高速电主轴的结构设计与发展

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2013年 8月第 34卷 第 8韶关学院学报 ·自然科学Journal of Shao~uan University·Natural ScienceAug．2013Vo1．34 No．8高速电主轴的结构设计与发展张静娟 ’，胡 滨 2(1．安阳斯普机械有限公司，河南 安阳 455000；2．安阳莱工科技有限公司 ，河南 安阳 455000)摘要 ：根据 电主轴 的结构特 点和设计要 求，通过分析其结构 、电机技 术 、冷却、润 滑等 直接 影响 电主轴性 能的各项指标，进行性能的分析和比较，提出了提高电主轴性能的主轴设计方案，为高速电主轴的快速发展提供参考关键词 ：电主轴 ：高速 电主轴 ：结构设计中图分类号：THI33．2 文献标识码：A 文章编号：1oo7—5348(2O13)08—0026—05高速加工技术越来越受到机械制造领域的关注，为了能提高整体加T效率，降低零件加T成本，获得较高加工精度和加工表面完整性，降低能耗、节省制造资源，有效抑制或减小切削振动，就必须使用超高速数控机床．高速电主轴单元作为高速机床的关键部件，其高转速、高精度、高刚性、低噪音、低温升、结构紧凑、易于平衡、安装方便、传动效率高等优点，使它在超高速切削机床上得到广泛的应用H].

1 高速电主轴概述高速电主轴最早是用于磨削机床加] ，逐步发展到加T中心电主轴及其他各行业机床主轴．典型的磨削电主轴的结构如图 1所示 ，传统的主轴一般是通过传动带、齿轮来进行传动驱动，而电主轴的驱动是将异步电机直接装入主轴内部，通过驱动电源直接驱动主轴进行T作，以实现机床主轴系统的零传动，形成“直接传动主轴”．从而减少中间皮带或者齿轮机械传动等环节，实现了机械与电机一体的主轴单元．电主轴不但减少了中间环节存在的打滑、振动和噪音的因素，也加速了主轴在高速领域的快速发展，成为满足高速切削 ，实现高速加工的最佳方案.

1转轴 ；2前轴承组 ；3定子部件 ；4转子部件 ；5后轴承组 ；6进一出水孔 ；7进油孑L；8接线座 ；9出油孑L图 1 电主轴结构简图2 高速电主轴的结构设计要求高速电主轴要求具备很高的工作性能，因此对其结构的设计、材质、加工工艺和检验等方面都有非常严格的要求．电主轴设计时 ，需要确定主轴的总体性能参数 、主轴的实际结构 (根据轴承形式 、配置 、驱动方收稿 日期 ：2013-06一l1作者简介：张静娟(1982一)，女，河南安513人，安阳斯普机械有限公司助理工程师，主要从事主轴方面的研究8 主轴的结构设计与发展 ·27·法、润滑、等参数来确定)、主轴轴承的选型确认、轴承的寿命、主轴的刚度、危险速度、轴承游隙(预紧力)、主轴的尺寸(轴径、长度、轴承支距等)和主轴实际安装条件的要求等等因素.

2．1 电主轴的转轴要求转轴是高速电主轴的主要零件之一，转轴的材料一般是经过轧制或锻造经切削加工的碳素钢或合金钢．它用来安装各种传动零件，使之绕其轴线转动，传递转矩或回转运动，并通过轴承与主轴机架或机座相联接．转轴带动工件或刀具旋转，完成表面成型运动，承受切削和驱动等载荷的作用．因此，对轴有很高的技术要求．在设计时应满足下列几方面的要求：f11节约材料，减轻重量，在特殊情况下选用合适的具有耐腐蚀性和耐高温性的材料；(21在结构上要受力合理、尽量避免或减少应力集中现象；(31提高足够的强度(静强度和疲劳强度)和刚度的结构措施；f41转轴在高速时的振动稳定性及良好的加工工艺性，保证精度要求；f5)易于各个零件在轴上精确定位、稳固、装配、装拆和调整方便.

