电主轴设计的一些要点

电主轴,石超杰2015.04.03,1,电主轴简介电主轴的关键技术一些电主轴产品电主轴的发展趋势,关于电主轴,2,电主轴简介1.1高速主轴1.2电主轴的特点1.3电主轴的发展与现状,关于电主轴,3,1.电主轴简介,1.1高速主轴主轴是加工设备的主要部件，夹持着各种不同的工具、刀具，完成产品的加工任务。随着加工要求的提高，现代机床主轴已发展为一个独立的单元，伴随着轴承和电子元件的进步，主轴的转速、输出功率以及精度都有极大提高。高速主轴常是指值在1106以上的主轴，值是指主轴轴承的平均直径与主轴的极限转速的乘积。现代高速主轴可分为机械主轴和电主轴两大类。机械主轴有外接电机，通过皮带、齿轮传动或直接连在主轴后面，带动主轴高速旋转。电主轴是电机直接安装在主轴前后轴承的中间或主轴的尾部，主轴本身就是电机的转子。,4,1.电主轴简介,（1）主轴由内装式电机直接驱动，省去皮带、齿轮、联轴节等变速和传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高的特点。（2）采用交流变频调速技术，输出功率大、调速范围广，有比较理想的转矩-功率特性，一次装夹即可实现粗加工（低速大转矩）又可进行高速精加工。（3）实现了主轴部件的单元化，可由专业厂进行系列化生产，可方便地组成各种性能的高速机床，符合现代机床设计模块化的发展方向。,1.2电主轴的特点电主轴取消了从电机到主轴之间一切机械传动的中间环节，如皮带、齿轮、联轴器，实现了主电机与机床主轴的一体化。主要具有以下特点：,5,1.电主轴简介,1.3电主轴的发展与现状早在20世纪50年代，就已出现了用于磨削小孔的高频电主轴。当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。20世纪80年代末90年代初，随着功能电子器件的发、微电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频器和矢量控制驱动器，加之陶瓷球混合轴承的出现，最终出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴。到21世纪初，国内外专业的电主轴制造厂已可供应几百种规格的电主轴。其套筒直径从32mm到320mm、转速从10000rpm到150000rpm、功率从0.5kW到80kW、转矩从0.1Nm到300Nm不等。国际上公认的电主轴领军厂商是瑞士的IBAG公司，提供功率范围从0.1kW到40kW，转速范围从12000rpm到120000rpm，直径范围从30mm到130mm的电主轴产品及相应的定制产品。国内的洛阳轴研科技股份有限公司在电主轴的研发、生产上也有很高的成就，目前已经具备超过200种电主轴的生产能力，其功率从0.4kW到33kW，转速范围从3000rpm到150000rpm。,6,2.电主轴的关键技术2.1高速精密轴承技术2.2动平衡技术2.3润滑技术2.4冷却技术2.5主轴电机技术2.6精密加工和精密装配的技术,关于电主轴,7,2.电主轴的关键技术,2.1高速精密轴承技术主轴轴承技术是电主轴系统的一项关键技术。目前，国内外高速电主轴多采用角接触球轴承、动静压轴承及磁悬浮轴承等。动静压轴承是一种综合了动压轴承和静压轴承优点的新型多油楔油膜轴承，有很好的高速性能，而且高速范围宽。角接触球轴承是精密数控主轴支承，影响其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，为了提高轴承的高速性能，常采用减小滚动体直径和改用氮化硅陶瓷材料制造滚珠的方法。