高速主軸

高速主軸 高速電主軸是最近幾年在數控機牀領域出現的將機牀主軸與主軸電機融為一體的新技術。高速數控機牀主傳動系統取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機牀主軸由內裝式電動機直接驅動，從而把機牀主傳動鏈的長度縮短為零，實現了機牀的“零傳動”。這種主軸電動機與機牀主軸“合二為一”的傳動結構形式，使主軸部件從機牀的傳動系統和整體結構中相對獨立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”(ElectricSpindle,Motor Spindle)。 ^[1]  如圖1所示

高速主軸 主軸軸承常見的潤滑方式有脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑、噴射潤滑及環下潤滑等。如圖2所示

脂潤滑不需任何設備，是低速主軸普遍採用的潤滑方式。dn值在1.0×106以上的主軸，多采用油潤滑的方式.

油霧潤滑是將潤滑油(如透平油)經壓力空氣霧化後對軸承進行潤滑的。這種方式實現容易，設備簡單，油霧既有潤滑功能，又能起到冷卻軸承的作用，但油霧不易回收，對環境污染嚴重，故逐漸被新型的油氣潤滑方式所取代。

油氣潤滑是將少量的潤滑油不經霧化而直接由壓縮空氣定時、定量地沿着專用的油氣管道壁均勻地被帶到軸承的潤滑區。潤滑油起潤滑的作用，而壓縮空氣起推動潤滑油運動及冷卻軸承的作用。油氣始終處於分離狀態，這有利於潤滑油的回收，而對環境卻沒有污染。實施油氣潤滑時，一般要求每個軸承都有單獨的油氣噴嘴，對軸承噴射處的位置有嚴格的要求，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，而且還有助於潤滑油到達潤滑區，因此，提高油氣壓力有助於提高軸承的轉速。

實驗表明，加大壓力比採用常規壓力進行油氣潤滑可使軸承的轉速提高20%。噴射潤滑是直接用高壓潤滑油對軸承進行潤滑和冷卻的，功率消耗較大，成本高，常用在dn值為2.5×106以上的超高速主軸上。

環下潤滑是一種改進的潤滑方式(見圖1)，分為環下油潤滑和環下油氣潤滑。實施環下油或者油氣潤滑時，潤滑油或油氣從軸承的內圈噴入潤滑區，在離心力的作用下潤滑油更易於到達軸承潤滑區，因而比普通的噴射潤滑和油氣潤滑效果好，可進一步提高軸承的轉速，如普通油氣潤滑，角接觸陶瓷球軸承的dn值為2.0×106左右，採用加大油氣壓力的方法可將dn值提高到2.2×106，而採用環下油氣潤滑則可達到2.5×106。

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滾珠與滾道間產生滑動摩擦，使軸承摩擦發熱加劇，因而降低軸承的壽命。

為了提高軸承的高速性能，常採用兩種方法：

一是減小滾球的直徑，如採用已標準化的71900系列主軸軸承；

另一種則是採用新型的陶瓷(Si3N4)材料做滾珠，由於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於全鋼軸承。抑制振動及高速回轉時滾珠公轉和自轉的滑動，提高軸的迴轉精度等，在主軸上使用的滾動軸承均需預緊。預緊的方式主要有恆位置預緊和恆力預緊。

高速電機在以下各方面具有廣闊的應用前景：

（1） 高速電機在空調或冰箱的離心式壓縮機等各種場合得到應用，而隨着科學技術的發展，特殊要求越來越多，它的應用也會越來越廣泛。

（2） 隨着汽車工業混合動力汽車的發展，體積小，重量輕的高速發電機將會得到充分的重視，並在混合動力汽車，航空，船舶等領域具有良好的應用前景。

（3）由燃氣輪機驅動的高速發電機體積小，具有較高的機動性，可用於一些重要設施的備用電源，也可作為獨立電源或小型電站，彌補集中式供電的不足，具有重要的實用價值。

由於高速電機轉子上的離心力與線速度的平方成正比，高速電機要求具有很高的機械強度；又由於高速電機頻率高，鐵耗大，在設計時應適當降低鐵心中的磁密，採用低損耗的鐵心材料。