1转轴；2前轴承组件；3平衡环；4转子部件；5后轴承组件图 2 转轴结构简图在一般情况下．转轴结构设计成阶梯形，将内装的电机转子部件与转轴联接在一起形成整体部件，如图 2所示．该转轴部件最大的优点是前后轴承组件 、电机转子部件 、平衡环均采用先进的感应加热下套工艺方法进行组装．无键槽的设计工艺方法，不但增加了转轴的刚度，同时，通过平衡环调整转轴整体动平衡量，最大限度地降低了转轴在旋转时由于偏心造成的振动和偏差.

2．2 电主轴的电动机技术电主轴将机床主轴与电机合二为一，形成内装式主轴驱动系统，是机床的核心关键部件之一，它不但要实现高速、高精度、高刚度等要求，还必须要实现连续工作时输出的较大转矩力和承受较宽领域的恒功率运转范围．尤其是在转速要求较高且加减速操作频繁的领域，)nJHI中心、铣镗床、磨床、钻床等领域.

交流主轴驱动系统根据电机类型分为感应 电机 电主轴驱动系统 、永磁无刷 同步电机主轴驱动系统 以及开关磁阻电机主轴驱动系统．由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度、输出功率、动态刚度、振动抑制等)，因此主轴的实际应用于选择需要精密相关l2]．目前主要采用感应电机交流主轴驱动系统，主轴功率设计时，电机需满足条件：(1)切削(实际工作)功率的要求 ；(2)主轴加减速时间所需功率要小于主轴电机的最大输出功率；(3)主轴频繁启动、制动时，需要计算平均功率，该功率要小于主轴电机的连续额定输出功率；(4)在要求时限表面恒线速切削的机床上，切削功率与恒线速所需功率之和应小于电机最大输出功率.

内装式主轴电机结构紧凑，简化了机床的构造．因为转子安装在主轴上，降低了转轴在旋转时由于偏一t2,造成的振动和偏差．而且获得较短的起动时间和制动时间，恒功率调速范围宽、噪声小、维修简单．但是，电机也是一个很大的发热源，要控制电机的温度，安装时最好选用有水冷的水套结构最佳.

· 28· 韶关学院学报 ·自然科学 2013钲2．3 电主轴的轴承技术轴承是高速电主轴的重要组成部分，它的类型、配置、精度对电主轴的工作性能、旋转精度有着很大的影响．电主轴一般采用角接触球轴承，主轴在高速旋转时，离心力引起的内圈膨胀、球旋转时离心力会引起内部负荷 以及 内外圈的温度差等均会使轴承内部的球和内外圈滚道之间的接触应力增大．而且 ，采用角接触球轴承这样有着接触角的轴承，在旋转中伴随着自转滑动和旋转时的滑动等各种形式的滑动而产生滚动接触，这些滑动随着转速增加而加大，因此接触部分的发热也会变大，特别是采用油脂润滑的轴承，由于润滑油的粘度下降，有时候甚至会出现缺少润滑油膜而烧伤的情况.

高速 电主轴轴承的选用要根据切削负荷大小 、形式和转速的要求 ，优先选用陶瓷触球轴承．与钢球轴承相比，陶瓷球轴承优点有：(1)钢与陶瓷组成的陶瓷球轴承摩擦性能特好，能降低材料与润滑剂的应力；(2)因密度较低，可降低运转时的离心力；(3)较低的热膨胀系数能有效的降低轴承预压负荷的变化；(4)较高的弹性模数，使轴承的刚性更高．陶瓷球轴承在高速及重载的条件下，可获得高刚度、低温升和长寿命的效果，可以提高主轴的整体精度.

