渦輪式高轉速數(shù)控中心主軸單元研究與開發(fā)

申曉龍， 楚雪平

（1.湖南工業(yè)職業(yè)技術學院， 湖南長沙 410208； 2.河南職業(yè)技術學院， 河南鄭州 450018）

0 引言

現(xiàn)代數(shù)控高速加工技術可以解決機械產品制造和零件生產中的諸多難題，高性能高轉速主軸單元是數(shù)控加工中心機床的核心功能部件，對零件的加工精度及機床的加工效率有著極其重要的影響。目前我國國內研制的加工中心機床主軸存在的主要問題是很難同時實現(xiàn)微細切削刀具的高精密回轉與高轉速回轉以及刀具的自由更換。

如何基于渦輪式高轉速高精密數(shù)控加工中心主軸單元的原理和結構方案， 實現(xiàn)微細切削刀具高精密回轉與高轉速回轉及可自由更換。 怎樣實現(xiàn)對高精密高速靜壓氣體軸承氣體潤滑機理、 高轉速渦輪氣體動力學及流動控制、 實現(xiàn)微細切削刀具高精密和高轉速回轉以及自由更換關鍵等問題技術系統(tǒng)深入的研究成為現(xiàn)代高速加工技術要解決的諸多難題之一。

1 研究現(xiàn)狀分析

通常傳統(tǒng)的高速主軸轉速在提高的同時，其跳動誤差也會不斷增大，現(xiàn)代高精密高轉速空氣軸承其主軸的低跳動誤差控制，通常是采用通過實現(xiàn)限制主軸的轉速來獲取得到的。而目前國內外研發(fā)的高轉速數(shù)控加工中心機床的微主軸單元中，基本上是通過將微主軸與刀具合制成一個整體，或者利用彈簧夾頭將刀具直接裝夾到機床的微主軸中來實現(xiàn)。

將微主軸與刀具合制成一體的主要缺點有：在不考慮使用夾具的裝夾誤差的前提下， 數(shù)控中心主軸的制造誤差、安裝誤差、高轉速回轉時的跳動誤差等是仍然會直接傳遞到刀具上，而且在刀具磨損時，其微主軸必須與刀具同時更換，這在實際應用時是很麻煩和不現(xiàn)實的。 在美國精密公司（Precise Corp.）研制的空氣軸承主軸帶有1/8 英寸的夾頭， 通過利用彈簧夾頭將刀具直接裝夾到機床的微主軸中的主要缺點有：會增加刀具的裝夾誤差，并且機床微主軸的制造誤差、 安裝誤差尤其是在高轉速回轉時的跳動誤差等這些問題會直接傳遞到主軸的刀具上，從而大大降低了機床刀具的回轉精度要求。 見圖1。

圖1 數(shù)控中心電主軸結構示意圖

中小數(shù)控中心機床中的微主軸單元按照其動力源及驅動方式，主要可以分為有以下幾種型式：①微電主軸：微電主軸可以傳遞較大的功率和扭矩， 但是由于受散熱條件限制，通常其最高轉速一般在150000rpm 以下，個別可以達到250000rpm；②水流驅動：雖然沒有微電主軸的發(fā)熱問題，但其轉速較低，如日本Yohichi Nakao 等人研發(fā)的通過采用水流驅動、支承和冷卻用的微主軸；③電機帶摩擦輪驅動：采用大傳動比可以獲得較高的轉速，但由于其體積較大，安裝使用起來不太方便，如Florida 大學研制的用于微銑加工的高速微主軸單元；④氣流驅動：沒有通常微電主軸的發(fā)熱問題， 并且其轉速高， 如美國Northwestern 大學研制氣流驅動及支承渦輪式微主軸，其最高轉速可達400000rpm，徑向跳動只有3.1μm 左右，另如德國Kaiserslautern 大學研制的微主軸采用渦輪驅動，轉子帶動刀柄，采用氣體軸承支承作為徑向支撐，最高轉速可達400000rpm，并可應用于微小磨床。

