高速电主轴关键技术的研究

1 概述

高速加工技术越来越受到人们的关注，它不仅可获得更大的生产率，而且还可获得很高的加工质量，并可降低生产成本，因而被认为是21世纪最有发展前途的先进制造技术之一。在先进工业国家，此项技术已广泛应用于航空、航天及模具行业。在近五年中，我国的该项技术也取得了长足的进步。

高速机床是实现高速切削的前提条件，机床的高速化是目前机床的发展趋势。高速机床与虚拟轴机床均为机床突破性的重大变革。无论是普通数控机床还是虚拟轴机床，实现高速化的关键部件仍是主轴单元。主轴高速化常用dn值(dn值是指主轴轴承的平均直径(mm)与主轴的极限转速(r/min)的乘积)来衡量，高速主轴常是指dn值在1.0×106以上的主轴。随着轴承技术、润滑技术的发展，主轴的转速在逐年提高。在资料显示，在80年代，主轴轴承在脂润滑条件下的dn值最多只能达到0.5×106，但当油气润滑装置开发出来以后，dn值迅速提高到1.0×106，采用角接触陶瓷球轴承后，主轴轴承的dn值进一步提高到2.0×106。到90年代，采用新的润滑方式——喷射润滑，使主轴的dn值达到3.0×106。对于转速在10000r/min以上的主轴单元，通过皮带或者联轴器来驱动已不再合适，较合理的方式是采用内装电机直接驱动，即将电机的转子直接安装在主轴上，定子安装在主轴套筒里，做成所谓电主轴的形式。该电主轴具有结构紧凑、易于平衡、传动较率高等优点，是高速主轴理想的结构。电主轴的性能除了受轴承及其润滑技术影响较大以外，还受许多因素的影响，其中包括轴承预紧力的控制、内装电机的发热与冷却、主轴的动平衡、轴上零件的连接等。此外，主轴轴端的设计也是高速电主轴不容忽视的问题。

2 电主轴轴承的选择及其预紧技术

用在高速主轴单元上的轴承主要有角接触球轴承、磁悬浮轴承、水基动静压轴承、空气动静压轴承等。磁悬浮轴承由于价格昂贵，控制系统复杂，发热问题难以解决，因而还无法在高速主轴单元上推广应用。水基静压轴承是目前国内较热门的研究课题之一，它是利用水具有热容量较大、轴承温升较小的特点，部分解决了普通动、静压轴承发热严重的问题，主要用在低速重载场合。空气动静压轴承径向刚度低并有冲击，但高速性能好，一般用在超高速、轻载、精密主轴上。角接触球轴承dn值在2.0×106以下的高速主轴单元中应用，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%的主轴组件采用这种类型的轴承。该类型轴承还可通过以下方法来提高性能。

1. 合理润滑

主轴轴承常见的润滑方式有脂润滑、油雾润滑、油气润滑、喷射润滑及环下润滑等。

脂润滑不需任何设备，是低速主轴普遍采用的润滑方式。

dn值在1.0×106以上的主轴，多采用油润滑的方式，其中油雾润滑是将润滑油(如透平油)经压力空气雾化后对轴承进行润滑的。这种方式实现容易，设备简单，油雾既有润滑功能，又能起到冷却轴承的作用，但油雾不易回收，对环境污染严重，故逐渐被新型的油气润滑方式所取代。

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。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%。

喷射润滑是直接用高压润滑油对轴承进行润滑和冷却的，功率消耗较大，成本高，常用在dn值为2.5×106以上的超高速主轴上。

环下润滑是一种改进的润滑方式(见图1)，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，如普通油气润滑，角接触陶瓷球轴承的dn值为2.0×106左右，采用加大油气压力的方法可将dn值提高到2.2×106，而采用环下油气润滑则可达到2.5×106。