磁悬浮轴承造价高、控制系统复杂，发热问题不易解决，因而通常只用于特殊场合。,8,2.电主轴的关键技术,2.1高速精密轴承技术（1）陶瓷球轴承（34）,氮化硅材料的密度只有钢的41%，在高速运转时可大幅降低滚珠受到的离心力，从而减小滚珠对轴承外圈的压力，利于实现高速性能；氮化硅陶瓷的热膨胀系数只有轴承钢的1/4，许用工作温度达到1000，即使在较大温度变化范围内，滚道间隙的变化也很小，特别适用于高速发热转子。陶瓷的弹性模量是轴承钢的1.5倍，硬度是轴承钢的2倍多，相同负荷下，陶瓷球的形变较小，因而可以显著提高轴承的刚度，从而提高转子-轴承系统的动态性能。,9,2.电主轴的关键技术,2.1高速精密轴承技术（2）磁悬浮轴承,根据悬浮力是否可以主动控制，磁悬浮轴承可划分为两种类型：被动型磁悬浮轴承主要利用磁性材料之间固有的斥力或吸力来实现转轴的悬浮，结构简单，功率损耗少，但阻尼与刚度也相对较小，通常在负载较小，对位移控制精度要求不高的场合采用被动型磁悬浮轴承。主动型磁悬浮轴承主要是通过主动控制定、转子之间的磁场力来实现转轴的稳定悬浮，其工作原理为：控制器根据转轴的位移信号来实时控制定子电磁铁中电流的大小与方向，使转轴稳定悬浮于某一位置。,10,2.电主轴的关键技术,2.2动平衡技术高速电主轴具有转速高、运行精度高、加工效率高的特点。转速和精度的提高是以高精度动平衡为前提的，但对于电主轴而言，由于制造、安装误差以及材料不均匀等因素的影响，不平衡现象不可避免。电主轴的最高转速一般在10000rpm以上，有的高达100000rpm，主轴运转部分微小的不平衡都可能导致主轴回转精度的严重丧失乃至轴承支承系统的失稳。因此高速电主轴的动平衡精度应严格要求，一般应达ISO标准G4.0级以上（在最高转速时不平衡引起的振动最大速度不能高于0.4mm/s）。为减少主轴的不平衡，在设计时应尽量采用对称的结构，在加工装配过程中尽量减小误差，并且主轴出厂时会进行初始动平衡调整以减小主轴失衡量。即使如此，在使用过程中由于主轴刀具微小的不对称，以及刀具的磨损或切屑的粘刀仍然会破坏原有的动平衡。另外，主轴刀具系统受切削力激励、热变形、离心力等复杂工况的干扰，也会破坏主轴的动平衡，从而使调速机床主轴系统的稳定性被破坏。因此，为了充分发挥高速电主轴的效能，保障机床的长期稳定和高效运行，应设计专门的在线自动动平衡系统。,11,2.电主轴的关键技术,2.3润滑技术高速电主轴的润滑主要是指主轴轴承的润滑，轴承必须采用合理的、可控制的润滑系统来控制轴承的温升，以保证机床工艺系统的精度和稳定性。高速电主轴的润滑方式的选择与轴承的转速、负荷、容许温升及轴承类型有关，可采用油脂润滑、油雾润滑、油气润滑、喷射润滑以及环下润滑等方式。（1）油脂润滑脂润滑形式不需要特别的设备和维护，是一次性永久润滑，用于值较低的电主轴。采用脂润滑形式要必须使用主轴轴承专用润滑脂，其使用寿命能达到4000小时以上，且中间不需要补充，也不需要专门设计加脂孔，采用这种润滑形式的可以简化电主轴结构，且使用方便，对环境污染小，但主轴温升较高，轴承的最高允许工作转速较低。,12,2.电主轴的关键技术,2.3润滑技术（2）油雾润滑这种润滑方式利用压缩空气把经过油雾发生器的油液雾化后和压缩空气混合，经管路输送到需润滑的部位。油雾润滑的优点是：喷口直接对准内轴承滚道和滚动体钢球，有较好的润滑效果；持续不断的提供油雾混合压缩空气，可以迅速带走电主轴轴承旋转时产生的热量，使轴承有稳定的温度；连续不断的供油，不存在油质老化的问题，保证了润滑油的质量；主轴内部的压缩空气可以形成压力环境，内部环境压力比外部的高，可以有效阻止外部杂质和尘埃的进入。