以上分析可見， 渦輪式微主軸由于采用氣流驅動和支承，它的氣流溫升小、摩擦系數(shù)低、流速高，從而極大地降低了軸承的摩擦損耗，因此可以達到很高的轉速。通過理論上分析可以看出渦輪式微主軸是能夠滿足高速微細切削加工要求的[1]，它定會成為未來中小數(shù)控中心機床微主軸的重要發(fā)展方向和趨勢。

2 數(shù)控中心電主軸及刀具接口技術

2.1 數(shù)控中心機床電主軸

數(shù)控中心機床電主軸是將機床主軸與主軸電動機“合二為一”傳動結構型式的新技術，它是將主軸電動機的定子、轉子等直接裝入主軸組件單元內部，電動機的轉子也即成為主軸的旋轉部分， 由于取消了一般機床主軸中的齒輪變速箱傳動與電動機的連接， 機床主傳動鏈的長度縮短為零實現(xiàn)了主軸系統(tǒng)的一體化“零傳動”。 因其具有結構緊湊、動態(tài)特性好、慣性小、重量輕等優(yōu)點，并可改善數(shù)控中心機床的動平衡，避免振動和噪聲，在超高速切削機床上得到了廣泛的應用[2]。

理論上，電主軸是一臺高速電動機，電主軸的驅動一般是使用矢量控制的變頻技術，通常內置一脈沖編碼器來實現(xiàn)廂位控制及保證其與進給的準確配合[3]。由于電主軸的工作轉速極高，對其散熱、潤滑、動平衡等提出了很高的要求，才能確保電主軸實現(xiàn)精密加工和高速平穩(wěn)運轉。 電主軸是一套組件，它包括有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、內置編碼器、換刀裝置等[4]。 通常電主軸所融合的技術包括以下幾種：

（1）高速軸承技術：電主軸通常大多采用復合陶瓷軸承，因耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的數(shù)倍；有時也有采用靜壓軸承或電磁懸浮軸承。

（2）高速電機技術：電主軸的旋轉部分就是電動機的轉子，它是將電主軸看作一臺高速電動機，其開發(fā)的關鍵技術是高速度下的動平衡問題。

（3）冷卻和潤滑裝置：為了能給電主軸高速運行時進行散熱， 一般采取在電主軸的外壁上通以循環(huán)冷卻劑的辦法， 其冷卻裝置作用就是盡可能保持冷卻劑的溫度[5]。電主軸的潤滑通常采用的是定量定時油氣潤滑方式，油氣潤滑是指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。

（4）內置脈沖編碼器：為實現(xiàn)剛性攻螺紋以及自動換刀功能，在電主軸內置一脈沖編碼器，可以準確地實現(xiàn)主軸進給以及與相角控制的配合運動。

（5）高頻變頻裝置：為實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉的平穩(wěn)高轉速， 必須采用一種高頻變頻裝置來驅動電主軸的內置高速電機，它可以將主軸電動機，變頻器的輸出頻率調整到可達到上千或幾千Hz 以上[8]。

（6）自動換刀裝置：數(shù)控中心機床電主軸配備了自動換刀裝置，包括拉刀油缸、碟形簧等；高速刀具的裝卡方

圖2 油氣潤滑系統(tǒng)示意圖

式中出現(xiàn)了SKI、HSK 等高速刀具產品。

影響電主軸回轉精度的主要原因有軸磨損、 軸承磨損以及接觸面磨損等，選擇正確合理的潤滑方式是保證電主軸能夠正常運轉工作的基本前提。電主軸油氣潤滑裝置被普遍使用在電主軸上，電主軸油氣潤滑裝置油跟隨氣體的流動而往前運動[6]。 潤滑裝置油滴適中，不會造成因油量過多軸承無法散熱，避免了電主軸負載增加，因而不會產生竄動現(xiàn)象。

現(xiàn)代數(shù)控中心機床進行機械加工時， 需要同時能夠滿足低速粗加工時的重切削、高速切削精加工的要求，因此機床電主軸應該具備高速大功率、低速大扭矩的性能。

