数控木工镂铣设备电主轴及其结构设计分析

苏冬胜

1.桂林电子科技大学 541004；2.广西生态工程职业技术学院 545003

数控木工镂铣设备电主轴及其结构设计分析

苏冬胜1,2

1.桂林电子科技大学 541004；2.广西生态工程职业技术学院 545003

介绍了电主轴的基本结构特点和技术应用。根据木材切削的加工特点，对数控木工镂铣设备电主轴的结构设计进行了技术分析，可为木材切削用电主轴的研发提供技术参考。

在金属切削加工领域，高速切削加工的优点早已在当今高速机床的广泛应用中得到体现。高速机床的主要特征之一是用高速电主轴替代传统的主传动系统，高速电主轴是高速机床的核心部件和技术关键。人们同样也意识到木质材料采用高速切削加工，可以获得较高的加工精度和较低的表面粗糙度，还可以提高生产效率，降低单位体积切削能耗。随着家具行业的快速发展，高档实木家具、特别是仿古家具的流行，高质量、高效率的木材镂铣和雕刻加工尤其需要高性能的数控木工镂铣设备进行高速切削加工。电主轴在数控木工镂铣设备上主要用于提高雕刻速度和雕刻表面质量，同时利用电主轴变频调速和快速自动换刀的特点，实现对形状复杂的内外曲线、曲面轮廓零件加工和艺术性雕刻。一直以来高速电主轴的研究主要针对金属切削，而针对木材切削的数控木工镂铣设备专用电主轴研究还比较少。因此，探讨木材切削电主轴的设计研发是非常必要的。

1 电主轴单元简介

随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械结构得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，简称“电主轴”。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。

高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。数控机床高速电主轴单元直接影响着加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力性、稳定性对高速加工质量和效率起着关键的作用。相比传统机床主轴，电主轴具有如下特点：主轴由内装式电动机直接驱动，无中间传动环节及其外力作用，具有结构紧凑、机械效率高、运行平稳噪声低、加工精度高和主轴轴承寿命更长等特点；采用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调整范围宽，转矩特性好；机械结构简单，转动惯量小，可实现很高的速度、加速度及定角度的快速准停。

2 数控木工镂铣设备高速电主轴的结构特点

由于木材切削加工机床与金属切削加工机床工作的环境、切削加工对象的结构特点存在较大的区别，两类机床的电主轴不能通用。数控木工镂铣设备电主轴要根据机床工作环境和加工对象的特点进行一些特殊设计，才能满足工作要求。二者相比，数控木工镂铣设备电主轴主要有以下特点：

2.1 通过风冷方式散热

金属切削加工电主轴可以采用冷却液排屑、对轴承进行油润滑、对正在切削的区域和电机定子进行强制冷却。由于木材容易受液体污染的原因，数控木工镂铣设备电主轴不能通过液体冷却，而采用强力抽风设备来吸走切削加工过程产生的木屑和粉末，利用高速气流对木工镂铣机电主轴进行散热冷却。

2.2 电主轴密封程度要求较高

由于数控木工镂铣设备用电主轴切削加工对象是木质材料，切削加工过程中会产生大量的粉尘，使得数控木工镂铣设备用电主轴的使用环境比金属切削加工的电主轴工作环境恶劣，因此数控木工镂铣设备用电主轴密封要求更高。

2.3 电主轴高速轴承技术

高速主轴轴承是电主轴的支撑核心，是超高速主轴系统的一项关键技术。木材切削加工机床由于工作环境、外型和生产成本的因素，金属切削用高速电主轴使用的轴承并不能完全适用于数控木工镂铣设备用高速电主轴。目前，国内外超高速机床采用较多的轴承形式主要有磁悬浮轴承、动静压轴承和混合陶瓷轴承。

磁浮轴承是通过控制感应磁场使得轴保持悬浮状态，使轴在不接触的情况下转动，控制系统能感应轴的位置，实时调整力量，将轴保持在要求的位置。这种轴承价格昂贵，控制系统复杂，发热问题不易解决，通常只用在特殊的场合，在超高速主轴单元上大面积推广尚不实用。

空气动静压轴承是一种综合了动压轴承和静压轴承优点的新型多气腔轴承，但是这种轴承必须专门进行设计，单独生产，标准化程度低，维护也困难。目前只在超高速微小切削电主轴上采用。

角接触混合陶瓷球轴承是目前数控木工镂铣设备电主轴应用较为广泛的高速轴承。轴承滚动体材料为氮化硅（Si3N4）陶瓷，内外圈采用轴承钢（GCr15）或不锈钢（9Cr18）。此类轴承标准化程度高，便于维护，特别适合高速运行场合，兼有高速、高刚度、大功率、长寿命等优点，目前90%的主轴组件采用这种类型的轴承。

