高速無內圈式陶瓷電主軸設計開發與實驗研究

李 頌 華， 吳 玉 厚

（1.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024；2.沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

0 引 言

電主軸是一種直接依賴于高速精密軸承技術、高性能電機與驅動技術、潤滑與冷卻技術、精密加工與裝配技術等關鍵技術及相關配套技術的高度機電一體化的數控機床關鍵功能部件，其性能的好壞在很大程度上決定了整臺機床的加工精度和生產效率［1－2］.隨著高速精密加工技術的需要與機床技術的發展，電主軸技術有向高速度、高精度、高剛度、長壽命方向發展的總體趨勢［3－4］.然而，如何才能進一步提高電主軸單元的速度、精度、剛度、使用壽命，是數控機床電主軸技術研究的關鍵科學問題，也是制約我國電主軸技術發展的瓶頸問題.高性能結構陶瓷材料如氮化硅陶瓷、氧化鋯陶瓷等由于具有密度小、耐磨損、耐高溫、高彈性模量、高抗壓強度、無磁性、電絕緣等優良綜合特性，將其應用于電主軸的主軸和軸承將為解決上述難點問題開辟新的途徑［5－6］.

最早在1989年，Namba等發明了用于超精密表面磨削的玻璃陶瓷主軸，該玻璃陶瓷主軸具有零熱膨脹特性，能實現光學和電子材料的亞微米級和納米級表面的超精密磨削［7］.1990年，日本江黑鐵工所研制了一種“Ceracom”型陶瓷車床，其主軸與軸承由氮化硅陶瓷材料制成，主要用于電子工業產品的高精密加工［8］.1995年，于金等首次分析了陶瓷主軸的特點，并以重量最輕為優化目標，提出了精密、高速陶瓷主軸部件的動力學模型和優化方法［9］.1998年，日本Sodick公司在美國洛杉磯舉辦的北美金屬加工及制造業展覽會上展出了具有陶瓷主軸的C系列加工中心，不僅大幅度減輕了重量，而且陶瓷主軸熱膨脹率也比一般加工中心降低約5%，運轉時的升速時間很短（6 000r／min，0.3s），具有高剛性和高加工精度［10］.1999年，許寶杰等對陶瓷主軸的熱力學和動力學特性進行了實驗研究，指出陶瓷主軸具有動靜剛度高、阻尼大、重量輕、慣性小、熱膨脹系數低等特點，在加工中心上使用陶瓷主軸是機床工業一項重要的技術進步［11］.2002年，Bang等設計了一種采用碳纖維材料的復合式空氣電主軸，與傳統的鋼軸主軸相比具有旋轉慣量小、固有頻率高等特點，極大減小了在極限轉速條件下主軸系統由于離心力和溫升所產生的彎曲變形和熱變形等，提高了主軸系統的速度和精度［12］.2003年，Weck等提出了多點角接觸（3P、4P）陶瓷主軸軸承，并且在軸承溝道噴涂耐磨陶瓷涂層，使機床主軸速度得到進一步提高，Dm·n值已達到3.5×106以上［13］.

本文提出一種主軸和軸承均采用高性能結構陶瓷材料的全陶瓷電主軸的設計方法，通過對陶瓷電主軸單元關鍵技術和相關配套技術的研究，研制無內圈式陶瓷電主軸樣機，并對其進行負載特性、溫升、振動、噪聲、剛度和精度等性能的測試與分析.

1 無內圈式陶瓷電主軸的創新設計與開發

1.1 無內圈式陶瓷電主軸的總體結構設計

由于結構陶瓷具有的完全不同于鋼材的高硬脆特性，給其結構設計、制造和控制等帶來了一系列技術難題.例如，如果按傳統電主軸設計方案，必須解決全陶瓷軸承在陶瓷轉子軸上的安裝及定位問題，然而，由于陶瓷材料抗壓強度極高而抗拉強度相對較小，尚無法保證陶瓷內圈與陶瓷轉子的精密裝配.為了解決這些難點問題，本文設計了無內圈全陶瓷球軸承支承技術.通過對比不同結構陶瓷材料的性能，并綜合考慮可靠性和經濟性，本文確定采用氧化釔部分穩定氧化鋯陶瓷（YPSZ）制作陶瓷主軸和陶瓷軸承外套圈，并在陶瓷軸上直接設計軸承內滾道，而陶瓷球則采用熱等靜壓氮化硅陶瓷（HIPSN）.為了適應陶瓷主軸的高速運轉，軸承設計采用了外圈單邊引導保持架方式.保持架材料選用聚醚醚酮（PEEK），其與氮化硅陶瓷球間的摩擦因數極小.圖1為陶瓷電主軸的總體結構設計方案.表1為陶瓷電主軸用陶瓷零件的材料性能.

