高精度模具制造中的电主轴振动控制方案
2026-1-14 来源： 西安华中数控有限公司 作者：刘建锋
摘要：高精度模具制造对于加工设备稳定性有着严苛要求。电主轴作为数控机床核心部件，运行时的振动问题直接影响模具表面质量和加工效率。针对电主轴在模具制造中的振动控制难题，从振动机理、传递路径与工艺影响3方面展开分析，发现轴承装配误差、切削力突变及热变形为主要振动诱因。基于此，提出结构优化、主动控制和监测诊断相结合的综合方案，即通过悬伸端辅助支撑增强主轴刚性，采用压电作动器与自适应算法实现动态振动抑制，结合多传感器融合提升故障预警能力。
关键词：电主轴；模具制造；振动控制；结构优化；在线监测
模具作为工业制造的核心工艺装备，加工精度直接决定汽车、电子等终端产品的质量与性能。随着模具型面复杂度与表面光洁度要求的持续提升，传统加工设备难以满足微米级精度需求，而电主轴凭借其高
转速、高刚性的优势成为精密模具加工的关键设备。但是，电主轴运行过程中产生的切削颤振、轴向窜动及径向偏摆等振动问题，严重制约了加工效率与成品合格率的提升。目前，对电主轴振动控制的研究多聚
焦于单一维度振动抑制，如轴承预紧力调整或隔振垫的应用，缺乏系统性的解决方案。文章通过构建振动控制综合方案，阻断振动能量传递路径，打破实时动态补偿技术的瓶颈，为高精度模具制造设备的升级提
供理论支撑与技术参考。
1、 电主轴振动问题的成因及影响
1.1 电主轴振动问题的成因
1.1.1 振动机理分析
电主轴振动源于设备运行时的能量失衡状态。从内部作用机制来看，电机定转子间的非线性电磁力是核心激振源，磁场分布周期性畸变引发的持续波动，导致转轴径向偏移。轴承系统装配误差（如轴向预紧
失配）会打破原有力学平衡，当主轴转速跨越临界值时，这种失衡状态将引发剧烈共振。外部干扰主要来自切削过程中的力突变效应，刀具切入工件瞬间产生的冲击载荷与主轴旋转惯性力叠加，形成复合振动激
励。尤其需要关注的是，主轴冷却系统若存在流量分配不均问题，局部温升差异产生的热应力会显著提高振动水平 [1]。
1.1.2 振动传递路径
振动能量通过 3 条关键通道影响加工系统。主轴前端的径向振动直接作用于刀具夹持机构，造成切削刃轨迹偏移并降低加工稳定性。轴向振动经推力轴承传递至机床立柱，造成 Z 向进给系统定位漂移与重复精度劣化。最容易被忽视的是结构传导路径，转子的扭转振动通过弹性联轴器传入驱动电机，随后扩散为机床整体的低频震颤。这种能量传导在 800 ～1 200 Hz 内形成的驻波，会对薄壁模具件产生不可逆的形变损伤。
1.2 电主轴振动对模具加工的影响
持续振动对模具加工质量构成三重威胁。微观层面，刀具与工件间的高频微幅振动导致切削厚度呈现规律性周期变化，在模具表面形成波纹度为 0.4 ～1.6 μm 的鱼鳞状纹路。中观层面，主轴轴向窜动引发加工坐标系漂移，致使型腔位置度误差随加工时长延长而增大。宏观层面的危害表现为刀具系统异常损耗，当振动加速度超过 8 m · s-2 时，硬质合金刀片的崩刃概率增加 3 倍且磨损速率加快。此外，振动引发的谐波共振可能造成主轴轴承滚道早期剥落。这类隐性损伤会使模具加工设备的精度下降 40% 以上，直接影响生产质量的稳定性。
2、 振动控制方案设计
2.1 结构优化
电主轴机械结构改良是抑制振动的首要环节。针对悬伸端刚性不足问题，采用多点辅助支撑的方案。在主轴前端法兰盘增设环形阵列分布的 12 组 M10 定位螺栓孔，配合 C95200 铝青铜高阻尼垫片，形成
