電主軸是高速數(shù)控加工機(jī)床的“心臟部件”，本文介紹了電主軸的工作原理、典型結(jié)構(gòu)，闡述了電主軸的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了其發(fā)展趨勢(shì)。

 

1、概述
由于高速加工不但可以大幅度提高加工效率，而且還可以顯著提高工件的加工質(zhì)量，所以其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，特別是在航空航天、汽車和模具等制造業(yè)中。于是，具有高速加工能力的數(shù)控機(jī)床已成為市場(chǎng)新寵。目前，國(guó)內(nèi)外各著名機(jī)床制造商在高速數(shù)控機(jī)床中廣泛采用電主軸結(jié)構(gòu)，特別是在復(fù)合加工機(jī)床、多軸聯(lián)動(dòng)、多面體加工機(jī)床和并聯(lián)機(jī)床中。電主軸是高速數(shù)控加工機(jī)床的“心臟部件”，其性能指標(biāo)直接決定機(jī)床的水平，它是機(jī)床實(shí)現(xiàn)高速加工的前提和基本條件。

2、電主軸的工作原理、典型結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)

2.1 電主軸的工作原理
  電主軸就是直接將空心的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝在主軸上，定子通過冷卻套固定在主軸箱體孔內(nèi)，形成一個(gè)完整的主軸單元，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.2電主軸的典型結(jié)構(gòu)
  電主軸單元典型的結(jié)構(gòu)布局方式是電機(jī)置于主軸前、后軸承之間（如圖所示），其優(yōu)點(diǎn)是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大，功率大，較適合于大、中型高速數(shù)控機(jī)床；其不足是在封閉的主軸箱體內(nèi)電機(jī)的自然散熱條件差，溫升比較高。

1主軸箱體 2冷卻套 3冷卻水進(jìn)口 4定子 5轉(zhuǎn)子 6套筒
7冷卻水出口 8轉(zhuǎn)軸 9反饋裝置 10主軸前軸承 11主軸后軸承
 
2.3電主軸的優(yōu)點(diǎn)
電主軸省去了帶輪或齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”，提高了傳動(dòng)效率。電主軸的剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、快速響應(yīng)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)極高的轉(zhuǎn)速和加、減速度及定角度的快速準(zhǔn)停（C軸控制），調(diào)速范圍寬。
3、電主軸的關(guān)鍵技術(shù)
“電主軸”的概念不應(yīng)簡(jiǎn)單理解為只是一根主軸套筒，而應(yīng)該是一套組件，包括：定子、轉(zhuǎn)子、軸承、高速變頻裝置、潤(rùn)滑裝置、冷卻裝置等。因此電主軸是高速軸承技術(shù)、潤(rùn)滑技術(shù)、冷卻技術(shù)、動(dòng)平衡技術(shù)、精密制造與裝配技術(shù)以及電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的綜合運(yùn)用。
3.1電主軸的高速軸承技術(shù)
實(shí)現(xiàn)電主軸高速化精密化的關(guān)鍵是高速精密軸承的應(yīng)用。目前在高速精密電主軸中應(yīng)用的軸承有精密滾動(dòng)軸承、液體動(dòng)靜壓軸承、氣體靜壓軸承和磁懸浮軸承等，但主要是精密角接觸陶瓷球軸承和精密圓柱滾子軸承。液體動(dòng)靜壓軸承的標(biāo)準(zhǔn)化程度不高；氣體靜壓軸承不適合于大功率場(chǎng)合；磁懸浮軸承由于控制系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，其實(shí)用性受到限制。
角接觸球軸承不但可同時(shí)承受徑向和軸向載荷，而且剛度高、高速性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、品種規(guī)格繁多、便于維修更換，因而在電主軸中得到廣泛的應(yīng)用。目前隨著陶瓷軸承技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用最多的電主軸軸承是混合陶瓷球軸承，即滾動(dòng)體使用Si3N4陶瓷球，采用“小珠密珠”結(jié)構(gòu)，軸承套圈為GCr15鋼圈。這種混合軸承通過減小離心力和陀螺力矩，來減小滾珠與溝道間的摩擦，從而獲得較低的溫升及較好的高速性能。

陶瓷球混合軸承與鋼球軸承相比，優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）       陶瓷與鋼組成的陶瓷球軸承摩擦性能非常好，能降低材料與潤(rùn)滑劑的應(yīng)力。
（2）       因陶瓷密度低，可降低運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的離心力。
（3）       陶瓷較低的熱膨脹系數(shù)有效降低了軸承預(yù)加負(fù)荷的變化。
（4）       陶瓷的彈性模量較高，可以提高軸承的剛性。
   上述因素大幅度地延長(zhǎng)了軸承的壽命和提升了軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)極限速度。

