數(shù)控機床高速電主軸技術(shù)及應用

洛陽軸研科技股份有限公司 李彥

一、高速電主軸的發(fā)展歷程

早在 20 世紀 50 年代，就己出現(xiàn)了用于磨削小孔的高頻電主軸，當時的變頻器采用的是真空電子管，雖然轉(zhuǎn)速高，但傳遞的功率小，轉(zhuǎn)矩也小。隨著高速切削發(fā)展的需要和功率電子器件、微電子器件和計算機技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了全固態(tài)元件的變頻器和矢量控制驅(qū)動器；加上混合陶瓷球軸承的出現(xiàn)，使得在 20 世紀 80 年代末、90 年代初出現(xiàn)了用于銑削、鉆削、加工中心及車削等加工的大功率、大轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速的電主軸。

國外高速電主軸技術(shù)發(fā)展較快，中等規(guī)格的加工中心的主軸轉(zhuǎn)速目前己普遍達到 10000r/min 甚至更高。1976 年美國的 Vought 公司首次推出一臺超高速銑床，采用了 Bryant 內(nèi)裝式電機主軸系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速達到了20,OOOr/min，功率為 15KW。到 90 年代末期，電主軸發(fā)展的水平是:轉(zhuǎn)速40,000 r/min，功率 40 KW(即所謂的“40-40 水平”)。但 2001 年美國Cincinnati 公司為宇航工業(yè)生產(chǎn)了 SuperMach 大型高速加工中心，其電主軸最高轉(zhuǎn)速達 60,000 r/min，功率為 80 KW。

目前世界各主要工業(yè)國家均有裝備優(yōu)良的專業(yè)電主軸生產(chǎn)廠，批量生產(chǎn)一系列用于加工中心和高速數(shù)控機床的電主軸。其中最著名的生產(chǎn)廠家有:瑞士的 FISCHER公司、IBAG 公司和 STEP-TEC 公司，德國的 GMN公司和FAG 公司，美國的 PRECISE 公司，意大利的GAMFIOR 公司和 FOEMAT 公司，日本的 NSK公司和KOYO公司，以及瑞典的 SKF公司等公司。高速電主軸生產(chǎn)技術(shù)的突破，大大推動了世界高速加工技術(shù)的發(fā)展與應用。

從 80年代中后期以來，商品化的超高速切削機床不斷出現(xiàn)，超高速機床從單一的超高速銑床發(fā)展成為超高速車銑床、鉆銑床乃至各種加工中心等。德國、美國、瑞士、英國、法國、日本也相繼推出了自己的超高速機床。其中日本工業(yè)界善于汲取各國的研究成果并及時應用到新產(chǎn)品開發(fā)中去，尤其在超高速切削機床的研究和開發(fā)方面后來居上，現(xiàn)己躍居世界領先地位。日本廠商現(xiàn)己成為世界上超高速機床的主要提供者。在我國，也開始有廠家生產(chǎn)超高速機床。

中國機床工具行業(yè)近幾年的快速發(fā)展，受到世界機床制造業(yè)界矚目。代表當今機床技術(shù)發(fā)展主流的數(shù)控機床，更是異軍突起，國產(chǎn)數(shù)控機床在高速、多軸、復合、精密以及自動化等方面都取得了明顯的進展。尤其在數(shù)控機床的高速化和品種發(fā)展上進步明顯。在CIMT2003 屆展會的高速加工中心展品有 30 多臺，占參展國產(chǎn)加工中心總數(shù)的 30%。在高速加工中心展品中，寧江機床集團公司的NJ-5HMC40臥式加工中心最高主軸轉(zhuǎn)速達40000r / min，快速行程達 60m / min 。在高精度產(chǎn)品中有北京機床研究所的高速立式加工中心，成都托普數(shù)控機床公司的 PMC600高速立式加工中心，大連機床集團有限公司的 DHSC500 高速臥式加工中心，沈陽機床股份有限公司的 BW60HS / 1 臥式加工中心等。

