电主轴结构三维设计Word文档格式.docx
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摘要：
电主轴作为高速数控机床最关键部件，其性能好坏在很大程度上决定了整台高速机床的加工精度和生产效率。
电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。
电主轴主要具有结构简单响应性能好，以及转动惯量、功率损耗相对较小等优点，这是满足现代数控机床产品高速运转和进行精密加工的基础。
本设计阐述了电主轴的发展概况、现状以及趋势，并介绍了电主轴的工作原理及主要结构。
然后，通过利用查阅资料确定24000r/min 磨床电主轴结构设计的基本思路，设计出合理的电主轴结构，重点对电主轴的主轴进行了设计和校核，并对电机轴承进行了选择和校核。
最后，运用Catia对该电主轴进行了三维设计。
关键词：
磨床电主轴结构设计校核三维
Abstract:
Theelectricspindleasahigh-speedCNCmachinetoolsthemostcriticalcomponents,itsperformanceisgoodorbadlargelydeterminethehigh-speedmachiningaccuracyandproductivity.Electricalspindlesisbeingmadebyadirectmotorrotorofbehollowpackinmainshaftonandstatorknowssuper-coolingbutcoverfixes,whichformacompleteunitofmainshaftinthecasingholeofmainshaft,andthentheelectricityrotordirectlydrivetheoperationofmainshaft.Theelectricspindlehasasimplestructureresponseperformance,andmomentofinertia,thepowerlossisrelativelysmall,etc.,whichmeetthehigh-speedoperationofthemodernCNCmachinetoolsandprecisionmachining.Thedesigndescribedtheoverviewofthedevelopment,currentstatusandtrendsoftheelectricspindle,anddescribestheworkingprincipleandmainstructureoftheelectricspindle.Then,bytakingadvantageofaccesstoinformationtodetermineareasonableelectricspindlestructure24000r/minGrinderSpindlebasicideaofthestructuraldesign,design,focusingonthespindleoftheelectricspindledesignandverification,andmotorbearingselectionandverification.Finally,theuseofCATIAthree-dimensionaldesignofthespindle.
Keywords:
Electricgrinderspindle;
Structuraldesign;
Verification;
Three-dimensional
引 言
高速加工技术越来越受到人们的关注，它不仅可获得更大的生产率，而且还可获得很高的加工质量，并可降低生产成本，因而被认为是21世纪最有发展前途的先进制造技术之一。
当代4大先进制造技术之一的超高速切削具有高切削速度、高进给速度和高加工精度的特性。
是继数控技术之后使制造技术产生又一次重大变革的一项高新技术，具有极高的生产效率。
而研制和开发超高速机床，是实现超高速加工的基本前提，其中实现高速加工最根本、最关键的技术是实现高的切削速度，而高速切削的主要执行者高速主轴就在所难免的担起了主要的作用。
高速电主轴是高速加工机床的核心功能部件，开发拥有自主知识产权的电主轴是机械加工行业的迫切需求。
