何强^1，2　李安玲²　郭龙斌¹　张鹏伟¹　李丽丽^1，2　张国烨^1，2

（1.安阳工学院高速精密机床协同创新中心，河南安阳　455000；2.安阳工学院机床关键功能部件重点实验室；河南安阳　455000）

　　摘　要：针对某型号的电机后置式电主轴加工精度低、振动大、温升高等缺点，对后置式电主轴进行了优化设计，在主轴末端增设一个小尺寸轴承，对改进前、后的电机后置式电主轴进行振动特性的比较分析。结果表明，在末端增设一个小尺寸轴承后，电机后置式电主轴振动值变小，运转精度提高，径向跳动和轴向窜动明显减小。

　　关键词：电机后置式电主轴；结构优化；轴承；高精度

　　随着社会的发展以及科学技术的不断进步，高速数控机床作为装备制造业的战略性产业，是装备制造业的技术基础和主要发展方向。电主轴作为高速数控机床的核心部件，其性能在很大程度上决定了高速数控机床所能达到的Z大转速和加工精度^[1]。而电机后置式电主轴由于其结构特点，电主轴内装电机所散发的热量对电主轴输出端的热影响很小，对保持电主轴输出端良好的精度、改善输出端轴承的工况条件和延长寿命有利；同时，由于内装电机的后置，使电主轴靠近输出端的前端部分的直径更小，可满足深孔磨、深腔铣等特殊工件的加工需要^[2][5][6]，所以，近年来电机后置式电主轴在磨、铣方面的高速数控机床中得到广泛应用。但是，由于电机后置式电主轴的特殊结构，其振动问题会直接影响数控机床的加工精度，甚至损坏主轴。针对某型号磨床用电机后置式电主轴，由于出厂测试中主轴径向跳动值、轴向窜动值和振动值过大，加工精度一直达不到出厂要求，需对其进行结构优化，以减小径向跳动值、轴向窜动值和振动值，提高加工精度，使其达到设计要求^[3][7]。

　　1　电机后置式电主轴的结构

　　电机后置式电主轴主要用于磨削机床，主电机置于主轴后轴承之后，即主轴箱和主电机作轴向的同轴布置，电主轴转速为6000r/min，前轴承为3套NSK-7206角接触轴承，预压负荷为122N；后轴承为2套NSK-7209角接触轴承，预压负荷为225N；轴承采用油脂润滑，油脂填充量前轴承为2.25mL/套，后轴承为1.75mL/套；对电机的冷却方式为水冷。图1是优化前结构简图，图2是优化前轴系三维图。

　　2　电机后置式电主轴振动原因分析

　　2.1电主轴振动原因综述

　　影响电主轴振动的因素主要有3项：电主轴的谐振现象、电主轴的电磁振荡、电主轴的机械振动。对电主轴的谐振现象，可通过分析电主轴的振型找出主轴的谐振频率区，避免电主轴的转速范围进入它的谐振区；对电主轴的电磁振荡，通过合理加工工艺和方法，制造出优良的电主轴定子和转子，从而减小电主轴电动机的电磁振荡；对电主轴的机械振动，情况多而复杂，本文对电主轴机械振动原因进行特别分析。

　　电主轴机械振动原因很多：主轴轴颈的同心度、锥度以及圆度；轴承本身的精度以及轴承之间的同轴度误差；主轴壳体前后轴承孔的同心度、锥度和圆度；主轴挠度等。这些主轴结构常见的问题都会对主轴径向回转精度产生影响，并且由于加工方式的不同对主轴径向回转精度的影响也不同。因此，对电机后置式电主轴这种特殊结构要进行分析，找出引起振动的特有原因，才能有效改进结构，更大程度地减小机械振动。

　　2.2机械振动特有原因分析

　　由于电主轴电机的转子和定子之间存在微小的间隙，所以电机转子的重力将成为主轴的一个径向力，主轴的刚度很大，而电机转子的重力值很小，引起主轴的形变值很小。但是当主轴高速旋转时，由转子重力所产生的离心力很大，将使主轴产生一定的形变。由于电主轴的特殊结构，其中安装电机部分的主轴悬置，只有一侧有轴承支撑，使离心力产生的形变加大。

　　下面对由于离心力产生的挠度进行计算分析^[4]，将图1优化前的主轴进行简化，其简图为外伸梁，如图3所示，其中F为离心力。BC段为悬臂梁，如图4所示，其中w1为在离心力F作用下的挠度：

　　式中：l₁为BC段距离；E为主轴的弹性模量；I为主轴的惯性矩；m为电机转子质量；ω为主轴工作时的角速度；r为电机转子同轴度的1/2。

　　挠度w1造成质量偏心，从而在主轴高速旋转时影响主轴动平衡，造成主轴径向跳动，在磨床中径向跳动属于误差敏感方向，在此方向上原始误差对加工误差的影响Z大，会严重影响加工精度。

　　3　结构优化

　　要减小电主轴这种特殊的结构形式引起的振动，必须减小在离心力F₁作用下的挠度，应该使安装电机的主轴部分两侧都有轴承支撑，可在此主轴后端增加轴承。由于增加的这个轴承距离受力点较远，几乎不承担刀具磨削时的径向力和轴向力，所以此轴承选取一个小尺寸轴承NSK-6206深沟球轴承即可。图5为优化后的结构简图，图6是优化后轴系三维图。

　　下面对优化后的电主轴由于离心力产生的挠度进行计算分析，将图5中优化后主轴进行简化，其计算简图为简支梁，如图7所示，w2为离心力F作用下简支梁的挠度：

　　式中：l₂为BD段距离，且l₂=2l₁。

　　得：

　　可见，此种结构在离心力F作用下的挠度值减小一半，从而也减小了质量偏心，所以在主轴高速旋转时振动减小，提高了加工精度。

　　4　优化前后测试对比

　　分别对优化前、后的电主轴进行多组数据测试。测试方法：将主轴固定在测试台上；杠杆千分表夹持杆安装在所需位置并旋紧，测量头放在检测位置；振动传感器固定在前轴承外壳处；温度传感器分别固定在前、后轴承处，噪声测量仪放在指定位置。调节变频器转速旋钮，使主轴转速达到1500r/min，此时对测试主轴进行试验前的跑合运转，当跑合运转结束后，设定变频控制系统使转速每隔20min自动提高一次，每次提高1500r/min，达到6000r/min时转速停止提高，在此转速下运转5h后停机；测试过程由计算机控制并显示转速、轴承温升、振动、试验时间，读出杠杆千分表和噪声测量仪上的示数。得到优化前、后的多组对比数据，见表1。

表1 优化前后数据对比

　　通过对表1数据的对比可看出，电主轴优化后在振动、温升、噪声方面都远好于优化前的结构，并且各项参数都达到了其出厂标准，提高了加工精度。

　　5　结束语

　　针对电主轴振动大的问题，提出了一种结构优化方案，在主轴末端增设一个小尺寸轴承，此方案有效减小了电主轴的振动，并且降低了轴承的Z大温升和噪声，大大提高了其对工件的加工精度。