(tǒng)要求穩(wěn)速精度高、低速時(shí)力矩大、加減速時(shí)間短、高速時(shí)溫升低等來滿足高生產(chǎn)效率與加工品質(zhì)。

1、基本操作

將S350控制方式選擇為V/F控制模式，用DCM端子來接收數(shù)控系統(tǒng)模擬量信號（0~10V），MI1端子來控制起停，通過MI2~MI4端子來設(shè)置生產(chǎn)需要的七段速。MI5端子作為故障輸入。

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)要求，將參數(shù)F0.18和F0.19設(shè)置成2秒（加減速時(shí)間），因運(yùn)行轉(zhuǎn)速較高，變頻器需帶制動(dòng)單元。系統(tǒng)在50HZ，100HZ，200HZ，250HZ，300HZ，350HZ，400HZ這七段速度頻率下，運(yùn)行穩(wěn)定，400HZ（對應(yīng)24000RPM）時(shí)溫升低，可以有效延長電機(jī)的壽命。

七段速參考端子設(shè)定：

MI2: 50HZ MI3: 100HZ MI3+MI2: 200HZ MI4: 250HZ

MI2+MI4: 300HZ MI3+MI4: 350HZ MI2+ MI3+MI4: 400HZ

總而言之，國外對高速電機(jī)及相關(guān)技術(shù)的研究比較早，已經(jīng)取得了很多的研究成果，而且隨著新材料的不斷出現(xiàn)，加工工藝的不斷改進(jìn)，技術(shù)必將以更快的速度向前推進(jìn)。國內(nèi)對高速電機(jī)的研究還不是很多，基本上限于功率較小的發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)。2

新技術(shù)——電主軸所融合的技術(shù)

電主軸是最近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)，它與直線電機(jī)技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將會把高速加工推向一個(gè)新時(shí)代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置。

電主軸所融合的技術(shù)：

高速軸承技術(shù)：電主軸通常采用復(fù)合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時(shí)也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限；

高速電機(jī)技術(shù)：電主軸是電動(dòng)機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電動(dòng)機(jī)。關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動(dòng)平衡；

潤滑：電主軸的潤滑一般采用定時(shí)定量油氣潤滑；也可以采用油脂潤滑，但相應(yīng)的速度要打折扣。所謂定時(shí)，就是每隔一定的時(shí)間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個(gè)叫定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會因油的阻力而發(fā)熱。

冷卻裝置：為了盡快給高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。

內(nèi)置脈沖編碼器：為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的相角控制以及與進(jìn)給的配合。

自動(dòng)換刀裝置：為了應(yīng)用于加工中心，電主軸配備了自動(dòng)換刀裝置，包括碟形簧、拉刀油缸等；

高速刀具的裝卡方式：廣為熟悉的BT、ISO刀具，已被實(shí)踐證明不適合于高速加工。這種情況下出現(xiàn)了HSK、SKI等高速刀具。

高頻變頻裝置：要實(shí)現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用一高頻變頻裝置來驅(qū)動(dòng)電主軸的內(nèi)置高速電動(dòng)機(jī)，變頻器的輸出頻率必須達(dá)到上千或幾千赫茲。3

歷史沿革10世紀(jì)30年代以前，大多數(shù)機(jī)床的主軸采用單油楔的滑動(dòng)軸承。隨著滾動(dòng)軸承制造技術(shù)的提高，后來出現(xiàn)了多種主軸用的高精度、高剛度滾動(dòng)軸承。這種軸承供應(yīng)方便，價(jià)格較低，摩擦系數(shù)小，潤滑方便，并能適應(yīng)轉(zhuǎn)速和載荷變動(dòng)幅度較大的工作條件，因而得到廣泛的應(yīng)用。但是滑動(dòng)軸承具有工作平穩(wěn)和抗振性好的優(yōu)點(diǎn),特別是各種多油楔的動(dòng)壓軸承，在一些精加工機(jī)床如磨床上用得很多。50年代以后出現(xiàn)的液體靜壓軸承，精度高，剛度高，摩擦系數(shù)小，又有良好的抗振性和平穩(wěn)性，但需要一套復(fù)雜的供油設(shè)備，所以只用在高精度機(jī)床和重型機(jī)床上。氣體軸承高速性能好,但由于承載能力小,而且供氣設(shè)備也復(fù)雜，主要用于高速內(nèi)圓磨床和少數(shù)超精密加工機(jī)床上。70年代初出現(xiàn)的電磁軸承，兼有高速性能好和承載能力較大的優(yōu)點(diǎn)，并能在切削過程中通過調(diào)整磁場使主軸作微量位移，以提高加工的尺寸精度，但成本較高，可用于超精密加工機(jī)床。

