概述

　　高速加工技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，它不僅可獲得更大的生產(chǎn)率，而且還可獲得很高的加工質(zhì)量，并可降低生產(chǎn)成本，因而被認為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的先進制造技術(shù)之一。在先進工業(yè)國家，此項技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天及模具行業(yè)。在近五年中，我國的該項技術(shù)也取得了長足的進步。

　　高速機床是實現(xiàn)高速切削的前提條件，機床的高速化是目前機床的發(fā)展趨勢。高速機床與虛擬軸機床均為機床突破性的重大變革。無論是普通數(shù)控機床還是虛擬軸機床，實現(xiàn)高速化的關(guān)鍵部件仍是主軸單元。主軸高速化常用dn值(dn值是指主軸軸承的平均直徑(mm)與主軸的極限轉(zhuǎn)速(r/min)的乘積)來衡量，高速主軸常是指dn值在1.0×106以上的主軸。隨著軸承技術(shù)、潤滑技術(shù)的發(fā)展，主軸的轉(zhuǎn)速在逐年提高。在資料顯示，在80年代，主軸軸承在脂潤滑條件下的dn值最多只能達到0.5×106，但當(dāng)油氣潤滑裝置開發(fā)出來以后，dn值迅速提高到1.0×106，采用角接觸陶瓷球軸承后，主軸軸承的dn值進一步提高到2.0×106。到90年代，采用新的潤滑方式——噴射潤滑，使主軸的dn值達到3.0×106。對于轉(zhuǎn)速在10000r/min以上的主軸單元，通過皮帶或者聯(lián)軸器來驅(qū)動已不再合適，較合理的方式是采用內(nèi)裝電機直接驅(qū)動，即將電機的轉(zhuǎn)子直接安裝在主軸上，定子安裝在主軸套筒里，做成所謂電主軸的形式。該電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于平衡、傳動較率高等優(yōu)點，是高速主軸理想的結(jié)構(gòu)。電主軸的性能除了受軸承及其潤滑技術(shù)影響較大以外，還受許多因素的影響，其中包括軸承預(yù)緊力的控制、內(nèi)裝電機的發(fā)熱與冷卻、主軸的動平衡、軸上零件的連接等。此外，主軸軸端的設(shè)計也是高速電主軸不容忽視的問題。2 電主軸軸承的選擇及其預(yù)緊技術(shù)

　　用在高速主軸單元上的軸承主要有角接觸球軸承、磁懸浮軸承、水基動靜壓軸承、空氣動靜壓軸承等。磁懸浮軸承由于價格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)熱問題難以解決，因而還無法在高速主軸單元上推廣應(yīng)用。水基靜壓軸承是目前國內(nèi)較熱門的研究課題之一，它是利用水具有熱容量較大、軸承溫升較小的特點，部分解決了普通動、靜壓軸承發(fā)熱嚴(yán)重的問題，主要用在低速重載場合。空氣動靜壓軸承徑向剛度低并有沖擊，但高速性能好，一般用在超高速、輕載、精密主軸上。角接觸球軸承dn值在2.0×106以下的高速主軸單元中應(yīng)用，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(biāo)準(zhǔn)化，價格低廉，目前90%的主軸組件采用這種類型的軸承。該類型軸承還可通過以下方法來提高性能。

合理潤滑
　　主軸軸承常見的潤滑方式有脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑、噴射潤滑及環(huán)下潤滑等。

　　脂潤滑不需任何設(shè)備，是低速主軸普遍采用的潤滑方式。

　　dn值在1.0×106以上的主軸，多采用油潤滑的方式，其中油霧潤滑是將潤滑油(如透平油)經(jīng)壓力空氣霧化后對軸承進行潤滑的。這種方式實現(xiàn)容易，設(shè)備簡單，油霧既有潤滑功能，又能起到冷卻軸承的作用，但油霧不易回收，對環(huán)境污染嚴(yán)重，故逐漸被新型的油氣潤滑方式所取代。

