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1、基于数控机床的高速电主轴结构分析 摘要：笔者结合自己的详细工作，经过对数控机床中高速主轴的结构的分析和探讨，从轴承的技术设计到主轴的动平衡设计，在此基础上引出来超高速主轴的轴端设计的理论概念和方法，同时还给出了一些详细的优化技巧和改进措施。 关键词：电主轴 超高速 零传动 笔者在实践中总结和发觉，数控机床中的高速加工，其先决条件就是肯定要确保主轴的值不能小于1106。探讨表明，高速加工有着自身大功率、宽调速的特性。要实现高速加工，最佳方法就是干脆把主轴电机的转子、定子装入主轴组件，这样就会形成一个整体的电主轴，从而实现了主轴系统的“零传动”。因为电主轴有着紧凑、惯性小、重量轻、动态特性好相对良
2、好的优点，所以能够改善加工机床的实际动平衡，能够大幅度地消退了振动与噪声，因此，这种方式得到了高速切削机床行业的广泛关注。由于电主轴工作过程中其转速相对比较高，所以在详细的结构设计和限制、制造过程都提出了严格的要求和实施范围。比如主轴的动平衡、散热、支承、精密限制及润滑等。 1、主轴轴承的技术分析 主轴轴承技术属于整个超高速主轴行业中的一个最重要的技术。现在，在世界超高速机床行业，运用最为广泛的轴承形式就是动静压轴承、磁浮轴承和混合陶瓷轴承。 1.1 磁浮轴承 磁浮轴承其实就是通过电磁力的作用，把整个转轴悬浮在相应空间的一种轴承，它的优点就是定子与转轴之间不出现任何的机械接触。因为没有机械接触
3、，所以转轴都能达到一个极值的转速。它的结构特点就是磨损小、噪声小、能耗低、寿命长、无油污染、无需润滑，由于磁浮轴承属于可控的轴承，转子的详细位置完全可以自律，主轴阻尼和刚度都可以调整，这样在整个加工过程中是其他轴承无法替代的。制约磁浮轴承广泛应用的主要缘由有价格、发热以及困难的限制系统等问题，所以许多只适用于一些特别的场合。 1.2 动静压轴承 动静压轴承属于综合了静压轴承和动压轴承两者优点的一种新型多油楔油膜轴承，它的优势就在于回避了静压轴承在高速运转下的发热和困难的供油系统，防止了动压轴承停止与启动过程所发生的一些干摩擦，由于他的调速范围比较宽，有着良好的高速性能。它不但适合一些大功率的粗
4、加工，还适用于一些超高速的精加工。它的缺陷就在于全部的动静压轴承都是经过特地的设计，标准化程度相对较低，而起还是单独生产的，在维护过程中也要比其他的都要困难许多。 1.3 陶瓷轴承 角接触球轴承在高速运转的过程中，为了防止发热和摩擦烧伤，就要减小和消退陀螺力矩和离心力。滚珠在旋转过程中所产生的离心力Fc其表达方式为：Fc= (1) (1)式中：是滚珠的直径(m),是滚珠材料的密度(kgm3),滚珠的公转角速度(rads),滚珠轴承的节圆直径(m)。 因为滚珠的自转轴空间在不断地改变，所以，就会产生一个绕水平轴的陀螺力矩= (2) (2)式中：是滚珠自转轴与坐标平面的夹角，是滚珠的自转角速度(r
5、ads)，是滚珠的转动惯量。当滚珠绕水平轴Y的转速0，就会产生绕垂直轴Z的陀螺力矩= (3) (3)式中：是滚珠自转轴线在X轴与水平面内的投影之间的夹角。由上式可知，滚珠材料的密度与滚珠的离心力成正比，和滚珠直径的三次方成正比，同时随着速度的上升，陀螺力矩也不断增大。 2、主轴的动平衡设计 在超高速主轴中，微小的不平衡量就会产生相应较大的振动，导致表面质量和加工精度下降，所以设计中肯定严格遵循对称设计的原则，且主轴的全部的零件都肯定要经过精密的装配、加工、校正。由于主轴和电主轴的电机转子干脆联结，这就会增加主轴的转动惯量，使主轴的极限转速下降，所以超高速电主轴的动平衡精度要求比较严格，通常都在
6、G1GO.4级以上(是角速度，为回转中心与质量中心之间的位移)。这样高的要求，仅在装配前对主轴的每个零件分别进行动平衡是不够的，必需在装配后进行整体精确动平衡，甚至设计特地的自动平衡系统来实现主轴在线平衡，以确保主轴的高速平稳运行。 3、超高速主轴的轴端设计 随着机床向高速、高精度、大功率方向发展，沿用多年的标准化的724锥联接已经不能适应超高速机床主轴的要求，它限制了主轴转速和机床精度的进一步提高。分析表明，刀尖25-50 的变形来源于724锥联接，只有40左右的变形来源于主轴和轴承。因此，必需发展新的适合超高速主轴要求的主轴轴端结构。 超高速主轴的前端由于离心力的作用会使主轴膨胀。然而，刀
7、柄的膨胀量不如主轴的膨胀量大，因此联接的刚度会下降，还会引起刀柄及夹紧机构质心的偏离，影响主轴的动平衡精度。用较大的过盈量，可以消退主轴轴端的膨胀，但这样大的过盈量须要拉杆产生很大的预紧拉力，这样大的拉力对换刀不利，还会使主轴轴端膨胀，对主轴的前轴承不利。如能设计一种端面定位并使定位面具有很大的摩擦即可解决超高速主轴轴端的设计问题。 目前，对主轴刀具联接探讨较胜利的设计主要有两大类型：一种为采纳新思路的替代型设计，如德国的HSK系列和美国的KM系列：一种为改进型设计，如美国的WSU系列。KM系列结构采纳1:10的短锥协作，锥柄的长度仅为标准724锥柄长度的13，由于协作面较短，部分解决了端面与
8、锥面同时定位而产生的干涉问题。其刀柄设计成中空的结构，在拉杆力的作用下，短锥可径向收缩，实现端面与锥面同时接触定位。由于锥度协作部分有较大的过盈量(0.020.05mm)，所需的加工精度比标准的724长锥协作所需的精度低。与其它类型空心锥联结相比，相同法兰外径采纳的锥柄直径较小，主轴锥孔在高速旋转时的扩张小，高速性能好。 4、结语 文章论述了超高速电主轴的结构及其特点，总结了其设计、制造中的一些关键技术，提出了改进的方向和措施。由于超高速电主轴结构的特别性，有必要在传统阅历设计方法的基础上应用计算机仿真技术进行精确的优化设计，以满意不断提高电主轴工作性能的须要。 参考文献 1杨作兴,赵雷.电磁轴承动刚度的自动测量J,机械工程学报,2022,37(8):7578. 2黄晓葳.电磁轴承系统实现自动平衡的一种新方法J,机械工程学报,2022,37(7):96101 3张伯霖.超高速加工与机床的零传动J,中国机械工程,2022,7(5). 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页