高速加工是一種以比常規切削速度高5 ～ 10 倍的速度進行切削加工的先進工藝，是當代四大先進制造技術之一，而高速機床是實現高速加工的前提條件。現代制造技術中，機床的高速化已成為一個不可阻擋的發展潮流，高速主軸單元是實現高速切削的關鍵部件，是高速機床的心臟部件，與傳統的傳動方式相比，高速主軸單元采用了電主軸的形式，即為內裝式電動機，取消了諸如齒輪、皮帶等中間傳動環節，實現了機床的“零傳動”。
采用電主軸的高速加工技術是目前機床行業非常熱門的一個話題。在高速切削機床中，由于主軸單元系統各零件剛度和精度都較高，而負荷卻不是很大，主軸因切削力引起的加工誤差較小。但內裝式電動機的功率損耗發熱和軸承的摩擦發熱不可忽視，在高速加工中，電主軸的熱變形已成為影響機床加工精度的主要因素，機床熱變形造成的加工誤差達到工件總加工誤差的60% ～ 80%。對高速電主軸的熱態特性進行分析，以減小溫升和熱變形。對于高速機床來說，電主軸作為其核心部件，除需提高合理的剛度、精度外，另外需考慮電動機和主軸軸承的發熱及動平衡精度，原有機床主軸的設計理論已經不適合高速主軸系統的設計，由此引起了高速主軸系統設計理念和理論的變化。主軸軸承高速下的劇烈摩擦發熱和高頻電動機發熱會使主軸產生熱變形，甚至引起主軸系統失效，大大阻礙了新技術的發展。因此，高速電主軸技術在高速機床研究和發展中具有重要的意義，電主軸系統發熱分析及控制措施在高速主軸系統中至關重要，是高速、高精度機床必須要考慮和解決的關鍵技術問題之一。
1 電主軸單元結構分析
高速電主軸的典型結構如圖1 所示。主電動機置于主軸前、后軸承之間，這是電主軸的一種基本結構形式，它采用兩支承結構，支承受力方式為外撐式，前后軸承均分別采用串聯安裝方式，后支承選用小尺寸軸承，降低了速度因數值，對主軸整體剛性影響不大，對保持整個軸系的使用壽命十分有利，優點是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大，功率大，較適合于大、中型高速機床，目前大多數電主軸都采用這種結構形式。
電主軸單元的內裝式電動機轉子用熱裝方法安裝在機床主軸上，處于前后軸承之間，由熱裝過盈配合產生的摩擦力來實現大轉矩的傳遞。在主軸上取消了一切形式的鍵連接和螺紋連接，這種設計主要是為了容易使主軸運轉部分達到精確的動平衡。電主軸單元的內裝式電動機定子通過一個冷卻套固定安裝在主軸箱的殼體中。主軸的轉速用AC 數字伺服主軸，進行伺服調速與矢量控制來改變。
2 電主軸單元熱源分析
電主軸有兩個主要的內部熱源: 內裝式電動機的發熱和主軸軸承的發熱。如果不加以控制，由此引起的熱變形會嚴重降低機床的加工精度和軸承使用壽命，從而導致電主軸的使用壽命縮短。
2． 1 主軸軸承的發熱
主軸軸承的發熱主要是滾動體與滾道之間的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產生的滑動摩擦以及潤滑油的粘性摩擦等產生的。把滾動軸承作為機械元件考慮時，摩擦力矩M 為負荷項M1和速度項M0之和，即
式中: X0為徑向載荷系數; Fr為徑向載荷，N; Y0為軸向載荷系數; Fa為軸向載荷，N。
軸承發熱量的計算: 軸承發熱量Q 為Q = 1． 047 × 10 －4Mn式中: Q 為摩擦熱，kW; n 為軸承轉速，r /min; M 為軸承摩擦力矩，N·mm 。
