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t 程硕上学位论文大功率电主轮结构设计研究 摘要 随着数控技术及切削刀具的飞跃发展，越来越多的机械装备都在不断地向 高速、高精、高效、高智化发展，内装式电主轴单元已成为最适宜上述高性能 工况的数控机床核心功能部件之一。现在不管是国内，还是在国外，电主轴已 成为实现主轴高速的唯一结构形式，其应用越来越广泛，其内部结构也成为大 家研究的重点和难点。 本文主要阐明了制造大功率电主轴的一些关键问题：大功率电主轴的总体 结构、电主轴过盈联接的过盈量计算、电主轴冷却与润滑方式的确定、电主轴 轴承的选型、电主轴动平衡的要求等。 按照本文所提供的理论依据，本公司已成功研制出大功率电主轴产品， 并在实际试用中运行可靠，各项性能指标均满足设计要求。 关键词：电主轴结构设计轴承预载润滑与冷却动平衡 a b s t r a c t 工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn u m e r i cc o n t r o lt e c h n i q u e ( c n c ) r e g a r d i n g c u t t i n gm a c h i n e s ，m o r ea n dm o r em a c h i n e r ye q u i p m e n tw i l lb ea b l et op e r f o r mh i g h c u t t i n gs p e e dc o m b i n e dw i t hh i g ha c c u r a c y ，h i g he f f i c i e n c ya n dh i g hi n t e l l i g e n c e i n n e ri n s t a l l e dm o t o rs p i n d l e sh a v eb e c o m eo n eo ft h em o s ts u i t a b l ea n df u n c t i o n a l p a r t sf o rt h ec o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e sw i t ht h ea b o v em e n t i o n e dh i g h p e r f o r m a n c e s n om a t t e ri fd o m e s t i co ra b r o a d ，m o t o rs p i n d l e sh a v eb e c o m et h eo n l y s t r u c t u r ef o r mw h i c hr e a c h e sh i g hm o v e m e n ts p e e dc o m b i n e dw i t hh i g ha c c u r a c y d u et ot h i sf a c tt h e ya r ew i d e l yu s e de s p e c i a l l yi ft h ei n n e rs t r u c t u r ei st h ek e y p o i n t t h ep a p e re x p a t i a t e ss o m et h ek e yp r o b l e m sa b o u tm a k i n gh i g h p o w e r m o t o r i z e ds p i n d l e ：t h eg e n e r a lc o n s t r u c t i o no fm o t o r i z e ds p i n d l e ；m a g n i t u d eo f i n t e r f e r e n c ec a l c u l a t i o no ni n t e r f e r e n c ef i tc o n n e c t i o n o fm o t o r i z e ds p i n d l e ； c o n f i r mt h el u b r i c a t i o na n dr e f r i g e r a t i o nw a y so fm o t o r i z e ds p i n d l e ；a x l e t r e e s e l e c t i o no fm o t o r i z e d s p i n d l e ；t h er e q u i r e m e n to fm o t o r i z e ds p i n d l ed y n a m i c b a l a n c ea n ds oo n a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h i sp a p e r ，o u rc o m p a n yh a sa l r e a d ys u c c e s s f u l l y d e v e l o p e dh i g h - p o w e rm o t o r i z e ds p i n d l ep r o d u c t s t h e s ep r o d u c t