浅谈高速加工主轴单元制造技术

XX大学12 ～13学年冬季学期研究生课程考试（小论文）课程名称：制造工艺及刀具课程编号：09SAS9013 论文题目: 浅谈高速加工主轴单元制造技术研究生姓名: 学号:论文评语:成绩: 任课教师:评阅日期:浅谈高速加工主轴单元制造技术摘要：高速高效加工是近年来迅速发展起来的集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术，是机械加工技术的重要发展方向。

本文简要概述了高速电主轴的结构特点和原理，在次基础上介绍了电主轴的一些轴承技术。

此外，本文还对高速加工电主轴的热态特性进行了分析研究，详细论述了电主轴内部两大热源的生成机理以及电主轴单元的散热机理。

最后，对我国未来高速加工技术的发展提出展望。

关键词：高速高效加工；电主轴；热态特性High Speed Machining Manufacturing Technology For Spindle UnitAbstract：High-speed and efficient processing is an advanced manufacturing process technology which leads to high-efficiency,high-quality and low energy consumption developing rapidly in recent years. This paper provides a brief overview of the high-speed motorized spindle structure characteristics and principle, based which some electric spindle bearing technologies are introduced. Besides in this paper, we also investigated by theoretical analysis in details the thermal properties of the motorized spindle,heat generate mechanisms and internal heat dissipation mechanisms.In the end,the development of high-speed machining technology are proposed. Keywords：high-speed and efficient processing；motorized spindle；thermal properties前言高速高效加工的主要目的就是提高生产效率、加工质量和降低成本，它包括高速切削加工、高进给切削加工、大余量切削和高效复合切削加工、高速与超高速磨削、高效深切磨削、快速点磨削和缓进给深切磨削等[1-2]。

20 世纪 30 年代，德国 Carl.J. Sa lemon 博士提出高速切削的概念，直到20 世纪 80 年代才走出实验室[3]，各工业发达国家相继投入了大量人力和财力进行高速切削技术方面研究，使此技术得以迅速发展。

从此，高速切削技术成为了现代数控加工技术的重要发展方向之一。

高速切削加工的巨大吸引力在于实现高速切削的同时，保证了加工的高精度。

高速加工是制造业史上继数控加工之后的又一项重大创新，促进和带动了一系列相关技术的发展，如高速电主轴、直线进给直接驱动、高性能数控、高动态机床结构和高速切削刀具系统等。

高速机床是实现高速加工的前提和基础条件[4]。

目前，工业发达国家都把生产高速机床作为其重要的发展目标，高速机床的生产能力和技术水平已经成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志。

高速机床加工已在航空、航天、汽车以及超精密微细加工领域获得了广泛应用。

电主轴是高速机床的核心部件，其性能决定着高速机床的性能。

1 高速电主轴概述1.1 电主轴的结构特点区别以往使用皮带或齿轮等的变速机构，高速电主轴单元在结构上大多采用了变频电机直接驱动的集成化结构，这种集成化的主轴构成方式分两种：一种是传统的运用联轴器将电机和主轴连接在一起；另外一种是将电机转子和机床主轴做成一个整体，即将无壳电机的转子与机床主轴用过盈套以压配合的方式装在一起，并将带有冷却水套的电机定子安装在主轴单元的壳体中，成为了集成式的内置电机主轴。

这种结构形式将电机与机床主轴合二为一，实现了电机与机床主轴间的“零传动”。

这种结构特点克服了传统主轴系统在高速下会产生打滑、出现振动、增加转动惯量等缺陷，具有结构紧凑、质量轻、惯性小和动态性能好等一些优点，并且简化了机床的外形设计，利于实现主轴的定位和转速的提高，在高速加工机床上得到了广泛的应用。

高速电主轴按照所适用的机床不同可分为以下几种：切削电主轴、磨削电主轴、铣削电主轴和加工中心用电主轴等。

典型的电主轴外形如图 1 所示。

图1 电主轴外形图1.2 电主轴的结构原理由电主轴的结构特点知，主轴由定子传递的电磁转矩直接驱动，取消了普通机床主轴所具有的中间传递环节。

这种简单紧凑的结构设计可以提高主轴的转速，增加主轴运行平稳性，有效控制主轴的回转精度。

但这种结构也会对整个主轴系统造成不利的影响，因为在主轴高速旋转的同时，其支承的轴承内部滚动体与内外圈和润滑油急剧摩擦（负荷摩擦、黏性摩擦、自旋摩擦等），会产生大量的摩擦热；另外，内置电机定子和转子也会产生各种电磁损耗（定子铜耗、定子铁耗、转子铜耗等），产生大量的电磁热；由于高速电主轴特殊的紧凑结构，使其产生的大量的摩擦热和电磁热难以得到有效的散失，可能造成电主轴系统热膨胀，影响主轴的回转精度等，进而会对电主轴的结构和性能造成影响。

因此有必要对电主轴进行有效的结构设计，通常做法是在内置电机定子外壳设计冷却螺旋水套，在轴承座上设置冷却水套等；另外，还要对轴承保证有合理有效的润滑方式，以尽快吸收整个主轴系统所产生的热量，进一步改善电主轴的热态性能。

电主轴的结构原理如图 2 所示。

1.前轴承2.定子3.冷却水套4.壳体5.出水管6.进气管7.主轴 8.转子 9.进水管 10.后轴承图2 电主轴结构示意图目前，高速电主轴大多采用内置异步式交流感应电动机。

