蘇冬勝

1.桂林電子科技大學(xué) 541004；2.廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 545003

數(shù)控木工鏤銑設(shè)備電主軸及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

蘇冬勝1,2

1.桂林電子科技大學(xué) 541004；2.廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 545003

介紹了電主軸的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)應(yīng)用。根據(jù)木材切削的加工特點(diǎn)，對(duì)數(shù)控木工鏤銑設(shè)備電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了技術(shù)分析，可為木材切削用電主軸的研發(fā)提供技術(shù)參考。

在金屬切削加工領(lǐng)域，高速切削加工的優(yōu)點(diǎn)早已在當(dāng)今高速機(jī)床的廣泛應(yīng)用中得到體現(xiàn)。高速機(jī)床的主要特征之一是用高速電主軸替代傳統(tǒng)的主傳動(dòng)系統(tǒng)，高速電主軸是高速機(jī)床的核心部件和技術(shù)關(guān)鍵。人們同樣也意識(shí)到木質(zhì)材料采用高速切削加工，可以獲得較高的加工精度和較低的表面粗糙度，還可以提高生產(chǎn)效率，降低單位體積切削能耗。隨著家具行業(yè)的快速發(fā)展，高檔實(shí)木家具、特別是仿古家具的流行，高質(zhì)量、高效率的木材鏤銑和雕刻加工尤其需要高性能的數(shù)控木工鏤銑設(shè)備進(jìn)行高速切削加工。電主軸在數(shù)控木工鏤銑設(shè)備上主要用于提高雕刻速度和雕刻表面質(zhì)量，同時(shí)利用電主軸變頻調(diào)速和快速自動(dòng)換刀的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)形狀復(fù)雜的內(nèi)外曲線、曲面輪廓零件加工和藝術(shù)性雕刻。一直以來高速電主軸的研究主要針對(duì)金屬切削，而針對(duì)木材切削的數(shù)控木工鏤銑設(shè)備專用電主軸研究還比較少。因此，探討木材切削電主軸的設(shè)計(jì)研發(fā)是非常必要的。

1 電主軸單元簡介

隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)（變頻調(diào)速技術(shù)、電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來，因此可做成“主軸單元”，簡稱“電主軸”。由于當(dāng)前電主軸主要采用的是交流高頻電動(dòng)機(jī)，故也稱為“高頻主軸”。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置。

高速數(shù)控機(jī)床的工作性能，首先取決于高速主軸的性能。數(shù)控機(jī)床高速電主軸單元直接影響著加工系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及應(yīng)用范圍，其動(dòng)力性、穩(wěn)定性對(duì)高速加工質(zhì)量和效率起著關(guān)鍵的作用。相比傳統(tǒng)機(jī)床主軸，電主軸具有如下特點(diǎn)：主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，無中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)及其外力作用，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械效率高、運(yùn)行平穩(wěn)噪聲低、加工精度高和主軸軸承壽命更長等特點(diǎn)；采用交流變頻調(diào)速和矢量控制，輸出功率大，調(diào)整范圍寬，轉(zhuǎn)矩特性好；機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，可實(shí)現(xiàn)很高的速度、加速度及定角度的快速準(zhǔn)停。

2 數(shù)控木工鏤銑設(shè)備高速電主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于木材切削加工機(jī)床與金屬切削加工機(jī)床工作的環(huán)境、切削加工對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)存在較大的區(qū)別，兩類機(jī)床的電主軸不能通用。數(shù)控木工鏤銑設(shè)備電主軸要根據(jù)機(jī)床工作環(huán)境和加工對(duì)象的特點(diǎn)進(jìn)行一些特殊設(shè)計(jì)，才能滿足工作要求。二者相比，數(shù)控木工鏤銑設(shè)備電主軸主要有以下特點(diǎn)：

