電主軸設計的一些要點

1、電主軸石超杰2015.04.031. 電主軸簡介2. 電主軸的關鍵技術3. 一些電主軸產(chǎn)品4. 電主軸的發(fā)展趨勢 關于電主軸1. 電主軸簡介 1.1 高速主軸 1.2 電主軸的特點 1.3 電主軸的發(fā)展與現(xiàn)狀關于電主軸1. 電主軸簡介1. 電主軸簡介（1）主軸由內(nèi)裝式電機直接驅(qū)動，省去皮帶、齒輪、聯(lián)軸節(jié)等變速和傳動裝置，具有結構簡單緊湊、效率高、噪聲低、振動小和精度高的特點。（2）采用交流變頻調(diào)速技術，輸出功率大、調(diào)速范圍廣，有比較理想的轉(zhuǎn)矩-功率特性，一次裝夾即可實現(xiàn)粗加工（低速大轉(zhuǎn)矩）又可進行高速精加工。（3）實現(xiàn)了主軸部件的單元化，可由專業(yè)廠進行系列化生產(chǎn)，可方便地組成各種性能的高速機床

2、，符合現(xiàn)代機床設計模塊化的發(fā)展方向。1.2電主軸的特點 電主軸取消了從電機到主軸之間一切機械傳動的中間環(huán)節(jié)，如皮帶、齒輪、聯(lián)軸器，實現(xiàn)了主電機與機床主軸的一體化。主要具有以下特點：1. 電主軸簡介1.3電主軸的發(fā)展與現(xiàn)狀 早在20世紀50年代，就已出現(xiàn)了用于磨削小孔的高頻電主軸。當時的變頻器采用的是真空電子管，雖然轉(zhuǎn)速高，但傳遞的功率小，轉(zhuǎn)矩也小。 20世紀80年代末90年代初，隨著功能電子器件的發(fā)、微電子器件和計算機技術的發(fā)展，產(chǎn)生了全固態(tài)元件的變頻器和矢量控制驅(qū)動器，加之陶瓷球混合軸承的出現(xiàn)，最終出現(xiàn)了用于銑削、鉆削、加工中心及車削等加工的大功率、大轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速的電主軸。 到21世紀初，國

3、內(nèi)外專業(yè)的電主軸制造廠已可供應幾百種規(guī)格的電主軸。其套筒直徑從32mm到320mm、轉(zhuǎn)速從10000rpm到150000rpm、功率從0.5kW到80kW、轉(zhuǎn)矩從0.1Nm到300Nm不等。 國際上公認的電主軸領軍廠商是瑞士的IBAG公司，提供功率范圍從0.1kW到40kW，轉(zhuǎn)速范圍從12000rpm到120000rpm，直徑范圍從30mm到130mm的電主軸產(chǎn)品及相應的定制產(chǎn)品。 國內(nèi)的洛陽軸研科技股份有限公司在電主軸的研發(fā)、生產(chǎn)上也有很高的成就，目前已經(jīng)具備超過200種電主軸的生產(chǎn)能力，其功率從0.4kW到33kW，轉(zhuǎn)速范圍從3000rpm到150000rpm。2. 電主軸的關鍵技術 2.

4、1 高速精密軸承技術 2.2 動平衡技術 2.3 潤滑技術 2.4 冷卻技術 2.5 主軸電機技術 2.6 精密加工和精密裝配的技術關于電主軸2. 電主軸的關鍵技術2.1高速精密軸承技術 主軸軸承技術是電主軸系統(tǒng)的一項關鍵技術。目前，國內(nèi)外高速電主軸多采用角接觸球軸承、動靜壓軸承及磁懸浮軸承等。 動靜壓軸承是一種綜合了動壓軸承和靜壓軸承優(yōu)點的新型多油楔油膜軸承，有很好的高速性能，而且高速范圍寬。 角接觸球軸承是精密數(shù)控主軸支承，影響其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，為了提高軸承的高速性能，常采用減小滾動體直徑和改用氮化硅陶瓷材料制造滾珠的方法。 磁懸浮軸承造價高、

