数控金切机床的高速主轴系统

 

高速主轴系统及其驱动器

数控金切机床的高速主轴系统，顾名思义是具有高回转速度，但这并无严格的界限。对作为高速切削机床代表的加工中心和数控铣床而言，一般是指最高转速≥10000r/min的主轴系统，并相应具有高的角加（减）速度，以实现主轴的瞬时升降速与起停。为适应制造业对机床加工精度愈来愈高的要求，高速切削主轴还应有较高的回转精度，通常要求主轴的径向跳动小于1或2μm，轴向窜动小于1μm。此外，主轴也要有足够的静、动刚度，以承受一定的切削负荷和保持高的回转精度。

传统的主轴系统包含皮带、齿轮等中间传动环节，不仅转动惯量大，难于实现高的角加（减）速度，而且高速时也难于解决中间传动环节出现的振动和噪声。因此，现在的高速主轴系统大多是把电动机与主轴“合二而一”、将传动链缩短为零的电主轴单元，结构上基本是把主电动机置于主轴前后轴承之间。这样的电主轴，轴向尺寸较短，结构紧凑，主轴刚度高，出力较大。图1所示德国GMN公司用于加工中心和数控铣床的电主轴就是这种结构，其轴承是适合高速运转的精密角接触球轴承（一般相当于国际标准P2和P4级），所有关键零件都必须进行精密加工和精密装配，同时还要用恒温冷却水（GMN为23±0.7℃甚至±0.3℃）对主电机的定子和前后轴承进行冷却。GMN用于加工中心和数控铣床的电主轴共有20几种型号，最高转速从8000r/min到60000r/min，功率从5.5KW到76KW，扭矩从0.9Nm到306Nm。

图1 GMN公司用於加工中心和数控铣床的电主轴

现在，也有极少数高速轻切削铣床，使用将主电机置于主轴后轴承之后的电主轴。这种结构的电主轴轴向尺寸长，但可改进散热条件。此外，某些主轴最高转速在10000r/min至15000r/min的加工中心和铣床，不是采用电主轴而是通过薄膜式之类的联轴节，将主电动机与主轴直接连接，从而省去主轴冷却系统。不过，此方式既增加了转动惯量，影响角加（减）速度，而且两者直连后的非直线性又会引起振动（转速愈高对直线性的调准要求也愈高），故不宜用于主轴转速更高的机床。

当前的高速电主轴，几乎都是内置异步交流感应电动机。异步型电主轴的优点是结构较简单，制造工艺相对成熟和安装方便，特别是可以更大限度地减弱磁场，易于实现高速化。此种主轴电机也正在进一步改进，比如日本三菱电机公司最近开发出可减少电损耗和缩短定子长度的高速、高效率内置感应主轴电动机。

最近，国外正研讨在电主轴中内置交流永磁同步电动机的问题。与异步感应电动机相比，永磁同步电动机有如下优点：用永磁材料制造的转子在工作过程中不发热，解决了目前内置的异步感应电动机转子发热且难于充分冷却的问题；功率密度大，工作效率高，即可用较小的尺寸得到较大的功率和扭矩；低速性能好，易于实现精密控制等。然而，永磁同步电动机也有其弱点，那就是功率容量有限，弱磁困难，不利于实现高速化。故迄今为止，只有个别机床公司有内置永磁同步电动机的电主轴在展会上亮相，而专业化的电主轴制造厂尚没有此种产品出售。有不少人认为，对在弱磁场运行的高转速电主轴，似乎用异步感应电动机驱动更为合适。

目前主要采用PWM变频调速技术来实现电主轴的高速化，执行此项任务的既有普通变频调速器，又有矢量控制驱动器。前者为恒转矩驱动，输出功率与转速成正比；后者在低速端（额定转速以下）为恒转矩驱动，在中、高速端为恒功率驱动（图2）。高速加工中心和数控铣床之电主轴，基本上都采用后者（即矢量控制驱动器）。矢量控制驱动器又有开环型和闭环型之分，闭环型在主轴上装有高性能编码器作为检测元件，以实现位置和速度反馈，从而有更好的动态性能，还可以实现主轴的定向准停和C轴功能。