變速方式無級變速數(shù)控機(jī)床一般采用直流或交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)主軸無級變速。

交流主軸電動(dòng)機(jī)及交流變頻驅(qū)動(dòng)裝置（籠型感應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)配置矢量變換變頻調(diào)速系統(tǒng)），由于沒有電刷，不產(chǎn)生火花，所以使用壽命長，且性能已達(dá)到直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的水平，甚至在噪聲方面還有所降低。因此，目前應(yīng)用較為廣泛。

主軸傳遞的功率或轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。當(dāng)機(jī)床處在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，主軸的轉(zhuǎn)速在437~3500r/min范圍內(nèi)，主軸傳遞電動(dòng)機(jī)的全部功率11kW，為主軸的恒功率區(qū)域Ⅱ（實(shí)線）。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，主軸的最大輸出扭矩（245N.m）隨著主軸轉(zhuǎn)速的增高而變小。主軸轉(zhuǎn)速在35~437r/min范圍內(nèi)，主軸的輸出轉(zhuǎn)矩不變，稱為主軸的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域Ⅰ（實(shí)線）。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，主軸所能傳遞的功率隨著主軸轉(zhuǎn)速的降低而減小。圖中虛線所示為電動(dòng)機(jī)超載（允許超載30min）時(shí)，恒功率區(qū)域和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域。電動(dòng)機(jī)的超載功率為15kW，超載的最大輸出轉(zhuǎn)矩為334N.m。4

分段無級變速數(shù)控機(jī)床在實(shí)際生產(chǎn)中，并不需要在整個(gè)變速范圍內(nèi)均為恒功率。一般要求在中、高速段為恒功率傳動(dòng)，在低速段為恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。為了確保數(shù)控機(jī)床主軸低速時(shí)有較大的轉(zhuǎn)矩和主軸的變速范圍盡可能大，有的數(shù)控機(jī)床在交流或直流電動(dòng)機(jī)無級變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速。

優(yōu)勢分析在高速主軸單元中，由于機(jī)床既要進(jìn)行粗加工，也要進(jìn)行精加工，因此對主軸單元提出了較高的靜剛度和工作精度的要求。另外，高速機(jī)床主軸單元的動(dòng)態(tài)特性也在很大程度上決定或者制約了機(jī)床的價(jià)格質(zhì)量和切削能力。當(dāng)切削過程出現(xiàn)較大的在振動(dòng)時(shí)，會使刀具出現(xiàn)劇烈的磨損或破損，也會增加主軸軸承所承受的動(dòng)載荷，降低軸承的精度和壽命，影響加工精度和表面質(zhì)量。因此，主軸單元應(yīng)具有較高的抗振性。

相比一般的傳統(tǒng)主軸，電主軸將電機(jī)內(nèi)置，傳動(dòng)上摒棄了皮帶和齒輪，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，很好的解決了振動(dòng)和噪聲問題，提高了機(jī)床的加工精度和加工表面粗糙度，可以最快地實(shí)現(xiàn)較高的速度變化，即主軸回轉(zhuǎn)時(shí)要具有極大的角加速度，這極大的提高了生產(chǎn)效率。

用在高精度機(jī)床上的電主軸，不但要求主軸轉(zhuǎn)速高，而且要求其旋轉(zhuǎn)精度也高、并且振動(dòng)小。因此，在電主軸的設(shè)計(jì)階段，必須對它進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析，以確定其各階臨界轉(zhuǎn)速和各階振型。對于高速軸系，其轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)性能的分析和設(shè)計(jì)是直接決定主軸性能設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。主軸的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)性能如何，對整臺機(jī)床能否實(shí)現(xiàn)高速加工以及加工精度、主軸軸承的壽命和其它關(guān)鍵部件的正常工作等方面都有著至關(guān)重要的影響。另外，陶瓷角接觸球軸承具有制造精度高、極限轉(zhuǎn)速高、承載能力強(qiáng)，能同時(shí)承受徑向和軸向載荷等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于高速機(jī)床主軸的支承中。軸承內(nèi)部各元件的運(yùn)動(dòng)及所受載荷比較復(fù)雜，特別是高速球軸承中，離心力和陀螺力矩作用的結(jié)果使軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)發(fā)生變化，影響到軸承的變形與載荷關(guān)系特性，從而影響到球軸承支撐的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能。5