機床高速電主軸裝配技術的研究與應用

摘要：本文闡述了電主軸工作原理以及功能，詳細介紹了電主軸的工藝裝配技術，通過對電主軸的主要裝配工序的分析與研究，總結了電主軸的關鍵裝配技術環節，從而實現對數控機床產品的技術改造與升級。

關鍵詞：高速電主軸 裝配 轉子 定子

隨著高速切削和超高速切削技術的發展和日益廣泛的應用，以及切削刀具的飛躍發展，越來越多的機械制造裝備都不斷地向高速，高精，高效，高智能化發展，各行各業對高速數控機床的需求與日俱增，高速主軸系統是數控機床高新技術之一，其內置電主軸直驅單元已經成為最適宜的高性能工況的數控機床產品的核心功能部件之一。高速數控機床設計制造中，高速主軸最為關鍵。為了加速企業自身經濟的發展，提高企業的市場反應能力，促進企業技術進步，高速數控機床的研究開發已是當務之急。

1 高速電主軸優勢分析

傳統機床主軸是由電機通過中間變速和傳動裝置驅動主軸旋轉而工作，這樣的主軸形式稱為分離式和直聯式主軸，與此相比，電主軸具有很多優勢。電主軸由內裝式電機直接驅動，省去皮帶、齒輪、聯軸節等中間變速和傳動裝置，具有結構簡單緊湊、效率高、噪聲低、振動小和精度高等特點，由于沒有中間傳動環節，電主軸工作時運行更加平穩，沒有外來沖擊，主軸軸承所承受的動負荷較小，延長了其精度壽命。

電主軸更易于實現高速化，其動態精度和穩定性更好，可滿足數控機床進行高速切削和精密加工的需要。利用內裝電機的閉環矢量控制、伺服控制技術，不僅滿足機床低速粗切削時大轉矩、高速精加工時大功率的需求，還可實現停機時角向準確定位(即準停)及C軸傳動功能，適應要求有準停和C軸功能的加工中心、數控車床及其它數控機床的需要。利用交流變頻技術，電主軸可在額定轉速范圍內實現無級變速，以適應機床工作時各種工況和負載變化的需要。

2 數控機床內置電主單元結構簡介

數控機床的內置電主軸單元其結構為其定子冷壓在床頭箱里，轉子熱裝在主軸上，前后軸承安裝在前后端蓋上，靠前后水套冷卻，將液冷感應電動機安裝到主軸上，而成的一個完整的電機——主軸單元。其轉子熱裝在主軸上，其定子壓裝在冷卻殼內直接裝到主軸箱內，通電后直接帶動主軸運轉。冷卻介質通過定子外殼上的螺旋形導線將高速運轉產生的熱量幾乎全部帶走。它主要包括電主軸本身及高頻變頻裝置、潤滑裝置、冷卻裝置、內置編碼器。根據主電機與主軸軸承的相對位置，電主軸有兩種布局方式；一種是將主電機置于主軸前后軸承之間，這種結構主軸單元的軸向尺寸短、剛度高、出力大。另一種是將主電機置于主軸后軸承的同軸布置；這種結構有利于減小電主軸前端徑向尺寸，電機散熱條件好。其結構簡單緊湊、功率損耗小、轉動慣量小，提高主軸電機的切削速度、快速響應能力和控制精度。

3 高速電主軸裝配關鍵技術分析[1]

在電主軸的結構設計中，良好的電機性能、合理的選配軸承、采取減小振動的各項措施、設計有效的冷卻系統、以及確定主軸零件與電機定子的過盈配合量是電主軸設計中的關鍵技術。控制主軸的預緊力以及前后軸承溫度，主軸的動平衡，轉子與定子的熱裝等均是裝配工藝的關鍵技術。電主軸的熱源除切削熱外，主要是定轉子發熱和軸承發熱。電主軸的結構特點是電機的定子直接安裝在殼體內，這對電機的散熱很不利。因此電主軸必須有冷卻系統，來保證機床恒溫。此外，電主軸由于轉速高，任何不平衡量都會引起振動，產生噪聲，影響主軸平穩運轉。振動問題的解決，取決于動平衡的精度，即對各回轉零件進行動平衡和對所有回轉件裝配于主軸之上后進行整體動平衡，使其達到規定的平衡精度要求。在結構設計上主要采用兩端加裝動平衡環。主軸零件與電機定子的過盈配合量應合理確定。為保證高速切削，主軸應具有良好的運轉精度和傳動能力，其零部件需具有良好的加工精度、表面質量及良好的裝配精度。

4 高速電主軸裝配以及工藝方案的確定[2]

電主軸內部高速電機的發熱會引起主軸軸承溫升從而影響精度與動平衡。在安裝之前確定主軸預緊力，以防止影響主軸剛度或者降低主軸精度。為確定主軸軸承預緊力，進行了預緊力測試試驗。為保證主軸的動平衡，對主軸進行粗動平衡（不裝定子）和精動平衡。

合理的控制軸承與端蓋和主軸的配合間隙，為控制軸承與端蓋軸承安裝孔的間隙，將端蓋內孔按軸承外環配鏜保證間隙0～0.005，主軸軸承支撐徑按軸承內環配磨間隙0.003～0.008。為確保調整墊兩面的平行度，減少因調整墊不平行對主軸精度和預緊力的影響，調整墊配磨后，進行研磨，保證調整墊平行在0.002以內，內、外調整墊差控制在0.055。根據測量前軸承座實際深度，前軸承座孔組件實際高度，配磨法蘭盤端面保證間隙0.04，對于主軸上旋轉零件，加工時必須嚴格控制零件的端跳和徑向跳動，控制主軸組件不平衡量G≤2以內。為控制主軸前后軸承溫度，測量主軸靜剛度，在不安裝定子和轉子情況下組裝床頭箱，進行運車試驗。為使定子順利壓入床頭箱內，裝配前將向體內涂抹潤滑脂。為解決轉子熱裝問題，對轉子進行加熱試驗。為防止滲漏，對水套和定子進行打壓試驗。主軸定子安裝過程中冷卻套與箱體之間是間隙配合，為保證定子安裝時順利滑入箱體，且不漏水，加工時將必須嚴格控制冷卻套與箱體之間是間隙在0.02～0.04之間。主軸轉子安裝過程中，由于其與主軸之間是過盈配合，轉子需加熱后熱裝在主軸上，如何解決轉子熱裝問題，以及轉子熱裝后主軸變形的問題是轉子裝配的關鍵。安裝完畢后檢測熱裝后轉子對主軸支撐軸線跳動是否≤0.04，為進一步減小電主軸不平衡量，定子熱裝主軸上后，對主軸組件進行精動平衡。將電主軸安裝在動平衡機上，調整電主軸平衡環上的螺釘，保證主軸組件的不平衡量G≤0.4。

5 結束語

通過整機實驗為進一步驗證電主軸各項技術指標能夠滿足設計要求。通過本次對電主軸裝配工藝探索與研究，對電主軸的結構與功能有了更深層次的了解，通過對電主軸裝配技術的學習掌握了電主軸裝配所需關鍵技術數據和工藝方法。目前國內外電主軸技術的發展十分迅速，各生產廠商都在高可靠性、節能性、高精度、高加工效率、環保性、智能化等方面進行持續的科技攻關，以期形成自身的特色，占領電主軸技術發展的制高點。

參考文獻：

[1]徐金方，龍曉林.高速切削加工中電主軸的運用[J].設備管理與維修，2004(1):34.

[2]吳玉厚.數控機床電主軸單元技術[M].北京：機械工業出版社，2006.