关于数控机床主轴结构的改进设计

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数控机床主轴部件的结构及其维护

作者：逄玲

来源：《职业·中旬》2011年第07期

一、数控机床主轴的主要部件

主轴部件是机床的重要部件之一，其精度、抗震性和热变性对加工质量都有直接影响，特别是数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。数控机床主轴部件在结构上要解决好主轴的支承、主轴内刀具的自动装夹、主轴的定向停止等问题。

1.主轴轴承配置的主要形式

（1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承60°角接触双列向心推力球轴承组合。后支承采用成对向心推力球轴承。

此配置可提高主轴的综合刚度，并可以满足切削力的要求。

（2）前轴承采用高精度双列向心力球轴承，向心推力球轴承具有良好的高速性，但它的承载能力小，只适于高速、轻载、精密的数控机床的主轴。

（3）双列和单列圆锥滚子轴承，这种轴承径向和轴向的刚度都很高，能承受重载荷，尤其是可承受较强的动载荷。安装、调整性能好，但主轴转速受到限制，主轴的精度也受到影响，所以只能用在中等精度、低速、重载的数控主轴上。

2.主轴内刀具的自动夹紧和切屑的清除装置

自动清除主轴承中的切屑和灰尘是换刀操作中的一个重要问题，因为有切屑会划伤主轴孔及刀柄表面，甚至刀杆偏斜，定位不准，零件加工不对。所以在换刀时，用压缩空气吹一下。

3.主轴准停装置

在换刀时，刀柄上的键槽要对准主轴的端面键。这就是准确定位功能。

由于主轴在固定的圆周位置上换刀，使得刀柄与主轴相对位置的一致性，同时也减小了被加工孔的尺寸的分散度。

主轴准停是当主轴要停车换刀时，发出降速信号，主轴箱自动改变传动路线，使主轴转换到最低速运转。

二、数控机床的维护维修 龙源期刊网

ｃｈｉｎａ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＲｅｖｉＢｗ　

数控机床电主轴设计中存在的问题及对策分析　

胡春明　（中国人民解放军６３９９３部队北京１０１１４９）　工业技术　●Ｉ　

［摘要］数控机床随着我国社会经济技术的发展而发展的，现如今的数控机床电主轴的出现是在不断的将数控机床的应用推向一个新的技术时代，但是数　控机床电主轴在发展的过程中也就不断的面对着这样那样的问题，文章就对于数控机床电主轴做一些简单的介绍，同时对于数控机床电主轴在设计过程中存在的　问题：电主轴的振动与散热两大主要问题以及目前设计的热点问题节能进行简单的讨论，并对其在设计中的对策进行简要分析。　［关键词］数控机床；电主轴；设计；问题；对策　中图分类号：ＴＧ３３３．２　文献标ｉｐ，￣－ｑ：Ａ　文章编号：１００９—９１４Ｘ（２０１３）３７—０００５—０１　

关于数控机床的发展已经进入了第六阶段，在前五个阶段的发展中数控机　床的革新主要是为了满足社会对于电子产品的需求，目前第六个阶段的发展已　经要逐渐实现资源的再利用，在面对这一时期的发展过程对于数控机床电主轴　的设计问题已经成为了关注的热点话题，在设计中存在的问题是实现设计突破　的出发点，因此研究其设计的问题以及解决的对策成为了人们面对的焦点。　一．箱式电主轴的简介　箱式电主轴主要包括两个方面，一是电机，二是主轴。这两个方面的很好的　将主电机与机床主轴很好的结合在了一起，目前箱式电主轴是最为常见的一　种，箱式电主轴示意图如下图１所示，这是一种主要是适用与数控机床的电主　轴结构，包括设置在箱体内的主轴和变频电动机；电机包括壳体和转子，目前的　电机采用有变频器控制电机，电机壳体直接安装在机床床头箱体尾端，电机转　子用莫氏锥度与主轴连接，电机图示如下图２所示，　主轴就是电主轴，其特征是：传动效率高，动态响应快；省略了老传统的整　套传动装置，降低了消耗，与传统数控机床相比具有明显的节能效果，可达　１０％－２０％，采用变频器控制的变频电机，电机转速变化范围大，加工零件适用面　大，提高了加工精度；编码器安装于床头箱体内部，采用空心轴磁性编码器；而　且机床的震动小，稳定性高，噪音小。　

数控・数显——数控车床电主轴总体结构方案的创新设计　机床电器２０１１．５　

数控车床电主轴总体结构方案的创新设计　

孙彦旭。李鹤，王彦平，朱奇（山东鲁南机床有限公司，２７７５００）　

摘要：本文论述了车床电主轴的总体结构设计方案和如何确定电主轴的主要技术参数；分析了电主轴平衡精度　和动平衡的方法和位置；创新点有靠锁紧锥套的弹性变形收缩使电动机转子内套两端紧紧抱在主轴上，方便了机床　主轴和电动机转子的拆卸。　关键词：电主轴；结构设计；技术参数；动平衡　中图分类号：ＴＰ２０５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—０４２０（２０１１）０５—００１３—０３　