sw o r kv e r yw e l l i nt h ep r a c t i c ea n da l lt h ei n d e xa n dp e r f o r m a n c ea r eu pt od e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：m o t o r i z e ds p i n d l e c o n s t r u c t i o nd e s i g n b e a r i n gp r e l o a d l u b r i c a t e a n dr e f r i g e r a t e d y n a m i cb a l a n c e i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：厂 7 l ，沙了年l y 月衫日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 7 砂驴年月日 工程硕上学位论文 大功率电主车i 兰结构设计研究 1 绪论 加工中心是数控机床迸一步发展的产物，是现代机械加工车间最重要的生 产设备之一，随着柔性自动化技术的发展，加工中心上加工零件的辅助工时大 为缩短，辅助工时在加工零件的总工时中所占比例很小，在这种情况下，如果 再一味降低辅助工时，不但技术上难度大，经济上也不合算，而且对提高机床 生产效率也意义不大，要想进一步提高经济效率，就必须设法大大降低切削工 时【9 】。为此，就要采用高转速、大进给，超高速加工技术就是在这种历史背景 下产生的，是近1 0 年来加工中心最重要的技术发展趋势之一。 从德国c a r l j s a l o m o n 博士提出高速切削概念，并于同年申请专利以来，高 速切削技术经历了高速切削理论探索阶段、高速切削的应用探索阶段、高速切 削的初步应用阶段、高速切削的较成熟阶段这四个阶段【l2 1 ，现已在生产中得到 推广应用；特别是二十世纪8 0 年代以来，各工业发达国家相继投入大量人力、 财力，研究开发高速切削技术及相关技术【2 9 l 。 国外近几年来高速d h m _ 机床发展迅速，美国、法国、德国、同本、瑞士、 英国、加拿大、意大利等国家相继开发了各自的高速切削机床。高速主轴是高 速切削技术最重要的关键技术，常采用主轴和主轴电动机一体化的电主轴部 件，实现无中间环节的直接传动。 1 1 电主轴的发展现状 在2 0 0 3 年意大利米兰欧洲国际机床展览会中，大部分展出的加工中心均采 用电主轴配置。其最高转速普遍为1 2 0 0 0 2 0 0 0 0 f f m i n ，其中最高的是日本 m a k i n 0 铣床公司的j 4 m 卧式加工中心，其配备的电主轴最高转速可达 6 0 0 0 0 r m i n 。目前，国外电主轴技术日趋成熟，产品种类繁多，具有不同档次 的技术性能，可选择性较大。高速电主轴的最高转速、功率及扭矩普遍提高， 有的还采用了传感技术对振动进行监测和诊断。瑞士的i b a g 、s t e p t e c 、 f i s c h e r 、s t a r r a g h e c h e r t 公司，德国的g m nc y t e c 、i n a 公司，意大利的 g a m f i e r 、o m l m 公司，f 1 本的s e i k o 、n s k 等公司的电主轴都各有特色【40 1 。 高速切削在国内的研究及应用起步较晚，但进入二十世纪9 0 年代以来已普 遍引起关注。目前全国大约有3 0 0 多万台机床，大部分还是通用机床，数控机 床包括经济型在内大致占1 0 左右，在航空、航天、汽车、模具、机床和工程 机械等行业进口数控机床和加工中心占了较大比例。 我国大型数控铣、加工中心和数控车床实用型电主轴的开发始于1 9 9 8 年， 洛阳轴研科技股份有限公司在“九五”期间，以国家重点科技攻关项目为依托， 1 绪论工程硕士学位论文 先后丌发了装备国产电机的最高转速为1 5 0 0 0 f f m i n 、1 2 0 0 0 f f m i n 、1 0 0 0 0 r m i n 、 8 0 0 0r m i n 的内装式电主轴，其最大扭矩为1 2 9 n m 。“十五”期间又继续丌展科 技攻关工作，到2 0 0 3 年止，洛阳轴研科技股份有限公司又先后开发了用于高速 数控铣的3 0 0 0 0 f f m i n 电主轴和用于加工中心的2 4 0 0 0 f f m i n 电主轴，同时又系列 开发了转速自5 0 0 0 f f m i n 到1 2 0 0 0 f f m i n 的数控车床用电主轴【4 1 1 。与此同时，北 京机床研究所数控机床有限公司也相继开发了用日本f a n u c 电机组装的 15 0 0 0 r m i n 、2 0 0 0 0r m i n 电主轴，另外，北京机电研究院、上海第二机床厂、 北京第一机床厂、汉川机床厂等数家企业相继加入开发电主轴单元的行列，我 公司即江苏多棱数控机床股份有限公司也于2 0 0 3 年利用德国s i m e n s e 电机开 发成功了i s 0 5 0 刀柄、最高转速为1 0 0 0 0r r a i n 、最大扭矩为1 9 7 n m 的电主 轴。 目前国外电主轴与国内电主轴相比，具有以下主要特点： 1 ) 功率大、转速高。 