申曉龍， 楚雪平

（1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南長沙 410208； 2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南鄭州 450018）

0 引言

現(xiàn)代數(shù)控高速加工技術(shù)可以解決機(jī)械產(chǎn)品制造和零件生產(chǎn)中的諸多難題，高性能高轉(zhuǎn)速主軸單元是數(shù)控加工中心機(jī)床的核心功能部件，對零件的加工精度及機(jī)床的加工效率有著極其重要的影響。目前我國國內(nèi)研制的加工中心機(jī)床主軸存在的主要問題是很難同時實現(xiàn)微細(xì)切削刀具的高精密回轉(zhuǎn)與高轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)以及刀具的自由更換。

如何基于渦輪式高轉(zhuǎn)速高精密數(shù)控加工中心主軸單元的原理和結(jié)構(gòu)方案， 實現(xiàn)微細(xì)切削刀具高精密回轉(zhuǎn)與高轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)及可自由更換。 怎樣實現(xiàn)對高精密高速靜壓氣體軸承氣體潤滑機(jī)理、 高轉(zhuǎn)速渦輪氣體動力學(xué)及流動控制、 實現(xiàn)微細(xì)切削刀具高精密和高轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)以及自由更換關(guān)鍵等問題技術(shù)系統(tǒng)深入的研究成為現(xiàn)代高速加工技術(shù)要解決的諸多難題之一。

1 研究現(xiàn)狀分析

通常傳統(tǒng)的高速主軸轉(zhuǎn)速在提高的同時，其跳動誤差也會不斷增大，現(xiàn)代高精密高轉(zhuǎn)速空氣軸承其主軸的低跳動誤差控制，通常是采用通過實現(xiàn)限制主軸的轉(zhuǎn)速來獲取得到的。而目前國內(nèi)外研發(fā)的高轉(zhuǎn)速數(shù)控加工中心機(jī)床的微主軸單元中，基本上是通過將微主軸與刀具合制成一個整體，或者利用彈簧夾頭將刀具直接裝夾到機(jī)床的微主軸中來實現(xiàn)。

將微主軸與刀具合制成一體的主要缺點有：在不考慮使用夾具的裝夾誤差的前提下， 數(shù)控中心主軸的制造誤差、安裝誤差、高轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)時的跳動誤差等是仍然會直接傳遞到刀具上，而且在刀具磨損時，其微主軸必須與刀具同時更換，這在實際應(yīng)用時是很麻煩和不現(xiàn)實的。 在美國精密公司（Precise Corp.）研制的空氣軸承主軸帶有1/8 英寸的夾頭， 通過利用彈簧夾頭將刀具直接裝夾到機(jī)床的微主軸中的主要缺點有：會增加刀具的裝夾誤差，并且機(jī)床微主軸的制造誤差、 安裝誤差尤其是在高轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)時的跳動誤差等這些問題會直接傳遞到主軸的刀具上，從而大大降低了機(jī)床刀具的回轉(zhuǎn)精度要求。 見圖1。

圖1 數(shù)控中心電主軸結(jié)構(gòu)示意圖

中小數(shù)控中心機(jī)床中的微主軸單元按照其動力源及驅(qū)動方式，主要可以分為有以下幾種型式：①微電主軸：微電主軸可以傳遞較大的功率和扭矩， 但是由于受散熱條件限制，通常其最高轉(zhuǎn)速一般在150000rpm 以下，個別可以達(dá)到250000rpm；②水流驅(qū)動：雖然沒有微電主軸的發(fā)熱問題，但其轉(zhuǎn)速較低，如日本Yohichi Nakao 等人研發(fā)的通過采用水流驅(qū)動、支承和冷卻用的微主軸；③電機(jī)帶摩擦輪驅(qū)動：采用大傳動比可以獲得較高的轉(zhuǎn)速，但由于其體積較大，安裝使用起來不太方便，如Florida 大學(xué)研制的用于微銑加工的高速微主軸單元；④氣流驅(qū)動：沒有通常微電主軸的發(fā)熱問題， 并且其轉(zhuǎn)速高， 如美國Northwestern 大學(xué)研制氣流驅(qū)動及支承渦輪式微主軸，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)400000rpm，徑向跳動只有3.1μm 左右，另如德國Kaiserslautern 大學(xué)研制的微主軸采用渦輪驅(qū)動，轉(zhuǎn)子帶動刀柄，采用氣體軸承支承作為徑向支撐，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)400000rpm，并可應(yīng)用于微小磨床。

