浅谈电主轴技术及其应用

沈 玮

电主轴具有结构紧凑、机械效率高、可获得极高的回转速度、回转精度高、噪声低、振动小等优点，因而在数控机床以及加工中心中获得了广泛应用。

1.电主轴结构及特点

电主轴是主轴电机和机床主轴合为一体一套组件，它包括电主轴本身及其下列附件：高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置，图1为电主轴的结构示意图。与传统机床主轴相比，电主轴具有如下特点：

（1）主轴由内装式电机直接驱动，省去了中间传动环节，结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小和精度高。

（2）采用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调整范围宽，功率转矩特性好。

（3）机械结构简单，转动惯量小，可实现很高的速度和加速度及定角度的快速准停，动态精度和动态稳定性好。

（4）由于没有中间传动环节的外力作用，主轴运行更平稳，使主轴轴承寿命得到延长。

2.电主轴技术构成

（1）高速轴承技术。角接触球轴承无论是速度极限、承载能力、刚度、精度等各方面均能很好地满足要求并已标准化，价格低廉，目前90%的电主轴组件采用这类轴承。影响角接触球轴承高速性能的主要原因是高速下作用在滚珠上的离心力和陀螺力矩增大。离心力增大会增加滚珠与滚道间的摩擦，而陀螺力矩增大则会使滚珠与滚道间产生滑动摩擦，使轴承摩擦发热加剧，因而降低轴承的寿命。为了提高轴承的高速性能，常采用两种方法：一是减小滚球的直径，如采用已标准化的71900系列主轴轴承；另一种则是采用新型的陶瓷(Si3N4)材料做滚珠，由于Si3N4陶瓷材料的密度仅为轴承钢的40%，因而这种轴承的高速性能明显高于全钢轴承。

（2）动平衡技术。由于不平衡质量是以主轴的转速二次方影响主轴动态性能的，所以主轴的转速越高，主轴不平衡量引起的动态问题越严重。对于电主轴来说，由于电机转子直接过盈固定在主轴上，增加了主轴的转动质量，使主轴的极限频率下降，因此超高速电主轴的动平衡精度应严格要求，一般应达到G1～G0.4级，因此采用常规的方法仅在装配前对主轴的每个零件分别进行动平衡是不够的，还需在装配后进行整体精确动平衡，甚至还要设计专门的自动平衡系统来实现主轴在线动平衡，以确保主轴高速平稳运行。增重法是近年来为适应高速主轴发展的需要，在无框架主轴电机上常采用的方法。电机转子的两端设计有平衡盘，平衡盘的圆周方向设计有均匀分布的螺纹孔，转子安装到主轴上以后进行主轴组件整体动平衡时，不是在平衡盘上去重，而是在螺纹孔内拧入螺钉，以螺钉的拧入深度和周向位置来平衡主轴组件的偏心量。

（3）润滑技术。①油气润滑，是将少量的润滑油不经雾化而直接由压缩空气定时、定量地沿着专用的油气管道壁均匀地被带到轴承的润滑区。润滑油起润滑的作用，而压缩空气起推动润滑油运动及冷却轴承的作用。油气始终处于分离状态，这有利于润滑油的回收，而对环境却没有污染。实施油气润滑时，一般要求每个轴承都有单独的油气喷嘴，对轴承喷射处的位置有严格的要求，否则不易保证润滑效果，油气润滑的效果还受压缩空气流量和油气压力的影响。一般地讲，增大空气流量可以提高冷却效果，而提高油气压力，不仅可以提高冷却效果，而且还有助于润滑油到达润滑区，因此，提高油气压力有助于提高轴承的转速能力。实验表明，加大压力比采用常规压力进行油气润滑可使轴承的转速提高20%。②环下润滑，是一种改进的润滑方式，分为环下油润滑和环下油气润滑。实施环下油或者油气润滑时，润滑油或油气从轴承的内圈喷入润滑区，在离心力的作用下润滑油更易于到达轴承润滑区，因而比普通的喷射润滑和油气润滑效果好，可进一步提高轴承的转速。