2.1 通過風(fēng)冷方式散熱

金屬切削加工電主軸可以采用冷卻液排屑、對(duì)軸承進(jìn)行油潤滑、對(duì)正在切削的區(qū)域和電機(jī)定子進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。由于木材容易受液體污染的原因，數(shù)控木工鏤銑設(shè)備電主軸不能通過液體冷卻，而采用強(qiáng)力抽風(fēng)設(shè)備來吸走切削加工過程產(chǎn)生的木屑和粉末，利用高速氣流對(duì)木工鏤銑機(jī)電主軸進(jìn)行散熱冷卻。

2.2 電主軸密封程度要求較高

由于數(shù)控木工鏤銑設(shè)備用電主軸切削加工對(duì)象是木質(zhì)材料，切削加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，使得數(shù)控木工鏤銑設(shè)備用電主軸的使用環(huán)境比金屬切削加工的電主軸工作環(huán)境惡劣，因此數(shù)控木工鏤銑設(shè)備用電主軸密封要求更高。

2.3 電主軸高速軸承技術(shù)

高速主軸軸承是電主軸的支撐核心，是超高速主軸系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。木材切削加工機(jī)床由于工作環(huán)境、外型和生產(chǎn)成本的因素，金屬切削用高速電主軸使用的軸承并不能完全適用于數(shù)控木工鏤銑設(shè)備用高速電主軸。目前，國內(nèi)外超高速機(jī)床采用較多的軸承形式主要有磁懸浮軸承、動(dòng)靜壓軸承和混合陶瓷軸承。

磁浮軸承是通過控制感應(yīng)磁場使得軸保持懸浮狀態(tài)，使軸在不接觸的情況下轉(zhuǎn)動(dòng)，控制系統(tǒng)能感應(yīng)軸的位置，實(shí)時(shí)調(diào)整力量，將軸保持在要求的位置。這種軸承價(jià)格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)熱問題不易解決，通常只用在特殊的場合，在超高速主軸單元上大面積推廣尚不實(shí)用。

空氣動(dòng)靜壓軸承是一種綜合了動(dòng)壓軸承和靜壓軸承優(yōu)點(diǎn)的新型多氣腔軸承，但是這種軸承必須專門進(jìn)行設(shè)計(jì)，單獨(dú)生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，維護(hù)也困難。目前只在超高速微小切削電主軸上采用。

角接觸混合陶瓷球軸承是目前數(shù)控木工鏤銑設(shè)備電主軸應(yīng)用較為廣泛的高速軸承。軸承滾動(dòng)體材料為氮化硅（Si3N4）陶瓷，內(nèi)外圈采用軸承鋼（GCr15）或不銹鋼（9Cr18）。此類軸承標(biāo)準(zhǔn)化程度高，便于維護(hù)，特別適合高速運(yùn)行場合，兼有高速、高剛度、大功率、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，目前90%的主軸組件采用這種類型的軸承。

3 數(shù)控木工鏤銑設(shè)備高速電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)分析

根據(jù)數(shù)控木工鏤銑設(shè)備用高速電主軸的工作特性，下面將對(duì)主軸的選材、軸承的選型和主軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

3.1 主軸材料的選擇

由于數(shù)控木工鏤銑設(shè)備加工的對(duì)象是木材或者木質(zhì)復(fù)合材料，其力學(xué)性能為各向異性，因而電主軸工作時(shí)切削力波動(dòng)大，受到瞬時(shí)沖擊力也非常大，要求電主軸具有良好的抗沖擊能力。普通主軸使用的材料難以滿足電主軸的工作要求，必須針對(duì)木材加工的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

主軸的材料主要采用碳素鋼和合金鋼。碳素鋼比合金鋼價(jià)廉，應(yīng)力集中敏感度小，應(yīng)用較為廣泛。常用的碳素鋼是30～50鋼，其中最常用的是45鋼，為達(dá)到更好的力學(xué)性能，需對(duì)材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理。合金鋼機(jī)械強(qiáng)度較高、可淬性好，特別適用于要求軸頸耐磨性高、軸輕又能傳遞大功率的條件下使用。常用的合金鋼有38CrMnAl、12CrNi2、12CrNi3、20Cr、40Cr和38SiMnMo等。根據(jù)數(shù)控木工鏤銑設(shè)備用電主軸的工作特點(diǎn)，選用合金鋼38CrMnAl作為主軸材料。38CrMnAl具有硬度高、耐磨、加工性好、抗疲勞能力強(qiáng)、綜合機(jī)械性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，既能滿足木材的高速切削要求，又具備一定的經(jīng)濟(jì)性。

