一款機床用高速主軸的設計

楊小娟 邱 巖 于雯秋

（沈陽機床股份有限公司，遼寧 沈陽 110000）

為了加速企業經濟發展，提高企業競爭力，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。在高速數控機床設計制造中，最關鍵的是高速主軸技術。它將電機的轉速和扭矩通過主軸傳遞給刀具，并對工件進行加工。主軸按照驅動形式分為機械主軸和電主軸，電主軸將驅動電機和主軸做成一個整體，省略了機械主軸中的皮帶或齒輪等中間傳動環節，具有結構緊湊、質量輕、慣性小、振動低、噪聲小且響應快等優點[1]，在高精機床領域的應用越來越廣泛。

電主軸尤其是高速電主軸的設計主要包括內裝電機的選型、高速軸承、潤滑冷卻及密封技術、刀具系統以及熱伸長控制。其中影響主軸剛性的主要因素是軸承系統和支撐系統，影響主軸轉速的因素是主軸軸承系統、潤滑系統以及冷卻系統。

1 主軸設計參數

主軸設計參數見表1。主軸的設計參數根據機床的加工材料、加工需求及機床的結構形式來確定。根據產品的臥式加工中心的結構特點及刀具/倒庫的使用需求，確定刀具接口為BT50，安裝法蘭直徑為285mm。根據機床使用中的加工工況，等效計算主軸所需的功率扭矩等參數，確定點擊的功率及額定扭矩、額定轉速/最高轉速等參數，同時確定靜態拉刀力。

表1 主軸設計參數

2 內裝電機選型

內裝電機是高速電主軸的重要組成部分，是決定主軸性能的關鍵因素。內裝電機包括定子及轉子。定子和轉子以過盈連接的形式分別與主軸套筒和芯軸連接，傳遞轉速和扭矩。內裝電機按電機形式分為異步電機和同步電機。同步電機轉速與定子磁場同步，功率密度大，體積小，電機轉速不受負載的影響，通過調節電源頻率就能進行精確控制，應用在機床加工領域，可以獲得更好的螺紋質量及表面加工質量。其缺點是電機弱磁范圍較窄，一般為3～4倍額定轉速。當最高轉速與額定轉速比值較大時，同步電機電流也較大，電氣系統需要增加VPM單元，但也增加了電氣成本。

根據需求，電機選型可選擇同步或異步電機。同步電機功率密度大，同步性能好，成本高；異步電機成本低，恒功率范圍大。當最高轉速與額定轉速比大于4時，同步電機電流較大，會提高電氣成本。因此恒功率范圍窄的可選同步電機，恒功率范圍大的可選異步電機。

電機的計算校核還需要考慮最高轉速。根據電機的功率扭矩曲線計算主軸加速時間，根據切削最大扭矩校核電機扭矩，根據切削金屬去除率校核電機功率。

該文采用FANUC異步電機，電機型號為BiI160LL/13000B，電機為雙速電機，其功率扭矩曲線如圖1所示。電機功率為15/25kW，額定轉速為460r/min，額定扭矩為305N·m，最高轉速為13000r/min，最大扭矩為623N·m，最大扭矩持續時間為2s。電機特性滿足設計需求。

圖1 電機功率扭矩圖

3 主軸結構設計

3.1 電主軸端部設計

主軸端部用來安裝刀具或夾持工件。主軸端部結構應能保證刀具或工件定位準確、安裝可靠，并傳遞足夠的扭矩。加工中心用電主軸端部的連接方式主要有2種形式，即7∶24錐度和1∶10錐度。7∶24錐度主軸常用配置為BT40、BT50，刀具在使用過程中采用錐面接觸，主軸端面不接觸，因此要求主軸錐孔具有足夠的連接剛度。

在旋轉離心力作用下，主軸會發生膨脹變形，形成“喇叭口”，影響主軸精度。主軸刀柄軸向位移L、徑向間隙d和刀柄錐角θ（7∶24錐度為8°17′50″）的關系如公式（1）所示。

