何強^1，2　李（lǐ）安玲²　郭龍斌¹　張鵬偉¹　李（lǐ）麗麗^1，2　張國燁^1，2

（1.安陽工學院高速精（jīng）密機床協同創新中心，河南安陽　455000；2.安陽工學院機床關鍵功能部件重點實驗室；河（hé）南安陽　455000）

　　摘　要（yào）：針對某型號的電機（jī）後置式電主軸加工精度低、振動大、溫升（shēng）高等缺（quē）點，對後置式電主（zhǔ）軸（zhóu）進行了優化設計，在（zài）主軸末端增設一個小尺（chǐ）寸軸承，對改進前、後的電機後置式電主軸進行（háng）振動特性的比較（jiào）分析。結（jié）果表明，在末（mò）端增設一個小尺寸軸承後，電機後置式電主軸振動值變小（xiǎo），運轉精度提高，徑（jìng）向（xiàng）跳動（dòng）和軸向竄動明顯減小。

　　關鍵詞：電機後置式電主軸；結構優化；軸承；高精度

　　隨著社會的（de）發展以及（jí）科學技術的不斷進步，高速數控機床作為裝（zhuāng）備製造業的戰略性產業，是裝備製造業的技（jì）術基（jī）礎和主要發展方向（xiàng）。電主軸作為高速（sù）數控機床的核心部（bù）件，其性能在很大程度上決（jué）定了高速數控機床所能達（dá）到的Z大（dà）轉速和加工精度^[1]。而電機（jī）後置式電主軸由於其結構特點，電主軸內裝電機所散發的熱量對電主軸（zhóu）輸（shū）出端的熱影響很小，對保持（chí）電（diàn）主軸輸出端（duān）良好的精度、改善輸出端軸承（chéng）的工（gōng）況條件和延長壽命有利；同時，由於內裝電機的後（hòu）置，使電（diàn）主軸靠近輸出端的前端部分的直徑更小，可滿（mǎn）足深孔磨、深腔銑等特殊工件的（de）加工需要^[2][5][6]，所以，近年來電機（jī）後置式電主軸在磨、銑方麵的高速（sù）數控機床中得到廣泛應用。但是，由於電機後置式電主軸的特殊結構，其振動問題會直接影響數控機床的加工（gōng）精度，甚至損壞（huài）主軸（zhóu）。針對某型號磨床用電機後置式電主軸，由於出廠測試中主軸徑向跳動值、軸向竄動值和振動值（zhí）過大，加工精度（dù）一直達不到出廠要（yào）求，需對其進行結構優化，以減小徑向跳動（dòng）值、軸向竄動值和振動值，提（tí）高加工（gōng）精度，使其達到設計要求^[3][7]。

　　1　電機後置式電主軸的結構

　　電機後（hòu）置（zhì）式（shì）電主（zhǔ）軸主要用於（yú）磨削機床，主電機（jī）置於主軸後軸承之後，即（jí）主軸箱和（hé）主電機作軸向的同軸布置，電主（zhǔ）軸轉速為6000r/min，前軸承為3套NSK-7206角接觸軸承，預壓負荷為122N；後軸（zhóu）承為2套NSK-7209角接觸軸承，預壓（yā）負荷（hé）為225N；軸承采用油脂潤滑，油脂填充量前軸承為2.25mL/套，後軸承為1.75mL/套；對電（diàn）機的冷卻方式為水冷。圖1是優化前結構簡圖，圖（tú）2是優化前軸係三維圖。

　　2　電機後置式電主軸振動原因分析

　　2.1電主軸振動原因綜述

　　影響電主（zhǔ）軸振動的因素主要有3項：電主軸的諧振現象、電主軸的電磁（cí）振蕩、電（diàn）主軸的機械（xiè）振動。對電主軸的諧振現象，可（kě）通過分析電主軸的振型找出主軸的諧振頻率區，避免電主軸的轉速範圍進入它的（de）諧振（zhèn）區（qū）；對（duì）電主（zhǔ）軸的電磁振蕩，通過合（hé）理加工工藝和方法，製造出優良（liáng）的（de）電主軸定子和轉子，從而減小電（diàn）主軸電動機的電（diàn）磁振蕩；對電主（zhǔ）軸的（de）機（jī）械振動，情況多而複雜，本（běn）文對電主軸機械振動原因進行特別分析。

　　電（diàn）主軸機械振動原因很多：主軸軸頸的同心度、錐度以及圓度；軸承本身的精度以及軸承之（zhī）間的同軸度（dù）誤差；主軸殼體前後軸承孔（kǒng）的同（tóng）心度、錐（zhuī）度和圓度；主（zhǔ）軸撓度等（děng）。這些主軸結構常見（jiàn）的（de）問（wèn）題都會對主軸（zhóu）徑向回轉精度產生影響，並且由於加工方（fāng）式（shì）的不同（tóng）對主軸徑（jìng）向回轉精度的影響也不同。因（yīn）此，對電機後置式電主軸這種特殊結構要進行分析，找（zhǎo）出引起振動的特有原因，才能有效改進結構，更大程度（dù）地（dì）減小（xiǎo）機械（xiè）振動。

