一款機(jī)床用高速主軸的設(shè)計(jì)

楊小娟 邱 巖 于雯秋

（沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

為了加速企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步，高速數(shù)控機(jī)床的研究、開(kāi)發(fā)已是當(dāng)務(wù)之急。在高速數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)制造中，最關(guān)鍵的是高速主軸技術(shù)。它將電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩通過(guò)主軸傳遞給刀具，并對(duì)工件進(jìn)行加工。主軸按照驅(qū)動(dòng)形式分為機(jī)械主軸和電主軸，電主軸將驅(qū)動(dòng)電機(jī)和主軸做成一個(gè)整體，省略了機(jī)械主軸中的皮帶或齒輪等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、慣性小、振動(dòng)低、噪聲小且響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[1]，在高精機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

電主軸尤其是高速電主軸的設(shè)計(jì)主要包括內(nèi)裝電機(jī)的選型、高速軸承、潤(rùn)滑冷卻及密封技術(shù)、刀具系統(tǒng)以及熱伸長(zhǎng)控制。其中影響主軸剛性的主要因素是軸承系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)，影響主軸轉(zhuǎn)速的因素是主軸軸承系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)。

1 主軸設(shè)計(jì)參數(shù)

主軸設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。主軸的設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)機(jī)床的加工材料、加工需求及機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式來(lái)確定。根據(jù)產(chǎn)品的臥式加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及刀具/倒庫(kù)的使用需求，確定刀具接口為BT50，安裝法蘭直徑為285mm。根據(jù)機(jī)床使用中的加工工況，等效計(jì)算主軸所需的功率扭矩等參數(shù)，確定點(diǎn)擊的功率及額定扭矩、額定轉(zhuǎn)速/最高轉(zhuǎn)速等參數(shù)，同時(shí)確定靜態(tài)拉刀力。

表1 主軸設(shè)計(jì)參數(shù)

2 內(nèi)裝電機(jī)選型

內(nèi)裝電機(jī)是高速電主軸的重要組成部分，是決定主軸性能的關(guān)鍵因素。內(nèi)裝電機(jī)包括定子及轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子以過(guò)盈連接的形式分別與主軸套筒和芯軸連接，傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩。內(nèi)裝電機(jī)按電機(jī)形式分為異步電機(jī)和同步電機(jī)。同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與定子磁場(chǎng)同步，功率密度大，體積小，電機(jī)轉(zhuǎn)速不受負(fù)載的影響，通過(guò)調(diào)節(jié)電源頻率就能進(jìn)行精確控制，應(yīng)用在機(jī)床加工領(lǐng)域，可以獲得更好的螺紋質(zhì)量及表面加工質(zhì)量。其缺點(diǎn)是電機(jī)弱磁范圍較窄，一般為3～4倍額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速比值較大時(shí)，同步電機(jī)電流也較大，電氣系統(tǒng)需要增加VPM單元，但也增加了電氣成本。

根據(jù)需求，電機(jī)選型可選擇同步或異步電機(jī)。同步電機(jī)功率密度大，同步性能好，成本高；異步電機(jī)成本低，恒功率范圍大。當(dāng)最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速比大于4時(shí)，同步電機(jī)電流較大，會(huì)提高電氣成本。因此恒功率范圍窄的可選同步電機(jī)，恒功率范圍大的可選異步電機(jī)。

電機(jī)的計(jì)算校核還需要考慮最高轉(zhuǎn)速。根據(jù)電機(jī)的功率扭矩曲線計(jì)算主軸加速時(shí)間，根據(jù)切削最大扭矩校核電機(jī)扭矩，根據(jù)切削金屬去除率校核電機(jī)功率。

該文采用FANUC異步電機(jī)，電機(jī)型號(hào)為BiI160LL/13000B，電機(jī)為雙速電機(jī)，其功率扭矩曲線如圖1所示。電機(jī)功率為15/25kW，額定轉(zhuǎn)速為460r/min，額定扭矩為305N·m，最高轉(zhuǎn)速為13000r/min，最大扭矩為623N·m，最大扭矩持續(xù)時(shí)間為2s。電機(jī)特性滿足設(shè)計(jì)需求。

圖1 電機(jī)功率扭矩圖

3 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 電主軸端部設(shè)計(jì)

主軸端部用來(lái)安裝刀具或夾持工件。主軸端部結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證刀具或工件定位準(zhǔn)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(guò)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(zhuǎn)離心力作用下，主軸會(huì)發(fā)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(guān)系如公式（1）所示。

可見(jiàn)，變形徑向間隙對(duì)加工精度的影響較大。

1∶10錐度常用于HSK高速刀柄，其特點(diǎn)是錐柄短、薄壁結(jié)構(gòu)，錐度配合過(guò)盈量小，端部和錐柄同時(shí)接觸，對(duì)主軸端部關(guān)鍵尺寸精度要求嚴(yán)格。高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，HSK刀柄產(chǎn)生的膨脹變形量可以在一定程度上彌補(bǔ)主軸的膨脹變形，使前、后段間隙量均勻[2]。該文主軸最高轉(zhuǎn)速為8000r/min，采用7∶24-BT50刀柄設(shè)計(jì)。