目前单独实现电主轴的高转速或大功率在技术上已经不是难题，但要同时 实现高转速和大功率，则存在相当的技术难度。国内电主轴最高转速一般在 8 0 0 0 r p m - - - 1 2 0 0 0 r m i n ，最近洛阳轴研科技股份有限公司又先后开发了用于高速 数控铣的3 0 0 0 0 f f m i n 电主轴和用于加工中心的2 4 0 0 0 f f m i n 电主轴；而国外电主 轴最高转速普遍在1 2 0 0 0 r m i n - - 2 4 0 0 0 r m i n ，高的可达6 0 0 0 0 r m i n i 州j 。 2 ) 采用高速、高刚度轴承。 g m n 和g a m f i o r 等公司广泛采用了氮化硅陶瓷球的混合轴承；i n g e r s o l l 公 司采用了液体动静压轴承，最高转速达到4 0 0 0 0 f f m i n ；日本s e i k o 公司采用空 气润滑轴承，最高转速达到5 0 0 0 0 f f m i n ；i b a g 公司的磁悬浮主轴转速已达 2 0 0 0 0 0 r m i n 。目前国内高端的主轴产品主要采用进口轴承，国产的角接触轴承 的精度和工作寿命则还有待于进一步提高 2 0j 。 3 ) 精密加工与精密装配工艺水平高。 国外电主轴厂家大都装备有成套的高精度加工设备和测试设备，如数控外 圆磨床、内圆磨床、动平衡机、圆度仪、动态精度测量系统和电主轴性能综合 测试系统等。 4 ) 配套控制系统水平高。 这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定 转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等等。如f i s c h e r 公司和h o f m a n 公司生产电主轴配套的在线自动平衡系统，可以在线自动校正 偏心；s k f 公司和n s k 公司生产的轴承油气润滑系统可以通过定时定量控制油 气量，保证轴承的润滑和温升控制在j 下常水平等。 1 = 程硕士学位论文大功率电主辖结构设计研究 5 ) 辛轴精度高。 国外电主轴普遍采用传感技术对振动进行监测和诊断、对主轴热变形进行补 偿，主轴径向跳动在0 0 0 1 m m 以内、轴向定位精度在0 0 0 0 5 m m 以下；而国内很 少应用传感技术，这样就导致机床加工精度要差很多。 6 ) 产品可靠性好。 数控机床可靠性的重要指标m t b f ( 平均故障间隔时间) 一直是影响我囤数 控机床市场信誉度、市场竞争力的主要问题。“九五”期间，该指标有了较大的 改善和提高：加工中心的m t b f 从“八五”的2 0 0 多小时平均提高到4 0 0 多小 时，数控车床从平均的2 0 0 多小时提高到4 5 0 多小时。而电主轴的寿命是影响 数控机床可靠性的主要因素。 1 2 电主轴的发展趋势 目前，超高速加工在各工业部门特别是航天航空、汽车工业、模具加工和摩 托车工业等获得了十分广泛的应用。进入9 0 年代，一批又一批的高速加工中心 和其他各类高速数控机床相继投放国际市场，高速大功率数控机床的需求量正 与只俱增。高速大功率电主轴作为超高速机床的核心功能部件，其性能指标直 接决定机床的发展水平，因此国内外各研究机构纷纷投入力量丌发此项技术 【44 | 。随着电主轴越来越重要，国内外对电主轴的相关技术问题的研究越来越深 入、详细，现电主轴的研究现状为： 1 ) 在高速主轴动态分析方面。 动态特性是衡量主轴性能的主要指标。美国的l a w r e n c el i v e r m o r e 国家重 点实验室基于t i r n o s h e n k o 梁理论用影u 向系数法建立含轴承参数的电主轴系统动 力学模型，着重研究了切削力、刀具质量和自转速度对转子固有频率的影响 【3 l j ：宾夕法尼亚州立大学研究了轴承的离心力和陀螺效应的作用，随着自转速 度上升，其固有频率有所下降，出现了支承“软化”现象；另外，他们讨论了主 轴前端切削力作用下的高速主轴动力学i 、u j 题。u n i v o fb r a d f o r d 着重研究了滚动 轴承滚动单元如轨道、滚子表面波纹度对主轴动态特性的影响。我国在高速电 主轴动态分析方面文献相对较少，中国纺织大学用r i c c a t i 传递矩阵法分析了主 轴的临界转速问题；东南大学基于传递矩阵法与滚动轴承分析理论，研究了高 速电主轴的轴系动态特性分析方法【4 1 。 2 ) 在高速电主轴轴承及润滑方面。 主轴轴承的选型及润滑方式直接决定主轴的使用寿命。滚动轴承仍然是高 速大功率电主轴的主要支承方式，近年来，陶瓷轴承的应用，并配以油一气润 滑使高速大功率主轴的寿命大幅度延长。日本的t s u t s u m ik e i g o 系统地阐述了 】绪论工程硕士学位论文 高速机床主轴脉动式油气润滑技术，主要工作集中在陶瓷轴承相对于钢制轴承 的温升比较、轴承套的冷却与有效工作转速、喷管的方向对轴承寿命的影响 等。目前，油一气润滑技术在国内尚未大面积推广应用，国内仅对高速主轴轴 承的油一气润滑系统做一般性介绍，广东工业大学研究了油雾润滑技术对超高 速陶瓷主轴轴承性能的影响；洛阳轴承研究所已开发出油一气润滑发生器。 3 ) 在高速电主轴热特性分析方面。 合理的热特性设计是高速大功率电主轴设计中的重要技术环节。