数控机床高速电主轴技术要点分析
2021-11-22 来源： 江苏领臣精密机械有限公司 作者：郑良钢，陈铮，周志科
摘要：数控机床中，高速电主轴是核心部件。其重量轻、结构紧凑，运行的过程中不会产生很大的惯性，有很好的响应特性，主轴的动平衡得以改善，具有良好的动力学性能。高速电主轴对机床的运行效果起到了决定性的作用。本文着重研究数控机床高速电主轴技术要点。
关键词：数控机床；高速；电主轴；技术要点
高速电主轴，即为内装式电机主轴单元，是数控机床的重要部件。其是在机床主轴单元内部安装主轴电机，对主轴起到了驱动作用，由此促使电机和主轴成为一个整体。要提高数控机床的运行效率，就要掌握高速电主轴技术要点，充分发挥其优势，同时，推进电主轴技术不断完善。
1、高速电主轴所具备的优点
传统的数控机床上的主轴运行，在发挥电机驱动作用的过程中，主要是带动中间的变速装置和传动装置，诸如齿轮、皮带以及联轴节等，此为“机械主轴”，也被形象地称为分离式和直联式主轴。与这种传统的主轴相比，电主轴具备的优点如下。
（1）主轴运行中，是通过内部安装的电机驱动的，不需要通过中间的变速装置和传动装置，其设计结构简单而且紧凑，能够提高运行效率而且精度很高。在运行的过程中，不会产生很大的噪声，振动也非常小。
（2）将交流变频技术充分利用起来，在额定转速范围内，电主轴可以无级变速。当机床运行的过程中，无论发生任何的工况，或者在负载变化的情况下，电主轴都有很好的适应性。
（3）内装电机运行中，能够控制闭环矢量，还可以按照控制命令有效调控功率，且能够灵活控制驱动装置运行速度、输出力矩等等。电主轴可以满足各种大功率要求，诸如低速重切削大转矩的时候，或者高速精加工的时候，电主轴都能够很好地发挥作用，还可以实现准停，同时满足 C 轴传动功能。
（4）电主轴可以高速运行，有良好的稳定性，动态精度较高，使数控机床切削的速度更高，加工的精密度也更高。
（5）由于电主轴的运行不需要经过中间传动环节，因此其平稳性更高，不会受到外来的冲击，主轴的轴承不需要承受很大的动负荷，精度寿命得以延长。
（6）电主轴使电机和主轴构成一个整体，形成一个单元，使电主轴可以系列化生产，形成一定的规模，而且生产更加专业化。电主轴作为数控机床功能部件，也作为一种商品进入到市场中。企业可以根据数控机床的主机运行需要选择电主轴，对机床模块化方向发展起到一定的促进作用。
2、高速电主轴的技术要点
2.1 高速电主轴的高速精密轴承技术
在电主轴系统中，主轴轴承技术是关键，主要包括三种，即动静压轴承、角接触球轴承和磁悬浮轴承。其中，动静压轴承是将静压轴承与动压轴承结合起来，集合了两者的优点，其具备良好的高速性能，速度调节的范围大。精密数控机床比较常用角接触球轴承，其发挥主轴支撑作用，对高速性能有一定的影响。出现这种现象的主要原因是由于滚珠为氮化硅材料制作，滚珠在高速作用下会增加离心力，增大陀螺力矩，轴承的高速性能得以充分发挥，减小滚动体的直径。由于轴承的制造成本高，具有非常复杂的控制系统，不容易解决轴承运行中产生的发热问题，所以，只有特殊场合中才会使用。
2.2 高速电主轴的动平衡技术
高速电主轴有较高的运转速度，同时，具有高精度运行、高加工效率的特点，但是，这些特点是建立在动平衡基础上的。电主轴的运行状态会受到诸多因素的影响，诸如制造因素，在主轴安装的过程中产生误差，或者存在材料不均匀的问题，必然会产生运行不平衡的问题。通常电主轴运行的过程中，运转速度最高可以超过 10000r/min，甚至可以达到60000 ～ 100000r/min。当主轴运转的过程中，即便所存在的不平衡非常微小，都有可能影响主轴回转的精度，甚至会影响轴承支承系统运行的稳定性，所以，需要严格要求高速电主轴的动平衡精度。
