电主轴故障分析及提高其可靠性措施

籍永建 ， 王红军

（北京信息科技大学a.现代测控技术教育部重点实验室；b.机电工程学院，北京100192）

0 引言

随着航天、汽车以及其他行业的不断发展，机床的高速化已经成为一种不可阻挡的潮流［1］。作为高速、超高速加工中心的核心部件，电主轴在促进高速切削技术发展、简化机床结构、降低机床成本、提高机床可靠性等方面都发挥着巨大的作用，因此电主轴的工作性能也越来越受到业内人士的关注。

1 电主轴简介

1.1 电主轴组成部分

与传统机床主轴不同，电主轴是将主轴电机的定子、转子直接装入主轴部件内部，其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性良好、传动效率高等一系列优点［2］。

电主轴采用变频电机与机床主轴合为一体的形式，取消电动机与主轴之间的一切机械传动环节，实现了变频电机与主轴之间的零传动。这种传动方式有效地避免了皮带或齿轮传动方式中的主轴系统在高速下易打滑、振动以及高噪声、惯量大等缺点。

1.2 电主轴的特点［3］

与传统机床主轴（机械主轴）相比，电主轴具有无可替代的优势，笔者主要从以下5个方面进行阐述。

图1 电主轴结构示意图

1）结构设计方面。由于省去皮带、齿轮等中间传动环节，电主轴结构简单紧凑，同时也提高了工作效率，工作噪声低，振动小。

2）转速控制方面。交流变频技术的使用使电主轴能够实现无级变速（额定转速内），对工况的变化有更强的适应性。

3）内装电机控制方面。采用闭环矢量控制、伺服控制技术，在机床低速切削时可提供大转矩，高速精加工时也可提供大功率。

4）加工质量方面。易于实现高速化，工作平稳，加工质量好，加工精度高、效率高，超高速下可加工硬脆性材料。

5）生产与市场推广方面。电主轴系统实现了电机与主轴的一体化、单元化，这有助于电主轴制造商对其进行系列化、规模化的生产，同时电主轴能够以模块的形式安装到机床上，对机床模块化具有促进作用。

2 电主轴故障及提高可靠性措施

2.1 常见故障

若电主轴发生故障会对加工生产带来不利影响，同时也会损坏相关设备。所以及时发现或预防故障是生产加工中的关键环节之一。笔者将常见故障分为如下几类，并对其进行分析，提出预防措施。

1）液体泄漏类故障。总的来说，液体泄漏包括主轴冷却介质的泄漏以及回转密封处切削液的泄漏。密封泄漏是常见故障之一，主要原因是切削液内较硬的大颗粒混合物等杂质加剧了密封陶瓷片的磨损，从而导致其失效而发生泄漏。防止此类故障发生，应满足以下要求［4］：a.切削液内最大杂质颗粒不大于50μm；b.冷却润滑剂的压力不高于8 MPa。

2）振动类故障。电主轴的振动会造成加工工况不稳定，使加工精度变差。造成主轴振动的原因主要有主轴轴承磨损，定子与转子的同轴度较差以及主轴零件变形等［5］。

应用磁悬浮轴承的电主轴中会存在一种特殊的振动——拍振。拍振是振幅随时间做周期性变化的振动，这种振动会导致设备寿命变短，严重时会引起故障［6］。一般情况下，可通过在线调节控制参数来抑制拍振现象。

3）发热类故障。电主轴的主要热源有内装电机发热、搅动热、轴承热以及切削热等，若电主轴产生的热量不能及时散发掉就会引起主轴的热变形，直接影响到加工精度。改善主轴温升的最佳措施之一是运用轴心冷却与轴承圈座润滑来控制电主轴的温升［7］，另外，可在定子上加装冷却水套。若主轴工作时温升偏高，应检查、疏通相关的冷却设备，并检查轴承的润滑状况等。

4）主轴抱死。润滑油不足或太脏都有可能导致主轴抱死。主轴抱死不仅危害机床本身，同时也会影响加工质量。主轴在使用过程中若发生抱死现象应立即停车，防止造成更大损失。为预防主轴抱死，应促进轴承的润滑，对电主轴进行定期维护。

