浅谈机床高速电主轴装配技术的研究与应用

龚玉明

摘要：高速电主轴是机床所有零部件中最为重要的组件之一，在整个机床的设计制造过程中，高速电主轴的设计方案以及加工精度，直接影响着整个机床的加工精度，所以高速电主轴的质量直接反映着机床的质量。本文对机床高速电主轴进行了综合的阐述，对高速电主轴的性能优点进行分析，对高速电主轴的结构特点及其装配要求进行了详细描述。

关键词：高速电主轴；加工精度；装配要求

前言

科技的发展同时带动了机械行业的快速发展，机床技术也在不断地更新换代，机床切削技术变得更加高速化和超高速化，并且机床变得更加稳定，加工速度更快，加工精度更高，加工工艺更加合理智能化。越来越多的非标准件设计人员对零部件的加工精度要求不断升高，且对加工时间也有较高要求，所以机械加工产业对高速数控机床的需求量也越来越大【1】。高速数控机床的高速主要来源于机床的高速主轴，最为常见的高速数控机床都是通过内置电主轴直驱单元对高速电主轴进行驱动的。所以一台高精度、高效率、高稳定性的数控机床最为关键的核心部分就是其高速电主轴的加工制造及使用。

一、高速电主轴功能特点

高速电主轴的出现带动了机床产业的迅速发展，高速电主轴是通过将机床的电机与主轴进行有效的结合的一种新的主轴设计技术。高速数控机床的高速电主轴传动系统已经逐渐的取代了传统的齿轮传动和带传动方式。其最大传动特点是传动链长度为零，主要由内装式电动机直接驱动，省去了传统的带传动和齿轮传动的传动方式，且传统传动方式的各级传动机构都会存在传动误差，而零传动的高速电主轴传动方式则减少了传动误差，这也是其具有较高加工进度的主要原因之一。在省去了中间传动系统的高速电主轴传动方式占有空间也得到了大大的缩小，同时没有了齿轮传动和带传动，其传动噪音以及振动也得到了很大的改善，并且高速电主轴传动也避开了外力的冲击，从而大大增加了机床主轴使用寿命。

电主轴的传动方式能够更好的实现机床主轴高速化，传动精度更高，稳定性更好，可以很好的实现数控机床的高速高速切削以及高精度加工等要求。高速主轴通过内装电机的闭环矢量控制和伺服控制方式，使机床可以实现大扭矩的低速粗加工和大功率加工，同时可以保证停机时能够精准停车。利用交流变频技术，使机床高速电主轴可以实现无级变速，提升了机床对各种加工条件及加工要求的适应能力。

二、数控机床内置电主单元结构

数控机床电主轴系统主要结构为定子冷压在机床床头箱里，而转子热装在主轴上，电主轴的前后轴承安装在前后端盖上，冷却方式为前后水套冷却，主轴上装有液冷感应电机，由此构成一个完整的电机系统称为主轴单元。主轴单元的转子以热配合的方式连接到主轴，并且定子压配合到冷却壳体中并直接装载到主轴壳体中。冷却介质通过定子外壳上的螺旋形导线将高速运转产生的热量几乎全部带走【2】。它主要包括电主轴本身和润滑装置，高频逆变装置，内置编码器和冷却装置【3】。

电主轴的布局根据主轴与主电机的位置的不同有两种方式：主电机可以安装在主轴的前轴承与后轴承之间，这种安装方式可以缩短主轴单元轴向尺寸，且可以提高装置的刚度，可输出较大的力。还可以将主电机装在主轴的后轴承的同轴位置，此安装方式可以有效的减小电主轴前端径向尺寸，电机可以得到很好的散热。这两种安装方式都可以有效的提高空间利用率，结构的不必要的功率损耗小，可以大大的提高主轴的切削速度以满足跟高的切削要求。

