高性能磨用電主軸在軸承行業中的應用*

姚銀歌，王廣輝，俞 蓬，張 濤，張海杰

（洛陽軸承研究所有限公司，河南洛陽 471039）

0 引言

磨削用電主軸目前是國內最主要的電主軸類型，主要應用于軸承行業套圈內磨工序[1]。隨著工業技術的進步，尤其是電機、軸承、砂輪、熱處理等技術的飛速發展，永磁同步工件電軸、砂輪修整器電主軸、套圈外磨電主軸等磨用電主軸廣泛應用于軸承行業。相對于傳統電主軸，此類主軸具有高效率、高精度、大功率、高剛性、低振動、低噪聲等優良的性能，可有效提高加工效率及表面質量。

國內針對某一種或某一類電主軸的熱特性、電磁學、動力學等研究文獻相對較多，而全面系統的磨用電主軸的應用文獻較少。穆敬巍[2]針對當時電主軸的技術特征，從功率選擇、軸承潤滑和電機工作制3個方面介紹了電主軸選用方法，具有較強的指導意義。工業技術的進步和主軸種類的增多，造成相關從業人員在電主軸選型和應用過程中存在各種各樣的疑惑。本文依據工作經驗，介紹不同電主軸在軸承行業中的應用及應用特點，并且對常見的機械和電氣問題以及問題原因進行總結，并指出長壽命和智能化是未來高性能磨用電主軸的發展方向，供廣大相關從業人員參考。

1 高性能磨用電主軸特征及其技術指標

1.1 熱穩定性好

電主軸自身產生的熱量主要來自于電機和軸承。高性能磨用電主軸一般采用轉子內部無感應電流、渦流和鐵耗小、發熱少的永磁同步電機，可有效降低主軸本身的發熱[3]。與此同時，采用低溫升軸承并根據實際工況定制化加載軸承預負荷，降低軸承的發熱。主軸產生的熱量少，軸向穩定好，可獲得較好的表面加工精度。

1.2 剛性高

主軸設計時采用最優軸系結構，并采用高剛性系列軸承。如圖1所示，軸端接口采用HSK-C系列高可靠性手動刀柄接口，因其采用1∶10短錐及端面雙定位，0.008～0.010過盈連接，使得動、靜態聯接剛性大、扭矩傳遞能力強、聯接可靠性突出[4]，該接口之前廣泛應用于加工中心主軸，近年也應用于磨用電主軸，可有效提高主軸砂輪連接桿的剛性和重復定位精度。

圖1 HSK-C手動接口

1.3 扭矩大、功率高

根據用戶的實際需求，電機一般采用鑄銅轉子或永磁同步電機，相同條件下，功率可提高30%～50%，甚至更高。尤其是永磁同步電機，具有極佳的硬轉矩特性，在負載波動情況下具有較高的轉速穩定性，易于獲得較好的表面質量[5]。永磁同步電機的優異性能如表1所示。

表1 GMN永磁同步與三相異步電機參數對比表

1.4 高精度、低振動、低噪聲

主軸同精密軸承一樣，對精度、振動及噪聲的需求無止境，高性能磨用電主軸，轉軸上旋轉件動平衡精度等級在G0.4級，甚至以上的級別，一般采用P4A及P2級以上精密滾動軸承。加工及裝配過程中需嚴格控制電機定、轉子同軸度，保證主軸運轉時磁拉力均勻，以實現主軸高精度、低振動、低噪聲[6]。

1.5 指標對比

高性能磨用電主軸各項指標遠勝傳統的磨用電主軸，各別指標項也優于2021年新實施的JB/T 10801.4-2020行業標準，具體指標對比[7]如表2所示。從表中可看出，高性能磨用電主軸各項指標高于行業標準，代表著當前國內磨用電主軸發展的水平。