2．4 电主轴的预紧力技术电主轴在选用轴承时，需要考虑机床主轴的刚度．固定在主轴上的轴承类似于弹簧的作用，主轴端部承受轴向负荷时，主轴的位移由固定轴承的轴向刚度来决定．当轴前端承受径向负荷时，轴端位移应考虑轴的弯曲变形．单列角接触球轴承接触角愈大，承受轴向载荷的能力愈高，在承受径向载荷时，同时产生轴向力，必须施加反向轴向力．所以，一般成对使用．当需要较大径向刚度时，可使用圆柱滚子轴承与角接触轴承配合安装，轴向负荷由角接触球轴承来承受．通常高速电主轴采用成对双联角接触球轴承组合安装，施加适当的预紧力，安装后有预过盈，消除轴承中间的游隙，因此提高了载荷能力、刚度和旋转精度，同时可以增加轴承的使用寿命，抑制轴的振动和异音，防止假性布氏压痕现象和高速旋转时滚动体的滑动现象产生等 .

机床主轴在工作时，为实现取得较高的刚度。一般对轴承加上预紧力，但是需要注意的是预紧力不可过大，否则将会引起轴承烧伤现象或剥落损坏．主轴的预紧方式一般包括：(1)定位预紧，即组合轴承的轴向相对位置在使用过程中不会改变．(2)定压预紧，即通过圆柱弹簧 、蝶形弹簧对轴承施加适 当预紧的方法 ，在使用过程中即使轴承的相对位置发生变化，预紧量也能基本保持恒定．一般情况下，为提高主轴刚度时适合采用定位预紧，高速旋转时适合采用定压预紧的方法。

2．5 电主轴的润滑技术高加工精度的机床主轴，不是单纯实现高速旋转，而且要抑制温度上升和减小热变形．一般主轴的润滑方式有：油脂润滑、油雾润滑、喷射润滑和油气润滑．不同类型的电主轴，要根据具体的特性选用适合的润滑方式.

一 般情况下，油脂润滑用于主轴高速运转比较普遍 ，但是受到极 限转速 的影响，填充适量 的油脂时才能达到最高数值，油脂的填充量为轴承内部空间体积的 10％～20％，填充太多，在进行初期运转时会产生异常发热，导致油脂劣化．在高速旋转时为保持较低的运转温度，可使用供油量少的油雾或油气润滑方式，它可以延长使用寿命、减少摩擦损耗、降低温升，并与密封装置一起保护轴承不受外物的侵入和防止腐蚀．油雾润滑是利用压力使润滑油雾化，再顺着进油通道喷射到轴承的方法；而油气润滑是通过喷嘴定量、定时间歇性的喷射出微量的润滑油．通过混合阀将其压缩空气中润滑油慢慢引出，每套轴承都需要一条单独的油路连续不断的向轴承供油的方法．不同润滑方式特性比较见表 3_4].

8期 张静娟，等：两逗 圭 结 筮 ：塑 ：佃 H旨 嘴 低 厩 ；1 腽 ；兕 z住 .

油雾润滑 窃 寰 差 ．润滑油，润滑油质量有保障；灰尘喷射润滑 低轴 承温度 ；由于油量 较油气润滑 蓑 嚣 鬟轴 承 内填充 的润 滑 脂劣 化后 容 易引 起轴 承烧伤 ：灰尘 和切削液容易进入 .

油雾对环 境产生污染 ：无法确定是否有效供油 ：由于润滑本身特性 ，供油量有波动.

摩擦 损失 大 ；会 漏油 ，立式 安装 主轴不便 使用 ；成本高.

成本高 ；无法确定是否有效供油2．7 电主轴的动平衡技术高速机床的广泛应用，加速了主轴对转速的高要求．转速的提高使机床主轴各零部件在加工制造过程中，首先对材质提出了的较高要求，包括转轴毛胚是否有缺陷、材质是否均匀、形状是否对称及加工装配是否有误差等各个方面．电主轴的动平衡也是装配前的关键环节，动平衡的高低直接影响主轴单元的噪声、振动 、发热等性能标．通常在完成零部件加工后 ，转轴首先需要做单体动平衡试验 ，使转轴不平衡离心力降到最小值 ，接着安装上螺母等单体逐步进行动平衡试验 ，待组装后还要对整机进行动平衡试验 ，通过数据显示达到理想的动态性能．从而提高主轴整机系统的动态精度，延长轴承及整个主轴系统的寿命.

