電機后置式電主軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

□ 何 強 □ 李安玲 □ 郭龍斌 □ 張鵬偉□ 李麗麗□ 張國燁

1.安陽工學(xué)院 高速精密機床協(xié)同創(chuàng)新中心 河南安陽 455000

2.安陽工學(xué)院 機床關(guān)鍵功能部件重點實驗室 河南安陽 455000

隨著社會的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進步，高速數(shù)控機床作為裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是裝備制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和主要發(fā)展方向。電主軸作為高速數(shù)控機床的核心部件，其性能在很大程度上決定了高速數(shù)控機床所能達到的最大轉(zhuǎn)速和加工精度［1］。而電機后置式電主軸由于其結(jié)構(gòu)特點，電主軸內(nèi)裝電機所散發(fā)的熱量對電主軸輸出端的熱影響很小，對保持電主軸輸出端良好的精度、改善輸出端軸承的工況條件和延長壽命有利；同時，由于內(nèi)裝電機的后置，使電主軸靠近輸出端的前端部分的直徑更小，可滿足深孔磨、深腔銑等特殊工件的加工需要［2］［5］［6］，所以，近年來電機后置式電主軸在磨、銑方面的高速數(shù)控機床中得到廣泛應(yīng)用。但是，由于電機后置式電主軸的特殊結(jié)構(gòu)，其振動問題會直接影響數(shù)控機床的加工精度，甚至損壞主軸。針對某型號磨床用電機后置式電主軸，由于出廠測試中主軸徑向跳動值、軸向竄動值和振動值過大，加工精度一直達不到出廠要求，需對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以減小徑向跳動值、軸向竄動值和振動值，提高加工精度，使其達到設(shè)計要求［3］［7］。

1 電機后置式電主軸的結(jié)構(gòu)

電機后置式電主軸主要用于磨削機床，主電機置于主軸后軸承之后，即主軸箱和主電機作軸向的同軸布置，電主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，前軸承為3套NSK-7206角接觸軸承，預(yù)壓負荷為122 N；后軸承為2套NSK-7209角接觸軸承，預(yù)壓負荷為225 N；軸承采用油脂潤滑，油脂填充量前軸承為2.25 mL/套，后軸承為1.75 mL/套；對電機的冷卻方式為水冷。圖1是優(yōu)化前結(jié)構(gòu)簡圖，圖2是優(yōu)化前軸系三維圖。

▲圖1 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)簡圖

▲圖2 優(yōu)化前軸系三維圖

2 電機后置式電主軸振動原因分析

2.1 電主軸振動原因綜述

影響電主軸振動的因素主要有3項：電主軸的諧振現(xiàn)象、電主軸的電磁振蕩、電主軸的機械振動。對電主軸的諧振現(xiàn)象，可通過分析電主軸的振型找出主軸的諧振頻率區(qū)，避免電主軸的轉(zhuǎn)速范圍進入它的諧振區(qū)；對電主軸的電磁振蕩，通過合理加工工藝和方法，制造出優(yōu)良的電主軸定子和轉(zhuǎn)子，從而減小電主軸電動機的電磁振蕩；對電主軸的機械振動，情況多而復(fù)雜，本文對電主軸機械振動原因進行特別分析。

電主軸機械振動原因很多：主軸軸頸的同心度、錐度以及圓度；軸承本身的精度以及軸承之間的同軸度誤差；主軸殼體前后軸承孔的同心度、錐度和圓度；主軸撓度等。這些主軸結(jié)構(gòu)常見的問題都會對主軸徑向回轉(zhuǎn)精度產(chǎn)生影響，并且由于加工方式的不同對主軸徑向回轉(zhuǎn)精度的影響也不同。因此，對電機后置式電主軸這種特殊結(jié)構(gòu)要進行分析，找出引起振動的特有原因，才能有效改進結(jié)構(gòu)，更大程度地減小機械振動。

2.2 機械振動特有原因分析

由于電主軸電機的轉(zhuǎn)子和定子之間存在微小的間隙，所以電機轉(zhuǎn)子的重力將成為主軸的一個徑向力，主軸的剛度很大，而電機轉(zhuǎn)子的重力值很小，引起主軸的形變值很小。但是當主軸高速旋轉(zhuǎn)時，由轉(zhuǎn)子重力所產(chǎn)生的離心力很大，將使主軸產(chǎn)生一定的形變。由于電主軸的特殊結(jié)構(gòu)，其中安裝電機部分的主軸懸置，只有一側(cè)有軸承支撐，使離心力產(chǎn)生的形變加大。

