什么是高速主轴，有什么选择要求？
发布时间：2020-10-24 11:18:15 点击率：
高速电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。
高速电主轴所融合的技术：
电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。
高速电主轴所融合的技术：
高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限；
高速电机技术：电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡；
润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用油脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。
冷却装置：为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。
内置脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。
自动换刀装置：为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等；
高速刀具的装卡方式：广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀具。
高频变频装置：要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。
高速主轴的优势分析：
在高速主轴单元中，由于机床既要进行粗加工，也要进行精加工，因此对主轴单元提出了较高的静刚度和工作精度的要求。另外，高速机床主轴单元的动态特性也在很大程度上决定或者制约了机床的价格质量和切削能力。当切削过程出现较大的在振动时，会使刀具出现剧烈的磨损或破损，也会增加主轴轴承所承受的动载荷，降低轴承的精度和寿命，影响加工精度和表面质量。因此，主轴单元应具有较高的抗振性。
相比一般的传统主轴，电主轴将电机内置，传动上摒弃了皮带和齿轮，在高速运转情况下，很好的解决了振动和噪声问题，提高了机床的加工精度和加工表面粗糙度，可以最快地实现较高的速度变化，即主轴回转时要具有极大的角加速度，这极大的提高了生产效率。
用在高精度机床上的电主轴，不但要求主轴转速高，而且要求其旋转精度也高、并且振动小。因此，在电主轴的设计阶段，必须对它进行动力学特性分析，以确定其各阶临界转速和各阶振型。对于高速轴系，其转子动力学性能的分析和设计是直接决定主轴性能设计的一项重要内容。主轴的转子动力学性能如何，对整台机床能否实现高速加工以及加工精度、主轴轴承的寿命和其它关键部件的正常工作等方面都有着至关重要的影响。另外，陶瓷角接触球轴承具有制造精度高、极限转速高、承载能力强，能同时承受径向和轴向载荷等特点而被广泛地应用于高速机床主轴的支承中。轴承内部各元件的运动及所受载荷比较复杂，特别是高速球轴承中，离心力和陀螺力矩作用的结果使轴承的运转状态发生变化，影响到轴承的变形与载荷关系特性，从而影响到球轴承支撑的转子系统的动力学性能。
高速主轴电机的转速选择：
高速主轴电机，不管轻金属加工还是重金属加工，其的选择都根据加工材料的本质来选择转速。加工密度高的材料之所以要选择24000~60000转，是因为材料密度高，硬度强，低转速加工会造成出行毛边，表面不光滑等现象。加工低密度的材料之所以选择3000~24000转的，是因为高转速对低密度材料来说有造成拉裂的危险等因素。
高速主轴的变速方式：
1、无级变速
数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电动机实现主轴无级变速。
交流主轴电动机及交流变频驱动装置（笼型感应交流电动机配置矢量变换变频调速系统），由于没有电刷，不产生火花，所以使用寿命长，且性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低。因此，目前应用较为广泛。
主轴传递的功率或转矩与转速之间的关系。当机床处在连续运转状态下，主轴的转速在437~3500r/min范围内，主轴传递电动机的全部功率11kW，为主轴的恒功率区域Ⅱ（实线）。在这个区域内，主轴的最大输出扭矩（245N.m）随着主轴转速的增高而变小。主轴转速在35~437r/min范围内，主轴的输出转矩不变，称为主轴的恒转矩区域Ⅰ（实线）。在这个区域内，主轴所能传递的功率随着主轴转速的降低而减小。图中虚线所示为电动机超载（允许超载30min）时，恒功率区域和恒转矩区域。电动机的超载功率为15kW，超载的最大输出转矩为334N.m。
2、分段无级变速
数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速范围内均为恒功率。一般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动。为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。
高速主轴的润滑方式：
高速主轴的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。dn值在1.0×106以上的主轴，多采用油润滑的方式。
油雾润滑是将润滑油(如透平油)经压力空气雾化后对轴承进行润滑的。这种方式实现容易，设备简单，油雾既有润滑功能，又能起到冷却轴承的作用，但油雾不易回收，对环境污染严重，故逐渐被新型的油气润滑方式所取代。
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，而对环境却没有污染。实施油气润滑时，一般要求每个轴承都有单独的油气喷嘴，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%。喷射润滑是直接用高压润滑油对轴承进行润滑和冷却的，功率消耗较大，成本高，常用在dn值为2.5×106以上的超高速主轴上。
环下润滑是一种改进的润滑方式，分为环下油润滑和环下油气润滑。实施环下油或者油气润滑时，润滑油或油气从轴承的内圈喷入润滑区，在离心力的作用下润滑油更易于到达轴承润滑区，因而比普通的喷射润滑和油气润滑效果好，可进一步提高轴承的转速，如普通油气润滑，角接触陶瓷球轴承的dn值为2.0×106左右，采用加大油气压力的方法可将dn值提高到2.2×106，而采用环下油气润滑则可达到2.5×106。