图2 矢量控制驱动时电主轴之转矩——功率特性

高速主轴用的轴承

数控金切机床高速主轴的性能，在相当程度上取决于主轴轴承及其润滑。滚动轴承由于刚度好、精度可以制造得较高、承载能力强和结构相对简单，不仅是一般切削机床主轴的首选，也受到高速切削机床的青睐。从高速性的角度看，滚动轴承中角接触球轴承最好，圆柱滚子轴承次之，圆锥滚子轴承最差。

角接触球轴承的球（即滚珠）既公转又自转，会产生离心力Fc和陀螺力矩Mg。随着主轴转速的增加，离心力Fc和陀螺力矩Mg也会急剧加大，使轴承产生很大的接触应力，从而导致轴承摩擦加剧、温升增高、精度下降和寿命缩短。因此，要提高这种轴承的高速性能，就应想方设法抑制其Fc和Mg的增加。从角接触球轴承Fc和Mg的计算公式得知，减少球材料的密度、球的直径和球的接触角都有利于减少Fc和Mg，所以现在高速主轴多使用接触角为15°或20°的小球径轴承。可是，球径不能减小过多，基本上只能是标准系列球径的70%，以免削弱轴承的刚度，更关键的还是要在球的材料上寻求改进。

与GCr15轴承钢相比，氮化矽（Si3N4）陶瓷密度仅为它的41%，用氮化矽制作的球要轻得多，自然在高速回转时所产生的离心力和陀螺力矩也要小得多。与此同时，氮化矽陶瓷的弹性模量和硬度是轴承钢的1.5倍和2.3倍，而热膨胀系数仅为轴承钢的25%，这既可提高轴承的刚度和寿命，又使轴承的配合间隙在不同温升条件下变化小，工作可靠，加之陶瓷耐高温且不与金属发生粘咬，显然用氮化矽陶瓷制作球体更适合进行高速回转。实践表明，陶瓷球角接触球轴承与相应的钢球轴承相比速度能提高25%~35%，不过价格也要高一些。

国外将内外圈为钢、滚动体为陶瓷的轴承统称为混合轴承。目前混合轴承又有新发展：一是陶瓷材料已用于制作圆柱滚子轴承的滚子，市场上出现了陶瓷圆柱混合轴承；二是用不锈钢（比如FAG公司用氮化不锈钢Crodinur 30）代替轴承钢制作轴承的内外圈特别是内圈，由于不锈钢的热膨胀系数比轴承钢小20%，自然在高速回转时，因内圈热膨胀所造成的接触应力增大趋势会受到抑制。

众所周知，dmη值是表达滚动轴承高速性能的速度因子（dm是滚动轴承内、外圈的平均直径，单位mm；η是轴承的转速，单位r/min）。角接触球轴承的高速性能不仅与球的接触角、直径和材料相关，而且与轴承的润滑方式关系密切。目前滚动轴承有脂润滑、油雾润滑和油气润滑三种方式，其中油雾润滑虽然效果不错，但污染环境和危害工人健康，国外已很少采用。

脂润滑是最简单和环保性最好的一种润滑方式。由于脂在超高速运转下容易变质，故其dmη值较低，轴承为钢球时仅达80×10⁴，为陶瓷球时可达110×10⁴（FAG公司开发的新一代低温轴承其dmη值还可以在此基础上增加10%左右）。现在高速主轴轴承用得最多的是油气润滑方式，它是定时、定量地供给轴承以油—气混合物，使轴承各部位获得最佳的微量润滑并把污染减至很小。采用油气润滑的钢球或陶瓷球角接触球轴承，其dmη值一般可分别达到到140×10⁴和210×10⁴，若采用比较特殊的油气润滑方式，陶瓷球角接触球轴承的dmη值可达250×10⁴甚至更高一点（图3为特殊油气润滑方式的一种，在试验室内其dmη值已达280×10⁴）。

