·64··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 SK30HC120-50000/11120500001130000 3.5OL HSK-E25HC120-60000/5.512060000 5.5600000.9OL HSK-E25 HCS150g-18000/9150180009750011G HSK-A50 HCS170-24000/2717024000271800014OL HSK-A63HC170-40000/6017040000604000014OL 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 SK40HCS230-18000/152301800015180080OL 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 HCS300-14000/2530014000251100217OL 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。
主轴由前后两套滚珠轴承来支承。
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。
3 滚动轴承的配置形式和预加载荷根据切削负荷大小、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。
·66·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Fc（N）可按下式计算：Fc =π12p D3bdmω2m（1）式中p———滚珠材料的密度，kg/m3Db———滚珠的直径，mdm———滚珠轴承的节圆直径，mωm———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Mg（N·m）可用下式计算Mg =Jωmωbsinβ（2）式中J———滚珠的转动惯量，kg·m2ωb———滚珠的自转速度，rad/sβ———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（Si3N4）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（Si3N4）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性能Si3N4陶瓷轴承钢比率密度/（g/cm3） 3.247.850.412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（Si3N4）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（用黑色表示）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（陶瓷球用白色表示）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。