2． 2 內裝式電動機發熱
電主軸由于采用內裝式電動機主軸結構形式，位于主軸單元體中的內裝式電動機不能采用風扇散熱，因此自然散熱條件較差。內裝式電動機在實現能量轉換過程中，內部產生功率損耗，從而使內裝式電動機發熱。研究表明，在內裝式電動機高速運轉條件下，有近1 /3 的發熱量由內裝式電動機轉子產生，并且轉子產生的絕大部分熱量都通過轉子與定子間的氣隙傳入定子中; 其余2 /3 的熱量產生于內裝式電動機的定子。
在確定機床電動機功率時，除了考慮切削加工的有效功率外，還必須考慮無效功率( 空載功率和載荷附加功率) 。即電動機功率N 為
空載功率是機床在無切削負載時傳動系統空轉所消耗的功率。其包括傳動系統中所有運動副的摩擦、零件制造及裝配誤差引起的附加摩擦、傳動件的攪油、空氣阻力及動載荷離心力等所需消耗的功率等。它與有無負載及負載的大小無關，傳動件越多、轉速越高、皮帶和軸承的預緊力越大、裝配質量越差，則空載功率就越大。
空載機械摩擦損耗的大小主要取決于摩擦面的種類和制造裝配的質量摩擦面上空載時的作用力( 傳動件的重量、偏心質量、軸承的預緊力、皮帶拉力以及傳遞空載扭矩等) 摩擦系數及相對運動速度。對一臺已定的機床，各傳動件的尺寸一定，在潤滑情況保持不變的條件下，則各傳動件的空載機械摩擦損耗隨摩擦表面相對轉速的提高而增加。可以認為空載機械摩擦功率損耗與相對速度的一次方成正比。各傳動件的攪油功率損耗主要決定于傳動件的種類、尺寸大小、浸油深度、油的粘度、油溫的變化和傳動件的速度。對于一臺結構一定的機床，在主軸箱內油面高度固定不變的條件下，則各傳動件的攪油功率損耗隨轉速的提高而增加。一般可以認為各傳動件的攪油功率損耗與轉速的平方成比例。正常情況下，對于采用飛濺潤滑的主軸箱來說，由于軸位布局合理，浸油齒輪數目較少，油面高度適宜，則攪油功率損耗占全部空載功率損耗的比例很小，可以忽略。空氣阻力損耗功率就更小了，也可以忽略不計。這樣機床空載功率損耗的總數，可以近似地認為機床主傳動系統空載功率與主軸箱全部軸之和成正比關系。
機床主傳動系統空載功率可以近似計算，機床空載功率經驗公式:
2． 3 電主軸的動平衡
由于不平衡質量是以主軸的轉速二次方影響主軸動態性能的，所以主軸的轉速越高，主軸不平衡量引起的動態問題越嚴重。對于電主軸來說，由于電動機轉子直接過盈固定在主軸上，增加了主軸的轉動質量，使主軸的極限頻率下降，因此超高速電主軸的動平衡精度應嚴格要求，一般應達到G1 ～ G0. 4 級( G = eω，e 為質量中心與回轉中心之間的位移，即偏心量; ω 為角速度) 。對于這種等級的動平衡要求，采用常規的方法僅在裝配前對主軸的每個零件分別進行動平衡是不夠的，還需在裝配后進行整體精確動平衡，以確保主軸高速平穩運行。
主軸動平衡常用方法有兩種: 去重法和增重法。普通主軸和主軸單元通常采用去重法。該平衡法是在其他零件安裝到主軸上后進行整體動平衡時，根據要求在去重盤處切去不平衡量。高速主軸單元和電主軸單元通常采用增重法。增重法是近年來為適應高速主軸發展需要而開發出的一種新型平衡方法。主軸單元設計時必須增加平衡盤，平衡盤的圓周方向設計有均勻分布的螺紋孔，其他相關零件安裝到主軸上后進行主軸組件整體動平衡時，不是在平衡盤上去重，而是在螺紋孔內擰入平衡錐端緊定螺釘，以平衡錐端緊定螺釘的擰入深度和周向位置來平衡主軸組件的偏心量。
