卧式加工中心电主轴轴承的关键技术研究

温得英

（青海大学 机械工程学院，青海 西宁810016）

随着数控机床向高速度和高精度的发展，对其起着关键作用的主轴部件在各项技术上也得到迅速发展并日趋完善，加工中心主传动的机械结构已在很大程度上得到了简化，基本取消了传统的带传动和齿轮传动。主轴由内装式电机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大、具有调速范围广、振动噪声小，而且便于控制，能实现准停、准速、准位等功能[1]。

本文主要设计卧式加工中心主轴系统，分析陶瓷球轴承在卧式加工中心主轴的上的应用技术，通过陶瓷球轴承在主轴上的应用使得主轴转速能够提高到15 000 r/min。

1 加工中心电主轴结构设计

根据主电动机与主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴单元主要有两种结构布局设计方式[2]：一种是主电机置于主轴前、后轴承之间；另一种是主电动机置于主轴后轴承之后。

本文设计的高速电主轴机构布局是主电机置于前后轴承之间，结构如图1所示。该电主轴的主轴部件由前后两套角接触陶瓷球轴承支承。前轴承固定，承受径向载荷和双向轴向载荷；后轴承在轴向浮动，可以有微量位移，以补偿主轴工作时的热伸长。前后轴承均采用定位式预紧，并用过盈套固定在主轴上。使用的无外壳主轴电机直接安装在主轴箱内，位于主轴前后轴承之间。电机转子用压装配合的方法，直接装在机床的主轴上，带冷却套的电机定子则安装在主轴单元的壳体中。这样，电机的转子就成为了机床的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座，实现了变频电机与机床主轴的一体化。

图1 高速电主轴结构简图

2 电主轴轴承的润滑及冷却

主轴轴承采用油—气润滑系统进行润滑和冷却，尽管高速电主轴的润滑系统对主轴轴承的摩擦发热有一定的冷却作用，但高速电主轴内置高频电机定子和转子的内阻，在电流的作用下会产生大量的热，这些热在主轴壳体内以传导、对流、辐射的形式相互传递，互相影响。所以，在高速电主轴设计时，专门针对高速电主轴轴承和定子绕组的散热问题，在轴承衬套上加工环槽，以实现水冷却[3]；在定子绕组外壳上设计循环螺旋冷却水套，并将该冷却水套延伸至前轴承外圈，保证轴承在高速旋转时，不会因轴承发热而失效。同时，为了增强散热效果，根据主轴的功率和转速情况，对冷却水套中的冷却介质分别选用水冷、油冷或油水热交换的方式，并通过改变冷却水套中冷却介质的流速和流量，起到增强主轴散热冷却效果的目的[4]，使电主轴在相对稳定的温度下工作，其结构原理如图2所示。

图2 高速电主轴循环冷却水套结构示意图

3 影响轴承运行刚度的因素

轴承的运行刚度是滚动体与内外圈滚道间的接触、转速、初始预紧载荷、热预紧力、弹流润滑油膜厚度等因素综合作用的结果（如图3）。如式（1），可以认为轴承运行刚度由赫兹接触刚度、热预紧刚度和油膜刚度串联而成,下面对其影响因素进行分析。

图3 轴承刚度计算流程图

式中，

KO为轴承运行刚度；

KC为赫兹接触刚度；

Kt为热预紧刚度；

Kf为油膜刚度[5]。

4 电主轴轴承的发热分析与计算

轴承的摩擦是内外套圈相对运动时，轴承内部各元件对该运动阻抗的总和。按阻抗的机理和产生部位的不同，可分为以下五类[6]：材料弹性滞后所引起的纯滚动摩擦，发生在套圈和滚动体接触区的微观差动滑动摩擦，宏观滑动摩擦，自旋滑动摩擦，润滑剂的摩擦损耗。

Palmgren通过试验研究给出了计算摩擦力矩的经验公式，根据Palmgren的理论，摩擦力矩M主要由空载时润滑油粘性所产生的摩擦力矩M0和与速度无关的载荷作用产生的摩擦力矩M1两部分组成。

Palmgren通过试验结果给出了空载时润滑油粘性产生的摩擦力矩M0的计算公式[7]：

式中，

dm为轴承平均直径，m；

f0为取决于轴承设计和润滑方式的系数，对于角接触球轴承油气润滑方式，f0=1；

n为轴承内圈旋转速度，rpm；

γ为运转温度下润滑剂的运动粘度，cSt（m2/s）。

Palmgren认为载荷引起的摩擦力矩M1，反映了弹性滞后和局部差动滑动的摩擦功耗，可按下式进行计算[4]：

式中，

f1为与轴承类型和所受负荷有关的系数，角接触球轴承f1=0.001；

dm为滚动轴承的平均直径。m；

P0为轴承的等效静载荷，N；

C0为轴承额定静载荷，N；

P1为决定摩擦力矩的当量载荷，N。

所以，滚动轴承的摩擦力矩为：

轴承的摩擦功率按下式计算：

式中，

n为轴承转速，rpm；

M为轴承摩擦力矩，N·m。

5 结束语

本文设计了电主轴单元的总体结构，分析了影响主轴轴承性能的各项因素，从而确定了轴承采用背靠背的配置方式来提高主轴的刚度，以及轴承座处设计了冷却槽，利用油—水热交换系统来对前轴承组进行强制冷却，为主轴性能的进一步提高打下了基础。

[1]吴玉厚.数控机床电主轴单元技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]张伯霖，夏红梅，黄晓明.高速电主轴设计制造中若干问题的探讨[J].制造技术与机床，2001(7)：12-14.

[3]左涛涛，李松生，毛华伟，等.基于油雾润滑的高速电主轴断油性能试验研究[J].润滑和密封，2008，33(10)：20-23.

[4]康辉民.高速电主轴静动态性能分析与实验检测技术[D].重庆:重庆大学机械工程学院，2010.

[5]杨佐卫，殷国富，尚 欣，等.基于轴承运行刚度分析的超高速磨削电主轴动态特性[J].四川大学学报，2009（6）：207.

[6]谭继锦，张代胜.汽车结构有限元分析[M].北京：清华大学出版社，2009.

[7]Sang Won Lee,Rhett Mayor,Jun Ni.Dynamic Analysis of a Mesoscale Machine Tool[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,Transactionsof the ASME，2006，128:194-203.