大功率高速电主轴结构的创新设计

２００９年第９期?工艺与装备?文章编号：１００１—２２６５（２００９）０９—００８１—０３

大功率高速电主轴结构的创新设计

应一帜

（台州职业技术学院，浙江台州３１８０００）

摘要：介绍了作者单位研制的一种高速大功率电主轴的结构。其中的创新点有铬锰弹簧钢转子内套的注油孔和环形内槽，方便了机床主轴和电动机转子的拆卸。另外在后轴档的轴承支承座外圈加一滚套的设计，解决了因主轴热变形导致的轴承预紧力过大的问题。

关键词：电主轴；结构设计；环形内槽；滚套

中图分类号：ＴＨｌ６：ＴＧ６５文献标识码：Ａ

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ＹＩＮＧＹｉ．ｚｈｉ

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０引言１电主轴总体布局形式

随着高速加工技术的普及，越来越多的机械装备都在不断地向高速、高精、高效、高智化发展，内装式电主轴单元已成为最适宜上述高性能工况的数控机床核心功能部件之一。现在电主轴已成为实现主轴高速的唯一结构形式，其应用越来越广泛，其内部结构也成为研究的重点和难点。

根据内置电机和主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴有两种结构布局形式：

（１）内置电机置于主轴前、后轴承之间…。其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度高，出力大，较适用于中、大型高速加工中心，目前大多数电主轴都采用这种结构布局旧ｏ。

（２）电机置于主轴后轴承之后，如图１所示，即主

１．液压缸２．拉杆３．电机４．后主轴轴承５．碟形弹簧６．主轴７．前主轴轴承９．刀具夹套

图１电机位于主轴后轴承之后的电主轴

收稿１３期：２００９—０４—１６

作者简介：应一帜（１９７４一）。男，浙江台州人，南京理Ｔ大学工学硕士，讲师，研究方向为机械制造及自动化，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｙｉｎｇｙｉｚｈｉ＠１６３．ｃｏｒｎ。

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轴套筒和电机轴向布置（有的用联轴节）。这种布局方式有利于减少主轴前端的径向尺寸，电动机的散热条件也较好¨】。但整个主轴单元的轴向尺寸较大，常用于小型高速数控机床，尤其适合加丁模具型腔的高速精密加工中心＂。。

２电主轴结构方案

我单位在研制大功率电主轴ＧＳ５０９０时，考虑到所研制的大功率电主轴是用于大型数控镗铣床上，电主轴的前端轴向尺寸不受限制；另外，该电主轴要求大功率、高扭矩。故电主轴的结构形式采用了电动机置于主轴前、后轴承之间的结构形式。

电主轴ＧＳ５０９０的具体结构如图２所示。主轴（件１）由前后两组滚珠轴承（件８、１０）来支承；电动机的转子（件３）用压配合的方法安装在机床主轴（件Ｉ）上，处于前后轴承（件８、１０）之间，由压配合产生的摩擦力来实现大转矩的传递；由于转子（件３）内孔与主轴（件１）配合面之间有很大的过盈量，因此，在装配时必须在油浴中将转子加热到２０００Ｃ左右，迅速进行热压装配。设计这种过盈联接装置时，还必须考虑其拆卸的方便，如图２所示，安装硅钢片的转子内套（件２）用铬锰弹簧钢制造，且其壁厚较小，故有较好的弹性，当需要把转子从主轴上拆卸下来时（为了更换已磨损的前轴承），可用手提式高压泵将油从转子内套左端的小孔ａ１压入，高压油进入内套的环形内槽ｃ后，即可将内套（件２）的内径胀大，这样就可把转子顺利地从主轴上拆卸下来。为了保持主轴结构的平衡性，转子内套七对称地加工了另一个小孑Ｌａ２。当从小孔ａｌ加压力油时，可用螺塞把小孑Ｌａ２堵住。电动机的定子（件４）通过一个冷却套（件５）固定在电主轴的壳体（件６）中，定子（件４）与冷却套（件５）、冷却套（件５）与电主轴的壳体（件６）之间均采用过盈配合进行连接。电动机的转轴就是机床的主轴（件１），电主轴的壳体（件６）就是电动机座。这样就构成了一种新型的主轴系统。在主轴的后部安装有齿盘（件１３），作为电感式编码器，以实现电动机转子的全闭环控制。主轴前端外伸部分的内锥孔和端面，用于安装和固定可换的刀柄。

