楊小娟 邱 巖 于雯秋

（沈陽機床股份有限公司，遼寧 沈陽 110000）

為了加速企業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，提高企業(yè)競爭力，促進企業(yè)技術(shù)進步，高速數(shù)控機床的研究、開發(fā)已是當(dāng)務(wù)之急。在高速數(shù)控機床設(shè)計制造中，最關(guān)鍵的是高速主軸技術(shù)。它將電機的轉(zhuǎn)速和扭矩通過主軸傳遞給刀具，并對工件進行加工。主軸按照驅(qū)動形式分為機械主軸和電主軸，電主軸將驅(qū)動電機和主軸做成一個整體，省略了機械主軸中的皮帶或齒輪等中間傳動環(huán)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、慣性小、振動低、噪聲小且響應(yīng)快等優(yōu)點[1]，在高精機床領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

電主軸尤其是高速電主軸的設(shè)計主要包括內(nèi)裝電機的選型、高速軸承、潤滑冷卻及密封技術(shù)、刀具系統(tǒng)以及熱伸長控制。其中影響主軸剛性的主要因素是軸承系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)，影響主軸轉(zhuǎn)速的因素是主軸軸承系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)。

1 主軸設(shè)計參數(shù)

主軸設(shè)計參數(shù)見表1。主軸的設(shè)計參數(shù)根據(jù)機床的加工材料、加工需求及機床的結(jié)構(gòu)形式來確定。根據(jù)產(chǎn)品的臥式加工中心的結(jié)構(gòu)特點及刀具/倒庫的使用需求，確定刀具接口為BT50，安裝法蘭直徑為285mm。根據(jù)機床使用中的加工工況，等效計算主軸所需的功率扭矩等參數(shù)，確定點擊的功率及額定扭矩、額定轉(zhuǎn)速/最高轉(zhuǎn)速等參數(shù)，同時確定靜態(tài)拉刀力。

表1 主軸設(shè)計參數(shù)

2 內(nèi)裝電機選型

內(nèi)裝電機是高速電主軸的重要組成部分，是決定主軸性能的關(guān)鍵因素。內(nèi)裝電機包括定子及轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子以過盈連接的形式分別與主軸套筒和芯軸連接，傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩。內(nèi)裝電機按電機形式分為異步電機和同步電機。同步電機轉(zhuǎn)速與定子磁場同步，功率密度大，體積小，電機轉(zhuǎn)速不受負(fù)載的影響，通過調(diào)節(jié)電源頻率就能進行精確控制，應(yīng)用在機床加工領(lǐng)域，可以獲得更好的螺紋質(zhì)量及表面加工質(zhì)量。其缺點是電機弱磁范圍較窄，一般為3～4倍額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速比值較大時，同步電機電流也較大，電氣系統(tǒng)需要增加VPM單元，但也增加了電氣成本。

根據(jù)需求，電機選型可選擇同步或異步電機。同步電機功率密度大，同步性能好，成本高；異步電機成本低，恒功率范圍大。當(dāng)最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速比大于4時，同步電機電流較大，會提高電氣成本。因此恒功率范圍窄的可選同步電機，恒功率范圍大的可選異步電機。

電機的計算校核還需要考慮最高轉(zhuǎn)速。根據(jù)電機的功率扭矩曲線計算主軸加速時間，根據(jù)切削最大扭矩校核電機扭矩，根據(jù)切削金屬去除率校核電機功率。

該文采用FANUC異步電機，電機型號為BiI160LL/13000B，電機為雙速電機，其功率扭矩曲線如圖1所示。電機功率為15/25kW，額定轉(zhuǎn)速為460r/min，額定扭矩為305N·m，最高轉(zhuǎn)速為13000r/min，最大扭矩為623N·m，最大扭矩持續(xù)時間為2s。電機特性滿足設(shè)計需求。

圖1 電機功率扭矩圖

3 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 電主軸端部設(shè)計

主軸端部用來安裝刀具或夾持工件。主軸端部結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證刀具或工件定位準(zhǔn)確、安裝可靠，并傳遞足夠的扭矩。加工中心用電主軸端部的連接方式主要有2種形式，即7∶24錐度和1∶10錐度。7∶24錐度主軸常用配置為BT40、BT50，刀具在使用過程中采用錐面接觸，主軸端面不接觸，因此要求主軸錐孔具有足夠的連接剛度。

在旋轉(zhuǎn)離心力作用下，主軸會發(fā)生膨脹變形，形成“喇叭口”，影響主軸精度。主軸刀柄軸向位移L、徑向間隙d和刀柄錐角θ（7∶24錐度為8°17′50″）的關(guān)系如公式（1）所示。

可見，變形徑向間隙對加工精度的影響較大。

1∶10錐度常用于HSK高速刀柄，其特點是錐柄短、薄壁結(jié)構(gòu)，錐度配合過盈量小，端部和錐柄同時接觸，對主軸端部關(guān)鍵尺寸精度要求嚴(yán)格。高速運轉(zhuǎn)時，HSK刀柄產(chǎn)生的膨脹變形量可以在一定程度上彌補主軸的膨脹變形，使前、后段間隙量均勻[2]。該文主軸最高轉(zhuǎn)速為8000r/min，采用7∶24-BT50刀柄設(shè)計。