０　引言　

内置电动机（俗称电主轴）是现代数控机床的核　

心功能部件之一。其特点是将机床主轴与电动机转子　

合为一体，即将机床旋转主轴组件功能和电动机的功　

能从结构上融为一体，省去了复杂的机械齿轮或皮带　

中间传动环节，具有精度高、转速高、调速范围广、震动　

噪声小、整体占用空问少、可快速启动、停止、定向准停　

等优点。现在不论国内还是国外，电主轴的应用越来　

越广泛，其内部结构也是大家研究的重点和难点。由　

于电主轴是完成高速、高效、高精、高可靠机床加工的　

关键技术，其性能指标直接决定机床的发展水平。　

１　电主轴总体方案设计　

我公司研制的电主轴考虑到用在数控车床和车铣　

复合加工机上，要求无论是对于低速区的大直径大切　

削量的重切削，还是中速区的强力切削，或是高速区对　

铜铝等有色金属材料的高速切削，均可实现广域低速　

大扭矩和高速满功率稳定输出。电主轴的具体结构如　

图１所示。主轴前轴承用一组背对背超高速角接触球　

轴承，后端用超高速单列圆柱磙子轴承，电动机转子加　

热收缩过盈装配在转子内套上，过盈量控制在１０　ｔｌ～　

７０　Ｕ，因此，在装配时必须在油浴中将转子加热到　

１６０　ｏＣ～２００℃左右，把转子快速装在转子内套上，电　

动机转子组件冷却后，再把转子内套内孔加工到图纸　

尺寸精度。然后整体装在主轴上，通过锁紧锥套，压配　

第３期（总第１６６期）　２０１１年６月　机械工程与自动化　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴ０ＭＡＴＩＯＮ　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．　文章编号：１６７２—６４１３（２０１１）０３—００７０—０２　数控车床用高速电主轴的结构优化　王　可，易广建，孙英伟　（沈阳工业大学，辽宁　沈阳　１１０８７０）　摘要：通过对某车床用电主轴的支承特点进行分析，建立了其主轴一轴承系统的参数化有限元模型；应用　ＡＮＳＹＳ的优化设计功能，以提高电主轴的刚度为目标，取主轴的支撑跨距为设计参数，以第２阶固有频率　为校核条件，对该型电主轴进行了优化，使该主轴的刚度和第２阶固有频率都有所提高。　关键词：电主轴；有限元分析；优化设计　中图分类号：ＴＰ３１９：ＴＨＩ３３．２　文献标识码：Ａ　Ｏ　弓Ｉ言　电主轴作为高速数控机床的核心部件，具有响应　快、惯性小、振动小等优点，其性能直接影响着加工　系统的精度和可靠性。主轴的刚度反映了机床主轴单　元抵抗静态外载荷的能力，是表征机床主轴单元性能　的重要指标之一。本文针对某型号数控车床用电主　轴，以提高其刚度为目标，对该电主轴的结构进行了　优化。　１建立电主轴参数化有限元模型　１．１　电主轴结构分析　某数控车床用电主轴的主轴一轴承系统结构见图　１。主轴轴体为空心阶梯轴，无外壳电机转子通过过　盈衬套和主轴安装在一起，轴承的配置形式为三支撑　结构。两个前轴承分别为角接触混合陶瓷球轴承和双　列陶瓷混合圆柱轴承，后轴承采用双列陶瓷混合圆柱　轴承，这样的配置形式既提高了刚度又简化了结构。　两组前轴承之间的距离为０．０１　ｍ，前轴承１和后轴　承之间的跨距为０．５０７　ｍ。可按照结构特点将其划分　为１２段。其中，第４段的长度由所选用型号的电机　转子长度决定，固定为０．３１　ｍ。　１．２　电主轴刚度的影响因素　影响电主轴刚度的因素主要有主轴前端悬伸量、　前后轴承的支撑跨距、关键零件的制造精度、前后轴　承的配置方式、轴承的尺寸和精度等级等。一旦电主　轴的各轴段直径、轴承型号等基本参数确定，影响主　轴刚度最大的就是前后轴承的支撑跨距和主轴前端悬　伸量…。其中，主轴前端悬伸量由主轴端部结构、　前轴承的密封和润滑形式等因素决定　，很难进行　改进；而主轴刚度受前后轴承问的支撑跨距影响则比　较复杂，同时主轴轴体为中空阶梯轴，因此使用传统　设计方法来确定支承跨距的最优解是比较困难的。　图１　电主轴的主轴一轴承系统结构图　１．３　主轴参数化有限元模型的建立　在对电主轴进行优化设计前，需要建立电主轴的　参数化有限元模型。对需要优化的尺寸３、５、６、８　段（见图１）分别用参数　、　：、　，和三　来表示。　电主轴单元是一种阶梯轴，具有中空、多支承的　特点，属于较复杂的超静定梁结构。但由于其结构对　称、形状简单，根据弹性力学原理可将其作为弹性梁　处理，并做如下简化：①把轴承作为弹性支承来处　理；②忽略轴承的角刚度和轴向刚度，只考虑其径向　刚度；③认为轴承刚度为一固定值，不受轴承转速及　负荷的影响；④把无外壳电机的转子和过盈衬套看作　收稿日期：２０１０—１２一Ｏｌ；修回日期：２０１１－０２－１６