数控车床高精密电主轴结构本科学位论文.docx
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数控车床高精密电主轴结构本科学位论文
毕业设计报告（论文）
报告（论文）题目：
数控车床高精密电主轴结构
设计
作者所在系部：
机械工程系
作者所在专业：
机械设计制造及自动化
作者所在班级：
1
作者姓名：
作者学号：
2
指导教师姓名：
完成时间：
2
摘要
本文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。
本设计通过利用网络工具、图书馆的书籍和各类期刊、杂志查阅了电主轴的相关知识，确定本设计符合要求，满足需要。
设计方法有：
查阅资料产生电主轴机械设计的基本思路，确定合理的电主轴结构；重点对电主轴的轴进行了设计，对轴承进行了分析选配，确定了电主轴轴承的选配原则；且充分利用相关知识按要求对本课题进行具体设计。
本设计采用的方法是理论设计与经验设计相结合的方案，所运用的资料来源广泛，内容充足。
实现本方案的可行性高。
关键词：
电主轴，定子，转子，关键技术，动平衡
Abstract
Thedesignsandworkingprincipleofelectricspindles、bearingtechnicalaswellascrucialtechnologyandsoonwasintroducedinthispaper.Electricalspindlesisbeingmadebyadirectmotorrotorofbehollowpackinmainshaftonandstatorknowssuper-coolingbutcoverfixes,whichformacompleteunitofmainshaftinthecasingholeofmainshaft,andthentheelectricityrotordirectlydrivetheoperationofmainshaft.Itsmainapplicationisbeingcompoundprocessmachinetoolandmuchaxletounitetomove,polyhedronprocessingmachinetoolandthemachinetoolofparallelconnectionin.Thisdesigncuttherelatedknowledgeofcentralfuselageaccordingwithrequirementthroughusingnetworktoolandmagazines,eachkindofperiodicalandthebooksinthelibraryandthendeterminingthedesign,whichsatisfiestheneeds.Thedesignmethodisasfollows:
First,lookupinformationtoproducethebasicthoughtoftheelectricalmechanicaldesignofmainshaft,determinethereasonableelectricalstructureofmainshaft.Then,thekeyaxleforelectricalmainshaftisdesigned,andanalyzeandchoosethematchforbearing,theelectricalbearingofmainshaftchoosetomatchprinciplehavedetermined;Userelatedknowledgefinallyfullypressrequirementforthisprogramcarryoutspecificdesign.
Themethodofdesigningadoptedtheschemetheoreticaldesignandexperiencedesign,andthedatasourcesutilizedwasadequatecontentextensively.Feasibilityofrealizetheschemeishigh.PracticeshowsthattheMS24015mainshaftofmillingmachinedesignsatisfiestherequest.
Keywords:
Electricalmainshaft，Stator，Rotor，Crucialtechnology，Dynamicbalancing
目录
