數控木工鏤銑設備電主軸及其結構設計分析

蘇冬勝

1.桂林電子科技大學 541004；2.廣西生態工程職業技術學院 545003

數控木工鏤銑設備電主軸及其結構設計分析

蘇冬勝1,2

1.桂林電子科技大學 541004；2.廣西生態工程職業技術學院 545003

介紹了電主軸的基本結構特點和技術應用。根據木材切削的加工特點，對數控木工鏤銑設備電主軸的結構設計進行了技術分析，可為木材切削用電主軸的研發提供技術參考。

在金屬切削加工領域，高速切削加工的優點早已在當今高速機床的廣泛應用中得到體現。高速機床的主要特征之一是用高速電主軸替代傳統的主傳動系統，高速電主軸是高速機床的核心部件和技術關鍵。人們同樣也意識到木質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，還可以提高生產效率，降低單位體積切削能耗。隨著家具行業的快速發展，高檔實木家具、特別是仿古家具的流行，高質量、高效率的木材鏤銑和雕刻加工尤其需要高性能的數控木工鏤銑設備進行高速切削加工。電主軸在數控木工鏤銑設備上主要用于提高雕刻速度和雕刻表面質量，同時利用電主軸變頻調速和快速自動換刀的特點，實現對形狀復雜的內外曲線、曲面輪廓零件加工和藝術性雕刻。一直以來高速電主軸的研究主要針對金屬切削，而針對木材切削的數控木工鏤銑設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計研發是非常必要的。

1 電主軸單元簡介

隨著電氣傳動技術（變頻調速技術、電動機矢量控制技術等）的迅速發展和日趨完善，高速數控機床主傳動系統的機械結構得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機床主軸由內裝式電動機直接驅動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現了機床的“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結構形式，使主軸部件從機床的傳動系統和整體結構中相對獨立出來，因此可做成“主軸單元”，簡稱“電主軸”。由于當前電主軸主要采用的是交流高頻電動機，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、內置編碼器、換刀裝置。

高速數控機床的工作性能，首先取決于高速主軸的性能。數控機床高速電主軸單元直接影響著加工系統的精度、穩定性及應用范圍，其動力性、穩定性對高速加工質量和效率起著關鍵的作用。相比傳統機床主軸，電主軸具有如下特點：主軸由內裝式電動機直接驅動，無中間傳動環節及其外力作用，具有結構緊湊、機械效率高、運行平穩噪聲低、加工精度高和主軸軸承壽命更長等特點；采用交流變頻調速和矢量控制，輸出功率大，調整范圍寬，轉矩特性好；機械結構簡單，轉動慣量小，可實現很高的速度、加速度及定角度的快速準停。

2 數控木工鏤銑設備高速電主軸的結構特點

由于木材切削加工機床與金屬切削加工機床工作的環境、切削加工對象的結構特點存在較大的區別，兩類機床的電主軸不能通用。數控木工鏤銑設備電主軸要根據機床工作環境和加工對象的特點進行一些特殊設計，才能滿足工作要求。二者相比，數控木工鏤銑設備電主軸主要有以下特點：

2.1 通過風冷方式散熱

金屬切削加工電主軸可以采用冷卻液排屑、對軸承進行油潤滑、對正在切削的區域和電機定子進行強制冷卻。由于木材容易受液體污染的原因，數控木工鏤銑設備電主軸不能通過液體冷卻，而采用強力抽風設備來吸走切削加工過程產生的木屑和粉末，利用高速氣流對木工鏤銑機電主軸進行散熱冷卻。

2.2 電主軸密封程度要求較高

由于數控木工鏤銑設備用電主軸切削加工對象是木質材料，切削加工過程中會產生大量的粉塵，使得數控木工鏤銑設備用電主軸的使用環境比金屬切削加工的電主軸工作環境惡劣，因此數控木工鏤銑設備用電主軸密封要求更高。