3.2 軸承支撐方式及剛度計(jì)算

軸承及其布置型式的選型是實(shí)現(xiàn)主軸高轉(zhuǎn)速和高精度的關(guān)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(dòng)空間，能抵消電主軸運(yùn)行過(guò)程中熱膨脹導(dǎo)致的熱伸長(zhǎng)。

主軸系統(tǒng)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(shù)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(jì)算是一個(gè)比較復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，該文不做詳細(xì)計(jì)算，可參考相關(guān)資料進(jìn)行學(xué)習(xí)。組合軸承的軸向和徑向剛度計(jì)算系數(shù)見(jiàn)表2、表3。

表2 組合軸承軸向剛度系數(shù)

表3 組合軸承徑向剛度系數(shù)

3.3 刀具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

刀具系統(tǒng)是主軸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。刀具系統(tǒng)包括松夾刀系統(tǒng)及卸刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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

式中：H為松刀行程。

對(duì)加工中心主軸來(lái)說(shuō)，松、夾刀時(shí)間會(huì)直接影響換刀時(shí)間，從而影響整機(jī)的加工效率與加工節(jié)拍，因此要計(jì)算油缸松刀時(shí)間。松刀時(shí)間t的計(jì)算如公式（3）所示。

式中：t為松、夾刀時(shí)間，s；V為松刀、夾刀油腔體積，L；δ為根據(jù)負(fù)載的修正系數(shù)0.59～0.82；Q為液壓系統(tǒng)流量，L/min。

上述為理想狀態(tài)下的理論時(shí)間。在實(shí)際使用過(guò)程中，受液壓管路及壓力波動(dòng)等的影響，實(shí)際松刀時(shí)間可能大于理論時(shí)間，在液壓管路設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少管路長(zhǎng)度。

3.4 潤(rùn)滑與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高速電主軸的潤(rùn)滑系統(tǒng)一般指軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)。軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量摩擦熱，導(dǎo)致溫度升高，從而引起熱變形，降低軸承的工作精度同時(shí)也改變了軸承的預(yù)緊，使主軸的剛度特性發(fā)生改變。軸承潤(rùn)滑分為脂潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑。通常用dmn值（軸承轉(zhuǎn)速乘以軸承內(nèi)徑）決定潤(rùn)滑的方式。脂潤(rùn)滑的特點(diǎn)是成本低，易維護(hù)，當(dāng)dmn值≤1×106時(shí)采用脂潤(rùn)滑；油氣潤(rùn)滑成本高，使用時(shí)還需要考慮油霧回收問(wèn)題，但其可以獲得更高轉(zhuǎn)速。一般dmn值≥1×106時(shí)采用油氣潤(rùn)滑。主軸常成組使用。成組使用時(shí)，由于軸承的尺寸差異及安裝因素，成組軸承并不能達(dá)到單個(gè)軸承的轉(zhuǎn)速，因此成組使用時(shí)需要考慮軸承配置系數(shù)（見(jiàn)表4）。

表4 軸承極限轉(zhuǎn)速系數(shù)

傳統(tǒng)機(jī)械主軸的熱源主要是軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量。電主軸內(nèi)置有主軸電機(jī)，與機(jī)械主軸相比，增加了內(nèi)置主電機(jī)熱量源。為降低軸承發(fā)熱，需要設(shè)計(jì)軸承座冷卻環(huán)對(duì)軸承進(jìn)行冷卻。對(duì)電機(jī)定子安裝軸套設(shè)計(jì)冷卻環(huán)并進(jìn)行電機(jī)冷卻。設(shè)定冷卻泵溫度時(shí)要注意不要將溫度設(shè)置過(guò)低，防止出現(xiàn)主軸冷凝現(xiàn)象，設(shè)定溫度一般為室溫+1℃。

為使主軸能夠被充分冷卻，需要進(jìn)行冷卻系統(tǒng)計(jì)算，主要包括冷卻功率、冷卻流量及冷卻口截面積等的計(jì)算。

電主軸的發(fā)熱源主要是內(nèi)裝電機(jī)。內(nèi)裝電機(jī)的發(fā)熱會(huì)因電機(jī)材料及制作工藝而有所區(qū)別，根據(jù)使用研究及測(cè)試，電機(jī)的發(fā)熱量可按如下比例進(jìn)行估算。同步電機(jī)，國(guó)外3%～5%，國(guó)內(nèi)5%～8%；異步電機(jī)，國(guó)外15～20%，國(guó)內(nèi)20～30%；伺服電機(jī)，國(guó)外10～15%，國(guó)內(nèi)15～20%；制冷功率可根據(jù)電機(jī)功率乘以上述比率進(jìn)行計(jì)算。