油雾润滑可以持续进行，且设备简单，制造成本低，维修方便，可以有效保证高速电主轴稳定的工作。油雾润滑的主要缺点是：供油量不能精确控制，回收困难，油耗比较高，多余的油雾混合压缩空气会排放入工作环境中造成污染环境，损害工人健康。油雾润滑由于有以上缺点，在国外专业电主轴公司已不向用户提供油雾润滑装置，将被其它新型润滑方式逐渐替代。,13,2.电主轴的关键技术,2.3润滑技术（3）油气润滑油气润滑是一种较为理想的高速电主轴的润滑方式，其值可达1.9106。它根据实际润滑需要将少量的润滑油不经过雾化直接用压缩空气连续不断地利用分配阀定时、定量、均匀的输送到需润滑部位。油气在润滑过程中处于相互分离的状态，润滑油具有润滑作用，压缩空气为润滑油运动提供动力，并能冷却轴承和清洁轴承内部杂质。定时、定量的供油能够保证需润滑部位不缺润滑油，还不会因润滑油量过大产生阻力引起温升，并且将油雾污染程度降至最低。油气润滑可以有效降低轴承的温升。试验表明，相同转速、型号、工况条件下的主轴轴承，采用油气润滑和油雾润滑相比，轴承的外圈温度可以降低916。油气润滑装置一般由专业的电主轴公司设计制造，用户选购电主轴公司的产品后，根据实际情况的需要，可选定含某种特别添加剂的油，设定不同的定时、定量值，最后由电主轴公司成套供应给用户。,14,2.电主轴的关键技术,2.4冷却技术电主轴的结构特点是电动机的定子直接安装在壳体内，由于电主轴相对封闭，其高速运转时自然散热条件较差。电主轴内部有两个主要的热源：电动机损耗发热和轴承摩擦发热。电机产生的热量主要通过主轴壳体进行散热，且有相当一部分会通过主轴传到轴承上，加剧轴承的温升，影响其使用寿命，同时造成转轴热的伸长，影响制造精度，从而影响主轴系统的可靠性。电主轴主要冷却措施是在电机定子与壳体连接处设计循环冷却水套，同时轴承合理的润滑方式也可减小发热量，如油气润滑方式对轴承不但具有润滑作用，还具有一定的冷却作用。比较有效的冷却方式是在主轴套筒外设计连续的水冷却环槽，让冷却液先流经主轴套筒上的螺旋冷却环槽，然后再喷出到刀具刀尖，这种方式可以有效的减少系统热能向机床主轴传导，带走轴承产生的绝大部分热量。对于有些要求较高的单元式结构主轴，机床可将主轴水冷却和切削液分为两个不同的系统。,15,2.电主轴的关键技术,2.4冷却技术高速电主轴一般采用水冷、气冷或油水热交换循环的方式进行冷却。为了提高散热效果，越来越多的电主轴采用油水热交换循环的方式对内置电机定子强制冷却，同时这种冷却方式也可以对高速主轴轴承强制冷却。高速电主轴的油水热交换循环冷却系统，对电机定子使用连续、大流量的冷却油循环冷却，冷却油先注入主轴壳体上的入口油，经过开有螺旋冷却槽的定子冷却套，可带走电机定子产生的绝大部分热量，冷却油再从定子冷却套的出油口流出，然后通过逆流式冷却交换器，经过冷却水的热交换冷却，降低热油的温度后，流回冷却油箱，再一次通过压力泵增加压力输入到入油口，实现循环冷却。,16,2.电主轴的关键技术,2.5主轴电机技术主轴电机的性能决定了主轴的最大功率和力矩，以及电主轴的性能。合理选择电机类型，设计电机的电磁参数，使电机单位体积下的功率密度更高、体积和转动惯量相对更小具有重要意义。电主轴的电动机多采用交流异步感应电动机（制造工艺相对成熟、结构简单、易于实现驱动系统高速化，但缺点是低速性能不好、转子发热严重、温度对转子参数影响大、很难实现精密控制）。随着永磁电机性能的不断增强，越来越多的电主轴采用交流永磁同步电机。