劉 麗，李玉龍，王 輝，高蕾娜

（成都大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610106）

數(shù)控機床高速主軸的關(guān)鍵技術(shù)研究

劉 麗，李玉龍，王 輝，高蕾娜

（成都大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610106）

高速加工是以大幅度提高切削速度來達(dá)到提高生產(chǎn)率、加工精度、加工質(zhì)量和降低成本的現(xiàn)代加工方式。高速電主軸是高速加工的基礎(chǔ)，研究高速主軸的軸承材料、動平衡技術(shù)和熱穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)，對高速數(shù)控機床的性能提高有十分重要意義。

高速主軸；高速加工；動平衡；數(shù)控機床

1 數(shù)控機床中的高速主軸

在現(xiàn)代制造技術(shù)中,超高速機床已成為一個不可阻擋的發(fā)展潮流。國外電主軸最早用于內(nèi)圓磨床，在20世紀(jì)80年代中后期，我國廠家已生產(chǎn)高速機床，逐漸將電主軸技術(shù)應(yīng)用于加工中心、數(shù)控銑床等高檔數(shù)控機床。高品質(zhì)的功能配套部件的性能直接影響到主機的整體技術(shù)水平，與數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。因此，研究數(shù)控機床的高速主軸刻不容緩。

高速主軸系統(tǒng)是高精度、高效率、高檔數(shù)控機床的核心功能部件，是航空航天、汽車、船舶、精密模具、精密機械等尖端產(chǎn)品制造領(lǐng)域所需數(shù)控機床的核心部件。文章著重對影響高速主軸的關(guān)鍵技術(shù)進行了討論。

2 高速主軸的結(jié)構(gòu)特點

高速主軸的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、響應(yīng)特性好，剛度越大，工作效率就越高。此外，主軸也要有足夠的靜、動剛度，以承受一定的切削負(fù)荷并保持高的回轉(zhuǎn)精度。電主軸零件外圓表面、內(nèi)孔、螺紋等表面的同軸度，以及端面對軸中心線的垂直度對精度影響很大，要嚴(yán)格控制。

針對高速主軸存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度較大等問題，提出將本來位于細(xì)長主軸分解的單元式主軸結(jié)構(gòu)改進方案。除了簡化結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)用途、結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)等特征形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化產(chǎn)品，供主機選用，來促進機床結(jié)構(gòu)模塊化等結(jié)構(gòu)的改進外，筆者從主軸軸承的材料、主軸的動平衡技術(shù)和熱穩(wěn)定性幾方面進行了討論。

3 高速主軸的關(guān)鍵技術(shù)

（1）高速主軸軸承的材料選擇。高速主軸的材料要耐高溫、耐磨、抗沖擊。國內(nèi)高速主軸主要采用國產(chǎn)的鋼質(zhì)角接觸球軸承，價格較低，壽命短。為了提高軸承的高速性能，采用新型的陶瓷（Si3N4）材料做滾珠的軸承，轉(zhuǎn)速明顯提高。提高軸承高速性能的另一種方法是對軸承的滾道進行涂層，可減小滾道的滾動摩擦，從而減少主軸高速下的摩擦發(fā)熱?，F(xiàn)在，特殊用途的高性能電主軸，部分仍需進口。

（2）高速主軸的動平衡技術(shù)。高速主軸最重要的是運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。主軸工作轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速附近時，由于處于共振區(qū)產(chǎn)生劇烈振動從而失去動平衡。為提高動平衡的效率和精度，國內(nèi)外學(xué)者近年來在低速動平衡和無試重動平衡等方面展開研究。主軸的自動平衡技術(shù)能有效保障機床主軸的平穩(wěn)，運行精確。受復(fù)雜支承形式、加工狀態(tài)、主軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)布局等諸多因素影響，在線平衡裝置主要依靠國外進口，并且價格十分昂貴。在線平衡裝置的價格甚至與主軸持平，動平衡技術(shù)仍有許多值得探索的方面。主軸在線動平衡技術(shù)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在高性能、高可靠性、結(jié)構(gòu)簡單等方面。

（3）熱穩(wěn)定性控制。由于機床各部位的溫升不同，不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，機床各部分材料產(chǎn)生的熱膨脹量也就不同，導(dǎo)致機床床身、主軸和刀架等構(gòu)件產(chǎn)生變形。數(shù)控車床由于受到內(nèi)、外熱源的影響，以及各部件間的熱量不均衡，會產(chǎn)生熱變形。由于數(shù)控系統(tǒng)的超薄型、超小型化，高速電主軸的熱穩(wěn)定性也是需要解決的關(guān)鍵問題之一。由于電主軸將電機集成于主軸組件的結(jié)構(gòu)中，無疑在其結(jié)構(gòu)的內(nèi)部增加了一個熱源。除了電機的發(fā)熱之外，主軸軸承的發(fā)熱也很復(fù)雜。為改善電主軸的熱特性，常采用油氣潤滑系統(tǒng)來冷卻電機。

數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由封閉式開環(huán)溫控模式向開放式實時動態(tài)全閉環(huán)溫控模式發(fā)展。目前大功率伺服電機我國尚未解決，電主軸應(yīng)用還有許多問題待解決。

4 結(jié)語

文章基于高速數(shù)控機床向高速、高精度、大功率方向發(fā)展的現(xiàn)實，分析了數(shù)控高速主軸的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)控車床本身質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響所加工零件、部件和機器的質(zhì)量。采用電主軸結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床，使機床的性能更加完善，可靠性得以進一步提高。

隨著計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外高速主軸向高可靠性、節(jié)能性、高精度、高加工效率、環(huán)保性、智能化等方面發(fā)展。各生產(chǎn)廠商正在進行持續(xù)的科技攻關(guān)，以期占領(lǐng)電主軸技術(shù)發(fā)展的制高點。

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成都大學(xué)人才引進資助項目（編號：1702068）。

劉麗（1971-），女，山東聊城人，副教授，主要研究方向：數(shù)控加工、綠色再制造及人工智能技術(shù)等。