3 電主軸溫升的抑制措施
3． 1 減小軸承發熱量的措施
3． 1． 1 適當減小軸承滾珠直徑
減小滾珠直徑可以減小離心力，從而減小摩擦力矩。但是，滾珠直徑的減小應以不過多削弱軸承的剛度為限。一般高速精密滾動軸承的滾珠直徑約為標準系列滾珠軸承滾珠直徑的70% ，而且做成小直徑密珠的結構形式，通過增加軸承的滾珠數和滾珠與內外套圈的接觸點，提高滾珠軸承的剛度。
3． 1． 2 采用新材料
陶瓷球軸承與鋼質角接觸球軸承相比，在高速回轉時，滾珠與滾道間的滾動和滑動摩擦減小，發熱量降低。比如陶瓷球軸承與鋼質角接觸球軸承相比的主要優點有:
( 1) 質量輕。材料密度僅為3. 218 × 103 kg /m3，只相當于鋼球的40%。在高速回轉時，滾動體的離心力和陀螺力矩可顯著減小從而接觸應力減小，摩擦功耗下降，發熱量降低。
( 2) 線膨脹系數小。α = 3. 2 × 10 － 6 /℃，約為鋼球的25% ，使得在不同溫升的條件下，球與內外環的配合間隙變化小，提高了軸承工作的可靠性，并減小了溫升導致的軸承軸向位移，也使得預加載荷變化小。
3． 2 電主軸單元發熱的解決方法
電主軸單元異常發熱后如何將熱量盡快帶走，從而有效控制溫升。
3． 2． 1 主軸軸承的潤滑冷卻措施———油氣潤滑系統
油氣潤滑是將微量的潤滑油均勻、連續地混入壓縮空氣流，再把它噴入要潤滑的摩擦副內的一種潤滑方法。它除了具有很好的潤滑性能之外，還有極強的冷卻效果。雖油氣潤滑系統比較昂貴，但對于高精密加工中心來說，一套油氣潤滑系統不至于將產品成本提高很多。
油氣潤滑在加工中心中應用，應注意以下事項: ①噴嘴距滾動軸承端面的距離可在3 ～ 25 mm 之間; ②在軸承腔壁上需開設排氣孔，以便流通; ③油氣潤滑系統的用油量極少，大約1 mL /h; ④油氣潤滑系統的含油量: 采用油氣潤滑時影響軸承溫升的因素之一是供油量。供油量決定著油氣兩者混合流中的含油量，給定速度下的軸承溫升與該含油量有關，初始階段軸承溫升隨含油量增加而迅速下降，而后其影響減弱，當含油量增加到某一數值后溫升緩慢增加，繼而急劇上升，因而油氣兩者的混合流中的含油量達到一個最佳值，才能既保證軸承的潤滑充足又保證軸承的強力冷卻。為此，油氣潤滑系統參數確定為: 空氣壓力為0. 4MPa，空氣流量為( 3. 3 ～ 6. 7) × 10 － 4 m3 /s，潤滑油運動粘度為32 mm2 /s，潤滑油流量約為( 0. 28 ～ 0. 83) ×10 － 10 m3 /s，調整潤滑油流量取得最佳含油量; ⑤油氣潤滑系統供油的均勻性: 采用油氣潤滑時影響軸承溫升的因素之二是供油的均勻性。決定供油均勻性的最主要參數是供油頻率。為了獲得合適的供油量，不能只降低供油頻率，而是合理匹配活塞直徑、沖程、供油頻率( 2 ～ 8 min) ，取得最佳方案，獲得理想的供油量。軸承潤滑方式的選擇與軸承的轉速、負荷、許用溫升及軸承類型有關，一般根據速度因數dm·n 值選擇。
其中: dm為軸承中徑( mm) : n 為工作轉速( r /min) 。采用油氣潤滑系統來解決高速電主軸中陶瓷球軸承的潤滑與冷卻問題，如圖2 所示。