电主轴是最近几年在机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，在中高档数控机床中应用广泛。
它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。
变化，没有自己的独特产品。
我国大型数控车床用实用型电主轴的开发始于1998
我国高速电主轴的设计制造技术刚刚起步,目前尚未形成批量生产规模，电主轴的各项性能指标和国外尚有较大的差距。
虽然现在能够生产高速切削机床的企业已有约20多家，但大多部分以引进技术为主，基本上靠调整加工中心来实现轴的
年，目前正以蓬勃的发展势头迎头追赶世界水平。
洛阳轴承研科技股分有限公司作为国内电主轴领域的龙头企业，基本代表了国同机床的电主轴的最高水平。
其他厂商如安阳RABBIT、无锡机床厂、济宁博特精密丝杠、汉江机床厂、北京机床所等一批企业也在数控机床用电主轴的一发与研究方面也作出了很好的尝试。
在电主轴的设计中有几个要特别注意的，如电机的放置形式、轴承的选用、润滑系统、冷却系统、动平衡等。
它们是决定电主轴是否能实现高速旋转的关键因素。
本毕业设计主要介绍了电主轴的工作原理、轴的设计、轴承技术以及关键技术等。
电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。
它主要应用在复合加工机床、多轴联动、多面体加工机床和并联机床中。
本设计研究的主要内容本设计的主要内容如下：
（1）24000r/min磨床电主轴总体结构设计；
（2）24000r/min磨床电主轴的设计与校核；
（3）轴承的选择、装配和密封；
（4）绘制磨床电主轴装配图和主轴零件图；
（5）用CATIA软件进行磨床电主轴三维制图。
第一章电主轴概述
1.1电主轴的基本结构
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1—后盖，2—转子轴，3—后螺母，4—后轴承，5—后外隔垫，6—后内隔垫，7—后轴承座，8—
导套，9—轴承座套，10—弹簧垫，11—冷却套，12—定子，13—平衡环，14—壳体，15—前大盖，16—前外隔垫，17—前内隔垫，18—前轴承，19—前小盖，20—前螺母，21—防尘罩。
图1-1 电主轴结构示意图
电主轴由主轴及壳体、辅助装置、检测装置组成。
如图2-1所示，电机转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则有前后轴承支撑。
转子定子通过内水套装于主轴单元的壳体中。
主轴的变速由主轴驱动模块控制，而主轴单元内的温升由冷却装置
控制。
1.2电主轴的工作原理
电主轴作为机床的核心部件，它将机床主轴与交流伺服电机轴合二为一，即将电主轴的定子、转子直接装入主轴组建的内部，并经过精确的动平衡校正，具有良好的回转精度和稳定性，形成一个完美的高速主轴单元，也被称为内装式电主轴，其间不再使用皮带齿轮传动副,从而实现机床主轴系统的“零传动”,通电后转子直接带动主轴运转。
1.3电主轴的特点
（1）高回转精度磨削中心的主轴是装夹工件的基准，并将运动传递给工件，因此主轴的回转精度直接影响加工精度。
为保证电主轴在高速运转的回转精度，其关键零件必须进行精度加工和超进度加工，选用尺寸和精度等级合适的轴承，采用合
理的装配方案。
（2）高刚度 主轴刚度反应主轴单元外载荷的能力，尤其进行磨削加工时，切屑量较大，主轴要承受很大的径向力。
为了保证加工精度、避免震动，要求电主轴具备较高的刚度，特别是径向刚度。
（3）抗震性强 机车加工时，主轴部件不仅受静态力的作用，同时还受其他冲击力和交变干扰力的作用而产生震动。
震动是主轴动态性能的重要指标，震动会产生噪声，并直接影响工件加工表面质量，震动严重时会产生崩刃现象。
因此，电主轴的抗震性要强。
（4）电机特性优良 数控机床要求有较广的加工范围，这就要求电主轴既要有优良的低速加工性能，又要有好的高速加工性能。
在起步及低速段采用恒转矩调速，保证低速有较大的输出转矩，满足低速大进给的切屑要求。
而高速段采用恒
功率调速，可满足小切屑量的高转速要求。
对一些低速要求高的电主轴，应采用
高性能的矢量变频控制。
（5）热性能稳定 由于电主轴将高速电机置于主轴部件内部，高速运转时，电机转子、定子和轴承的发热量很大，并引起热变形，直接影响机床的工作性能和加工精度，因此要求电主轴的热性能稳定。