分布式承力结构。这种设计使系统一阶临界转速从9 000 r·min-1 提升至 12 500 r·min-1，有效避开 8 000 ～10 000 r · min-1 的常见加工转速带 [2]。轴承系统采用非对称布局，前轴承选用氮化硅陶瓷角接触轴承（型号为 7014C），后轴承组采用 2 套 NSK 6208 深沟球轴承串联布置，以此将轴向刚度提升至 68 N · μm-1。
2.2 主动控制技术
动态振动补偿技术通过产生实时反作用力抵消振动能量。在主轴壳体内部周向嵌入 24 组德国 PI 公司生产的 E-852 压电作动器阵列，这些器件能根据Kistler 8763A 振动传感器的反馈信号生成反向机械波，相位补偿精度为 ±0.05°。控制算法采用模糊比例 - 积分 - 微分（Proportional Integral Derivative，PID）自适应算法，通过在线调整比例系数（范围为0.8 ～ 1.2）、积分时间（范围为 20 ～ 50 ms）匹配不同转速工况。当检测到切削力突变超过 200 N 时，系统能在 35 ms 内完成振动相位识别与补偿力加载，将振幅控制在安全阈值（5 μm）内。该技术对 2 000 Hz以下的中低频振动抑制效果显著，在薄壁模具加工中，
能够使表面波纹度从 1.20 μm 降至 0.35 μm，降幅达70.8%。
2.3 监测与诊断技术
构建多维度状态感知体系是振动控制的基础。在主轴前后端布置三向加速度传感器（量程为 ±50g，频响为 0.5 ～ 5 000 Hz），同步采集振动信号的时域波形与 1/3 倍频程谱特征。温度监测模块集成 FLIR A65红外热电堆阵列（测温范围为 0 ～ 150 ℃，精度为± 1 ℃），实时追踪轴承外圈温升梯度。开发振动 - 温度关联分析算法，当 800 ～ 1 200 Hz 频段振动能量与温升速率出现耦合异常时，自动触发三级预警机制。数据平台采用 NI Compact RIO 边缘计算架构，可在0.8 s 内完成 12 类特征参数的提取与故障分类，诊断准确率达到 94.6%。这套系统能提前 3 ～ 5 h 预测轴承失效风险，误报率控制在 3% 以内，为预防性维护提供可靠的决策支持 [3]。
3、 应用案例分析
3.1 问题背景
浙江某公司在汽车灯具注塑模具量产过程中，持续出现型腔表面波纹超标问题。经苏州质检院检测，当 DMG MORI 品牌电主轴转速达 8 500 r · min-1 时，刀具末端振动加速度峰值突破 15 m · s-2
，导致加工面粗糙度 Ra 从设计要求的 0.4 μm 增加至 1.6 μm。设备拆解报告显示，NSK 7014C 轴承预紧力衰减导致轴向窜动量增至 7.2 μm，主轴冷却液分支管路流量偏差达35%。这些问题造成模具返修率提高至 28%，单月产生的废品损失超过 45 万元。
3.2 优化措施
技术改造方案分为 3 个阶段。第一阶段聚焦于机械改造方面，在主轴悬伸端加装符合《内六角圆柱头螺钉》（ISO 4762—2004）标准的八孔位 M12 螺栓固定环，通过高精度扭矩扳手控制预紧力，配合
C95800 铝青铜阻尼垫片优化应力分布，将系统一阶临界转速从 9 200 r · min-1 提升至 12 500 r · min-1。第二阶段，在控制端引入德国 PI 公司生产的 E-861 压电作动器阵列，结合贝加莱 APROL 自适应控制器的快速响应特性，实现 2 000 Hz 以下振动分量的实时相位补偿与动态抑制。第三阶段，在监测系统部署Kistler 8766A 三轴加速度传感器与 FLIR A35 红外热像仪，通过多源数据融合技术建立振动能量与温度梯
度的关联模型。当特征频带能量超限时，自动分级触发主轴降速协议，确保加工过程安全可控 [4]。
