电主轴资料整理

金属切削机床
电主轴资料总结报告
2016.5
目录
一、电主轴简介 (3)
二、电主轴的性能 (3)
1.电主轴的静态特性 (3)
2.电主轴的动态特性 (4)
三、电主轴的润滑，冷却方式 (4)
1.液体冷却 (4)
2.空气强制冷却 (5)
四、电主轴的振动问题 (5)
五、电主轴的支撑方式 (6)
六、参考文献 (6)
一、电主轴简介
电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。

高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动。

机床主轴由内装式电动机直接驱动，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，使主轴部件从机床的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”。

电主轴的主要特点如下：
(1)电主轴系统减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿轮传动误差。

(2)减少了主轴的振动，减小了噪声，提高了主轴的回转精度。

(3)用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调速范围宽，功率一扭矩特
性好。

(4)机械结构简单，转动惯量小，快速响应性好，能实现很高的速度和加速
度及定角度的快速准停。

二、电主轴的性能
1.电主轴的静态特性
电主轴的静刚度简称主轴刚度，是机床主轴系统重要的性能指标，它反映主轴单元抵抗静态外载荷的能力，与负荷能力及抗振性密切相关。

主轴单元的弯曲刚度足，定义为使主轴前端产生单位径向位移d时，在位移方向所需施加的力f，轴单元的轴向刚度，定义为使主轴轴向产生单位位移时，在轴向所需施加的力。

一般情况，弯曲刚度远比轴向刚度重要，是衡量主轴单元刚度的重要指标，通常用来代指主轴的刚度。

它与主轴单元的悬伸量、跨距、几何尺寸、主轴材料的物理性能及轴承刚度有关。

2.电主轴的动态特性
机床的主轴一轴承系统的动态特性在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。

当切削过程中出现较大的振动时，会使刀具出现剧烈的磨耗或破损，也会增加主轴轴承和机床导轨承受的动态载荷，从而降低其寿命和精度保持性。

当主轴组件选用滚动轴承作主轴轴承时，其动态特性的优劣将反映在下列四方面的工作性能上：
1)由于其抗振能力不足而产生切削自激振动(颤振)。

2)由于制造和装配误差引起的受迫振动，以及由于非均衡切削所激励的受迫振动。

3)由振动激发的固体声通过空气介质的传递而形成的噪声。

4)在起动和制动的过渡过程中出现运动不平稳和动载荷剧增的现象。

根据对机床出现上述前两种振动问题的统计分析，其中受迫振动约占60％，自激振动约占40％。

受迫振动大多由主轴组件(包括装于其上的夹具、附件和刀具)、主传动系统、电机以及液压系统等产生的周期性干扰运动和波动的切削载荷所引起的，高速机床产生受迫振动则往往是由于主轴组件的原因所引起。

三、电主轴的润滑，冷却方式
润滑方式的选择与轴承的转速、负荷、许用温升及轴承类型有关，高速电主轴轴承的润滑方式有脂润滑和油润滑等方式。

润滑脂粘度大，散热能力较差，且温度升高时，其寿命会迅速降低，所以脂润滑很少应用于超高速运转的电主轴轴承，通常电主轴轴承采用油润滑方式，具有润滑充分、散热较好、易于形成油膜等特点。

常用的油润滑方式有油气润滑、油雾润滑、环下润滑、喷射润滑等。

对于电主轴的整体冷却，通常有液体冷却和空气强制冷却两种方式
1.液体冷却
液体冷却是指根据电主轴需要的冷却强度，在外围配备相应的冷却机（水冷
机或者油冷机），通过调节冷却机输出的流量和压力来控制主轴的温升，而冷却机的选用应根据电主轴在最高转速和额定转速工况下所需要的冷却能力来确定。

这种冷却方式的优点是设计简单可靠，冷却效果较为明显，缺点是对轴芯的冷却效果较差，冷却机成本较高。

2.空气强制冷却
空气强制冷却具有无污染特性，随着恒温车间的日渐广泛，也得到越来越多的应用。

空气强制冷却的原理是：在电主轴外壳和电机定子之间设置一个强制对流通道，线圈产加工中心电主轴结构设计及性能分析生的热量通过热传导进入到强制对流区，经过强制冷却气流的热交换，把热量带到周围的空气中，从而实现电主轴的恒温工作。

空气强制冷却其实是热传导和对流共同作用的结果，因此，在采用这一冷却方式时，要有针对性的对电主轴进行设计，电机定子线圈和外壳尽量采用热传导作用效果好的材料，同时应在保证电主轴整体刚度的情况下，要尽量减少主轴箱体的加强筋，减少锐角空间，保证气流的畅通。

四、电主轴的振动问题
振动剧烈则切削将无法正常进行，因而不得不降低切削用量，致使机床的切削功率不能得到正常发挥，从而降低机床的切削效率和金属切除率。

在大多数场合下，主轴一轴承系统是主要的动态薄弱环节，也是构成自激振动的主导部件。

结构的动力特性是指它抵抗受迫及自激振动的能力。

由于机床工作时既不可避免地要产生受迫振动，又有可能产生自激振动，因此所设计的主轴部件应该对这两类性质不同的振动都具有良好的抵抗能力，以满足预定的加工精度和生产率的要求。

对于高速机床，一方面由于激振力的幅值和频率随转速提高成比例的增加，而加工精度的要求提高，所允许的幅值又减小，使受迫振动的问题逐渐突出；另一方面，切削用量较小，对抵抗切削白振能力的要求又有所降低，因此在设计和评价高速机床的主轴部件时，切削自振和受迫振动都应该加以考虑。

在高速加过
程中，当切削过程出现较大的振动时，会使刀具出现剧烈的磨损或破损，也会增加主轴轴承所承受的动载荷，降低轴承的精度和寿命，影响加工精度和表面质量。

任何一个实际结构，理论上都是一个无限多自由度的系统，故其动态响应具有多个明显的共振峰，每个共振峰主要由某个模态振型所决定，不同的振动型态对工件与刀具间相对位移的影响不同，需改进的薄弱环节不同，所采取的措施也不同。

电主轴由于转子是一个集中质量，将使固有频率下降，有可能发生共振。

因此，识别和确定电主轴单元系统的振型和固有频率，是评价其动态性能的一项重要指标。

五、电主轴的支撑方式
在超高速电主轴中，作为支承的角接触球轴承(称为主轴轴承)，其速度因数D胡值(轴承中径D。

与轴承转速n的乘积)多数超过2．0 km·r／min，有的甚至接近3．0 km·min。

因此，要求电主轴轴承具有良好的超高速性能，并且随着对超高速电主轴增加输出功率和提高转速的日益追求，需要主轴轴承的动态支承刚度越来越大。

然而，在超高速运行过程中，由于球滚动体离心力等惯性效应的作用，主轴轴承内部的动态载荷、动态变形等动力学状态参数以及轴承对转子支承的动态刚度等性能参数，较低速和一般高速情况都发生了显著的变化，因此影响着轴承的超高速性能以及相应的轴承，制约着电主轴工作转速的提高和运行过程中的动态稳定性。

六、参考文献
[1]王永宾. 电主轴综合性能测试与评价系统的研究[D]. 北京工业大学,2013
[2]徐军伟.高速机床磨削电主轴的结构设计及性能分析[D].太原理工大学,2015.
[3]秦军军. 加工中心电主轴结构设计及性能分析[D].西华大学,2012.
[4]刘艳华.高速轴系支撑刚度的计算分析与研究.合肥工业大学,2005.。