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     摘要：針對(duì)某型號(hào)的電機(jī)后置式電主軸加工精度低、振動(dòng)大、溫升高等缺點(diǎn)，對(duì)后置式電主軸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在主軸末端增設(shè)一個(gè)小尺寸軸承，對(duì)改進(jìn)前、后的電機(jī)后置式電主軸進(jìn)行振動(dòng)特性的比較分析。結(jié)果表明，在末端增設(shè)一個(gè)小尺寸軸承后，電機(jī)后置式電主軸振動(dòng)值變小，運(yùn)轉(zhuǎn)精度提高，徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)明顯減小。

      隨著社會(huì)的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步， 高速數(shù)控機(jī)床作為裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)， 是裝備制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和主要發(fā)展方向。電主軸作為高速數(shù)控機(jī)床的核心部件， 其性能在很大程度上決定了高速數(shù)控機(jī)床所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速和加工精度［1］。而電機(jī)后置式電主軸由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 電主軸內(nèi)裝電機(jī)所散發(fā)的熱量對(duì)電主軸輸出端的熱影響很小， 對(duì)保持電主軸輸出端良好的精度、改善輸出端軸承的工況條件和延長(zhǎng)壽命有利；同時(shí)，由于內(nèi)裝電機(jī)的后置，使電主軸靠近輸出端的前端部分的直徑更小，可滿足深孔磨、深腔銑等特殊工件的加工需要［2］［5］［6］，所以，近年來(lái)電機(jī)后置式電主軸在磨、銑方面的高速數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。但是，由于電機(jī)后置式電主軸的特殊結(jié)構(gòu)，其振動(dòng)問(wèn)題會(huì)直接影響數(shù)控機(jī)床的加工精度， 甚至損壞主軸。針對(duì)某型號(hào)磨床用電機(jī)后置式電主軸，由于出廠測(cè)試中主軸徑向跳動(dòng)值、軸向竄動(dòng)值和振動(dòng)值過(guò)大，加工精度一直達(dá)不到出廠要求，需對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以減小徑向跳動(dòng)值、軸向竄動(dòng)值和振動(dòng)值，提高加工精度，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

      1 、電機(jī)后置式電主軸的結(jié)構(gòu)

     電機(jī)后置式電主軸主要用于磨削機(jī)床， 主電機(jī)置于主軸后軸承之后， 即主軸箱和主電機(jī)作軸向的同軸布置，電主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，前軸承為3 套NSK-7206 角接觸軸承， 預(yù)壓負(fù)荷為122 N； 后軸承為2 套NSK-7209 角接觸軸承，預(yù)壓負(fù)荷為225 N；軸承采用油脂潤(rùn)滑，油脂填充量前軸承為2.25 mL/套，后軸承為1.75 mL/套；對(duì)電機(jī)的冷卻方式為水冷。圖1 是優(yōu)化前結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖2 是優(yōu)化前軸系三維圖。

       2 、電機(jī)后置式電主軸振動(dòng)原因分析

      2.1 電主軸振動(dòng)原因綜述

     影響電主軸振動(dòng)的因素主要有3 項(xiàng)： 電主軸的諧振現(xiàn)象、電主軸的電磁振蕩、電主軸的機(jī)械振動(dòng)。對(duì)電主軸的諧振現(xiàn)象， 可通過(guò)分析電主軸的振型找出主軸的諧振頻率區(qū)， 避免電主軸的轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)入它的諧振區(qū)；對(duì)電主軸的電磁振蕩，通過(guò)合理加工工藝和方法，制造出優(yōu)良的電主軸定子和轉(zhuǎn)子， 從而減小電主軸電動(dòng)機(jī)的電磁振蕩； 對(duì)電主軸的機(jī)械振動(dòng)， 情況多而復(fù)雜，本文對(duì)電主軸機(jī)械振動(dòng)原因進(jìn)行特別分析。電主軸機(jī)械振動(dòng)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間的同軸度誤差；主軸殼體前后軸承孔的同心度、錐度和圓度；主軸撓度等。這些主軸結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的問(wèn)題都會(huì)對(duì)主軸徑向回轉(zhuǎn)精度產(chǎn)生影響， 并且由于加工方式的不同對(duì)主軸徑向回轉(zhuǎn)精度的影響也不同。因此，對(duì)電機(jī)后置式電主軸這種特殊結(jié)構(gòu)要進(jìn)行分析， 找出引起振動(dòng)的特有原因，才能有效改進(jìn)結(jié)構(gòu)，更大程度地減小機(jī)械振動(dòng)。