　　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(yán)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(zhuǎn)速。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(zhuǎn)速提高20%。

　　噴射潤滑是直接用高壓潤滑油對軸承進行潤滑和冷卻的，功率消耗較大，成本高，常用在dn值為2.5×106以上的超高速主軸上。

　　環(huán)下潤滑是一種改進的潤滑方式(見圖1)，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(nèi)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(zhuǎn)速，如普通油氣潤滑，角接觸陶瓷球軸承的dn值為2.0×106左右，采用加大油氣壓力的方法可將dn值提高到2.2×106，而采用環(huán)下油氣潤滑則可達到2.5×106。

采用角接觸陶瓷球軸承


　　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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)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。目前國外絕大多數(shù)高速機床主軸均采用這種軸承。

合理的預(yù)緊力控制
　　為了提高軸承的剛度，抑制振動及高速回轉(zhuǎn)時滾珠公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的滑動，提高軸的回轉(zhuǎn)精度等，在主軸上使用的滾動軸承均需預(yù)緊。預(yù)緊的方式主要有恒位置預(yù)緊和恒力預(yù)緊。

　　恒位置預(yù)緊是將軸承內(nèi)外圈在軸向固定，以初始預(yù)緊量確定其相對位置，運轉(zhuǎn)過程中預(yù)緊量不能自動調(diào)節(jié)。隨著轉(zhuǎn)速的提高，軸承滾子發(fā)熱膨脹、內(nèi)外圈溫差增大、滾子受離心力及軸承座的變形等因素影響，使軸承預(yù)緊力急劇增加，這是超高速主軸軸承破壞的主要原因。但這種預(yù)緊方式具有較高的剛性，如果采用陶瓷球軸承，并適當(dāng)潤滑和冷卻，在dn值小于2.0×106的高速主軸單元中仍廣泛應(yīng)用。

　　恒力預(yù)緊是一種利用彈簧或者液壓系統(tǒng)對軸承實現(xiàn)預(yù)緊的方式。在高速運轉(zhuǎn)中，彈簧或液壓系統(tǒng)能吸收引起軸承預(yù)緊力增加的過盈量，以保持軸承預(yù)緊力不變，這對超高速主軸特別有利。但在低速重切削條件下，由于預(yù)緊結(jié)構(gòu)的變形會影響主軸的剛性，所以恒力預(yù)緊一般用在超高速、載荷較輕的磨床主軸或者輕型超高速切削機床主軸上。

　　在超高速加工中心主軸單元中，為了克服上述兩種預(yù)緊方式的缺點，使主軸單元既能適應(yīng)低速重載加工，又能適應(yīng)超高速運轉(zhuǎn)，開發(fā)出可進行預(yù)緊力切換的預(yù)緊機構(gòu)。在低速重切削時，軸承在恒位置預(yù)緊下工作；當(dāng)高速輕切削時，系統(tǒng)可自動切換成恒力預(yù)緊方式，以防止預(yù)緊力增大，使軸承的高速性能得到發(fā)揮。

對軸承滾道進行涂層處理
　　另一種提高軸承高速性能的方法是對軸承的滾道進行涂層。常用的涂層材料有CrN、TiAlN、TiAlCN、TiCN等。研究表明，TiAlN涂層具有較大承載能力、粘合力和較高硬度，是理想的涂層材料。對滾道涂層可減小滾道的滾動摩擦，從而減少高速下的摩擦發(fā)熱，以提高軸承的高速性能。但應(yīng)注意的是，對滾道涂層與對刀具涂層不同，對滾道涂層即使采用先進的CVD工藝，涂層溫度也不能超過500℃，否則就相當(dāng)于對軸承內(nèi)外圈進行一次熱處理，容易使其圓度誤差超差，推薦的涂層溫度為160℃。