以上分析可見， 渦輪式微主軸由于采用氣流驅(qū)動和支承，它的氣流溫升小、摩擦系數(shù)低、流速高，從而極大地降低了軸承的摩擦損耗，因此可以達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速。通過理論上分析可以看出渦輪式微主軸是能夠滿足高速微細(xì)切削加工要求的[1]，它定會成為未來中小數(shù)控中心機(jī)床微主軸的重要發(fā)展方向和趨勢。

2 數(shù)控中心電主軸及刀具接口技術(shù)

2.1 數(shù)控中心機(jī)床電主軸

數(shù)控中心機(jī)床電主軸是將機(jī)床主軸與主軸電動機(jī)“合二為一”傳動結(jié)構(gòu)型式的新技術(shù)，它是將主軸電動機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子等直接裝入主軸組件單元內(nèi)部，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子也即成為主軸的旋轉(zhuǎn)部分， 由于取消了一般機(jī)床主軸中的齒輪變速箱傳動與電動機(jī)的連接， 機(jī)床主傳動鏈的長度縮短為零實現(xiàn)了主軸系統(tǒng)的一體化“零傳動”。 因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、動態(tài)特性好、慣性小、重量輕等優(yōu)點，并可改善數(shù)控中心機(jī)床的動平衡，避免振動和噪聲，在超高速切削機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

理論上，電主軸是一臺高速電動機(jī)，電主軸的驅(qū)動一般是使用矢量控制的變頻技術(shù)，通常內(nèi)置一脈沖編碼器來實現(xiàn)廂位控制及保證其與進(jìn)給的準(zhǔn)確配合[3]。由于電主軸的工作轉(zhuǎn)速極高，對其散熱、潤滑、動平衡等提出了很高的要求，才能確保電主軸實現(xiàn)精密加工和高速平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。 電主軸是一套組件，它包括有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(nèi)置編碼器、換刀裝置等[4]。 通常電主軸所融合的技術(shù)包括以下幾種：

（1）高速軸承技術(shù)：電主軸通常大多采用復(fù)合陶瓷軸承，因耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的數(shù)倍；有時也有采用靜壓軸承或電磁懸浮軸承。

（2）高速電機(jī)技術(shù)：電主軸的旋轉(zhuǎn)部分就是電動機(jī)的轉(zhuǎn)子，它是將電主軸看作一臺高速電動機(jī)，其開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動平衡問題。

（3）冷卻和潤滑裝置：為了能給電主軸高速運行時進(jìn)行散熱， 一般采取在電主軸的外壁上通以循環(huán)冷卻劑的辦法， 其冷卻裝置作用就是盡可能保持冷卻劑的溫度[5]。電主軸的潤滑通常采用的是定量定時油氣潤滑方式，油氣潤滑是指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。

（4）內(nèi)置脈沖編碼器：為實現(xiàn)剛性攻螺紋以及自動換刀功能，在電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，可以準(zhǔn)確地實現(xiàn)主軸進(jìn)給以及與相角控制的配合運動。

（5）高頻變頻裝置：為實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的平穩(wěn)高轉(zhuǎn)速， 必須采用一種高頻變頻裝置來驅(qū)動電主軸的內(nèi)置高速電機(jī)，它可以將主軸電動機(jī)，變頻器的輸出頻率調(diào)整到可達(dá)到上千或幾千Hz 以上[8]。

（6）自動換刀裝置：數(shù)控中心機(jī)床電主軸配備了自動換刀裝置，包括拉刀油缸、碟形簧等；高速刀具的裝卡方

圖2 油氣潤滑系統(tǒng)示意圖

式中出現(xiàn)了SKI、HSK 等高速刀具產(chǎn)品。

影響電主軸回轉(zhuǎn)精度的主要原因有軸磨損、 軸承磨損以及接觸面磨損等，選擇正確合理的潤滑方式是保證電主軸能夠正常運轉(zhuǎn)工作的基本前提。電主軸油氣潤滑裝置被普遍使用在電主軸上，電主軸油氣潤滑裝置油跟隨氣體的流動而往前運動[6]。 潤滑裝置油滴適中，不會造成因油量過多軸承無法散熱，避免了電主軸負(fù)載增加，因而不會產(chǎn)生竄動現(xiàn)象。

現(xiàn)代數(shù)控中心機(jī)床進(jìn)行機(jī)械加工時， 需要同時能夠滿足低速粗加工時的重切削、高速切削精加工的要求，因此機(jī)床電主軸應(yīng)該具備高速大功率、低速大扭矩的性能。

表1 國內(nèi)外數(shù)控加工中心機(jī)床用電主軸主要參數(shù)