軸承的研究也是與高速電機密不可分的內容，因為普通軸承難以承受在高速系統中承受長時間運行，必須採用新材料和新結構的軸承。

高速電機可以有多種結構形式，如感應電機、永磁電機和磁阻電機等。電機在高速旋轉時的離心力很大，當線速度達到200m/s以上時，常規疊片轉子難以承受高速旋轉產生的離心力，需要採用特殊的高強度疊片或實心轉子。

在轉子動力學發展的近百年的歷史中，出現過很多計算方法，發展到今天，現代的計算方法主要可以分為兩大類：傳遞矩陣法和有限元法。

有限元法的運動方程表達方式簡潔，規範，在求解轉子動力學問題或轉子和周圍結構一起組成的複雜機械系統的問題時，有很多優點。有限元法對複雜轉子系統剖分龐大，計算結果比傳遞矩陣法準確，然而計算耗時長，佔用內存大。現代計算機技術的發展，給有限元法提供了良好的硬件技術，。

高速電機一般應用於數控雕刻機、精密磨牀及高速離心設備等設備，本方案以數控雕刻機為例來闡述S350變頻器在高速電機上的應用。

主軸系統是數控雕刻機的重要組成部件，其性能對數控雕刻機整機的性能有着至關重要的影響。主軸電機多采用兩極高速無刷水冷電機，噪音小、切割力度大，運行轉速一般在0～24000RPM，對應的變頻器運行頻率為0～400HZ。因此係統要求穩速精度高、低速時力矩大、加減速時間短、高速時温升低等來滿足高生產效率與加工品質。

1、基本操作

將S350控制方式選擇為V/F控制模式，用DCM端子來接收數控系統模擬量信號（0~10V），MI1端子來控制起停，通過MI2~MI4端子來設置生產需要的七段速。MI5端子作為故障輸入。

根據現場生產要求，將參數F0.18和F0.19設置成2秒（加減速時間），因運行轉速較高，變頻器需帶制動單元。系統在50HZ，100HZ，200HZ，250HZ，300HZ，350HZ，400HZ這七段速度頻率下，運行穩定，400HZ（對應24000RPM）時温升低，可以有效延長電機的壽命。

七段速參考端子設定：

MI2: 50HZ MI3: 100HZ MI3+MI2: 200HZ MI4: 250HZ

MI2+MI4: 300HZ MI3+MI4: 350HZ MI2+ MI3+MI4: 400HZ

總而言之，國外對高速電機及相關技術的研究比較早，已經取得了很多的研究成果，而且隨着新材料的不斷出現，加工工藝的不斷改進，技術必將以更快的速度向前推進。國內對高速電機的研究還不是很多，基本上限於功率較小的發電機或電動機。 ^[2] 

——電主軸所融合的技術

電主軸是最近幾年在數控機牀領域出現的將機牀主軸與主軸電機融為一體的新技術，它與直線電機技術、高速刀具技術一起，將會把高速加工推向一個新時代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內置編碼器、換刀裝置。

電主軸所融合的技術：

高速軸承技術：電主軸通常採用複合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統軸承的幾倍；有時也採用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內外圈不接觸，理論上壽命無限；

高速電機技術：電主軸是電動機與主軸融合在一起的產物，電動機的轉子即為主軸的旋轉部分，理論上可以把電主軸看作一台高速電動機。關鍵技術是高速度下的動平衡；

潤滑：電主軸的潤滑一般採用定時定量油氣潤滑；也可以採用油脂潤滑，但相應的速度要打折扣。所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個叫定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉時會因油的阻力而發熱。

冷卻裝置：為了儘快給高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的温度。

內置脈衝編碼器：為了實現自動換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內置一脈衝編碼器，以實現準確的相角控制以及與進給的配合。

自動換刀裝置：為了應用於加工中心，電主軸配備了自動換刀裝置，包括碟形簧、拉刀油缸等；

高速刀具的裝卡方式：廣為熟悉的BT、ISO刀具，已被實踐證明不適合於高速加工。這種情況下出現了HSK、SKI等高速刀具。

高頻變頻裝置：要實現電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉的轉速，必須用一高頻變頻裝置來驅動電主軸的內置高速電動機，變頻器的輸出頻率必須達到上千或幾千赫茲。 ^[3] 

