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1. 引言
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，各行各业对高速数控机床的需求与日俱增。随着世界经济不断发展，企业间的竞争越来越激烈，面对入世后更新更高更强的挑战,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。
2. 内置式电主轴床头箱简介
电主轴是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。其结构简单紧凑、功率损耗小、转动惯量小，可代替以往的皮带或齿轮减速的分离式主轴电机，使高速数控机床实现零传动，提高主轴电机的切削速度、快速响应能力和控制精度。
电主轴是一套组件，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。其主轴轴承通常采用复合陶瓷轴承、电磁悬浮轴承、静压轴承、滚珠轴承。润滑方式通常采用油雾润滑、定时定量油气润滑、脂润滑。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。
3.电主轴装配工艺的关键技术及工艺方案的确定
3.1 电主轴装配工艺的关键技术：电主轴床头箱虽然机械结构较为简单，但其制造工艺却非常严格。由于电主轴转速较高，且拆装困难，因此如何控制好主轴的预紧力，前后轴承的温度，主轴的动平衡，定子与箱体的装配，转子与主轴的热装，水套防漏等均是电主轴装配工艺的关键技术。
3.2电主轴工艺方案的确定
3.2.1箱体加工工艺方案：箱体前后轴承的精度直接影响到装配后主轴的精度，箱体定子安装孔与箱体轴承安装孔是否同轴，直接影响电主轴主轴电机的功率，箱体定子安装孔与定子水套外径间隙的大小，直接影响定子能否顺利地压装入箱体内、是否与转子同心。由于电主轴箱体其结构与一般床头箱略有不同，其主轴前后轴承不是直接安装在箱体上，而是安装在前后端盖上。
3.2.2.主轴加工工艺方案：由于主轴前后支撑径的精度，直接影响主轴装配后的精度和轴承的预紧。主轴内孔的圆度及与外圆的同轴度，直接影响主轴的动平衡。主轴与定子内孔的配合过盈量，直接影响定子的热装。因此为防止主轴内孔与外圆不同心，造成主轴不平衡，主轴粗车后钻内孔，精车后再精车内孔。为消除加工应力，主轴淬火后采用低温时效。
3.2.3 装配工艺方案确定：电主轴床头箱的装配主要针对电主轴床头箱拆装困难，主轴预紧力的选择，主轴的动平衡，定子与床头箱压装， 转子与主轴热装，防漏等关键技术进行了细致的研究，制定了详细的装配工艺方案。
4.电主轴主要装配工序分析
4.1复检床头箱精度：将床头箱前后端盖销钉取下，研合销钉的接触率在90%以上，取下前后端盖，重新安装，送三坐标复检轴承安装孔精度，按检测结果和轴承外环与箱体孔的间隙修复箱体轴承孔。
4.2复检主轴精度：检测主轴各主要轴径位置精度。
4.3组装主轴组件
4.3.1主轴预紧：电主轴最突出的问题之一是内藏高速电机的发热，由于主电机旁边就是主轴轴承，电机的发热直接会影响主轴轴承的温升，如果主轴轴承预紧力过大，导致主轴温升过高，会直接降低轴承的工作精度。如果主轴轴承预紧力过小，又会影响主轴的刚度。再加上电主轴为高速主轴，主轴运动部分微小不平衡量，都会引起巨大的离心力造成机床的振动，影响加工精度和表面质量，降低机床寿命，因此主轴的预紧力和主轴组件的不平衡量必须在安装前确定好。
4.3.2主轴组件动平衡：电主轴为高速主轴，主轴运动部分微小不平衡量，都会引起巨大的离心力，造成机床的振动，影响件工精度和表面质量，降低机床寿命，因此电主轴装配时必须控制好主轴组件的不平衡量。
4.4组装床头箱：由于电主轴装配后拆装非常困难，为进一步测试主轴预紧力是否合理，主轴前后轴承温升是否过高，在不安装转子定子的情况下组装床头箱，进行运车试验。
为防止泄漏，将前后水套安装前后法兰盘上，分别将前、后水套组件通入15bar压力冷却水，进行2小时试漏。