2.2 電主軸刀具刀柄接口技術(shù)

隨著機(jī)床向高速、高精度發(fā)展，常用的7：24 錐柄刀具連接不能滿足數(shù)控高速加工中心的需求， 影響到機(jī)床主軸高轉(zhuǎn)速及機(jī)床高精度提高。 數(shù)控機(jī)床電主軸單元技術(shù)分析表明： 大約有30%～55%的刀尖變形來源于7：24刀具錐柄連接，只有30%左右的變形來源于主軸和軸承，因此， 有必要研究與開發(fā)適合數(shù)控中心高速主軸要求的新的主軸軸端結(jié)構(gòu)[7-8]。 德國的HSK 系列就是一種采用替代型結(jié)構(gòu)的新思路設(shè)計方案， 也是目前電主軸與刀具刀柄連接接口技術(shù)的成功設(shè)計，見圖3。

圖3 電主軸HSK 刀柄與主軸連接

為滿足數(shù)控高速加工中心的要求， 對數(shù)控機(jī)床電主軸的刀具接口提出了相應(yīng)的要求。 為解決高速電主軸刀具接口中存在的問題，需要考慮以下幾個方面情形。

（1）高速主軸前端在離心力作用下會使主軸發(fā)生膨脹，而主軸膨脹會引起主軸錐柄及夾緊機(jī)構(gòu)偏心， 影響到主軸的動平衡， 其膨脹量的又大小與主軸旋轉(zhuǎn)半徑和主軸轉(zhuǎn)速成正比；消除配合面之間的間隙，改進(jìn)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)刀具接口結(jié)構(gòu)，改善標(biāo)準(zhǔn)刀具接口的靜態(tài)性能[8]。

（2）開發(fā)適合高速主軸要求的主軸軸端結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)錐孔和端面同時接觸定位； 在高速電主軸刀具接口上取消鍵連接，采用三棱圓或者摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩的新型結(jié)構(gòu)，解決高速主軸軸端結(jié)構(gòu)動平衡問題。

（3）過盈量的增大產(chǎn)生預(yù)緊拉力增加，主軸膨脹對主軸前軸承產(chǎn)生不良影響；增大預(yù)加過盈量，從而增大軸向拉力，可改善刀具接口高速性能、防止錐孔膨脹。

（4）選擇空心短錐柄小錐度結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)錐體和端面的同時接觸定位，在刀柄內(nèi)安裝減振裝置，刀柄上安裝自動動平衡裝置[8]。

HSK 短錐刀柄，采用1：10 短的錐度，其錐柄部分由于采用薄壁結(jié)構(gòu)，短錐與主軸錐孔的接觸性能好，刀柄利用錐面與端面實現(xiàn)軸向定位，具有高的連接剛度、定位精度以及重復(fù)定位精度， 尤其適合高精度高速電主軸情況下使用。

3 渦輪與壓縮機(jī)瞬間數(shù)據(jù)及穩(wěn)態(tài)分析

渦輪機(jī)和低壓壓縮機(jī)通過墊片組滑軸式聯(lián)軸器連接，對壓縮機(jī)組先后進(jìn)行低速測試和低速連續(xù)運行測試。隨著轉(zhuǎn)速升高，3 號軸承的振動也隨之加大，通過振動監(jiān)視器觀察，當(dāng)壓縮機(jī)接近運行速度時，其直接振動出現(xiàn)急劇升高，轉(zhuǎn)速125000r/min 時達(dá)到50μm pp。

3.1 瞬間數(shù)據(jù)分析

運行期間采集了瞬時數(shù)據(jù)。 依據(jù)慢滾動數(shù)據(jù)分析，就可以對高轉(zhuǎn)速軌跡進(jìn)行波形補(bǔ)償，運行軌跡可以隨時瞬間顯現(xiàn)出來，波形補(bǔ)償軌跡見圖4 所示。 圖中顯示（2號軸承） 內(nèi)置渦輪機(jī)軸承中的補(bǔ)償振動其實是非常小的，不能說明其存在不平衡問題，實際上2 號軸承的大部分未補(bǔ)償振動都是由于振擺造成的。波形補(bǔ)償軌跡還顯示，大部分振動都集中在（3 號軸承）低壓壓縮機(jī)上。此外，（4 號軸承）低壓壓縮機(jī)另側(cè)的補(bǔ)償軌跡還顯示出呈現(xiàn)左下象限軌跡變平，這種現(xiàn)象說明此處存在有高徑向載荷[9]。

