数控机床电主轴设计的若干问题及探讨

３ 结束语
高速主轴是现代四大先进制造技术之一的高速加工技术 的“核心”部件，作为一种高速主轴，电主轴技术日益完善。随着
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Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．５，２００８
高速加工技术的发展，电主轴的应用越来越普遍，应用领域越 来越宽，所起的作用也将越来越大。
［１２］ 何惜港，李玉川，李小为．大功率电主轴设计 ［Ｊ］．现代零部件， ２００４，（６）：４４－４８．
［１３］ 杨柳欣，李松生．高速电主轴轴承的油气润滑及其应用［Ｊ］．轴承， ２００３，（３）：２３—２５．
Ｔｈｅ Ｑｕｅ ｓ ｔｉｏｎｓ ａ ｎｄ Ｄｉｓ ｃｕｓ ｓ ｉｏｎ ａ ｂｏｕｔ ｔｈｅ Ｄｅ ｓ ｉｇｎ ｏｆ Ｍｏｔｏｒｉｚｅ ｄ Ｓ ｐｉｎｄｌｅ ｉｎ ＮＣ Ｍａ ｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ
与有中间传动装置、变速装置（如皮带、齿轮、联轴节等）的
传统机床主轴相比，电主轴具有如下特点：
（１）主轴由内装式电机直接驱动，省去了中间传动环节，具
有结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。
（２）电主轴可在额定转速范围实现无级调速。
（３）可实现精确的主轴定位及 Ｃ 轴传动功能。
（４）电主轴更易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更
（２）：５－６． ［５］ 龚仲华．数控技术［Ｍ ］．北京：机械工业出版社，２００４． ［６］ 严道发．电主轴技术综述［Ｊ］．机械研究与应用，２００６，（６）：１－３．
［７］ 张伯霖，夏红梅，黄晓明．高速电主轴设计制造中若干问题的探 讨［Ｊ］．制造技术与机床，２００１，（７）：１２－１４．
［８］ 陈长江，郭丽娟，萧汝峰，等．数控机床用高速电主轴振动原因分 析［Ｊ］．现代零部件，２００５，（１０）：４０－４１．
２ 电主轴设计的相关问题及探讨
２．１ 电主轴的振动 机械振动是指物体在某一中心位置两侧所做的往复运动，
简称振动。 机床的振动大小对机械加工的精度、工件的表面 质量、机床的有效使用寿命等有着不可小视的影响。电主轴的 最 高 转 速 一 般 在 １００００ｒ／ｍ ｉｎ 以 上 ， 甚 至 高 达 ６００００ ～ １０００００ｒ／ｍ ｉｎ，主轴的运转部分微小的不平衡量，都会引起巨大 的离心力，造成机床的振动［７］。就电主轴本身而言，电主轴的振 动分为三种：电主轴的谐振、电磁振荡和机械振动［８］。不管哪种， 都要求电主轴的设计制造必须进行严格的动平衡，具体来说：
［９］ 王春秀．高速数控车削中心主轴单元的可靠性研究［Ｊ］．固原师专 学报，２００１，２２（６）：１６－１８．
［１０］ 严武升，刘宏．超高速电主轴的几个问题 ［Ｊ］．机械科学与技术， １９９８，１７（３）：４２８－４３０．
［１１］ 刘淑琴．磁悬浮轴承技术在电主轴中的应用［Ｊ］．机械工人，２００５， （８）：２１－２２．
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数控机床电主轴设计的若干问题及探讨
于子良
（北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 １０００４４；北京二七轨道交通装备有限责任公司，北京 １０００７２）