4.5安装定子：1MR310F-A12定子，是将冷却套安装一起供货，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，加工時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。
4.6转子装配：1MS310F-6A-A1转子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。
4.6.1安装转子 ：a) 把转子置于准备工作夹具中，O 型圈一端必须处于顶部。b) 将转子放入加热箱加热至180℃-200℃。c) 将主轴垂直装入转子，加上小于50Kg的力使主轴与转子完全压合。
4.6.2 热应力变形：热套期间，主轴和转子过盈配合能产生应力，这些应力能引起主轴变形，采用油加力到过盈配合中可以消除这些应力和变回原状
4.6.3检验主轴：检测热装后转子对主轴支撑轴线跳动为是否≤0.04复检主轴精度。
4.6.4主轴组件精动平衡：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调整螺钉，保证主轴组件的不平量G≤0.4。
4.7 装配箱体：在定子与转子装配好后，重新组装箱体。a) 以主轴箱前端为基准，垫硬竖直安放主轴箱。b) 将主轴组件套入箱体内并紧固螺钉。c) 安装后背帽。
4.8 电气检验：为确保电主轴装配后安全运转，电主轴装配后应进行高压试验，，短路检验。
4.9 整机运车试验：为进一步验证主轴转速是否满足要求，了解主轴冷、热状态下精度变化及主轴前后轴承温度变化情况、轴承预紧力是否合理、了解主轴电机装配后功率及扭矩实际输出情况是否合理、了解圆光栅安装是否满足要求、验证主轴单元动平衡指标是否合理，进行整机试验。
5. 结束语
通过采用上述方法装配出的电主轴，经过整机对主轴运车试验，电主轴各项技术指标能够满足设计要求。通过本次对电主轴加工、装配工艺探索与研究，对电主轴加工、装配方法，转子、定子安装过程有了更进一步了解。掌握了电主轴装配所需关键技术数据和工艺方法。
参考文献
［1］《制造技术与机床 》
［2］《机械工艺学》
［3］《IBM内装主轴电机设计手册》
（作者单位：辽宁省高速公路管理局应急处置中心）
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，各行各业对高速数控机床的需求与日俱增。随着世界经济不断发展，企业间的竞争越来越激烈，面对入世后更新更高更强的挑战,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。
2. 内置式电主轴床头箱简介
电主轴是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。其结构简单紧凑、功率损耗小、转动惯量小，可代替以往的皮带或齿轮减速的分离式主轴电机，使高速数控机床实现零传动，提高主轴电机的切削速度、快速响应能力和控制精度。
电主轴是一套组件，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。其主轴轴承通常采用复合陶瓷轴承、电磁悬浮轴承、静压轴承、滚珠轴承。润滑方式通常采用油雾润滑、定时定量油气润滑、脂润滑。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。
3.电主轴装配工艺的关键技术及工艺方案的确定
3.1 电主轴装配工艺的关键技术：电主轴床头箱虽然机械结构较为简单，但其制造工艺却非常严格。由于电主轴转速较高，且拆装困难，因此如何控制好主轴的预紧力，前后轴承的温度，主轴的动平衡，定子与箱体的装配，转子与主轴的热装，水套防漏等均是电主轴装配工艺的关键技术。
3.2电主轴工艺方案的确定
3.2.1箱体加工工艺方案：箱体前后轴承的精度直接影响到装配后主轴的精度，箱体定子安装孔与箱体轴承安装孔是否同轴，直接影响电主轴主轴电机的功率，箱体定子安装孔与定子水套外径间隙的大小，直接影响定子能否顺利地压装入箱体内、是否与转子同心。由于电主轴箱体其结构与一般床头箱略有不同，其主轴前后轴承不是直接安装在箱体上，而是安装在前后端盖上。