　　3 軸上零件連接技術(shù)
　　在超高速電主軸上，由于轉(zhuǎn)速的提高，所以對軸上零件的動平衡要求非常高。軸承的定位元件與主軸不宜采用螺紋連接，電機轉(zhuǎn)子與主軸也不宜采用鍵連接，而普遍采用可拆的階梯過盈連接。這種連接與螺紋連接相比有較明顯的優(yōu)點：①不會在軸上產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，對軸的旋轉(zhuǎn)精度沒有影響；②易保證零件定位端與軸心線的垂直度，軸承預(yù)緊時不會使軸承受力不均而影響軸承的壽命；③過盈套質(zhì)量均勻，主軸動平衡易得到保證；④一般用熱套法進行安裝，用注入壓力油的方法進行拆卸，對主軸無損害；⑤定位可靠，可提高主軸的剛度。確定階梯套基本過盈量時，除了根據(jù)所受載荷計算需要過盈量外，還需考慮以下因素對過盈連接強度的影響：①配合表面的粗糙度；②連接件的工作溫度與裝配溫度之差，以及主軸與過盈套材料線脹系數(shù)之差；③主軸高速旋轉(zhuǎn)時，過盈套所受到的離心力會引起過盈套內(nèi)孔的擴張，導(dǎo)致過盈量減少，當(dāng)主軸材料和過盈套的材料泊凇比、彈性模量和密度相差不大時，過盈量的修正值與主軸轉(zhuǎn)速的平方成正比，例如，當(dāng)配合處直徑為66mm，主軸內(nèi)孔為25mm，過盈套外徑為134.2mm，傳遞扭矩為85Nm，轉(zhuǎn)速為1000r/min時，離心力引起的過盈量減小值僅為0.096µm；而當(dāng)轉(zhuǎn)速為18000r/min時，該值可達31.199µm；④重復(fù)裝卸會引起過盈量減?。虎萁Y(jié)合面形位公差對過盈量的影響等。

　　階梯過盈套過盈量的實現(xiàn)有兩種方式：①利用公差配合來實現(xiàn)，根據(jù)基本過盈量的計算值和配合面的公稱尺寸，查有關(guān)手冊圖表，得出相應(yīng)的過盈配合；②利用階梯配合面的公稱尺寸的差值來實現(xiàn)，并選用H4/h4的過渡配合，這種方法容易控制和保證配合的實際過盈量，適用于高精度的零件配合和進行標(biāo)準(zhǔn)化、系列化生產(chǎn)。

　　4 電主軸的動平衡技術(shù)

　　由于不平衡質(zhì)量是以主軸的轉(zhuǎn)速二次方影響主軸動態(tài)性能的，所以主軸的轉(zhuǎn)速越高，主軸不平衡量引起的動態(tài)問題越嚴(yán)重。對于電主軸來說，由于電機轉(zhuǎn)子直接過盈固定在主軸上，增加了主軸的轉(zhuǎn)動質(zhì)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(yīng)嚴(yán)格要求，一般應(yīng)達到G1～G0.4級(G＝ew，e為質(zhì)量中心與回轉(zhuǎn)中心之間的位移，即偏心量；w為角速度)。對于這種等級的動平衡要求，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(shè)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。

　　主軸動平衡常用方法有兩種：去重法和增重法。小型主軸和普通電機常采用去重法。該法是在電機的轉(zhuǎn)子兩端設(shè)計有去重盤，當(dāng)電機轉(zhuǎn)子和其他零件安裝到主軸上以后進行整體動平衡時，根據(jù)要求由自動平衡機在轉(zhuǎn)子的去重盤處切去不平衡量。增重法是近年來某些主軸電機制造商為適應(yīng)高速主軸發(fā)展的需要，在開發(fā)出商品化的無框架主軸電機(Frameless spindle motor)上常采用的方法。電機轉(zhuǎn)子的兩端設(shè)計有平衡盤，平衡盤的圓周方向設(shè)計有均勻分布的螺紋孔，轉(zhuǎn)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(nèi)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。