下面對由于離心力產(chǎn)生的撓度進行計算分析［4］，將圖1優(yōu)化前的主軸進行簡化，其簡圖為外伸梁，如圖3所示，其中F為離心力。BC段為懸臂梁，如圖4所示，其中w1為在離心力F作用下的撓度：

式中:l1為BC段距離；E為主軸的彈性模量；I為主軸的慣性矩；m為電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量；ω為主軸工作時的角速度；r為電機轉(zhuǎn)子同軸度的1/2。

撓度w1造成質(zhì)量偏心，從而在主軸高速旋轉(zhuǎn)時影響主軸動平衡，造成主軸徑向跳動，在磨床中徑向跳動屬于誤差敏感方向，在此方向上原始誤差對加工誤差的影響最大，會嚴重影響加工精度。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

要減小電主軸這種特殊的結(jié)構(gòu)形式引起的振動，必須減小在離心力F1作用下的撓度，應(yīng)該使安裝電機的主軸部分兩側(cè)都有軸承支撐，可在此主軸后端增加軸承。由于增加的這個軸承距離受力點較遠，幾乎不承擔刀具磨削時的徑向力和軸向力，所以此軸承選取一個小尺寸軸承NSK-6206深溝球軸承即可。圖5為優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)簡圖，圖6是優(yōu)化后軸系三維圖。

▲圖3 主軸簡化圖

▲圖4 懸臂梁簡圖

▲圖5 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)簡圖

▲圖6 優(yōu)化后的三維圖

▲圖7 簡支梁簡圖

下面對優(yōu)化后的電主軸由于離心力產(chǎn)生的撓度進行計算分析，將圖5中優(yōu)化后主軸進行簡化，其計算簡圖為簡支梁，如圖7所示，w2為離心力F作用下簡支梁的撓度：

式中：l2為BD段距離，且l2=2l1。

可見，此種結(jié)構(gòu)在離心力F作用下的撓度值減小一半，從而也減小了質(zhì)量偏心,所以在主軸高速旋轉(zhuǎn)時振動減小，提高了加工精度。

4 優(yōu)化前后測試對比

分別對優(yōu)化前、后的電主軸進行多組數(shù)據(jù)測試。

測試方法：將主軸固定在測試臺上；杠桿千分表夾持桿安裝在所需位置并旋緊，測量頭放在檢測位置；振動傳感器固定在前軸承外殼處；溫度傳感器分別固定在前、后軸承處，噪聲測量儀放在指定位置。調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速旋鈕，使主軸轉(zhuǎn)速達到1 500 r/min，此時對測試主軸進行試驗前的跑合運轉(zhuǎn)，當跑合運轉(zhuǎn)結(jié)束后，設(shè)定變頻控制系統(tǒng)使轉(zhuǎn)速每隔20 min自動提高一次，每次提高1 500 r/min，達到6 000 r/min時轉(zhuǎn)速停止提高，在此轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)5 h后停機；測試過程由計算機控制并顯示轉(zhuǎn)速、軸承溫升、振動、試驗時間，讀出杠桿千分表和噪聲測量儀上的示數(shù)。得到優(yōu)化前、后的多組對比數(shù)據(jù)，見表1。

表1 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

通過對表1數(shù)據(jù)的對比可看出，電主軸優(yōu)化后在振動、溫升、噪聲方面都遠好于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)，并且各項參數(shù)都達到了其出廠標準，提高了加工精度。

5 結(jié)束語

針對電主軸振動大的問題，提出了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，在主軸末端增設(shè)一個小尺寸軸承，此方案有效減小了電主軸的振動，并且降低了軸承的最大溫升和噪聲，大大提高了其對工件的加工精度。

［1］ He Qiang,Zhang Yong,Ye Jun.Thermal Characteristics of High Speed Motorized Spindle with Helical Water Cooling Channel ［J］ Recent Patents on Mechanical Engineering,2012（1）：69-76.

［2］ 劉鴻文.材料力學(xué) ［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［3］ 郭麗娟，蕭汝峰，朱嫩霞.數(shù)控機床用高速電主軸振動原因分析［J］.現(xiàn)代零部件，2005（10）：40-41.

［4］ 筠果，吳勝強，馬雪方.數(shù)控銑床刀具徑向跳動處理方法［J］.設(shè)備管理與維修，2007（10）：26-27.

［5］ 李松生，周鵬，朱旭斌，等.電機后置式電主軸［P］.中國專利：CN101710751A，2010-05-19.

［6］ 何 強，張國亮，李安玲，等.車床皮帶軸熱力學(xué)仿真分析［J］.制造技術(shù)與機床，2013（8）：80-82.

［7］ 何強，李安玲，葉軍.加工中心皮帶軸熱力學(xué)仿真分析［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2013（6）：15-22.