美国的普 渡大学用有限差分法，建立电主轴的热分析模型，分析高速电主轴的能量分 布、热传导等热性能。日本的l e e 、s u n k y u 提出机床主轴轴承系统热特性的热 闭环概念。我国的清华大学在测量主轴热误差的基础上，用逐步回归方法建立 了多元线性回归模型，为机床的设计与制造提供了参考依据，也为机床的误差 补偿提供了模型；天津大学提出一种基于主轴转速的机床热误差状态方程模 型；广东工业大学用有限元法完成了电主轴热特性分析【l0 1 。 4 ) 在高速电主轴零件制造技术方面。 超高速电主轴的动平衡精度一般应达到g 1 g 0 4 级，受其制约，轴承的定 位元件与主轴不宜采用螺纹连接，电机转子与主轴不宜采用键连接。广东工业 大学提出了新型可拆卸阶梯过盈连接，并用工程力学理论建立过盈量的计算方 法；山东大学从材料力学和弹性力学的角度出发，对高速主轴过盈连接的动态 特性进行了研究，分别推导出了高速主轴在静态和动态条件下，过盈量与接触 应力的理论计算公式。 5 ) 在电机的调速、监控系统方面。 高速大功率电机是加工中心电主轴的核心部件。目前它正向高速、高效、 大功率方向发展，电主轴电机的开发目前国内外广泛选用交流变频调速异步电 动机，但随萧相关技术的突破，含稀有材料永磁铁集成式无刷直流电机可望问 世，它具有传递扭矩大、电机体积小、结构紧凑、效率高、调试性能和高速特 性好等突出优势1 49 。 主轴电机的控制器也得到了大力发展。近年来采用新型控制器，如矢量控 制器、直接转矩控制和基于d s p ( 数字信号处理器) 控制器，并进行电动机和 控制器一体化的仿真计算，以提高主轴电机快速响应特性，在此基础上完成了 全局优化【5 2j 。 国内在高速大功率电主轴方面也有一定的研究基础，如清华大学对加工中 心小质量、高速、大功率的电主轴进行研究；广东工业大学、同济入学投入力 量开发电主轴关键技术；东北大学研究热压氮化硅陶瓷轴承，建立了超高速磨 削实验台，能进行2 0 0 m s 的麽削加工试验；沈阳工业大学研制超高速车铣床， 4 1 = 程硕士学位论文 大功率电主鞋结构设计研究 已取得阶段性成果；北京机床研究所生产出主轴转速达1 0 0 0 0 f f m i n 、功率达 7 k w 的立式加工中心用电主轴；哈尔滨工业大学开发永磁同步高速大功率电主 轴电机48 1 。 1 3 论文结构和主要研究内容 1 3 1 论文结构 本篇论文在每章节先提出理论依据：计算公式、选型根据等；然后把 这些理论依据应用到由本人主持的大功率电主轴研发过程中，再通过本 人研发的大功率电主轴的实际效果来验证、调整这些理论依据，最后总 结出具有实用价值的理论依据。以便对他人研发大功率电主轴提供更可 信、更符合实际的理论依据。 1 3 2 论文主要研究内容 本篇论文就是为研发大功率电主轴提供一些理论依据，并通过本人 已试制成功的大功率电主轴来验证了这些理论依据是可行的。本篇论文 主要研究的内容： 1 ) 电主轴的结构布局的确定。 2 ) 电主轴过盈联接装置的过盈联量计算。 3 ) 滚动轴承的选用。 4 ) 滚动轴承的配置形式选择和预加载荷设计。 5 ) 滚动轴承的润滑设计。 6 ) 电主轴的动平衡设计。 7 ) 电主轴的冷却设计。 8 ) 电主轴的性能测试。 2 电主轼的概述与基奉参数工程硕士学位论文 2 电主轴主要性能参数的设定 2 1 电主轴概述 2 1 1 电主轴的结构特点 随着电气传动技术( 变频调速技术、电动机矢量控制技术等) 的迅速发展和 日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了 带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动 链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二 为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出 来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。电主轴是一种智能型功能部件， 不但转速高、功率大，还有一系统控制主轴温升与振动等机床运行参数的功 能，以确保其高速运转的可靠性与安全。 6 图2 1 电主轴控制原理图 1 电主轴2 热交换装置3 数控驱动系统4 阀5 空气压缩机 工程硕士学位论文大功率电主车壶结构设计研究 2 1 2 电主轴的优点 显然，将电动机内置会带来不少麻烦。但在高速加工时，采用该举措几乎 是唯+ 一的选择，也是最佳的选择。这是因为： 1 ) 如果电动机不内置，仍采用电动机通过带轮或齿轮等方式传动，则在 高速运转条件下，由此产生的振动和噪声等问题很难解决，势必会影响高速加 工的精度、加工表面粗糙度，并导致环境的恶化。 2 ) 高速加工的最终目的是为了提高生产率，相应地要求在最短时间内实 现高速的速度变化，也即要求主轴回转时具有极大的角加、减速度。达到这个 苛刻要求的最经济的办法，是将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减至最小。 而只有将电动机内置，省掉齿轮、带轮等一系列中间环节，才有可能达到这一 要求【35 1 。 3 ) 电动机内置于主轴两支承之间，与用齿轮、带轮等末端传动的结构相 比，可较大地提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率，从而提高了 其临界转速值。