可由加工对象来确定电主轴的电机驱动形式。

永磁同步电动机有很好的动态响应性，并且转矩密度高，转动惯量小，但永磁同步电动机有弱磁现象，而且很难提高主轴电机功率，制造永磁同步电机的主要材料稀土成本过高。

异步型电电动机结构较简单，有较成熟的制造工艺，可以更大程度地减弱磁场对电极的影响，易于实现高速化。

虽然其直接转矩或矢量控制方式的计算数据量大，但随着计算机技术和现代控制理论算法的不断发展，已经能够实现快速、精确地计算和控制。

2 高速电主轴轴承技术主轴轴承的支承技术是高速电主轴关键技术之一，轴承的预紧、布置及润滑方式等与电主轴的转速、寿命和负载能力有很大的关系。

较常采用的支承形式有：陶瓷轴承、液体静压轴承、液体动压轴承、液体动静压混合轴承、气体轴承和磁悬浮轴承等。

2.1 陶瓷轴承相比普通的钢材料，陶瓷材料有着优良的化学、物理和机械性能，使之在高负荷高温机械零件中有着越来越广泛的应用。

因普通的钢质轴承极限转速的限制，较高转速的高速电主轴中较多采用陶瓷轴承，随着陶瓷轴承的应用，可以使高速电主轴的性能得到充分发挥，也为电主轴的发展提供了广阔的空间。

陶瓷轴承具有耐高温、耐磨、高转速等特性，可广泛应用于航空、航天、化工、汽车、冶金、医疗器械、科研和国防军事等领域，是新材料应用的一种高科技产品。

陶瓷轴承的套圈及滚动体采用全陶瓷材料，有氧化锆（ZrO2）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）三种。

陶瓷轴承按用途分类，有高速轴承、耐高温轴承、耐腐蚀轴承、防磁轴承、电绝缘轴承和真空轴承。

高速轴承有耐寒性、抗压力大、摩擦系数小等优点，应用于 12000 转/分-75000 转/分的高速主轴及其它高精度设备中；耐高温轴承可应用在炉窑等高温设备中；耐腐蚀轴承具有耐腐蚀的特性，可应用在强酸、强碱、海水等领域；防磁轴承因无磁不吸粉尘，可减少轴承提前剥落、噪声大等，可用于退磁设备、精密仪器等领域；电绝缘轴承可用在各种要求绝缘的电力设备中；真空轴承可克服在超真空环境中，普通轴承无法实现的润滑难题。

随着加工技术的不断进步，工艺水平的日益提高，陶瓷轴承的成本不断下降，已经逐步应用到国民经济各个工业领域，与钢质轴承相比，陶瓷轴承具有以下优点：a．耐腐蚀。

由于陶瓷几乎不怕腐蚀，所以陶瓷滚动轴承适宜于在布满腐蚀性介质的恶劣条件下作业。

b．质量轻。

由于陶瓷密度为 3.218×103kg/m3，相当于钢的 40 %，因此转动时可降低对外圈的离心作用，进而使用寿命大大延长。

c．弹性模量高 E= 3 .22×109GPa。

由于陶瓷的弹性模量比钢高，受力时不易变形，因此有利于提高工作速度，并达到较高的精度。

d．硬度高。

陶瓷硬度为轴承钢的 2.3 倍，可以减少磨损，提高轴承的疲劳寿命、抗粘结能力。

2.2 液体静压与动压轴承按照油膜压强的产生方式，可以分为液体静压和液体动压两种轴承。

液体静压轴承[5]是通过专门的供油装置，利用节流器将具有一定压力的油输送到机构中，使油腔内形成不可压缩的油层来承载外加载荷。

在轴承内圆柱面内等间隔地开几个带有回油槽的油腔，输入轴承的的油一部分通过轴承两端轴向回油到油箱，一部分通过回油槽径向回油到油箱。

液体静压轴承具有定位精度高、径向刚度好等优点，使用转速范围较宽，因此有着广泛的应用。

液体动压轴承是靠液体润滑剂动压力形成的液膜隔开两摩擦表面并承受载荷的滑动轴承[6]。

液体润滑剂是被两摩擦面的相对运动带入两摩擦面之间的。

产生液体动压力的条件是：①两摩擦面有足够的相对运动速度；②润滑剂有适当的粘度；③两表面间的间隙是收敛的。

液体动压轴承有结构简单、噪声小、运转平稳、抗阻尼性好等优点；但其在高速转动过程中，因油层间相互摩擦会产生大量的热，从而容易造成轴承的失效。

2.3 液体静动压混合轴承[7]液体动静压混合轴承作为一种新型的多油楔油膜轴承，既综合了液体动压和静压轴承的优点，又克服了两者的缺点。

它运用静压轴承的节流原理，使压力油腔中产生足够大的静压轴承载力，从而克服了液体动压轴承启动和停止时出现的干摩擦造成主轴与轴承磨损现象，提高了主轴和轴承的使用寿命及精度保持性；轴承油腔大多采用浅腔结构，在主轴启动后，依靠浅腔阶梯效应形成的动压承载力和静压承载力叠加，大大地提高了主轴承载能力，而多腔对置结构又极大地增加了主轴刚度；高压油膜的均化作用和良好的抗振性能,保证了主轴具有很高旋转精度和运转平稳性。

2.4 气体轴承[8]气体轴承是采用气体作润滑剂的滑动轴承，最常用的气体润滑剂为空气。