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·电主轴技术讲座·Seminar on Motorized Spindle 第二讲!电主轴的基本参数与结构（一）
LessonⅡMain Specifications and Structure of the Motorized SpindIe（l）
周延祐李中行
1 电主轴的基本参数
电主轴的基本参数和主要规格包括：套筒直径、最高转速、输出功率、计算转速、计算转速转矩和刀具接口等。其中计算转速又称额定转速，是指恒转矩驱动与恒功率驱动的交汇点，参见图1和图2。它相当 于图2中的A点，即小于计算转速时为恒转矩驱动，大于计算转速时为恒功率驱动。计算转速转矩为转速小于和等于计算转速的转矩。一般电主轴型号中含有套筒直径、最高转速和输出功率这3
个参数。
表1列出了德国GMN公司用于加工中心和铣床的电主轴的型号和主要规格。
表1 德国GMN公司用于加工中心和铣床的电主轴的型号和主要规格
主要型号套筒直径
/mm
最高转速
/（r/min）
输出功率
/kW
计算转速
/（r/min）
计算转速转矩
/N·m
润滑刀具接口
HC120-42000/11120420001130000 3.5OL SK30
HC120-50000/11120500001130000 3.5OL HSK-E25
HC120-60000/5.512060000 5.5600000.9OL HSK-E25 HCS150g-18000/9150180009750011G HSK-A50 HCS170-24000/2717024000271800014OL HSK-A63
HC170-40000/6017040000604000014OL HSK-A50/E50 HCS170g-15000/151701500015600024G HSK-A63 HCS170g-20000/1817020000181200014G HSK-F63 HCS180-30000/1618030000161500010OL HSK-A50/E50 HCS185g-8000/11185800011213053G HSK-A63 HCS200-18000/152001800015180080OL HSK-A63 HCS200-30000/1520030000151200012OL HSK-A50”E50 HCS200-36000/162003600016600029OL HSK-A50”E50 HCS200-36000/7620036000762500029OL HSK-A50”E50 HCS200-182000/152001200015180080G SK40
HCS230-18000/152301800015180080OL HSK-A63 HCS230-18000/252301800025300080OL HSK-A63 HCS230-24000/182302400018315057OL HSK-A63 HCS230-24000/452302400045750058OL HSK-A63 HCS230-182000/222301200022240087G HSK-A63 HCS230-182000/252301200025300080G HSK-A63 HCS232-185000/9230150009122070G HSK-A63 HCS275-20000/6027520000601000057OL HSK-A63 HCS285-12000/3228512000321000306OL HSK-A100 HCS300-12000/3030012000301000286OL HSK-A100 HCS300-14000/25300140002511
00217OL HSK-A63 HCS300-8000/303008000301000286G HSK-A100注：HCS—矢量驱动；OL—油气润滑；G—永久油脂润滑；SK—ISO锥度。表中产品全部使用陶瓷球轴承。 ·65 ·
2 结构和布局
高速电主轴的典型结构如图3所示。主轴由前后
电动机的转子用压配合的方法安装在机床主轴
上，处于前后轴承之间，由压配合产生的摩擦力来实现大转矩的传递。由于转子内孔与主轴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200℃左右，
迅速进行热压装配。电动机的定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体中。这样，电动机的转子就是机床的主轴，电主轴的套筒就是电动机座，成为一种新型主轴系统。在主轴的后部安装有齿盘，作为电感式编码器，以实现电动机的全闭环控制。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3中：
1为各种连接装置，用于连接电源、数据线、冷却水、润滑剂、压缩空气等，其安装和更换极为方便；
2为滚珠套，它使得主轴可自由向后方膨胀；3为冷却水套，保证有限均匀的温升，线圈中的温度传感器进