这样，电主轴即使在最高转速运转时，仍可确保低于其临界转 速，保证最高转速时的安全。 4 ) 由于没有中间环节的外力作用，主轴高速运行没有中间传动冲击而更 为平稳，使得主轴轴承寿命相应得到延长。 电动机内置于主轴部件后，将不可避免地会有发热的问题，从而需要设计 专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统；高频电动机要有变频器类的驱动器， 以实现主轴转速的变换；高速轴承有时要有专门的润滑装置，以及为了保证高 速回转部件的安全，要有报警及停车用的传感器及其控制系统等一系列支持电 主轴运转的外围设备和技术”9 1 。因此，“电主轴”的概念不因简单理解为只是一 根光主轴套筒，而是一个完整的、在机床数控系统监控下的一个子系统如( 图 2 1 ) 所示。 早在2 0 世纪5 0 年代，就己出现了用于磨削小孔的高频电主轴。当时的变 频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小、转矩也小。随着功 能电子器件、微电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频器和 矢量控制驱动器；加上陶瓷球混合轴承的出现，使得在2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高 转速的电主轴。最近还出现了商品化的、轴承寿命更长的、以油为介质的静压 轴承和磁悬浮轴承电主轴以及交流永磁同步电动机电主轴【4 5 l 。 2 1 3 高速电主轴对现代数控机床发展和金属切削技术的影响 1 ) 促进高速切削技术与机床的发展。电丰轴系由内装式电机直接驱动， 7 2 电主轴的概述与基本参数 工程硕上学位论文 更容易满足高速切削对机床“高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求， 与机床高速进给系统、高速刀具系统一起组成高速切削所需的必备条件。电主 轴技术与电机变频、闭环矢量控制、交流伺服控制等技术相结合，可满足车 削、铣削、刨削、钻削、磨削等金属切削加工的需要【2 。7 1 。 2 ) 简化结构，促进机床结构模块化。电主轴根据用途、结构、性能参数 等特征形成标准化、系列化产品，供主机选用，从而促进机床结构模块化。 3 ) 降低机床成本，缩短机床研制周期。一方面，标准化、系列化的电主轴 产品易于形成专业化、规模化生产，实现功能部件的低成本制造；另一方面， 采用电主轴后，机床结构的简单化和模块化，有利于降低机床成本。此外，还 可缩短机床研制周期，适应目前快速多变的市场趋势。 4 ) 改善机床性能，提高可靠性。采用电主轴结构的数控机床，由于结构简 化，传动、连接环节减少，因此提高了机床的可靠性；技术成熟、功能完善、 性能优良、质量可靠的电主轴功能部件使机床的性能更加完善，可靠性进一步 提高。 5 ) 实现某些高档数控机床的特殊要求。有些高档数控机床，如并联运动机 床、五面体加工中心、小孔和超d , 孑l d u 工机床等，必须采用电主轴，才能满足 完善的功能要求。 2 1 4 电主轴的关键技术 在电主轴的结构设计中，良好的电机性能、合理的选配轴承、采取减小振 动的各项措施、设计有效的冷却系统、以及确定主轴零件与电机定子的过盈配 合量是电主轴设计中的关键技术。 电机性能是电主轴的核心，正确设计电机的电磁参数十分重要。首先其磁 通密度要高，以增大单位体积的出功率，缩小定转子体积；其次，电机的机械 特性和电气特性需要和高速加工相适应，满足机床在宽调速范围内对功率和扭 矩的要求；再次，转子在高速旋转时应有足够的强度。另外由于电主轴是在高 频窄波下工作的，通常在其外壳产生强烈的感应电流，应对定子进行屏蔽，采 用特殊浸漆工艺，外壳接地是必要的。支撑的合理选用与配置是电机设计的一 项关键技术i l4 1 。 在适合于高速电主轴的轴承中，常用陶瓷轴承、磁力轴承和动静压轴承， 在d m n 值不高且要求高刚性的情况下，可考虑选用刚质滚珠轴承。在高转速下 对刚性要求不高的情况下，可选用动静压轴承。采用何种支撑主要根据工作转 速、工作载荷来选择。陶瓷轴承具有良好的高速性能，刚性较好，较多采用。 另外，为保证轴承在高速条件下具有良好的工作性能，必须对轴承进行冷却、 8 工程硕十学位论文大功率电主轾结构设计研究 润滑、预紧等措施，涧滑方式有油脂润滑、油雾润滑、油气润滑等，其中以油 气润滑适应高速效果最好。轴承预紧有重预紧、中预紧、轻预紧和变预载预紧 等，预紧量的选择可根据经验公式进行计算获得。 解决高速、高效、高精度工作状态下的发热振动是电主轴的另一项关键技 术。电主轴的热源除切削热外，主要是定转子发热和轴承发热。电主轴的结构 特点是电机的定子直接安装在壳体内，这对电机的散热很不利。发热引起的热 变形将导致机床诞失精度。因此电主轴必须有冷却系统，来保证机床恒温。此 外，电主轴由于转速高。任何不平衡量都会引起振动，产生噪声，影响主轴平 稳运转。振动问题的解决，取决于动平衡的精度，即对各回转零件进行动平衡 和对所有回转件装配于主轴之上后进行整体动平衡，使其达到规定的平衡精度 要求。在结构设计上主要采用两端加装动平衡环。 主轴零件与电机定子的过盈配合量应合理确定。