高性能磨用電主軸在軸承行業(yè)中的應(yīng)用*

姚銀歌，王廣輝，俞 蓬，張 濤，張海杰

（洛陽軸承研究所有限公司，河南洛陽 471039）

0 引言

磨削用電主軸目前是國內(nèi)最主要的電主軸類型，主要應(yīng)用于軸承行業(yè)套圈內(nèi)磨工序[1]。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是電機(jī)、軸承、砂輪、熱處理等技術(shù)的飛速發(fā)展，永磁同步工件電軸、砂輪修整器電主軸、套圈外磨電主軸等磨用電主軸廣泛應(yīng)用于軸承行業(yè)。相對于傳統(tǒng)電主軸，此類主軸具有高效率、高精度、大功率、高剛性、低振動、低噪聲等優(yōu)良的性能，可有效提高加工效率及表面質(zhì)量。

國內(nèi)針對某一種或某一類電主軸的熱特性、電磁學(xué)、動力學(xué)等研究文獻(xiàn)相對較多，而全面系統(tǒng)的磨用電主軸的應(yīng)用文獻(xiàn)較少。穆敬巍[2]針對當(dāng)時電主軸的技術(shù)特征，從功率選擇、軸承潤滑和電機(jī)工作制3個方面介紹了電主軸選用方法，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和主軸種類的增多，造成相關(guān)從業(yè)人員在電主軸選型和應(yīng)用過程中存在各種各樣的疑惑。本文依據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，介紹不同電主軸在軸承行業(yè)中的應(yīng)用及應(yīng)用特點(diǎn)，并且對常見的機(jī)械和電氣問題以及問題原因進(jìn)行總結(jié)，并指出長壽命和智能化是未來高性能磨用電主軸的發(fā)展方向，供廣大相關(guān)從業(yè)人員參考。

1 高性能磨用電主軸特征及其技術(shù)指標(biāo)

1.1 熱穩(wěn)定性好

電主軸自身產(chǎn)生的熱量主要來自于電機(jī)和軸承。高性能磨用電主軸一般采用轉(zhuǎn)子內(nèi)部無感應(yīng)電流、渦流和鐵耗小、發(fā)熱少的永磁同步電機(jī)，可有效降低主軸本身的發(fā)熱[3]。與此同時，采用低溫升軸承并根據(jù)實(shí)際工況定制化加載軸承預(yù)負(fù)荷，降低軸承的發(fā)熱。主軸產(chǎn)生的熱量少，軸向穩(wěn)定好，可獲得較好的表面加工精度。

1.2 剛性高

主軸設(shè)計(jì)時采用最優(yōu)軸系結(jié)構(gòu)，并采用高剛性系列軸承。如圖1所示，軸端接口采用HSK-C系列高可靠性手動刀柄接口，因其采用1∶10短錐及端面雙定位，0.008～0.010過盈連接，使得動、靜態(tài)聯(lián)接剛性大、扭矩傳遞能力強(qiáng)、聯(lián)接可靠性突出[4]，該接口之前廣泛應(yīng)用于加工中心主軸，近年也應(yīng)用于磨用電主軸，可有效提高主軸砂輪連接桿的剛性和重復(fù)定位精度。

圖1 HSK-C手動接口

1.3 扭矩大、功率高

根據(jù)用戶的實(shí)際需求，電機(jī)一般采用鑄銅轉(zhuǎn)子或永磁同步電機(jī)，相同條件下，功率可提高30%～50%，甚至更高。尤其是永磁同步電機(jī)，具有極佳的硬轉(zhuǎn)矩特性，在負(fù)載波動情況下具有較高的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，易于獲得較好的表面質(zhì)量[5]。永磁同步電機(jī)的優(yōu)異性能如表1所示。

表1 GMN永磁同步與三相異步電機(jī)參數(shù)對比表

1.4 高精度、低振動、低噪聲

主軸同精密軸承一樣，對精度、振動及噪聲的需求無止境，高性能磨用電主軸，轉(zhuǎn)軸上旋轉(zhuǎn)件動平衡精度等級在G0.4級，甚至以上的級別，一般采用P4A及P2級以上精密滾動軸承。加工及裝配過程中需嚴(yán)格控制電機(jī)定、轉(zhuǎn)子同軸度，保證主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時磁拉力均勻，以實(shí)現(xiàn)主軸高精度、低振動、低噪聲[6]。

1.5 指標(biāo)對比

高性能磨用電主軸各項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)的磨用電主軸，各別指標(biāo)項(xiàng)也優(yōu)于2021年新實(shí)施的JB/T 10801.4-2020行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具體指標(biāo)對比[7]如表2所示。從表中可看出，高性能磨用電主軸各項(xiàng)指標(biāo)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，代表著當(dāng)前國內(nèi)磨用電主軸發(fā)展的水平。