5、控制系統(tǒng)復雜，發(fā)熱問題不易解決，因而通常只用于特殊場合。2. 電主軸的關鍵技術 氮化硅材料的密度只有鋼的41%，在高速運轉(zhuǎn)時可大幅降低滾珠受到的離心力，從而減小滾珠對軸承外圈的壓力，利于實現(xiàn)高速性能；氮化硅陶瓷的熱膨脹系數(shù)只有軸承鋼的1/4，許用工作溫度達到1000，即使在較大溫度變化范圍內(nèi)，滾道間隙的變化也很小，特別適用于高速發(fā)熱轉(zhuǎn)子。陶瓷的彈性模量是軸承鋼的1.5倍，硬度是軸承鋼的2倍多，相同負荷下，陶瓷球的形變較小，因而可以顯著提高軸承的剛度，從而提高轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動態(tài)性能。2. 電主軸的關鍵技術2.1高速精密軸承技術 （2）磁懸浮軸承 根據(jù)懸浮力是否可以主動控制，磁懸浮軸承可劃分為兩

6、種類型：被動型磁懸浮軸承主要利用磁性材料之間固有的斥力或吸力來實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的懸浮，結構簡單，功率損耗少，但阻尼與剛度也相對較小，通常在負載較小，對位移控制精度要求不高的場合采用被動型磁懸浮軸承。主動型磁懸浮軸承主要是通過主動控制定、轉(zhuǎn)子之間的磁場力來實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定懸浮，其工作原理為：控制器根據(jù)轉(zhuǎn)軸的位移信號來實時控制定子電磁鐵中電流的大小與方向，使轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定懸浮于某一位置。2. 電主軸的關鍵技術2.2動平衡技術 高速電主軸具有轉(zhuǎn)速高、運行精度高、加工效率高的特點。轉(zhuǎn)速和精度的提高是以高精度動平衡為前提的，但對于電主軸而言，由于制造、安裝誤差以及材料不均勻等因素的影響，不平衡現(xiàn)象不可避免。電主軸的最高

7、轉(zhuǎn)速一般在10000rpm以上，有的高達100000rpm，主軸運轉(zhuǎn)部分微小的不平衡都可能導致主軸回轉(zhuǎn)精度的嚴重喪失乃至軸承支承系統(tǒng)的失穩(wěn)。因此高速電主軸的動平衡精度應嚴格要求，一般應達ISO標準G4.0級以上（在最高轉(zhuǎn)速時不平衡引起的振動最大速度不能高于0.4 mm/ s）。 為減少主軸的不平衡，在設計時應盡量采用對稱的結構，在加工裝配過程中盡量減小誤差，并且主軸出廠時會進行初始動平衡調(diào)整以減小主軸失衡量。即使如此，在使用過程中由于主軸刀具微小的不對稱，以及刀具的磨損或切屑的粘刀仍然會破壞原有的動平衡。另外，主軸刀具系統(tǒng)受切削力激勵、熱變形、離心力等復雜工況的干擾，也會破壞主軸的動平衡，從而

8、使調(diào)速機床主軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性被破壞。因此，為了充分發(fā)揮高速電主軸的效能，保障機床的長期穩(wěn)定和高效運行，應設計專門的在線自動動平衡系統(tǒng)。2. 電主軸的關鍵技術2. 電主軸的關鍵技術2.3潤滑技術（2）油霧潤滑 這種潤滑方式利用壓縮空氣把經(jīng)過油霧發(fā)生器的油液霧化后和壓縮空氣混合，經(jīng)管路輸送到需潤滑的部位。 油霧潤滑的優(yōu)點是：噴口直接對準內(nèi)軸承滾道和滾動體鋼球，有較好的潤滑效果；持續(xù)不斷的提供油霧混合壓縮空氣，可以迅速帶走電主軸軸承旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱量，使軸承有穩(wěn)定的溫度；連續(xù)不斷的供油，不存在油質(zhì)老化的問題，保證了潤滑油的質(zhì)量；主軸內(nèi)部的壓縮空氣可以形成壓力環(huán)境，內(nèi)部環(huán)境壓力比外部的高，可以有效阻止外部

