精密電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計及測控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

何　強，李安玲，李麗麗，沈 遠(yuǎn)，張國燁，楊　光（.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；.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）

?

精密電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計及測控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

何強1，2，李安玲2，李麗麗1，2，沈 遠(yuǎn)1，張國燁1，楊光1
（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）

摘要：由于經(jīng)濟和環(huán)境因素，現(xiàn)階段對高速、高精度、高效機床的需求越來越迫切，電主軸作為數(shù)控機床的關(guān)鍵功能部件，國內(nèi)外學(xué)者在電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計及測控技術(shù)方面做了大量的研究，取得了較好的研究成果。主要從國內(nèi)外電主軸的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、優(yōu)化設(shè)計提高電主軸綜合性能及電主軸的測量技術(shù)進(jìn)行介紹，從中了解電主軸的研究現(xiàn)狀，為我國電主軸設(shè)計人員及學(xué)者提供參考。

關(guān)鍵詞：電主軸；結(jié)構(gòu)設(shè)計；綜合性能；測量技術(shù)

0前言

高速加工技術(shù)提高了生產(chǎn)效率并降低了生產(chǎn)成本，這是機床行業(yè)競爭的主要原因。電主軸作為機床的關(guān)鍵功能部件，其速度、功率、扭矩、動態(tài)剛度和熱特性與加工精度有密切關(guān)系，而電主軸軸承系統(tǒng)的裝配公差、幾何尺寸、冷卻條件、操作條件和熱變形對熱特性有很大影響［1］。而軸承安裝位置影響電主軸的剛度［2］。冷卻、潤滑狀態(tài)對電主軸性能也有很大影響［3］［4］［5］。對電主軸測量技術(shù)的研究［6］，能夠更好地研究其性能，評估電主軸設(shè)計的合理性?？傊?，誰掌握了電主軸的先進(jìn)技術(shù)誰就占領(lǐng)了制造業(yè)的先鋒位置。關(guān)于電主軸，研究最多的是關(guān)于怎樣提高電主軸的壽命、可靠性、主軸轉(zhuǎn)速，怎樣降低能耗，實現(xiàn)低投入高產(chǎn)出，并將現(xiàn)在的制造業(yè)對環(huán)境的危害降到最低。雖然近年來國產(chǎn)電主軸的開發(fā)取得了很大的進(jìn)步，但與國外產(chǎn)品相比較，國產(chǎn)的電主軸無論是性能、品種和質(zhì)量都存在較大的差距。目前，在國內(nèi)，許多高轉(zhuǎn)速、高精度數(shù)控機床所需要的高檔電主軸，依然從國外進(jìn)口，國內(nèi)外的電主軸研發(fā)現(xiàn)狀和制造水平有很大的差異。

1 電主軸軸承配置

現(xiàn)階段關(guān)于各類型電主軸的研究按所配置軸承的類型可分為接觸式和非接觸式，關(guān)于接觸式主要是滾動軸承電主軸J.Jedrzejewski和W.Kwas?ny［7］、杜超［8］以及Shuyun Jiang和Shufei Zheng［9］考慮滾動軸承離心力和陀螺效應(yīng)等因素研究電主軸的主軸系統(tǒng)的動力學(xué)特性。孟杰［10］和康輝民［11］、呂浪［12］等考慮機電耦合研究電主軸動態(tài)特性。T. Holkup［13］、Changlong Zhao和Xuesong Guan［14］、A.Za? hedi［15］基于有限元法研究接觸式軸承的熱態(tài)特性及溫度對軸承元件的剛度、電主軸系統(tǒng)熱變形的影響。關(guān)于非接觸式主要是液體、氣體動靜壓和磁懸浮軸承電主軸，Su Zhao［16］等提出了一種新型的非接觸軸承，具有很高載荷能力，主軸位置精度可以控制在納米范圍內(nèi)。該軸承可以應(yīng)用于超精密加工過程，但是其高速性能不穩(wěn)定。Dongju chen和Jinwei Fan［17］等研究靜壓軸承主軸的偏心率對油膜厚度、主軸系統(tǒng)的剛度和變形的影響。Xie Zhenyu［18］利用有限元發(fā)現(xiàn)磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)對電主軸動態(tài)特性影響很小。Etienne Gourc和Carl R. Knospe［19］提出了磁懸浮軸承具有抑制主軸顫振的可能性，從而提高電主軸的穩(wěn)定性。Makoto Go?hara［20］研究水潤滑的靜壓推力軸承的靜態(tài)特征，其使用膜限制器實現(xiàn)軸承高速下的更高的剛度和更低能耗，該靜壓推力軸承（如圖1所示）的靜態(tài)特性是在主軸靜止?fàn)顟B(tài)下通過數(shù)值模擬和試驗進(jìn)行研究的，在數(shù)值模擬時，考慮膜限制器進(jìn)口的不同黏性阻尼區(qū)域的孔眼效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)使用膜限制器可以使水潤滑推力軸承達(dá)到一個非常高的靜剛度，并利用試驗裝置（如圖2所示）驗證模擬結(jié)果。

由于磁懸浮軸承電磁測控系統(tǒng)過于復(fù)雜，價格昂貴，而動靜壓軸承必須進(jìn)行專門設(shè)計，單獨生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，維修困難，所以這兩者至今未能得到廣泛應(yīng)用，目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的是滾動軸承。