摘要…………………………………………………………….……………………………..Ⅰ
ABSTRACT…………………………………………..…………………………………….Ⅱ
第1章电主轴概述1
1.1电主轴工作原理1
1.2电主轴的主要参数2
1.2.1电主轴主要参数2
1.2.2电主轴优点2
1.3电主轴装配注意问题3
1.3.1轴承的安装3
1.3.2电主轴装配顺序及工时4
1.3.3几个部位的修配5
第2章电主轴轴的设计6
2.1电主轴轴的设计6
2.1.1电主轴的参数6
2.1.2电主轴轴材料的选择6
2.1.3轴的结构设计8
2.1.4轴的校核10
2.2电主轴轴端的设计15
2.3电主轴过盈联结装置的设计16
第3章电主轴轴承技术17
3.1电主轴轴承的选择17
3.1.1类型的选择17
3.1.2轴承的工况分析18
3.2电主轴轴承的校核计算19
3.2.1滚动轴承寿命计算19
3.2.2电主轴轴承静载荷及极限转速20
3.3电主轴轴承的组合设计21
3.3.1支承端结构形式21
3.3.2轴承的配合22
3.3.3轴承座的刚度与同轴度22
3.3.4轴承的润滑22
第4章电主轴关键技术23
4.1电主轴润滑技术23
4.2热源分析及冷却23
4.3电主轴轴的动平衡24
4.3.1动平衡机原理24
4.3.2平衡机的使用24
4.4电主轴的运动控制25
致谢27
参考文献28
第1章电主轴概述
1.1电主轴工作原理
高速电主轴电机的绕组相位互差120°，通以三相交流电后，三相绕组各自形成一个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相迭加，合成一个强度不变，磁极朝一定方向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。
异步电动机的同步转速n由输入电机定子绕组电流的频率f和电机定子的极对数P决定（n=60f/p）。
电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。
在加速和制动过程中，通过改变频率进行加减速，以免电机温升过高。
由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。
电主轴是最近几年在数控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，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。
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。
而电主轴本身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。
电主轴所融合的技术：
高速轴承技术：
电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限。
高速电机技术：
电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。
关键技术是高速度下的动平衡；
润滑：
电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。
所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。
所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。
而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。
油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。
冷却装置：
为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。
内置脉冲编码器：
为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。
自动换刀装置：
为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等；
高速刀具的装卡方式：
广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。
这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀具。
