數控機床高速主軸的關鍵技術研究

劉 麗，李玉龍，王 輝，高蕾娜

（成都大學 機械工程學院，四川 成都 610106）

數控機床高速主軸的關鍵技術研究

劉 麗，李玉龍，王 輝，高蕾娜

（成都大學 機械工程學院，四川 成都 610106）

高速加工是以大幅度提高切削速度來達到提高生產率、加工精度、加工質量和降低成本的現代加工方式。高速電主軸是高速加工的基礎，研究高速主軸的軸承材料、動平衡技術和熱穩定性等關鍵技術，對高速數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；數控機床

1 數控機床中的高速主軸

在現代制造技術中,超高速機床已成為一個不可阻擋的發展潮流。國外電主軸最早用于內圓磨床，在20世紀80年代中后期，我國廠家已生產高速機床，逐漸將電主軸技術應用于加工中心、數控銑床等高檔數控機床。高品質的功能配套部件的性能直接影響到主機的整體技術水平，與數控機床產業的發展息息相關。因此，研究數控機床的高速主軸刻不容緩。

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

2 高速主軸的結構特點

高速主軸的結構緊湊、重量輕、慣性小、響應特性好，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荷并保持高的回轉精度。電主軸零件外圓表面、內孔、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，要嚴格控制。

針對高速主軸存在結構復雜、加工難度較大等問題，提出將本來位于細長主軸分解的單元式主軸結構改進方案。除了簡化結構，可以根據用途、結構、性能參數等特征形成標準化、系列化產品，供主機選用，來促進機床結構模塊化等結構的改進外，筆者從主軸軸承的材料、主軸的動平衡技術和熱穩定性幾方面進行了討論。

3 高速主軸的關鍵技術

（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。國內高速主軸主要采用國產的鋼質角接觸球軸承，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熱?，F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。高速主軸最重要的是運轉平穩。主軸工作轉速在臨界轉速附近時，由于處于共振區產生劇烈振動從而失去動平衡。為提高動平衡的效率和精度，國內外學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能有效保障機床主軸的平穩，運行精確。受復雜支承形式、加工狀態、主軸轉子結構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，動平衡技術仍有許多值得探索的方面。主軸在線動平衡技術的發展趨勢主要體現在高性能、高可靠性、結構簡單等方面。

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

數控技術正在發生根本性變革，由封閉式開環溫控模式向開放式實時動態全閉環溫控模式發展。目前大功率伺服電機我國尚未解決，電主軸應用還有許多問題待解決。

4 結語

文章基于高速數控機床向高速、高精度、大功率方向發展的現實，分析了數控高速主軸的關鍵技術。數控車床本身質量的優劣，直接影響所加工零件、部件和機器的質量。采用電主軸結構的數控機床，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、神經網絡等多學科技術的發展，國內外高速主軸向高可靠性、節能性、高精度、高加工效率、環保性、智能化等方面發展。各生產廠商正在進行持續的科技攻關，以期占領電主軸技術發展的制高點。

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成都大學人才引進資助項目（編號：1702068）。

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