高速电主轴所融合的技术：
电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。
高速电主轴所融合的技术：
高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限；
高速电机技术：电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡；
润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用油脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。
冷却装置：为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。
内置脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。
自动换刀装置：为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等；
高速刀具的装卡方式：广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀具。
高频变频装置：要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。
高速主轴的优势分析：
在高速主轴单元中，由于机床既要进行粗加工，也要进行精加工，因此对主轴单元提出了较高的静刚度和工作精度的要求。另外，高速机床主轴单元的动态特性也在很大程度上决定或者制约了机床的价格质量和切削能力。当切削过程出现较大的在振动时，会使刀具出现剧烈的磨损或破损，也会增加主轴轴承所承受的动载荷，降低轴承的精度和寿命，影响加工精度和表面质量。因此，主轴单元应具有较高的抗振性。
相比一般的传统主轴，电主轴将电机内置，传动上摒弃了皮带和齿轮，在高速运转情况下，很好的解决了振动和噪声问题，提高了机床的加工精度和加工表面粗糙度，可以最快地实现较高的速度变化，即主轴回转时要具有极大的角加速度，这极大的提高了生产效率。
用在高精度机床上的电主轴，不但要求主轴转速高，而且要求其旋转精度也高、并且振动小。因此，在电主轴的设计阶段，必须对它进行动力学特性分析，以确定其各阶临界转速和各阶振型。对于高速轴系，其转子动力学性能的分析和设计是直接决定主轴性能设计的一项重要内容。主轴的转子动力学性能如何，对整台机床能否实现高速加工以及加工精度、主轴轴承的寿命和其它关键部件的正常工作等方面都有着至关重要的影响。另外，陶瓷角接触球轴承具有制造精度高、极限转速高、承载能力强，能同时承受径向和轴向载荷等特点而被广泛地应用于高速机床主轴的支承中。轴承内部各元件的运动及所受载荷比较复杂，特别是高速球轴承中，离心力和陀螺力矩作用的结果使轴承的运转状态发生变化，影响到轴承的变形与载荷关系特性，从而影响到球轴承支撑的转子系统的动力学性能。
高速主轴电机的转速选择：
高速主轴电机，不管轻金属加工还是重金属加工，其的选择都根据加工材料的本质来选择转速。加工密度高的材料之所以要选择24000~60000转，是因为材料密度高，硬度强，低转速加工会造成出行毛边，表面不光滑等现象。加工低密度的材料之所以选择3000~24000转的，是因为高转速对低密度材料来说有造成拉裂的危险等因素。
高速主轴的变速方式：
1、无级变速
数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电动机实现主轴无级变速。
交流主轴电动机及交流变频驱动装置（笼型感应交流电动机配置矢量变换变频调速系统），由于没有电刷，不产生火花，所以使用寿命长，且性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低。因此，目前应用较为广泛。
主轴传递的功率或转矩与转速之间的关系。当机床处在连续运转状态下，主轴的转速在437~3500r/min范围内，主轴传递电动机的全部功率11kW，为主轴的恒功率区域Ⅱ（实线）。在这个区域内，主轴的最大输出扭矩（245N.m）随着主轴转速的增高而变小。主轴转速在35~437r/min范围内，主轴的输出转矩不变，称为主轴的恒转矩区域Ⅰ（实线）。在这个区域内，主轴所能传递的功率随着主轴转速的降低而减小。图中虚线所示为电动机超载（允许超载30min）时，恒功率区域和恒转矩区域。电动机的超载功率为15kW，超载的最大输出转矩为334N.m。
2、分段无级变速
数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速范围内均为恒功率。一般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动。为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。
高速主轴的润滑方式：
高速主轴的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。dn值在1.0×106以上的主轴，多采用油润滑的方式。
油雾润滑是将润滑油(如透平油)经压力空气雾化后对轴承进行润滑的。这种方式实现容易，设备简单，油雾既有润滑功能，又能起到冷却轴承的作用，但油雾不易回收，对环境污染严重，故逐渐被新型的油气润滑方式所取代。
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，而对环境却没有污染。实施油气润滑时，一般要求每个轴承都有单独的油气喷嘴，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%。喷射润滑是直接用高压润滑油对轴承进行润滑和冷却的，功率消耗较大，成本高，常用在dn值为2.5×106以上的超高速主轴上。
环下润滑是一种改进的润滑方式，分为环下油润滑和环下油气润滑。实施环下油或者油气润滑时，润滑油或油气从轴承的内圈喷入润滑区，在离心力的作用下润滑油更易于到达轴承润滑区，因而比普通的喷射润滑和油气润滑效果好，可进一步提高轴承的转速，如普通油气润滑，角接触陶瓷球轴承的dn值为2.0×106左右，采用加大油气压力的方法可将dn值提高到2.2×106，而采用环下油气润滑则可达到2.5×106。
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