主軸單元的整體設計

(天津工業(yè)大學 天津 300300)

電主軸作為加工機床的關鍵部件，決定了產(chǎn)品的生產(chǎn)率、形狀、位置、尺寸精度和表面粗糙度。目前，電主軸的發(fā)展趨勢主要是：高轉(zhuǎn)速、高剛度；低速大扭矩、高速大功率；高控制精度、控制方式多樣化等。研制高速大功率、低速大扭矩電主軸單元對主軸的轉(zhuǎn)速、加工精度和剛度有積極影響，有利于主軸單元的高速化和高精密化發(fā)展。

一、主軸的基本技術(shù)指標

參考了IABG、NSK、SKF、KESSLER等電主軸生產(chǎn)商的產(chǎn)品技術(shù)指標，本次設計的電主軸單元主要技術(shù)指標如下：功率：25kw(100%工作制)；最高轉(zhuǎn)速：不低于15000rpm；最大扭矩：≥100N·m；潤滑方式：油氣潤滑；動平衡精度：G1～G0.4；溫升：主軸單元前軸承外周溫升≤25℃；應用場合：加工中心。

二、主軸的設計過程

(一)應用于高速主軸的軸承主要包括：角接觸球軸承、圓柱滾子軸承、空氣軸承等。

角接觸球軸承的優(yōu)點：可同時承受軸向力和徑向力。接觸角越大，則其能承受的軸向載荷就越大。相反，接觸角越小越適用于高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，徑向的承載能力也越好。缺點：滾動體在高速運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生較大的離心力和陀螺力矩，嚴重影響了主軸的旋轉(zhuǎn)精度。

圓柱滾子軸承的優(yōu)點：圓柱滾子軸承徑向承載能力極好；圓柱滾子軸承具有較小的摩擦系數(shù)。缺點：圓柱滾子軸承在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生大量的熱，嚴重影響了主軸的使用壽命。

空氣軸承的優(yōu)點：主軸的轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度較高，其dmn值可達到2.7×106，最高轉(zhuǎn)速可達100000r/min；摩擦功耗低。缺點：散熱性差；主軸剛度較低；使用和維護成本較高；當主軸過載時，易出現(xiàn)主軸卡死的現(xiàn)象。

綜上，考慮到制造成本、電主軸單元的轉(zhuǎn)速和軸向、徑向承載能力，選擇使用角接觸球軸承和圓柱滾子軸承。

(二)雖然軸承選用列數(shù)較多雖然會提高主軸的整體剛度。但是，會使主軸單元產(chǎn)生更大的熱量，并會降低主軸的極限轉(zhuǎn)速。根據(jù)常用于加工中心的電主軸類型，進行選擇。最終決定使用整體背對背的配列形式。這種配列形式的轉(zhuǎn)速特征值dmn較大、主軸剛度、散熱性較好。

(三)本次設計的主軸為電主軸單元。因此，需要驅(qū)動電機對其進行驅(qū)動。本設計所選用的電機為德國ATE公司生產(chǎn)的AC8230026100無外殼電機。其基本參數(shù)：1.額定功率：25kw；2.額定電壓：380V；3.頻率：667Hz；4.極對數(shù)：2對；5.最大轉(zhuǎn)速：19850rpm。6.最大扭矩：114.2 N·m；7.轉(zhuǎn)子內(nèi)徑：70-85mm；8.定子外徑：200mm。

(四)將軸承的轉(zhuǎn)速作為選擇第一標準，在滿足轉(zhuǎn)速要求的前提下，需要軸承具有較大的承載能力。此外，從安裝角度出發(fā)，后軸承的內(nèi)圈直徑應小于電機轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑。

綜上，前軸承選用NSK的7014C角接觸球軸承，后軸承選用7012C角接觸球軸承。

(五)根據(jù)所選用電機可知，其轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為70-85mm，轉(zhuǎn)子長Lz=206mm，定子長Ld=274mm。因此，假定芯軸D2=70mm。考慮前后軸承組的安裝問題、主軸內(nèi)部散熱問題等。最終，設定芯軸長540mm。主軸前端軸徑D1為70mm，主軸后端軸徑D3為60mm。

三、主軸跨距的設計過程

(一)主軸的回轉(zhuǎn)精度作為機床的主要精度指標之一，較高的回轉(zhuǎn)精度可以提高被加工零件的加工精度和表面粗糙度。而軸承組間跨距和前軸承組與主軸前端面間的距離(即懸伸量)x3是影響回轉(zhuǎn)精度的主要因素，如圖1所示。

運用matlab對懸伸量x3和支承跨距與回轉(zhuǎn)圓環(huán)半徑的關系進行分析，得到圖2。

圖1主軸回轉(zhuǎn)精度示意圖圖2跨距、懸伸量與傾回轉(zhuǎn)精度的關系

從圖中可以看出：當x1為定值時(即懸伸量為定值時)，隨著x2的增大，回轉(zhuǎn)圓環(huán)半徑逐漸減小，主軸的回轉(zhuǎn)精度逐漸增高；當x2為定值時，隨著x1的增大(即x3減小)，主軸的回轉(zhuǎn)精度逐漸增高。

(二)運用ANSYS分析跨距對主軸剛度的影響。即令x3為定值，通過控制x2的大小去改變支承跨距，并將所得數(shù)據(jù)進行整理。以x3=60mm為例，跨距對主軸徑向剛度的影響，如圖3所示。從圖中可以看出：當x3為定值時，隨著x2的增大(即跨距增大)，主軸的徑向剛度逐漸減小。

同理，得到懸伸量與剛度的關系。以Lk=320mm為例，懸伸量對主軸徑向剛度的關系曲線，如圖4所示。從圖中可以看出：當跨距為定值時，隨著x3的增大，主軸的徑向剛度逐漸減小。

圖3跨距與主軸徑向剛度的關系圖4懸伸量與主軸徑向剛度的關系

(三)考慮到本次設計的電主軸應用場合、主軸的基本技術(shù)指標、主軸單元設計的合理性等因素。最終，確定x1=56mm，x2=43mm，x3=96mm，Lk=360mm。

四、主軸單元的設計

通過上述關于主軸部件的選型和設計，得到圖5。

1.芯軸；2.前端蓋；3.前軸承外鎖母；4.前軸承內(nèi)鎖母；5.前軸承冷卻套；6.前軸外連接法蘭；7.主軸外殼；8.定子冷卻套；9.定子；10.轉(zhuǎn)子；11.后端蓋；12.后軸承冷卻套；13.后支座；14.后軸承內(nèi)鎖母；15.編碼輪；16.氣壓缸支座；17.氣壓缸

圖5電主軸單元的整體設計

五、總結(jié)

本文根據(jù)基本設計指標，完成了高速大功率、低速大扭矩電主軸的整體設計。并考慮跨距、懸伸量對主軸性能的影響進行了優(yōu)化，以提高主軸的剛度和回轉(zhuǎn)精度。