2 電主軸預(yù)緊機制

預(yù)緊力影響電主軸的固有頻率、剛度特性和高速旋轉(zhuǎn)性能，Ching Yuan Lin和Jui Pin Huang［21］等研究了直線導(dǎo)軌預(yù)緊力對主軸系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。E.Ozturk和U.Kumar［22］等研究了銑削主軸軸承可變預(yù)緊力對電主軸動態(tài)性能的影響。Aydin Gunduz［23］發(fā)現(xiàn)軸承預(yù)緊力的性質(zhì)和程度大大影響固有頻率和共振的振幅，從而影響軸承組件的振動特性，圖3為軸承預(yù)緊實驗裝置。

圖1 具有限制器的水潤滑環(huán)形靜壓推力軸承結(jié)構(gòu)a膜限制器　b水潤滑環(huán)形靜壓推力軸承

圖2 試驗裝置

王建平［24］研究了接觸角和預(yù)緊力對電主軸的靜剛度的影響，并提出了靜剛度關(guān)于接觸角和預(yù)緊力的擬合曲線。一個合理的預(yù)緊裝置不僅能提高主軸的剛度而且能減少熱量的產(chǎn)生，從而提高主軸系統(tǒng)的高速性能，已經(jīng)有許多關(guān)于可變預(yù)緊方法的研究，可變預(yù)緊取代了現(xiàn)有定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用液壓控制方法來實現(xiàn)可變預(yù)緊力［25］，像東南大學(xué)開發(fā)了液壓系統(tǒng)驅(qū)動的主軸預(yù)緊力加載裝置及預(yù)緊力控制的硬件系統(tǒng)［26-27］，然而該方法有兩個缺點：第一轉(zhuǎn)數(shù)和預(yù)緊力的相關(guān)性不確定；第二需要的成本比較高。Young Kug Hwang和Choon Man Lee［28］基于電磁原理開發(fā)了一個新的低成本的可變預(yù)緊控制裝置，能夠任意快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)滾動軸承上的預(yù)緊力，實現(xiàn)了電主軸系統(tǒng)從低速到高速的大范圍旋轉(zhuǎn)。該裝置的缺點是周圍組件容易被磁化，要實現(xiàn)實際應(yīng)用，必須研究出防止周圍組件被電磁鐵磁化的隔離方法，而且還應(yīng)該考慮電磁鐵的冷卻問題。

3 電主軸優(yōu)化設(shè)計

加工條件、軸肩、電機直徑和軸承布置對電主軸動態(tài)特性有影響［29］。電主軸優(yōu)化設(shè)計主要是對電主軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高電主軸的動靜態(tài)性能。Xie hualong［30］提出了單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化方法，并對優(yōu)化后的電主軸特性進(jìn)行分析。Chi-Wei lin［31］對電主軸的結(jié)構(gòu)的幾個設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計來提高電主軸在高速下的動態(tài)性能，圖4所示為主軸優(yōu)化盤單元劃分示意圖。

圖3 軸承預(yù)緊實驗裝置

Y.Kang［32］基于有限元對電主軸的設(shè)計參數(shù)對其動靜態(tài)特性的影響，為電主軸的設(shè)計提供依據(jù)。李彥［33］研究軸向預(yù)緊力、跨距、轉(zhuǎn)軸各臺階外徑得到合理的電主軸結(jié)構(gòu)，并對高速電主軸的潤滑、材料、密封、冷卻等方面也進(jìn)行了研究，實現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計，提高高速電主軸可靠性。應(yīng)一幟［34］提出在鉻錳彈簧鋼轉(zhuǎn)子內(nèi)套上開注油孔和環(huán)形內(nèi)槽，方便了機床主軸和電動機轉(zhuǎn)子的拆卸，在后軸檔的軸承支承座外圈加一滾套的設(shè)計，解決了因主軸熱變形導(dǎo)致的軸承預(yù)緊力過大的問題。孫彥旭［35］使靠鎖緊錐套的彈性變形收縮使電動機轉(zhuǎn)子內(nèi)套兩端緊緊抱在主軸上，方便了機床主軸和電動機轉(zhuǎn)子的拆卸。劉士玉［36］研究了電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計安裝過程中一些關(guān)鍵技術(shù)。何惜港［37］研究得出懸跨比、預(yù)載荷、軸承選配是電主軸設(shè)計中的關(guān)鍵，對電主軸整體性能起決定性的影響。

