摘要：本文阐述了电主轴工作原理以及功能，详细介绍了电主轴的工艺装配技术，通过对电主轴的主要装配工序的分析与研究，总结了电主轴的关键装配技术环节，从而实现对数控机床产品的技术改造与升级。
关键词：高速电主轴；装配；转子；定子
随着高速切削和超高速切削技术的发展和日益广泛的应用，以及切削刀具的飞跃发展，越来越多的机械制造装备都不断地向高速，高精，高效，高智能化发展，各行各业对高速数控机床的需求与日俱增，高速主轴系统是数控机床高新技术之一，其内置电主轴直驱单元已经成为最适宜的高性能工况的数控机床产品的核心功能部件之一。高速数控机床设计制造中，高速主轴最为关键。为了加速企业自身经济的发展，提高企业的市场反应能力，促进企业技术进步，高速数控机床的研究开发已是当务之急。
一、高速电主轴优势分析
传统机床主轴是由电机通过中间变速和传动装置驱动主轴旋转而工作，这样的主轴形式称为分离式和直联式主轴，与此相比，电主轴具有很多优势。电主轴由内装式电机直接驱动，省去皮带、齿轮、联轴节等中间变速和传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点，由于没有中间传动环节，电主轴工作时运行更加平稳，没有外来冲击，主轴轴承所承受的动负荷较小，延长了其精度寿命。
电主轴更易于实现高速化，其动态精度和稳定性更好，可满足数控机床进行高速切削和精密加工的需要。利用内装电机的闭环矢量控制、伺服控制技术，不仅满足机床低速粗切削时大转矩、高速精加工时大功率的需求，还可实现停机时角向准确定位（即准停）及 C 轴传动功能，适应要求有准停和 C 轴功能的加工中心、数控车床及其它数控机床的需要。利用交流变频技术，电主轴可在额定转速范围内实现无级变速，以适应机床工作时各种工况和负载变化的需要。
二、数控机床内置电主单元结构简介
数控机床的内置电主轴单元其结构为其定子冷压在床头箱里，转子热装在主轴上，前后轴承安装在前后端盖上，靠前后水套冷却，将液冷感应电动机安装到主轴上，而成的一个完整的电机——主轴单元。其转子热装在主轴上，其定子压装在冷却壳内直接装到主轴箱内，通电后直接带动主轴运转。冷却介质通过定子外壳上的螺旋形导线将高速运转产生的热量几乎全部带走。它主要包括电主轴本身及高频变频装置、润滑装置、冷却装置、内置编码器。根据主电机与主轴轴承的相对位置，电主轴有两种布局方式；一种是将主电机置于主轴前后轴承之间，这种结构主轴单元的轴向尺寸短、刚度高、出力大。另一种是将主电机置于主轴后轴承的同轴布置；这种结构有利于减小电主轴前端径向尺寸，电机散热条件好。
三、高速电主轴装配关键技术分析
在电主轴的结构设计中，良好的电机性能、合理的选配轴承、采取减小振动的各项措施、设计有效的冷却系统、以及确定主轴零件与电机定子的过盈配合量是电主轴设计中的关键技术。控制主轴的预紧力以及前后轴承温度，主轴的动平衡，转子与定子的热装等均是装配工艺的关键技术。电主轴的热源除切削热外，主要是定转子发热和轴承发热。电主轴的结构特点是电机的定子直接安装在壳体内，这对电机的散热很不利。因此电主轴必须有冷却系统，来保证机床恒温。此外，电主轴由于转速高，任何不平衡量都会引起振动，产生噪声，影响主轴平稳运转。振动问题的解决，取决于动平衡的精度，即对各回转零件进行动平衡和对所有回转件装配于主轴之上后进行整体动平衡，使其达到规定的平衡精度要求。在结构设计上主要采用两端加装动平衡环。主轴零件与电机定子的过盈配合量应合理确定。为保证高速切削，主轴应具有良好的运转精度和传动能力，其零部件需具有良好的加工精度、表面质量及良好的装配精度。
四、高速电主轴装配以及工艺方案的确定
电主轴内部高速电机的发热会引起主轴轴承温升从而影响精度与动平衡。在安装之前确定主轴预紧力，以防止影响主轴刚度或者降低主轴精度。为确定主轴轴承预紧力，进行了预紧力测试试验。为保证主轴的动平衡，对主轴进行粗动平衡（不装定子）和精动平衡。合理的控制轴承与端盖和主轴的配合间隙，为控制轴承与端盖轴承安装孔的间隙，将端盖内孔按轴承外环配镗保证间隙0～0.005，主轴轴承支撑径按轴承内环配磨间隙0.003～0.008。为确保调整垫两面的平行度，减少因调整垫不平行对主轴精度和预紧力的影响，调整垫配磨后，进行研磨，保证调整垫平行在0.002以内，内、外调整垫差控制在0.055。根据测量前轴承座实际深度，前轴承座孔组件实际高度，配磨法兰盘端面保证间隙0.04，对于主轴上旋转零件，加工时必须严格控制零件的端跳和径向跳动，控制主轴组件不平衡量G≤2以内。为控制主轴前后轴承温度，测量主轴静刚度，在不安装定子和转子情况下组装床头箱，进行运车试验。为使定子顺利压入床頭箱内，装配前将向体内涂抹润滑脂。为解决转子热装问题，对转子进行加热试验。为防止渗漏，对水套和定子进行打压试验。主轴定子安装过程中冷却套与箱体之间是间隙配合，为保证定子安装时顺利滑入箱体，且不漏水，加工时将必须严格控制冷却套与箱体之间是间隙在0.02～0.04之间。主轴转子安装过程中，由于其与主轴之间是过盈配合，转子需加热后热装在主轴上，如何解决转子热装问题，以及转子热装后主轴变形的问题是转子装配的关键。安装完毕后检测热装后转子对主轴支撑轴线跳动是否≤0.04，为进一步减小电主轴不平衡量，定子热装主轴上后，对主轴组件进行精动平衡。将电主轴安装在动平衡机上，调整电主轴平衡环上的螺钉，保证主轴组件的不平衡量G≤0.4。
五、结束语
通过整机实验为进一步验证电主轴各项技术指标能够满足设计要求。通过本次对电主轴装配工艺探索与研究，对电主轴的结构与功能有了更深层次的了解，通过对电主轴装配技术的学习掌握了电主轴装配所需关键技术数据和工艺方法。目前国内外电主轴技术的发展十分迅速，各生产厂商都在高可靠性、节能性、高精度、高加工效率、环保性、智能化等方面进行持续的科技攻关，以期形成自身的特色，占领电主轴技术发展的制高点。
参考文献：
[1]徐金方，龙晓林.高速切削加工中电主轴的运用[J].设备管理与维修，2004（1）：34.
[2]吴玉厚.数控机床电主轴单元技术[M].北京：机械工业出版社，2006.
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