为了提高主轴的平衡性，在电主轴的设计中，需要采用对称结构，加工装配的时候要提高精确度。当主轴出厂的回收，调整好初始动平衡，提高主轴的平衡性，但是，主轴刀具依然会存在细微的不对称问题，甚至会出现刀具磨损的问题，或者切屑粘刀的问题，原有的动平衡依然会被打破。由于工况复杂，主轴刀具系统会受到干扰，诸如切削力激励、离心力以及热变形等都是重要的影响因素，并因此破坏主轴系统，使其无法保持稳定的稳定的运行状态。要使电主轴处于高速运行状态，确保数控机床高效运行且持续稳定，就需要将在线运行且自动化操作的动平衡系统设计出来，并根据实际应用需要不断完善，更好地发挥其价值。
2.3 高速电主轴的润滑技术
对高速电主轴进行润滑，主要是润滑主轴轴承。这就需要采用科学有效的润滑系统对轴承的温升状况进行控制，确保机床工艺系统运行中提高精度，且保证稳定性。高速电主轴在选择润滑方式的时候，需要对轴承所属类型、运转速度以及负荷等等有关，可以根据需要选择油脂润滑方法、油雾润滑方法或者喷射润滑方法等。
2.4 高速电主轴的冷却技术
电主轴的壳体中安装有电动机的定子，电主轴实施封闭设计，当处于高速运转状态的时候，由于缺乏散热条件，就会出现壳体中过热的问题。电主轴的内部安装有两个热源：第一个热源是电动机运行中会由于损耗而发热；第二个热源是由于轴承运行中产生摩擦而发热。当电机运行的过程中有热量产生，主要发挥散热作用的是主轴壳体，而且部分热量通过主轴向轴承传输，导致轴承快速升温，其寿命必然受到影响，转轴的制造精度受到热伸长的影响，主轴系统运行的稳定可靠性无法保证。冷却电主轴的方法是将循环冷却水套安装在定子与壳体连接的位置，同润滑轴承，使发热量减少，采用合理的润滑方式除了发挥润滑作用，而且还可以起到冷却的效果。
2.5 高速电主轴的主轴电机技术
电主轴所采用的电动机多为交流异步感应电动机，由于永磁电机增强了使用性能，交流永磁同步电动机被广泛应用，所表现出来的优点是，电主轴转子不再散发热量，电主轴不再产生热变形，转子没有损耗，电主轴的运行效率提高，减小了转动惯量，启动和准停的速度加快。当电主轴处于低速运行状态的时候，也能保持良好的性能。
2.6 高速电主轴的精密加工和精密装配技术
当电主轴处于高速运转状态的时候，要保证其刚度以及回转精度，需要对重要的零件精密加工，甚至需要超精密加工，在装配主轴零部件的时候，要提高精密度。在主轴单元中，对工件都需要精密加工，包括壳体的加工、轴承座的加工等等都要有较高的精密度，轴承隔圈会随着主轴高速旋转，对加工精密度也有较高的要求。另外，在高速电主轴上进行加工刀具的装配过程中，需要采用先进的工艺技术，且装配的精密度要符合要求。
2.7 高速电主轴的温度保护技术
在设计高速数控铣床的时候，需要启动冷却系统对主轴进行降温。主轴内部安装有三个轴承，即前端轴承、中间轴承和后端轴承，主轴的运转速度不同，功率不同，将温度传感器安装在轴承附近，就可以对主轴轴承的温度实时监测。温度传感器采集信号的时候需要发挥可编程逻辑控制器的输入模块作用，不同类型的传感器，将信号划分为 4 ～20mA。在设计机床控制程序的时候，需要按照传感器信号将温度计算出来，标定好。实施轴承升温保护的时候，还需要在程序中将门槛限制值设置好，保护好轴承。
3、 结语
通过上面的研究可以明确，在制造机械产品的过程中，应用高速加工技术，很多难题都能够得到解决，而且加工精度高，质量有所保证，所以，该技术在制造业广泛应用，并已经成为主流技术。现在高速电主轴技术发展迅速，各个行业都根据自身的需要对该技术进行深入研究，在提高技术应用效率的同时，还要发挥其节能环保特性，实现智能化发展。
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