圖4 主軸優(yōu)化盤單元劃分示意圖

4 電主軸冷卻

為了降低電主軸的溫升，確保電主軸工作時的可靠性，對電主軸的冷卻和潤滑系統(tǒng)方面的研究也很重要。K.Prashanth Anandan和O.Burak Oz?doganlar［38］分析了溫度的波動、動態(tài)缺陷、接觸軸承缺陷和刀具接觸誤差，實驗發(fā)現(xiàn)主軸熱態(tài)的周期性特性引起主軸運動的顯著變化。廖敏［39］研究得出主軸轉(zhuǎn)速是影響軸承溫升的主要因素。胡偉奇［40］基于熱流網(wǎng)絡(luò)法發(fā)現(xiàn)軸向載荷和徑向載荷對支撐系統(tǒng)溫升及溫度分布影響相同。魏效玲［41］等分析了軸承預(yù)緊力、電機轉(zhuǎn)速、冷卻空氣流量對電主軸熱態(tài)特性的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)緊力的大小對主軸軸承的溫升影響較?。浑姍C轉(zhuǎn)速與冷卻空氣流量的大小對主軸軸承的溫升作用比較明顯。C.H. Chien［42］通過研究得出幾乎所有的熱點都集中在主軸中間部分，且在螺旋水冷下，溫升可以顯著降低。鄧君和許光輝［43］采用軸芯冷卻設(shè)計，有效地控制了電主軸的溫升，減小了電主軸的熱膨脹。閻樹田［44］等采用軸心－軸套聯(lián)合冷卻以及軸承座圈下潤滑的冷卻系統(tǒng)，對高速電主軸的轉(zhuǎn)子和定子進(jìn)行冷卻，從而在根源上降低高速電主軸的轉(zhuǎn)子和定子的溫度，提高高速電主軸的熱穩(wěn)定性，減小它的熱變形。何強［45］根據(jù)ADGM電主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，進(jìn)行了熱源分析和計算，了解了電主軸的溫度場分布和溫升情況，通過變化進(jìn)水量，軸承的溫度得到了有效控制。李麗麗、何強［46］等為了提高電主軸冷卻系統(tǒng)的冷卻效果，設(shè)計了環(huán)形冷卻水道，發(fā)現(xiàn)該電主軸當(dāng)冷卻水流速為0.7kg/s時，冷卻效果達(dá)到最佳，圖5為環(huán)形冷卻水道示意圖。

圖5 環(huán)形冷卻水道

陳文華［47］等通過改變水冷系統(tǒng)有限元模型的邊界條件，對不同冷卻水流量、工況、環(huán)境溫度條件下電主軸的溫升進(jìn)行了對比分析得出當(dāng)冷卻水流量增大到一定值時，僅依靠增大流量已不能控制溫升；環(huán)境溫度不是影響電主軸溫升的主要因素，圖6為3種冷卻方式下外殼溫度變化。

圖6 種冷卻方式下外殼溫度變化

5 電主軸性能測試

電主軸的性能測試與評價是設(shè)計、制造高性能電主軸的關(guān)鍵，為進(jìn)一步了解電主軸的性能，優(yōu)化電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論和實踐基礎(chǔ)，是電主軸生產(chǎn)企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能的重要手段。關(guān)于電主軸性能測試的測量技術(shù)的硬件方面，Wen-Yuh Jywe和Chun-Jen Chen［49］使用一個激光二極管和一個象限傳感器對高速主軸的測量系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)。非接觸式方法測試高速電主軸的徑向跳動的精度高于接觸式［50］，Atsushi Matsubara［51］等設(shè)計了一個磁加載裝置測量旋轉(zhuǎn)電主軸的徑向剛度，使用該裝置測量可以將速度和熱效應(yīng)對剛度的影響定量區(qū)分。Vincent Gagnol和Thien-Phu Le［52］等建立一個實驗裝置來確定在加工操作過程中旋轉(zhuǎn)刀具的振動，在不停機的操作下可能識別模態(tài)參數(shù)，開辟了在加工過程中進(jìn)行良好監(jiān)測的可能性。

而關(guān)于測量技術(shù)的軟件方面，吳貴福［53］介紹運用Labview軟件開發(fā)“電主軸綜合性能測試與評價系統(tǒng)”的內(nèi)容和特點，以便更好地掌握電主軸的靜動態(tài)特性等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。吳玉厚［54］以Labview為軟件平臺，開發(fā)出一套專門用于全陶瓷高速電主軸的溫升檢測模塊。該模塊具有良好的實時性和可視性，能直觀準(zhǔn)確地檢測出電主軸的內(nèi)外溫度場分布情況。何強［55］基于Labview的高速電主軸振動測試與分析系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計了一套高速電主軸信號采集與分析系統(tǒng)，采用信號處理技術(shù)對高速電主軸的振動特性進(jìn)行了實時分析，系統(tǒng)實現(xiàn)了高速電主軸振動特性和溫度的動態(tài)實時監(jiān)測，如圖7所示。

圖7 高速電主軸數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面

而關(guān)于測得的信號分析，高榮［56］發(fā)現(xiàn)利用小波奇異性對電主軸振動信號進(jìn)行處理，能夠去除噪聲對加工過程監(jiān)控系統(tǒng)的影響，同時還可以對機械故障信號進(jìn)行預(yù)測，達(dá)到了提高電主軸使用壽命的目的。Dongju Chen［57］等應(yīng)用小波變換（WT）和功率譜密度（PSD）對主軸模態(tài)信息和被測工件表面誤差頻率進(jìn)行計算比較，發(fā)現(xiàn)波紋中的信號特征與提取的主軸不平衡頻率是一致的。