一步保证工作的安全可靠；
4为矢量控制确保低速大转矩，使得刚性攻丝得以实现；
5为µm 级位移传感器，可通过数控系统进行位移补偿；6为HSK -E 刀具接口，径向和轴向重复精度小于1µm 。BT 、SK 、CAT 、SKI 接口均为选件，冷却液从刀具中喷出也是选件；7为陶瓷球混合轴承，精度优于3µm ，大尺寸轴颈保证了径向和轴向刚度，最小量的润滑直接喷向轴承，延长了轴承的寿命。
根据切削负荷大小、形式和转速等，电主轴轴承一
般采用如图4所示的配置形式。其中a 仅适用负荷较小的磨削用电主轴，f 的后轴承为陶瓷圆柱混合轴承，可用于高速，既提高了刚度，又简化了结构。依靠内孔1:12
的锥度来消除间隙和施加预紧。
角接触球轴承一般必须在轴向有预加载荷条件下
才能正常工作。预加载荷不仅可消除轴承的轴向游隙，还可以提高轴承刚度、主轴的旋转精度，抑制振动和钢球自转时的打滑现象等。一般说来，预加载荷越大，提高刚度和旋转精度的效果就越好；但是另一方面，预加载荷越大，温升就越高，可能造成烧伤，从而降低使用寿命，甚至不能正常工作。所以，针对不同转速和负载的电主轴来选择轴承最佳的预加载荷值，就成为电主轴制造厂家一个较为重要的技术诀窍。
对转速不太高和变速范围比较小的电主轴，一般采用刚性预加载荷，即利用内外隔圈或轴承内外环的宽度尺寸差来施加预加载荷。这种方式虽然简单，但当轴系零件发热而使长度尺寸变化时，预加载荷大小也会相应发生变化。
当转速较高和变速范围较大时，为了使预加载荷的大小少受温度或速度的影响，应采用弹性预加载荷装置，即用适当的弹簧来预加载荷。
以上两种方法，在电主轴装配完成以后，其预加载
荷大小就无法改变和调整。
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对于使用性能和使用寿命要求更高的电主轴，有一些电主轴公司采用可调整预加载荷的装置，其工作原理如图5所示。在最高转速时，其预加载荷值由弹簧力确定；当转速较低时，按不同的转速，通以不同压力值的油压或气压，作用于活塞上而加大预加载荷，以便达到与转速相适应的最佳预加载荷值。
4 陶瓷球混合轴承
在滚珠轴承运转过程中，滚珠既自转又公转，会产生离心力和陀螺力矩。每个滚珠的离心力F
c
（N）可按下式计算：
F
c =π
12
p D3
b
d
m
轨道交通系统ω2
m
（1）
式中p———滚珠材料的密度，kg/m3
D
b
———滚珠的直径，m
d
m
—
——滚珠轴承的节圆直径，m
ω
m
———滚珠的公转角速度，rad/s
由式（1）可见，滚珠的离心力与轴承转速的平方成正比。当轴承的转速很高时，滚珠的离心力就很大，其值有时甚至超过切削力的负荷。
滚珠所受的陀螺力矩M
g
（N·m）可用下式计算
pctiM
g =Jω
m
ω
b
sinβ（2）
式中J———滚珠的转动惯量，kg·m2
电机线束ω
b
———滚珠的自转速度，rad/s
β———滚珠自转轴与坐标平面之间的夹角，rad
同样，在轴承高速运转条件下，滚珠也将产生巨大的陀螺力矩，造成对电主轴不可忽视的额外载荷，并可能产生滚珠与滚道之间的相对滑移。
这个巨大的离心力和陀螺力矩，会对轴承产生很大的接触应力，加剧轴承的温升与磨损，降低轴承的使用寿命。
为了减小这个离心力和陀螺力矩，根据式1和式2，可以采用以下两种方法：
（1）适当减小滚珠的直径。但是，滚珠直径的减小应以不过多削弱轴承的刚度为限。一般高速精密滚动轴承的滚珠直径约为标准系列滚珠轴承的70%，而且做成小直径密珠的结构形式，通过增加轴承的滚珠数和滚珠与内外套圈的接触点，提高滚珠轴承的刚度。
（2）采用轻质材料来制造滚珠。自从氮化硅
（Si
3N
4
）陶瓷新材料被英国科学家于20世纪70年代
用人工合成的方法发明以来，由于这种材料优良的力学、物理和化学性能（见表2），引起了机械工程界的极大兴趣和高度重视。人们一直想用这种新材料来制造滚动轴承的滚动体，以解决高速运转中出现的上述问题。经过近20年的努力，氮化硅（Si
3
N
空调外机隔音板
4
）陶瓷球终于研制成功并投入了工业生产。
表2 氮化硅陶瓷与轴承钢的性能对比
精密电主轴性能Si3N4陶瓷轴承钢比率
密度/（g/cm3） 3.247.850.412备长炭粉
线膨胀系数/（1/℃） 3.2×10-612.5×10-60.256
弹性模量/GPa314206 1.524
硬度（HV10）1600700 2.286
抗弯强度/MPa70025000.28
断裂韧度/（MN·m）-3/27200.25
泊松比0.260.300.876
热导率/［W/（m·K）］32400.80
极限工作温度/℃10801209.00
磁性不导磁导磁—
绝缘性不导电导电—
耐腐蚀性好差—
当钢质的内外环配以氮化硅（Si
3
N
4
）陶瓷球时，这种角接触球轴承称为混合陶瓷轴承（Hybrid Ceramic Bearing）。国外一般简称为混合轴承（Hybrid Bear-ing），而国内习称陶瓷球轴承，现已得到比较广泛的应用。
与钢质球相比，陶瓷球有以下优点：
