淺談電主軸技術及其應用

沈 瑋

電主軸具有結構緊湊、機械效率高、可獲得極高的回轉速度、回轉精度高、噪聲低、振動小等優(yōu)點，因而在數(shù)控機床以及加工中心中獲得了廣泛應用。

1.電主軸結構及特點

電主軸是主軸電機和機床主軸合為一體一套組件，它包括電主軸本身及其下列附件：高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內置編碼器、換刀裝置，圖1為電主軸的結構示意圖。與傳統(tǒng)機床主軸相比，電主軸具有如下特點：

（1）主軸由內裝式電機直接驅動，省去了中間傳動環(huán)節(jié)，結構緊湊、機械效率高、噪聲低、振動小和精度高。

（2）采用交流變頻調速和矢量控制，輸出功率大，調整范圍寬，功率轉矩特性好。

（3）機械結構簡單，轉動慣量小，可實現(xiàn)很高的速度和加速度及定角度的快速準停，動態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性好。

（4）由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)的外力作用，主軸運行更平穩(wěn)，使主軸軸承壽命得到延長。

2.電主軸技術構成

（1）高速軸承技術。角接觸球軸承無論是速度極限、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%的電主軸組件采用這類軸承。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?jié)L珠與滾道間產生滑動摩擦，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。

（2）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(tài)性能的，所以主軸的轉速越高，主軸不平衡量引起的動態(tài)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，因此采用常規(guī)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(tǒng)來實現(xiàn)主軸在線動平衡，以確保主軸高速平穩(wěn)運行。增重法是近年來為適應高速主軸發(fā)展的需要，在無框架主軸電機上常采用的方法。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?shù)臄Q入深度和周向位置來平衡主軸組件的偏心量。

（3）潤滑技術。①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、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，而壓縮空氣起推動潤滑油運動及冷卻軸承的作用。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(qū)，因此，提高油氣壓力有助于提高軸承的轉速能力。實驗表明，加大壓力比采用常規(guī)壓力進行油氣潤滑可使軸承的轉速提高20%。②環(huán)下潤滑，是一種改進的潤滑方式，分為環(huán)下油潤滑和環(huán)下油氣潤滑。實施環(huán)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(qū)，在離心力的作用下潤滑油更易于到達軸承潤滑區(qū)，因而比普通的噴射潤滑和油氣潤滑效果好，可進一步提高軸承的轉速。

（4）冷卻裝置。高速電主軸的熱穩(wěn)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(fā)熱主要有定子繞組的銅耗發(fā)熱及轉子的鐵損發(fā)熱，其中定子繞組的發(fā)熱占電機總發(fā)熱量的2/3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(fā)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，從而影響軸承的壽命，并且會使主軸產生熱伸長，影響加工精度。除了電機的發(fā)熱之外，主軸軸承的發(fā)熱也不容忽視，引起軸承發(fā)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、潤滑油的黏性摩擦等。上述各種摩擦會隨著主軸轉速的升高而加劇，發(fā)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(fā)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，電機冷卻必不可少。采取的主要措施是在電機定子與殼體連接處設計循環(huán)冷卻水套（圖2），水套用熱阻較小的材料制造，套外環(huán)加工有螺旋水槽，電機工作時，水槽里通入循環(huán)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(fā)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(fā)熱主要通過氣隙傳給定子，由冷卻水吸收帶走。

（5）高頻變頻驅動和矢量控制驅動技術。要實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬轉甚至十幾萬轉的轉速，必須用一高頻變頻裝置來驅動電主軸的內置高速電機，變頻器的輸出頻率必須達到上千或幾千赫茲。當前，電主軸的電機均采用交流異步感應電機，由于是用在高速加工機床上，啟動時要從靜止迅速升速至每分鐘數(shù)萬轉乃至數(shù)十萬轉，啟動轉矩大，因而啟動電流要超出普通電機額定電流5～7倍。其驅動方式有變頻器驅動和矢量控制驅動器驅動兩種，變頻器的驅動控制特性為恒轉矩驅動，輸出功率與轉矩成正比，可實現(xiàn)主軸的無級變速；矢量控制驅動器的驅動控制是在低速端為恒轉矩驅動，在中、高速端為恒功率驅動，具體根據(jù)工藝要求而定。

此外，為了實現(xiàn)自動換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內置一脈沖編碼器，以實現(xiàn)準確的相角控制以及與進給的配合。為了應用于加工中心，電主軸配備了自動換刀裝置。

3.電主軸的應用

目前上汽集團南京汽車集團有限公司新建了包括缸體、缸蓋、連桿、曲軸、凸輪軸和裝配等6條生產線，用于生產Roewe 350 NSE小排量發(fā)動機。其中數(shù)控機床38臺，加工中心32臺，電主軸達一百余根。

（1）德國JUNKER凸輪數(shù)控磨床。JUNKER凸輪軸磨床采用CBN砂輪，工件旋轉軸（主軸2）、砂輪旋轉（主軸1）、砂輪修正金剛滾輪旋轉采用德國FRANZ KESSLER公司的電主軸。冷卻方式為水冷，單獨設有水冷系統(tǒng)給各電主軸提供冷卻。砂輪旋轉、金剛滾輪修正器旋轉電主軸均能提供高轉速，使CBN砂輪實現(xiàn)高速磨削成為可能。工件旋轉電主軸轉速不高，由于直接驅動工件旋轉，角度誤差近乎為零，以保證凸輪軸型線線的質量。

（2）德國Grob缸體鏜銑加工中心。Grob缸體鏜銑加工中心電主軸采用的是德國 WEISS公司的產品，最高轉速能達2萬r/min。

（3）澳大利亞ANKA五軸數(shù)控刀具磨床。ANKA五軸數(shù)控刀具磨床A軸采用電主軸直接驅動，旋轉范圍360°，C軸（磨頭主軸）由變頻電主軸直接驅動，可在順時針和逆時針方向1800r/min至10000r/min的速度運轉，最大線速度100m/s。