圖1 陶瓷電主軸總體結構設計方案Fig.1 Structural design of ceramic motorized spindle

表1 陶瓷電主軸用陶瓷零件的材料性能Tab.1 The material properties of ceramic parts for ceramic motorized spindle

1.2 無內圈式全陶瓷球軸承的優化設計

根據陶瓷電主軸主要技術指標和工作要求，按經驗類比法初步確定了無內圈式角接觸陶瓷球軸承型號為7008C，其接觸角為15°.然而，由于陶瓷材料不同于金屬材料的特殊材料特性，陶瓷球軸承的主要結構參數必須根據陶瓷材料特性進行優化.

全陶瓷球軸承的失效形式主要有疲勞剝落、磨損、碎裂等.雖然，陶瓷球的碎裂或陶瓷套圈的斷裂等失效形式極具破壞性，但是均屬于極小概率事件，且主要是由陶瓷零件的缺陷造成的，并可以通過嚴格的質量檢測而避免.而本文認為，在高速輕載工作條件下，陶瓷材料的疲勞剝落應該為全陶瓷球軸承最主要的失效形式，陶瓷滾道表面的微氣孔或雜質是引起陶瓷滾道表面疲勞剝落的主要原因之一.對于高速主軸系統，當陶瓷球軸承高速運轉時，并不存在內圈的輕載打滑失效，因此，外圈滾道的接觸疲勞破壞是陶瓷球軸承的主要破壞形式.這一點在軸承外圈為氧化鋯陶瓷材料時表現得尤為明顯.因為氮化硅陶瓷球硬度高、彈性模量大，應力作用區材料的塑性變形難以發生，相對于氧化鋯陶瓷外圈，氮化硅陶瓷球疲勞剝落可能性極小，而且也幾乎沒有磨損痕跡.另外，陶瓷材料本身對接觸應力較敏感，所以對陶瓷軸承來說，延長疲勞壽命就顯得更為重要.因此，本文以疲勞壽命最長為目標對陶瓷球軸承的主要內部結構參數進行優化設計.然而，由于缺乏準確可靠的全陶瓷球軸承疲勞壽命預測理論依據，本文僅僅是根據鋼球軸承疲勞壽命估算模型進行部分有關材料參數的修正而得到的優化設計結果，具體為結構尺寸，40mm×68mm×15mm；接觸角，15°；Db，7.144mm；Z，18；Dm，54.005mm；fi，0.505；fe，0.510.該結果僅可供在當前條件下陶瓷電主軸的設計時參考使用.更系統的理論研究與實驗驗證還有待今后進一步深入開展.

對比傳統鋼球軸承和混合陶瓷球軸承，最大的變化是陶瓷軸承內外滾道的曲率半徑系數fi和fe都相應地變小了（鋼軸承fi和fe一般在0.515～0.540）.這主要是因為全陶瓷球軸承的滾動體和套圈均采用了高硬度的陶瓷材料，而且彈性模量大，陶瓷球和陶瓷滾道均難以發生塑性變形，如果采用鋼球軸承的滾道曲率半徑系數將會使陶瓷球與陶瓷套圈滾道的接觸面積減小，導致接觸應力增大，不利于延長軸承的疲勞壽命.因此，fi和fe適當減小，可使陶瓷球與滾道間的接觸橢圓面積增大，這樣才能保證不會因為接觸赫茲應力過高而影響其壽命.另外，提高陶瓷材料的致密度，減少氣孔率，提高陶瓷滾道表面加工質量并避免出現較大的空隙及微裂紋等可有利于延長陶瓷軸承的疲勞壽命.

對于高速主軸用角接觸球軸承，一般必須在軸向有預加荷載條件下才能正常工作.預負荷不僅可消除軸承的軸向游隙，還可以提高軸承剛度、主軸的旋轉精度，抑制振動和陶瓷球自轉時的打滑現象等.本文所設計的陶瓷電主軸采用前后各一個面對面配置的無內圈式全陶瓷角接觸球軸承，并選用了彈性預加載裝置，設計方案如圖1所示.陶瓷軸承的最佳預負荷首先根據全部陶瓷球都不發生陀螺旋轉時所需要的軸向負荷條件進行估算，然后通過電主軸在不同工況條件下的高速運轉實驗分析最終確定：在輕荷載工況下為400 N，在中等荷載工況下為600N.設計了完全獨立的雙油路油－氣潤滑系統，分別對前后軸承提供潤滑.并以獲得陶瓷軸承的最低溫升為目標，通過大量的實驗，最終確定了陶瓷電主軸油－氣潤滑系統主要參數應設置為每次供油量為0.02mL，供油間隔時間10min，供氣壓力0.5MPa，潤滑油黏度68cSt.