（4）冷却装置。高速电主轴的热稳定性问题是该类主轴需要解决的关键问题之一。由于电主轴将电机集成于主轴组件的结构中，无疑在其结构的内部增加了一个热源。电机的发热主要有定子绕组的铜耗发热及转子的铁损发热，其中定子绕组的发热占电机总发热量的2/3以上。另外，电机转子在主轴壳体内的高速搅动，使内腔中的空气也会发热，这些热源产生的热量主要通过主轴壳体和主轴进行散热，所以电机产生的热量有相当一部分会通过主轴传到轴承上去，从而影响轴承的寿命，并且会使主轴产生热伸长，影响加工精度。除了电机的发热之外，主轴轴承的发热也不容忽视，引起轴承发热的因素很多，也很复杂，主要有滚子与滚道的滚动摩擦、高速下所受陀螺力矩产生的滑动摩擦、润滑油的黏性摩擦等。上述各种摩擦会随着主轴转速的升高而加剧，发热量也随之增大，温升增加，轴承的预紧量增大，这样反过来又加剧了轴承的发热，再加上主轴电机的热辐射和热传导，所以主轴轴承必须合理润滑和冷却，否则，无法保证电主轴高速运转。从以上分析可以看出，为改善电主轴的热特性，电机冷却必不可少。采取的主要措施是在电机定子与壳体连接处设计循环冷却水套（图2），水套用热阻较小的材料制造，套外环加工有螺旋水槽，电机工作时，水槽里通入循环冷却水，为加强冷却效果，冷却水的入口温度应严格控制，并有一定的压力和流量。另外，为防止电机发热影响主轴轴承，主轴应尽量采用热阻较大的材料，使电机转子的发热主要通过气隙传给定子，由冷却水吸收带走。

（5）高频变频驱动和矢量控制驱动技术。要实现电主轴每分钟几万转甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。当前，电主轴的电机均采用交流异步感应电机，由于是用在高速加工机床上，启动时要从静止迅速升速至每分钟数万转乃至数十万转，启动转矩大，因而启动电流要超出普通电机额定电流5～7倍。其驱动方式有变频器驱动和矢量控制驱动器驱动两种，变频器的驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率与转矩成正比，可实现主轴的无级变速；矢量控制驱动器的驱动控制是在低速端为恒转矩驱动，在中、高速端为恒功率驱动，具体根据工艺要求而定。

此外，为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置。

3.电主轴的应用

目前上汽集团南京汽车集团有限公司新建了包括缸体、缸盖、连杆、曲轴、凸轮轴和装配等6条生产线，用于生产Roewe 350 NSE小排量发动机。其中数控机床38台，加工中心32台，电主轴达一百余根。

（1）德国JUNKER凸轮数控磨床。JUNKER凸轮轴磨床采用CBN砂轮，工件旋转轴（主轴2）、砂轮旋转（主轴1）、砂轮修正金刚滚轮旋转采用德国FRANZ KESSLER公司的电主轴。冷却方式为水冷，单独设有水冷系统给各电主轴提供冷却。砂轮旋转、金刚滚轮修正器旋转电主轴均能提供高转速，使CBN砂轮实现高速磨削成为可能。工件旋转电主轴转速不高，由于直接驱动工件旋转，角度误差近乎为零，以保证凸轮轴型线线的质量。

（2）德国Grob缸体镗铣加工中心。Grob缸体镗铣加工中心电主轴采用的是德国 WEISS公司的产品，最高转速能达2万r/min。

（3）澳大利亚ANKA五轴数控刀具磨床。ANKA五轴数控刀具磨床A轴采用电主轴直接驱动，旋转范围360°，C轴（磨头主轴）由变频电主轴直接驱动，可在顺时针和逆时针方向1800r/min至10000r/min的速度运转，最大线速度100m/s。