　　5 高速電主軸軸端的設(shè)計

　　隨著機床向高速、高精度、大功率方向發(fā)展，機床的結(jié)構(gòu)剛性越來越好，而主軸與刀具的結(jié)合面多年來仍沿用標(biāo)準(zhǔn)化的7/24錐度配合。分析表明，刀尖25%～50%的變形來源于7/24錐度連接，只有40%左右的變形源于主軸和軸承。因此，主軸軸端的合理設(shè)計已不容忽視。

　　高速加工要求確保高速下主軸與刀具連接狀態(tài)不能發(fā)生變化。但是，高速主軸的前端由于離心力的作用會使主軸膨脹(如圖3)，如30號錐度主軸前端在30000r/min時，膨脹量為4～5µm，然而，標(biāo)準(zhǔn)的7/24實心刀柄不會有這樣大的膨脹量，因此連接的剛度會下降，而且刀具的軸向位置也會發(fā)生改變。主軸的膨脹還會引起刀柄及夾緊機構(gòu)質(zhì)心的偏離，從而影響主軸的動平衡。要保證這種連接在高速下仍有可靠的接觸定位，需要一個很大的過盈量來抵消主軸軸端的膨脹，如標(biāo)準(zhǔn)40號錐需初始過盈量為15～20µm，而且還需預(yù)加過盈來消除錐配合的公差帶。這樣大的過盈量需拉桿產(chǎn)生很大的預(yù)緊拉力，而拉桿產(chǎn)生這樣大的拉力一般很難，對換刀也非常不利，還會使主軸膨脹，對主軸前軸承有不良影響。設(shè)計一種端面定位并使定位面具有很大的摩擦以防止主軸膨脹的刀軸連接結(jié)構(gòu)，便可解決上述問題。

　　由于高速主軸組件對動平衡要求非常高，所以刀具及夾緊機構(gòu)也需精密動平衡。但是，傳遞轉(zhuǎn)矩的鍵和鍵槽很容易破壞動平衡。結(jié)合面的公差帶會使刀具產(chǎn)生徑向跳動，引起不平衡。鍵是用來傳遞轉(zhuǎn)矩和進行角向定位的，有人試圖研究一種刀/軸連接方式能在連接處產(chǎn)生很大的摩擦力來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳遞，用在刀柄上作標(biāo)記的方法實現(xiàn)安裝的角向定位，達到取消鍵的目的。

　　在眾多的高速刀/軸連接方案中，已被DIN標(biāo)準(zhǔn)化的HSK短錐刀柄結(jié)構(gòu)比較適合高速主軸。這種刀柄采用1∶10的錐度，比標(biāo)準(zhǔn)的7/24錐度短，錐柄部分采用薄壁結(jié)構(gòu)，刀柄利用短錐和端面同時實現(xiàn)軸向定位(如圖4)。這種結(jié)構(gòu)對主軸和刀柄連接處的公差帶要求特別嚴(yán)格，僅為2～6µm，由于短錐嚴(yán)格的公差和具有彈性的薄壁，在拉桿軸向拉力的作用下，短錐會產(chǎn)生一定的收縮，所以刀柄的短錐和法蘭端面較容易與主軸相應(yīng)的結(jié)合面緊密接觸，實現(xiàn)錐面與端面同時定位，因而具有很高的連接精度和剛度。當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時，盡管主軸軸端會產(chǎn)生一定程度的擴張，使短錐的收縮得到部分伸張，但是短錐與主軸錐孔仍保持較好的接觸，主軸轉(zhuǎn)速對連接性能影響很小。