1.3 陶瓷電主軸的精密加工與裝配

為了實現陶瓷電主軸的高速度、高精度、高剛度和小振動的設計要求，必須實現陶瓷電主軸主要零部件，尤其是無內圈式陶瓷主軸－軸承單元的精密加工，其精度要求達到P4級高速精密角接觸球軸承的檢測精度.圖2為精密加工后的陶瓷主軸和陶瓷軸承照片.

對于高速陶瓷電主軸，在高速運轉過程中產生的離心力會直接影響陶瓷主軸與電機轉子之間的配合過盈量，從而影響電主軸傳動性能，因此，必須合理設計電機轉子與陶瓷主軸之間的配合過盈量.由于陶瓷材料的性能與傳統鋼質材料存在很大差別，而且不同陶瓷材料的熱膨脹系數差異也很大，不能完全套用傳統電主軸電機轉子與主軸的過盈量，而必須重新設計計算.對于本文所設計的陶瓷電主軸，其配合過盈量達到0.08～0.10 mm.壓裝后，對電機轉子外徑進行精密磨削加工，以達到設計精度.然后，對其進行高速動平衡，動平衡精度要求達到G0.4級.圖3為裝配好的陶瓷電主軸樣機的照片.

圖2 陶瓷主軸和陶瓷軸承照片Fig.2 Photos of ceramic shaft and ceramic bearings

圖3 陶瓷電主軸樣機照片Fig.3 Photo of ceramic motorized spindle prototype

2 陶瓷電主軸的綜合性能測試與分析

2.1 實驗條件

測試對象為本文所研制的SJD170SD30型無內圈式陶瓷電主軸樣機，其主要技術參數為額定功率15kW，額定轉矩4.8N·m，最高轉速30 000r／min，額定電流34A，額定電壓350V，額定頻率1 000Hz.測試環境為恒溫恒濕實驗室，室溫20℃，環境噪音不高于35dB.

陶瓷電主軸綜合性能測試平臺如圖4所示，可進行陶瓷電主軸的負載特性、溫升、振動、噪聲、剛度和精度測試等.整套測試包括高速電主軸測功機、Kistler轉矩轉速傳感器和顯示儀、DASP INV3018數據采集儀及振動和噪聲傳感器、KEYENCE高精度激光傳感器及采集儀、WT230三相電參數測量儀、高速高精度聯軸器、TC系列多路溫度測試儀及溫度傳感器、異步測功機變頻控制電源、負載電阻箱、工控機、油氣潤滑系統、冷卻系統等.

圖4 陶瓷電主軸綜合性能測試平臺Fig.4 Integrated performance test platform of ceramic motorized spindle

2.2 陶瓷電主軸的負載特性測試

負載特性是指電主軸在整個調速范圍內輸出轉矩及輸出功率的特性曲線，是電主軸動力性能和經濟性能的直接體現.圖5為陶瓷電主軸在負載0～4.8N·m過程中陶瓷電主軸的輸入功率P1、輸出功率P2與效率η的變化情況.由圖中可以看出，陶瓷電主軸滿載運行效率可達到85.64%，這與陶瓷電主軸電機的設計效率86.24%非常接近.圖6為陶瓷電主軸在負載0～4.8N·m過程中陶瓷電主軸的輸入電壓U與輸入電流I的變化情況.由圖中可看出，陶瓷電主軸在滿載運行時輸入電流在額定電流范圍內.

2.3 陶瓷電主軸的溫升測試

溫升是電主軸的一項重要性能指標，它綜合反映了電主軸的設計、制造水平.如圖7所示，分析了陶瓷軸承預負荷分別為400、600和800N，且在最佳潤滑條件下，陶瓷電主軸前后軸承處的溫升隨速度變化的情況.實驗結果表明，當陶瓷軸承預緊力在600N以下時，前后陶瓷軸承的溫升變化平穩.在最佳潤滑條件下，預負荷為400N時，陶瓷電主軸前軸承處最高空載溫升僅為8.6℃.而當陶瓷軸承預緊力達到800N時，前、后端軸承溫升急劇升高，當主軸轉速達到20 000 r／min時，主軸前端軸承溫升已超出了設定的最高溫升值35℃.因此，本文設計的陶瓷軸承預負荷在400～600N，完全能夠保證陶瓷電主軸的高速穩定運轉.