为保证高速切削，主轴应 具有良好的运转精度和传动能力，其零部件需具有良好的加工精度、表面质量 及良好的装配精度。且为达到精确的动平衡，电机转子与机床主轴之间采用无 键过盈联接，并由此具备足够传递扭矩的能力。过盈量的大小直接影响电主轴 的性能，过盈量过大会使主轴装配困难，影响装配精度，甚至破坏配合表面； 过盈量过小则会影响主轴传递扭矩的性能。 2 2 电主轴的主要性能参数的设定 2 2 1 电主轴主要性能的发展趋势 电主轴的主要参数主要包括：主轴最高转速和恒功率转速范围；主轴 的额定功率和最大扭矩；主轴前轴直径和刀具接口。其中主轴最高转速、主 轴前直径和额定功率是基本参数。电主轴通常装备在高速加工中心上，在设计 电主轴时要根据用户的工艺要求，采用典型零件统计分析的方法来确定这些参 数。机床厂对同一尺寸规格的高速机床，一般会分两大类型，即“高速型”和“高 刚度型”分别进行设计。前者主要用于航天、航空等工业加工轻金属、复合材料 和铸铁等零件；后者主要用于模具制造、汽车工业中高强度钢或耐热合金等难 加工材料和钢件的高效加工。在设计电主轴时，还要注意选择有较好扭矩一功 率特性和有足够宽调速范围的变频电动机及其控制模块。 随机床技术、高速切削技术的发展及实际应用的需要，对机床电主轴的性 能也提出越来越高的要求，电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面： 1 ) 继续向高速度、高刚度方向发展。由于高速切削和实际应用的需要， 随着主轴轴承及其涧滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具及其 接口技术等相关技术的发展，数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍 2 电主辖的概述与基本参数工程硕士学位论文 趋势。在电主轴的系统刚度方面，由于轴承及其润滑技术的发展，电主轴的系 统刚度越来越大，满足数控机床高速、高效和精密加工发展的需要。 2 ) 向高速大功率、低速大转矩方向发展。根据实际使用需要，多数数控 机床需同时满足低速粗加工时的重切削、精加工时的高速切削要求，因此，机 床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。 3 ) 进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展。用户对数控机 床的精度和使用可靠性提出越来越高的要求，作为数控机床核心功能部件之一 的电主轴，要求其本身的精度和可靠性随之越来越高。如主轴径向跳动在 0 0 0 1 m m 以内、轴向定位精度在0 0 0 0 5 m m 以下。同时，由于采用特殊的精密主 轴轴承、先进的润滑方法及特殊的预负荷施加方式，电主轴的寿命相应得到延 长，其使用可靠性越来越高。 4 ) 电主轴内装电机性能和形式多样化。为满足实际应用需要，电主轴电 机的性能得到改善，如瑞士f i s c h e r 主轴电机输出的恒转矩高转速与恒功率高 转速之比( 即恒功率调速范围) 达到1 ：1 4 。此外，出现永磁同步电机电主轴，与相 同功率的异步电机电主轴相比，同步电机电主轴的外形尺寸小。有利于提高功 率密度，实现小尺寸、大功率【5 引。 5 ) 向快速启、停方向发展。为缩短辅助时间，提高效率，要求数控机床 电主轴的启、停时间越短越好，因此需要很高的启动和停机加( 减) 速度。目 前，国外机床电主轴的启、停加速度可达到1 9 以上，全速启、停时间在1 s 以 内。 6 ) 轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化。除常规的钢制滚动轴承 外，近年来陶瓷球混合轴承得到广泛应用，润滑方式有油脂、油雾、油气等， 尤其是油气润滑方法( 又称o i l + a i r ) ，由于具有适应高速、环保节能的特点，得到 广泛的推广和应用；滚动轴承的预负荷施加方式除刚性预负荷( 又称定位预负 荷) 、弹性预负荷( 又称定压预负荷) 之外，又发展了一种智能预负荷方式，即利 用液压油缸对轴承施加预负荷，且可根据主轴的转速、负载等具体工况控制预 负荷的大小，使轴承的支承性能更加优良。在非接触形式轴承支承的电主轴方 面，如磁浮轴承、气浮轴承电主轴( 瑞_ - t ：i b a g 等) 、液浮轴承电主轴( 美国 i n g e r s o l l 等) 等已经有系列商品供应市场。 7 ) 刀具接口逐步趋于h s k 刀柄技术。机床主轴高速化后，由于离心力作 用，传统的c a t ( 7 ：2 4 ) 7 3 柄结构已不能满足使用要求，需要采用h s k ( 1 ：1 0 ) 等 其它符合高速要求的刀柄接口形式。h s k 刀柄具有突出的静态和动态联接刚 性、大的传递扭矩能力、高的刀具重复定位精度和联接可靠性，特别适合在高 速、高精度情况下使用。因此，h s k 刀柄接口已广泛为高速电主轴所采用。 l o 工程硕十学位论文大功率电主辖结构设计研究 8 ) 向多功能、智能化方向发展。在多功能方面，有角向停机精确定位( 准 停) 、c 轴传动、换刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放 大、轴向定位精密补偿、换刀自动动平衡技术等。