9、雜質(zhì)和塵埃的進入。油霧潤滑可以持續(xù)進行，且設備簡單，制造成本低，維修方便，可以有效保證高速電主軸穩(wěn)定的工作。 油霧潤滑的主要缺點是：供油量不能精確控制，回收困難，油耗比較高，多余的油霧混合壓縮空氣會排放入工作環(huán)境中造成污染環(huán)境，損害工人健康。油霧潤滑由于有以上缺點，在國外專業(yè)電主軸公司已不向用戶提供油霧潤滑裝置，將被其它新型潤滑方式逐漸替代。 2. 電主軸的關鍵技術2. 電主軸的關鍵技術2.4冷卻技術 電主軸的結構特點是電動機的定子直接安裝在殼體內(nèi)，由于電主軸相對封閉，其高速運轉(zhuǎn)時自然散熱條件較差。電主軸內(nèi)部有兩個主要的熱源：電動機損耗發(fā)熱和軸承摩擦發(fā)熱。電機產(chǎn)生的熱量主要通過主軸殼體進行散熱

10、，且有相當一部分會通過主軸傳到軸承上，加劇軸承的溫升，影響其使用壽命，同時造成轉(zhuǎn)軸熱的伸長，影響制造精度，從而影響主軸系統(tǒng)的可靠性。 電主軸主要冷卻措施是在電機定子與殼體連接處設計循環(huán)冷卻水套，同時軸承合理的潤滑方式也可減小發(fā)熱量，如油氣潤滑方式對軸承不但具有潤滑作用，還具有一定的冷卻作用。 比較有效的冷卻方式是在主軸套筒外設計連續(xù)的水冷卻環(huán)槽，讓冷卻液先流經(jīng)主軸套筒上的螺旋冷卻環(huán)槽，然后再噴出到刀具刀尖，這種方式可以有效的減少系統(tǒng)熱能向機床主軸傳導，帶走軸承產(chǎn)生的絕大部分熱量。對于有些要求較高的單元式結構主軸，機床可將主軸水冷卻和切削液分為兩個不同的系統(tǒng)。 2. 電主軸的關鍵技術2.4冷卻技

11、術 高速電主軸一般采用水冷、氣冷或油水熱交換循環(huán)的方式進行冷卻。為了提高散熱效果，越來越多的電主軸采用油水熱交換循環(huán)的方式對內(nèi)置電機定子強制冷卻，同時這種冷卻方式也可以對高速主軸軸承強制冷卻。 高速電主軸的油水熱交換循環(huán)冷卻系統(tǒng)，對電機定子使用連續(xù)、大流量的冷卻油循環(huán)冷卻，冷卻油先注入主軸殼體上的入口油，經(jīng)過開有螺旋冷卻槽的定子冷卻套，可帶走電機定子產(chǎn)生的絕大部分熱量，冷卻油再從定子冷卻套的出油口流出，然后通過逆流式冷卻交換器，經(jīng)過冷卻水的熱交換冷卻，降低熱油的溫度后，流回冷卻油箱，再一次通過壓力泵增加壓力輸入到入油口，實現(xiàn)循環(huán)冷卻。2. 電主軸的關鍵技術2.5主軸電機技術 主軸電機的性能決定

12、了主軸的最大功率和力矩，以及電主軸的性能。合理選擇電機類型，設計電機的電磁參數(shù)，使電機單位體積下的功率密度更高、體積和轉(zhuǎn)動慣量相對更小具有重要意義。 電主軸的電動機多采用交流異步感應電動機（制造工藝相對成熟、結構簡單、易于實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)高速化，但缺點是低速性能不好、轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴重、溫度對轉(zhuǎn)子參數(shù)影響大、很難實現(xiàn)精密控制）。 隨著永磁電機性能的不斷增強，越來越多的電主軸采用交流永磁同步電機。與采用異步電動機的電主軸相比，同步電主軸的優(yōu)點主要表現(xiàn)在：轉(zhuǎn)子原則上不發(fā)熱，減少了電主軸的熱變形；轉(zhuǎn)子無損耗，電主軸的功率密度進一步增大，工作效率高；轉(zhuǎn)動慣量小，易于快速啟動和準停；低速性能好，易于實現(xiàn)精密控制。