与采用异步电动机的电主轴相比，同步电主轴的优点主要表现在：转子原则上不发热，减少了电主轴的热变形；转子无损耗，电主轴的功率密度进一步增大，工作效率高；转动惯量小，易于快速启动和准停；低速性能好，易于实现精密控制。,17,2.电主轴的关键技术,2.5主轴电机技术永磁同步型电主轴电机运行时存在着不同程度的转矩脉动，当转矩脉动较大时，会严重影响力矩特性的平稳性和主轴系统的控制精度，导致零件加工表面质量下降，加工效率降低，特别是在大负载切削加工和精密磨削等场合，力矩的平稳性尤为重要，因此抑制永磁同步电动机的脉动转矩对于提升永磁同步电主轴性能十分关键。永磁同步电动机的脉动转矩主要由两类组成：一是由逆变器产生的谐波电流引起的谐波转矩；二是由永磁体和有槽电枢相互作用产生的齿槽转矩。改变永磁磁极参数、改变电枢参数、选取定子槽数和磁极极数的合理组合是常用的抑制齿槽转矩的方法。改变磁极参数的方法：改变磁极极弧系数、采用不等厚永磁体、磁极偏移、斜极和不等极弧系数组合等。改变电枢参数方法：改变槽口宽度、改变齿的形状、不等槽口宽、斜槽和开辅助槽等。合理选择定子槽数和磁极极数配合：改变对齿槽转矩起主要作用的和的傅里叶变化系数的次数和大小，从而削弱齿槽转矩。（(,)=201(2212)=12sin12sin(+12)）,18,2.电主轴的关键技术,2.6精密加工和精密装配的技术为了保证电主轴在高速运转时的回转精度和刚度，其关键零件必须进行精密或超精密加工，并对主轴单元的零部件进行精密装配。主轴单元中需要进行精密加工的工件包括主轴、壳体、前后轴承座以及随主轴高速旋转的轴承隔圈和定位过盈套等。主轴单元的精密装配包括主轴与电动机转子、主轴与前后轴承、主轴与轴承隔圈和定位过盈套、主轴与刀具、轴系与轴承座、轴承座与壳体等。此外，高速电主轴上加工刀具的装配也是精密装配工艺需要考虑的因素。,19,3.一些电主轴产品3.1瑞士IBAG公司3.2洛阳轴研科技股份有限公司3.3广州市昊志机电股份有限公司3.4当前国内外电主轴产品的差距,关于电主轴,20,3.一些电主轴产品,3.1瑞士IBAG公司瑞士IBAG公司在高速电主轴的制造研发方面已有超过30年的历史，IBAG是高速切削的专家，IBAG的电主轴以高转速、配合机床高进给加工各种材料，生产效率可大幅提高。IBAG可以提供超过500种电主轴产品，其功率从0.1kW到80kW、电主轴外径从16mm到300mm、最大转速达到170000rpm、提供最大扭矩达到320Nm，提供包括电磁轴承、陶瓷球轴承在内的多种轴承方案，润滑方式主要是油气冷却，主轴电机主要是异步感应电机。S1：在恒定负载下的运行时间足以达到热稳定。S6：连续周期工作制：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段空载运行时间。,21,3.一些电主轴产品,3.2洛阳轴研科技股份有限公司（ZYS）洛阳轴研科技股份有限公司是由原洛阳轴承研究所作为主发起人发起设立的股份制企业，是中国机械工业集团有限公司所属的控股上市公司。ZYS在国内火箭、卫星、飞船用轴承市场占有接近100%份额，曾完成从神舟一号到神舟五号飞船的轴承配套任务，并为神六提供7大部分22种轴承，公司其他高端产品精密机床轴承、陶瓷轴承和数控电主轴也处于国内领先技术水平。该公司提供功率0.4kW到33kW、转速3000rpm到150000rpm的200多种电主轴产品。轴承主要为陶瓷或钢珠球轴承，润滑方式有油脂、油雾、油气，主轴电机为感应电机，提供最大扭矩为200Nm。,22,3.