1.4电主轴的关键技术
1）高速电机技术
电主轴是主轴与电机融合在一起的产物，主轴的旋转部分是电机的转子，所以可以把电主轴看成一台高速电机，其关键技术是高转速下的动平衡。
2）高速轴承技术
电主轴通常采用静压轴承、陶瓷球轴承及电磁悬浮轴承，根据用户需要，也有部分采用钢球轴承。
目前，磁悬浮轴承支撑是最有发展前途的一种电主轴支承形式。
3）润滑、冷却技术
对于球轴承可以采用脂润滑，但缺点是转动时会产生阻力和增加温升。
对于电
主轴一般采用定时定量油气润滑，所谓定时，就是间隔一定的时间注一次油，所谓定量，就是通过定量阀，准确的控制每次润滑油量；
油气润滑，指的是再压缩空气的携带下，润滑油被吹入轴承。
油量的控制很重要，太少，不能起到润滑作用；
大多，再轴承高速运转时会因阻力大而产生的热量多。
为了尽快给降低高速运转的电主轴温度，可以对建筑之的外壁进行循环冷。
4）传感技术
为了实现准确的进给、多轴联动、相位控制、自动换到等动作，电主轴需要内置一脉冲编码器。
5）高速刀具和换刀技术
传统机床的ISO、BT道具，经实践证明不能满足高速加工的要求。
这种情况下出现了HSK、SKI、CAPTO等结构的告诉道具。
为了满足加工中心要求，电主轴要配备能自动换刀的装置，包括拉杆、蝶形弹簧、拉刀汽缸。
6）主轴中心冷却技术
7）主轴轴向尺寸动态补偿技术
转速在30000r/min之内的电主轴，都可以采用刀具中心冷却，冷却液压力一般为80bar（8MPa）。
电主轴对位置精度要求极高，可以在电主轴上安装一检测元件来检测轴的轴向尺寸变化，转化成1/10um的单位尺寸变化量模拟信号，送到数控装置进行闭环的动态尺寸补偿。
8）高频变频技术
电主轴的内置高速电机的驱动可以采用高频变频装置，变频器的输出频率可以达到几千Hz，可满足主轴每分钟几万甚至十几万转的转速要求。
9）主轴驱动和数控系统接口技术
可以采用高性能的主轴矢量驱动装置，可选择Fanuc、Siemens、Indramat等品牌的主轴驱动装置。
电主轴系统既提供模拟接口，也提供数字接口，数控接口要能与任何系统匹配。
10）电主轴的制造工艺技术
对电主轴的制造工艺要求很严格，这种结构要求有一系列新的关键技术，如主轴支承形式及其润滑系统设计、高速主轴的动平衡设计、电动机的冷却系统设计、高速刀具单元的设计等，它们影响着高速旋转主轴的可靠性和稳定性，及高效精密加工的实现。
1.5电主轴的主要参数
电主轴的主要参数有：
（1）主轴最高转速和恒功率转速范围
（2）主轴的额定功率和最大扭矩
（3）主轴前轴颈直径和前后轴承的跨距等
其中主轴最高转速、前轴颈直径和额定功率是基本参数。
本次设计的磨削电主轴的主轴最高转速为24000r/min，前轴颈直径为35mm，主轴的额定功率为4Kw。
1.6电主轴的运动控制
在数控机床中，电主轴通常采用变频调速方法。
目前主要有普通变频驱动和控制、矢量控制驱动器的驱动和控制以及直接转矩控制三种控制方式。
普通变频为标量驱动和控制，其驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正比。
普通变频控制的动态性能不够理想，在低速时控制性能不佳，输出功率不够稳定，也不具备
C轴功能。
但价格便宜、结构简单，一般用于磨床和普通的高速铣床等。
1.6.1普通变频为标量驱动和控制
矢量控制技术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法来
实现驱动和控制，具有良好的动态性能。
矢量控制驱动器在刚启动时具有很大的转矩值，加之电主轴本身结构简单，惯性很小，故启动加速度大，可以实现启动后瞬时达到允许极限速度。
这种驱动器又有开环和闭环两种，后者可以实现位置和速度的反馈，不仅具有更好的动态性能，还可以实现C轴功能；
而前者动态性能稍差，也不具备C轴功能，但价格较为便宜。
1.6.2直接转矩控制及矢量控制
直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流调速技术，其控制思想新颖，系统结构简洁明了，更适合于高速电主轴的驱动，更能满足高速电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求，已成为交流传动领域的一个热点技术。