可見，變形徑向間隙對加工精度的影響較大。

1∶10錐度常用于HSK高速刀柄，其特點是錐柄短、薄壁結構，錐度配合過盈量小，端部和錐柄同時接觸，對主軸端部關鍵尺寸精度要求嚴格。高速運轉時，HSK刀柄產生的膨脹變形量可以在一定程度上彌補主軸的膨脹變形，使前、后段間隙量均勻[2]。該文主軸最高轉速為8000r/min，采用7∶24-BT50刀柄設計。

3.2 軸承支撐方式及剛度計算

軸承及其布置型式的選型是實現主軸高轉速和高精度的關鍵，也決定了電主軸的壽命及剛性[3]。

該電主軸采用前端角接觸球軸承，后端圓柱滾子軸承的布置形式。角接觸球軸承為//\QBC模式，后端采用圓柱滾子軸承，圓柱滾子軸承允許軸向竄動空間，能抵消電主軸運行過程中熱膨脹導致的熱伸長。

主軸系統的剛度包括軸向剛度和徑向剛度，并以徑向剛度為主。影響主軸剛度的參數主要有軸承剛度、軸承布置形式、主軸懸伸和主軸跨距等[4]。主軸剛度的計算是一個比較復雜的計算過程，該文不做詳細計算，可參考相關資料進行學習。組合軸承的軸向和徑向剛度計算系數見表2、表3。

表2 組合軸承軸向剛度系數

表3 組合軸承徑向剛度系數

3.3 刀具系統設計

刀具系統是主軸設計的關鍵部分。刀具系統包括松夾刀系統及卸刀系統的設計。

主軸狀態分為拉刀-空刀-松刀3種狀態。油缸行程還要考慮空行程（S0）及舔刀量（Sj）。油缸行程S的計算如公式（2）所示。

式中：H為松刀行程。

對加工中心主軸來說，松、夾刀時間會直接影響換刀時間，從而影響整機的加工效率與加工節拍，因此要計算油缸松刀時間。松刀時間t的計算如公式（3）所示。

式中：t為松、夾刀時間，s；V為松刀、夾刀油腔體積，L；δ為根據負載的修正系數0.59～0.82；Q為液壓系統流量，L/min。

上述為理想狀態下的理論時間。在實際使用過程中，受液壓管路及壓力波動等的影響，實際松刀時間可能大于理論時間，在液壓管路設計中應盡量減少管路長度。

3.4 潤滑與冷卻系統設計

高速電主軸的潤滑系統一般指軸承潤滑系統。軸承高速運轉時會產生大量摩擦熱，導致溫度升高，從而引起熱變形，降低軸承的工作精度同時也改變了軸承的預緊，使主軸的剛度特性發生改變。軸承潤滑分為脂潤滑和油氣潤滑。通常用dmn值（軸承轉速乘以軸承內徑）決定潤滑的方式。脂潤滑的特點是成本低，易維護，當dmn值≤1×106時采用脂潤滑；油氣潤滑成本高，使用時還需要考慮油霧回收問題，但其可以獲得更高轉速。一般dmn值≥1×106時采用油氣潤滑。主軸常成組使用。成組使用時，由于軸承的尺寸差異及安裝因素，成組軸承并不能達到單個軸承的轉速，因此成組使用時需要考慮軸承配置系數（見表4）。

表4 軸承極限轉速系數

傳統機械主軸的熱源主要是軸承高速運轉產生的熱量。電主軸內置有主軸電機，與機械主軸相比，增加了內置主電機熱量源。為降低軸承發熱，需要設計軸承座冷卻環對軸承進行冷卻。對電機定子安裝軸套設計冷卻環并進行電機冷卻。設定冷卻泵溫度時要注意不要將溫度設置過低，防止出現主軸冷凝現象，設定溫度一般為室溫+1℃。

為使主軸能夠被充分冷卻，需要進行冷卻系統計算，主要包括冷卻功率、冷卻流量及冷卻口截面積等的計算。

電主軸的發熱源主要是內裝電機。內裝電機的發熱會因電機材料及制作工藝而有所區別，根據使用研究及測試，電機的發熱量可按如下比例進行估算。同步電機，國外3%～5%，國內5%～8%；異步電機，國外15～20%，國內20～30%；伺服電機，國外10～15%，國內15～20%；制冷功率可根據電機功率乘以上述比率進行計算。