高速加工機床的涌現(xiàn)及超高速切削技術(shù)的發(fā)展，帶動了相關技術(shù)及數(shù)控功能部件的專業(yè)化生產(chǎn)。數(shù)控功能部件是指數(shù)控系統(tǒng)、主軸單元、數(shù)控刀架和轉(zhuǎn)臺、滾珠絲杠副和滾動直線導軌副、刀庫和機械手、高速防護裝置等。它們是數(shù)控機床的核心組成部分。主機技術(shù)水平的不斷提高，要求配套的功能部件也必須迅速提高自身的水平。功能部件技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會配套水平，都直接決定和影響著數(shù)控機床整機的技術(shù)水平和性能，也制約著主機的發(fā)展速度。沒有高質(zhì)量的功能部件，數(shù)控機床的迅速發(fā)展也將成為一句空話。

國產(chǎn)電主軸技術(shù)水平的高低必然影響產(chǎn)品在主機上的應用。我國數(shù)控機床的發(fā)展歷程充分證明，數(shù)控功能部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的滯后，始終是制約我國數(shù)控機床發(fā)展的瓶頸問題之一。功能部件跟不上，發(fā)展數(shù)控機床將成為空話。我國數(shù)控機床整體技術(shù)水平的發(fā)展和提高，最終離不開先進的功能部件產(chǎn)業(yè)的支持。我們要抓住目前的黃金發(fā)展機遇，學習國外同行的先進技術(shù)，探索國際合作途徑，共同為做大做強數(shù)控功能部件產(chǎn)業(yè)，為國產(chǎn)數(shù)控機床的發(fā)展而努力奮斗。

二、高速電主軸的結(jié)構(gòu)組成

數(shù)控機床的高速主軸具有高回轉(zhuǎn)速度，但這并無嚴格的界限。對作為高速切削機床代表的加工中心和數(shù)控銑床而言，一般是指最高轉(zhuǎn)速≥10,000r/min的主軸系統(tǒng)，并相應具有高的角加(減)速度，以實現(xiàn)主軸的瞬時升降速與起停。為適應制造業(yè)對機床加工精度愈來愈高的要求，高速切削主軸還應有較高的回轉(zhuǎn)精度，通常要求主軸的徑向跳動小于1或2μm，軸向竄動小于1μm。此外，主軸也要有足夠的靜、動剛度，以承受一定的切削負荷和保持高的回轉(zhuǎn)精度。

高速電主軸是高速機床的核心部件，它將機床主軸與變頻電機軸合二為一，即將主軸電機的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件內(nèi)部，也被稱為內(nèi)裝式電主軸（built in motor spindle），其間不再使用皮帶或齒輪傳動副，從而實現(xiàn)機床主軸系統(tǒng)的“零傳動”。高速電主軸的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、響應特性好，并可改善主軸的動平衡，減少振動和噪聲，是高速機床主軸單元的理想結(jié)構(gòu)。

高速主軸單元包括動力源、主軸、軸承和機架四個主要部分，是高速機床的核心部件。這四個部分構(gòu)成一個動力學性能及穩(wěn)定性良好的系統(tǒng)，在很大程度上決定了機床所能達到的切削速度、加工精度和應用范圍。高速主軸單元的性能取決于主軸的設計方法、材料、結(jié)構(gòu)、軸承、潤滑冷卻、動平衡、噪聲等多項相關技術(shù)，其中一些技術(shù)又是相互制約的，包括高速和高剛度的矛盾、高速和大轉(zhuǎn)矩的矛盾等。

從目前發(fā)展現(xiàn)狀來看，主軸單元形成獨立的單元而成為功能部件以方便地配置到多種加工中心及高速機床上，而且越來越多地采用電主軸類型。電主軸技術(shù)包括高速主軸軸承、無外殼主軸電機及其控制模塊、潤滑冷卻系統(tǒng)、主軸刀柄接口和刀具夾緊方式以及刀具動平衡等。