6 電主軸潤滑

何強［58］等分析了電主軸的主要熱源，針對高速旋轉(zhuǎn)時軸承發(fā)熱量較大，制備了一種高速全鋼角接觸軸承專用導(dǎo)熱潤滑脂，可以迅速把熱量傳遞出去，軸承溫度能夠降低1～5℃。李松生［59］等在油氣潤滑條件下，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和供油量是影響軸承內(nèi)部潤滑油膜電阻和軸承溫升的主要因素。S.H. Yeo［60］指出了油/空氣噴霧潤滑系統(tǒng)是一種有效的散熱方法，其簡化了主軸結(jié)構(gòu)。Cheng-Hsien Wu［48］表示在油氣潤滑的電主軸系統(tǒng)中，主軸每次循環(huán)油的體積，潤滑周期和氣壓是影響溫度增加的最為顯著三個因素。在高速電主軸軸承使用的潤滑油和潤滑脂性能差別較大，直接影響電主軸的可靠性，納米微粒作為潤滑油添加劑摩擦學(xué)特性的研究已受到廣泛關(guān)注，與傳統(tǒng)的潤滑油減摩抗磨添加劑相比，納米微粒具有更為優(yōu)異的極壓、抗磨性能和環(huán)境友好等特性，已被廣泛用于摩擦學(xué)領(lǐng)域。Tarasov［61］等學(xué)者主要研究了納米金屬粒子作為摩托車油添加劑的實際應(yīng)用，通過實驗發(fā)現(xiàn)用納米金屬粒子作添加劑的潤滑油與傳統(tǒng)潤滑油相比能夠減少磨損，在高負(fù)荷和高速條件下，納米粒子能夠顯著降低摩擦系數(shù)，改變摩擦副表面形貌。張治軍、張平余［62］等將納米Cu微粒添加到發(fā)動機潤滑油中，在發(fā)動機運行一段時間以后發(fā)現(xiàn)Cu納米微粒在連桿瓦表面上形成了沉積膜使得連桿瓦上的磨損部分得到了有效的修復(fù)，并與表面修飾層形成的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜產(chǎn)生協(xié)同作用，從而表現(xiàn)出了良好的修復(fù)和抗磨作用，可延長發(fā)動機的磨損部件的使用壽命。LRaPoPort［63］等將類富勒烯WS2納米微粒注入粉末物質(zhì)中，并研究其摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)相對于一般的WS2微粒，類富勒烯WS2納米微粒大大地提高了粉末物質(zhì)的摩擦學(xué)性能。Hsiao Yeh Chu［64］等進(jìn)行了納米金剛石粒子作為潤滑油添加劑的研究，通過環(huán)塊摩擦磨損試驗機進(jìn)行了試驗，結(jié)果證明，3%的納米金剛石在降低平均摩擦系數(shù)與磨損量方面效果顯著。于鶴龍、徐濱士［65］等學(xué)者通過四球摩擦儀研究了納米銅作為50cc潤滑油添加劑的效果研究了納米銅的摩擦學(xué)機理，納米壓痕測試儀是用來測量微機械磨損表面的性質(zhì)。結(jié)果表明，溫度越高，納米銅作為添加劑的摩擦學(xué)性能較好。馬江虹［66］等在MS-800A四球摩擦磨損實驗機上考察了熱分解法制備的WS2納米材料作為潤滑油添加劑的摩擦學(xué)特性，通過對鋼球磨斑直徑、PB值的變化分析了WS2納米材料的形貌、添加劑含量對潤滑油摩擦性能的影響。

何強［67］等在四球摩擦試驗機上研究了納米銅作為N32潤滑油添加劑的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加納米銅質(zhì)量百分比為0.5%時摩擦系數(shù)與磨斑直徑最理想，并比較了兩種潤滑狀態(tài)下的磨斑直徑如圖8所示，并在高速電主軸中進(jìn)行了測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0.5%的納米銅作為N32潤滑油添加劑能夠顯著降低電主軸的溫升、振動和噪音值。王其磊［68］等研究了納米Fe3O4作為添加劑的摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明添加量為10%～30%的范圍內(nèi)，隨著添加量的加大，摩擦系數(shù)與磨損率不斷加大。Bhushan［69］等研究了C60粉末作為固體潤滑劑的作用機理，認(rèn)為C60由于具備中空對稱的球狀結(jié)構(gòu)，分子間以范德華力結(jié)合，表面能低，化學(xué)穩(wěn)定性高，其分子鏈異常穩(wěn)定，在摩擦過程中的作用近似于MoS2的層狀結(jié)構(gòu)，容易沉積在摩擦金屬表面，形成沉積膜，并由于C60的球形結(jié)構(gòu)使其可以在摩擦副間自由滾動起到了減摩抗磨作用。何強［70］等通過TLP疲勞試驗機組進(jìn)行了完全失效試驗，并進(jìn)行了可靠性分析，結(jié)果分析表明含有0.5%納米銅顆粒的N32基礎(chǔ)油潤滑系統(tǒng)相對純N32基礎(chǔ)油潤滑系統(tǒng)，提高軸承疲勞壽命2.88倍，圖9為疲勞試驗機組與概率分布圖。

圖8 兩種潤滑油產(chǎn)生的最終磨斑磨痕對比圖

圖9 TLP接觸疲勞試驗機組與Weibull分布概率圖

7 電主軸結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

張新華［71］等設(shè)計的高速電主軸采用增重法進(jìn)行主軸動平衡，轉(zhuǎn)子的兩端分別套有一平衡盤，結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活，更能保證主軸高速平穩(wěn)地運行。張雷震［72］設(shè)計了一種能有效避免油霧造成環(huán)境污染、損害員工身體健康并能節(jié)約能源的無油霧高速電主軸。軸承設(shè)置部的外側(cè)以覆蓋該軸承設(shè)置部的方式設(shè)有迷宮式密封結(jié)構(gòu)，該迷宮式密封結(jié)構(gòu)具有與大氣連通的通路，在外殼上設(shè)有通孔，該通孔的一端在收容空間中開口，另一端與迷宮式密封結(jié)構(gòu)的通路連通，在軸承設(shè)置部填充有潤滑脂，估計能使我國每年節(jié)省耗電30億度左右，能節(jié)省高級潤滑油6萬噸以上。何強等設(shè)計了一種電主軸的均壓氣封和針孔內(nèi)伸式潤滑的裝置，該裝置的軸端密封部分在前小蓋與主軸之間設(shè)置有均壓圈，在均壓圈內(nèi)外分別設(shè)置有內(nèi)槽和外槽，在內(nèi)槽和外槽之間設(shè)置有8個均勻分布的均壓孔，使氣封的氣流能均勻地從主軸和均壓圈之間的間隙均勻地向外吹出，這樣氣封均勻，結(jié)構(gòu)簡單，能夠有效杜絕切削液及金屬粉屑進(jìn)入電主軸內(nèi)部，延長了電主軸軸承和電主軸電機的使用壽命，圖10為該電主軸結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10 均壓氣封和針孔內(nèi)伸式潤滑電主軸結(jié)構(gòu)圖