13、2. 電主軸的關鍵技術2. 電主軸的關鍵技術2.6精密加工和精密裝配的技術 為了保證電主軸在高速運轉(zhuǎn)時的回轉(zhuǎn)精度和剛度，其關鍵零件必須進行精密或超精密加工，并對主軸單元的零部件進行精密裝配。主軸單元中需要進行精密加工的工件包括主軸、殼體、前后軸承座以及隨主軸高速旋轉(zhuǎn)的軸承隔圈和定位過盈套等。 主軸單元的精密裝配包括主軸與電動機轉(zhuǎn)子、主軸與前后軸承、主軸與軸承隔圈和定位過盈套、主軸與刀具、軸系與軸承座、軸承座與殼體等。此外，高速電主軸上加工刀具的裝配也是精密裝配工藝需要考慮的因素。3. 一些電主軸產(chǎn)品 3.1 瑞士IBAG公司 3.2 洛陽軸研科技股份有限公司 3.3 廣州市昊志機電股份有限公司

14、 3.4 當前國內(nèi)外電主軸產(chǎn)品的差距關于電主軸3. 一些電主軸產(chǎn)品 3.1瑞士IBAG公司 瑞士IBAG公司在高速電主軸的制造研發(fā)方面已有超過30年的歷史，IBAG是高速切削的專家，IBAG的電主軸以高轉(zhuǎn)速、配合機床高進給加工各種材料，生產(chǎn)效率可大幅提高。 IBAG可以提供超過500種電主軸產(chǎn)品，其功率從0.1kW到80kW、電主軸外徑從16mm到300mm、最大轉(zhuǎn)速達到170000rpm、提供最大扭矩達到320Nm，提供包括電磁軸承、陶瓷球軸承在內(nèi)的多種軸承方案，潤滑方式主要是油氣冷卻，主軸電機主要是異步感應電機。S1：在：在恒定負載下的運行時間足以達到熱恒定負載下的運行時間足以達到熱穩(wěn)定。

15、穩(wěn)定。S6：連續(xù)周期工作制：連續(xù)周期工作制：按一系列相同的工作周期運行，每一周：按一系列相同的工作周期運行，每一周期包括一段恒定負載運行時間和一段空載運行期包括一段恒定負載運行時間和一段空載運行 時間時間。3. 一些電主軸產(chǎn)品 3.2洛陽軸研科技股份有限公司（ZYS） 洛陽軸研科技股份有限公司是由原洛陽軸承研究所作為主發(fā)起人發(fā)起設立的股份制企業(yè)，是中國機械工業(yè)集團有限公司所屬的控股上市公司。ZYS在國內(nèi)火箭、衛(wèi)星、飛船用軸承市場占有接近100%份額，曾完成從神舟一號到神舟五號飛船的軸承配套任務，并為神六提供7大部分22種軸承，公司其他高端產(chǎn)品精密機床軸承、陶瓷軸承和數(shù)控電主軸也處于國內(nèi)領先技術

16、水平。 該公司提供功率0.4kW到33kW、轉(zhuǎn)速3000rpm到150000rpm的200多種電主軸產(chǎn)品。軸承主要為陶瓷或鋼珠球軸承，潤滑方式有油脂、油霧、油氣，主軸電機為感應電機，提供最大扭矩為200Nm。3. 一些電主軸產(chǎn)品 3.3廣州市昊志機電股份有限公司（DK） 廣州市昊志機電股份有限公司成立于2006年，是一家專業(yè)從事研發(fā)、制造、銷售、維修高速電主軸及零部件的環(huán)保、高科技型企業(yè)，為國家高新技術企業(yè)。 公司生產(chǎn)近70種電主軸，功率從0.4kW到30kW，轉(zhuǎn)速從3000rpm到100000rpm，能提供的最大扭矩為70Nm。3. 一些電主軸產(chǎn)品 3.4當前國內(nèi)外電主軸產(chǎn)品的差距 （1）低

17、速大轉(zhuǎn)矩方面，國內(nèi)產(chǎn)品目前的最大轉(zhuǎn)矩在200Nm左右，國際上先進的技術早已實現(xiàn)了300Nm，其中德國的CYTEC可以達到600Nm、德國的GMN可以達到1250Nm，國內(nèi)水平目前還有較大差距。 （2）潤滑技術方面，國內(nèi)高速電主軸的潤滑方式還普遍存在油脂、油霧等方式，而國外更多采用油氣潤滑技術。 （3）支承技術方面，國內(nèi)的電磁軸承等更為先進的非接觸式軸承技術仍在實驗室研究階段，而國外已經(jīng)出現(xiàn)了磁懸浮軸承的產(chǎn)品。 （4）電主軸功率方面，德國的GMN公司已經(jīng)研制出了150kW的電主軸，而國內(nèi)現(xiàn)在普遍的電主軸功率都還在30kW以下。 （5）主軸電機的形式方面，瑞士的Fisher公司已經(jīng)研制了永磁同步電