10世紀30年代以前，大多數機牀的主軸採用單油楔的滑動軸承。隨着滾動軸承製造技術的提高，後來出現了多種主軸用的高精度、高剛度滾動軸承。這種軸承供應方便，價格較低，摩擦係數小，潤滑方便，並能適應轉速和載荷變動幅度較大的工作條件，因而得到廣泛的應用。但是滑動軸承具有工作平穩和抗振性好的優點,特別是各種多油楔的動壓軸承，在一些精加工機牀如磨牀上用得很多。50年代以後出現的液體靜壓軸承，精度高，剛度高，摩擦係數小，又有良好的抗振性和平穩性，但需要一套複雜的供油設備，所以只用在高精度機牀和重型機牀上。氣體軸承高速性能好,但由於承載能力小,而且供氣設備也複雜，主要用於高速內圓磨牀和少數超精密加工機牀上。70年代初出現的電磁軸承，兼有高速性能好和承載能力較大的優點，並能在切削過程中通過調整磁場使主軸作微量位移，以提高加工的尺寸精度，但成本較高，可用於超精密加工機牀。

數控機牀一般採用直流或交流主軸伺服電動機實現主軸無級變速。

交流主軸電動機及交流變頻驅動裝置（籠型感應交流電動機配置矢量變換變頻調速系統），由於沒有電刷，不產生火花，所以使用壽命長，且性能已達到直流驅動系統的水平，甚至在噪聲方面還有所降低。因此，應用較為廣泛。

主軸傳遞的功率或轉矩與轉速之間的關係。當機牀處在連續運轉狀態下，主軸的轉速在437~3500r/min範圍內，主軸傳遞電動機的全部功率11kW，為主軸的恆功率區域Ⅱ（實線）。在這個區域內，主軸的最大輸出扭矩（245N.m）隨着主軸轉速的增高而變小。主軸轉速在35~437r/min範圍內，主軸的輸出轉矩不變，稱為主軸的恆轉矩區域Ⅰ（實線）。在這個區域內，主軸所能傳遞的功率隨着主軸轉速的降低而減小。 ^[4] 

數控機牀在實際生產中，並不需要在整個變速範圍內均為恆功率。一般要求在中、高速段為恆功率傳動，在低速段為恆轉矩傳動。為了確保數控機牀主軸低速時有較大的轉矩和主軸的變速範圍儘可能大，有的數控機牀在交流或直流電動機無級變速的基礎上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速。

在高速主軸單元中，由於機牀既要進行粗加工，也要進行精加工，因此對主軸單元提出了較高的靜剛度和工作精度的要求。另外，高速機牀主軸單元的動態特性也在很大程度上決定或者制約了機牀的價格質量和切削能力。當切削過程出現較大的在振動時，會使刀具出現劇烈的磨損或破損，也會增加主軸軸承所承受的動載荷，降低軸承的精度和壽命，影響加工精度和表面質量。因此，主軸單元應具有較高的抗振性。

相比一般的傳統主軸，電主軸將電機內置，傳動上摒棄了皮帶和齒輪，在高速運轉情況下，很好的解決了振動和噪聲問題，提高了機牀的加工精度和加工表面粗糙度，可以最快地實現較高的速度變化，即主軸迴轉時要具有極大的角加速度，這極大的提高了生產效率。

用在高精度機牀上的電主軸，不但要求主軸轉速高，而且要求其旋轉精度也高、並且振動小。因此，在電主軸的設計階段，必須對它進行動力學特性分析，以確定其各階臨界轉速和各階振型。對於高速軸系，其轉子動力學性能的分析和設計是直接決定主軸性能設計的一項重要內容。主軸的轉子動力學性能如何，對整台機牀能否實現高速加工以及加工精度、主軸軸承的壽命和其它關鍵部件的正常工作等方面都有着至關重要的影響。另外，陶瓷角接觸球軸承具有製造精度高、極限轉速高、承載能力強，能同時承受徑向和軸向載荷等特點而被廣泛地應用於高速機牀主軸的支承中。軸承內部各元件的運動及所受載荷比較複雜，特別是高速球軸承中，離心力和陀螺力矩作用的結果使軸承的運轉狀態發生變化，影響到軸承的變形與載荷關係特性，從而影響到球軸承支撐的轉子系統的動力學性能。 ^[5]