　　2.2機械振動特有原因（yīn）分析

　　由於電主軸電機的轉子和定子之間存在微小的間隙，所以電機轉子的重力將成為主軸的一個徑向力，主軸的剛（gāng）度很（hěn）大，而電（diàn）機轉子的重力值（zhí）很小，引起主軸的形變值很小。但是當主軸高速旋轉時，由轉子重（chóng）力所產生的（de）離（lí）心力很大，將使主軸產（chǎn）生一定的形變。由於電主軸的特（tè）殊結構，其中安（ān）裝（zhuāng）電機部分的主軸懸置，隻有一側有軸承支撐，使離心力產生的形變加（jiā）大（dà）。

　　下麵對由於離心（xīn）力產生的撓度進行計算分析^[4]，將圖（tú）1優（yōu）化前的主（zhǔ）軸進行簡化，其簡圖為外伸梁，如圖3所示，其中F為離心力。BC段為懸臂梁，如圖4所示，其（qí）中w1為在離心力F作用下（xià）的撓度：

　　式中：l₁為BC段距離；E為主軸的彈性模量；I為主軸的慣性矩；m為電機轉子質量（liàng）；ω為主軸工作時的角速度；r為（wéi）電機（jī）轉子同軸度的1/2。

　　撓度（dù）w1造成（chéng）質量偏心（xīn），從而在主軸高速旋轉時影響主軸動平衡，造（zào）成主軸徑向跳動（dòng），在磨床中徑向跳動屬於誤差敏感方向，在此（cǐ）方向上原始誤差對加工誤差的（de）影響Z大，會嚴重影響加工精度。

　　3　結構優化

　　要減（jiǎn）小電主軸這種特殊的結（jié）構形式引起的振動，必（bì）須減小在離心力F₁作用下的撓度，應該使安裝電機的主軸部分兩側都有軸承支撐，可在此主軸後端增加軸承。由於增加的這個軸承距（jù）離受力點較遠（yuǎn），幾乎不承擔刀具磨削時的徑向力和軸向力，所以此軸承選取一個小尺寸軸承（chéng）NSK-6206深溝球軸承（chéng）即可。圖5為優化後的結構簡圖，圖6是（shì）優化後軸係三（sān）維圖。

　　下麵對優化後的電主軸由（yóu）於離心（xīn）力產生的撓（náo）度進行計算分析，將圖（tú）5中優（yōu）化後主軸（zhóu）進行簡化，其計算簡圖為簡支梁，如圖7所示，w2為離心（xīn）力F作用（yòng）下簡支（zhī）梁（liáng）的撓度：

　　式中：l₂為BD段距離，且l₂=2l₁。

　　得：

　　可見，此種結構在離心力F作用下的撓度值減小一半，從而也減小了質（zhì）量（liàng）偏（piān）心，所以在主軸高速（sù）旋轉時振動減小，提高了加工精度。

　　4　優化前後測試對比

　　分別對優化前、後的電主（zhǔ）軸進行（háng）多組數據測試。測試方法：將主軸固定在測試台上；杠（gàng）杆千分表（biǎo）夾持杆安裝在所需位置並（bìng）旋緊，測量頭放在（zài）檢測位置；振動傳感器固定（dìng）在前軸承外殼處；溫度傳（chuán）感器分別固定（dìng）在前、後（hòu）軸承處，噪聲（shēng）測（cè）量儀放在指（zhǐ）定位置。調節變頻（pín）器轉速旋鈕，使主軸轉速達到1500r/min，此時對測試主軸（zhóu）進行試驗前的跑合運轉，當跑合運轉（zhuǎn）結束後，設定變頻控製係統使轉速每隔20min自動提高一次，每次提高1500r/min，達（dá）到6000r/min時轉速停止提（tí）高，在（zài）此（cǐ）轉速下運轉5h後停機；測試過程由計算機（jī）控製並顯示轉速、軸承溫升、振（zhèn）動、試驗（yàn）時間，讀出杠杆千（qiān）分表和（hé）噪聲（shēng）測（cè）量儀上的示（shì）數。得到優化前、後的（de）多組對比數據，見（jiàn）表（biǎo）1。

表1 優化前後數據對比

　　通過對表1數據的（de）對（duì）比可看出，電主軸優化後在振動、溫（wēn）升、噪（zào）聲方麵都遠好於優化前的結（jié）構（gòu），並且各項參數都（dōu）達到了其出廠標準，提高了（le）加工精度。

　　5　結束語

　　針對電主軸（zhóu）振（zhèn）動大的問題，提出了一種結構優化方案，在主軸（zhóu）末端增設一個小（xiǎo）尺寸軸承，此方（fāng）案有效減（jiǎn）小了電主軸的振動（dòng），並且（qiě）降（jiàng）低了軸（zhóu）承的Z大溫（wēn）升和噪聲，大大（dà）提高了其對工件的加工精度。