摘要：針對某型號的電機後置式電主軸加工精（jīng）度低、振動大、溫升高等缺點，對後置（zhì）式電主軸進行了（le）優化設計（jì），在主軸末端增設一個小尺（chǐ）寸軸承（chéng），對改進前、後的電機後置式電主軸（zhóu）進（jìn）行振動特性的比較分析（xī）。結果表明，在末（mò）端增設（shè）一個小（xiǎo）尺寸軸承後，電機後置（zhì）式電主軸振動值變小（xiǎo），運轉精度提高，徑向（xiàng）跳動和軸向竄動明顯減小。

      隨著社會的發展以及科學技術的不斷進步， 高速數控機床作為（wéi）裝備製造業的戰（zhàn）略性產業， 是裝備製造業的技術基礎和主要發（fā）展方（fāng）向。電主軸作為高速數控機床（chuáng）的核心部件， 其性能在很大程度上決定了高速數（shù）控機床所能達到的最大轉（zhuǎn）速和加工精度［1］。而電機後置式電主軸由於其結構特點， 電主軸內裝電機所散發（fā）的熱量對電主軸輸出端的（de）熱影響很小， 對保持電主軸輸出（chū）端良好的精度、改善輸出端軸承的工況條件和延長壽命有（yǒu）利；同時，由於內裝電（diàn）機的後置，使電主軸靠近輸出端的前（qián）端部分（fèn）的（de）直徑更小，可滿足深孔（kǒng）磨（mó）、深（shēn）腔（qiāng）銑等特殊（shū）工件的加工需要［2］［5］［6］，所以，近年來電機後置式電主軸在磨、銑方麵的高速數控（kòng）機床中得到廣泛應用。但是，由（yóu）於電機後置式電主軸的特殊結構（gòu），其振（zhèn）動問題（tí）會（huì）直接影響數控機床的加工精度， 甚至損壞主軸。針對某型號（hào）磨（mó）床（chuáng）用電機後置式電主（zhǔ）軸，由於出廠測試中主軸徑（jìng）向跳動值、軸向竄（cuàn）動值和振動值過（guò）大，加工精度一直達不到出廠要求，需（xū）對其進行結構優化，以減小徑向跳動值、軸向竄動值和振動值，提高加（jiā）工精度（dù），使其達到設計要求。

      1 、電機後置式電主軸（zhóu）的結構

     電機後置式電（diàn）主軸主要用於磨削機床， 主電機置於主軸（zhóu）後軸承之後， 即主軸箱和（hé）主電機作軸向的同軸布（bù）置，電主軸（zhóu）轉速為6 000 r/min，前軸承為3 套（tào）NSK-7206 角接（jiē）觸軸承， 預壓負荷為122 N； 後軸承為2 套NSK-7209 角接觸軸承，預壓負荷為225 N；軸承采（cǎi）用油脂潤滑，油（yóu）脂（zhī）填充量前軸（zhóu）承（chéng）為2.25 mL/套，後軸承為1.75 mL/套；對電（diàn）機的冷卻方式為水冷（lěng）。圖1 是優化前結構簡（jiǎn）圖，圖（tú）2 是優（yōu）化前軸係三維圖。

       2 、電機後置式電主軸（zhóu）振動（dòng）原因分（fèn）析（xī）

      2.1 電主軸振動原因綜述

     影響電主軸振動的因素主要有3 項： 電主軸的諧振現（xiàn）象、電主軸的電磁振蕩、電主軸（zhóu）的（de）機械振動。對電主軸的諧振現象， 可通過分析電主軸的振型找出（chū）主軸的諧振頻率（lǜ）區， 避免電主軸的（de）轉速範圍進入它的諧（xié）振區（qū）；對電主軸的電磁振蕩，通過合理加工工藝（yì）和方法，製造出優良的電主軸定子和轉子， 從（cóng）而減小電（diàn）主（zhǔ）軸電動機的電磁振蕩； 對電主軸的機械振動， 情況多而複雜（zá），本文對電主軸機械（xiè）振動原因進行特別分析。電主（zhǔ）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（shēn）的精度以及軸承之間的同軸度誤差；主軸殼體前後（hòu）軸承孔的同心度、錐度和圓（yuán）度；主軸撓度等。這（zhè）些主軸結構常見的問題都會（huì）對主軸徑向回轉精度產生影響， 並且（qiě）由於加（jiā）工方式的不同對主軸徑向回轉精度的影響也不同。因此，對電機後置式電主軸（zhóu）這種特殊結構要進行分析， 找出引起（qǐ）振動的特有原因，才能（néng）有（yǒu）效改進結構，更大程度地減小機械振動。