摘要：简要介绍了数控机床电主轴的结构和优点，分析了电主轴振动和热量产生的原因并探讨了解决办法，综述了现有电主轴支承和润 滑类型，提出了支承和轴承润滑必须满足的要求。 关键词：高速加工 ；数控机床 ；电主轴
当前，经济全球化带来的不断激烈的国际市场竞争中，对 机械加工的要求越来越高。国际数控机床技术的发展和制造技 术的进步，要求现代数控机床应具备高转速、高精度、高效率及 高可靠性．以满足飞机制造、航天等行业对铝合金、钛合金材 料零件的高速精密加工。同时，国际上对环保要求也在不断提 高，必须少用或不用切削液，用干切削的方式来加工零件，达到 环保的目的［３］。
用广泛。高速精密电主轴一般采用高速性能好的小钢球精密角 接触球轴承。
复合陶瓷轴承是近年来发展较快的一种支撑形式 ，耐磨 耐热，能满足在一些特殊工作条件下的要求，寿命是传统轴承 的数倍［１０］；电磁悬浮轴承（Ａ ｃｔｉｖｅ Ｍ ａｇｎｅｔｉＢ ｅａｒｉｎｇ，简称 Ａ Ｍ Ｂ） 或动、静压轴承，其内外圈不接触，理论上寿命无限长，结构简 单并能达到很高的转速（ＩＢ Ａ Ｇ 公司生产的电磁轴承工作转速 已达到 ４００００～７００００ ｒ／ｍ ｉｎ）［１１］。电磁轴承由于其价格较高， 主要应用在超高速加工等高科技设备上，而动、静压轴承在多 种精密、高速设备中应用非常普遍。
１ 电主轴简介［５￣６］
高速电主轴可以简单的总结为“电机 ＋ 主轴”，也可以说是 一台高端的电动机。传统的机床主轴以普通电机通过传动带 、 齿轮等传动系统驱动，电主轴则将异步电机的转子直接通过过 盈配合与机床主轴相连，从而取消了从主电动机到主轴之间一 切中间的机械传动环节，实现了主电机与机床主轴的一体化， 使机床的主传动系统实现了所谓的“零传动”。 图 １ 是电主轴 的结构示意图。
２．２ 电主轴的散热
由于电主轴的转速很高，运转时会产生大量热量，引起电
主轴的温升，严重影响电主轴的正常工作。因 此，必须严格控
制电主轴的温度，使其衡定在一个恒定值内。电主轴的热源主
要有两种：内藏式高速电动机的发热和主轴轴承的发热［９］。
电主轴内藏式电动机的发热会直接降低它旁边的主轴轴
承的工作精度，进而影响机床的精度和可靠性。由于结构限制，
２）电主轴的机构必须严格遵守对称性原则，键连接和螺
纹连接在电主轴上是被禁止的，电机转子和机床主轴之间的过
盈按所传递的扭矩来计算，有时高达 ０．０８￣０．１０ｍ ｍ ．主轴上轴向
固定零件用的螺纹套也用与主轴过盈配合的圆盘来代替。
３）还必须采用下列两个工艺措施：电主轴转子外径留有
加工余量，当转子用热压法装入主轴后，以主轴、后轴径为定位
中图分类号：ＴＨ１３３．３
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２－ ５４５Ｘ（２００８）０５－ ０１４８－ ０３
自 １９５２ 年美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子 技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数 控机床在迅速的发展和不断的更新。到 １９ 世纪 ８０ 年代，数控 机床已经经历了 ５ 个发展阶段，体积日益缩小、价格逐年下降、 可靠性显著提高，性能更加完善。２０ 世纪 ９０ 年代以来，计算机 的飞速发展，使数控机床的发展进入第六阶段［１￣２］。
在恒定的温度范围内正常工作。具体措施：以经过油冷却装置
的冷却油强制性地在主轴轴承外循环，带走产生的热量。
另外，在设计电主轴组件时，电主轴转子中的主轴 及前后