2 高性能磨削電主軸在軸承行業中的應用

軸承行業中，常根據主軸的功能進行分類，一般情況分為砂輪軸、恒扭矩工件軸、砂輪修整器用軸3大類。其中，砂輪軸常見有2種：內表面磨削電主軸(包含外內溝道)、外表面磨削（包含內外溝道）電主軸。將加工風電、盾構機等重大型軸承所需的立磨電主軸集內表面磨削、外表面磨削為一體，故將其單獨化為一類。表3～6對以上各類主軸的應用場合及結構設計特點逐一介紹。

表3 內表面磨削電主軸

表4 外表面磨削電主軸/恒扭矩工件軸

表5 砂輪修整器電主軸

表6 低速大扭矩、高剛性砂輪軸

3 高性能磨用電主軸常見的應用故障及應用案例

3.1 常見應用問題及原因

（1）機械問題

磨削工件圓度大常見原因：光磨時間過短；砂輪硬度過高；機床系統剛性差；砂輪軸震蕩時振動大；電主軸功率不足等。

工件表面有直波形痕跡常見原因：砂輪主軸間隙過大；砂輪壓緊機構或工作臺“爬行”；砂輪與工件轉速比為整數；砂輪靜平衡不好或砂輪變鈍等。

磨削工件錐度大常見原因：砂輪硬度過低；砂輪寬度與工件寬度不匹配；砂輪軸進給速度過快，精磨量偏小，光磨時間短；砂輪主軸軸向與工件軸軸線不平行；主軸剛性差；砂接桿設計不合理；配合面接觸剛性差等[8]。

（2）電氣相關異常問題

電氣常見問題為電機自學習故障，常見原因：電機參數設置不正確（最常見原因，也會引起電機異響和振動）；電機容量與變頻器容量不匹配；變頻器上線頻率小于主軸額定頻率的2/3等。此外，變頻器過熱也是電氣常見故障之一，常見原因為超載使用、載波頻率設置過高等。其他原因應具體問題具體分析。

3.2 應用案例

某公司在加工6203軸承內孔時磨削節拍8.2 s，磨削效率低。應用高性能磨用電主軸后，產品質量和效率均得到提升，波紋度不合格率由3‰降低至1‰，磨削節拍提高至6.2 s，單件產品效率提升24%；將夾持7010軸承內圈的工件機械軸升級為采用永磁同步電機的高性能磨削電主軸，加工內外溝道時，波紋度由0.6～0.7（2～500波）提高至0.4～0.5，圓度由0.4μm提高至0.25μm。高性能磨用電主軸有眾多提高生產效率及產品質量的成功應用案例，此處不再進行一一介紹。

4 高性能磨削電主軸發展展望

電主軸實際應用除了性能的需求外，越來越多的用戶開始關注主軸的長壽命，期望平均無故障工作時間MTBF為5 000 h。受制于密封技術，當前電主軸市場普遍質保時間為1年（8 h工作制），高可靠性及長壽命軸承的研發及密封技術的發展必將會促進主軸壽命的提升。在實際應用中，少量高精尖機床主軸配備有在線測振、測溫以及聲發射（AE）系統，但均還處于磨用電主軸智能化的初級階段。隨著微機電器件和通訊技術的發展，主軸智能化是新一代電主軸的重要特征，代表機床主軸單元的未來發展趨勢[9]。長期來看，長壽命和智能化將是高性能磨用電主軸的新發展趨勢。

5 結束語

本文全面深入地介紹了高性能磨用電主軸的技術特點，與2021年新實施的行業標準及傳統磨用電主軸進行了通用指標項對比；針對軸承行業常用的內表面磨削、外表面磨削、低速大扭矩砂輪軸、工件軸及砂輪修整器5大類高性能電主軸，分別介紹了其應用范圍和內在的技術特征，并對應用中的圓度大、錐度大及常見電氣問題進行原因分析，指出長壽命和智能化將是高性能磨用電主軸的新發展趨勢，供廣大從業人員參考。