1.采用角接触陶瓷球轴承

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。目前国外绝大多数高速机床主轴均采用这种轴承。

2.合理的预紧力控制

为了提高轴承的刚度，抑制振动及高速回转时滚珠公转和自转的滑动，提高轴的回转精度等，在主轴上使用的滚动轴承均需预紧。预紧的方式主要有恒位置预紧和恒力预紧。

恒位置预紧是将轴承内外圈在轴向固定，以初始预紧量确定其相对位置，运转过程中预紧量不能自动调节。随着转速的提高，轴承滚子发热膨胀、内外圈温差增大、滚子受离心力及轴承座的变形等因素影响，使轴承预紧力急剧增加，这是超高速主轴轴承破坏的主要原因。但这种预紧方式具有较高的刚性，如果采用陶瓷球轴承，并适当润滑和冷却，在dn值小于2.0×106的高速主轴单元中仍广泛应用。

恒力预紧是一种利用弹簧或者液压系统对轴承实现预紧的方式。在高速运转中，弹簧或液压系统能吸收引起轴承预紧力增加的过盈量，以保持轴承预紧力不变，这对超高速主轴特别有利。但在低速重切削条件下，由于预紧结构的变形会影响主轴的刚性，所以恒力预紧一般用在超高速、载荷较轻的磨床主轴或者轻型超高速切削机床主轴上。

在超高速加工中心主轴单元中，为了克服上述两种预紧方式的缺点，使主轴单元既能适应低速重载加工，又能适应超高速运转，开发出可进行预紧力切换的预紧机构。在低速重切削时，轴承在恒位置预紧下工作；当高速轻切削时，系统可自动切换成恒力预紧方式，以防止预紧力增大，使轴承的高速性能得到发挥。

3.对轴承滚道进行涂层处理

另一种提高轴承高速性能的方法是对轴承的滚道进行涂层。常用的涂层材料有CrN、TiAlN、TiAlCN、TiCN等。研究表明，TiAlN涂层具有较大承载能力、粘合力和较高硬度，是理想的涂层材料。对滚道涂层可减小滚道的滚动摩擦，从而减少高速下的摩擦发热，以提高轴承的高速性能。但应注意的是，对滚道涂层与对刀具涂层不同，对滚道涂层即使采用先进的CVD工艺，涂层温度也不能超过500℃，否则就相当于对轴承内外圈进行一次热处理，容易使其圆度误差超差，推荐的涂层温度为160℃。

3 轴上零件连接技术

在超高速电主轴上，由于转速的提高，所以对轴上零件的动平衡要求非常高。轴承的定位元件与主轴不宜采用螺纹连接，电机转子与主轴也不宜采用键连接，而普遍采用可拆的阶梯过盈连接。这种连接与螺纹连接相比有较明显的优点：①不会在轴上产生弯曲和扭转应力，对轴的旋转精度没有影响；②易保证零件定位端与轴心线的垂直度，轴承预紧时不会使轴承受力不均而影响轴承的寿命；③过盈套质量均匀，主轴动平衡易得到保证；④一般用热套法进行安装，用注入压力油的方法进行拆卸，对主轴无损害；⑤定位可靠，可提高主轴的刚度。确定阶梯套基本过盈量时，除了根据所受载荷计算需要过盈量外，还需考虑以下因素对过盈连接强度的影响：①配合表面的粗糙度；②连接件的工作温度与装配温度之差，以及主轴与过盈套材料线胀系数之差；③主轴高速旋转时，过盈套所受到的离心力会引起过盈套内孔的扩张，导致过盈量减少，当主轴材料和过盈套的材料泊凇比、弹性模量和密度相差不大时，过盈量的修正值与主轴转速的平方成正比，例如，当配合处直径为66mm，主轴内孔为25mm，过盈套外径为134.2mm，传递扭矩为85Nm，转速为1000r/min时，离心力引起的过盈量减小值仅为0.096µm；而当转速为18000r/min时，该值可达31.199µm；④重复装卸会引起过盈量减小；⑤结合面形位公差对过盈量的影响等。

阶梯过盈套过盈量的实现有两种方式：①利用公差配合来实现，根据基本过盈量的计算值和配合面的公称尺寸，查有关手册图表，得出相应的过盈配合；②利用阶梯配合面的公称尺寸的差值来实现，并选用H4/h4的过渡配合，这种方法容易控制和保证配合的实际过盈量，适用于高精度的零件配合和进行标准化、系列化生产。