表1 國內外數(shù)控加工中心機床用電主軸主要參數(shù)

2.2 電主軸刀具刀柄接口技術

隨著機床向高速、高精度發(fā)展，常用的7：24 錐柄刀具連接不能滿足數(shù)控高速加工中心的需求， 影響到機床主軸高轉速及機床高精度提高。 數(shù)控機床電主軸單元技術分析表明： 大約有30%～55%的刀尖變形來源于7：24刀具錐柄連接，只有30%左右的變形來源于主軸和軸承，因此， 有必要研究與開發(fā)適合數(shù)控中心高速主軸要求的新的主軸軸端結構[7-8]。 德國的HSK 系列就是一種采用替代型結構的新思路設計方案， 也是目前電主軸與刀具刀柄連接接口技術的成功設計，見圖3。

圖3 電主軸HSK 刀柄與主軸連接

為滿足數(shù)控高速加工中心的要求， 對數(shù)控機床電主軸的刀具接口提出了相應的要求。 為解決高速電主軸刀具接口中存在的問題，需要考慮以下幾個方面情形。

（1）高速主軸前端在離心力作用下會使主軸發(fā)生膨脹，而主軸膨脹會引起主軸錐柄及夾緊機構偏心， 影響到主軸的動平衡， 其膨脹量的又大小與主軸旋轉半徑和主軸轉速成正比；消除配合面之間的間隙，改進現(xiàn)有的標準刀具接口結構，改善標準刀具接口的靜態(tài)性能[8]。

（2）開發(fā)適合高速主軸要求的主軸軸端結構，實現(xiàn)錐孔和端面同時接觸定位； 在高速電主軸刀具接口上取消鍵連接，采用三棱圓或者摩擦力傳遞轉矩的新型結構，解決高速主軸軸端結構動平衡問題。

（3）過盈量的增大產生預緊拉力增加，主軸膨脹對主軸前軸承產生不良影響；增大預加過盈量，從而增大軸向拉力，可改善刀具接口高速性能、防止錐孔膨脹。

（4）選擇空心短錐柄小錐度結構，可實現(xiàn)錐體和端面的同時接觸定位，在刀柄內安裝減振裝置，刀柄上安裝自動動平衡裝置[8]。

HSK 短錐刀柄，采用1：10 短的錐度，其錐柄部分由于采用薄壁結構，短錐與主軸錐孔的接觸性能好，刀柄利用錐面與端面實現(xiàn)軸向定位，具有高的連接剛度、定位精度以及重復定位精度， 尤其適合高精度高速電主軸情況下使用。

3 渦輪與壓縮機瞬間數(shù)據(jù)及穩(wěn)態(tài)分析

渦輪機和低壓壓縮機通過墊片組滑軸式聯(lián)軸器連接，對壓縮機組先后進行低速測試和低速連續(xù)運行測試。隨著轉速升高，3 號軸承的振動也隨之加大，通過振動監(jiān)視器觀察，當壓縮機接近運行速度時，其直接振動出現(xiàn)急劇升高，轉速125000r/min 時達到50μm pp。

3.1 瞬間數(shù)據(jù)分析

運行期間采集了瞬時數(shù)據(jù)。 依據(jù)慢滾動數(shù)據(jù)分析，就可以對高轉速軌跡進行波形補償，運行軌跡可以隨時瞬間顯現(xiàn)出來，波形補償軌跡見圖4 所示。 圖中顯示（2號軸承） 內置渦輪機軸承中的補償振動其實是非常小的，不能說明其存在不平衡問題，實際上2 號軸承的大部分未補償振動都是由于振擺造成的。波形補償軌跡還顯示，大部分振動都集中在（3 號軸承）低壓壓縮機上。此外，（4 號軸承）低壓壓縮機另側的補償軌跡還顯示出呈現(xiàn)左下象限軌跡變平，這種現(xiàn)象說明此處存在有高徑向載荷[9]。

