涡轮式高转速数控中心主轴单元研究与开发

申晓龙， 楚雪平

（1.湖南工业职业技术学院， 湖南长沙 410208； 2.河南职业技术学院， 河南郑州 450018）

0 引言

现代数控高速加工技术可以解决机械产品制造和零件生产中的诸多难题，高性能高转速主轴单元是数控加工中心机床的核心功能部件，对零件的加工精度及机床的加工效率有着极其重要的影响。目前我国国内研制的加工中心机床主轴存在的主要问题是很难同时实现微细切削刀具的高精密回转与高转速回转以及刀具的自由更换。

如何基于涡轮式高转速高精密数控加工中心主轴单元的原理和结构方案， 实现微细切削刀具高精密回转与高转速回转及可自由更换。 怎样实现对高精密高速静压气体轴承气体润滑机理、 高转速涡轮气体动力学及流动控制、 实现微细切削刀具高精密和高转速回转以及自由更换关键等问题技术系统深入的研究成为现代高速加工技术要解决的诸多难题之一。

1 研究现状分析

通常传统的高速主轴转速在提高的同时，其跳动误差也会不断增大，现代高精密高转速空气轴承其主轴的低跳动误差控制，通常是采用通过实现限制主轴的转速来获取得到的。而目前国内外研发的高转速数控加工中心机床的微主轴单元中，基本上是通过将微主轴与刀具合制成一个整体，或者利用弹簧夹头将刀具直接装夹到机床的微主轴中来实现。

将微主轴与刀具合制成一体的主要缺点有：在不考虑使用夹具的装夹误差的前提下， 数控中心主轴的制造误差、安装误差、高转速回转时的跳动误差等是仍然会直接传递到刀具上，而且在刀具磨损时，其微主轴必须与刀具同时更换，这在实际应用时是很麻烦和不现实的。 在美国精密公司（Precise Corp.）研制的空气轴承主轴带有1/8 英寸的夹头， 通过利用弹簧夹头将刀具直接装夹到机床的微主轴中的主要缺点有：会增加刀具的装夹误差，并且机床微主轴的制造误差、 安装误差尤其是在高转速回转时的跳动误差等这些问题会直接传递到主轴的刀具上，从而大大降低了机床刀具的回转精度要求。 见图1。

图1 数控中心电主轴结构示意图

中小数控中心机床中的微主轴单元按照其动力源及驱动方式，主要可以分为有以下几种型式：①微电主轴：微电主轴可以传递较大的功率和扭矩， 但是由于受散热条件限制，通常其最高转速一般在150000rpm 以下，个别可以达到250000rpm；②水流驱动：虽然没有微电主轴的发热问题，但其转速较低，如日本Yohichi Nakao 等人研发的通过采用水流驱动、支承和冷却用的微主轴；③电机带摩擦轮驱动：采用大传动比可以获得较高的转速，但由于其体积较大，安装使用起来不太方便，如Florida 大学研制的用于微铣加工的高速微主轴单元；④气流驱动：没有通常微电主轴的发热问题， 并且其转速高， 如美国Northwestern 大学研制气流驱动及支承涡轮式微主轴，其最高转速可达400000rpm，径向跳动只有3.1μm 左右，另如德国Kaiserslautern 大学研制的微主轴采用涡轮驱动，转子带动刀柄，采用气体轴承支承作为径向支撑，最高转速可达400000rpm，并可应用于微小磨床。

以上分析可见， 涡轮式微主轴由于采用气流驱动和支承，它的气流温升小、摩擦系数低、流速高，从而极大地降低了轴承的摩擦损耗，因此可以达到很高的转速。通过理论上分析可以看出涡轮式微主轴是能够满足高速微细切削加工要求的[1]，它定会成为未来中小数控中心机床微主轴的重要发展方向和趋势。

2 数控中心电主轴及刀具接口技术

2.1 数控中心机床电主轴

数控中心机床电主轴是将机床主轴与主轴电动机“合二为一”传动结构型式的新技术，它是将主轴电动机的定子、转子等直接装入主轴组件单元内部，电动机的转子也即成为主轴的旋转部分， 由于取消了一般机床主轴中的齿轮变速箱传动与电动机的连接， 机床主传动链的长度缩短为零实现了主轴系统的一体化“零传动”。 因其具有结构紧凑、动态特性好、惯性小、重量轻等优点，并可改善数控中心机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用[2]。