　　6 電主軸的熱穩(wěn)定性分析

　　高速電主軸的熱穩(wěn)定性問題是該類主軸需要解決的關(guān)鍵問題之一。由于電主軸將電機集成于主軸組件的結(jié)構(gòu)中，無疑在其結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(zhuǎn)子的鐵損發(fā)熱，其中定子繞組的發(fā)熱占電機總發(fā)熱量的三分之二以上。另外，電機轉(zhuǎn)子在主軸殼體內(nèi)的高速攪動，使內(nèi)腔中的空氣也會發(fā)熱，這些熱源產(chǎn)生的熱量主要通過主軸殼體和主軸進行散熱，所以電機產(chǎn)生的熱量有相當(dāng)一部分會通過主軸傳到軸承上去，因而影響軸承的壽命，并且會使主軸產(chǎn)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(fù)雜，主要有滾子與滾道的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動摩擦、潤滑油的粘性摩擦等。上述各種摩擦?xí)S著主軸轉(zhuǎn)速的升高而加劇，發(fā)熱量也隨之增大，溫升增加，軸承的預(yù)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(dǎo)，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(zhuǎn)。

　　從以上分析可以看出，為改善電主軸的熱特性，電機冷卻必不可省。采取的主要措施是在電機定子與殼體連接處設(shè)計循環(huán)冷卻水套。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(yīng)嚴(yán)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(yīng)盡量采用熱阻較大的材料，使電機轉(zhuǎn)子的發(fā)熱主要通過氣隙傳給定子，由冷卻水吸收帶走。

　　對某電主軸在額定功率38kW、額定轉(zhuǎn)速800r/min下達到熱平衡時熱傳導(dǎo)有限元分析的結(jié)果。從圖中可以看出，電主軸的溫度分布是不均勻的，由于定子與主軸殼體間設(shè)計有冷卻水套，散熱條件較好，溫度較低，電機轉(zhuǎn)子由于散熱條件差，溫度較高，對前后軸承有明顯的影響。

　　7 電主軸開發(fā)實例

　　在廣東省自然科學(xué)基金和廣州市重點攻關(guān)項目基金資助下，我校高速加工與機床研究室成功開發(fā)了數(shù)控銑床高速電主軸。實現(xiàn)的主要指標(biāo)有：電主軸的額定功率13.5kW，最高轉(zhuǎn)速為18000r/min，在額定轉(zhuǎn)速1500r/min時產(chǎn)生最大輸出轉(zhuǎn)矩為85Nm。

　　該電主軸主要結(jié)構(gòu)特點包括：前后主軸軸承分別采用美國的2MMVC9114HXC-RDUL和2MMVC9112HXCRDUL精密角接觸陶瓷球軸承，背靠背配列，恒位置輕預(yù)緊。采用前支承定位、后支承可軸向浮動的結(jié)構(gòu)，防止主軸運轉(zhuǎn)熱伸長對加工精度的影響。主軸軸承采用油氣潤滑，每個軸承均有單獨噴嘴。軸上零件一律采用階梯過盈套定位與傳遞轉(zhuǎn)矩。主軸電機定子與殼體間設(shè)計有水套，并專門設(shè)計了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對定子進行冷卻。軸上零件均進行嚴(yán)格動平衡試驗，采用增重法在電機轉(zhuǎn)子兩端調(diào)節(jié)螺釘實現(xiàn)主軸整體動平衡。軸上有編碼盤實現(xiàn)主軸的轉(zhuǎn)速反饋和C軸控制功能。由于國內(nèi)尚無新型刀柄配套，主軸軸端仍采用7/24標(biāo)準(zhǔn)錐度，用鍵實現(xiàn)軸向定位與傳遞扭矩。

　　8 結(jié)論

　　高速機床是實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵設(shè)備，高速電主軸作為高速機床的核心部件，它的開發(fā)為機床高速化提供了必要的技術(shù)準(zhǔn)備。高速電主軸由于結(jié)構(gòu)的特殊性，尚有許多新的問題需要解決，本文僅就結(jié)構(gòu)設(shè)計中關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)該注意的問題作了簡要介紹。有關(guān)高速大功率電機的開發(fā)、電主軸的監(jiān)控等問題仍有待進一步研究。