一些电主轴产品,3.3广州市昊志机电股份有限公司（DK）广州市昊志机电股份有限公司成立于2006年，是一家专业从事研发、制造、销售、维修高速电主轴及零部件的环保、高科技型企业，为国家高新技术企业。公司生产近70种电主轴，功率从0.4kW到30kW，转速从3000rpm到100000rpm，能提供的最大扭矩为70Nm。,23,3.一些电主轴产品,3.4当前国内外电主轴产品的差距（1）低速大转矩方面，国内产品目前的最大转矩在200Nm左右，国际上先进的技术早已实现了300Nm，其中德国的CYTEC可以达到600Nm、德国的GMN可以达到1250Nm，国内水平目前还有较大差距。（2）润滑技术方面，国内高速电主轴的润滑方式还普遍存在油脂、油雾等方式，而国外更多采用油气润滑技术。（3）支承技术方面，国内的电磁轴承等更为先进的非接触式轴承技术仍在实验室研究阶段，而国外已经出现了磁悬浮轴承的产品。（4）电主轴功率方面，德国的GMN公司已经研制出了150kW的电主轴，而国内现在普遍的电主轴功率都还在30kW以下。（5）主轴电机的形式方面，瑞士的Fisher公司已经研制了永磁同步电机式电主轴，其最大功率为20kW、最大扭矩450Nm、主轴转速为60000rpm。,24,4.电主轴的发展趋势（1）大功率、低速大转矩现代数控机床需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时的精加工的要求，因此机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。高速电主轴的大功率化已经是国际机床产业发展的一个方向。近年大功率半导体器件有了飞跃性发展，已经完全可以满足现有的电主轴应用场合所要求的功率等级，这为高速电主轴大功率化奠定了基础。德国GMN公司生产的电主轴可以做到低速粗加工时切削力达到1250Nm，高速切削时精加工最大输出功率可达150kW。,关于电主轴,25,4.电主轴的发展趋势（2）内装主轴电机形式和控制方式多样化主轴电机方面：目前国内外主轴电机最常见的是感应电机，但由于结构和特性的限制，运行状态改变时导致电机很难运行在最佳效率点，功率因数低、效率低。虽然采用变频调速、矢量控制、功率因数补偿等技术改善了电机系统的效率，但由于感应电机的工作原理决定其运行效率的提高是有限的，特别是在位置和速度要求非常高的高精度调速电主轴系统中应用，有时很难满足系统要求，因此选用转动惯量小、转矩密度高、控制精度高的永磁电机代替感应电动机也将是电主轴发展的一个重要方向。在主轴电机控制方面：矢量控制已经被大多数高速电主轴生产厂家所采用，针对感应电机采用自适应控制、直接转矩控制、定子优化控制等措施不断提高感应电机在电主轴的应用性能。对于永磁电机在低速粗加工时的重切削多采用恒转矩控制方式，高速精加工时采用恒功率控制，在扩大永磁电机弱磁区域的同时提高稳定性也将成为高速电主轴研究的方向。,关于电主轴,26,4.电主轴的发展趋势（3）非接触形式轴承支承采用传统轴承支承的电主轴由于受轴承耐久性、稳定性、发热等因素的影响，主要用于加工铝材、精加工钢材等轻载切削。而非接触式轴承（磁浮轴承、气浮轴承、液浮轴承等）的出现使主轴实现大功率、高转速成为可能。相比于传统轴承，非接触式的磁悬浮轴承有如下优势：a.磨损小，不需要机械维护，容易实现超高速旋转，振动轻微，转矩损失小，工作无噪声。b.可在蒸汽、高温、低温、真空、腐蚀性气体特殊环境中工作。c.无需润滑，省掉了润滑系统部件，结构更简单，便于合理化设计。d.可以实现自动平衡，实现无振动运行，惯性轴作为转子的