在高速主軸單元中，由于機床既要完成粗加工，又要完成精加工，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，高速機床主軸單元的動態(tài)特性也在很大程度上決定了機床的加工質(zhì)量和切削能力。當切削過程出現(xiàn)較大的振動時，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，主軸單元應具有較好的抗振性。高速運轉(zhuǎn)下，主軸單元的振動問題是非常突出的，采用電主軸是最佳的選擇，這是因為：

（l）如果電機仍采用皮帶或齒輪等方式傳動，則在高速運轉(zhuǎn)條件下，所產(chǎn)生的振動和噪聲等問題難以解決，必會影響機床的加工精度、加工表面粗糙度。 （2）為了提高生產(chǎn)率，要求在最短時間內(nèi)實現(xiàn)高的速度變化，即主軸回轉(zhuǎn)時要具有極大的角加速度。達到這個要求的最經(jīng)濟的辦法，是將主軸傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量盡可能地減小。而將電機內(nèi)置，省掉齒輪、皮帶等一系列中間環(huán)節(jié)，才是達到這一目標的理想途徑。 （3）電機內(nèi)置于主軸兩支承之間，可提高主軸系統(tǒng)的剛度，也就是提高了系統(tǒng)的固有頻率，從而提高了其臨界轉(zhuǎn)速值。

電主軸系統(tǒng)有三項性能指標是非常重要的，它們分別是:

1)使用壽命。指更換一次軸承時主軸的累計工作時間。實際上就是指軸承的使用壽命。 2)主軸前端徑向剛度。是指電主軸工作端在單位徑向力作用下產(chǎn)生的位移。這一指標對加工精度、生產(chǎn)效率影響很大。在其它條件相同的情況下，徑向剛度越大，工作效率就越高。3)臨界轉(zhuǎn)速。是指當主軸旋轉(zhuǎn)時，會使主軸出現(xiàn)撓度急劇增大、轉(zhuǎn)動失穩(wěn)現(xiàn)象的那些旋轉(zhuǎn)速度。主軸工作轉(zhuǎn)速應遠離各階臨界轉(zhuǎn)速，否則主軸將有可能處于共振區(qū)而產(chǎn)生劇烈振動。

這三項指標對于一根設計良好的主軸來說，均應達到預定的要求。在傳統(tǒng)的電主軸設計中，由于缺乏必要的分析計算，只能等產(chǎn)品加工出來后再通過試驗來考核其性能指標。若其性能指標不能滿足預定的要求，則要修改設計，重新制做，這樣必然導致產(chǎn)品的設計周期長，并且成本高。而現(xiàn)代設計方法則要求在設計過程中通過一些分析計算就應能夠預測出主軸、軸承以及軸系的靜、動態(tài)性能指標，在產(chǎn)品加工出來以前就能知道設計是否合理，從而大大縮短設計周期，降低生產(chǎn)成本。

三、國外高速電主軸的主要特點

從國外的情況來看，高速電主軸的主要特點如下：

1、功率大、轉(zhuǎn)速高 目前單獨實現(xiàn)電七軸的高轉(zhuǎn)速或大功率在技術(shù)上已經(jīng)不存在難題，但要同時實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速和大功率，則存在相當?shù)募夹g(shù)難度。圍繞高速電主軸技術(shù)，世界各國的公司展開了激烈競爭。

2、采用高速高剛度軸承 國外高速精密主軸均采用高速高剛度軸承，主要有陶瓷軸承和液體動靜壓軸承，特殊場合采用空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承。美國Ingersoll公司采用液體動靜壓軸承，最高轉(zhuǎn)速達到40 000r／min；瑞士IBAG公司磁懸浮軸承最高到200000r／min。目前國內(nèi)高速電主軸用軸承主要依賴進口，也有一部分采用國產(chǎn)的鋼質(zhì)角接觸球軸承，但壽命有待進一步提高。