油氣潤滑系統的基本原理是，利用具有一定壓力的壓縮空氣和由定量分配器每隔一定時間定量輸出微量的潤滑油，在一定長度的管道中混合，通過壓縮空氣在管道中的流動，帶動潤滑油沿管道內壁不斷地流動，把油氣混合物輸送到安裝于軸承近處的噴嘴( 孔徑1mm 中) ，經噴嘴射向內圈和滾動體的接觸點實現潤滑和冷卻，達到“最佳供油量”和“壓縮空氣進行冷卻”
油氣潤滑與油霧潤滑的主要區別在于供給軸承的潤滑油未被霧化，而是以油粒狀被壓縮空氣吹入軸承，向大氣中排放的僅是空氣，因此對環境沒有污染。具有一定壓力的潤滑油在接觸點除潤滑外還有帶走熱量和密封的作用。由于油滴是噴射而出，故可穿透在高速運轉時由于離心力的作用而在軸承周圍形成的空氣渦流，實現潤滑軸承的目的。油氣潤滑用大量的壓縮空氣來冷卻軸承，使得軸承的溫升比用油霧潤滑時要低很多。實驗表明，使用油氣潤滑的軸承溫升可比使用脂潤滑時降低5 ～ 80 ℃，比油霧潤滑降低9 ～ 160℃，隨著dm·n 值的增大，降溫的效果更明顯。
軸承潤滑的目的是減少軸承內部摩擦及磨損，防止燒粘，延長疲勞壽命，排出摩擦熱，冷卻。傳統的滾動軸承潤滑方法，如油浴潤滑法、油杯潤滑法、飛濺潤滑法、循環潤滑法和油霧潤滑法等已均不能滿足高速主軸軸承對潤滑的要求，這是因為高速主軸軸承不僅對油的粘度有嚴格要求，而且對供油量也有著嚴格要求。為了獲得最佳的潤滑效果，供油量過多或過少都是有害的。而油氣潤滑系統則可以精確地控制各個摩擦點的潤滑油量，可靠性極高，因而可在高速主軸軸承領域應用。
3． 2． 2 主軸軸承外環和內裝式電動機的循環冷卻措施———油—水熱交換系統
為了提高軸承外環的散熱效果，在主軸設計中可采用主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統，對主軸套筒進行強制冷卻，從而帶走主軸軸承外環異常產生的熱量。主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統采用連續、大流量、冷卻液對主軸套筒進行循環冷卻，冷卻液從主軸套筒上的入油口輸入，通過主軸軸承外環主軸套筒上的螺旋槽，與主軸套筒進行充分的熱交換，將主軸軸承外環產生的絕大部分熱量轉移到冷卻液中，從主軸套筒上的出油口輸出，然后流經熱交換器，進行再一次熱交換，將冷卻液溫度降到接近室溫后，流回冷卻箱，再經過壓力泵增壓輸到入油口，從而實現循環冷卻。
主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統在加工中心中應用，應考慮以下內容: ①冷卻劑的選擇: 常用的冷卻劑有制冷劑、水、油及油水混合物，因產品具體情況選取，其中水冷降熱比高、價格低廉、維護方便，深受廣大用戶青睞; ②冷卻液或油或油水混合物冷卻時介質壓力約0. 4 MPa 為宜，介質流量約50 L /min 為宜。由于主軸電動機兩端就是主軸軸承，電動機的發熱會直接降低軸承的工作精度，如果主電動機的散熱解決得不好，將會影響到機床工作的可靠性和穩定性。有限元分析表明，電主軸的定子和轉子是電主軸的兩大熱源。另外，電動機高速運轉條件下，有近1 /3 的電動機發熱量是由電動機轉子產生的，并且轉子產生的絕大部分熱量都通過轉子與定子間的氣隙傳入定子中，只有少部分熱量直接傳入主軸和端蓋上，其余2 /3的熱量產生于電動機定子。