理论上，电主轴是一台高速电动机，电主轴的驱动一般是使用矢量控制的变频技术，通常内置一脉冲编码器来实现厢位控制及保证其与进给的准确配合[3]。由于电主轴的工作转速极高，对其散热、润滑、动平衡等提出了很高的要求，才能确保电主轴实现精密加工和高速平稳运转。 电主轴是一套组件，它包括有电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等[4]。 通常电主轴所融合的技术包括以下几种：

（1）高速轴承技术：电主轴通常大多采用复合陶瓷轴承，因耐磨耐热，寿命是传统轴承的数倍；有时也有采用静压轴承或电磁悬浮轴承。

（2）高速电机技术：电主轴的旋转部分就是电动机的转子，它是将电主轴看作一台高速电动机，其开发的关键技术是高速度下的动平衡问题。

（3）冷却和润滑装置：为了能给电主轴高速运行时进行散热， 一般采取在电主轴的外壁上通以循环冷却剂的办法， 其冷却装置作用就是尽可能保持冷却剂的温度[5]。电主轴的润滑通常采用的是定量定时油气润滑方式，油气润滑是指润滑油在压缩空气的携带下， 被吹入陶瓷轴承，油量控制很重要。

（4）内置脉冲编码器：为实现刚性攻螺纹以及自动换刀功能，在电主轴内置一脉冲编码器，可以准确地实现主轴进给以及与相角控制的配合运动。

（5）高频变频装置：为实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的平稳高转速， 必须采用一种高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电机，它可以将主轴电动机，变频器的输出频率调整到可达到上千或几千Hz 以上[8]。

（6）自动换刀装置：数控中心机床电主轴配备了自动换刀装置，包括拉刀油缸、碟形簧等；高速刀具的装卡方

图2 油气润滑系统示意图

式中出现了SKI、HSK 等高速刀具产品。

影响电主轴回转精度的主要原因有轴磨损、 轴承磨损以及接触面磨损等，选择正确合理的润滑方式是保证电主轴能够正常运转工作的基本前提。电主轴油气润滑装置被普遍使用在电主轴上，电主轴油气润滑装置油跟随气体的流动而往前运动[6]。 润滑装置油滴适中，不会造成因油量过多轴承无法散热，避免了电主轴负载增加，因而不会产生窜动现象。

现代数控中心机床进行机械加工时， 需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削精加工的要求，因此机床电主轴应该具备高速大功率、低速大扭矩的性能。

表1 国内外数控加工中心机床用电主轴主要参数

2.2 电主轴刀具刀柄接口技术

随着机床向高速、高精度发展，常用的7：24 锥柄刀具连接不能满足数控高速加工中心的需求， 影响到机床主轴高转速及机床高精度提高。 数控机床电主轴单元技术分析表明： 大约有30%～55%的刀尖变形来源于7：24刀具锥柄连接，只有30%左右的变形来源于主轴和轴承，因此， 有必要研究与开发适合数控中心高速主轴要求的新的主轴轴端结构[7-8]。 德国的HSK 系列就是一种采用替代型结构的新思路设计方案， 也是目前电主轴与刀具刀柄连接接口技术的成功设计，见图3。

图3 电主轴HSK 刀柄与主轴连接

为满足数控高速加工中心的要求， 对数控机床电主轴的刀具接口提出了相应的要求。 为解决高速电主轴刀具接口中存在的问题，需要考虑以下几个方面情形。

（1）高速主轴前端在离心力作用下会使主轴发生膨胀，而主轴膨胀会引起主轴锥柄及夹紧机构偏心， 影响到主轴的动平衡， 其膨胀量的又大小与主轴旋转半径和主轴转速成正比；消除配合面之间的间隙，改进现有的标准刀具接口结构，改善标准刀具接口的静态性能[8]。

（2）开发适合高速主轴要求的主轴轴端结构，实现锥孔和端面同时接触定位； 在高速电主轴刀具接口上取消键连接，采用三棱圆或者摩擦力传递转矩的新型结构，解决高速主轴轴端结构动平衡问题。

（3）过盈量的增大产生预紧拉力增加，主轴膨胀对主轴前轴承产生不良影响；增大预加过盈量，从而增大轴向拉力，可改善刀具接口高速性能、防止锥孔膨胀。

（4）选择空心短锥柄小锥度结构，可实现锥体和端面的同时接触定位，在刀柄内安装减振装置，刀柄上安装自动动平衡装置[8]。

HSK 短锥刀柄，采用1：10 短的锥度，其锥柄部分由于采用薄壁结构，短锥与主轴锥孔的接触性能好，刀柄利用锥面与端面实现轴向定位，具有高的连接刚度、定位精度以及重复定位精度， 尤其适合高精度高速电主轴情况下使用。