18、機式電主軸，其最大功率為20kW、最大扭矩450Nm、主軸轉(zhuǎn)速為60000rpm。4. 電主軸的發(fā)展趨勢（1 1） 大功率、低速大轉(zhuǎn)矩大功率、低速大轉(zhuǎn)矩 現(xiàn)代數(shù)控機床需要同時能夠滿足低速粗加工時的重切削、高速切削時的精加工的要求，因此機床電主軸應該具備低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率的性能。高速電主軸的大功率化已經(jīng)是國際機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個方向。近年大功率半導體器件有了飛躍性發(fā)展，已經(jīng)完全可以滿足現(xiàn)有的電主軸應用場合所要求的功率等級，這為高速電主軸大功率化奠定了基礎。德國GMN公司生產(chǎn)的電主軸可以做到低速粗加工時切削力達到1250Nm，高速切削時精加工最大輸出功率可達150kW。關于電主軸4. 電主軸的發(fā)

19、展趨勢（2 2）內(nèi)裝主軸電機形式和控制方式多樣化）內(nèi)裝主軸電機形式和控制方式多樣化 主軸電機方面：目前國內(nèi)外主軸電機最常見的是感應電機，但由于結構和特性的限制，運行狀態(tài)改變時導致電機很難運行在最佳效率點，功率因數(shù)低、效率低。雖然采用變頻調(diào)速、矢量控制、功率因數(shù)補償?shù)燃夹g改善了電機系統(tǒng)的效率，但由于感應電機的工作原理決定其運行效率的提高是有限的，特別是在位置和速度要求非常高的高精度調(diào)速電主軸系統(tǒng)中應用，有時很難滿足系統(tǒng)要求，因此選用轉(zhuǎn)動慣量小、轉(zhuǎn)矩密度高、控制精度高的永磁電機代替感應電動機也將是電主軸發(fā)展的一個重要方向。 在主軸電機控制方面：矢量控制已經(jīng)被大多數(shù)高速電主軸生產(chǎn)廠家所采用，針對感應

20、電機采用自適應控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、定子優(yōu)化控制等措施不斷提高感應電機在電主軸的應用性能。對于永磁電機在低速粗加工時的重切削多采用恒轉(zhuǎn)矩控制方式，高速精加工時采用恒功率控制，在擴大永磁電機弱磁區(qū)域的同時提高穩(wěn)定性也將成為高速電主軸研究的方向。關于電主軸4. 電主軸的發(fā)展趨勢（3 3）非接觸形式軸承支承）非接觸形式軸承支承 采用傳統(tǒng)軸承支承的電主軸由于受軸承耐久性、穩(wěn)定性、發(fā)熱等因素的影響，主要用于加工鋁材、精加工鋼材等輕載切削。而非接觸式軸承（磁浮軸承、氣浮軸承、液浮軸承等）的出現(xiàn)使主軸實現(xiàn)大功率、高轉(zhuǎn)速成為可能。相比于傳統(tǒng)軸承，非接觸式的磁懸浮軸承有如下優(yōu)勢： a.磨損小，不需要機械維護，容易實現(xiàn)超高速旋轉(zhuǎn)，振動輕微，轉(zhuǎn)矩損失小，工作無噪聲。 b.可在蒸汽、高溫、低溫、真空、腐蝕性氣體特殊環(huán)境中工作。 c.無需潤滑，省掉了潤滑系統(tǒng)部件，結構更簡單，便于合理化設計。 d.可以實現(xiàn)自動平衡，實現(xiàn)無振動運行，慣性軸作為轉(zhuǎn)子的中心回轉(zhuǎn)，不產(chǎn)生失衡力，有自動平衡找正功能。 e.可以控制軸承的剛度變化，容易實現(xiàn)安全、可靠的主軸負荷狀態(tài)監(jiān)測。關于電主軸4. 電主軸的發(fā)展趨勢（4 4） 多功能、智能化多功能、智能化 在多功能方面，有角向停機精確定位（ 準停）、C 軸傳動、換刀中空吹氣、中