轉子散熱條件差，又直接安裝在主軸上，設計中應盡量減小電動機徑向傳熱熱阻，使轉子的發熱量盡可能多地通過氣隙傳到定子和殼體中去，并由冷卻液帶走。為了提高散熱效果，保證電動機的絕緣安全，高速電主軸采用油一水熱交換循環冷卻系統如圖3 所示。系統采用連續、大流量、冷卻油對定子進行循環冷卻，冷卻油從主軸殼體上的入油口輸入，通過定子冷卻套上的螺旋槽，與電動機定子進行充分的熱交換，將電動機產生的絕大部分熱量轉移到油中，從殼體的出油口輸出，然后流經逆流式冷卻交換器，與冷卻水進行再一次熱交換，將熱油溫度降到接近室溫后，流回油箱，再經過壓力泵增壓輸到入油口，從而實現循環冷卻。根據主軸電動機的要求，冷卻油的入口溫度T 在10 ～ 40 ℃之間，溫升不得超過10 ℃。
現有的高速主軸主要是通過在主軸殼體內加冷卻油，并不斷地循環，把熱量帶走，來進行冷卻。其基本的冷卻路線是: 首先從主軸冷卻油溫控制器流出冷卻油，經過在靠近前端蓋的入水口，冷卻油進入前端軸承的外圍，對前端軸承進行冷卻。接著流向主軸的定子和后端軸承進行冷卻，最后從出水口流回主軸冷卻油溫控制器完成循環。
3． 2． 3 主軸軸承內環和內裝式電動機轉子的冷卻措施———B 型內冷
采用主軸套筒螺旋槽冷卻液熱交換系統，與不采用主軸套筒熱交換系統冷卻時軸承內環的溫度也下降了一些，只有4 ～ 5 ℃，這表明主軸套筒熱交換系統對軸承內環的散熱效果不明顯。要減少主軸軸承內環的溫升和熱影響，必須采用冷卻劑對主軸中心孔冷卻( B型內冷) ，提高主軸軸承內環的散熱來實現。
4 試驗分析
主軸單元的發熱和溫升是一個動態過程。當主軸在不同的負荷率、不同的轉速下運轉時，主軸的發熱和溫升是有所不同的。負荷率越大、轉速越高，發熱量越大，溫升也越明顯。為此，我們做了主軸轉速為1 000～ 15 000 r /min 時，主軸前端第二、第三、第四和主軸后軸承、進出油口處的溫度測試動態試驗。
4． 1 試驗目的
對HMC80 臥式加工中心主軸單元進行溫度測試，根據溫度測試數據，擬合出主軸前后軸承的溫度變化曲線，建立溫度與時間、轉速、位移等關系的數學模型，找出影響溫度變化的主要因素，進而為主軸的熱變形量提出補償措施，實現對主軸的溫度控制，提高高速機床的加工精度。具體實驗目標如下: ( 1) 測定主軸前后軸承及進出油口在主軸轉速為1 000 ～ 15 000r /min 時的溫度; ( 2) 分析軸承及進出油口溫度上升的原因; ( 3) 擬合出主軸前后軸承及進出油口隨轉速上升的溫升曲線; ( 4) 建立溫度與時間、轉速、位移等關系的數學模型。
4． 2 試驗條件
本試驗采用青海一機HMC80 臥式加工中心的自制高速電主軸系統，在青海一機主軸試驗臺上進行測試。主軸定子、轉子采用FANUC AC 伺服電動機，電動機功率25 /30 kW; 前軸承采用小滾珠陶瓷球軸承，后軸承采用單列短圓柱滾子軸承; 主軸前后軸承外圈和電動機定子具有循環冷卻。
4． 3 測試原理
溫度傳感器熱電阻測溫原理是基于金屬導體的電阻值隨溫度的升高而增大這一特性來進行溫度測量的。溫度傳感器熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅。軸承表面的溫度和進出油口的油溫是通過溫度傳感器和溫度變送器進行非電量與電量的轉換，然后傳給LMS 數據信號采集系統對模擬電信號進行采樣，把采樣數據送工控機程序進行數據處理，轉化成數字信號。