何強等設(shè)計了一種雙驅(qū)動電主軸，正常工作時刀具由高速小扭矩的第一電機提供切削力，當(dāng)?shù)谝浑姍C提供不了足夠的轉(zhuǎn)矩時，第一電機停轉(zhuǎn)，低速大扭矩的第二電機開始工作并通過中間連接環(huán)節(jié)為刀具提供動力；其優(yōu)點是扭矩大、發(fā)熱量小、節(jié)約能源、并且工作穩(wěn)定。湯秀清［73］設(shè)計了一種用于機械加工機床滾珠高速電主軸集成滾動軸承、冷卻裝置、自動換刀系統(tǒng)、電機驅(qū)動裝置于一體的機電一體化組件。它的工作轉(zhuǎn)數(shù)可達(dá)40000rpm，精度高，扭矩大，使用壽命長。朱凱旋［74］設(shè)計了機床的高速電主軸結(jié)構(gòu)，水管的出液口通過轉(zhuǎn)接頭套裝于電主軸的轉(zhuǎn)軸的一端內(nèi)孔，前套筒套裝于后套筒的外緣面，后套筒的前端套裝有導(dǎo)氣筒，轉(zhuǎn)軸的一端內(nèi)孔套裝于所述導(dǎo)氣筒的內(nèi)部通孔，導(dǎo)氣筒靠近前軸承蓋的一側(cè)設(shè)置有軸承安裝腔，有效地避免了磨削液進(jìn)入到電主軸的軸承的情況。蔣書運［75］設(shè)計了一種帶高效內(nèi)冷卻與工件自適應(yīng)強力噴射冷卻的新型高效內(nèi)冷卻的電主軸。該裝置采用轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻的方法，冷卻液不僅對電主軸本身進(jìn)行冷卻，而且對砂輪和工件進(jìn)行自適應(yīng)強力噴射冷卻，取得良好的冷卻效果。何強［76］等設(shè)計了一種具有弓字型包絡(luò)狀冷卻水道便于安裝傳感器的電主軸，冷卻水道分別設(shè)置于殼體與套筒之間和殼體與前軸承座之間，殼體與定子間的冷卻水道呈弓字狀包絡(luò)主軸，設(shè)置于殼體內(nèi)表面，水道出水口與入水口中間部分不設(shè)置水道。殼體與前軸承軸承座間的冷卻水道呈環(huán)形，設(shè)置于前軸承座外壁，進(jìn)出水口設(shè)置于殼體，并與冷卻水道相連。一體化溫度傳感器測量區(qū)域設(shè)置于不設(shè)水道的弓字形水道缺口處。該裝置保證能測試電主軸的正常散熱，并給予放置檢測設(shè)備的空間，不破壞電主軸冷卻裝置，以便于測量電主軸定轉(zhuǎn)子整體工作狀況。何強［77］等設(shè)計了一種雙冷卻通道高速精密電主軸，有兩組冷卻液對流的冷卻水道，水道均呈螺旋狀設(shè)于殼體內(nèi)表面與前軸承座外表面上。電主軸前端設(shè)一冷卻水道的進(jìn)水口與另一冷卻水道的出水口，電主軸后端設(shè)兩組冷卻水道對應(yīng)的出水口和進(jìn)水口，圖11為雙冷卻通道電主軸三維圖。

圖11 雙冷卻通道及電主軸三維圖

李松生［78］設(shè)計了一種端面式電機的電主軸，電子轉(zhuǎn)子為沿軸向排列的端面式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)軸懸臂式徑向支承，電主軸散熱效果好，結(jié)構(gòu)更加緊湊，剛度更好。何強以液體靜壓軸承理論為基礎(chǔ)，從冷拉伸設(shè)備的實際應(yīng)用出發(fā)，將現(xiàn)有的主軸系統(tǒng)中的滾動軸承替換為液體靜壓軸承，根據(jù)主軸工作受力特點設(shè)計了卸荷機構(gòu)、液體靜壓徑向軸承和止推軸承隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，液體靜壓軸承油腔壓力有所減小，徑向軸承內(nèi)流體流速與轉(zhuǎn)速存在一致性，而止推軸承油腔流體流速與轉(zhuǎn)速不存在一致性，圖12為液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)圖。

Wayne L.Staats［79］研究一個集成風(fēng)扇的熱傳遞（圖13），并對12種風(fēng)扇（圖14）進(jìn)行設(shè)計建模研究其風(fēng)扇性能（扇葉曲線和功率消耗），統(tǒng)計扇葉尺寸特征與風(fēng)扇性能的相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)熱傳遞與風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)速度和空氣流量有關(guān)系，與風(fēng)扇的幾何形狀相關(guān)性很小，這樣風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計就與熱傳遞特性無關(guān)，可以獨立設(shè)計。熱傳遞增強依賴于風(fēng)扇所能引起的湍流結(jié)構(gòu)。

