1、高速电主轴及其结构 报告 姓名：周李念 学号： 20122449 班级： 机自实验 04 班 重庆大学机械工程 学院 高速电主轴及其结构 周李念 （ 重庆大学 机械工程学院机自实验 04 班 ） 摘要： 高速加工能显著地提高生产率、降低生产成本和提高产品加工质量，是制造业发展的重要趋势，也是一项非常有前景的先进制 造技术。实现高速加工的首要条件是高质量的高速机床，而高速机床的核心部件是高速电主轴单元，它实现了机床的“零传动”，简化了结构，提高了机床的动态响应速度，是一种新型的机械结构形式，其性能好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率。 关键词： 高速加工；电主轴；结构设计 1 高速
2、电主轴概述 高速电主轴最早是用于磨削机床加工，逐步发展到加工中心电主轴及其他各行业机床主轴 .典型的磨削电主轴的结构如图 1 所示，传统的主轴一般是通过传动带、齿轮来进行传动驱动，而电主轴的驱动是将异步电机直接装入主轴内 部，通过驱动电源直接驱动主轴进行工作，以实现机床主轴系统的零传动，形成“直接传动主轴” .从而减少中间皮带或者齿轮机械传动等环节，实现了机械与电机一体的主轴单元 .电主轴不但减少了中间环节存在的打滑、振动和噪音的因素，也加速了主轴在高速领域的快速发展，成为满足高速切削，实现高速加工的最佳方案，其高转速、高精度、高刚性、低噪音、低温升、结构紧凑、易于平衡、安装方便、传动效率高等
3、优点，使它在超高速切削机床上得到广泛的应用 1 . . 1 转轴 ； 2 前轴承组 ； 3 定子部件 ； 4 转子部件 ； 5 后轴承组 ； 6 进 -出水孔 ； 7 进油孔 ； 8 接线座 ； 9 出油孔 图 1 电主轴结构简图 高速电主轴的优点： 高速电主轴取消了由电机驱动主轴旋转工作的中间变速和传动装置（如齿轮、皮带、联轴节等），因此高速电主轴具有如下优点： （ 1）主轴由内装式电机直接驱动，省去了中间传动环节，机械结构简单、紧凑， 噪声低，主轴振动小，回转精度高，快速响应性好，机械效率高； （ 2）电主轴系统减少了高精密齿 轮等关键零件，消除了齿轮传动误差，运行时更加平稳； （ 3）采
4、用交流变频调速和矢量控制技术，输出功率大，调速范围宽，功率 扭矩特性好，可在额定转速范围实现无级调速，以适应各种负载和工况变化的需要； （ 4）可实现精确的主轴定位，并实现很高的速度、加速度及定角度快速准停，动态精度和稳定性好，可满足高速切削和精密加工的需要； （ 5）大幅度缩短了加工时间，只有原来的约 1/4； （ 6）加工表面质量高，无需再进行打磨等表面处理工序； 2 高速电主轴的结构 2 高速电主轴要求具备很高的工作性能，因此对其结构的设计、 材质、加工工艺和检验等方面都有非常严格的要求 .电主轴设计时，需要确定主轴的总体性能参数、主轴的实际结构（根据轴承形式、配置、驱动方法、润滑、等参
5、数来确定）、主轴轴承的选型确认、轴承的寿命、主轴的刚度、危险速度、轴承游隙（预紧力）、主轴的尺寸（轴径、长度、轴承支距等）和主轴实际安装条件的要求等等因素 . 2.1 电主轴的转轴及要求 转轴是高速电主轴的主要零件之一， 转轴的材料一般是经过轧制或锻造经切削加工的碳素钢或合金钢 .它用来安装各种传动零件，使之绕其轴线转动，传递转矩或回转运动，并通过轴承与主轴机架或机座 相联接 .转轴带动工件或刀具旋转，完成表面成型运动，承受切削和驱动等载荷的作用 .因此，对轴有很高的技术要求，应满足下列几方面的要求： (1) 节约材料，减轻重量，在特殊情况下选用合适的具有耐腐蚀性和耐高温性的材料； (2) 在
6、结构上要受力合理、尽量避免或减少应力集中现象； (3) 提高足够的强度（静强度和疲劳强度）和刚度的结构措施； (4) 转轴在高速时的振动稳定性及良好的加工工艺性，保证精度要求； (5) 易于各个零件在轴上精确定位、稳固、装配、装拆和调整方便 . 1 转轴； 2 前轴承组件； 3 平衡环； 4 转子部件； 5 后轴承组件 图 2 转轴结构简图 .在一般情况下，转轴结构为阶梯形，将内装的电机转子部件与转轴联接在一起形 成整体部件，如图 2 所示 .该转轴部件最大的优点是前后轴承组件、电机转子部件、平衡环均采用先进的感应加热下套工艺方法进行组装，无键槽的设计工艺方法，不但增加了转轴的刚度，同时，通过
