臥式加工中心電主軸軸承的關鍵技術研究

溫得英

（青海大學 機械工程學院，青海 西寧810016）

隨著數控機床向高速度和高精度的發展，對其起著關鍵作用的主軸部件在各項技術上也得到迅速發展并日趨完善，加工中心主傳動的機械結構已在很大程度上得到了簡化，基本取消了傳統的帶傳動和齒輪傳動。主軸由內裝式電機直接驅動，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”，俗稱“電主軸”。電主軸是一種智能型功能部件，不但轉速高、功率大、具有調速范圍廣、振動噪聲小，而且便于控制，能實現準停、準速、準位等功能[1]。

本文主要設計臥式加工中心主軸系統，分析陶瓷球軸承在臥式加工中心主軸的上的應用技術，通過陶瓷球軸承在主軸上的應用使得主軸轉速能夠提高到15 000 r/min。

1 加工中心電主軸結構設計

根據主電動機與主軸軸承相對位置的不同，高速電主軸單元主要有兩種結構布局設計方式[2]：一種是主電機置于主軸前、后軸承之間；另一種是主電動機置于主軸后軸承之后。

本文設計的高速電主軸機構布局是主電機置于前后軸承之間，結構如圖1所示。該電主軸的主軸部件由前后兩套角接觸陶瓷球軸承支承。前軸承固定，承受徑向載荷和雙向軸向載荷；后軸承在軸向浮動，可以有微量位移，以補償主軸工作時的熱伸長。前后軸承均采用定位式預緊，并用過盈套固定在主軸上。使用的無外殼主軸電機直接安裝在主軸箱內，位于主軸前后軸承之間。電機轉子用壓裝配合的方法，直接裝在機床的主軸上，帶冷卻套的電機定子則安裝在主軸單元的殼體中。這樣，電機的轉子就成為了機床的主軸，機床主軸單元的殼體就是電機座，實現了變頻電機與機床主軸的一體化。

圖1 高速電主軸結構簡圖

2 電主軸軸承的潤滑及冷卻

主軸軸承采用油—氣潤滑系統進行潤滑和冷卻，盡管高速電主軸的潤滑系統對主軸軸承的摩擦發熱有一定的冷卻作用，但高速電主軸內置高頻電機定子和轉子的內阻，在電流的作用下會產生大量的熱，這些熱在主軸殼體內以傳導、對流、輻射的形式相互傳遞，互相影響。所以，在高速電主軸設計時，專門針對高速電主軸軸承和定子繞組的散熱問題，在軸承襯套上加工環槽，以實現水冷卻[3]；在定子繞組外殼上設計循環螺旋冷卻水套，并將該冷卻水套延伸至前軸承外圈，保證軸承在高速旋轉時，不會因軸承發熱而失效。同時，為了增強散熱效果，根據主軸的功率和轉速情況，對冷卻水套中的冷卻介質分別選用水冷、油冷或油水熱交換的方式，并通過改變冷卻水套中冷卻介質的流速和流量，起到增強主軸散熱冷卻效果的目的[4]，使電主軸在相對穩定的溫度下工作，其結構原理如圖2所示。

圖2 高速電主軸循環冷卻水套結構示意圖

3 影響軸承運行剛度的因素

軸承的運行剛度是滾動體與內外圈滾道間的接觸、轉速、初始預緊載荷、熱預緊力、彈流潤滑油膜厚度等因素綜合作用的結果（如圖3）。如式（1），可以認為軸承運行剛度由赫茲接觸剛度、熱預緊剛度和油膜剛度串聯而成,下面對其影響因素進行分析。

圖3 軸承剛度計算流程圖

式中，

KO為軸承運行剛度；

KC為赫茲接觸剛度；

Kt為熱預緊剛度；

Kf為油膜剛度[5]。

4 電主軸軸承的發熱分析與計算

軸承的摩擦是內外套圈相對運動時，軸承內部各元件對該運動阻抗的總和。按阻抗的機理和產生部位的不同，可分為以下五類[6]：材料彈性滯后所引起的純滾動摩擦，發生在套圈和滾動體接觸區的微觀差動滑動摩擦，宏觀滑動摩擦，自旋滑動摩擦，潤滑劑的摩擦損耗。

Palmgren通過試驗研究給出了計算摩擦力矩的經驗公式，根據Palmgren的理論，摩擦力矩M主要由空載時潤滑油粘性所產生的摩擦力矩M0和與速度無關的載荷作用產生的摩擦力矩M1兩部分組成。

Palmgren通過試驗結果給出了空載時潤滑油粘性產生的摩擦力矩M0的計算公式[7]：

式中，

dm為軸承平均直徑，m；

f0為取決于軸承設計和潤滑方式的系數，對于角接觸球軸承油氣潤滑方式，f0=1；

n為軸承內圈旋轉速度，rpm；

γ為運轉溫度下潤滑劑的運動粘度，cSt（m2/s）。

Palmgren認為載荷引起的摩擦力矩M1，反映了彈性滯后和局部差動滑動的摩擦功耗，可按下式進行計算[4]：

式中，

f1為與軸承類型和所受負荷有關的系數，角接觸球軸承f1=0.001；

dm為滾動軸承的平均直徑。m；

P0為軸承的等效靜載荷，N；

C0為軸承額定靜載荷，N；

P1為決定摩擦力矩的當量載荷，N。

所以，滾動軸承的摩擦力矩為：

軸承的摩擦功率按下式計算：

式中，

n為軸承轉速，rpm；

M為軸承摩擦力矩，N·m。

5 結束語

本文設計了電主軸單元的總體結構，分析了影響主軸軸承性能的各項因素，從而確定了軸承采用背靠背的配置方式來提高主軸的剛度，以及軸承座處設計了冷卻槽，利用油—水熱交換系統來對前軸承組進行強制冷卻，為主軸性能的進一步提高打下了基礎。

[1]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.

[2]張伯霖，夏紅梅，黃曉明.高速電主軸設計制造中若干問題的探討[J].制造技術與機床，2001(7)：12-14.

[3]左濤濤，李松生，毛華偉，等.基于油霧潤滑的高速電主軸斷油性能試驗研究[J].潤滑和密封，2008，33(10)：20-23.

[4]康輝民.高速電主軸靜動態性能分析與實驗檢測技術[D].重慶:重慶大學機械工程學院，2010.

[5]楊佐衛，殷國富，尚 欣，等.基于軸承運行剛度分析的超高速磨削電主軸動態特性[J].四川大學學報，2009（6）：207.

[6]譚繼錦，張代勝.汽車結構有限元分析[M].北京：清華大學出版社，2009.

[7]Sang Won Lee,Rhett Mayor,Jun Ni.Dynamic Analysis of a Mesoscale Machine Tool[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,Transactionsof the ASME，2006，128:194-203.