3、精密加工與精密裝配工藝高 精密加工和精密裝工藝是電主軸的核心技術(shù)之—。電主軸的上軸、前后軸承蓋等的制造工藝要求非常高。為了保證電主軸在高速運轉(zhuǎn)時的回轉(zhuǎn)精度和剛度，這些數(shù)控機床的關鍵零件必須進行精密加工或超精密加工，其尺寸誤差一般在微米級或更??；對同軸度、垂直度和表面粗糙度也都有極嚴格的要求。為了制造這些高精度零件，國外電主軸的專業(yè)制造廠都裝備有成套的高精度加工設備，如高精度數(shù)控車削中心、精密數(shù)控外圓磨床、高精度加工中心、高精度數(shù)控內(nèi)圓磨床等，同時還配備了高精度測試設備。在國內(nèi)，如陶瓷軸承、異步型電動機轉(zhuǎn)子等電主軸的關鍵零件制造中的關鍵問題還沒有得到很好的解決， 影響了數(shù)控機床的制造水平。

4、配套控制系統(tǒng)水平高 這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補償精密控制系統(tǒng)等。例如，瑞士 Fischer公司和德國Hofmmm 公司生產(chǎn)電主軸配套的在線自動平衡系統(tǒng)，可以在線自動校正偏心，大幅度降低電主軸高速運行情況下的振動；SKF公司和NSK公司生產(chǎn)的軸承油氣潤滑系統(tǒng)，可以通過定時定量控制進氣量保證軸承的潤滑和溫升控制在正常水平。

四、高速電主軸對數(shù)控機床的影響

電主軸可以根據(jù)用途、結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)等特征形成標準化、系列化產(chǎn)品，供主機選用，從而促進機床結(jié)構(gòu)模塊化。標準化、系列化的電主軸產(chǎn)品易于形成專業(yè)化、 規(guī)?；a(chǎn)，實現(xiàn)功能部件的低成本制造；采用電主軸后，機床結(jié)構(gòu)的簡單化和模塊化，也有利于降低機床成本；此外，還可以縮短機床研制周期，適應目前快速多變的市場趨勢。

采用電主軸結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床，由于結(jié)構(gòu)簡化，傳動、連接環(huán)節(jié)減少，因此提高了機床的可靠性；技術(shù)成熟、功能完善、性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠的電主軸功能部件使機床的性能更加完善，可靠性得以進一步提高。有些高檔數(shù)控機床，如并聯(lián)運動機床、五面體加工中心、小孔和超小孔加工機床等，必須采用電主軸，方能 滿足完善的功能要求。

電主軸系由內(nèi)裝式電機直接驅(qū)動，以滿足高速切削對機床“高速度、高精度、高可靠性及小振動”的要求，與機床高速進給系統(tǒng)、高速刀具系統(tǒng)一起組成高速切削所需要的必備條件。電主軸技術(shù)與電機變頻、閉環(huán)矢量控制、交流伺服控制等技術(shù)相結(jié)合，可以滿足車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削等金屬切削加工的需要。

采用高速加工技術(shù)可以解決機械產(chǎn)品制造中的諸多難題，取得特殊的加工精度和表面質(zhì)量，因此這項技術(shù)在各類裝備制造業(yè)中得到越來越廣泛的應用，正在成為當今金切加工的主流技術(shù)。高精度、高轉(zhuǎn)速數(shù)控機床主軸單元是承載高速切削技術(shù)的主體之一工業(yè)自動化網(wǎng)版權(quán)所有，是高精度、高效率高檔數(shù)控機床的核心功能部件，是航空航天、汽車、船舶、精密模具、精密機械等尖端產(chǎn)品制造領域所需高檔加工母機的核心部件。目前國內(nèi)外電主軸技術(shù)的發(fā)展十分迅速，各生產(chǎn)廠商都在高可靠性、節(jié)能性、高精度、高加工效率、環(huán)保性、智能化等方面進行持續(xù)的科技攻關，以期形成自身的特色搜企網(wǎng)版權(quán)所有，占領電主軸技術(shù)發(fā)展的制高點。

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