3.3 实施效果
经过 3 个月的连续生产验证，模具型腔表面粗糙度 Ra 稳定在 0.30 ～ 0.42 μm，波纹缺陷发生率降至 1.8%，满足高端汽车灯具模具的表面质量标准。SECO Tools 硬质合金铣刀平均使用寿命从原来的 73 h
延长至 132 h，月度刀具采购费用减少了 38.5 万元，显著降低了企业运营成本。改造后，主轴平均无故障运行时间从 312 h 增加至 896 h，设备综合效率提高了 26.7%，生产线产能得到充分释放 ；主轴在
12 000 r · min-1 高速工况下径向跳动量不超过 0.5 μm，性能达到德国 HELLER 公式同类机型的水平。
4、 振动控制方案的综合效益与推广建议
4.1 综合效益
4.1.1 技术效益
振动控制方案显著提升了电主轴的运行性能，将主轴动态刚度增加至 65 N · μm-1 级别，使刀具系统在高速切削工况下的位移波动稳定在 ±0.8 μm，确保长时间加工的稳定性。温度补偿机制将轴承温升梯度控制在 3 ℃ · min-1 以内，有效抑制热变形引发的谐波共振现象。在线监测系统实现振动特征频率的毫秒级识别与动态反馈，故障预警准确率在 94% 以上。这些技术使模具加工面粗糙度 Ra 控制在 0.2 ～ 0.4 μm，达到超精加工水平，尺寸位置度误差达到 IT5 级精度水平，为复杂曲面模具的批量化生产提供技术保障。
4.1.2 经济与社会效益
实施控制方案后，模具单件生产成本下降了约20%，其中刀具损耗成本降低了 35%，设备维护费用减少了 28%，大幅提升了企业市场竞争力。以年产10 万套汽车模具计算，年度直接成本节约 2 400 万元
以上，助力企业实现降本增效目标。社会效益方面，主轴能耗强度下降 18%，年碳排放量减少 12 t，契合绿色制造发展趋势。技术升级带动精密机床操作员技能的提升，企业高技能人才占比从 31% 增至 45%，
推动行业人才结构优化。国产电主轴进口替代率提升至 58%，有效缓解高端装备依赖进口的“卡脖子”风险 [5]。
4.2 行业推广建议
建立分阶段推广实施路径。初期在汽车覆盖件模具、3C 电子精密模具领域开展试点，重点突破0.5 μm 级表面精加工瓶颈，形成可验证的工程案例。中期制定《精密机床电主轴振动控制技术规范》，明确轴承预紧力、动态刚度等 18 项核心指标检测标准，建立统一的技术评价体系。长期目标是通过产业链协同创新，构建主轴制造 - 机床集成 - 终端应用的全链条技术服务体系，实现技术成果的规模化应用。建议设立国家级精密主轴振动控制实验室，开展切削颤振抑制、多物理场耦合等共性技术攻关，整合产学研资源，推动技术迭代升级。
5、 结语
电主轴振动控制技术的突破为高精度模具制造开辟了新的技术路径，通过结构 - 控制 - 监测三位一体的控制策略，成功将模具加工表面粗糙度稳定控制在亚微米级别。实践表明，基于压电作动器的动态补偿
机制能够有效抑制 2 000 Hz 以下的中低频振动分量，配合多传感器融合监测系统实现的毫秒级故障预警，使主轴系统在 12 000 r · min-1 高速工况下的径向跳动量不超过 0.5 μm。这不仅解决了传统加工中因振动导致的型腔位置度偏差累积难题，还将刀具使用寿命延长 80% 以上，显著降低精密模具的单件生产成本。未来需进一步攻克多轴联动工况下的耦合振动抑制、智能控制算法与国产数控系统深度适配等关键技术，通过构建理论创新 - 工艺优化 - 标准制定的全链条研发体系，持续推动模具制造业向超精密加工时代迈进。
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