圖12 液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)圖

圖13 風(fēng)扇冷卻原理圖

圖14 12種風(fēng)扇幾何形狀

8 結(jié)語

高速、高精度的機床已成為重要趨勢，作為機床中心的高速電主軸能夠傳遞每分鐘數(shù)萬次的旋轉(zhuǎn)。高速電主軸的性質(zhì)和可靠性對加工過程非常重要，其出現(xiàn)的普遍問題是可靠性差和突然失效。所以對電主軸性能的研究至關(guān)重要。我國電主軸研究要提高電主軸的壽命和可靠性，在性能、精度和結(jié)構(gòu)上有所突破，使得我國電主軸擁有自己的知識產(chǎn)權(quán)，努力改變電主軸關(guān)鍵部件必須進(jìn)口的局面。

參考文獻(xiàn)：

［1］KIM S M，Lee S K.Prediction of thermo-elastic behavior in a spindle–bearing system considering bearing surroundings［J］. International Journal of Machine Tools&Manufacture，2001 （41）：809-831.

［2］LI Hongqi，SHIN Y C.Analysis of bearing configuration ef?fects on high speed spindles using an integrated dynamic ther?mo-mechanical spindle model［J］.International Journal of Ma?chine Tools&Manufacture，2004（44）：347-364.

［3］CHIEN C H，JANG J Y.3-D numerical and experimental analysis of a built-in motorized high-speed spindle with heli?cal water cooling channel［J］.Applied Thermal Engineering，2008（28）：2327-2336.

［4］YEO S H，RAMESH K，ZHONG Z W.Ultra-high-speed grinding spindle characteristics upon using oil/air mist lubrica?tion［J］.International Journal of Machine Tools&Manufacture，2002（42）：815-823.

［5］WU C H，KUNG Y T.A parametric study on oil/air lubrica?tion of a high-speed spindle［J］.Precision Engineering，2005 （29）：162-167.

［6］JYWE W Y，CHEN C J.The development of a high-speed spindle measurement system using a laser diode and a quad?rants sensor［J］.International Journal of Machine Tools&Manu?facture，2005（45）：1162-1170.

［7］JEDRZEJEWSKI J，KWASNY W.Modelling of angular con?tact ball bearings and axial displacements for high-speed spin?dles［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2010（59）：377-382.

［8］杜超，丁玉成趙石華等.基于傳遞矩陣法的電主軸動力學(xué)特性分析［J］.制造技術(shù)與機床，2010（10）：135-138.

［9］JIANG Shuyun，ZHENG Shufei，A modeling approach for analysis and improvement of spindle-drawbar-bearing assem?bly dynamics，International Journal of Machine Tools&Manu?facture 50（2010）131-142.

［10］孟杰，陳小安，合燁.高速電主軸電動機—主軸系統(tǒng)的機電耦合動力學(xué)建模［J］機械工程學(xué)報，2007，43（12）：160-165.

［11］康輝民，李會強，孟杰，等.高速電主軸機電耦合建模與仿真研究［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，27（4）：18-22.

［12］呂浪，熊萬里，侯志泉.面向機電耦合振動抑制的電主軸系統(tǒng)匹配特性研究［J］.機械工程學(xué)報，2012，48（9）：144-154.

［13］HOLKUP T，CAO H.Thermo-mechanical model of spin?dles［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2010（59）：365-368.

［14］ZHAO Changlong，GUAN Xuesong.Thermal analysis and experimental study on the spindle of the high-speed machin?ing center［J］.AASRI Procedia，2012（1）：207-212.

［15］ZAHEDI A，MOVAHHEDY M R.Thermo-mechanical modeling of high speed spindles［J］.Scientia Iranica，2012，19 （2）：282–293.

［16］ZHAO S，SEBASTIAN M，JOERG W.An ultrasonic levita?tion journal bearing able to control spindle center position［J］. Mechanical Systems and Signal Processing，2013（36）：168-181.

［17］CHEN D J，F(xiàn)AN J W，ZHANG F H.Dynamic and static characteristics of a hydrostatic spindle for machine tools［J］. Journal of Manufacturing Systems，2012（31）：26-33.

［18］XIE Zhenyu，YU Kun，WEN Liantang，et al.Characteris?tics of motorized spindle supported by active magnetic bearings ［J］.Chinese Journal of Aeronautics 2014.

［19］GOURC E，SEGUY S，L ARNAUD.Chatter milling model?ing of active magnetic bearing spindle in high-speed domain ［J］.International Journal of Machine Tools&Manufacture 2011 （51）：928–936.

［20］GOHARA M，SOMAYA K，MIYATAKE M，et al.Static characteristics of a water-lubricated hydrostatic thrust bearing using a membrane restrictor［J］.Tribology International.2014 （75）:111-116.

［21］CHING Yuanlin，JUI Pinhung，TZUO Lianglo.Effect of preload of linear guides on dynamic characteristics of a verti?cal column–spindle system［J］.International Journal of Ma?chine Tools&Manufacture，2010（50）：741–746.

［22］OZTURK E，KUMAR U.Investigation of spindle bearing preload on dynamics and stability limit in milling［J］.CIRP An?nals-Manufacturing Technology，2012（61）：343-346.

［23］GUNDUZ A，DREYER J T，SINGH R.Effect of bearing preloads on the modal characteristics of a shaft-bearing assem?bly：Experiments on double row angular contact ball bearings ［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2012（31）：176 –195.

