高速電機概況1概述高速加工技術越來越受到人們的關注，它不僅可獲得更大的生產率，而且還可獲得很高的加工質量，并可降低生產成本，因而被認為是21世紀最有發展前途的先進制造技術之一。在先進工業國家，此項技術已廣泛應用于航空、航天及模具行業。在近五年中，我國的該項技術也取得了長足的進步。是實現高速切削的前提條件，機床的高速化是目前機床的發展趨勢。高速機床與虛擬軸機床均為機床突破性的重大變革。無論是普通數控機床還是虛擬軸機床，實現高速化的關鍵部件仍是主軸單元。主軸高速化常用dn值(dn值是指主軸軸承的平均直徑(mm)與主軸的極限轉速(r/min)的乘積)來衡量，高速主軸常是指dn值在1.0 106以上的主軸。隨著軸承技術、潤滑技術的發展，主軸的轉速在逐年提高。在資料顯示，在80年代，主軸軸承在脂潤滑條件下的dn值最多只能達到0.5 106，但當油氣潤滑裝置開發出來以后，dn值迅速提高到1.0 106，采用角接觸陶瓷球軸承后，主軸軸承的dn值進一步提高到2.0 106。到90年代，采用新的潤滑方式 噴射潤滑，使主軸的dn值達到3.0 106。對于轉速在10000r/min以上的主軸單元，通過皮帶或者聯軸器來驅動已不再合適，較合理的方式是采用內裝電機直接驅動，即將電機的轉子直接安裝在主軸上，定子安裝在主軸套筒里，做成所謂電主軸的形式。該電主軸具有結構緊湊、易于平衡、傳動較率高等優點，是高速主軸理想的結構。電主軸的性能除了受軸承及其潤滑技術影響較大以外，還受許多因素的影響，其中包括軸承預緊力的控制、內裝電機的發熱與冷卻、主軸的動平衡、軸上零件的連接等。此外，主軸軸端的設計也是高速電主軸不容忽視的問題。2電主軸軸承的選擇及其預緊技術用在高速主軸單元上的軸承主要有角接觸球軸承、磁懸浮軸承、水基動靜壓軸承、空氣動靜壓軸承等。磁懸浮軸承由于價格昂貴，控制系統復雜，發熱問題難以解決，因而還無法在高速主軸單元上推廣應用。水基靜壓軸承是目前國內較熱門的研究課題之一，它是利用水具有熱容量較大、軸承溫升較小的特點，部分解決了普通動、靜壓軸承發熱嚴重的問題，主要用在低速重載場合。空氣動靜壓軸承徑向剛度低并有沖擊，但高速性能好，一般用在超高速、輕載、精密主軸上。角接觸球軸承dn值在2.0 106以下的高速主軸單元中應用，無論是速度極限、承載能力、剛度、精度等各方面均能很好地滿足要求并已標準化，價格低廉，目前90%的主軸組件采用這種類型的軸承。該類型軸承還可通過以下方法來提高性能。合理潤滑主軸軸承常見的潤滑方式有脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑、噴射潤滑及環下潤滑等。脂潤滑不需任何設備，是低速主軸普遍采用的潤滑方式。dn值在1.0 106以上的主軸，多采用油潤滑的方式，其中油霧潤滑是將潤滑油(如透平油)經壓力空氣霧化后對軸承進行潤滑的。這種方式實現容易，設備簡單，油霧既有潤滑功能，又能起到冷卻軸承的作用，但油霧不易回收，對環境污染嚴重，故逐漸被新型的油氣潤滑方式所取代。油氣潤滑是將少量的潤滑油不經霧化而直接由壓縮空氣定時、定量地沿著專用的油氣管道壁均勻地被帶到軸承的潤滑區。潤滑油起潤滑的作用，而壓縮空氣起推動潤滑油運動及冷卻軸承的作用。油氣始終處于分離狀態，這有利于潤滑油的回收，而對環境卻沒有污染。實施油氣潤滑時，一般要求每個軸承都有單獨的油氣噴嘴，對軸承噴射處的位置有嚴格的要求，否則不易保證潤滑效果，油氣潤滑的效果還受壓縮空氣流量和油氣壓力的影響。一般地講，增大空氣流量可以提高冷卻效果，而提高油氣壓力，不僅可以提高冷卻效果，而且還有助于潤滑油到達潤滑區，因此，提高油氣壓力有助于提高軸承的轉速。實驗表明，加大壓力比采用常規壓力進行油氣潤滑可使軸承的轉速提高20%。噴射潤滑是直接用高壓潤滑油對軸承進行潤滑和冷卻的，功率消耗較大，成本高，常用在dn值為2.5 106以上的超高速主軸上。環下潤滑是一種改進的潤滑方式(見圖1)，分為環下油潤滑和環下油氣潤滑。實施環下油或者油氣潤滑時，潤滑油或油氣從軸承的內圈噴入潤滑區，在離心力的作用下潤滑油更易于到達軸承潤滑區，因而比普通的噴射潤滑和油氣潤滑效果好，可進一步提高軸承的轉速，如普通油氣潤滑，角接觸陶瓷球軸承的dn值為2.0 106左右，采用加大油氣壓力的方法可將dn值提高到2.2 106，而采用環下油氣潤滑則可達到2.5 106。采用角接觸陶瓷球軸承圖1環下潤滑結構簡圖影響角接觸球軸承高速性能的主要原因是高速下作用在滾珠上的離心力和陀螺力矩增大。離心力增大會增加滾珠與滾道間的摩擦，而陀螺力矩增大則會使滾珠與滾道間產生滑動摩擦，使軸承摩擦發熱加劇，因而降低軸承的壽命。為了提高軸承的高速性能，常采用兩種方法：一是減小滾球的直徑，如采用已標準化的71900系列主軸軸承；另一種則是采用新型的陶瓷(Si3N4)材料做滾珠，由于Si3N4陶瓷材料的密度僅為軸承鋼的40%，因而這種軸承的高速性能明顯高于全鋼軸承。目前國外絕大多數高速機床主軸均采用這種軸承。合理的預緊力控制為了提高軸承的剛度，抑制振動及高速回轉時滾珠公轉和自轉的滑動，提高軸的回轉精度等，在主軸上使用的滾動軸承均需預緊。預緊的方式主要有恒位置預緊和恒力預緊