数控机床高速主轴的关键技术研究

刘 丽，李玉龙，王 辉，高蕾娜

（成都大学 机械工程学院，四川 成都 610106）

数控机床高速主轴的关键技术研究

刘 丽，李玉龙，王 辉，高蕾娜

（成都大学 机械工程学院，四川 成都 610106）

高速加工是以大幅度提高切削速度来达到提高生产率、加工精度、加工质量和降低成本的现代加工方式。高速电主轴是高速加工的基础，研究高速主轴的轴承材料、动平衡技术和热稳定性等关键技术，对高速数控机床的性能提高有十分重要意义。

高速主轴；高速加工；动平衡；数控机床

1 数控机床中的高速主轴

在现代制造技术中,超高速机床已成为一个不可阻挡的发展潮流。国外电主轴最早用于内圆磨床，在20世纪80年代中后期，我国厂家已生产高速机床，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床。高品质的功能配套部件的性能直接影响到主机的整体技术水平，与数控机床产业的发展息息相关。因此，研究数控机床的高速主轴刻不容缓。

高速主轴系统是高精度、高效率、高档数控机床的核心功能部件，是航空航天、汽车、船舶、精密模具、精密机械等尖端产品制造领域所需数控机床的核心部件。文章着重对影响高速主轴的关键技术进行了讨论。

2 高速主轴的结构特点

高速主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，刚度越大，工作效率就越高。此外，主轴也要有足够的静、动刚度，以承受一定的切削负荷并保持高的回转精度。电主轴零件外圆表面、内孔、螺纹等表面的同轴度，以及端面对轴中心线的垂直度对精度影响很大，要严格控制。

针对高速主轴存在结构复杂、加工难度较大等问题，提出将本来位于细长主轴分解的单元式主轴结构改进方案。除了简化结构，可以根据用途、结构、性能参数等特征形成标准化、系列化产品，供主机选用，来促进机床结构模块化等结构的改进外，笔者从主轴轴承的材料、主轴的动平衡技术和热稳定性几方面进行了讨论。

3 高速主轴的关键技术

（1）高速主轴轴承的材料选择。高速主轴的材料要耐高温、耐磨、抗冲击。国内高速主轴主要采用国产的钢质角接触球轴承，价格较低，寿命短。为了提高轴承的高速性能，采用新型的陶瓷（Si3N4）材料做滚珠的轴承，转速明显提高。提高轴承高速性能的另一种方法是对轴承的滚道进行涂层，可减小滚道的滚动摩擦，从而减少主轴高速下的摩擦发热。现在，特殊用途的高性能电主轴，部分仍需进口。

（2）高速主轴的动平衡技术。高速主轴最重要的是运转平稳。主轴工作转速在临界转速附近时，由于处于共振区产生剧烈振动从而失去动平衡。为提高动平衡的效率和精度，国内外学者近年来在低速动平衡和无试重动平衡等方面展开研究。主轴的自动平衡技术能有效保障机床主轴的平稳，运行精确。受复杂支承形式、加工状态、主轴转子结构布局等诸多因素影响，在线平衡装置主要依靠国外进口，并且价格十分昂贵。在线平衡装置的价格甚至与主轴持平，动平衡技术仍有许多值得探索的方面。主轴在线动平衡技术的发展趋势主要体现在高性能、高可靠性、结构简单等方面。

（3）热稳定性控制。由于机床各部位的温升不同，不同材料的热膨胀系数不同，机床各部分材料产生的热膨胀量也就不同，导致机床床身、主轴和刀架等构件产生变形。数控车床由于受到内、外热源的影响，以及各部件间的热量不均衡，会产生热变形。由于数控系统的超薄型、超小型化，高速电主轴的热稳定性也是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。除了电机的发热之外，主轴轴承的发热也很复杂。为改善电主轴的热特性，常采用油气润滑系统来冷却电机。

数控技术正在发生根本性变革，由封闭式开环温控模式向开放式实时动态全闭环温控模式发展。目前大功率伺服电机我国尚未解决，电主轴应用还有许多问题待解决。

4 结语

文章基于高速数控机床向高速、高精度、大功率方向发展的现实，分析了数控高速主轴的关键技术。数控车床本身质量的优劣，直接影响所加工零件、部件和机器的质量。采用电主轴结构的数控机床，使机床的性能更加完善，可靠性得以进一步提高。

随着计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术的发展，国内外高速主轴向高可靠性、节能性、高精度、高加工效率、环保性、智能化等方面发展。各生产厂商正在进行持续的科技攻关，以期占领电主轴技术发展的制高点。

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成都大学人才引进资助项目（编号：1702068）。

刘丽（1971-），女，山东聊城人，副教授，主要研究方向：数控加工、绿色再制造及人工智能技术等。