7、平衡环调整转轴整体动平衡量，最大限度地降低了转轴在旋转时由于偏心造成的振动和偏差 . 2.2 电主轴的电动机技术 电主轴将机床主轴与电机合二为一，形 成内装式主轴驱动系统，是机床的核心关键部件之一，它不但要实现高速、高精度、高刚度等要求，还必须要实现连续工作时输出的较大转矩力和承受较宽领域的恒功率运转范围 .尤其是在转速要求较高且加减速操作频繁的领域，如加工中心、铣镗床、磨床、钻床等领域 . .内装式主轴电机结构紧凑，简化了机床的构造 .因为转子安装在主轴上，降低了转轴在旋转时由于偏心造成的振动和偏差，而且获得较短的起动时间和制动时间，恒功率调速范围宽、噪声小、维修简单 .但是，电机也是一个很
8、大的发热源，要控制电机的温度，安装时最好选用有水冷的水套结构最 佳 . 2.3 电主轴的轴承技术 轴承是高速电主轴的重要组成部分，它的类型、配置、精度对电主轴的工作性能、旋转精度有着很大的影响 .电主轴一般采用角接触球轴承，主轴在高速旋转时，离心力引起的内圈膨胀、球旋转时离心力会引起内部负荷以及内外圈的温度差等均会使轴承内部的球和内外圈滚道之间的接触应力增大 .而且，采用角接触球轴承这样有着接触角的轴承， 在旋转中伴随着自转滑动和旋转时的滑动等各种形式的滑动而产生滚动接触，这些滑动随着转速增加而加大，因此接触部分的发热也会变大，特别是采用油脂润滑的 轴承，由于润滑油的粘度下降，有时候甚至会出现
9、缺少润滑油膜而烧伤的情况 .高速电主轴轴承的选用要根据切削负荷大小、形式和转速的要求，优先选用陶瓷触球轴承 .与钢球轴承相比，陶瓷球轴承优点有： （ 1）钢与陶瓷组成的陶瓷球轴承摩擦性能特好，能降低材料与润滑剂的应力； （ 2）因密度较低，可降低运转时的离心力； （ 3）较低的 热膨胀系数能有效的降低轴承预压负荷的变化； （ 4）较高的弹性模数，使轴承的刚性更高 .陶瓷球轴承在高速及重载的条件下，可获得高刚度、低温升和长寿命的效果，可以提高主轴的整体精度 . 2.4. 冷却技术 高速电主轴旋转过程中产生的发热和温升问题是高速电主轴研究的一个重点。电主轴内部有两个主要热源：内置电机和主轴轴承。轴
10、承产生的热量可用润滑系统来冷却。内置电机的发热量 2/3 由定子产生， 1/3 由转子产生。其中由转子产生的热量绝大部分通过转子与定子间的气隙传给了定子。高速电主轴将电 机置于主轴内部、定子直接安装在壳体内的结构使其在电能转化为机械能的过程中，有一部分电能会直接转化为热能，而这些热能很难向外扩散，对电机的散热极其不利。 高速电主轴的冷却系统主要依靠冷却液的循环流动来实现，流动的冷压缩空气也能起到一定的冷却作用。也可以经过油冷却装置的冷却油强制性地在主轴定子外及主轴轴承外循环，带走电主轴运转产生的热量。油冷装置控制方式有两种：定温控制与差温控制。电主轴的冷却系统可分为外水套和内水套两种：大型电主
11、轴功率大，电动机发热量多，采用内水套式冷却系统强化电动机定子的冷却；小型高速电主轴 功率小，轴承发热量却大，采用外水套式或定子和轴承均带水套的方法冷却，为了提高散热效果，电主轴常采用油水热交换的冷却方法，对电机定子进行强制冷却，图 2.6 为油水热交换冷却系统的示意图。为了保证电机的绝缘性，系统采用连续、大流量的冷却油对定子进行循环冷却。冷却油从主轴壳体上的入油口流入，通过定子冷却套与电机定子进行热交换，带走电机产生的绝大部分热量，再从壳体上的出油口流出，然后流入逆流式冷却交换器，并在交换器中与冷却水进行热交换，当其温度降低到接近室温时，便流回油箱，再经过油泵增压输送到入油口，从而实现循环 冷
12、却。 图 2.6 油水热交换冷却系统示意图 2.5 电主轴的动平衡技术 高速机床的广泛应用，加速了主轴对转速的高要求 .转速的提高使机床主轴各零部件在加工制造过程中，首先对材质提出了的较 高要求，包括转轴毛胚是否有缺陷、材质是否均匀、形状是否对称及加工装配是否有误差等各个方面 .电主轴的动平衡也是装配前的关键环节，动平衡的高低直接影响主轴单元的噪声、振动、发热等性能标 .通常在完成零部件加工后，转轴首先需要做单体动平衡试验，使转轴不平衡离心力降到最小值，接着安装上螺母等单体逐步进行动平衡试验，待组装后还要对整机进行动平衡试验，通过数据显示达到理想的动态性能，从而提高主轴整机系统的动态精度，延长
13、轴承及整个主轴系统的寿命 . 由于转轴上附加的零件偏多，装配前可能无法一一平衡，因此，必要时可做在线动平衡 试验 .同时，为方便调整电主轴整机的平衡，通常应在转轴前后螺母上预留数个平衡螺孔，以保证转轴在高速运转的平稳性 3 参考文献 ： 1 张瑜胜 .电主轴在数控机床中的应用 J .机械管理开发 ， 2011（ 1）： 137-138. 2 王丽梅 ， 刘爱民 ， 郭庆鼎 .数控机床主轴驱动中的交流电机及其控制方法 J .沈阳工业大学业报 ,1999，21（ 5）： 417-420. 3 张兴军 ， 杨淑启 ， 韩龙义 .高速精密电主轴的研制 J .机电工程技术 ,2006， 35（ 6） :43-44.