圖4 波形補(bǔ)償軌跡圖

根據(jù)測試數(shù)據(jù)， 低壓轉(zhuǎn)子首次平衡共振本出現(xiàn)在45000～55000r/min 范圍內(nèi)。 運行數(shù)據(jù)的極坐標(biāo)圖和伯德圖還顯示，在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)確實存在共振。 并且，在高于共振區(qū)域內(nèi)， 顯示振幅是近似地隨轉(zhuǎn)子速度的平方倍速快速增長， 其相對相位滯后是以恒定速率而呈現(xiàn)持續(xù)變化。 振幅行為表明，共振已移至125000r/min 轉(zhuǎn)速附近或在超出該轉(zhuǎn)速的某個位置。

機(jī)器主軸的平衡共振速度與轉(zhuǎn)子質(zhì)量及彈簧剛度之間的函數(shù)關(guān)系如下：

其中：K—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)彈簧剛度；M—轉(zhuǎn)子質(zhì)量。 提高平衡共振速度需要減少M 或增大K， 在主軸質(zhì)量幾乎不變情況下， 一般是通過機(jī)器主軸的某一變化來相應(yīng)增大系統(tǒng)彈簧剛度K。

3.2 穩(wěn)態(tài)分析

在機(jī)器運行的同時安放好設(shè)備， 數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用6 條通道，由于聯(lián)軸器存在不平衡，重點關(guān)注渦輪機(jī)和低壓壓縮機(jī)。 在將壓縮機(jī)速度提升至125000r/min，采集穩(wěn)態(tài)機(jī)器主軸數(shù)據(jù)，開始進(jìn)行分析。 取自（2 號軸承）內(nèi)置渦輪機(jī)軸承和（3 號軸承）內(nèi)置低壓壓縮機(jī)軸承的數(shù)據(jù)軌跡圖顯示出它們之間具有相似行為軌跡。在這兩個位置上，主軸是以較大的近似圓軌跡運動，并且具有主導(dǎo)的1X 頻率分量。 但另外也看出，3 號軸承的1X 振幅卻是2 號軸承振幅的2 倍多[10-11]。

機(jī)床主軸存在不平衡原因分析：

（1）與現(xiàn)場結(jié)果相比，測試時機(jī)器主軸振幅小許多，渦輪機(jī)和低壓及高壓壓縮機(jī)經(jīng)過測試且運轉(zhuǎn)良好， 其振幅量級只有2～4μm pp。

（2）現(xiàn)場所測得的振動數(shù)據(jù)具有軸不平衡現(xiàn)象的典型特點，如：圓形軌跡、主導(dǎo)的1X 振動及振幅增速變化與轉(zhuǎn)子速度的平方數(shù)值成正比。

（3）主軸振動振幅差異的渦輪機(jī)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量之間存在著顯著差異性， 渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量大約是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量的5 倍以上，同時還需對聯(lián)軸器進(jìn)行平衡。

4 結(jié)束語

隨著變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展， 已經(jīng)極大簡化了高速數(shù)控機(jī)床主傳動的機(jī)械結(jié)構(gòu)， 常見的帶輪傳動和齒輪傳動已被取消。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動機(jī)直接驅(qū)動，實現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動”。 主軸電動機(jī)與機(jī)床主軸形成一體的傳動型式，主軸部件從機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)和傳動系統(tǒng)中相對獨立，形成“主軸單元”，俗稱“電主軸”。與傳統(tǒng)的主軸傳動系統(tǒng)相比，電主軸結(jié)構(gòu)緊湊簡單，常應(yīng)用于高轉(zhuǎn)速數(shù)控中心機(jī)床或多軸聯(lián)動機(jī)床上[12-13]。

本文在數(shù)控加工中心機(jī)床電主軸結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，分析了其結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上的主要優(yōu)缺點， 介紹了電主軸單元的主要組成和融合技術(shù)， 比較國內(nèi)外數(shù)控加工中心機(jī)床用電主軸的主要參數(shù)。 從電主軸刀具刀柄接口技術(shù)的新思路設(shè)計方案、渦輪機(jī)、聯(lián)軸器和壓縮機(jī)之間的連接與測試， 并對高轉(zhuǎn)速渦輪式主軸單元高速運轉(zhuǎn)時進(jìn)行瞬時數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析， 同時提出數(shù)控機(jī)床主軸存在不平衡問題的穩(wěn)態(tài)分析， 給出了高轉(zhuǎn)速渦輪式數(shù)控微主軸單元研究和設(shè)計時微電主軸、 水流驅(qū)動、 電機(jī)帶摩擦輪驅(qū)動、氣流驅(qū)動幾種型式的選擇方式。