     2.2 機(jī)械振動(dòng)特有原因分析

     由于電主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間存在微小的間隙，所以電機(jī)轉(zhuǎn)子的重力將成為主軸的一個(gè)徑向力，主軸的剛度很大，而電機(jī)轉(zhuǎn)子的重力值很小，引起主軸的形變值很小。但是當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由轉(zhuǎn)子重力所產(chǎn)生的離心力很大，將使主軸產(chǎn)生一定的形變。由于電主軸的特殊結(jié)構(gòu)，其中安裝電機(jī)部分的主軸懸置，只有一側(cè)有軸承支撐，使離心力產(chǎn)生的形變加大。下面對(duì)由于離心力產(chǎn)生的撓度進(jìn)行計(jì)算分析，將圖1 優(yōu)化前的主軸進(jìn)行簡(jiǎn)化， 其簡(jiǎn)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；E 為主軸的彈性模量；I 為主軸的慣性矩；m 為電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量；ω 為主軸工作時(shí)的角速度；r 為電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸度的1/2。撓度w1造成質(zhì)量偏心，從而在主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)影響主軸動(dòng)平衡，造成主軸徑向跳動(dòng)，在磨床中徑向跳動(dòng)屬于誤差敏感方向， 在此方向上原始誤差對(duì)加工誤差的影響最大，會(huì)嚴(yán)重影響加工精度。

      3 、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

     要減小電主軸這種特殊的結(jié)構(gòu)形式引起的振動(dòng)，必須減小在離心力F1作用下的撓度，應(yīng)該使安裝電機(jī)的主軸部分兩側(cè)都有軸承支撐， 可在此主軸后端增加軸承。由于增加的這個(gè)軸承距離受力點(diǎn)較遠(yuǎn)，幾乎不承擔(dān)刀具磨削時(shí)的徑向力和軸向力， 所以此軸承選取一個(gè)小尺寸軸承NSK-6206 深溝球軸承即可。圖5 為優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖6 是優(yōu)化后軸系三維圖。

       下面對(duì)優(yōu)化后的電主軸由于離心力產(chǎn)生的撓度進(jìn)行計(jì)算分析，將圖5 中優(yōu)化后主軸進(jìn)行簡(jiǎn)化，其計(jì)算簡(jiǎn)圖為簡(jiǎn)支梁， 如圖7 所示， w2為離心力F 作用下簡(jiǎn)支梁的撓度：

  
     可見(jiàn)， 此種結(jié)構(gòu)在離心力F 作用下的撓度值減小一半，從而也減小了質(zhì)量偏心,所以在主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)減小，提高了加工精度。

       4、 優(yōu)化前后測(cè)試對(duì)比

     分別對(duì)優(yōu)化前、后的電主軸進(jìn)行多組數(shù)據(jù)測(cè)試。測(cè)試方法：將主軸固定在測(cè)試臺(tái)上；杠桿千分表夾持桿安裝在所需位置并旋緊，測(cè)量頭放在檢測(cè)位置；振動(dòng)傳感器固定在前軸承外殼處； 溫度傳感器分別固定在前、后軸承處，噪聲測(cè)量?jī)x放在指定位置。調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速旋鈕，使主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min，此時(shí)對(duì)測(cè)試主軸進(jìn)行試驗(yàn)前的跑合運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)跑合運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后，設(shè)定變頻控制系統(tǒng)使轉(zhuǎn)速每隔20 min 自動(dòng)提高一次，每次提高1 500 r/min， 達(dá)到6 000 r/min 時(shí)轉(zhuǎn)速停止提高，在此轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)5 h 后停機(jī)； 測(cè)試過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制并顯示轉(zhuǎn)速、軸承溫升、振動(dòng)、試驗(yàn)時(shí)間，讀出杠桿千分表和噪聲測(cè)量?jī)x上的示數(shù)。得到優(yōu)化前、后的多組對(duì)比數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

     通過(guò)對(duì)表1 數(shù)據(jù)的對(duì)比可看出，電主軸優(yōu)化后在振動(dòng)、溫升、噪聲方面都遠(yuǎn)好于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)，并且各項(xiàng)參數(shù)都達(dá)到了其出廠標(biāo)準(zhǔn)，提高了加工精度。

      5 、結(jié)束語(yǔ)

     針對(duì)電主軸振動(dòng)大的問(wèn)題， 提出了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，在主軸末端增設(shè)一個(gè)小尺寸軸承，此方案有效減小了電主軸的振動(dòng)， 并且降低了軸承的最大溫升和噪聲，大大提高了其對(duì)工件的加工精度。