影響電主軸旋轉精度的原因淺析

李 彥，薛進學

我國數控機床行業在國家經濟持續增長的背景下，得到了快速發展。作為機床的心臟——電主軸產業發展尤為迅速。電主軸即電機內置式主軸，因其不在使用皮帶、齒輪的中間傳動部分，從而實現“零傳動”。電主軸的制造技術作為制造業領域的先進制造技術之一，其發展不僅在很大程度上影響現代數控機床的發展，還可以帶動高性能刀具、高端軸承制造等一些列相關技術的發展[1]。主軸回轉精度是影響磨加工品質與生產效率的重要因素，也是電主軸單元的最基本指標，也是衡量數控機床性能的重要指標之一。因此，研究電主軸單元回轉精度有著極其重要的現實意義。本文通過對影響電主軸旋轉精度的主要因素分析并提出了相應的解決辦法。

1 主軸旋轉精度概述

主軸的回轉軸線在理想情況下位置是固定的。但實際中由于轉軸精度、軸承精度、軸承座孔誤差和主軸系統的振動等因素，會造成回轉軸線的空間位置在每個瞬間均是不斷變化的。瞬間變化軸線的平均空間位置稱為理想旋轉軸線。主軸旋轉精度誤差即是指主軸旋轉軸線的瞬間空間位置相對于理想旋轉軸線的空間位置偏差。誤差范圍即主軸的旋轉精度[2]。圖1將主軸旋轉誤差分為純徑向跳動誤差△r（圖1a）、純徑向傳動△s（圖1b）、純角度擺動誤差△φ（圖1c）。主軸單元的旋轉誤差是上述三項誤差的綜合反映。

圖1 主軸單元的旋轉誤差

徑向回轉誤差值隨離支承點距離增加呈線性放大。因此，主軸徑向測量點位置的不同，回轉誤差的測量值也不同，越遠離支承點，誤差越大。

電主軸實際制造過程中，主軸單元的旋轉精度是指在裝配完成后，電主軸在無負載、低轉速運動的情況下，采用單向測量或綜合測量等方法，檢測主軸外伸端部位及刀柄部分的徑向跳動和端面跳動[3]。其旋轉精度取決于各關鍵部件的加工精度、軸承精度和裝配精度等。

2 影響電主軸旋轉精度的因素

電主軸系統本身并不復雜，由機械部件（包括轉軸、殼體、軸承座等）、支承部件（前、后軸承）、電機部件（電機定子、轉子、定子冷卻套）組成。其結構見圖2.

圖2 電主軸結構圖

2.1 滾動軸承

軸承精度影響主軸單元的旋轉精度，軸承精度越高，越有利于提高主軸單元的剛度和抗振性，從而減少磨損，提高壽命。

主軸單元中，在主軸單元的結構中，其前、后軸承精度對主軸旋轉精度的影響是不同的。如圖3所示。圖中L為前、后軸承支承間跨距，a為懸伸量。

圖3 前后軸承軸心偏移對主軸軸端的影響

圖3 （a）表示后軸承無偏移量，僅前軸承軸心有偏移量δa，最終反映到主軸軸端的偏移量為：

圖 3（b）表示與（a）相反，前軸承無偏移量，僅后軸承軸心有偏移量δb，反映到軸端的偏移量為：

如果δa=δb，即前軸承偏移量和后軸承偏移量相等，從圖3可以看出δ1＞δ2，即主軸單元的回轉精度受前軸承回轉精度影響較大，故電主軸單元軸承選取時，在滿足電主軸性能要求的前提下，可以選擇后軸承精度等級低于前軸承，這樣也有利于提高電主軸單元的經濟性。

不同精度等級的機床，主軸軸承的精度可以參考表1[4].