高频变频装置：
要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。
1.2电主轴的主要参数
1.2.1电主轴主要参数
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。
电主轴通常装备在高速加工中心上，在设计电主轴时要根据用户的工艺要求，采用典型零件统计分析的方法来确定这些参数。
机床厂对同一尺寸规格的高速机床，一般会分两大类型，即“高速型”和“高刚度型”分别进行设计。
前者主要用于航空、航天等工业加工轻合金、复合材料和铸铁等零件：
后者主要用于模具制造、汽车工业中高强度钢或耐热合金等难加工材料和钢件的高效加工。
在设计电主轴时，还要注意选择有较好扭矩———功率特性和有足够宽调速范围的变频电动机及其控制模块。
1.2.2电主轴优点
一般说来,高速机床都是数控机床和精密机床,其传动结构的最大特点是实现了机床的“零传动”。
从机床的主传动系统来看,这种传动方式取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节（如皮带、齿轮、离合器等）,实现了主电动机与机床主轴的一体化。
这种传动方式有以下优点:
（1）机械结构最为简单传动惯量小,因而快速响应性好,能实现极高的速度、加（减）速度和定角度的快速准停（C轴控制）。
（2）采用交流变频调速和矢量控制的电气驱动技术,输出功率大,调速范围宽。
有比较理想的扭矩———功率特性（图1-1右）,一次装夹既可实现粗加工又可进行高速精加工。
图1-1扭矩—功率特性
电主轴的刚性好、回转精度高、快速响应性好，能够实现极高的转速和加、减速度及定角度的快速准停（C轴控制），调速范围宽。
不同类型输出功率相差较大，高速加工机床主轴需要在极短的时间内实现升降速，并在指定位置快速准停。
这就需要主轴有很高的角减速度和角加速度。
如果通过皮带等中间环节，不仅会在高速状态下打滑、产生振动和噪音，而且增加转动惯量，给机床快速准停造成很大困难。
目前，多数高速机床主轴采用内装式主轴电机一体化的主轴单元，即所谓内装式电机主轴，简称“电主轴”。
它采用无外壳电机，将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电机控制，使变频电机和机床主轴合二为一。
高速电主轴结构特点高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对高速电主轴各个部分进行精心设计和制造。
它按应用于不同机床中分为:
钻铣主轴、加工中心主轴、雕刻机主轴、磨床用电主轴等。
1.3电主轴装配注意问题
1.3.1轴承的安装
1.安装
轴承属于精密的机械部件，在安装前请勿打开包装，避免生锈。
对已经脂润滑的轴承及双侧具油封或防尘盖，密封圈轴承可直接安装，不必清洗。
轴承的安装过程中，必须掌握一个原则，即只能通过相应套圈来传递安装力或力矩。
（1）压入配合
轴承内圈与轴是紧配合，外圈与轴承座孔是较松配合时，可用压力机将轴承先压装在轴上，然后将轴连同轴承一起装入轴承座孔内，压装时在轴承内圈端面上，垫一软金属材料做的装配套管（铜或软钢）。
轴承外圈与轴承座孔紧配合，内圈与轴为较松配合时，可将轴承先压入轴承座孔内，这时装配套管的外径应略小于座孔的直径。
如果轴承套圈与轴及座孔都是紧配合时，安装时内圈和外圈要同时压入轴和座孔，装配套管的结构应能同时压紧轴承内圈和外圈的端面。
（2）加热配合
通过加热轴承或轴承座，利用热膨胀将紧配合转变为松配合的安装方法。
是一种常用和省力的安装方法。
此法适于过盈量较大的轴承的安装，热装前把轴承或可分离型轴承的套圈放入油箱中均匀加热80-100℃，然后从油中取出尽快装到轴上，为防止冷却后内圈端面和轴肩贴合不紧，轴承冷却后可以再进行轴向紧固。
轴承外圈与轻金属制的轴承座紧配合时，采用加热轴承座的热装方法，可以避免配合面受到擦伤。
用油箱加热轴承时，在距箱底一定距离处应有一网栅，用钩子吊着轴承，轴承不能放到箱底上，以防沉杂质进入轴承内或不均匀的加热，油箱中必须有温度计，严格控制油温不得超过100℃，以防止发生回火效应，使套圈的硬度降低。
推力轴承的轴圈与轴的配合一般为过渡配合，座圈与轴承座孔的配合一般为间隙配合，因此这种轴承较易安装，双向推力轴承的中轴圈应在轴上固定，以防止相对于轴转动。
轴承的安装方法，一般情况下是轴旋转的情况居多，因此内圈与轴的配合为过赢配合，轴承外圈与轴承室的配合为间隙配合。