圖5 陶瓷電主軸加載過程的功率和效率Fig.5 The power and efficiency of ceramic motorized spindle in loading

圖6 陶瓷電主軸加載過程的電壓和電流Fig.6 The voltage and current of ceramic motorized spindle in loading

圖7 不同預負荷條件下陶瓷電主軸的溫升Fig.7 Temperature rise with different preloads of ceramic motorized spindle

2.4 陶瓷電主軸的振動和噪聲測試

振動是主軸動態性能的關鍵指標之一，直接影響機床的使用壽命，以及被加工工件的尺寸精度、表面粗糙度等.電主軸的振動和噪聲主要來源于高速運轉的主軸軸承.電主軸在最高轉速時振動速度u應控制在1.5mm／s以下，從圖8可以看出，在陶瓷電主軸的工作轉速范圍內，隨著主軸轉速的提高，陶瓷電主軸前、后端的振動都會逐漸提高，但振動均未超過0.8mm／s，符合設計要求.

電主軸在最高轉速時產生的噪聲值Na，一般應控制在低于75dB.由圖9可以看出，陶瓷電主軸在最高轉速30 000r／min時的噪聲達到了95dB，遠遠超出傳統電主軸的噪聲控制水平.這與陶瓷電主軸所采用的全陶瓷球軸承的材料性能以及陶瓷軸承滾道的溝形誤差、表面質量等有關系，如何能降低陶瓷電主軸的工作噪聲還有待進一步深入研究.

圖8 陶瓷電主軸振動性能測試結果Fig.8 Vibration performance of ceramic motorized spindle

圖9 陶瓷電主軸的噪聲測試結果Fig.9 Noise of the ceramic motorized spindle

2.5 陶瓷電主軸的剛度和精度測試

電主軸的剛度和精度目前尚未有統一的國際標準.表2列出了本文所設計的SJD170SD30型陶瓷電主軸在不同預負荷下主軸前端靜剛度的測試值.由表中可看出預負荷由600N增加到800 N對主軸剛度的影響并不明顯，反而卻急劇影響陶瓷軸承的溫升狀況，如圖7所示.因此，本文設計的陶瓷電主軸最佳預負荷在400～600N，其徑向剛度最高可達到322N／μm，遠遠超出了國內外同類電主軸的剛度水平150N／μm.

表2 不同預負荷下陶瓷電主軸的靜剛度Tab.2 Static rigidity of the ceramic motorized spindle with different preloads

SJD170SD30型陶瓷電主軸的靜精度測試值如下：內孔徑向圓跳動＜1μm，接長桿徑向圓跳動＜5μm，端面圓跳動＜1μm，軸伸端徑向圓跳動＜1μm.由此可以看出，本文所研制陶瓷電主軸已完全滿足了設計要求.

3 結 論

（1）利用高性能結構陶瓷作為高速主軸軸承及主軸材料，成功設計并制造了一種無內圈式陶瓷電主軸，可有效減小主軸部件高速旋轉的離心力和慣性力，從而顯著提高了主軸單元的剛度、精度和使用壽命.此外，還可降低摩擦，減小溫升反應，并有效減少能耗、節約資源，使我國數控機床及其主軸功能部件的產品檔次明顯提高.

（2）通過對全陶瓷球軸承失效機理的分析，認為陶瓷軸承外套圈滾道的疲勞剝落為陶瓷球軸承的最主要失效形式.并在此基礎上對陶瓷球軸承的內部結構參數進行了優化，為無內圈式全陶瓷主軸－軸承單元的結構參數設計提供了依據.優化確定了陶瓷主軸－軸承系統的最佳預負荷為400～600N，并確定了其最佳潤滑條件，實現了陶瓷電主軸的精密裝配.

（3）對陶瓷電主軸樣機進行了綜合性能測試與分析，結果表明，其最高轉速達30 000r／min，最大功率達15kW，滿載效率達85.64%，靜態回轉精度≤1μm，在最佳預負荷和最佳潤滑條件下，陶瓷電主軸系統的徑向靜剛度可達322N／μm，空載振動＜0.8mm／s，空載溫升＜10℃，并且運轉穩定可靠，精度保持性好.

陶瓷電主軸是一種利用高性能結構陶瓷材料開發的具有高技術含量的新產品，目前在國內外的應用還不很成熟.本文雖然在其設計、制造關鍵技術的研究方面取得了一定的研究成果，但是要想快速實現陶瓷電主軸的大范圍推廣應用還需要在高性能陶瓷材料制備、陶瓷主軸零件的高效精密加工、陶瓷主軸－軸承系統的動力學和可靠性設計基礎理論等方面進行更深入系統的研究.

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