在智能化方面，主要表现在 各种安全保护和故障监测诊断措施，如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过 载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、主轴振动信号监测和故障异常渗断、轴 向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监测和自动控制、刀具磨损和损坏信 号监控等，女 3 s t e w - t e e 电主轴安装有诊断模块，维修人员可通过红外接口读取 数据，识别过载，统计电主轴工作寿命”。 国产电主轴和国外产品相比较，无论是性能、品种和质量都有较大差距， 国产电主轴产品和国外的相比，主要存在以下差距：国外电主轴低速段的输 出扭矩最大可达3 0 0 n m ，而我国目前仅在1 0 0 n m 以内。在高转速方面，国外 用于加工中心的电主轴转速己达7 5 0 0 0 r m i n 。我国则多在1 5 0 0 0 r m i n 以内。 电主轴的轴承润滑，国外普遍采用油气润滑，而我国仍用油脂润滑。其它 配套技术也有较大差距，如主轴电机矢量控制、交流伺服控制技术、精确定向 技术、快速启动、停止等。在产品的品种、规格、数量和制造规模等方面， 国产电主轴仍然处于小量研发试制阶段，没有形成系列化、专业化，这远不能 满足国内数控机床和加工中心发展的需求。所以目前国产的高转速、高精度数 控机床和加工中心所用的电主轴，仍然主要从国外进口。 2 2 电主轴主要性能参数的设定 由于高速电主轴技术融合了多门技术，因此，要研制出优质的电主轴，各 个方面的技术都需要不断改良。 国内电主轴的研究始于2 0 世纪6 0 年代，主要用于零件内表面磨削，这种电 主轴的功率低、刚度小。且采用无内圈式向心推力球轴承，限制了高速电主轴 的生产社会化和商品化。2 0 世纪7 0 年代后期至8 0 年代，随着高速主轴轴承的开 发，研制了高刚度、高速电主轴，它被广泛应用于各种内圆磨床和各机械制造 领域。在2 0 世纪8 0 年代末以后，由磨削用电主轴转向铣削用电主轴，用于加工 各种形体复杂的模具。另外，还开发了用于木工机械用的风冷式高速铣用电主 轴，推动高速电主轴在铣削中的应用。此外，食品工业的固体饮料、染化工业 的染料、医药工业的药品等粉状和粒状物质均需用高速离心干燥技术米生产， 而高速离心干燥设备也需要高速电主轴技术。高速拉伸电主轴的应用促进了我 国有色管材精密冷成型技术的发展。高精度硅片切割机用电主轴，促进电子工 业设备的更新和进步。利用高速电主轴的优良性能，还可丌发多种高性能试验 机。 2 电主车由的概述与基本参数工程硕士学位论文 目前国内研究高速电主轴的科研机构有我国河南省洛阳轴承研究所，他们 能自行研究开发电主轴，其d 。n 值达到很高的水平；广州钜联高速电主轴有限 公司研发的大功率静压轴承电主轴曾获得同内瓦国际专利技术博览会金奖；广 东工业大学高速加工和机床研究所也开发了数控铣床高速电主轴。在我国安阳 市，有一家中外合资的电主轴生产厂家安阳莱必泰机械有限公司，它拥有 先进的电主轴、机床主轴设计和制造技术。该公司研制生产的加工中心电主轴 采用先进技术，配有矢量闭环控制系统，能对主轴实行恒功率调速、准停制 动。采用进口高速精密轴承，旋转件经高精度平衡。该系列产品具有高精度、 高刚度、高速度、低噪声、低振动、低温升等优点，系9 9 国家火炬计划项目。 就我公司来说，大功率电主轴的性能参数要满足以下条件： 1 ) 首先要能满足机床用户对电主轴性能的要求。主要是对电主轴的额定 功率要大于2 5 k w ，刀具接口要采用h s k 型接口、且不能小于h s k 6 3 ，最高转速 要大于8 0 0 0 r p m ，最大扭矩要大于1 6 0n m 的要求。 2 ) 电主轴除了要能满足用户对机床性能的要求外，还需要有一定的先进 性，至少在国内要处于领先水平，为今后的发展留有一定的余地。 3 ) 要考虑可行性。公司是第一次研发电主轴，对于电主轴中的很多技术 也是首次接触，如：陶瓷轴承、油气润滑、h s k 刀具接口等；再加上公司本身 的技术、加工能力，如：关键设备( 精密内圆磨床、精密外圆磨床、动平衡机 等) 的精度；故电主轴主要性能参数不能定的太高。 4 ) 要考虑产品成本。公司开发的电主轴是要使用到公司机床上，而机床 又是要卖给用户的；电主轴主要性能参数定得过高，势必产品成本将上升。 如：采用传感技术对振动进行监测和诊断、对主轴热变形进行补偿、采用拉杆 中心冷却、配套的在线自动平衡系统等。 5 ) 要考虑研发的成功率。很多没有一定把握的高新技术尽量不用，如： 液体动静压轴承、空气润滑轴承、磁悬浮轴承、主轴变形温度补偿精密控制系 统、在线自动平衡系统等；保证公司首次研发的大功率电主轴能够成功。 6 ) 电主轴主电机选用德国s i e m e n s 公司的产品。 在满足这6 个条件的前提下，公司把第一次研发的电主轴g s s l 0 4 0 的性能参 数设定为：主轴最高转速：1 0 0 0 0 r p m ；恒功率转速范围：1 5 0 0r p m 5 5 0 0 r p m 。主轴的额定功率：3 0 k w ，额定扭矩：1 9 1 n m ；最大功率：3 7 5 k w ，最 大扭矩2 3 8n m 。主轴前轴直径：中7 0 m m ；刀具接口采用h s k 6 3 a 。电主 轴主电机选用德国s i e m e n s 公司1 p h 2 11 8 - 6 w f 4 t 。