・# !" ・
内， 所设计的主轴满足机床的使用要求。图 $ 是第 " 阶频率对应的振型图。
由上图可以看出， 主轴后端热伸长量大于主轴前 端热伸长量。后端最大热伸长为 (+ (,. ! ))， 主轴前 端最大热伸长是 (+ (". . ))。
!
主轴冷却系统设计
电主轴结构由于电动机位于主轴单元中， 自然散
电主轴设计的几个关键问题
张世珍 ! 刘炳业 " 范晋伟 ! 常文芬 "
（ !北京工业大学机电工程学院， 北京 $"""%% ； 北京 $""$"% ） "北京机床所精密机电有限公司， 摘 要： 论述用于立式加工中心的电主轴设计时轴承的合理选择， 使用有限元分析了 !" """# $ %&’ 主轴的固 有频率特性以及电动机和轴承发热对主轴精度的影响， 完成了高速主轴单元的结构设计。 关键词： 加工中心 高速电主轴
潘尚峰 黄礼强
（ 清华大学精密仪器系， 北京 $%%%&’ ） 摘 要： 工作气隙是影响直线同步振动电动机工作性能的主要因素之一， 寻求合理结构的工作气隙是电动机 设计工作中十分重要的内容。文章首先针对隐极式结构的直线振动电动机， 从理论上定性分析了电 磁推力与工作气隙结构参数的关系， 总结出合理工作气隙结构设计的依据。最后采用电磁场有限元 分析软件验证了得出的结论， 结果证明这些结论是正确的， 可以在直线同步振动电动机工作气隙设 计中采用。 关键词： 直线振动电动机 非圆车削 磁路设计 有限元分析
!"#$%& ’( )$* +,- (’* .,%&"/$0 1$*02$/ ’( 3$&",* 4#0$55,/$&% .’/’*
()* +,-./01./，23)*4 5676-./ （ 819:; <0 (=1>6?6<. @.?:=AB1.:，C?6./,A- 3.6D1=?6:E，F16G6./ $%%%&’ ，H2*） !"#$%&’$ ：)6= /-9 6? <.1 <0 :,1 6B9<=:-.: 0->:<=? I,6>, -001>: :,1 /1.1=-J 91=0<=B-.>1? <0 J6.1-= ?E.>,=<.<A? <?>6JK J-:6./ B<:<= ，:,A? :< ?11L 0<= - =-:6<.-J ?,-91 <0 -6= /-9 6? - L1E 9<6.: 6. B<:<= M1?6/.; @. :,6? M6??1=:-K :6<.，-6B6./ -: ,6MM1. N 9<J1 J6.1-= <?>6JJ-:6./ B<:<=，:,1 =1J-:6<.? O1:I11. 1J1>:=<B-/.1:6?B 0<=>1 -.M ?:=A>:A=-J 9-=-B1:1=? <0 -6= /-9 -=1 -.-JEP1M 6. :,1<=E 06=?: ，-.M :,1. :,1 O-?6> M1?6/. 9=6.>69J1? 0<= =1-?<.-OJ1 -6= /-9 -=1 ?ABB-=6P1M; C,1?1 ><.>JA?6<.? -=1 D1=6061M I6:, 1J1>:=<B-/.1:6> 06.6:1 1J1B1.: -.-JE?6? ?<0:I-=1 ，-.M -.-JE:6>-J =1?AJ:? 9=<D1 :,-: :,1E -=1 ><==1>: -.M >-. O1 A?1M 6. M1?6/.6./ -. -6= /-9 0<= J6.1-= ?E.>,=<.<A? <?>6JJ-:6./ B<:<=; ()*+,%-#： 56.1-= Q?>6JJ-:6./ R<:<=；*<.>6=>AJ-= CA=.6./；R-/.1:6> H6=>A6: 81?6/.；ST) 能产生高频往复直线运动的电动机称为直线振动 电动机。直线振动电动机常用于小型空气压缩机、 照 相机电磁快门、 扬声器、 电锤机、 缝纫机等。由于直线 振动电动机能够产生高频往复直线运动， 所以它是非 圆加工理想的刀具驱动装置。 直线振动电动机从原理上可分为直线感应振动电 动机和直线同步振动电动机， 使用较普遍的是直线同 步振动电动机。直线同步振动电动机的振动频率严格 受驱动电流频率控制， 并依靠磁场中通电线圈产生的 同步电磁推力产生直线振动运动。直线同步振动电动 机又可分为动圈型、 动铁心型和动磁铁型三种。动圈 型直线同步振动电动机的动子惯量小， 振动频率高， 很 适合于非圆加工的刀具驱动器。 磁路及其工作气隙是影响直线电动机性能的关键 所在， 所以必须对电动机的工作原理与特性进行全面 分析， 设计出合理的磁路与工作气隙。本文针对隐极 式直线振动电动机的工作气隙结构设计进行理论分 析， 对得出的结论用有限元分析方法进行验证。