3 涡轮与压缩机瞬间数据及稳态分析

涡轮机和低压压缩机通过垫片组滑轴式联轴器连接，对压缩机组先后进行低速测试和低速连续运行测试。随着转速升高，3 号轴承的振动也随之加大，通过振动监视器观察，当压缩机接近运行速度时，其直接振动出现急剧升高，转速125000r/min 时达到50μm pp。

3.1 瞬间数据分析

运行期间采集了瞬时数据。 依据慢滚动数据分析，就可以对高转速轨迹进行波形补偿，运行轨迹可以随时瞬间显现出来，波形补偿轨迹见图4 所示。 图中显示（2号轴承） 内置涡轮机轴承中的补偿振动其实是非常小的，不能说明其存在不平衡问题，实际上2 号轴承的大部分未补偿振动都是由于振摆造成的。波形补偿轨迹还显示，大部分振动都集中在（3 号轴承）低压压缩机上。此外，（4 号轴承）低压压缩机另侧的补偿轨迹还显示出呈现左下象限轨迹变平，这种现象说明此处存在有高径向载荷[9]。

图4 波形补偿轨迹图

根据测试数据， 低压转子首次平衡共振本出现在45000～55000r/min 范围内。 运行数据的极坐标图和伯德图还显示，在此转速范围内确实存在共振。 并且，在高于共振区域内， 显示振幅是近似地随转子速度的平方倍速快速增长， 其相对相位滞后是以恒定速率而呈现持续变化。 振幅行为表明，共振已移至125000r/min 转速附近或在超出该转速的某个位置。

机器主轴的平衡共振速度与转子质量及弹簧刚度之间的函数关系如下：

其中：K—转子系统弹簧刚度；M—转子质量。 提高平衡共振速度需要减少M 或增大K， 在主轴质量几乎不变情况下， 一般是通过机器主轴的某一变化来相应增大系统弹簧刚度K。

3.2 稳态分析

在机器运行的同时安放好设备， 数据采集设备采用6 条通道，由于联轴器存在不平衡，重点关注涡轮机和低压压缩机。 在将压缩机速度提升至125000r/min，采集稳态机器主轴数据，开始进行分析。 取自（2 号轴承）内置涡轮机轴承和（3 号轴承）内置低压压缩机轴承的数据轨迹图显示出它们之间具有相似行为轨迹。在这两个位置上，主轴是以较大的近似圆轨迹运动，并且具有主导的1X 频率分量。 但另外也看出，3 号轴承的1X 振幅却是2 号轴承振幅的2 倍多[10-11]。

机床主轴存在不平衡原因分析：

（1）与现场结果相比，测试时机器主轴振幅小许多，涡轮机和低压及高压压缩机经过测试且运转良好， 其振幅量级只有2～4μm pp。

（2）现场所测得的振动数据具有轴不平衡现象的典型特点，如：圆形轨迹、主导的1X 振动及振幅增速变化与转子速度的平方数值成正比。

（3）主轴振动振幅差异的涡轮机和压缩机转子质量之间存在着显著差异性， 涡轮机转子的质量大约是压缩机转子质量的5 倍以上，同时还需对联轴器进行平衡。

4 结束语

随着变频调速技术发展， 已经极大简化了高速数控机床主传动的机械结构， 常见的带轮传动和齿轮传动已被取消。机床主轴由内装式电动机直接驱动，实现了机床的“零传动”。 主轴电动机与机床主轴形成一体的传动型式，主轴部件从机床的整体结构和传动系统中相对独立，形成“主轴单元”，俗称“电主轴”。与传统的主轴传动系统相比，电主轴结构紧凑简单，常应用于高转速数控中心机床或多轴联动机床上[12-13]。

本文在数控加工中心机床电主轴结构现状基础上，分析了其结构和应用上的主要优缺点， 介绍了电主轴单元的主要组成和融合技术， 比较国内外数控加工中心机床用电主轴的主要参数。 从电主轴刀具刀柄接口技术的新思路设计方案、涡轮机、联轴器和压缩机之间的连接与测试， 并对高转速涡轮式主轴单元高速运转时进行瞬时数据采集与数据分析， 同时提出数控机床主轴存在不平衡问题的稳态分析， 给出了高转速涡轮式数控微主轴单元研究和设计时微电主轴、 水流驱动、 电机带摩擦轮驱动、气流驱动几种型式的选择方式。