1、数控加工中心主轴结构设计分析摘 要数控加工中心是目前制造业和数控车床的核心技术，具有灵敏、精度稳定、高效保质和自动化操作等优点，将机械产品推向机电一体化的发展趋势，主要应用于机械制造业数控加工和切削中。高速电主轴近年来新发展的技术，是数控加工中心重要部分，是彰显数控加工中心高速、高精度优势的主要原件。在传统加工工艺下，主轴定位速度过于缓慢，而且定位的稳定性和准确度太差，很难生产出符合要求、精度比较高的产品。随着数控加工中心在车床的应用，不仅可以有效降低生产成本、提高工作效率，而且能够提高零件加工质量和精确度，充分满足社会对数控加工技术快速、高效、高质量的要求。其中电主轴主要结构包括有电机、冷却
2、系统、刀具三个，其工作高稳定性和可靠性是数控车床加工中心精度以及效率的保证。 关键词数控车床；数控加工中心；电主轴；结构设计 中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）35-0009-01 数控加工中心是数控铣床的发展产物，不同之处在于能够自动交换加工工具，实现在一次装夹过程中进行多功能加工1。电主轴是数控加工中心近年来新出现的技术，能够将机床主轴和电机两者融为一体，其结构和性能直接决定数控加工中心的性能。电主轴是将电机直接装在主轴上，不再使用传统皮带、齿轮、联轴器进行传动，直接利用电极驱动主轴，实现零传动2。目前，我国生产高速电主轴的水平与国际还有很大差距，尤
3、其是其工作高稳定性和可靠性，严重影响数控加工中心的工作效率和质量。因此很多学者致力于对国产电主轴的试验和测试分析上，希望能找到影响其工作高稳定性和可靠性的主要原因和国内设计存在哪些缺陷，并在今后设计中加以改正，提高国内数控加工中心电主轴设计水平3。本文通过对电机、冷却系统、刀具三个部分进行设计分析，来达到对中心主轴结构设计的目的。 1.国内外电主轴技术现状 我国近几年随着机床行业和制造业的发展，电主轴的设计也呈现出快速发展趋势。目前我国电主轴转速已达到 240000rpm，广泛应用于高数数控加工中心。但是电主轴工作性能和精度等方面与其他国家还存在很大差距，国内高速、高效电主轴仍需要从国外进口4
4、。国外电主轴转速可达到 300000rpm，而且转矩低于国外两倍左右，关键技术指标也处于低下水平。 2.电主轴结构、工作原理 电主轴常见布局就是点击位于主轴两个轴承之间，其主要结构包括刀具夹紧系统、电机和冷却系统。刀具夹紧系统位于主轴轴端，轴端形状取决于机床类型和刀具安装形式，冷却系统是内置电机热量散发的主要结构，电机是车床工作必备动力系统。其工作依赖于电机提供能量，带动刀具对加工零件的切削作用，根据具体工艺要求设计夹紧系统和冷却系统装置。 3.电主轴结构设计 3.1 电主轴整体结构设计 电主轴整体结构设计依据电机以及轴承位置不同分为两种：电机在主轴两个支承之间：此种形势下，一般采取基本结构布
5、局（如下图 1所示） ，主轴前后分别配备一套轴承，共两套，前支承一般选择轴向推力轴承，后轴承选取滚子轴承。此种布局优点在于轴体刚度比较大，适合功率大高速机床使用，是数控机床常采用的结构形式，缺点在于电机处于内部，散热条件差，需配备冷却系统；电机在后支承后方：此种布局主轴箱以及电机是轴向串联状态，但是不适合大转矩、大功率机床，散热比较好，可用于小型机床。 3.2 电主轴电机设计 内置电机一般有交流感应以及永磁感应两种。其中交流感应电机是目前最常用的，功率调节幅度较大，转速相对较高，结构比较简单，适用于变频调节频繁的机械制造。缺点就是效率太低、温度升高快，需要配备转矩控制器。永磁感应电机效率比较高
6、、功率大、低速条件下性能不会受限，但是配备要求比较高，而且弱磁范围有限。电主轴电机一般依据扭矩、功率和转速要求进行选择。 3.3 电主轴冷却系统设计 冷却系统是电主轴关键部分，其设计好坏直接影响电主轴精确度和使用时间。电机式电主轴发热主要原件，一般选择液体冷却和气体冷却两种。可以在电主轴内部配置冷却水套，外部配置相应的冷却机，通过液体循环将热量带走。还可以设计一个强对流通道，热量通过强对流区带出主轴外部。 3.4 电主轴刀具夹持系统设计 刀具处于主轴轴端位置，轴端夹持系统设计是否紧密是加工能否满足质量要求的主要因素。由于主轴转速提升，轴端位置会出现膨胀，导致刀具摆动，刚度下降。因此可以加大刀柄
7、以及轴端配合，降低两者高速运转时膨胀度。比如 KM 工具系统和 HSK 工具系统等。采用双面定位夹紧和短锥中空来达到夹持系统优化的目的。如图 2 所示 4.电主轴结构发展趋势 由于数控加工中心发展和机械制造业需要，对于电主轴性能要求也越来越高，因此其发展趋势为5：为跟随高速电机技术以及刀具技术快速发展趋势，电主轴应朝向高速、高刚度发展；为满足加工过程中对低速粗加工以及高速精加工两者的需求，电主轴应向低速大转矩联合高速大功率发展；为满足加工各种条件及要求，其内装电机应向多样化发展；为满足加工高效、高速需要，应朝向快速停启趋势发展；为满足加工要求多样化和智能化，电主轴应向自动化和多功能发展。 电主
8、轴是数控车床主要部件，更是制造业发展需要必不可少的部分。随着社会对机械制造业发展要求的提高，对于电主轴结构设计和性能要求也在逐步上升。本文基于传统主轴工作缺陷进行设计，主要包括电主轴整体布局设计，选择电机内置型号和方式，根据电机功率设计冷却系统，然后依据工作要求对刀具夹紧系统进行设计。但是由于国内技术水平远远低于国外发展，为满足国内对电主轴性能高速、高质量需求，建议根据电主轴和数控加工中心发展趋势进行电主轴相关结构设计，可以参照国外相关技术指标，进一步进行优化。 参考文献 1 秦军军.加工中心电主轴结构设计及性能分析D.西华大学，2012（05）：2-7. 2 邹纯标.浅谈电主轴在数控加工中心的应用J.科技创新，2013（28）：31. 3 葛玉玺，田成元.数控加工中心主轴的结构设计和改进J.科技与管理，2014（01）：208-210. 4 黄鑫.数控铣床高速电主轴结构设计及特性研究D.大连海事大学，2013（06）：5-7. 5 何俊，李健，张仁斌，等.专用数控车床主轴自动定位结构设计J.机械设计与制造，2012（02）：167-168.