3.2電主軸的潤(rùn)滑技術(shù)

高速電主軸必須采用合理的、可控制的軸承潤(rùn)滑方式來控制軸承的溫升，以保證數(shù)控機(jī)床工藝系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。采用滾動(dòng)軸承的電主軸的潤(rùn)滑方式目前主要有脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑等方式。
脂潤(rùn)滑在轉(zhuǎn)速相對(duì)較低的電主軸中是較常見的潤(rùn)滑方式。脂潤(rùn)滑型電主軸的潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)單、使用方便、無污染、通用性強(qiáng)。
油霧潤(rùn)滑具有潤(rùn)滑和冷卻雙重作用，它以壓縮空氣為動(dòng)力，通過油霧器將油液霧化并混入空氣流中，然后把其輸送到需要潤(rùn)滑的位置。油霧潤(rùn)滑所需設(shè)備簡(jiǎn)單，維修方便，價(jià)格比較便宜，是一種普遍使用的高速電主軸潤(rùn)滑方式。但它有污染環(huán)境，油耗比較高等缺點(diǎn)。隨著人們對(duì)環(huán)保要求的提高，油霧潤(rùn)滑方式必將逐漸被淘汰。
油氣潤(rùn)滑技術(shù)是利用壓縮空氣將微量的潤(rùn)滑油分別連續(xù)不斷地、精確地供給每一套主軸軸承，微小油滴在滾動(dòng)和內(nèi)、外滾道間形成彈性動(dòng)壓油膜，而壓縮空氣則可帶走軸承運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量。
實(shí)踐表明在潤(rùn)滑中供油量過多或過少都是有害的，而前兩種潤(rùn)滑方式均無法準(zhǔn)確地控制供油量多少，不利于主軸軸承轉(zhuǎn)速和壽命的提高。而新近發(fā)展起來的油氣潤(rùn)滑方式則可以精確地控制各個(gè)摩擦點(diǎn)的潤(rùn)滑油量，可靠性極高。實(shí)踐證明，油氣潤(rùn)滑是高速大功率電主軸軸承的最理想潤(rùn)滑方法，但其所需設(shè)備復(fù)雜，成本高。由于油氣潤(rùn)滑方式潤(rùn)滑效果理想，目前已成為國(guó)際上最流行的潤(rùn)滑方式。

3.3電主軸的熱源分析及其冷卻

  電主軸有兩個(gè)主要的內(nèi)部熱源：內(nèi)置電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。如果不加以控制，由此引起的熱變形會(huì)嚴(yán)重降低機(jī)床的加工精度和軸承使用壽命，從而導(dǎo)致電主軸的使用壽命縮短。
電主軸由于采用內(nèi)藏式主軸結(jié)構(gòu)形式，位于主軸單元體中的電機(jī)不能采用風(fēng)扇散熱，因此自然散熱條件較差。電機(jī)在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程中，內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗，從而使電機(jī)發(fā)熱。研究表明，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，有近1/3的電機(jī)發(fā)熱量由電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，并且轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙傳入定子中；其余2/3的熱量產(chǎn)生于電機(jī)的定子。所以，對(duì)電機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對(duì)電機(jī)定子采用冷卻液的循環(huán)流動(dòng)來實(shí)行強(qiáng)制冷卻。典型的冷卻系統(tǒng)是用外循環(huán)水式冷卻裝置來冷卻電機(jī)定子，將電機(jī)的熱量帶走。

角接觸球軸承的發(fā)熱主要是滾子與滾道之間的滾動(dòng)摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦以及潤(rùn)滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的。減小軸承發(fā)熱量的主要措施：

（1）適當(dāng)減小滾珠的直徑   減小滾珠直徑可以減小離心力和陀螺力矩，從而減小摩擦，減少發(fā)熱量。
（2）采用新材料   比如采用陶瓷材料做滾珠，陶瓷球軸承與鋼質(zhì)角接觸球軸承相比，在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠與滾道間的滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦減小，發(fā)熱量降低。
（3）采用合理的潤(rùn)滑方式   油氣和油霧等潤(rùn)滑方式對(duì)軸承不但具有潤(rùn)滑作用，還具有一定的冷卻作用。
3.4電主軸的設(shè)計(jì)和裝配

