电主轴的关键技术

电主轴是实现智能加工和高速加工的关键部件，广泛地用在数控铣、加工中心、双主轴车削中心及数控磨床上。美国的哈挺、德国的DMG及日本的MAZAK等公司已成熟地使用电主轴，这与他们掌握了电主轴的关键技术是分不开的。电主轴的关键技术除了轴承及其润滑技术以外，还包括轴承预紧力的控制、内装电动机的发热与冷却、主轴的动平衡、轴上零件的连接、电主轴轴端的设计等。在我国真正意义上的电主轴［dn值——主轴轴承的平均直径(mm) 与主轴的极限转速(r/min) 的乘积大于1×106］在技术上还没过关，主要表现在: 内装电动机的发热与主轴精度变化的机理、电动机高速输出扭矩与功率及电动机尺寸间的关系等方面。

1. 电主轴的热源

①电动机的发热主要有定子绕组的铜耗发热及转子的铁损发热，其中定子绕组的发热占电动机总发热量的2/3以上。

②电动机转子在主轴壳体内的高速搅动，使内腔中的空气也会发热，这些热源产生的热量主要通过主轴壳体和主轴进行散热。电动机产生的热量有相当一部分通过主轴传到轴承上去，因此影响轴承的寿命。

③主轴轴承的发热不容忽视，引起轴承发热的因素很多，也很复杂，主要有滚子与滚道的滚动摩擦、高速下所受陀螺力矩产生的滑动摩擦、润滑油的黏性摩擦等。上述各种摩擦会随着主轴转速的升高而加剧，发热量也随之增大，温升增加，轴承的预紧量增大，这样反过来又加剧了轴承的发热，轴承的发热又反过来传到主轴上。

所以，电动机及轴承的热量会使主轴产生热伸长，影响加工精度。

2. 电主轴的温度分布及传导

(1) 电主轴的温度分布

电主轴的电动机发热对电动机绕组绝缘材料的寿命及金属件的强度和硬度均有较大影响。由于电动机不是一个均质体，其发热与散热过程比较复杂，采用传统的等效热路法计算温升，不但准确性较低，而且只能估算电动机绕组和铁芯的平均温度，无法全面了解温度的分布情况及过热点的位置和数值，这对于电动机的安全运行是一个重要的限制因素。因此，准确计算电动机内部各部分的温度及其分布十分重要。对永同步磁伺服电动机而言，电动机转矩大，铜损比较大，而转速低更不利于散热，发热和温升问题对伺服电动机的影响更为严重。

基于整个电动机做三维温度场的计算数据庞大，而且电动机是轴向对称的，沿圆周方向电动机结构周期重复，所以选取轴向半个齿半个槽的范围作为求解区域。

由电动机产生的热能

Pd=P铜损+P铁损+P附加(4-45)

式中，Pd为电动机产生的热能; P铜损为定子绕组的铜耗; P铁损为转子的铁损(包括磁损和涡流损耗); P付加是定子和转子因开槽而引起的气隙磁导谐波在对方铁芯表面的表面损耗。

在由电动机产生的热中，定子绕组的铜耗占65%～75%，电流和绕组电阻是主要的影响因素。同时可见，定子的温度高于转子的温度，转子的温度又高于主轴的温度，存在温度梯度必然引起传热现象的产生。

设初始温度为θ0，达到稳定状态时的温度为θB。当一定热流量进入某物体时，该物体的温度

式中，t为瞬时时间; T为达到稳定状态的时间。

可见，实际上电动机的传热过程是随时间的变化而变化的，是一个非稳态的过程。

(2) 电主轴的热传导

电主轴的热传导是冷却水套中流动的水与水套进行强制对流换热，水套及箱体与空气进行自然对流换热，定子与转子之间通过气隙的空气强制对流换热。那么电主轴的热有多少被冷却水 (油) 带走了，有多少传到了空气中，又有多少传到主轴上了呢? 冷却水套的出水温度就是电主轴的温度吗?

