基于数控机床的高速电主轴结构分析
摘要：笔者结合自己的具体工作，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，同时还给出了一些具体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现，数控机床中的高速加工，其先决条件就是一定要确保主轴的值不能小于1×106。研究表明，高速加工有着自身大功率、宽调速的特性。要实现高速加工，最佳方法就是直接把主轴电机的转子、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，能够大幅度地消除了振动与噪声，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，所以在具体的结构设计和控制、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、精密控制及润滑等。
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，使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，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，转子的具体位置完全可以自律，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原因有价格、发热以及复杂的控制系统等问题，所以很多只适用于一些特殊的场合。
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复杂的供油系统，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加工，还适用于一些超高速的精加工。它的缺陷就在于所有的动静压轴承都是经过专门的设计，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很多。
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，就要减小和消除陀螺力矩和离心力。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(kg／m3),滚珠的公转角速度(rad／s),滚珠轴承的节圆直径(m)。
因为滚珠的自转轴空间在不断地变化，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(rad／s)，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，同时随着速度的升高，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，所以设计中一定严格遵循对称设计的原则，且主轴的所有的零件都一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直接联结，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G1～GO.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，必须在装配后进行整体精确动平衡，甚至设计专门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7／24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7／24锥联接，只有40％左右的变形来源于主轴和轴承。因此，必须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，可以消除主轴轴端的膨胀，但这样大的过盈量需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／刀具联接研究较成功的设计主要有两大类型：一种为采用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系列结构采用1:10的短锥配合，锥柄的长度仅为标准7／24锥柄长度的1／3，由于配合面较短，部分解决了端面与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。由于锥度配合部分有较大的过盈量(0.02～0.05mm)，所需的加工精度比标准的7／24长锥配合所需的精度低。与其它类型空心锥联结相比，相同法兰外径采用的锥柄直径较小，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殊性，有必要在传统经验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，以满足不断提高电主轴工作性能的需要。
参考文献
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