4 电主轴的动平衡技术

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(G＝ew，e为质量中心与回转中心之间的位移，即偏心量；w为角速度)。对于这种等级的动平衡要求，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。

主轴动平衡常用方法有两种：去重法和增重法。小型主轴和普通电机常采用去重法。该法是在电机的转子两端设计有去重盘，当电机转子和其他零件安装到主轴上以后进行整体动平衡时，根据要求由自动平衡机在转外圈进行一次热处理，容易使其圆度误差超差，推荐的涂层温度为160℃。

3 轴上零件连接技术

在超高速电主轴上，由于转速的提高，所以对轴上零件的动平衡要求非常高。轴承的定位元件与主轴不宜采用螺纹连接，电机转子与主轴也不宜采用键连接，而普遍采用可拆的阶梯过盈连接。这种连接与螺纹连接相比有较明显的优点：①不会在轴上产生弯曲和扭转应力，对轴的旋转精度没有影响；②易保证零件定位端与轴心线的垂直度，轴承预紧时不会使轴承受力不均而影响轴承的寿命；③过盈套质量均匀，主轴动平衡易得到保证；④一般用热套法进行安装，用注入压力油的方法进行拆卸，对主轴无损害；⑤定位可靠，可提高主轴的刚度。确定阶梯套基本过盈量时，除了根据所受载荷计算需要过盈量外，还需考虑以下因素对过盈连接强度的影响：①配合表面的粗糙度；②连接件的工作温度与装配温度之差，以及主轴与过盈套材料线胀系数之差；③主轴高速旋转时，过盈套所受到的离心力会引起过盈套内孔的扩张，导致过盈量减少，当主轴材料和过盈套的材料泊凇比、弹性模量和密度相差不大时，过盈量的修正值与主轴转速的平方成正比，例如，当配合处直径为66mm，主轴内孔为25mm，过盈套外径为134.2mm，传递扭矩为85Nm，转速为1000r/min时，离心力引起的过盈量减小值仅为0.096µm；而当转速为18000r/min时，该值可达31.199µm；④重复装卸会引起过盈量减小；⑤结合面形位公差对过盈量的影响等。

阶梯过盈套过盈量的实现有两种方式：①利用公差配合来实现，根据基本过盈量的计算值和配合面的公称尺寸，查有关手册图表，得出相应的过盈配合；②利用阶梯配合面的公称尺寸的差值来实现，并选用H4/h4的过渡配合，这种方法容易控制和保证配合的实际过盈量，适用于高精度的零件配合和进行标准化、系列化生产。

4 电主轴的动平衡技术

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(G＝ew，e为质量中心与回转中心之间的位移，即偏心量；w为角速度)。对于这种等级的动平衡要求，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。

主轴动平衡常用方法有两种：去重法和增重法。小型主轴和普通电机常采用去重法。该法是在电机的转子两端设计有去重盘，当电机转子和其他零件安装到主轴上以后进行整体动平衡时，根据要求由自动平衡机在转子的去重盘处切去不平衡量。增重法是近年来某些主轴电机制造商为适应高速主轴发展的需要，在开发出商品化的无框架主轴电机(Frameless spindle motor)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，如图2所示。

5 高速电主轴轴端的设计

随着机床向高速、高精度、大功率方向发展，机床的结构刚性越来越好，而主轴与刀具的结合面多年来仍沿用标准化的7/24锥度配合。分析表明，刀尖25%～50%的变形来源于7/24锥度连接，只有40%左右的变形源于主轴和轴承。因此，主轴轴端的合理设计已不容忽视。

