電主軸在數控機床中的應用

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

　　電主軸早是用在磨床上，后來才發展到加T中心。因強大的精密機械工業不斷提出要求，使電主軸的功率和品質不斷得到提高。目前，電主軸大轉速可達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。電主軸具有結構緊湊，重量輕。慣性小，動態特性好等優點，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用。

1 電主軸的工作原理及典型結構

　　1.1 電主軸的工作原理

　　所謂電主軸就是將電機的轉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，實現電機與機床主軸的一體化。電主軸直接將空心的電動機轉子裝在主軸上，定子通過冷卻套同定在主軸箱體孔內，形成一個完整的主軸單元，通電后轉子直接帶動主軸運轉。

　　1.2 電主軸的基本構成

　　電主軸結構的基本構成如圖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構布局方式是電機置于主軸前、后軸承之間，其優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、中型高速數控機床；其不足是在封閉的主軸箱體內電機的自然散熱條件差，溫升比較高。

電主軸的結構圖

　　1.3 電主軸的典型結構

　　為內裝式電主軸結構。電動機的轉子與機床的主軸間是靠過盈套筒的過盈配合實現扭矩傳遞的，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，便于使主軸運轉部分達到精確的動平衡。由于轉子內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。
電主軸典型結構圖

2 電主軸的關鍵技術

　　電主軸是高速軸承技術、潤滑技術、冷卻技術、動平衡技術、精密制造與裝配技術以及電機高速驅動等技術的綜合運用。

　　2.1 電主軸的高速軸承技術

　　實現電主軸高速化精密化的關鍵是高速精密軸承技術的應用。目前，在電主軸中應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，結構簡單緊湊，品種規格繁多，便于維修更換，因而在電主軸中得到廣泛的應用。隨著陶瓷軸承技術的發展，應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”結構，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

　　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，以保證數控機床工藝系統的精度和穩定性。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確地控制供油量多少，不利于主軸軸承轉速和壽命的提高。而新近發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)油氣潤滑技術是利用壓縮空氣將微量的潤滑油分別連續不斷地、精確地供給每一套主軸軸承，微小油滴在滾動和內、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所產生的部分熱量。

　　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，但其所需設備復雜，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

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

　　2)電主軸由采用內藏式主軸結構形式，位于主軸單元體中的電機不能采用風扇散熱，因此，自然散熱條件較差。電機在實現能量轉換過程中，內部產生功率損耗，從而使電機發熱。研究表明，在電機高速運轉條件下，有近1/3的電機發熱量南電機轉子產生，并且轉子產生的絕大部分熱量都通過轉子與定子間的氣隙傳人定子中；其余2／3的熱量產生于電機的定子，所以，對電機產生發熱的主要解決方法是對電機定子采用冷卻液的循環流動來實行強制冷卻。典型的冷卻系統是用外循環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生的滑動摩擦以及潤滑油的粘性摩擦等產生的。減小軸承發熱量的主要措施：(1)適當減小滾珠的直徑，從而減小摩擦，減少發熱量。(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

　　主軸高速旋轉時，任何小的不平衡質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到G1-G0.4級。對于這種等級的動平衡，采用常規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遠不夠的，還需在裝配后進行整體的動平衡，甚至還要設計專門的自動平衡系統來實現主軸的在線動平衡。另外，在設計電主軸時，必須嚴格遵守結構對稱原則，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，并以此來實現轉矩的傳遞。

　　2.5 電主軸的運動控制技術

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

　　1)普通變頻為標量驅動和控制，其驅動控制特性為恒轉矩驅動，輸出功率和轉速成正比。普通變頻控制的動態性能不夠理想，在低速時控制性能不佳，輸出功率不夠穩定，也不具備C軸功能，但價格便宜、結構簡單，一般用于磨床和普通的高速銑床等。

　　2)矢量控制技術模

仿直流電動機的控制，以轉子磁場定向，用矢量變換的方法來實現驅動和控制，具有良好的動態性能。矢量控制驅動器在剛啟動時具有很大的轉矩值，加之電主軸本身結構簡單，慣性很小，故啟動加速度大，可以實現啟動后瞬時達到允許極限速度。

　　3)直接轉矩控制是繼矢量控制技術之后發展起來的又一種新型的高性能交流調速技術，其控制思想新穎，系統結構簡潔明了，更適合于高速電主軸的驅動，更能滿足高速電主軸高轉速、寬調速范圍、高速瞬l’日J準停的動態特性和靜態特性的要求，已成為交流傳動領域的一個熱點技術。

3 結束語

　　目前，電主軸應用越來越廣，國外高速電主軸技術由于研究較早，電主軸單元發展較快，技術水平也處于領先地位，并且隨著變頻技術及數字技術的發展日趨完善，逐步形成了一系列標準產品，高轉速電動主軸在機床行業和工業制造業中普遍采用。今后一段時間應著重發展研究大功率、大扭矩、調速范圍寬、能實現快速制啟動、準確定位、自動對刀等數字化高標準電動主軸單元。