3.2 軸承支撐方式及剛度計算

軸承及其布置型式的選型是實現(xiàn)主軸高轉(zhuǎn)速和高精度的關(guān)鍵，也決定了電主軸的壽命及剛性[3]。

該電主軸采用前端角接觸球軸承，后端圓柱滾子軸承的布置形式。角接觸球軸承為//\QBC模式，后端采用圓柱滾子軸承，圓柱滾子軸承允許軸向竄動空間，能抵消電主軸運行過程中熱膨脹導(dǎo)致的熱伸長。

主軸系統(tǒng)的剛度包括軸向剛度和徑向剛度，并以徑向剛度為主。影響主軸剛度的參數(shù)主要有軸承剛度、軸承布置形式、主軸懸伸和主軸跨距等[4]。主軸剛度的計算是一個比較復(fù)雜的計算過程，該文不做詳細(xì)計算，可參考相關(guān)資料進行學(xué)習(xí)。組合軸承的軸向和徑向剛度計算系數(shù)見表2、表3。

表2 組合軸承軸向剛度系數(shù)

表3 組合軸承徑向剛度系數(shù)

3.3 刀具系統(tǒng)設(shè)計

刀具系統(tǒng)是主軸設(shè)計的關(guān)鍵部分。刀具系統(tǒng)包括松夾刀系統(tǒng)及卸刀系統(tǒng)的設(shè)計。

主軸狀態(tài)分為拉刀-空刀-松刀3種狀態(tài)。油缸行程還要考慮空行程（S0）及舔刀量（Sj）。油缸行程S的計算如公式（2）所示。

式中：H為松刀行程。

對加工中心主軸來說，松、夾刀時間會直接影響換刀時間，從而影響整機的加工效率與加工節(jié)拍，因此要計算油缸松刀時間。松刀時間t的計算如公式（3）所示。

式中：t為松、夾刀時間，s；V為松刀、夾刀油腔體積，L；δ為根據(jù)負(fù)載的修正系數(shù)0.59～0.82；Q為液壓系統(tǒng)流量，L/min。

上述為理想狀態(tài)下的理論時間。在實際使用過程中，受液壓管路及壓力波動等的影響，實際松刀時間可能大于理論時間，在液壓管路設(shè)計中應(yīng)盡量減少管路長度。

3.4 潤滑與冷卻系統(tǒng)設(shè)計

高速電主軸的潤滑系統(tǒng)一般指軸承潤滑系統(tǒng)。軸承高速運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大量摩擦熱，導(dǎo)致溫度升高，從而引起熱變形，降低軸承的工作精度同時也改變了軸承的預(yù)緊，使主軸的剛度特性發(fā)生改變。軸承潤滑分為脂潤滑和油氣潤滑。通常用dmn值（軸承轉(zhuǎn)速乘以軸承內(nèi)徑）決定潤滑的方式。脂潤滑的特點是成本低，易維護，當(dāng)dmn值≤1×106時采用脂潤滑；油氣潤滑成本高，使用時還需要考慮油霧回收問題，但其可以獲得更高轉(zhuǎn)速。一般dmn值≥1×106時采用油氣潤滑。主軸常成組使用。成組使用時，由于軸承的尺寸差異及安裝因素，成組軸承并不能達(dá)到單個軸承的轉(zhuǎn)速，因此成組使用時需要考慮軸承配置系數(shù)（見表4）。

表4 軸承極限轉(zhuǎn)速系數(shù)

傳統(tǒng)機械主軸的熱源主要是軸承高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量。電主軸內(nèi)置有主軸電機，與機械主軸相比，增加了內(nèi)置主電機熱量源。為降低軸承發(fā)熱，需要設(shè)計軸承座冷卻環(huán)對軸承進行冷卻。對電機定子安裝軸套設(shè)計冷卻環(huán)并進行電機冷卻。設(shè)定冷卻泵溫度時要注意不要將溫度設(shè)置過低，防止出現(xiàn)主軸冷凝現(xiàn)象，設(shè)定溫度一般為室溫+1℃。

為使主軸能夠被充分冷卻，需要進行冷卻系統(tǒng)計算，主要包括冷卻功率、冷卻流量及冷卻口截面積等的計算。

電主軸的發(fā)熱源主要是內(nèi)裝電機。內(nèi)裝電機的發(fā)熱會因電機材料及制作工藝而有所區(qū)別，根據(jù)使用研究及測試，電機的發(fā)熱量可按如下比例進行估算。同步電機，國外3%～5%，國內(nèi)5%～8%；異步電機，國外15～20%，國內(nèi)20～30%；伺服電機，國外10～15%，國內(nèi)15～20%；制冷功率可根據(jù)電機功率乘以上述比率進行計算。

