磨削是种精密加工方法，传统的磨削技术加工余量小，生产效率低。近年来，随着与磨削密切相关技术的发展，磨削技术出现了些新概念，如高效中砂轮的圆周速度超过100 /s，突破了传统的磨削速度极限，使磨削性能发生了根本的变化，真正实现了优质与高效并举。高速磨削在国外已得到迅速发展和应用，在国内已引起高度重视高速磨削是基于其相关技术的发展而发展的。

　　这里所述的相关技术是指高速磨削中所涉及到的相关技术，如各种超硬磨具（金刚石或BN砂轮）的制造、使用和修整高速主轴系统及其回转支承技术机床的高刚度、高抗振性的动态设计，精密测量系统，供液冷却系统等。本文就高速高效磨削中BN砂轮的应用和电磁轴承用于主轴支承的设计这两项最关键的技术进行较深入的分析和研究。

　　1 BN砂轮及其应用高速磨削主要加工黑色金属类材料，目前最适合这种加工场合的磨料就是BN磨料。这种BN（ubi Boron Nitride ）超硬材料是由美国通用电气公司于1957年首先合成的。正是这种BN磨料的出现，才为磨削技术开辟了新的应用前景。BN磨料与普通磨料相比有很大的差别，该磨料具有如下些性能：（1 ）硬度高、耐磨性好、寿命长。硬度仅次于金磨料的两倍，磨削比是AL（2 ）热稳定性高、化学惰性好。热稳定性可达1300℃～1400℃，耐热温度大大高于金刚石砂轮与铁族元素呈化学惰性，比金刚石更能抵抗铁、钴、镍的化学侵蚀。

　　（3 ）磨削温度低。导热性能好，是AL磨料（4 ）加工表面质量好。磨削的表面粗糙度低，表面呈压应力状态，避免了普通磨削中存在的表面微裂纹。

　　（5 ）零件加工工序短。在高速或强力磨削中，BN磨削可在次调整中完成传统的铣、磨、抛光等多道工序内容，缩短了加工工序。

　　BN砂轮因制作工艺方法不同分为两大类：结合剂型和电镀型。我们采用电镀BN砂轮。这种砂轮镀层薄，成本较低，结合剂对BN磨料把持力强，磨削速度可达250 /s以上，可对工具钢、磨具钢、不锈钢、耐热合金、钛合金等金属材料及复合材料进行高效磨削。国外已有许多厂家生产BN磨床，其BN砂轮磨削速度由通常的40 /s ～60 /s 正向100 /s以上的高速发展。如德国Guehring Autoation公司生产的BN磨床，速度高达100 达200 /s德国Aahen 工科大学在实验室采用了速度为508 /s的BN砂轮，这种速度已突破了机床与砂轮的工作极限。目前，国内已有单位正在开展BN砂轮及其应用技术的研究，进行BN磨床零部件设计实例分析与经验交流《机械设计》2000年3 月№3 的设计，但主轴系统采用电磁轴承技术的还未见报道。

　　2 电磁轴承技术的应用对于应用超高速磨削的BN磨床来说，主轴系统中支承技术的设计研究是项关键技术。只有将磨削速度提高到100 /s以上，才能把BN砂轮的优点发挥得淋漓尽致。传统的球轴承及滑动轴承，由于其摩擦阻力大，已不能适应这种超高速磨削的要求动静压轴承则集成了静压轴承和动压轴承的优点，轴承刚度高，但无负荷功率损失较大，而且随着主轴转速的上升而增加空气轴承可用于极高的主轴转速，但其刚度较低。近年来出现的陶瓷球轴承和电磁轴承正广泛应用于高速的主轴系统中，在国外，电磁轴承作为机电磁体化的高新技术产物，以其独特的优越性在高速主轴系统的设计中正越来越受到工程技术人员的青睐，如法国的Soiete de 和德国的Kapp公司都成功地在其高速磨床的砂轮主轴系统上使用了电磁轴承。

　　2 .1电磁轴承的特点电磁轴承是种利用电磁力将转子悬浮于空间的新型高性能轴承，与普通轴承相比，电磁轴承具有如下特点：（1 ）无机械接触，无磨损，能耗低，噪声小，寿命长。