［24］王建平，馬福貴，劉宏昭，等.陶瓷球軸承接觸角和預(yù)緊力對高速磨削電主軸靜剛度的影響［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2014，33（7）：1018-1022.

［25］熊萬里，李芳芳紀(jì)家輝，等.滾動軸承電主軸系統(tǒng)動力學(xué)研究綜述［J］.制造技術(shù)與機床，2010（3）：25-30.

［26］何金平.預(yù)緊力可控電主軸動態(tài)特性分析和試驗研究［D］.東南大學(xué)，2007：1-53.

［27］王偉.預(yù)緊力可控電主軸控制系統(tǒng)研究［D］.東南大學(xué)，2007：1-48.

［28］HWANG Y K，LEE C M.Development of a newly struc?tured variable preload control device for a spindle rolling bear?ing by using an electromagnet［J］.International Journal of Ma?chine Tools&Manufacture，2010（50）：253-259.

［29］JIANG Shuyun，ZHENG Shufei.Dynamic design of a highspeed motorized spindle-bearing system［J］.Journal of Mechani?cal Design，2010，132（3）:0345011-0345015.

［30］XIE Hualong，WANG Qingbao，LI jinhua.The motorized spindle optimization design of NC machine tool based on finite element method［J］.International Journal of Materials and Prod?uct Technology.2012，45（1-4）:217-227.

［31］LIN Chiwei，JAY F T.Model-based design of motorized spindle systems to improve dynamic performance at high speeds［J］.Journal of Manufacturing Process 9（2）（2007）94-108.

［32］KANG Y，CHANG Y P，TSAI J W，et al.Integrated`CAEa strategies for the design of machine tool spindle-bearing sys?tems［J］.Finite Elements in Analysis and Design 37（2001）485511.

［33］李彥，竇懷洛，李玉亭.淺析提高電主軸可靠性的途徑［J］.機電工程技術(shù)，2010，39（6）:149-152.

［34］應(yīng)一幟.大功率高速電主軸結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2009（9）：81-83.

［35］孫彥旭，李鶴，王彥平.數(shù)控車床電主軸總體結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計［J］.機床電器，2011（5）：13-15.

［36］劉士玉，劉百喜.電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用［J］.WMEM，2004（6）：85-86.

［37］何惜港，李玉川，李小為.高速大功率電主軸設(shè)計［J］.現(xiàn)代零部件，2004（5）：44-48.

［38］PRASHANTH ANANDAN K，BURAK OZDOGANLAR O. Analysis of error motions of ultra-high-speed（UHS）microma?chining spindles［J］.International Journal of Machine Tools& Manufacture，2013（70）：1-14.

［39］廖敏，王新新.高速電主軸軸承溫度預(yù)測與溫升影響因素分析［J］.西華大學(xué)學(xué)報，2013，32（1）：88-92.

［40］胡偉奇，段明德，汪玉平，等.基于熱流網(wǎng)絡(luò)法的電主軸支撐系統(tǒng)熱特性研究［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報，2013，34（2）：17-21.

［41］魏效玲，李小銳，玉新民，等.數(shù)控機床高速電主軸的熱態(tài)特性分析［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，29 （4）：87-89.

［42］CHIEN C H，JANG J Y.3-D numerical and experimental analysis of a built-in motorized high-speed spindle with heli?cal water cooling channel［J］.Applied Thermal Engineering，2008（28）：2327-2336.

［43］鄧君，許光輝.高速電主軸采用軸芯冷卻的設(shè)計［J］.裝備制造技術(shù)，2010（7）：52-53.

［44］閻樹田，許慶鵬，張樹錕.高速電主軸冷卻系統(tǒng)設(shè)計與研究［J］.機械與電子，2012（3）：44-46.

［45］HE Qiang，ZHANG Yong，YE Jun.Thermal Characteris?tics of High Speed Motorized Spindle With Helical Water Cool?ing Channel［J］.Recent Patents on Mechanical Engineering，2012，1，69-76

［46］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)，2013，06，15-22.

［47］陳文華，賀青川，何強，等.高速電主軸水冷系統(tǒng)三維仿真與試驗分析［J］.中國機械工程，2010，03，550-555.

［48］CHENGHSIEN W，YUTAI K.A parametric study on oil/ air lubrication of a high-speed spindle［J］.Precision Engineer?ing，2005（29）：162-167.

［49］JYWE W Y，CHEN C J.The development of a high-speed spindle measurement system using a laser diode and a quad?rants sensor［J］.International Journal of Machine Tools&Manu?facture，2005（45）：1162-1170.

［50］楊鋼.高速電主軸徑向跳動及靜剛度測試方法［J］.重慶理工學(xué)學(xué)報，2013，27（2）：62-68.

［51］MATSUBARA A，YAMAZAKI T，IKENAGA S.Non-con?tact measurement of spindle stiffness by using magnetic load?ing device［J］.International Journal of Machine Tools&Manu?facture，2013（71）：20–25.

［52］GAGNOL V，THIEN P L，PASCAL R.Modal identification of spindle-tool unit in high-speed machining［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2011（25）：2388-2398.

［53］吳貴福，顏兵兵，賈元華，等.基于LabVIEW的電主軸綜合性能測試與評價系統(tǒng)［J］.機械設(shè)計與制造，2011（12）：95-97.

［54］吳玉厚，田峰，Albert J Shih，等.基于LabVIEW的全陶瓷電主軸溫度檢測模塊的設(shè)計與實驗分析［J］.機床與液壓，2012，40（17）：60-63.

