沈 瑋

電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械效率高、可獲得極高的回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)精度高、噪聲低、振動小等優(yōu)點(diǎn)，因而在數(shù)控機(jī)床以及加工中心中獲得了廣泛應(yīng)用。

1.電主軸結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

電主軸是主軸電機(jī)和機(jī)床主軸合為一體一套組件，它包括電主軸本身及其下列附件：高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置，圖1為電主軸的結(jié)構(gòu)示意圖。與傳統(tǒng)機(jī)床主軸相比，電主軸具有如下特點(diǎn)：

（1）主軸由內(nèi)裝式電機(jī)直接驅(qū)動，省去了中間傳動環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械效率高、噪聲低、振動小和精度高。

（2）采用交流變頻調(diào)速和矢量控制，輸出功率大，調(diào)整范圍寬，功率轉(zhuǎn)矩特性好。

（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動慣量小，可實(shí)現(xiàn)很高的速度和加速度及定角度的快速準(zhǔn)停，動態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性好。

（4）由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)的外力作用，主軸運(yùn)行更平穩(wěn)，使主軸軸承壽命得到延長。

2.電主軸技術(shù)構(gòu)成

（1）高速軸承技術(shù)。角接觸球軸承無論是速度極限、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%的電主軸組件采用這類軸承。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。

（2）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(jī)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(dá)到G1～G0.4級，因此采用常規(guī)的方法僅在裝配前對主軸的每個零件分別進(jìn)行動平衡是不夠的，還需在裝配后進(jìn)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(shí)現(xiàn)主軸在線動平衡，以確保主軸高速平穩(wěn)運(yùn)行。增重法是近年來為適應(yīng)高速主軸發(fā)展的需要，在無框架主軸電機(jī)上常采用的方法。電機(jī)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(jìn)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。

（3）潤滑技術(shù)。①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(yùn)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(shí)施油氣潤滑時，一般要求每個軸承都有單獨(dú)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(dá)潤滑區(qū)，因此，提高油氣壓力有助于提高軸承的轉(zhuǎn)速能力。實(shí)驗(yàn)表明，加大壓力比采用常規(guī)壓力進(jìn)行油氣潤滑可使軸承的轉(zhuǎn)速提高20%。②環(huán)下潤滑，是一種改進(jìn)的潤滑方式，分為環(huán)下油潤滑和環(huán)下油氣潤滑。實(shí)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(dá)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(jìn)一步提高軸承的轉(zhuǎn)速。

（4）冷卻裝置。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(jī)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(jī)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(jī)總發(fā)熱量的2/3以上。另外，電機(jī)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(jìn)行散熱，所以電機(jī)產(chǎn)生的熱量有相當(dāng)一部分會通過主軸傳到軸承上去，從而影響軸承的壽命，并且會使主軸產(chǎn)生熱伸長，影響加工精度。除了電機(jī)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、潤滑油的黏性摩擦等。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(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)。從以上分析可以看出，為改善電主軸的熱特性，電機(jī)冷卻必不可少。采取的主要措施是在電機(jī)定子與殼體連接處設(shè)計循環(huán)冷卻水套（圖2），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(jī)工作時，水槽里通入循環(huán)冷卻水，為加強(qiáng)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(jī)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(jī)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。

（5）高頻變頻驅(qū)動和矢量控制驅(qū)動技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬轉(zhuǎn)甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用一高頻變頻裝置來驅(qū)動電主軸的內(nèi)置高速電機(jī)，變頻器的輸出頻率必須達(dá)到上千或幾千赫茲。當(dāng)前，電主軸的電機(jī)均采用交流異步感應(yīng)電機(jī)，由于是用在高速加工機(jī)床上，啟動時要從靜止迅速升速至每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)乃至數(shù)十萬轉(zhuǎn)，啟動轉(zhuǎn)矩大，因而啟動電流要超出普通電機(jī)額定電流5～7倍。其驅(qū)動方式有變頻器驅(qū)動和矢量控制驅(qū)動器驅(qū)動兩種，變頻器的驅(qū)動控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，輸出功率與轉(zhuǎn)矩成正比，可實(shí)現(xiàn)主軸的無級變速；矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動控制是在低速端為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，在中、高速端為恒功率驅(qū)動，具體根據(jù)工藝要求而定。

此外，為了實(shí)現(xiàn)自動換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的相角控制以及與進(jìn)給的配合。為了應(yīng)用于加工中心，電主軸配備了自動換刀裝置。

3.電主軸的應(yīng)用

目前上汽集團(tuán)南京汽車集團(tuán)有限公司新建了包括缸體、缸蓋、連桿、曲軸、凸輪軸和裝配等6條生產(chǎn)線，用于生產(chǎn)Roewe 350 NSE小排量發(fā)動機(jī)。其中數(shù)控機(jī)床38臺，加工中心32臺，電主軸達(dá)一百余根。

（1）德國JUNKER凸輪數(shù)控磨床。JUNKER凸輪軸磨床采用CBN砂輪，工件旋轉(zhuǎn)軸（主軸2）、砂輪旋轉(zhuǎn)（主軸1）、砂輪修正金剛滾輪旋轉(zhuǎn)采用德國FRANZ KESSLER公司的電主軸。冷卻方式為水冷，單獨(dú)設(shè)有水冷系統(tǒng)給各電主軸提供冷卻。砂輪旋轉(zhuǎn)、金剛滾輪修正器旋轉(zhuǎn)電主軸均能提供高轉(zhuǎn)速，使CBN砂輪實(shí)現(xiàn)高速磨削成為可能。工件旋轉(zhuǎn)電主軸轉(zhuǎn)速不高，由于直接驅(qū)動工件旋轉(zhuǎn)，角度誤差近乎為零，以保證凸輪軸型線線的質(zhì)量。

（2）德國Grob缸體鏜銑加工中心。Grob缸體鏜銑加工中心電主軸采用的是德國 WEISS公司的產(chǎn)品，最高轉(zhuǎn)速能達(dá)2萬r/min。

（3）澳大利亞ANKA五軸數(shù)控刀具磨床。ANKA五軸數(shù)控刀具磨床A軸采用電主軸直接驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)范圍360°，C軸（磨頭主軸）由變頻電主軸直接驅(qū)動，可在順時針和逆時針方向1800r/min至10000r/min的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，最大線速度100m/s。