　　（2 ）不需润滑和密封，无污染，可在真空或腐蚀性介质中工作。

　　（3 ）电子线路控制，可靠性高，易于维护。高刚度且刚度、阻尼在线可调。进行动态控制可以抵抗转子不平衡力引起的振动，克服陀螺效应等问题。

　　（4 ）转子的圆周速度高，回转精度高，因此转子可实现径向、轴向超精加工的微进给。

　　（5 ）对传感器及控制电路要求高，因而总的制造费用较高。

　　2 .2电磁轴承在主轴系统中的应用般磨床主轴系统的设计要求限定五个自由度，仅留个回转自由度。针对这特点，我们进行了五个自由度控制的磨床主轴电磁轴承的结构设计（图1 ）。主轴转速可达30 000 r/in ，砂轮圆周速度可达到150 /s以上。

　　3 电磁轴承的设计对电磁轴承理论的深入研究表明，电磁轴承的正确设计不仅是保证承载力和稳定悬浮的前提，要提高电磁轴承的各项性能指标，在设计阶段就必须考虑设计参数对性能指标的影响。严格地说来，电磁轴承的设计应当和整个机电系统的设计并考虑。由于电磁轴承的特殊性，关于系统的动力学设计比传统的油润滑轴承更加复杂。对于油润滑轴承来说，人们无须担心润滑介质在转子振动过程中是否能够提供预期的刚度和阻尼，但对于电磁轴承来说，却完全可能由于磁饱和或电源电压、控制电流的限制从而使电磁轴承在定工况下无法提供相应的刚度和阻尼。这个问题我们在文献中已进行了研究。另个重要问题是：磁饱和，磁场力与电流、位移之间的强非线性关系以及组成电磁轴承的线圈绕组的电感作用构成了电磁轴承在设计过程中的多重约束和限制。使得电磁轴承的设计

复杂且需要反复调整。往往需要在多组数据中进行协调选择。

　　本文关于电磁轴承的设计参数值是在考虑上述问题的基础上得到的。本文对BN磨床电磁轴承设计的特殊问题作了详细分析。考虑到BN砂轮高速磨削的要求，对磨床主轴系统规定了如下些指标：（1 ）径向轴承1 ：静态负载F 载F （2 ）推力轴承：动态负载F （3 ）单边工作气隙δ（4 ）转子最大振幅Δδ（5 ）环境温度40℃，允许温升60℃1 ， 8. 保持轴承2 ， 7. 径向传感器3 ， 6. 径向轴承4.电机5.推力轴承9.砂轮10. 轴向传感器3 .1径向轴承的设计3 .1.1径向轴承承载力的设计片铁芯。每4 个磁极（NSSN）组成个电磁铁。为减小电磁轴承的体积，选用优质硅钢片，饱和磁感应强度为1 .8T.考虑到高速磁轴承的调节电流可能会大于最大承载力确定的电流值以及温升等因素的影响，避免进入磁饱和，铁芯磁感应强度最大值B 《机械设计》2000年3 月№3 实例分析与经验交流零部

件设计在电磁轴承的设计阶段，承载力是首要解决的问题。可采用简化的磁路（不考虑铁芯磁阻、漏磁及涡流）进行计算。在均匀气隙磁通情况下，对于双气隙双激磁线圈磁路，由安培环路定律得气隙磁感应强度公式：式中：μ空气磁导率NI磁动势（N 为线圈匝数， I为激磁电流）δ表示单边工作气隙。

　　当仅考虑整个磁路截面积相同，均匀气隙磁通产生的吸力（忽略边缘效应）采用麦克斯韦公式计算：式中：S 有效磁极面积。

　　根据图2 所示结构，沿坐标轴方向可得到的最大吸力为：式中：B 磁感应强度最大值h 叠片厚度D 转子直径由于转子结构和轴承磁铁的大小是相互依赖的，其承载力可由图3 确定。由图3 可知，选择转子直=1 200 N的要求。但本设计对主轴的长度有限制。为设计出刚度很大，弯曲振型超出工作转速之上的主轴转子，转子的长度越短越好。但考虑许可离心负荷等因素并根据系统设计要求，选择转子3 .1.2径向轴承其它参数的设计其它参数的设计步骤般是通过对磁动势的计算，设计出静态工作点电流和绕组匝数。计算绕组的电感量和电阻，最后须对温升进行估算。