轴承安装好后要进行检查，应保证轴承安装到位，旋转灵活，无卡滞现象，如轴承安装不当，会使轴承温度迅速上升而损坏，发生轴承卡死断裂等重大事故。
2.轴承的使用和保管
（1）在轴承使用时，保持周围环境的洁净，不要粘上手汗和污物。
规定由熟悉轴承的人员使用，特别需要小心伤、压痕、欠损等。
为保证轴承的使用性能，应根椐设备的作业标准，定期对轴承进行维护、保养和检修，内容包括监控运行状态、补充润滑剂、定期拆卸检查。
（2）轴承不得直接在地上储存（需离地30cm以上），避免直射光线和阴冷的墙壁。
为了防止生锈，保管在温度20℃左右、湿度65％以下的环境中，轴承放置在酸性空气中，容易生锈、变色，要用手套、木棉回丝擦拭轴承、轴、外壳，垃圾进入轴承内部和配合部分是发生异常的原因，因此需要注意。
1.3.2电主轴装配顺序及工时
1.配隔垫0：
20
2.清洗壳体，油路0：
40
3.试水套，清孔0：
24
4.入定子0：
30
5.动平衡1：
00
6.装轴4：
00
7.拉轴，调试，打字
8.接打件，焊插座1：
10
9.包装
可见，其中用时最长的是装轴，因为轴的某些精度就的靠装配来保证的。
其次是动平衡。
高速轴的动平衡一定要做好，否则轴的旋转精度没法保证。
1.3.3几个部位的修配
一般修配的零件尺寸为尺寸链中的封闭环。
在车床所用电主轴170YGC10D中的修配部位主要是前小盖的高度尺寸。
第2章电主轴轴的设计
本设计参考的是无锡阳光精机有限公司生产的170YGC10D型车床电主轴，根据设计任务加以改进。
2.1电主轴轴的设计
2.1.1电主轴的参数
根据任务书要求，本次设计电主轴的转速为0-10000r/min，这种转速在当今的电主轴发展来看不是很高，根据需求，我们选择电机功率3.2kw，采用变频调速器进行转速的控制。
本设计所应用车床最大加工直径320mm。
结构参考170YGC10D型车床电主轴结构。
2.1.2电主轴轴材料的选择
本设计的电主轴的主轴部分，我们选择的材料为42Cr。
这是因为：
1.从微观组织性能角度讲
（1）合金元素Cr对钢中基本相的影响
Cr属于合金元素，这种元素强化效果较弱，可溶于渗碳体形成合金渗碳体或与碳形成特殊碳化物。
合金渗碳体和特殊碳化物具有较高的熔点和稳定性。
在加热至高温时也不易溶入奥氏体，因此可起阻止奥氏体晶粒长大的作用。
另外，它又具有较高的硬度。
当它在钢中弥散分布时，可大大提高钢的强度，硬度及耐磨性，而不降低韧性，这对提高工件的使用性能极为有利。
（2）合金元素Cr对
相图的影响
在碳钢中加入合金元素，将使Fe-Fe3C相图发生改变。
加入Cr这种合金元素会使奥氏体区缩小。
而缩小奥氏体区的合金元素，使
和
温度升高，S点和E点向左上方移动。
含碳量相同的合金钢和碳钢相比，具有不同的显微组织。
在一般的合金钢中，虽然合金元素总量减少，但由于S点左移，在退火状态合金钢中珠光体的相对量较相同含碳量的碳钢多。
因此钢的强度也较高。
（3）合金元素对钢相变过程的影响
对于大多数合金钢来说，所要求的性能主要是通过合金元素对相变过程的作用来实现的。
合金元素对奥氏体形成的影响
碳化物形成元素Cr，显著降低碳的扩散速度而大大降低奥氏体的形成速度。
除Mn、P外几乎所有合金元素都能阻止奥氏体晶粒长大，起细化晶粒作用。
合金元素形成物的倾向越大，所形成的碳化物的熔点越高、越稳定，在加热时越难溶于奥氏体中，而是存在与奥氏体晶界上，强烈地阻止奥氏体晶粒的长大。
而弱碳化物形成元素Cr作用中等。
合金元素对过冷奥氏体转变的影响
合金元素对过冷奥氏体转变的影响,表现在改变A体等温转变图的位置、形状和改变
、
点。
除Co外，几乎所有合金元素溶于奥氏体后都会降低原子扩散速度，增大过冷奥氏体的稳定性，从而使A体等温转变图在温度-时间坐标中的位置向右移。
这样降低了钢的马氏体临界冷却速度，从而提高了钢的淬透性。
Cr、Mn就是常用的提高钢的淬透性的合金元素。
合金元素对回火转变的影响
合金元素对回火转变的影响主要表现在以下三个方面；提高回火稳定性；产生二次硬化；引起回火脆性。
而Cr这两种合金元素提高回火稳定性作用较强，易产生二次硬化，可避免引起回火脆性。
2.从宏观的角度讲
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：
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。
合金钢机械性能更高，常用于制造高速、重载的轴，或受力大而要求尺寸小、重量轻的轴。
至于那些处于高温、低温或腐蚀介质中工作的轴，多数用合金钢制造。
常用的合金钢有：