据牛顿冷却公式

Q =A∂Δt (4-47)

式中，Q为对流换热热量; A为换热面积; Δt为温差; ∂为换热系数。

①水套内的平均换热系数为

式中，Nμf为水套内的努谢尔数; λf为导热系数; de为水套当量直径， ，其中f为水套槽道的截面积，u为润湿周长。

②水套外壳的平均换热系数为

式中，Nμm为水套外壳的努谢尔数。

可知，被冷却水带走的电主轴的热量为

Q水=A∂水套Δt+A∂水套外壳Δt (4-50)

实际上，由电动机发热传给主轴的热量为

Q电=Pd-Q水(4-51)

可见，冷却水套的出水温度根本不是电主轴的温度。

3. 轴承产生的热及传导

轴承的发热主要跟摩擦力矩有关，摩擦力矩越大，生成的摩擦热也越多。轴承的摩擦力矩主要有三部分: 润滑剂黏性产生的摩擦力矩 (Mni)、陀螺滑动力矩(Mti) 及滚子与滚道的滚动摩擦力矩(Mgi)。

那么主轴有k个轴承，总的发热量

可见，轴承的转速对轴承温升影响显著，轴承转速越高，摩擦发热越严重，大量的摩擦热导致轴承的温升也越明显。随着速度的升高，陀螺力矩急剧增大。在超高速情况下，滚珠将产生巨大的离心力和陀螺力矩，这都会使滚珠与轴承外圈的接触压力急剧增大，使摩擦与温升增加。轴承的运转条件变差，必须设法减小离心力和陀螺力矩，如减小滚珠的直径、采用质量轻的材料做滚珠等。

轴承热传导: 将轴承、主轴和轴承座作为一个系统考虑，该系统的摩擦热生成和热传递是复杂的三维热问题，为简化计算，假定系统轴向的热特性是一致的，则可以轴向截取一个平面为研究对象作系统的热分析。根据Burton和steph提出的观点，将摩擦热在轴承滚动体和套圈之间作1∶1的分布，即摩擦热有一半进入滚动体，另一半则进入套圈。采用节点网络法求解该系统各关键点的温度，得到整个系统的温度分布状况。这里，一共设立了9个温度节点，满足一般计算的精度要求。

4. 内置电动机热的控制

通常在定子绕组的外部设计冷却系统，用循环冷却液体吸收和带走定子散发的热量，保持主轴单元壳体均匀的温度分布。一般采用水套来实现，水套外圆加工螺旋槽用于循环冷却液体通过; 根据式(4-48) 知，水套内的努谢尔数Nμf及λf导热系数越大，水套当量直径越小，越有利于电动机的散热。所以，水套外圆的螺旋槽槽宽要小且槽数要多，即螺距要小，水套材料应采用不锈钢 (最好不用铸铁，不锈钢的导热系数比铸铁大); 冷却液体采用水(最好不用油，水的换热性好)，同时循环冷却液要通过专门的制冷空调保证降温的能力。

另外，约有1/3的热量是由电动机转子产生的，转子散热条件差，又直接安装在主轴上，设计中应尽量减小电动机径向的传热热阻，使转子的热量尽可能多地通过气隙传到定子和壳体中去，并由冷却液带走。

轴承产生的热的控制有以下两种方法。

(1) 油气润滑

超高速主轴必须采用合理的、可控制的轴承精密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。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，主轴轴承常见的润滑方式有脂润滑、油雾润滑、油气润滑、喷射润滑及环下润滑等。脂润滑不需任何设备，是低速主轴普遍采用的润滑方式。

而电主轴应采用油气润滑，油气润滑是将少量的润滑油不经雾化而直接由压缩空气定时、定量地沿着专用的油气管道壁均匀地被带到轴承的润滑区。润滑油起润滑的作用，而压缩空气起推动润滑油运动及冷却轴承的作用。油气始终处于分离状态，这有利于润滑油的回收，从而对环境没有污染。实施油气润滑时，一般要求每个轴承有单独的油气喷嘴，对轴承喷射处的位置有严格的要求，否则不易保证润滑效果，油气润滑的效果还受压缩空气流量和油气压力的影响。一般地讲，增大空气流量可以提高冷却效果，而提高油气压力，不仅可以提高冷却效果，而且还有助于润滑油到达润滑区，因此，提高油气压力有助于提高轴承的转速。实验表明，加大压力比采用常规压力进行油气润滑可使轴承的转速提高20%。

(2) 采用角接触陶瓷球轴承

影响角接触球轴承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。离心力增大会增加滚珠与滚道间的摩擦，而陀螺力矩增大则会使滚珠与滚道间产生滑动摩擦，使轴承摩擦发热加剧，因而降低轴承的寿命。为了提高轴承的高速性能，常采用两种方法: 一种是减小滚珠的直径，如采用已标准化的71900系列主轴轴承; 另一种是采用新型的陶瓷 (Si3N4) 材料做滚珠，由于Si3N4陶瓷材料的密度仅为轴承钢的40%，因而这种轴承的高速性能明显高于全钢轴承。目前，国外绝大多数高速机床主轴均采用这种轴承。