4． 4 試驗具體方法步驟
溫度測試動態試驗具體步驟如下:
( 1) 分別在主軸前端與第二、第三、第四和后軸承所對應的主軸箱外壁鉆一個直徑為10 mm 的孔，使孔剛好穿過主軸套筒。再加工4 個外徑為10 mm，內徑為6 mm，長度為37 mm 的空心圓柱銅套。
( 2) 將直徑為5 mm的溫度傳感器裝入銅套螺母，使溫度傳感器前端接觸軸承外圈，用密封膠帶將傳感器與銅套前端內壁固定，再通過螺紋連接將銅套外壁端固定在孔內，用銅套螺母將銅套后端固定在主軸箱外壁( 見圖4) 。在主軸進出油口處分別裝上三通，再將溫度傳感器通過螺紋連接在主軸進出油口處三通上。
( 3) 將主軸前端第二、第三、第四和主軸后軸承內的4 個溫度傳感器分別插入信號采集系統與之對應的第1、第2、第3 和第4 接口內( 這4 個溫度傳感器分別是計算機LMS 軟件系統通道設置對應的T1、T2、T3、T4) ，將進出油口處的溫度傳感器的另一端分別插入信號采集系統與之對應的第5、第6 接口內( 后兩個溫度傳感器分別是計算機LMS 軟件系統通道設置對應的T5、T6) 。
( 4) 接通電源，將計算機與信號采集系統用網線聯接，打開信號采集系統開關，再打開Test． Lab Signature軟件，對溫度傳感器進行通道設置。
( 5) 運行電主軸，每隔20 min 調整一次主軸轉速，每次轉速調整上升1 000 r /min，用6 個溫度傳感器對各軸承溫度及進出油口油溫進行測試，打開溫度窗口，觀察測量溫度值。
( 6) 實驗完畢，保存數據，停機。將LMS 測得數據轉換為Excell 格式，通過Matlab軟件模擬出T1、T2、T3、T4、T5、T6 在不同轉速下的溫升曲線圖。
4． 5 測試溫升曲線圖
主軸前端第二、第三、第四和主軸后軸承、進出油口處在主軸1 000 ～ 15 000 r /min 轉速下的溫升測試曲線如圖5 ～ 10 所示。
4． 6 測試結果
本試驗采用比利時多通道動態監測儀，選用高精度pt 100 溫度傳感器作為數控機床主軸軸承溫度的直接檢測元件，通過對電主軸不同轉速下電主軸軸承外圈溫度的直接測量尋找最佳溫升情況下冷卻系統流量、油—氣潤滑量及軸承預緊的相互匹配關系。在實驗中發現: 在轉速達到12 000 r / min時主軸溫升在30 ℃左右，并且在運轉約30 min 后，能達到熱平衡狀態; 在13 000 ～ 15 000 r /min 時主軸溫度連續上升，運轉30 min 后溫度繼續上升，最高溫度能達到50 ℃左右。另外通過對比，當主軸連續運行30 min 后，主軸錐孔中的溫度與軸承外圈溫度傳感器直接測定的溫度相差約2 ～ 3 ℃，這也為以后主機上無法直接測量主軸溫升，用間接法測量主軸溫升提供了參考。
5 結語
由此可見，機床設計師在進行高速加工中心電主軸單元設計時，兼顧折中各方面因素，一定要權衡剛度、變形量和壽命等之間的利弊，取得最佳主軸系統的溫升控制和熱變形抑制。以上只是對機床熱變形研究和試驗分析，希望對機床電主軸系統設計者起到一定的幫助作用。
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