轴承座等零件，最好采用同样密度、同样比热的 材料，以保证
整个电主轴组件运转的热平衡性。
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１．引出线 ２．定子 ３．转子 ４．套筒 ５．绕组 ６．外壳 图 ２ 电主轴结构示意图
２．３ 电主轴的支承 电主轴的支承必须满足电主轴高速、高回转精度的要求，
同时需要有相应的刚度。电主轴的支承形式主要有滚动轴承支 承，气压和液压的动、静压轴承支承和电磁轴承支承三种，其中 使用最普遍的是滚动轴承支承。滚动轴承不但具有较好的高速 性能，还具有支承刚性好、价格适中、便于维修更换的优点，应
《装备制造技术》２００８ 年第 ５ 期
一般内藏式电动机采用外循环油水冷却系统进行冷却，即在在
主电动机定子的外边加工有带螺旋槽的铝质外套（如图 ２），机
床工作时，冷却水不断在该螺旋槽中流动，从而把主电动机的
热量带走。
对于轴承的发热问题，首先我们可采用角接触陶瓷轴承，
滚珠用 Ｓｉ３Ｎ ４ 材料制成，直径比同规格球轴承小 １／３；同时采用
采取强制循环油冷却的方式对主轴轴承进行冷却，确保电主轴
为满足以上的要求，数控机床电主轴应运而生。它具备相 应的高转速和高精度、高速精密和高效率特性，在超高速切削 机床上得到了广泛的应用。美国、德国、日本、瑞士、意大利等工 业发达国家，都在高速数控机床上广泛采用了电主轴结构［４］。
但是，电主轴制造工艺的要求却非常严格，这种结构还带 来一系列新的关键技术 ，诸如内置电动机的散热、高速主轴的 动平衡 、主轴支承及其润滑方式的合理设计等，它们直接影响 高速运转主轴的稳定性和可靠性及能否实现高效精密加工。本 文主要分析了这些问题并对它们的解决方法进行探讨。
不管哪类轴承都应达到下面的轴承安装基本要求［５］： （１）提高轴承尺寸公差及旋转精度，以适应高精度切削要 求 （２）采用角接触轴承代替圆柱滚子轴承和推力球轴承，以 承受径向和轴向载荷，并适应高精度切削要求 （３）减小径向截面尺寸，以减小主轴系统的体积，并有利于 系统的热传导 （４）尽量采用小而多的滚动体，以减小高速旋转惯性力并 进而提高轴系的动刚度 （５）采用高强度、轻质保持架，选择合理的引导方式，以适 应高速旋转 （６）尽量采用配对轴承，以保证轴承的旋转精度与刚度 （７）采用合理的悬跨比预载荷和轴承配对形式，以提高寿 命 ［１２］ 。 ２．４ 润滑 另外，为保证轴承在高速条件下具有良好的工作性能，还 必须对轴承进行适当的润滑。按照具体的要求，可采用的润滑 方式有油脂润滑、油雾润滑、油气润滑等［１３］：当转速要求不是太 高时，根据选用轴承提供的数据，在允许范围内，可使用油脂润 滑，因为油脂润滑简单、方便，不须任何附加设施；当主轴转速 要求较高，可以考虑采用油雾润滑、喷油润滑及油气润滑；目前 国际上 最流行的是油气润滑。 油气润滑必须使用相应的油气 润滑装置。其原理是用微量泵定时打出定量小油滴，经通过净 化冷却的 干燥空气来润滑每个轴承的润滑点。油气润滑不但 能润滑主轴轴承，还能将轴承运转产生的热量带走一部分。但 由于油气润滑时气压较高，因此对应每个润滑点的进口，在对 面相应设置一个出气口。油气润滑结构复杂，设计制造困难，加 上需要专门的油气润滑装置 ，价格较贵。 用油雾或油气润滑时需特别注意的是，应使主轴在运转过 程中始终有新鲜润滑油供应，做到润滑系统先于主轴启动而后 于主轴停止运行。由于油雾或油气直接通入轴承滚动体部位， 在使用该类主轴时需注意压缩空气的干燥及洁净程度，国内生 产车间常是集中供气，压缩空气通入润滑系统之前 ，最好加空 气干燥、过滤装置。否则，将使电主轴的使用寿命大打折扣。