第二章电主轴的总体结构设计
2.1电主轴轴上零件的布局形式
拟定轴上零件的布局形式是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。
所谓布局形式，就是拟定出轴上主要零件的布局，顺序和相互关系。
如图2-1的布局形式是：
防尘罩、前端盖、前轴承、定子和转子部件、平衡环、后轴承、后端盖。
1—后盖，2—转子轴，3—后螺母，4—后轴承，5—后外隔垫，6—后内隔垫，7—后轴承座，8—导套，9—轴承座套，10—弹簧垫，11—冷却套，12—定子，13—平衡环，14—壳体，15—前大盖，16—前外隔垫，17—前内隔垫，18—前轴承，19—前小盖，20—前螺母，21—防尘罩。
图2-1 24000r/min电主轴示意图
根据主轴电机和主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴有两种布局形式：
（1）主轴电机置于主轴前后轴承之间。
这种布局形式是一般电主轴的基本结构形式。
其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度高、出力大，适用于中、大型高速加工中心，目前大多数电主轴都采用这种结构。
（2）主轴电机置于主轴后轴承之后。
这种布局方式有利于电机的散热和减少电主轴前端的径向尺寸。
但这种布局方式使电主轴的轴向尺寸变大，在小型高速数控机床应用较多，尤其适用于模具型腔的高速精密加工。
本设计中采用电机置于前后轴承之间的布局形式。
2.2轴上零件的定位
为了防止轴上零件受力时发生沿轴向和周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求外，都必须进行轴向和周向定位，以保证准确的工作位置。
2.2.1轴上零件的轴向定位
轴上零件的轴向定位是以轴肩、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等来保证的。
如图2-1，拟定轴承的定位方式为轴肩定位、套筒定位、轴承端盖定位，拟定轴端用圆螺母定位，轴承端盖用螺钉定位。
轴肩定位是最简单可靠的方法，但使用轴肩定位会使轴的直径加大，而且轴肩处将因截面突变而引起用力集中。
套筒定位结构简单定位可靠，轴上不需开槽、钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度，一般用于俩个零件之间的定位。
圆螺母定位可承受较大的轴向力，但轴上螺纹处有较大的应力集中，会降低轴的疲劳强度。
2.2.2零件的周向定位
轴向定位的目的是限制轴上零件与轴发生转动。
其周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合，其中紧定螺钉只用于传力不大处。
主轴在高速下运转
时，动平衡要求非常高，电机转子与机床主轴之间不宜采用键联结来传递扭矩。
为了
解决上述问题，我们在电主轴的结构设计中采用了的过盈联结结构。
2.3电主轴轴的动平衡
电主轴的最高转速一般在10000r/min以上，有的高达60000～100000r/min，主轴运转部分微小的不平衡量，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。
因此必须对电主轴进行严格的动平衡。
主轴及主轴上的零件都要经过十分精密的加工、装配和调校，使主轴组件动平衡精度达到0.4级以上的水平。
主轴动平衡常用方法有两种：
去重法和增重法。
小型主轴和普通电机常采用 去重法。
该法是在电机的转子两端设计有去重盘，当电机转子和其他零件安装到 主轴上以后进行整体动平衡时，根据要求由自动平衡机在转子的去重盘处切去不平衡量。
增重法是近年来某些主轴电机制造商为适应高速主轴发展的需要，在开发出商品化的无框架主轴电机上常采用的方法。
电机转子的两端设计有平衡盘，平衡盘的圆周
方向设计有均匀分布的螺纹孔，转子安装到主轴上以后进行主轴组件整体动平衡时，不是在平衡盘上去重，而是在螺纹孔内拧入螺钉，以螺钉的拧入深度和周向位置来
平衡主轴组件的偏心量。
转轴是高速电主轴的主要回转主体。
它的制造精度直接影响电主轴的最终精度。
成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高，转轴高速运转时，由偏心质量引起振动，严重影响其动性能，必须对转轴进行严格动平衡测试。