图２中的滚套（件１５）是我单位开发的电主轴ＧＳ５０９０所特有的，在开始设计制造时，其结构如图３所示：电主轴的后轴承支承座外是没有滚套的，其与外支座的配合为Ｈ６／ｈ５。在对主轴进行的转速测试中发现当主轴转速达到１５００ｒ／ｍｉｎ时主轴轴承就异常发热，通过对主轴结构（见图３）进行分析时发现，虽然在设计时己考虑到内装式电机的发热问题，对其进行水冷处理，同时也对前后档轴承座进行水冷处理，但是对内装式电机的转子发热引起的主轴延伸，主轴后档轴承座的热变形等问题考虑不足，从图２可以看出主轴前轴档的２只轴承己将主轴轴向固定，而在一般情况下，主轴的热变形引起的轴向伸缩是通过主轴后轴档２只轴承外圈与轴承座间的游隙来调整的，而此主轴固定了内装式电机的转子，转子在工作时的温度比环境温度要高出至少３００ｃ一４０。Ｃ，因此此主轴的轴向伸长要比一般主轴高得多，另外主轴后轴承座由水冷衡温冷却，轴承座孔径基本保持不变，如果水温低的话还会收缩，而主轴却由于受热膨胀，凶此轴承游隙消失，从图２可看出主轴前轴档的内轴承与主轴后轴档的内轴承形成面对面排列，当后轴档没有游隙的情况，主轴延

１．主轴２．转子内套３．转子４．定子５．水套６．壳体７．主轴平衡套８．前陶瓷球轴承９．ＨＳＫ刀具夹套ＪＯ．后陶瓷球轴承１１．弹簧１２．液压缸活塞１３．齿盘１４．编码器１５．滚套１６．轴承套

图２电主轴ＧＳ５０９０内部结构图

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伸就相当于给这２只轴承加预载，主轴延伸越大预载越大，有时甚至可以把主轴轴承顶死。针对此问题将后轴档结构改成图２结构，即在后轴档的轴承支承座外圈加一滚套，使之能通过轴向移动来补偿主轴的延伸，从而避免了轴承被顶死的现象。

图３电主轴Ｇ￥５０９０后支承结构示意图由图２可见，刀柄与机床主轴之问已改为１：１０的短锥配合，而且锥体与端面同时接触定位，提高了结合刚度；刀柄采用空心结构，减轻了刀柄重量，有利于提高换刀速度；取消了键连接，靠摩擦力传递转矩，取消了由于键连接引起的动平衡问题；刀柄与主轴间用扩张爪（件９）锁紧，转速越高，扩张爪（件９）的离心力越大，刀柄夹得越紧，从而使刀柄的工作可靠性大大提高。

３结束语

所设计的大功率电主轴ＧＳ５０９０，各项性能指标达到了预定目标，其中最高转速为：１５０００ｒ／ｍｉｎ一

２００００ｒ／ｍｉｎ，最大功率和扭矩为：３０ｋＷ和１９７Ｎ?ｒｎ。

应用该电主轴的机床已在用户使用了３年多时间，电主轴还在正常使用，即电主轴的寿命已超过６０００ｈ。目前，这种电主轴已实现小批量生产。当然其各项性能指标距世界先进水平还有一定的差距，有待改进提高。

［参考文献］

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［４］郭军，张伯霖，肖曙红，等．电机后置式电主轴热态特性的分析与研究［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２００４（１２）：

１８—２０．（编辑李秀敏）

（上接第８０页）

３结束语

提出一种由直线音圈电机直接驱动，采用新型弹性解耦机构的二自由度高速精密定位平台。借助有限元分析软件ＡＮＳＹＳ建立了该定位平台的有限元模型，深入研究了弹簧预紧力、电机驱动力及焊头焊接力作用下平台静态特性。得出如下结论：

（１）在弹簧预紧力作用下，定位平台会产生平动和转动，引起定位平面的位置误差，因此在根据弹簧刚度和预紧力匹配规律进行弹簧选型时，需要考虑到预紧力对系统定位精度的影响。

（２）两轴向电机驱动力共同作用下，对系统ｘ轴向的位置误差影响较大，而对系统Ｙ轴向和Ｚ轴向的位置精度影响不大。

（３）系统的整体结构设计具有有效地抗外界干扰能力，从而在系统安装上焊头后组成的封装设备能够很好的克服焊头焊接力对系统定位精度的影响。

［参考文献］

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（编辑李秀敏）

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大功率高速电主轴结构的创新设计

作者：应一帜， YING Yi-zhi

作者单位：台州职业技术学院,浙江,台州,318000

刊名：

组合机床与自动化加工技术

英文刊名：MODULAR MACHINE TOOL & AUTOMATIC MANUFACTURING TECHNIQUE

年，卷(期)：2009(9)

参考文献(4条)

1.郭军;张伯霖;肖曙红电机后置式电主轴热态特性的分析与研究[期刊论文]-组合机床与自动化加工技术2004(12)

2.张兴军;杨淑启;韩龙义高速精密电主轴的研制[期刊论文]-机电工程技术 2006(06)

3.栾景美;黄红武;熊万里超高速电主轴结构综述[期刊论文]-精密制造与自动化 2002(03)

4.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[期刊论文]-制造技术与机床 2001(07)本文链接：https://www.360docs.net/doc/315363173.html,/Periodical_zhjc200909022.aspx