图3 光洋精工F型混合轴承的油气润滑示意图

高速电主轴滚动轴承的配置形式有多种，但比较典型的是前、后轴承呈“O”型布局的两对角接触球轴承（见图1）。由于后轴承也是角接触球轴承，一般要设置滚珠套以便让后轴承能沿壳体轴向移动，使得主轴受热后可自由向后方膨胀。一般说来，角接触球轴承需要在轴向有预加负荷才能正常工作，预加负荷愈大，轴承的刚度愈高但温升也愈大。比较简单的办法是，根据电主轴的转速范围和所要承受的负载，选定一个最佳的固定预加负荷值；更好的办法则是预加负荷能随主轴转速改变而调整，在高转速时减小预加负荷，在低转速时增加预加负荷。

最近几年，由于陶瓷圆柱混合轴承的面世和油气润滑的较普遍应用，圆柱滚子轴承的高速性能得到较大改进，所以现在已有相当数量的高速加工中心，其电主轴的后轴承采用了允许内、外圈相对移动量较大并能承受更大径向负荷的圆柱滚子轴承（图4）。这样就可在提高刚度的条件下，用比较简单的结构达到主轴可自由向后膨胀的目的，瑞士Step-Tec公司生产的高速电主轴，其后轴承就是采用陶瓷圆柱混合轴承。

高速电主轴除普遍采用滚动轴承外，还有其他几种轴承可供考虑：


静压轴承。空气静压轴承由于刚度特别是承载能力很差，尽管回转精度很高和摩擦损失较小，也只能在超精密高速铣削等切削负荷很小的埸合使用。油静压轴承在高速回转时，油囊内产生紊流，液体摩擦力也随转速增高而增大，会造成大的功率损失和引起严重的发热，故高速回转的切削机床仍很少采用（IBAG公司已有一种最高转速为32000r/min油静压轴承电主轴供应）。此外，FISCHER公司正研制一种以水为介质，名为Hrdro-F的静压轴承电主轴，最高转速36000r/min（功率67KW）。


动、静压轴承。它用流体动力与流体静力相结合的方法使主轴在油膜支撑中回转，兼有动压轴承和静压轴承的优点，刚度和精度高，阻尼大，寿命长，已用于Ingersoll主轴最高转速为20000r/min的卧式加工中心和某些高速磨床上。然而，此种轴承在主轴轴颈表面线速度超过50m/s时，油流也会由层流变为紊流，同样会出现发热严重和功率损失的问题，其进一步高速化仍是一个正在研究的课题，并一直受到业界人士的重视。


磁浮轴承。它是利用电磁力将主轴悬浮在空气中的一种高性能轴承，而且在运转过程中用灵敏的传感器不断检测主轴位置，并反馈给控制器实时调整电磁力，使与转子（轴承转子和电动机转子）结合在一起的主轴始终保持在正确位置上。由于采用电子反馈系统进行自动调节，其刚度和阻尼可控，主轴能自动动平衡，其回转精度可高达0.1μm。磁浮轴承无机械接触，寿命很长，它的高速性能仅受转子矽钢片离心力的制约，转子最高线速度可达200m/s。显而易见，磁浮轴承很适合高速高精度切削机床使用，但由于控制复杂，成本很高，目前实际在机床上使用的还不多。德国GMN公司和瑞士IBAG公司已有成熟的磁浮轴承电主轴出售（IBAG生产最高转速为70000r/min和40000r/min的两种型号）。

高速主轴的动平衡和HSK刀柄

离心力与主轴转速的平方成正比，主轴高速回转时，微小的不平衡量也会引起巨大的离心力，造成机床振动进而影响加工质量，故此，动平衡是高速主轴系统需要认真解决的问题。专业电主轴厂生产的电主轴都经过严格的动平衡，一般都执行ISO标准G0.4级（G=eω，e为质量中心与回转中心之间的位移，即偏心量，ω为角速度），即在最高转速时残馀动不平衡引起的振动速度最大不得超过0.4mm/s。广义的主轴系统还包含刀具，加工过程中每更换一把刀具，其动不平衡量就会发生变化。为此，FISCHER公司提供一种在线自动平衡装置，它能自动测出主轴系统的不平衡量，并自动使位于电主轴前端的两个平衡圆盘相对转动到一个动不平衡量最小的位置。