3.2 前端切削力F

按木材加工切削條件下，數(shù)控木工鏤銑設(shè)備電主軸轉(zhuǎn)速為25000r/min精加工時(shí)，分析切削力作用下主軸的承載狀況。可用下式計(jì)算切削力（圓周平均切削力）F：

式中：F－切削力(N)；P－電機(jī)額定功率(KW)；η－主傳動(dòng)系統(tǒng)效率(η=0.98)；n－主軸轉(zhuǎn)速(r/min)；D－主軸直徑(mm)

3.3 主軸前懸伸量分析

主軸前支承點(diǎn)到主軸前端的距離稱為前懸伸量，前后支承點(diǎn)之間的距離稱為跨距。前懸伸的大小直接影響主軸組件的綜合剛度。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能縮小前懸伸量，綜合考慮主軸端部結(jié)構(gòu)、刀具安裝形式、軸承類型和電主軸密封結(jié)構(gòu)，初步得出前懸伸量。

3.4 軸承支承剛度

軸承的剛度可以表示為載荷與在載荷的作用下彈性變形量的比率。根據(jù)木材加工切削條件，參考國內(nèi)外生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的切削金屬用電主軸技術(shù)資料，初定跨距L。根據(jù)式（1）計(jì)算出典型木材切削條件下主軸軸端受到的外載荷F，就可計(jì)算出前后支反力：

C1＝（a＋L）F／L (2)

C2＝C1－F (3)

式中：a－主軸懸伸量(mm)

由于軸承成對(duì)組配，所以前支承每個(gè)軸承支反力為C1/2，后支承每個(gè)軸承支反力C2/2，每個(gè)軸承為0.5F，徑向力為：

Fr＝0.5F/tg15° (4)

則每個(gè)軸承總負(fù)載為：

F1＝C1/2＋Fr (5)

F2=C2/2＋Fr (6)

經(jīng)計(jì)算分析，前后支承均選用SKF高精度角接觸混合陶瓷球軸承，能夠滿足數(shù)控木工鏤銑設(shè)備電主軸工作條件的要求。

3.5 主軸最佳跨距L0

主軸跨距L是指主軸相鄰兩支承的支承反力作用點(diǎn)之間的距離。合理選擇跨距是主軸部件獲得最大靜剛度的重要條件之一。最佳跨距L0可按以下計(jì)算確定：

式中：Fr－徑向力 (N) ；y－前端位移 (m)

式中:E－彈性模量（N/mm2）；a-主軸懸伸量（mm）；C1、C2－軸承支承剛度；L－主軸跨距（mm）；I1－主軸跨距部分的慣性矩（mm4）；；Ia-主軸懸伸段的慣性矩（mm4）

當(dāng)主軸的D、d和a及支承剛度初步確定后，如果在L＝L0時(shí)，主軸軸端總位移位y最小，即主軸具有相對(duì)最大的剛度，則稱L0為主軸部件的最佳跨距。

得到：

利用卡丹公式即三次方程求根公式可以求解，取其正實(shí)數(shù)根即為正解：

式中無量綱變量

4 結(jié)語

本文針對(duì)數(shù)控木工鏤銑設(shè)備高速電主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，僅對(duì)電主軸部分關(guān)鍵技術(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。對(duì)于其他方面的技術(shù)，如電主軸用高速電機(jī)設(shè)計(jì)以及高速電機(jī)調(diào)頻、調(diào)速和安全防護(hù)方面的問題未作分析，可參照金屬切削加工用的電主軸。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.067

蘇冬勝(1973-)，工程碩士，講師、工程師。主要研究方向?yàn)閿?shù)控木工機(jī)械的應(yīng)用與開發(fā)。

電主軸；數(shù)控木工鏤銑設(shè)備；設(shè)計(jì)分析