圖4 波形補償軌跡圖

根據(jù)測試數(shù)據(jù)， 低壓轉子首次平衡共振本出現(xiàn)在45000～55000r/min 范圍內。 運行數(shù)據(jù)的極坐標圖和伯德圖還顯示，在此轉速范圍內確實存在共振。 并且，在高于共振區(qū)域內， 顯示振幅是近似地隨轉子速度的平方倍速快速增長， 其相對相位滯后是以恒定速率而呈現(xiàn)持續(xù)變化。 振幅行為表明，共振已移至125000r/min 轉速附近或在超出該轉速的某個位置。

機器主軸的平衡共振速度與轉子質量及彈簧剛度之間的函數(shù)關系如下：

其中：K—轉子系統(tǒng)彈簧剛度；M—轉子質量。 提高平衡共振速度需要減少M 或增大K， 在主軸質量幾乎不變情況下， 一般是通過機器主軸的某一變化來相應增大系統(tǒng)彈簧剛度K。

3.2 穩(wěn)態(tài)分析

在機器運行的同時安放好設備， 數(shù)據(jù)采集設備采用6 條通道，由于聯(lián)軸器存在不平衡，重點關注渦輪機和低壓壓縮機。 在將壓縮機速度提升至125000r/min，采集穩(wěn)態(tài)機器主軸數(shù)據(jù)，開始進行分析。 取自（2 號軸承）內置渦輪機軸承和（3 號軸承）內置低壓壓縮機軸承的數(shù)據(jù)軌跡圖顯示出它們之間具有相似行為軌跡。在這兩個位置上，主軸是以較大的近似圓軌跡運動，并且具有主導的1X 頻率分量。 但另外也看出，3 號軸承的1X 振幅卻是2 號軸承振幅的2 倍多[10-11]。

機床主軸存在不平衡原因分析：

（1）與現(xiàn)場結果相比，測試時機器主軸振幅小許多，渦輪機和低壓及高壓壓縮機經(jīng)過測試且運轉良好， 其振幅量級只有2～4μm pp。

（2）現(xiàn)場所測得的振動數(shù)據(jù)具有軸不平衡現(xiàn)象的典型特點，如：圓形軌跡、主導的1X 振動及振幅增速變化與轉子速度的平方數(shù)值成正比。

（3）主軸振動振幅差異的渦輪機和壓縮機轉子質量之間存在著顯著差異性， 渦輪機轉子的質量大約是壓縮機轉子質量的5 倍以上，同時還需對聯(lián)軸器進行平衡。

4 結束語

隨著變頻調速技術發(fā)展， 已經(jīng)極大簡化了高速數(shù)控機床主傳動的機械結構， 常見的帶輪傳動和齒輪傳動已被取消。機床主軸由內裝式電動機直接驅動，實現(xiàn)了機床的“零傳動”。 主軸電動機與機床主軸形成一體的傳動型式，主軸部件從機床的整體結構和傳動系統(tǒng)中相對獨立，形成“主軸單元”，俗稱“電主軸”。與傳統(tǒng)的主軸傳動系統(tǒng)相比，電主軸結構緊湊簡單，常應用于高轉速數(shù)控中心機床或多軸聯(lián)動機床上[12-13]。

本文在數(shù)控加工中心機床電主軸結構現(xiàn)狀基礎上，分析了其結構和應用上的主要優(yōu)缺點， 介紹了電主軸單元的主要組成和融合技術， 比較國內外數(shù)控加工中心機床用電主軸的主要參數(shù)。 從電主軸刀具刀柄接口技術的新思路設計方案、渦輪機、聯(lián)軸器和壓縮機之間的連接與測試， 并對高轉速渦輪式主軸單元高速運轉時進行瞬時數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析， 同時提出數(shù)控機床主軸存在不平衡問題的穩(wěn)態(tài)分析， 給出了高轉速渦輪式數(shù)控微主軸單元研究和設計時微電主軸、 水流驅動、 電機帶摩擦輪驅動、氣流驅動幾種型式的選擇方式。