確定制冷功率后，需要根據(jù)冷卻介質(zhì)和制冷功率來確定冷卻流量，如公式（4）所示。

式中：P為制冷功率，kW；M為質(zhì)量流量，kg/s；C為冷卻介質(zhì)的比熱容，kJ/kg·K；?t為溫升，℃。

其中，對于冷卻介質(zhì)的比熱容C，水取4.18kJ/kg·K，油取1.9674kJ/kg·K。實際的溫升受電機質(zhì)量、安裝質(zhì)量及工況的影響，很難計算出確定數(shù)值，可以根據(jù)不同介質(zhì)進行估算。冷卻介質(zhì)為水時，溫升取5℃，冷卻介質(zhì)為油時，溫升取8℃。

確保冷卻流量后還要考慮冷卻截面積，以確保冷卻效果。計算冷卻截面積主要考慮流量和流速，如公式（5）所示。

式中：S為冷卻截面積，mm；Q為流量，L/min；V為流速，m/s。

流速V的選擇可根據(jù)經(jīng)驗進行選取。壓力水管一般設(shè)計流速為0.5m/s～3m/s（水壓≤1000kPa），推薦取值2m/s；負(fù)壓水管（吸程）一般設(shè)計流速為0.5m/s～1.5m/s（水溫≤50℃），推薦取值1.2m/s；壓力油管一般設(shè)計流速為3m/s～8m/s（黏度≤40Cst），推薦值4m/s；負(fù)壓油管（吸程）一般設(shè)計流速為0.5m/s～1m/s，推薦值0.8m/s。

綜上所述，主軸設(shè)計中的潤滑和冷卻需求包括選擇軸承潤滑方式、計算主軸發(fā)熱量、合理選擇冷卻功率及流量并根據(jù)冷卻截面積設(shè)計合適的冷卻結(jié)構(gòu)。

4 主軸動平衡技術(shù)

高速電主軸對不平衡控制的要求比通常轉(zhuǎn)子更嚴(yán)格，微小的不平衡都會導(dǎo)致主軸回轉(zhuǎn)精度嚴(yán)重喪失甚至軸承支撐系統(tǒng)嚴(yán)重失穩(wěn)[5]。進行電主軸設(shè)計時，要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及安裝工藝，在裝配過程中多次從低速到高速逐步進行主軸動平衡調(diào)整，以達(dá)到主軸所需的動平衡等級，還要充分考慮動平衡位置，通過增重或減重，盡量保證前端和后端2個校正面的動平衡效果。

目前的主軸在線動平衡技術(shù)研究廣泛，電主軸通過綜合狀態(tài)測控系統(tǒng)，監(jiān)控主軸振動、軸承溫度、旋轉(zhuǎn)速度和主軸負(fù)載等關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)電主軸動平衡模型進行分析診斷，識別和監(jiān)控主軸不平衡部位、不平衡量，從而減少主軸故障，并及時有效地采取維修措施。

5 主軸熱裝工藝設(shè)計

為消除傳動間隙對主軸運行的影響，電主軸定、轉(zhuǎn)子常常通過熱裝的方式連接冷卻水套、芯軸。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子與機床主軸存在過盈時，會配合表面產(chǎn)生正壓力，使電機轉(zhuǎn)子的內(nèi)、外徑擴張。電機轉(zhuǎn)子與機床主軸過盈量的大小不僅與配合面的傳動能力密切相關(guān)，還受電主軸運動狀態(tài)的影響，主要是高速狀態(tài)下離心力對配合面的影響[6]。

過盈量計算分為靜態(tài)過盈量和動態(tài)過盈量設(shè)計。靜態(tài)過盈量考慮最大扭矩的傳遞能力，動態(tài)過盈量考慮最大功率的傳遞能力。滿足扭矩和功率的同時，計算主軸轉(zhuǎn)子襯套的許用應(yīng)力是否滿足要求。計算公式在此不贅述，可參考文獻(xiàn)[6]中的論述。

6 結(jié)語

高速電主軸是一款對設(shè)計、工藝、裝配等要求較高的產(chǎn)品，設(shè)計環(huán)節(jié)多且設(shè)計細(xì)節(jié)多。該文主要設(shè)計了一款臥式加工中心用電主軸，從設(shè)計參數(shù)出發(fā)介紹主軸電機的形式，從同步電機和異步電機的產(chǎn)品特性出發(fā)介紹主軸電機選擇依據(jù)。還詳細(xì)介紹了電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的各環(huán)節(jié)。首先從電主軸端部的選擇介紹電主軸不同端部形式的特點。其次介紹主軸最重要的支撐環(huán)節(jié)，軸承的選型設(shè)計。再次介紹主軸刀具系統(tǒng)的設(shè)計。從次介紹主軸潤滑及冷卻計算，以保證主軸在運轉(zhuǎn)過程中溫升可控。最后從工藝方面介紹了主軸動平衡和主軸熱裝工藝的要點。希望能通過高速電主軸設(shè)計的全方位介紹，為電主軸設(shè)計提供一定的借鑒。