電主軸要獲得好的性能和使用壽命，必須對(duì)電主軸各個(gè)部分進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和制造。電主軸的定子由具有高導(dǎo)磁率的優(yōu)質(zhì)矽鋼片迭壓而成，定子內(nèi)腔帶有沖制嵌線槽。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、鼠籠和轉(zhuǎn)軸三部分組成。主軸箱的尺寸精度和位置精度也將直接影響主軸的綜合精度。通常將軸承座孔直接設(shè)計(jì)在主軸箱上，為加裝電機(jī)定子，必須至少開放一端。

主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，任何小的不平衡質(zhì)量即可引起電主軸大的高頻振動(dòng)。因此精密電主軸的動(dòng)平衡精度要求達(dá)到G1~G0.4級(jí)。對(duì)于這種等級(jí)的動(dòng)平衡，采用常規(guī)的方法即僅在裝配前對(duì)主軸上的每個(gè)零件分別進(jìn)行動(dòng)平衡是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需在裝配后進(jìn)行整體的動(dòng)平衡，甚至還要設(shè)計(jì)專門的自動(dòng)平衡系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)主軸的在線動(dòng)平衡。另外，在設(shè)計(jì)電主軸時(shí)，必須嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)對(duì)稱原則，鍵聯(lián)接和螺紋聯(lián)接在電主軸上被禁止使用，而普遍采用過盈聯(lián)接，并以此來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。過盈聯(lián)接與螺紋聯(lián)接或鍵聯(lián)接相比有：不會(huì)在主軸上產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，對(duì)主軸的旋轉(zhuǎn)精度沒有影響；主軸的動(dòng)平衡易得到保證等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸之間的過盈聯(lián)接分為兩類，一類是通過套筒實(shí)現(xiàn)的，此結(jié)構(gòu)便于維修拆卸；另一類是沒有套筒，轉(zhuǎn)子直接過盈聯(lián)接在轉(zhuǎn)軸上，此類聯(lián)接轉(zhuǎn)子裝配后不可拆卸。由于內(nèi)孔與轉(zhuǎn)軸配合面之間有很大的過盈量，所以轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸可以采用轉(zhuǎn)軸冷縮和轉(zhuǎn)子熱脹法裝配。帶有套筒的聯(lián)接拆卸時(shí)，需向轉(zhuǎn)子套筒上預(yù)留的油孔中高壓注油，迫使轉(zhuǎn)子的過盈套筒漲開，即可順利拆卸下電機(jī)的轉(zhuǎn)子。電機(jī)定子通過一個(gè)冷卻套固定裝在電主軸的箱體中。

3.5電主軸的運(yùn)動(dòng)控制

在數(shù)控機(jī)床中，電主軸通常采用變頻調(diào)速方法。目前主要有普通變頻驅(qū)動(dòng)和控制、矢量控制驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)和控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制三種控制方式。

普通變頻為標(biāo)量驅(qū)動(dòng)和控制，其驅(qū)動(dòng)控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比。普通變頻控制的動(dòng)態(tài)性能不夠理想，在低速時(shí)控制性能不佳，輸出功率不夠穩(wěn)定，也不具備C軸功能。但價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般用于磨床和普通的高速銑床等。

矢量控制技術(shù)模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，用矢量變換的方法來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和控制，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制驅(qū)動(dòng)器在剛啟動(dòng)時(shí)具有很大的轉(zhuǎn)矩值，加之電主軸本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，慣性很小，故啟動(dòng)加速度大，可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)后瞬時(shí)達(dá)到允許極限速度。這種驅(qū)動(dòng)器又有開環(huán)和閉環(huán)兩種，后者可以實(shí)現(xiàn)位置和速度的反饋，不僅具有更好的動(dòng)態(tài)性能，還可以實(shí)現(xiàn)C軸功能；而前者動(dòng)態(tài)性能稍差，也不具備C軸功能，但價(jià)格較為便宜。

直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的又一種新型的高性能交流調(diào)速技術(shù)，其控制思想新穎，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了，更適合于高速電主軸的驅(qū)動(dòng)，更能滿足高速電主軸高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍、高速瞬間準(zhǔn)停的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性的要求，已成為交流傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)。

4、電主軸的發(fā)展趨勢(shì)

隨著機(jī)床技術(shù)、高速切削技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的需要，人們對(duì)機(jī)床電主軸的性能也提出了越來越高的要求，電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）向高速大功率和低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展
（2）向高精度、高剛度方向發(fā)展
（3）向精確定向（準(zhǔn)停）方向發(fā)展
（4）向快速起、停方向發(fā)展
（5）向超高速方向發(fā)展
（6）向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展