2.2 提高可靠性措施

提高电主轴的可靠性对生产加工具有重大意义。主要应从设计环节、工作运行环节、日常维护环节来采取提高电主轴可靠性的措施。

1）设计环节［8］。设计环节要考虑的主要因素有滚动轴承的选用，合理的润滑方式，密封技术，以及冷却系统的设计等。

主轴轴承的合理选用是提高可靠度的关键，目前主要有磁浮轴承、动静压轴承以及陶瓷轴承。其优缺点如表1所示。

为了保证机床工艺系统的精度与稳定性，必须采用合理的润滑方式，一般根据轴承的转速、负荷、容许温升以及轴承类型选取不同的润滑方式。常用的形式有油雾润滑、油气润滑、喷射润滑、环下润滑。其比较如表2所示。

轴承的预紧与运转和润滑状态有很大关系，应根据不同的运行条件选择相应的润滑方式：高速运行时应选用黏度低的润滑油，高速或超高速轴承最好选用油雾润滑［10］。

表1 不同类型轴承比较［9］

表2 不同润滑方式对比［9］

采用油雾润滑的电主轴润滑油一定要纯净，不含杂质，并且不能将不同种类的润滑油混用。

油污等杂质进入轴承会使轴承完全损坏，所以污物是主轴可靠性下降的常见原因。为防止污物进入，必须选用合理的密封方式，常见的密封方式有小间隙型密封、迷宫型密封、飞檐型密封以及高压气密封，其对比如表3所示。

表3 不同密封方式对比

电主轴的结构特点决定了其自身的散热性较差，主轴、轴承产生的热量如果不能及时散发掉，会影响主轴的工作性能，甚至会产生由于热变形加剧轴承发热的恶性循环。所以必须采用合理的冷却方式。根据不同主轴的工作状况，可采用油气冷却、水冷却等方式。使用水冷却时，要防止冷却水进入主轴内部造成泄漏。

此外，还可以通过适当减小轴承滚珠直径，采用质量轻、线性膨胀系数小的新材料等措施来减小轴承的发热量［11］。可靠性试验也是提高主轴可靠性的必要手段。

2）工作运行环节。操作不当是造成主轴可靠性降低的主要方面。主轴的运行环境，安装、操作流程，使用规范，维修策略等与其可靠性息息相关。大多数电主轴故障都是由于使用工况超过设计许用条件所致［12］，因此一定要严格按照合理的操作方式对其进行操作，保证运行时不超过额定功率等其它许用条件。

另一方面，在加工工件时，要避开机床的共振频率。例如，笔者对某立式加工中心主轴不同转速下回转精度进行测试，测试中发现，当机床主轴转速在3900 r/min时，主轴发生共振，其回转误差明显增大（图2），若在此转速下进行加工，不仅无法保证工件的加工质量，而且主轴的可靠性也会急剧下降。因此必须避开此转速。

图2 主轴不同转速下回转误差

此外，主轴工作时要有稳定的工作电压等。

对运转中的电主轴进行实时监控，检查油管、气管是否漏气，主轴是否有异常响动以及主轴壳体温度是否过高等。

3）日常维护环节。主轴要定期维护，更换润滑脂等，要严格按照要求进行拆装。

电主轴不使用时要用压缩空气将水腔内的水吹干，同时要保证轴承的清洁，避免切屑等杂物进入主轴内部造成电主轴精度的失效。套筒及刀具界面处要涂上防护油，油气接头及冷却水管接头应用保护套保护，放在干净、干燥的地方［13］。

3 结论

机床电主轴运行的可靠性直接影响到机床的工作状态，电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性良好等优良特性。分析了常见的故障类型，并从设计环节、工作运行环节、日常维护环节浅析了提高电主轴可靠性的措施。

值得注意的是，电主轴的可靠性是由多种因素共同决定的，片面地注重某一方面的提高并不能使主轴整体可靠性得到提升，所以考虑电主轴可靠性时应该统筹考虑各方面的影响。

［1］ 李永芳，张启萍，王瑞，等.高速电主轴系统热变形分析及抑制措施［J］.制造技术与机床，2012（2）：92-98.

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