2.3 電主軸高速軸承技術

高速主軸軸承是電主軸的支撐核心，是超高速主軸系統的一項關鍵技術。木材切削加工機床由于工作環境、外型和生產成本的因素，金屬切削用高速電主軸使用的軸承并不能完全適用于數控木工鏤銑設備用高速電主軸。目前，國內外超高速機床采用較多的軸承形式主要有磁懸浮軸承、動靜壓軸承和混合陶瓷軸承。

磁浮軸承是通過控制感應磁場使得軸保持懸浮狀態，使軸在不接觸的情況下轉動，控制系統能感應軸的位置，實時調整力量，將軸保持在要求的位置。這種軸承價格昂貴，控制系統復雜，發熱問題不易解決，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用。

空氣動靜壓軸承是一種綜合了動壓軸承和靜壓軸承優點的新型多氣腔軸承，但是這種軸承必須專門進行設計，單獨生產，標準化程度低，維護也困難。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控木工鏤銑設備電主軸應用較為廣泛的高速軸承。軸承滾動體材料為氮化硅（Si3N4）陶瓷，內外圈采用軸承鋼（GCr15）或不銹鋼（9Cr18）。此類軸承標準化程度高，便于維護，特別適合高速運行場合，兼有高速、高剛度、大功率、長壽命等優點，目前90%的主軸組件采用這種類型的軸承。

3 數控木工鏤銑設備高速電主軸結構設計技術分析

根據數控木工鏤銑設備用高速電主軸的工作特性，下面將對主軸的選材、軸承的選型和主軸主要結構參數等進行設計與分析。

3.1 主軸材料的選擇

由于數控木工鏤銑設備加工的對象是木材或者木質復合材料，其力學性能為各向異性，因而電主軸工作時切削力波動大，受到瞬時沖擊力也非常大，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，必須針對木材加工的特點進行設計。

主軸的材料主要采用碳素鋼和合金鋼。碳素鋼比合金鋼價廉，應力集中敏感度小，應用較為廣泛。常用的碳素鋼是30～50鋼，其中最常用的是45鋼，為達到更好的力學性能，需對材料進行調質或正火處理。合金鋼機械強度較高、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。根據數控木工鏤銑設備用電主軸的工作特點，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、綜合機械性能優良等優點，既能滿足木材的高速切削要求，又具備一定的經濟性。

3.2 前端切削力F

按木材加工切削條件下，數控木工鏤銑設備電主軸轉速為25000r/min精加工時，分析切削力作用下主軸的承載狀況?？捎孟率接嬎闱邢髁Γ▓A周平均切削力）F：

式中：F－切削力(N)；P－電機額定功率(KW)；η－主傳動系統效率(η=0.98)；n－主軸轉速(r/min)；D－主軸直徑(mm)

3.3 主軸前懸伸量分析

主軸前支承點到主軸前端的距離稱為前懸伸量，前后支承點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。設計時，應盡可能縮小前懸伸量，綜合考慮主軸端部結構、刀具安裝形式、軸承類型和電主軸密封結構，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。根據木材加工切削條件，參考國內外生產廠家生產的切削金屬用電主軸技術資料，初定跨距L。根據式（1）計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)

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

Fr＝0.5F/tg15° (4)

則每個軸承總負載為：

F1＝C1/2＋Fr (5)

F2=C2/2＋Fr (6)

經計算分析，前后支承均選用SKF高精度角接觸混合陶瓷球軸承，能夠滿足數控木工鏤銑設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）

當主軸的D、d和a及支承剛度初步確定后，如果在L＝L0時，主軸軸端總位移位y最小，即主軸具有相對最大的剛度，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，取其正實數根即為正解：

式中無量綱變量

4 結語

本文針對數控木工鏤銑設備高速電主軸的結構特點，僅對電主軸部分關鍵技術和結構進行了分析和設計。對于其他方面的技術，如電主軸用高速電機設計以及高速電機調頻、調速和安全防護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。主要研究方向為數控木工機械的應用與開發。

電主軸；數控木工鏤銑設備；設計分析