［55］何強，李安玲，任帥陽，等.高速電主軸數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.機床與液壓，2015，6，

［56］高榮，葉佩青，蔣克榮，等.基于小波奇異性的電主軸振動信號處理［J］.吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2010，40（4）：1025-1028.

［57］CHEN Dongju，F(xiàn)AN Jinwei，ZHANG Feihu.Extraction the unbalance features of spindle system using wavelet transform and power spectral density［J］.Measurement 2013（46）：1279-1290.

［58］何強.一種高速全鋼角接觸軸承專用導(dǎo)熱潤滑脂［P］.中國專利：201210156648.9，2014-09-17.

［59］李松生，周鵬，黃曉等.基于油氣潤滑的超高轉(zhuǎn)速電主軸軸承潤滑性能的試驗研究［J］.潤滑與密封，2011，36（10）：25-28.

［60］YEO S H，RAMESH K，Zhong Z W.Ultra-high-speed grinding spindle characteristics upon using oil/air mist lubrica?tion［J］.International Journal of Machine Tools&Manufacture，2002（42）：815-823.

［61］TARASOV S，KOLUBAEV A，BELYAEV S.Study of fric?tion reduction by nanocopper additives to motor oil［J］.Wear，2002，252:63-69.

［62］楊志強，張晟卯，代闖，等.表面修飾Cu納米微粒作為自修復(fù)添加劑修復(fù)連桿瓦的研究［J］.潤滑與密封，2007，1，60-63.

［63］RAPOPORT L，LVOVSKY M，LAPSKER I，et a1.Fdetion and wear of bronze powder composltes ineluding fullerene-like WS2 nanoparfieles［J］.Wear，2001，249:150-157.

［64］HSIAO Y C，HSU W C，LINB J F.The anti-scufng perfor?mance of diamond nano-particles as an oil additive［J］.Wear 268（2010）960-967.

［65］YU Helong，XU Yi，XU Binshi.Tribological properties and lubricating mechanisms of Cu nanoparticles in lubricant［J］. Trans.Nonferrous Met.Soc.china 18（2008）636-641.

［66］馬江虹，于月光，于旭光，等.WS2納米材料的摩擦學(xué)性能研究［J］.納米科技2006，10，9-12.

［67］HE Qiang，LIU Hongzhao，Ye Jun，et al.The application of Cu nanoparticle as N32 base oil additives［J］.Frontiers of Me?chanical Engineering in China.2010，02，93-97.

［68］WANG Qilei，YANG Fengyu，YANG Qian，et al.Study on

mechanical properties of nano-Fe3O4 reinforced nitrile butadi?ene rubber［J］.Materials and Design 31（2010）1023-1028.

［69］Bhushan B，et al.Appl［J］.Phys.lett，1993，62（25）:3253-325.

［70］何強，劉宏昭，葉軍.納米銅作為N32潤滑油添加劑摩擦學(xué)性能研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報.2010，02，145-149.

［71］張新華.一種高速電主軸［P］.中國專利：201210316586.3，2015-03-04.

［72］張雷震.無油霧高速電主軸［P］.中國專利：無油霧高速電主軸，2014-05-21.

［73］湯秀清.一種滾珠高速電主軸［P］.中國專利：201010611057.7，2012-09-05.

［74］朱凱旋.機床的高速電主軸結(jié)構(gòu)［P］.中國專利：201210220474.8，2014-06-25.

［75］蔣書運.一種高效內(nèi)冷卻的電主軸［P］.中國專利：201010539255.7，2012-08-22.

［76］何強.一種具有弓字型包絡(luò)狀冷卻水道的在線溫度檢測電主軸［P］.中國專利：201320485214.3，2013-08-07.

［77］何強.一種螺旋型雙冷卻通道高速電主軸［P］.中國專利：201320485226.6，2013-08-07.

［78］李松生.端面式電機的電主軸［P］.中國專利：200910050341.9，2012-02-01.

［79］STAATS WAYNE L，BRISSON J G.Active heat transfer enhancement in air cooled heat sinks using integrated centrifu?gal fans［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer 2015（82）:189–205.

（責(zé)任編輯：郝安林）

Development of Structure Design and Control Technology for Precision Spindle

HE Qiang1，2，LIAnling2，LI Lili1，2，SHEN Yuan1，ZHANG Guoye1，YANG Guang1
（1.The Collaborative Innovation Center of High Precision Machine Tool of Anyang Institute of Technology，Anyang 455000，China；2.Key Laboratory of Key Functional Parts of Machine of Anyang Institute of Technology，Anyang 455000，China）

Abstract:Because of the economic and environmental factors，recently there has been rapid increase in need for high speed，high precision，and high efficiency machining，electric spindle as the key function parts of NC ma?chine tools，The domestic and foreign scholars have done a lot of research on the structure design and measure?ment and control technology of electric spindle，and have achieved good results.This article mainly from the do?mestic and foreign electric spindle's structure innovation，the optimized design improves the electric spindle's comprehensive performance and the electric spindle's measuring technology to carry on the introduction，the re?search present situation of the electric spindle，provides the reference for our country electric spindle design per?sonnel and the scholar.

Key words:spindle；structure design；comprehensive performances；measurement technology

中圖分類號：TH133

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-2928（2016）02-0001-10

收稿日期：2015-09-29

作者簡介：何強（1976-），男，安陽工學(xué)院副教授，博士，研究方向：高速精密電主軸設(shè)計。