　　磁动势可由下式确定：=6 A. 径向轴承x 方向无静态负载，左右两个电磁铁的静态电流均为I 3 A.y 方向要承担静态负载（此处为转子的重量），所以上、下电磁铁的静态工作点电流应分别设计为：每束N 匝线圈的电感量L 为：式中：S 单个磁极的面积。

　　表示每束N 匝线圈的电阻。τ表示实际温升。值得注意的是，在满足承载力的情况下，无论是大电流低绕组匝数还是小电流高绕组匝数励磁都可以，但实际要考虑电感量、功率放大器及线圈温升的要求等，我们选取第2 组数据作为最终设计数据。

　　序号线圈匝数N 3 .2推力轴承的设计磁极面积的方法使磁动势减小。这样减少了线圈匝数。而且对推力盘及其铁芯的磁感应强度的最大值要求不高，可采用价格相对便宜的硅钢片。双磁极单束N 匝线圈激励时，电磁吸力由下式计算：式中：S 磁极的有效面积和S 内外环磁极面积，则S 由式（7 ）和式（8 ）确定环外径d 和d 由窗口面积确定零部件设计实例分析与经验交流《机械设计》2000年3 月№3 3 .2尺寸误差引起的楔角α散布分析3 .2.1各项尺寸误差对楔角α影响程度分析可见，在尺寸误差值相同的情况下，星轮工作表面圆弧的偏心误差引起的楔角α变化量，远远大于其工作表面偏心圆弧R 的尺寸误差和外环孔半径R 的尺寸误差引起的楔角α变化量。因此，严格控制星轮工作表面圆弧的偏心误差是控制楔角α散布的根本措施。

　　3 .2.2工作过程中的磨损对楔角α的影响分析工作过程中，滚柱与星轮工作表面、外环孔接触点的相对运动速度相同，作用力也相近。星轮工作表面的磨损使R 减小，外套孔的磨损使R 增大。在满足式（3 ）的情况下，由式（4 ）、（5 ）可知，ΔR 楔角α影响程度和增减特性相同。所以，星轮工作表面、外环孔的磨损对楔角α的影响可以相互补偿。

　　由本文2 可知，在满足式（3 ）的情况下，磨损造成滚柱半径r 的变化，对楔角α的影响最小。

　　4 控制楔角α散布的措施综合本文3 .2的分析，控制楔角α的散布可采取以下措施：=R 2 r进行结构尺寸设计，以保证滚柱半径r 的变化对楔角α影响最小。

　　4 .2对星轮工作表面圆弧的偏心误差进行重点质量控制。

　　4 .3使星轮工作表面和外环孔的表面特性致，保证它们的磨损对楔角α的影响可以相互抵消。

　　4 .4提高星轮工作表面和外环孔表面的耐磨性，以防止过量磨损引起工作表面曲率半径和偏心距的变化。

　　5 传统设计中存在的问题由于对偏心圆弧的超越离合器结构尺寸误差缺乏足够的认识，传统的设计资料所提供的结构尺寸公差不够科学。例如，对滚柱的直径、外环的内径公差要求过严，而对星轮工作表面圆弧的偏心公差要求过低等。

　　参考资料机床设计手册。编辑委员会编。机械工业出版社。

　　参数设计值转速径向轴承1 径向轴承2 推力轴承总功率4 结束语电磁轴承应用于BN砂轮磨床的主轴系统中，与传统的各种高速主轴支承技术相比，具有易于维护、高速、高刚度等无可比拟的优点。运用数字控制，还可开发操作中进行过程监控功能。应用这种技术的BN磨床，虽然初期投资成本较高，但其优越的使用性能使其综合经济效益较高。因而在国外正获得越来越广泛的应用。我们期望国内的科研机构，工厂企业的研究人员积极努力共同开拓这应用技术，尽早将电磁轴承技术应用于各类BN磨床中。