表1 機床主軸軸承精度

2.2 滾動軸承游隙的影響

角接觸球軸承游隙也是影響主軸單元回轉精度重要因素，主軸在受外力的作用下發生靜位移，承載中心區交替出現在兩滾動體之間，從而造成軸心出現偏移變動量e（見圖4），主軸回轉中心線呈現復雜的周期運動。故減小游隙值，能減小偏移量e，降低其對主軸回轉精度的影響。

圖4 軸承游隙的影響

減小或消除游隙，常用方法是用施加預負荷的方法來消除軸承溝道與滾動體之間的游隙，甚至使之形成負游隙，這樣軸承溝道在預負荷的受迫下產生一定的彈性變形。受預加負荷作用，溝道和滾動體產生過盈，此時承受載荷的滾動體數目增多，滾動體受力均勻。這樣，電主軸高速回轉時，預先對軸承施加預負荷可以提高主軸單元的回轉精度，同時還增加主軸單元的剛度。有利于提高軸承套圈的表面質量，降低主軸系統振動，降低主軸系統噪聲，提升主軸系統壽命[5]。

有研究也表明，高速、高預載下主軸精度和剛度雖然增加，但超高速運轉下，造軸承本身會產生較大負荷，同時主軸單元內部的熱源產生的高溫傳導至軸承會改變軸承的初始狀態。二者疊加，使軸承高速時受到的實際預緊力要遠大于初期設定的預緊力。這樣，會導致軸承溫度升高而燒毀[6]。因此，針對軸承不同的工作條件，應選取最佳的預載荷值。

2.3 定向裝配法

定向裝配法廣泛地應用于軸系單元的精密裝配中，是指將軸系上各零件誤差按照一定的方向進行裝配，使各誤差可以得到相互補償的一種裝配方法。該方法可提高主軸單元的旋轉精度。

裝配前，首先將前、后軸承內孔的徑向跳動最大點（精密級軸承的跳動量最大點已表明在軸承端面上）放在同一相位上，將主軸刀柄孔的徑向跳動最高點放在與其相反的相位上。檢測出軸承內圈的徑向偏移量，最大值記為δ1；檢測出刀柄孔的徑向偏移量，最大值記為δ2.安裝時，使主軸徑面的中心和軸承內圈的中心重合。若兩偏移量方向相同，則主軸刀柄孔中心的偏移量 δ= δ1+ δ2，如圖 5（a）；若偏移量方向相反，如圖5（b），則主軸刀柄孔中心的偏移量為δ= δ1- δ2.可以看出，采用圖 5（b）裝配方法完成主軸單元裝配后，主軸旋轉精度更高。

圖5 定向裝配法原理

按照定向裝配法裝配時，主軸與軸承內圈及軸承外圈與軸承座孔的周向位置固定后，不允許發生相對轉動，否則已調整好的旋轉精度將被破壞，因此，電主軸拆卸前，須在內圈與主軸間、外圈與軸承座間標識好記號。重新裝配時可“按圖索驥”，避免錯位安裝造成主軸旋轉精度變差。

3 結束語

通過從主軸軸承精度選用、軸承游隙控制及主軸單元裝配方法等方面分析了影響電主軸旋轉精度的因素。研究內容表明：

（1）合理選擇軸承精度是提高電主軸單元旋轉精度的前提；

（2）根據主軸的工況和軸承的特點，選擇施加合適預緊力是必要的；

（3）裝配時要選擇定向裝配法，對于相同精度的軸承和主軸，定向裝配法可以提高主軸單元的旋轉精度。

[1]閆紅衛，徐同申.國內高速電主軸的應用與發展[J].現代金屬加工，2007（3）：58-62.

[2]黃開榜，張慶春，那海濤.金屬切削機床哈爾濱[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1998.

[3]文懷心，夏 田.數控機床系統設計[M].北京：化學工業出版社，2005.

[4]杜君文.機械制造技術裝配及設計[M].天津：天津大學出版社，1998.

[5]王國華，叢志鵬.提高主軸組件精度的措施[J].金屬加工2009（2）：59-61.

[6]Schmitz T，Ziegert J.A new sensor for the micrometer-leve measurement of three-dimensional，dynamic contours[J].Mea surement Sience and Technology.1999，10（2）：51-62.