部分安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡测试。
2.4电主轴的润滑方式选择
高速电主轴的润滑主要指主轴轴承的润滑，一般以脂润滑和油雾润滑两种方 式为主。
轴承润滑主要根据以下润滑方式：
（1）油脂润滑
脂润滑在dn值（即滚动轴承的速度极限）较低的电主轴中是较常见的润滑方
式．脂润滑型高速电主轴结构简单，使用方便，无污染，通用性强，但主轴温升较高，工作寿命较短。
维修方便，是广泛使用的一种高速电主轴润滑方式。
（2）油雾润滑油雾润滑具有润滑和冷却双重作用，它以压缩空气为动力，通过油雾器将油液雾化并混入空气流中，然后输送到需要润滑的地方。
当电主轴高速旋转时，油雾可在轴承沟道内形成流体动力润滑油膜．油雾润滑属持续润滑，油雾经过油路，源源不断进入轴承，有利于高速电主轴稳定工作。
油雾润滑所需设备简单，
（3）油气润滑油气润滑技术是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承，微小油滴在滚动和内、外滚道间形成弹性动压油膜，而压缩空气则可带走轴承运转所产生的部分热量。
实践表明在润滑中供油量过多或过少都是有害的，而前两种润滑方式均无法准
确地控制供油量多少，不利于主轴轴承转速和寿命的提高。
而新近发展起来的油气润滑方式则可以精确地控制各个摩擦点的润滑油量，可靠性极高。
实践证明，油气润滑是高速大功率电主轴轴承的最理想润滑方法，但其所需设备复杂，成本高。
主轴部件中最重要的组件是轴承，由于主轴转速很大，回转精度要求很高，由于本设计中的电主轴转速 24000r/min，采用油脂润滑方式即可满足设计要求，所以本设计选用油脂润滑方式。
2.5冷却系统的设计
电主轴中电机高速旋转所产生的发热和轴承的摩擦发热，是不可避免的。
机床工作时，在内、外热源的作用下，主轴系统的各个部分会产生不同程度的温升。
升温后，主轴和机床其他部件的空间相对位置和尺寸都将与温升前不同，形成不
同的温度场，进而产生不同程度的热膨胀，导致加工误差。
因此通过对高速电主轴的冷却系统的设计改良，来控制电主轴的温升，减小电主轴的热膨胀，对于保证电主轴性能和提高其使用寿命，是至关重要的。
2.5.1热源的主要构成
电动机和轴承是主要的发热源。
具体的热源主要可分为三部分：
（1）主轴电动机内置于机床主轴的结构中，电机高速旋转所产生的发热，是其结构内部的主要的热源。
（2）电动机转子在主轴壳体内的高速搅动，使内腔中的空气也会发热，这些热源产生的热量，主要通过主轴壳体和主轴进行散热，所以电动机产生的热量有相当一部分会通过主轴传到轴承上去，因而影响轴承的寿命，并且会使主轴产生热伸长，影响加工精度。
（3）随着主轴转速的升高，主轴轴承的摩擦所产生的发热量也随之增大。
2.5.2冷却系统的冷却路线
该磨床电主轴主要是通过在主轴壳体内加冷却油，并不断的循环，把热量带走，
来进行冷却的（如图2.2）。
其基本的冷却路线是：
首先从主轴冷却油温控制器流出
冷却油，经过在靠近后盖1的冷却环套上入水口，使冷却油进入后端轴承2的外围，
7
4
3
2
1.后盖 2.后轴承 3.转子 4.定子 5.电机冷却套 6.前轴承 7.壳体
图2.2 电主轴冷却设计
并对后端轴承2进行冷却。
接着通过液压把冷却油挤向电动机冷却套5，对主轴的
定子4 、转子3和前端轴承6进行冷却，最后从壳体7的出水口，流回主轴冷却油温控制器完成循环。
第三章电主轴的结构设计与校核
3.1主轴材料的选择
轴材料的选择首先应有足够的强度，对应力集中敏感性低；
还应满足刚度、耐磨性、耐腐蚀性及良好的加工性。
常用的材料主要有碳钢、合金钢、球墨铸铁和高强度铸铁。
选择轴的材料时，应考虑轴所受载荷的大小和性质、转速高低、周围环境、轴的形状和尺寸、生产批量、重要程度、材料机械性能及经济性等因素，选用时注意如下几点：
（1）碳钢有足够高的强度，对应力集中敏感性较低，便于进行各种热处理及机械加工，价格低、供应充足，故应用最广。
一般机器中的轴，可用
30、40、45、50等牌号的优质中碳钢制造，尤以45号钢经调质处理最常用。
（2）合金钢机械性能更高，常用于制造高速、重载的轴
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