3 数控木工镂铣设备高速电主轴结构设计技术分析

根据数控木工镂铣设备用高速电主轴的工作特性，下面将对主轴的选材、轴承的选型和主轴主要结构参数等进行设计与分析。

3.1 主轴材料的选择

由于数控木工镂铣设备加工的对象是木材或者木质复合材料，其力学性能为各向异性，因而电主轴工作时切削力波动大，受到瞬时冲击力也非常大，要求电主轴具有良好的抗冲击能力。普通主轴使用的材料难以满足电主轴的工作要求，必须针对木材加工的特点进行设计。

主轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。碳素钢比合金钢价廉，应力集中敏感度小，应用较为广泛。常用的碳素钢是30～50钢，其中最常用的是45钢，为达到更好的力学性能，需对材料进行调质或正火处理。合金钢机械强度较高、可淬性好，特别适用于要求轴颈耐磨性高、轴轻又能传递大功率的条件下使用。常用的合金钢有38CrMnAl、12CrNi2、12CrNi3、20Cr、40Cr和38SiMnMo等。根据数控木工镂铣设备用电主轴的工作特点，选用合金钢38CrMnAl作为主轴材料。38CrMnAl具有硬度高、耐磨、加工性好、抗疲劳能力强、综合机械性能优良等优点，既能满足木材的高速切削要求，又具备一定的经济性。

3.2 前端切削力F

按木材加工切削条件下，数控木工镂铣设备电主轴转速为25000r/min精加工时，分析切削力作用下主轴的承载状况。可用下式计算切削力（圆周平均切削力）F：

式中：F－切削力(N)；P－电机额定功率(KW)；η－主传动系统效率(η=0.98)；n－主轴转速(r/min)；D－主轴直径(mm)

3.3 主轴前悬伸量分析

主轴前支承点到主轴前端的距离称为前悬伸量，前后支承点之间的距离称为跨距。前悬伸的大小直接影响主轴组件的综合刚度。设计时，应尽可能缩小前悬伸量，综合考虑主轴端部结构、刀具安装形式、轴承类型和电主轴密封结构，初步得出前悬伸量。

3.4 轴承支承刚度

轴承的刚度可以表示为载荷与在载荷的作用下弹性变形量的比率。根据木材加工切削条件，参考国内外生产厂家生产的切削金属用电主轴技术资料，初定跨距L。根据式（1）计算出典型木材切削条件下主轴轴端受到的外载荷F，就可计算出前后支反力：

C1＝（a＋L）F／L (2)

C2＝C1－F (3)

式中：a－主轴悬伸量(mm)

由于轴承成对组配，所以前支承每个轴承支反力为C1/2，后支承每个轴承支反力C2/2，每个轴承为0.5F，径向力为：

Fr＝0.5F/tg15° (4)

则每个轴承总负载为：

F1＝C1/2＋Fr (5)

F2=C2/2＋Fr (6)

经计算分析，前后支承均选用SKF高精度角接触混合陶瓷球轴承，能够满足数控木工镂铣设备电主轴工作条件的要求。

3.5 主轴最佳跨距L0

主轴跨距L是指主轴相邻两支承的支承反力作用点之间的距离。合理选择跨距是主轴部件获得最大静刚度的重要条件之一。最佳跨距L0可按以下计算确定：

式中：Fr－径向力 (N) ；y－前端位移 (m)

式中:E－弹性模量（N/mm2）；a-主轴悬伸量（mm）；C1、C2－轴承支承刚度；L－主轴跨距（mm）；I1－主轴跨距部分的惯性矩（mm4）；；Ia-主轴悬伸段的惯性矩（mm4）

当主轴的D、d和a及支承刚度初步确定后，如果在L＝L0时，主轴轴端总位移位y最小，即主轴具有相对最大的刚度，则称L0为主轴部件的最佳跨距。

得到：

利用卡丹公式即三次方程求根公式可以求解，取其正实数根即为正解：

式中无量纲变量

4 结语

本文针对数控木工镂铣设备高速电主轴的结构特点，仅对电主轴部分关键技术和结构进行了分析和设计。对于其他方面的技术，如电主轴用高速电机设计以及高速电机调频、调速和安全防护方面的问题未作分析，可参照金属切削加工用的电主轴。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.067

苏冬胜(1973-)，工程硕士，讲师、工程师。主要研究方向为数控木工机械的应用与开发。

电主轴；数控木工镂铣设备；设计分析