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

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

其中，對(duì)于冷卻介質(zhì)的比熱容C，水取4.18kJ/kg·K，油取1.9674kJ/kg·K。實(shí)際的溫升受電機(jī)質(zhì)量、安裝質(zhì)量及工況的影響，很難計(jì)算出確定數(shù)值，可以根據(jù)不同介質(zhì)進(jìn)行估算。冷卻介質(zhì)為水時(shí)，溫升取5℃，冷卻介質(zhì)為油時(shí)，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(jì)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(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取。壓力水管一般設(shè)計(jì)流速為0.5m/s～3m/s（水壓≤1000kPa），推薦取值2m/s；負(fù)壓水管（吸程）一般設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)流速為3m/s～8m/s（黏度≤40Cst），推薦值4m/s；負(fù)壓油管（吸程）一般設(shè)計(jì)流速為0.5m/s～1m/s，推薦值0.8m/s。

綜上所述，主軸設(shè)計(jì)中的潤(rùn)滑和冷卻需求包括選擇軸承潤(rùn)滑方式、計(jì)算主軸發(fā)熱量、合理選擇冷卻功率及流量并根據(jù)冷卻截面積設(shè)計(jì)合適的冷卻結(jié)構(gòu)。

4 主軸動(dòng)平衡技術(shù)

高速電主軸對(duì)不平衡控制的要求比通常轉(zhuǎn)子更嚴(yán)格，微小的不平衡都會(huì)導(dǎo)致主軸回轉(zhuǎn)精度嚴(yán)重喪失甚至軸承支撐系統(tǒng)嚴(yán)重失穩(wěn)[5]。進(jìn)行電主軸設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及安裝工藝，在裝配過(guò)程中多次從低速到高速逐步進(jìn)行主軸動(dòng)平衡調(diào)整，以達(dá)到主軸所需的動(dòng)平衡等級(jí)，還要充分考慮動(dòng)平衡位置，通過(guò)增重或減重，盡量保證前端和后端2個(gè)校正面的動(dòng)平衡效果。

目前的主軸在線動(dòng)平衡技術(shù)研究廣泛，電主軸通過(guò)綜合狀態(tài)測(cè)控系統(tǒng)，監(jiān)控主軸振動(dòng)、軸承溫度、旋轉(zhuǎn)速度和主軸負(fù)載等關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)電主軸動(dòng)平衡模型進(jìn)行分析診斷，識(shí)別和監(jiān)控主軸不平衡部位、不平衡量，從而減少主軸故障，并及時(shí)有效地采取維修措施。

5 主軸熱裝工藝設(shè)計(jì)

為消除傳動(dòng)間隙對(duì)主軸運(yùn)行的影響，電主軸定、轉(zhuǎn)子常常通過(guò)熱裝的方式連接冷卻水套、芯軸。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸存在過(guò)盈時(shí)，會(huì)配合表面產(chǎn)生正壓力，使電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)、外徑擴(kuò)張。電機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸過(guò)盈量的大小不僅與配合面的傳動(dòng)能力密切相關(guān)，還受電主軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，主要是高速狀態(tài)下離心力對(duì)配合面的影響[6]。

過(guò)盈量計(jì)算分為靜態(tài)過(guò)盈量和動(dòng)態(tài)過(guò)盈量設(shè)計(jì)。靜態(tài)過(guò)盈量考慮最大扭矩的傳遞能力，動(dòng)態(tài)過(guò)盈量考慮最大功率的傳遞能力。滿足扭矩和功率的同時(shí)，計(jì)算主軸轉(zhuǎn)子襯套的許用應(yīng)力是否滿足要求。計(jì)算公式在此不贅述，可參考文獻(xiàn)[6]中的論述。

6 結(jié)語(yǔ)

高速電主軸是一款對(duì)設(shè)計(jì)、工藝、裝配等要求較高的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)多且設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)多。該文主要設(shè)計(jì)了一款臥式加工中心用電主軸，從設(shè)計(jì)參數(shù)出發(fā)介紹主軸電機(jī)的形式，從同步電機(jī)和異步電機(jī)的產(chǎn)品特性出發(fā)介紹主軸電機(jī)選擇依據(jù)。還詳細(xì)介紹了電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各環(huán)節(jié)。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(diǎn)。其次介紹主軸最重要的支撐環(huán)節(jié)，軸承的選型設(shè)計(jì)。再次介紹主軸刀具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從次介紹主軸潤(rùn)滑及冷卻計(jì)算，以保證主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中溫升可控。最后從工藝方面介紹了主軸動(dòng)平衡和主軸熱裝工藝的要點(diǎn)。希望能通過(guò)高速電主軸設(shè)計(jì)的全方位介紹，為電主軸設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。