確定制冷功率后，需要根據冷卻介質和制冷功率來確定冷卻流量，如公式（4）所示。

式中：P為制冷功率，kW；M為質量流量，kg/s；C為冷卻介質的比熱容，kJ/kg·K；?t為溫升，℃。

其中，對于冷卻介質的比熱容C，水取4.18kJ/kg·K，油取1.9674kJ/kg·K。實際的溫升受電機質量、安裝質量及工況的影響，很難計算出確定數值，可以根據不同介質進行估算。冷卻介質為水時，溫升取5℃，冷卻介質為油時，溫升取8℃。

確保冷卻流量后還要考慮冷卻截面積，以確保冷卻效果。計算冷卻截面積主要考慮流量和流速，如公式（5）所示。

式中：S為冷卻截面積，mm；Q為流量，L/min；V為流速，m/s。

流速V的選擇可根據經驗進行選取。壓力水管一般設計流速為0.5m/s～3m/s（水壓≤1000kPa），推薦取值2m/s；負壓水管（吸程）一般設計流速為0.5m/s～1.5m/s（水溫≤50℃），推薦取值1.2m/s；壓力油管一般設計流速為3m/s～8m/s（黏度≤40Cst），推薦值4m/s；負壓油管（吸程）一般設計流速為0.5m/s～1m/s，推薦值0.8m/s。

綜上所述，主軸設計中的潤滑和冷卻需求包括選擇軸承潤滑方式、計算主軸發熱量、合理選擇冷卻功率及流量并根據冷卻截面積設計合適的冷卻結構。

4 主軸動平衡技術

高速電主軸對不平衡控制的要求比通常轉子更嚴格，微小的不平衡都會導致主軸回轉精度嚴重喪失甚至軸承支撐系統嚴重失穩[5]。進行電主軸設計時，要根據產品結構及安裝工藝，在裝配過程中多次從低速到高速逐步進行主軸動平衡調整，以達到主軸所需的動平衡等級，還要充分考慮動平衡位置，通過增重或減重，盡量保證前端和后端2個校正面的動平衡效果。

目前的主軸在線動平衡技術研究廣泛，電主軸通過綜合狀態測控系統，監控主軸振動、軸承溫度、旋轉速度和主軸負載等關鍵參數，根據電主軸動平衡模型進行分析診斷，識別和監控主軸不平衡部位、不平衡量，從而減少主軸故障，并及時有效地采取維修措施。

5 主軸熱裝工藝設計

為消除傳動間隙對主軸運行的影響，電主軸定、轉子常常通過熱裝的方式連接冷卻水套、芯軸。當電機轉子與機床主軸存在過盈時，會配合表面產生正壓力，使電機轉子的內、外徑擴張。電機轉子與機床主軸過盈量的大小不僅與配合面的傳動能力密切相關，還受電主軸運動狀態的影響，主要是高速狀態下離心力對配合面的影響[6]。

過盈量計算分為靜態過盈量和動態過盈量設計。靜態過盈量考慮最大扭矩的傳遞能力，動態過盈量考慮最大功率的傳遞能力。滿足扭矩和功率的同時，計算主軸轉子襯套的許用應力是否滿足要求。計算公式在此不贅述，可參考文獻[6]中的論述。

6 結語

高速電主軸是一款對設計、工藝、裝配等要求較高的產品，設計環節多且設計細節多。該文主要設計了一款臥式加工中心用電主軸，從設計參數出發介紹主軸電機的形式，從同步電機和異步電機的產品特性出發介紹主軸電機選擇依據。還詳細介紹了電主軸結構設計的各環節。首先從電主軸端部的選擇介紹電主軸不同端部形式的特點。其次介紹主軸最重要的支撐環節，軸承的選型設計。再次介紹主軸刀具系統的設計。從次介紹主軸潤滑及冷卻計算，以保證主軸在運轉過程中溫升可控。最后從工藝方面介紹了主軸動平衡和主軸熱裝工藝的要點。希望能通過高速電主軸設計的全方位介紹，為電主軸設計提供一定的借鑒。