图 ! 是主轴组件划分网格图， 计算时利用分块兰 索斯法 （ 789:; <3=:>9?） 提取主轴系统的固有频率和振 型。
主轴系 统 前 * 阶 的 固 有 频 率 为 (0 @"A -. B>， !.’0 -5 B>， 5A*0 "- B>。第 " 阶固有频率 ’" C (0 @"A -. B> ， 由此可确定主轴使用的最低工作转速应大于 55 D E F%=。第 - 阶频率 ’- C !.’0 -5 B>， 是使用极限转 速 -( ((( D E F%= 的 "0 .@ 倍， 在 安 全 系 数 -( ) 的 范 围
坯缺陷、 加工和装配等原因， 使质量分布不均匀， 形成 一定的偏心。当转子转动时就产生不平衡的离心力， 从而使整个主轴系统产生有害的振动和噪声， 降低轴 承及整个主轴系统的使用寿命， 影响到整个主轴系统 的动态工作精度。因此要求精密主轴的动平衡精度达 到 /(+ - 。在结构设计时， 设计了双面动平衡位置环， 旋转零件组装后， 在动平衡机上作一次动平衡。试机 时， 如果必要可作在线动平衡， 保证高速主轴运行平 稳。 鉴于以上分析， 在电主轴结构设计时， 采用前端固 定， 后端浮动的支承方式。前端四列背对背角接触球 轴承， 主轴的径向和轴向全部固定； 后端选用圆柱滚子 轴承， 轴承内圈、 滚子可与主轴一起， 沿着外圈滚道作 轴向移动。减小热伸长对主轴的影响， 精度保持性好。 具体结构如图 &( 所示。
!"#"$%& ’"( )*+,-. +, /*-*$+0"1 !2+,1&" 3".+4,
&’()* +,-.,/ !" ，012 3-456/ " ，7() 8-49/- ! ，:’()* ;/4</4 " （ !=,/ :>??/5/ >< @/A,B4-AB? C45-4//D-45 E (FF?-/G C?/AHD>4-AI =/A,4>?>56 ，3/-J-45 24-K/DI-H6 >< =/A,4>?>56，3/-J-45 $"""%% ，:’)；"3@=1 LD/A-I->4 @/A,BHD>4-AI :>M 0HGM ，3/-J-45 $""$"% ，:’)） ()*+#,-+： =,/ FBF/D G-IANII/I H,/ A,>-A/ >< O/BD-45 9,/4 G/I-54-45 H,/ P>H>D-./G IF-4G?/ NI/G <>D K/DH-AB? PBA,-Q 4-45 A/4H/D ，B4B?6I/I H,/ A,BDBAH/D-IH-AI >< <D// <D/RN/4A6 >< %" """ D S P-4 IF-4G?/ B4G H,/ -4<?N/4A/ >< ,/BH FD>GNA/G O6 P>H>D B4G O/BD-45 >4 H,/ IF-4G?/ FD/A-I->4 ， BAA>PF?-I,/I H,/ IHDNAHND/ G/I-54 >< ,-5, T IF//G IF-4G?/ N4-HM ./012#3*： @BA,-4-45 :/4H/D； ’-5, T IF//G @>H>D-./G +F-4G?/ 高速加工技术是指以比常规切削速度高 ! U $" 倍 的速度进行加工的一项先进制造技术， 近 %" 年来在工 业发达国家得到迅猛发展， 在工业各部门特别是航空 航天、 汽车工业、 模具加工和摩托车工业等领域获得广 泛应用。进入上世纪 V" 年代， 一批又一批的高速加工 中心和其他各类高速数控机床相继投放国际市场， 高 速大功率数控机床的需求量正与日俱增。高速大功率 的内装电动机主轴单元 （ 以下简称电主轴） 作为高速 机床的核心功能部件， 是完成高速加工的战略性关键， 其性能指标直接决定机床的发展水平， 因此研制开发 高速、 高效、 高精度、 大功率、 大扭矩和高可靠性电主轴 具有很好的市场前景。本文以用于立式加工中心的 %" """ D S P-4 电主轴为例， 介绍高速高刚性电主轴结 构设计的几个关键技术。 交流变频调速和矢量控制电气驱动， 实现宽调速。