电主轴轴承采用德国f a g 公司的陶瓷球轴承。轴承润滑采用油一气润滑方式。 1 2 工程硕士学位论文 大功率电主轱结构设计研究 3 电主轴的总体结构方案的设计 3 1 电主轴总体布局形式 根据主电机和主轴轴承相埘位置的不同，高速电主轴有两种布局形式： 1 ) 主电动机置于主轴前、后轴承之间。图3 1 所示是我公司研制的高速 电主轴，也是一般电主轴的基本结构形式。其优点是主轴单元的轴向尺寸较 短，主轴刚度高，出力大，较适用于中、大型高速加工中心，目前大多数电主 轴都采用这种结构【54 1 。 图3 1 主电机位于主轴前、后轴承之间的电主轴 1 主轴；2 拉杆；3 主电机；4 碟形弹簧；5 水套；6 壳体；7 主轴平衡套； 8 前主轴轴承9 h s k 刀具夹套；1 0 后土轴轴承；11 液压缸；1 2 编码器 2 ) 主电动机置于主轴后轴承之后，如图3 2 所示，即主轴箱和主电动机作 轴向布置( 有的用联轴节) 。这种布局方式有利于减少电主轴前端的径向尺 图3 2 主电机位于主轴后轴承之后的电主轴 1 液压缸；2 孝立杆；3 主电机；4 后主轴轴承；5 碟形弹簧；6 主轴；7 前主轴轴承；9 刀具夹套 3 电主轴的结构布局工程硕士学位论文 寸，电动机的散热条件也较好【55 1 。但整个主轴单元的轴向尺寸较大，常用于小 型高速数控机床，尤其适合于模具型腔的高速精密：b l a - r t 42 1 。 3 2 电主轴总体结构方案设计 我公司在研制大功率电主轴g s s l 0 4 0 时，考虑到所研制的大功率电主轴是 用于大型数控镗铣床上，电主轴的前端轴向尺寸不受限制；另外，该电主轴要 求大功率、高扭矩。故电主轴的结构形式采用了主电动机置于主轴前、后轴承 之间的结构形式。 电主轴g s s l 0 4 0 的具体结构如图3 3 所示。主轴( 件1 ) 由前后两组滚珠 轴承( 件8 、1 0 ) 来支承；电动机的转子( 件3 ) 用压配合的方法安装在机床主 轴( 件1 ) 上，处于前后轴承( 件8 、1 0 ) 之间，由压配合产生的摩擦力来实现 大转矩的传递；由于转子( 件3 ) 内孔与主轴( 件1 ) 配合面之间有很大的过盈 量，因此，在装配时必须在油浴中将转子加热到2 0 0 0 c 左右，迅速进行热压装 配。设计这种过盈联接装置时，还必须考虑其拆卸的方便，如图3 3 所示，安 装硅钢片的转子内套( 件2 ) 用铬锰弹簧钢制造，且其壁厚较小，故有较好的 弹性，当需要把转子从主轴上拆卸下来时( 为了更换己磨损的前轴承) ，可用 手提式高压泵将油从转子内套左端的4 , ：f la l 压入，高压油进入内套的环形内槽 c 后，即可将内套( 件2 ) 的内径胀大，这样就可把转子j t l 骄, j 地从主轴上拆卸下 图3 3 电主轴g s s l 0 4 0 内部结构关系图 1 主轴；2 转子内套；3 转子；4 定子；5 水套；6 壳体；7 主轴平衡套；8 前陶瓷球轴承 9 h s k 刀具夹套；1 0 后陶瓷球轴承；1 1 弹簧；1 2 液压缸活塞；1 3 齿盘；1 4 编码器 1 5 滚套：1 6 轴承套。 来。为了保持主轴结构的平衡性，转子内套k x 寸称地加工了另一个小孔a 2 。当 从d , - 孑la l 加压力油时，可用螺塞把小孔a 2 堵住。电动机的定子( 件4 ) 通过一 1 4 工程硕十学位论文大功率电主轱结构设计研究 个冷却套( 件5 ) 固定在电主轴的壳体( 件6 ) 中，定子( 件4 ) 与冷却套( 件 5 ) 、冷却套( 件5 ) 与电主轴的壳体( 件6 ) 之间均采用过盈配合进行连接。 电动机的转轴就是机床的主轴( 件1 ) ，电主轴的壳体( 件6 ) 就是电动机座， 这样就构成了一种新型的主轴系统。在主轴的后部安装有齿盘( 件1 3 ) ，作为 电感式编码器，以实现电动机转子的全闭环控制。主轴前端外伸部分的内锥孔 和端面，用于安装和固定可换的刀柄。 图3 3 中的滚套( 件1 5 ) 是我公司制造的电主轴g s s l 0 4 0 所特有的，在开 始设计制造时，其结构如图3 4 所示：电主轴的后轴承支承座外是没有滚套 的，其与外支座的配合为h 6 h 5 。在对主轴进行的转速测试中发现当主轴转速 开到1 5 0 0r m i n 时主轴轴承就异常发热，通过对主轴结构进行分析( 见图3 4 ) 时发现，虽然在设计时己考虑到内装式电机的发热问题，对其进行水冷处理， 同时也对前后档轴承座进行水冷处理，但是对内装式电机的转子发热引起的主 轴延伸，主轴后档轴承座的热变形等问题考虑不足，从图3 3 可以看出主轴前 轴档的2 只轴承己将主轴轴向固定，而在一般情况下，主轴的轴向延伸是通过 主轴后轴档2 只轴承外圈与轴承座间的游隙来调整的，而此主轴固定了内装式 电机的转子，转子在工作时的温度比环境温度要高出至少3 0 0 c 一- - 4 0 0 c ，因此此 主轴的轴向延伸率要比一般主轴高得多，另外主轴后轴承座由水冷机衡温冷 却，轴承座孔径基本保持不变，如果水温低的话还会收缩，而主轴却由于受热 膨胀，因此轴承游隙消失，从图3 3 可看出主轴前轴档的内轴承与主轴后轴档 的内轴承形成面对面排列，当后轴档没有游隙的情况，主轴延伸就相当于给这 2 只轴承加预载，主轴延伸越大预载越大，有时甚至可以把主轴轴承顶死。针 图3 4 电主轴g s s l 0 4 0 后支承结