2 高性能磨削電主軸在軸承行業(yè)中的應(yīng)用

軸承行業(yè)中，常根據(jù)主軸的功能進(jìn)行分類，一般情況分為砂輪軸、恒扭矩工件軸、砂輪修整器用軸3大類。其中，砂輪軸常見有2種：內(nèi)表面磨削電主軸(包含外內(nèi)溝道)、外表面磨削（包含內(nèi)外溝道）電主軸。將加工風(fēng)電、盾構(gòu)機(jī)等重大型軸承所需的立磨電主軸集內(nèi)表面磨削、外表面磨削為一體，故將其單獨(dú)化為一類。表3～6對以上各類主軸的應(yīng)用場合及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)逐一介紹。

表3 內(nèi)表面磨削電主軸

表4 外表面磨削電主軸/恒扭矩工件軸

表5 砂輪修整器電主軸

表6 低速大扭矩、高剛性砂輪軸

3 高性能磨用電主軸常見的應(yīng)用故障及應(yīng)用案例

3.1 常見應(yīng)用問題及原因

（1）機(jī)械問題

磨削工件圓度大常見原因：光磨時間過短；砂輪硬度過高；機(jī)床系統(tǒng)剛性差；砂輪軸震蕩時振動大；電主軸功率不足等。

工件表面有直波形痕跡常見原因：砂輪主軸間隙過大；砂輪壓緊機(jī)構(gòu)或工作臺“爬行”；砂輪與工件轉(zhuǎn)速比為整數(shù)；砂輪靜平衡不好或砂輪變鈍等。

磨削工件錐度大常見原因：砂輪硬度過低；砂輪寬度與工件寬度不匹配；砂輪軸進(jìn)給速度過快，精磨量偏小，光磨時間短；砂輪主軸軸向與工件軸軸線不平行；主軸剛性差；砂接桿設(shè)計(jì)不合理；配合面接觸剛性差等[8]。

（2）電氣相關(guān)異常問題

電氣常見問題為電機(jī)自學(xué)習(xí)故障，常見原因：電機(jī)參數(shù)設(shè)置不正確（最常見原因，也會引起電機(jī)異響和振動）；電機(jī)容量與變頻器容量不匹配；變頻器上線頻率小于主軸額定頻率的2/3等。此外，變頻器過熱也是電氣常見故障之一，常見原因?yàn)槌d使用、載波頻率設(shè)置過高等。其他原因應(yīng)具體問題具體分析。

3.2 應(yīng)用案例

某公司在加工6203軸承內(nèi)孔時磨削節(jié)拍8.2 s，磨削效率低。應(yīng)用高性能磨用電主軸后，產(chǎn)品質(zhì)量和效率均得到提升，波紋度不合格率由3‰降低至1‰，磨削節(jié)拍提高至6.2 s，單件產(chǎn)品效率提升24%；將夾持7010軸承內(nèi)圈的工件機(jī)械軸升級為采用永磁同步電機(jī)的高性能磨削電主軸，加工內(nèi)外溝道時，波紋度由0.6～0.7（2～500波）提高至0.4～0.5，圓度由0.4μm提高至0.25μm。高性能磨用電主軸有眾多提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量的成功應(yīng)用案例，此處不再進(jìn)行一一介紹。

4 高性能磨削電主軸發(fā)展展望

電主軸實(shí)際應(yīng)用除了性能的需求外，越來越多的用戶開始關(guān)注主軸的長壽命，期望平均無故障工作時間MTBF為5 000 h。受制于密封技術(shù)，當(dāng)前電主軸市場普遍質(zhì)保時間為1年（8 h工作制），高可靠性及長壽命軸承的研發(fā)及密封技術(shù)的發(fā)展必將會促進(jìn)主軸壽命的提升。在實(shí)際應(yīng)用中，少量高精尖機(jī)床主軸配備有在線測振、測溫以及聲發(fā)射（AE）系統(tǒng)，但均還處于磨用電主軸智能化的初級階段。隨著微機(jī)電器件和通訊技術(shù)的發(fā)展，主軸智能化是新一代電主軸的重要特征，代表機(jī)床主軸單元的未來發(fā)展趨勢[9]。長期來看，長壽命和智能化將是高性能磨用電主軸的新發(fā)展趨勢。

5 結(jié)束語

本文全面深入地介紹了高性能磨用電主軸的技術(shù)特點(diǎn)，與2021年新實(shí)施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及傳統(tǒng)磨用電主軸進(jìn)行了通用指標(biāo)項(xiàng)對比；針對軸承行業(yè)常用的內(nèi)表面磨削、外表面磨削、低速大扭矩砂輪軸、工件軸及砂輪修整器5大類高性能電主軸，分別介紹了其應(yīng)用范圍和內(nèi)在的技術(shù)特征，并對應(yīng)用中的圓度大、錐度大及常見電氣問題進(jìn)行原因分析，指出長壽命和智能化將是高性能磨用電主軸的新發(fā)展趨勢，供廣大從業(yè)人員參考。