北京机床研究所μ1000系列精密立式加工中心，在利用FANUC主轴电动机的基础上，自行制造了最高转速为15000r/min的电主轴。该电主轴在制造过程中经过两次精确的动平衡，第一次是在转子热装后，第二次是所有回转零件装配好且几何精度检验完毕后。同时，还在电主轴前后位置设有平衡环以备在线动平衡用。

主轴与刀具的连接关系到加工质量，现在几乎所有的专业电主轴厂均可按用户要求提供各种标准和非标准的刀具接口，当然不同的刀具接口对应于不同的刀柄。传统的7:24实心刀柄，与主轴孔仅靠锥面定位，当主轴高速旋转时，主轴锥孔会因离心力的作用而“胀大”，但实心锥柄不能随之“胀大”，主轴孔便发生“张口”使刀具在其中摇摆，从而产生轴向定位误差并影响主轴系统的动平衡。故近10几年来另一种高速性能好的HSK刀柄迅速兴起，为愈来愈多的高速加工机床所采用，2001年已被列为国际标准ISO12164-1:2001。

HSK刀柄是采用锥面和端面双定位的空心锥柄，其锥度为1:10且锥体比较短，在拉杆轴向拉力的作用下，刀柄的薄壁锥体会产生一定的弹性变形，使刀柄的短锥和端面与主轴的锥孔和端面紧密贴会。图5就是HSK刀柄与主轴的连接情况示意：图的上半部分为刀柄拉紧前的状态，刀柄端面与主轴端面之间存在空隙h；图的下半部分为拉紧后的状态，由于刀柄薄壁锥体的弹性变形消除了间隙h。在高速旋转时，因为刀柄的薄壁锥体也会随主轴锥孔的“胀大”而“胀大”，故中间不会产生间隙，两者的端面也不会分离，所以HSK刀柄在高速加工过程中与主轴有良好的连接刚度，自然刀具能一直保持高的定位精度，而且HSK刀柄较短、较轻，有利于提高加工中心的换刀速度。

图5 HSK刀柄与高速机床主轴连接情况示意图

HSK系列刀柄有A、B、C、D、E、F等类型，用得最多的是A型和E型。HSK—A型刀柄有键槽，适合切削负荷较大时采用；HSK—E型没有传动键，仅靠锥面之间的摩擦力来传递扭矩，适合切削负荷小时使用。

结语

尽管机床的切削速度还存在不小发展空间，但近三年世界高速加工机床主轴的最高转速，似乎已进入一个相对平稳的发展阶段。以高速加工中心为例，目前其主轴最高转速除个别产品外基本上是：小型20000~60000r/min、中型10000~30000r/min、大（重）型8000~24000r/min。从EMO2003得到的信息，其加工中心展品的最高转数绝大多数为10000~30000r/min，最高的为60000r/min。

现在，高速切削机床的主轴系统主要采用电主轴单元，而电主轴的轴承又基本为滚动轴承，其dmη值一般都不超过250×104。从目前的研究开发情况来看，在不久的将来有可能达到300×104甚至更高一点，也就是说滚动轴承内径为Φ50~55mm的电主轴，其最高转速有望达到50000r/min左右。更高的速度需求则寄希望于磁浮轴承，磁浮轴承推广应用的关键是要降低成本，同时也要考虑发热和漏磁方面的问题。此外，与电主轴相关的课题，比如集成传感监控、小型高出力主轴电机、轻量化主轴等，都正在深入研讨中。

现时，国内生产电主轴的厂家很少，国产电主轴尚未能充分满足市场需求（在CIMT2003展会上，国产数控机床配装的电主轴只有23.8%是国内产品）。不过，在这一领域，中国也已具有一定的基础和能力，在当前国家明确支持国产数控机床功能部件发展的政策环境下，我们更应抓住机遇，加快国产高速电主轴的发展。

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