由于转轴上附加的零件偏多，装配前可能无法一一平衡，因此，必要时可做在线动平衡试验．同时，为方便调整电主轴整机的平衡，通常应在转轴前后螺母上预留数个平衡螺孑L，以保证转轴在高速运转的平稳性 5].

3 高速电主轴的发展国内电主轴研究启蒙阶段为 20世纪 60年代，主要以内圆磨削为主体，多数为仿制技术．到20世纪 70年代到 80年代，随着国内技术的发展，电主轴的广泛应用，我国白行开发研制了高速电主轴，电机的功率也大大提高了30％左右．广泛应用于磨削领域．到 20世纪90年代以后，数控 CNC技术的研发，大大推动了电主轴在机械领域的应用，铣削加工中心电主轴单元使电主轴越来越多的应用到高速雕铣行业中．21世纪以来 ，国内研制 电主轴 的技术得 到快速发展 ，采用 了先进的技术与加工方法 ，使电主轴具有高转速 、高精度、高刚性、低噪音、低温升、结构紧凑、易于平衡、安装方便、传动效率高等优点，生产出适合各个行业领域的电主轴与机械主轴.

国外从事高速数控机床 电主轴研发与生产 的技术较早 ，著名 的企业中尤 以 GMN公 司 、IBAG公 司、Fanuc公司、Ingersol公司、Okuma公司等几家的技术水平代表了这个领域的世界先进水平．我国电主轴的设计制造技术与国外技术相比，无论是性能、品种和质量还有较大的差距．国外高性能电主轴有以下几个特点：(1)主轴低速输出扭矩大，转速高；(2)采用高速、高刚度陶瓷球轴承和液体动静压轴承，润滑方式采用油气润滑；(3)配套的控制系统，如交流伺服控制技术、自动平衡系统、润滑控制系统、电机冷却系统等方面 ].

就国内来讲，伴随着机床技术、高速切削技术的发展与实际应用的需要 ，对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求．为使高速电主轴整体水平能尽快赶超世界先进水平，必须引进国外先进的制造加工设备 ，生产 出高精度 、高刚度 的精密轴承与关键零部件 ；实现先进的平衡技术 ；实现高性能的主轴驱动 、控制技术，实现精确定向技术、快速启动、准停技术；先进的润滑方式，使轴承的润滑和冷却实现最理想的状态.

从而提高主轴的寿命；开发研制新材料、新工艺技术和专用机床设备，满足系列化、专业化的高端优质产品．满足市场的需求.

· 30· 2013参考文献：[1]张瑜胜．电主轴在数控机床 中的应用[J]．机械管理 开发 ，201l(1)：137—138.

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[5]张兴军，杨淑启 ，韩龙义．高速精密电主轴的研制 [J]．机 电工程技术，2006，35(6)：43—44.

Structure design and development of high-speed electric spindlezHANG Jing-juan ，HU Bin(1．Anyang Sipu Machinery Co．，Ltd，Anyang 455000，Henan，China；2．Anyang Laigong Science&Technology Co，Ltd，Anyang 455000，Henan，China)Abstract：Based on the structural features and design requirements of electric spindle，the thesis evaluated andcompared the performance of electric spindle by analyzing factors that directly afected it’S performance like it’S structure，electrical machinery technology，cooling，lubrication and SO on，put forward design of the spindle toimprove the it’S performance，provided reference for the rapid development of high-speed electric spindle.

Key words：high-speed；electric spindle；structure design；development(E D．：X，J)