3.2.2.主轴加工工艺方案：由于主轴前后支撑径的精度，直接影响主轴装配后的精度和轴承的预紧。主轴内孔的圆度及与外圆的同轴度，直接影响主轴的动平衡。主轴与定子内孔的配合过盈量，直接影响定子的热装。因此为防止主轴内孔与外圆不同心，造成主轴不平衡，主轴粗车后钻内孔，精车后再精车内孔。为消除加工应力，主轴淬火后采用低温时效。
3.2.3 装配工艺方案确定：电主轴床头箱的装配主要针对电主轴床头箱拆装困难，主轴预紧力的选择，主轴的动平衡，定子与床头箱压装， 转子与主轴热装，防漏等关键技术进行了细致的研究，制定了详细的装配工艺方案。
4.电主轴主要装配工序分析
4.1复检床头箱精度：将床头箱前后端盖销钉取下，研合销钉的接触率在90%以上，取下前后端盖，重新安装，送三坐标复检轴承安装孔精度，按检测结果和轴承外环与箱体孔的间隙修复箱体轴承孔。
4.2复检主轴精度：检测主轴各主要轴径位置精度。
4.3组装主轴组件
4.3.1主轴预紧：电主轴最突出的问题之一是内藏高速电机的发热，由于主电机旁边就是主轴轴承，电机的发热直接会影响主轴轴承的温升，如果主轴轴承预紧力过大，导致主轴温升过高，会直接降低轴承的工作精度。如果主轴轴承预紧力过小，又会影响主轴的刚度。再加上电主轴为高速主轴，主轴运动部分微小不平衡量，都会引起巨大的离心力造成机床的振动，影响加工精度和表面质量，降低机床寿命，因此主轴的预紧力和主轴组件的不平衡量必须在安装前确定好。
4.3.2主轴组件动平衡：电主轴为高速主轴，主轴运动部分微小不平衡量，都会引起巨大的离心力，造成机床的振动，影响件工精度和表面质量，降低机床寿命，因此电主轴装配时必须控制好主轴组件的不平衡量。
4.4组装床头箱：由于电主轴装配后拆装非常困难，为进一步测试主轴预紧力是否合理，主轴前后轴承温升是否过高，在不安装转子定子的情况下组装床头箱，进行运车试验。
为防止泄漏，将前后水套安装前后法兰盘上，分别将前、后水套组件通入15bar压力冷却水，进行2小时试漏。
4.5安装定子：1MR310F-A12定子，是将冷却套安装一起供货，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，加工時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。
4.6转子装配：1MS310F-6A-A1转子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。
4.6.1安装转子 ：a) 把转子置于准备工作夹具中，O 型圈一端必须处于顶部。b) 将转子放入加热箱加热至180℃-200℃。c) 将主轴垂直装入转子，加上小于50Kg的力使主轴与转子完全压合。
4.6.2 热应力变形：热套期间，主轴和转子过盈配合能产生应力，这些应力能引起主轴变形，采用油加力到过盈配合中可以消除这些应力和变回原状
4.6.3检验主轴：检测热装后转子对主轴支撑轴线跳动为是否≤0.04复检主轴精度。
4.6.4主轴组件精动平衡：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调整螺钉，保证主轴组件的不平量G≤0.4。
4.7 装配箱体：在定子与转子装配好后，重新组装箱体。a) 以主轴箱前端为基准，垫硬竖直安放主轴箱。b) 将主轴组件套入箱体内并紧固螺钉。c) 安装后背帽。
4.8 电气检验：为确保电主轴装配后安全运转，电主轴装配后应进行高压试验，，短路检验。
4.9 整机运车试验：为进一步验证主轴转速是否满足要求，了解主轴冷、热状态下精度变化及主轴前后轴承温度变化情况、轴承预紧力是否合理、了解主轴电机装配后功率及扭矩实际输出情况是否合理、了解圆光栅安装是否满足要求、验证主轴单元动平衡指标是否合理，进行整机试验。
5. 结束语
通过采用上述方法装配出的电主轴，经过整机对主轴运车试验，电主轴各项技术指标能够满足设计要求。通过本次对电主轴加工、装配工艺探索与研究，对电主轴加工、装配方法，转子、定子安装过程有了更进一步了解。掌握了电主轴装配所需关键技术数据和工艺方法。
参考文献
［1］《制造技术与机床 》
［2］《机械工艺学》
［3］《IBM内装主轴电机设计手册》
（作者单位：辽宁省高速公路管理局应急处置中心）