12CrNi2、12CrNi3、20Cr、40Cr、38SiMnMo等。
通过进行各种热处理、化学处理及表面强化处理，可以提高用碳钢或合金钢制造的轴的强度及耐磨性。
特别是合金钢，只有进行热处理后才能充分显示其优越的机械性能。
合金钢对应力集中的敏感性高，所以合金钢轴的结构形状必须合理，否则就失去用合金钢的意义。
另外，在一般工作温度下，合金钢和碳钢的弹性模量十分接近，因此依靠选用合金钢来提高轴的刚度是不行的，此时应通过增大轴径等方式来解决。
球墨铸铁和高强度铸铁的机械强度比碳钢低，但因铸造工艺性好，易于得到较复杂的外形，吸振性、耐磨性好，对应力集中敏感性低，价廉，故应用日趋增多。
综合宏观和其微观这两方面，我所设计的电主轴的主轴的材料选择40Gr。
2.1.3轴的结构设计
轴的结构设计的任务，就是在满足强度、刚度和振动稳定性的基础上，根据轴上零件的定位要求及轴的加工、装配工艺性要求，合理地定出轴的结构形状和全部尺寸。
在本设计中，轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成。
轴上被支承部分—轴颈；安装轮毂部分—轴头；连接轴颈和轴头的部分—轴身。
1.零件在轴上的定位
零件在轴上的轴向定位：
零件在轴上的轴向定位方法，主要取决于它所受轴向力的大小。
此外，还应考虑轴的制造及轴上零件装拆的难易程度、对轴强度的影响及工作可靠性等因素。
常用轴向定位方法有：
轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、圆锥形轴头等。
由于车床所用电主轴要求转速高，转矩小，故轴向定位我们选择轴肩，轴环，圆螺母定位。
（1）轴肩：
轴肩由定位面和过度圆角组成。
为保证零件端面能靠紧定位面，轴肩圆角半径必须小于零件毂孔的圆角半径或倒角高度；为保证有足够的强度来承受轴向力，轴肩高度值为h=（2-3）R。
（2）轴环：
轴环的功用及尺寸参数与轴肩相同，宽度b≥1.4h。
若轴环毛坯是锻造而成，则用料少、重量轻。
若由圆钢毛坯车制而成，则浪费材料及加工工时。
（3）圆螺母：
当轴上两个零件之间的距离较大，且允许在轴上切制螺纹时，可用圆螺母的端面压紧零件端面来定位。
2.零件在轴上的圆周向定位
定位方式根据其传递转矩的大小和性质、零件对中精度的高低、加工难易等因素来选择。
常用的圆周向定位方法有：
键、花键、弹性环、销、过盈等联结，通称轴毂联结。
由于该主轴转速很高，在轴上不允许出现不对称的结构，而键、花键、弹性环、销等结构不是出现不对称结构是在轴上开槽，降低轴的刚度，故轴的圆周向定位我们选择过盈联结。
另外，轴的结构应尽量简单，有良好的加工和装配工艺性，以利减少劳动量，提高劳动生产率及减少应力集中，提高轴的疲劳强度。
因为轴的结构设计须在经过初步强度计算，已知轴的最小直径以及轴上零件尺寸（主要是毂孔直径及宽度）后才进行详细校核。
所以，综上所述，其主要步骤为；
（1）确定轴上零件装配方案
由于本设计采用过盈配合，所以在轴安装过程中可以采用低温环境或者油浸加热的方法进行安装，用液压注入地方法进行拆卸，用这种方式来保证轴及其转子等零件的精度不受影响甚至损坏。
（2）确定轴上零件定位方式
①轴向定位
常用轴向定位方法有：
轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、圆锥形轴头等。
由于车床所用电主轴要求转速高，转矩小，故轴向定位我们选择轴肩，轴环，圆螺母定位。
②圆周向定位
常用的圆周向定位方法有：
键、花键、弹性环、销、过盈等联结，通称轴毂联结。
由于该主轴转速很高，在轴上不允许出现不对称的结构，而键、花键、弹性环、销等结构不是出现不对称结构是在轴上开槽，降低轴的刚度，故轴的圆周向定位我们选择过盈联结。
（3）确定各轴段直径
①轴前轴颈的直径D1、后轴颈D2及内孔直径d可按下列公式酌定：
D1=0.2Dmax±15（mm）
D2=（0.7～0.85）D1（mm）
d=0.1Dmax±10（mm）（2-1）
式中：
Dmax—最大加工直径。
本设计最大加工直径320mm，由上述公式可酌定取值：
D1=50mm，D2=40mm，d=22mm，
②主轴前端悬伸量a的选择
首先应尽可能的缩短a，在满足设计的前提下尽可能选小值。
也可按下式确定:
a/D1=0.6～1.5即a=42—105（2-2）
式中：
D1=主轴前端直径
③主轴合理跨距L的选择
一般根据主轴上面各个零件的轴
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