三、高速电主轴装配的技术关键点

电主轴虽然具有诸多优点，但其结构的设计非常的复杂，对电机的性能有较高的要求，轴承的选择也有其特殊的要求，并且电主轴需要有良好的减振系统，电主轴的工作过程中会产生大量的热，所以需要设有冷却系统来为电主轴散热【4】。电主轴的装配过程需要注意控制合理的主轴预紧力，轴承的温度不能过高，主轴动平衡需要保证，转子和定子的热装需要符合装配条件。机床工作时电主轴的定子和轴承都会由于其高速的转动而产生大量的热量，而由于电主轴的结构和其装配条件的限制使得产生的热量不能很好的得到散出，所以需要设计单独的冷却散热系统为其提供散热功能。由于主轴的转速非常高，所以主轴系统很容易产生振动和噪声，使主轴系统的平稳运行受到影响，所以在主轴的设计装配过程中应充分考虑到减振的设计。

四、主轴装配工艺设计

主轴系统的动平衡校核：高速数控机床对主轴的装配有很高的要求，装配精度直接影响着数控机床的加工精度，控制装配精度第一步要进行各部件的动平衡校核。动平衡机是主轴动平衡校核的常用校核方式。本文选用的动平衡机可以通过显示屏对相关数据进行显示，测量精度为mg级。数控机床对主轴的动态平衡要求在1g以下，通过对主轴进行动静平衡试验，可以对不平衡量进行直接的消去。主轴去重点的确定，前点在甩油槽的最大外圆径向位置的附近，后点则在主轴后端面的轴向位置。需要进行多次试验来保证主轴的动平衡达到一个稳定准确的标准。

主轴的圆柱度校验：在对主轴的圆柱度进行校验时，可以用圆跳动来取代主轴圆柱度。使用双“V”结构将轴承的安装位置进行支撑的方式来对圆柱度进行检测。本文使用大表盘千分指示器来对主轴圆柱度进行测量，指示器的使用需要与支架的支撑面垂直，对主轴完成轴向定位然后使其转动，主轴的圆度凹点需要进行多次测量来精准确定并标记。使用双“V”结构支撑主轴，指示器需要与检棒表面形成垂直，转动主轴，反复多次测试主轴锥孔凹点并标记。

轴承装配方法：主轴前轴承内圈跳动的高点与前轴承出的凹点相对应，将轴承滚道的圆度达到一定标准，直接影响着主轴前端旋转精度。主轴后轴承内圈跳动的高点与前端锥孔的凹点相对应，使主轴锥孔的径向跳动误差尽可能的小。

五、电主轴的装配工艺

（1）隔套结构的设计与工艺优化

为了确保内孔的精度，主轴和内隔套的配合长度缩短到2mm。该结构主要利用隔套的弹性变形性能，补充了圆柱面的定位缺陷，实现了主轴的端面和圆柱面的双重定位。轴承的外间隔件的设计也类似于内间隔件的设计。为了实现轴承的均匀预载，轴承间隔件的内端面和外端面的平面度和平行度达到该工艺所需的0.03mm。我们在原有加工工艺的基础上进行了改进，并设计了一种新的加工工艺，即磨削加工，使轴承垫片的加工精度满足轴承装配精度的要求。

（2）主轴的装配工艺

主轴通过定向装配方法进行补偿，装配过程是热装的。首先，通过电磁加热器加热轴承等部件，加热时间为1分钟，温度约为75℃。首先安装吊环和主轴端面，吊起主轴组件并将其垂直插入头箱的孔中，然后安装前法兰，然后将头箱平放，并执行后法兰的安装。安装基本组件后，仅预先拧紧轴承。请注意，预紧力是根据主轴要求的精度进行的。同时，在前后调整主轴，然后进行主轴的热检查，并重复调整，直到各种精度满足要求。

六、总结

本文通过对电主轴装配工艺的研究分析，对电主轴的功能结构特点以及装配工艺技术等有了进一步的了解。如今数控机床行业相关技术发展迅猛，对电主轴的各项技术要求更加严格苛刻，这就要求电主轴的相关研究设计人员设计制造出可靠性更高、精度更高、转速更快，并且更加智能化的高速电主轴。

参考文献：

[1]申林,张广为.机床高速电主轴装配技术的研究与应用[J].科技与企业,2014(04):261.

[2]刘鹏,尚德升.机床高速电主轴装配技术的研究与应用[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2011(07):246.

[3]徐金方，龙晓林.高速切削加工中电主轴的运用[J].设备管理与维修，2004(1):34.

[4]吴玉厚.数控机床电主轴单元技术[M].北京机械工业出版社,2011．