（1）质量轻。材料密度仅为3.218g/cm3，只相当于钢球的40%。在高速回转时，轻质球的离心力可显著减小。以内径为70mm，外径为110mm的滚珠轴承为例（见图6），普通钢质轴承的滚珠直径为12.7 mm。按式1计算，在转速为15000r/min进行运转时，每一个钢球（用黑表示）的离心力为174N；如将钢球的直径减少至7.938mm，则离心力可减至79N。当用氮化硅陶瓷材料来制作滚珠（陶瓷球用白表示）时，标准直径（12.7mm）陶瓷球的离心力为71N；如果再把陶瓷球的直径减至7.938mm，则离心力可进一步减至32N，约为原来的1/6。陀螺力矩也有相类似的情况。由此可见，采用陶瓷球以后，离心力和陀螺力矩都得到大幅度的减小，从而接触应力减小，摩擦功耗下降，温升降低，轴承寿命延长。
离心力减小后，还可使轴向位移减小（见图7），使预加载荷的变化小，更好地适应于转速范围大的应用场合。
（2）弹性模量高。E=3.22×107MPa，为钢球的1.5倍，提高了轴承和主轴系统的刚度，也提高了主轴
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系统的临界转速。
（3）线膨胀系数低，α=3.2×10
-6
/℃，约为钢球
的25%，使得在不同温升的条件下，球与内外环的配合间隙变化小，提高了轴承工作的可靠性，并减小了温升导致的轴承轴向位移，也使得预加载荷变化小。
（4）硬度高，能达到1600～1700HV ，为钢球的2.3倍，可减少磨损，提高轴承寿命。
（5）陶瓷与金属间不产生“咬住”（galling ）现象，磨损物也不会嵌入陶瓷球中，从而进一步提高了轴承寿命。
由于陶瓷球具备以上这些优点，使得陶瓷球轴承在高速及重载的条件下，仍可获得高刚度、低温升和长寿命的效果。
轴承允许的工作极限，常用d m n 值来表示，d m 为轴承内外径的平均值，又称轴承节圆直径，n 为主轴转速。在相同的负荷、润滑条件和精度等级的条件下，混
合轴承的d m n 值是钢球轴承的1.25～1.35倍。
因此，虽然陶瓷球轴承价格约为钢质球轴承的2～2.5倍，
但寿命比钢质球轴承长3～6倍，可见其性能价格比并不低。世界闻名的德国GMN 公司（公司名称为Paul Muller ，
以下简称GMN ）和瑞士STEP -TEC 公司用于加工中心和铣床的电主轴全部采用陶瓷球轴承，其规格详见第四讲的表1和表2。由表可见，采用永久性油脂润滑的电主轴，在功率高达16kW 时（套筒外径为Ф170mm ），转速仍可分别高达18000r /min 和12000r /min 。在油-气润滑条件下，功率高达
25kW 时（套筒外径仍为Ф170mm ），转速仍可分别高达18000r /min 和12000r /min 。在油-气润滑条件下，功率高达25kW 时（套筒外径仍为Ф170mm ），转速可高达30000r /min 。这些均是钢质球轴承难以做到的。
钢制圆柱滚动轴承径向承载能力大、刚度高，但由于它为线接触，发热量大而不能应用于高速。而陶瓷圆柱混合轴承，由于陶瓷的特性，可以应用于高速。Step -Tec 公司电主轴的后轴承，全部采用了这种轴承（如图4f ），最高转速达42000r /min 。最近，国外一些加工中心等普通主轴也仿效这种做法。（待续）
第一作者：周延祐，北京市海淀区翠微东里112号，邮编：100036
（编辑 宋业钧）
（收稿日期：2003-05-13）～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～
（上接第63页）
生裂纹的一种方法。德国DOM 机器设备公司、日本玉川机械的粉末冶金成形压机都有这种功能，并可随机提供上模冲压紧装置附件。在粉末压坯的整个脱模过程中，借助于上模冲压紧装置对压坯在轴向施加适当的压缩力，在一些场合下，可防止粉末压坯中产生裂纹。
（2）下模冲尺寸修正法
在设计形状复杂的工件压坯的压制成形模具时，必须将下模冲的弹性变形量考虑进去，并且在设计下模冲时给予修正。否则，粉末压坯中就可能产生裂纹。
（3）降低压制模具工作面的粗糙度值
由于模具的内腔和下冲模的工作表面是由线切割得来的，其表面粗糙度值在1.6µm 左右，因此，需要
对这些表面进行抛光处理，使其粗糙度值达到0.025～0.012µm 。模具的上冲模是压制S 形返向槽的关
键零件，是利用紫铜电极在电火花加工机床上加工出来的，表面粗糙度为1.6µm 。因为返向器的S 形返向
槽表面粗糙度值应为1.6µm ，因此对上冲模也应该进行抛光处理，使其表面粗糙度值达到0.012µm 以下，在防止压坯裂纹的同时，更好地提高S 形回珠槽的表面质量。
4 结语
粉末冶金返向器的研制成功，不仅满足了生产需求，而且打破了粉末冶金不能用于滚珠丝杠副的禁忌，促进了新材料、新工艺的应用，收到了良好效果。
第一作者：郝敬思，山东省济宁市327国道115号，济宁职业技术学院，邮编：272037，电话：（0537）2238135
（编辑 吕伯诚）
（收稿日期：2002-04-18）
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