     2.2 機械振（zhèn）動特有原因分析

     由於電主軸電機的轉子（zǐ）和定子之（zhī）間存在微小的間隙（xì），所以電機（jī）轉子的重（chóng）力（lì）將成為主軸的一個徑向力，主軸的剛度很大，而電機轉子的重力值很小，引起主（zhǔ）軸的形變（biàn）值很小。但是當主軸高速旋轉時，由（yóu）轉子重力所產生的離心力很大，將使主軸產生一定的形變。由於電主（zhǔ）軸的特殊（shū）結構，其中（zhōng）安裝電機部分的主軸懸（xuán）置，隻有一側有軸承支撐，使離心力產生的形變加大。下麵對由於離心力產生的撓度進行計算分析，將圖1 優化前的主軸進（jìn）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，其中w1為在離心力F 作用下的撓度：

     式中: l1為BC 段距離（lí）；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；ω 為（wéi）主軸工作時的角速度；r 為電機轉子同軸度的1/2。撓度w1造成質量偏心，從（cóng）而在主軸高速旋（xuán）轉（zhuǎn）時影響主（zhǔ）軸動平衡，造成主軸徑向跳動，在磨床中徑向跳動（dòng）屬於誤差敏感方向， 在此方向上原始誤（wù）差對加（jiā）工誤差的影（yǐng）響最大，會（huì）嚴重影響加工精度（dù）。

      3 、結構優化

     要減小電主軸這種特殊的結構形式引起的振動，必須減小在離心力F1作用下的撓度，應該使安裝電機的主（zhǔ）軸（zhóu）部分兩（liǎng）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離受（shòu）力點較遠，幾乎不承擔（dān）刀具磨削時的徑（jìng）向力和軸向力， 所以此軸承（chéng）選取一個小尺寸軸承NSK-6206 深溝球軸（zhóu）承即可。圖5 為優化後的結構簡圖，圖6 是優化後軸係三維圖。

       下麵對優化後的電主軸由於離（lí）心力產生（shēng）的撓（náo）度進行計算（suàn）分析，將圖5 中優（yōu）化後主軸進行簡化，其（qí）計算簡圖為簡支梁， 如圖7 所示， w2為離（lí）心力F 作用下簡支梁的撓度：

  
     可見， 此種（zhǒng）結構在離心力F 作用下的撓度值減小一半，從而也減小了質量偏心,所以在主（zhǔ）軸高（gāo）速旋轉時振動減小，提高了加工精度。

       4、 優化前後測試對比

     分別對優化前、後的電主軸進行多組數據測試。測試方法：將主軸固定在測試台上；杠杆千分表夾（jiá）持杆安裝在所需位置並旋緊，測（cè）量頭放在（zài）檢測位置；振（zhèn）動傳感器固定（dìng）在前軸承外殼處； 溫度傳感器分別固（gù）定在（zài）前、後（hòu）軸承處，噪聲測量（liàng）儀放在指定位置。調節變頻器轉速（sù）旋鈕，使主軸轉速達到1 500 r/min，此時對測試主軸（zhóu）進行試驗前的（de）跑合運轉，當（dāng）跑合運轉結束後（hòu），設定變頻控製係統使轉速每隔（gé）20 min 自動提高（gāo）一次，每次提高1 500 r/min， 達到6 000 r/min 時轉速停止（zhǐ）提高，在此轉速下運轉5 h 後停機； 測試過程由計算機控製並顯示轉速、軸承溫升、振動、試驗時間，讀出杠杆千分表和噪聲測量儀上的示數。得到優化前、後的多組對比數據，見表1。

     通過對表1 數據的對比（bǐ）可看出，電主軸優化後在振動、溫升（shēng）、噪聲方麵（miàn）都遠（yuǎn）好於優化（huà）前的結構，並且各項（xiàng）參數都達到了（le）其出廠（chǎng）標準，提高了加工（gōng）精（jīng）度。

      5 、結（jié）束語

     針對電主軸振動大的問題， 提出了（le）一種結構優化方案，在主軸末端增設一個小尺寸（cùn）軸承，此方案（àn）有效（xiào）減小了電主軸的振動， 並且降低了軸承的最大溫升和噪聲，大大提高了（le）其對工件的（de）加工精度。