高速加工要求确保高速下主轴与刀具连接状态不能发生变化。但是，高速主轴的前端由于离心力的作用会使主轴膨胀(如图3)，如30号锥度主轴前端在30000r/min时，膨胀量为4～5µm，然而，标准的7/24实心刀柄不会有这样大的膨胀量，因此连接的刚度会下降，而且刀具的轴向位置也会发生改变。主轴的膨胀还会引起刀柄及夹紧机构质心的偏离，从而影响主轴的动平衡。要保证这种连接在高速下仍有可靠的接触定位，需要一个很大的过盈量来抵消主轴轴端的膨胀，如标准40号锥需初始过盈量为15～20µm，而且还需预加过盈来消除锥配合的公差带。这样大的过盈量需拉杆产生很大的预紧拉力，而拉杆产生这样大的拉力一般很难，对换刀也非常不利，还会使主轴膨胀，对主轴前轴承有不良影响。设计一种端面定位并使定位面具有很大的摩擦以防止主轴膨胀的刀轴连接结构，便可解决上述问题。

由于高速主轴组件对动平衡要求非常高，所以刀具及夹紧机构也需精密动平衡。但是，传递转矩的键和键槽很容易破坏动平衡。结合面的公差带会使刀具产生径向跳动，引起不平衡。键是用来传递转矩和进行角向定位的，有人试图研究一种刀/轴连接方式能在连接处产生很大的摩擦力来实现转矩传递，用在刀柄上作标记的方法实现安装的角向定位，达到取消键的目的。

在众多的高速刀/轴连接方案中，已被DIN标准化的HSK短锥刀柄结构比较适合高速主轴。这种刀柄采用1∶10的锥度，比标准的7/24锥度短，锥柄部分采用薄壁结构，刀柄利用短锥和端面同时实现轴向定位(如图4)。这种结构对主轴和刀柄连接处的公差带要求特别严格，仅为2～6µm，由于短锥严格的公差和具有弹性的薄壁，在拉杆轴向拉力的作用下，短锥会产生一定的收缩，所以刀柄的短锥和法兰端面较容易与主轴相应的结合面紧密接触，实现锥面与端面同时定位，因而具有很高的连接精度和刚度。当主轴高速旋转时，尽管主轴轴端会产生一定程度的扩张，使短锥的收缩得到部分伸张，但是短锥与主轴锥孔仍保持较好的接触，主轴转速对连接性能影响很小。

6 电主轴的热稳定性分析

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三分之二以上。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，因而影响轴承的寿命，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、润滑油的粘性摩擦等。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，电机冷却必不可省。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。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。

图5是对某电主轴在额定功率38kW、额定转速800r/min下达到热平衡时热传导有限元分析的结果。从图中可以看出，电主轴的温度分布是不均匀的，由于定子与主轴壳体间设计有冷却水套，散热条件较好，温度较低，电机转子由于散热条件差，温度较高，对前后轴承有明显的影响。

7 电主轴开发实例

在广东省自然科学基金和广州市重点攻关项目基金资助下，我校高速加工与机床研究室成功开发了数控铣床高速电主轴。实现的主要指标有：电主轴的额定功率为13.5kW，最高转速为18000r/min，在额定转速1500r/min时产生最大输出转矩为85Nm。

该电主轴主要结构特点包括：前后主轴轴承分别采用美国的2MMVC9114HXC-RDUL和2MMVC9112HXCRDUL精密角接触陶瓷球轴承，背靠背配列，恒位置轻预紧。采用前支承定位、后支承可轴向浮动的结构，防止主轴运转热伸长对加工精度的影响。主轴轴承采用油气润滑，每个轴承均有单独喷嘴。轴上零件一律采用阶梯过盈套定位与传递转矩。主轴电机定子与壳体间设计有水套，并专门设计了循环冷却水系统对定子进行冷却。轴上零件均进行严格动平衡试验，采用增重法在电机转子两端调节螺钉实现主轴整体动平衡。轴上有编码盘实现主轴的转速反馈和C轴控制功能。由于国内尚无新型刀柄配套，主轴轴端仍采用7/24标准锥度，用键实现轴向定位与传递扭矩。

8 结论

高速机床是实现高速加工的关键设备，高速电主轴作为高速机床的核心部件，它的开发为机床高速化提供了必要的技术准备。高速电主轴由于结构的特殊性，尚有许多新的问题需要解决，本文仅就结构设计中关键技术和应该注意的问题作了简要介绍。有关高速大功率电机的开发、电主轴的监控等问题仍有待进一步研究。