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三江学院 毕业设计（论文） 院（系）_高等职业技术学院_ 专 业 _数控技术_ 设计（论文）题目 机床高速电主轴结构设计及性能分析研究 _ 学 生 姓 名_ _学号_A115101017_ 起 止 日 期_2013.12.162014.3.14_ 设 计 地 点_教学楼 _ 指 导 教 师_ _ 顾 问 教 师_ 教研室主任_ 教学院长（教学系主任）_ 日期 2014 年 2 月 27 日 目录 引 言 .3 1.电主轴概述 .3 1.11.1 电主轴的基本概念电主轴的基本概念.3 1.21.2 电主轴单元关键技术电主轴单元关键技术.3 1.2.11.2.1 高速精密轴承技术高速精密轴承技术.3 1.2.21.2.2 高速精密电主轴的动态性能和热态性能设计高速精密电主轴的动态性能和热态性能设计.3 1.2.31.2.3 高速电动机设计及驱动技术高速电动机设计及驱动技术.3 1.2.41.2.4 高速电主轴的精密加工和精密装配技术高速电主轴的精密加工和精密装配技术.3 1.2.51.2.5 高速精密电主轴的润滑技术高速精密电主轴的润滑技术.3 1.2.61.2.6 高速精密电主轴的冷却技术高速精密电主轴的冷却技术.3 1.31.3 高速电主轴发展及现状高速电主轴发展及现状.3 1.3.11.3.1 高速电主轴技术的发展及现状高速电主轴技术的发展及现状.3 1.3.21.3.2 主轴单元结构形式研究的发展主轴单元结构形式研究的发展.3 1.41.4 电主轴对高速加工技术及现代数控机床发展的意义电主轴对高速加工技术及现代数控机床发展的意义.3 1.51.5 内装式电主轴系统的研究内装式电主轴系统的研究.3 2.电主轴工作原理及结构 .3 2.12.1 电主轴的基本结构电主轴的基本结构.3 2.1.12.1.1 轴壳轴壳.3 2.1.22.1.2 转轴转轴.3 2.1.32.1.3 轴承轴承.3 2.1.42.1.4 定子与转子定子与转子.3 2.22.2 电主轴的工作原理电主轴的工作原理.3 2.32.3 电主轴的基本参数电主轴的基本参数.3 2.3.12.3.1 电主轴的型号电主轴的型号.3 2.3.22.3.2 转速转速.3 2.3.32.3.3 输出功率输出功率.3 2.3.42.3.4 输出转矩输出转矩.3 2.3.52.3.5 电主轴转矩和转速、功率的关系电主轴转矩和转速、功率的关系.3 2.3.62.3.6 恒转速调速恒转速调速.3 2.3.72.3.7 恒功率调速恒功率调速.3 2.3.82.3.8 轴承中径轴承中径.3 2.42.4 自动换刀装置自动换刀装置.3 3. 电主轴结构设计 .3 3.13.1 主轴的设计主轴的设计.3 3.1.1.3.1.1.铣削力的计算铣削力的计算.3 3.1.23.1.2 主轴当量直径的计算主轴当量直径的计算.3 3.23.2 高速电主轴单元结构参数静态估算高速电主轴单元结构参数静态估算.3 3.2.13.2.1 高速电主轴单元结构静态估算的内容与目的高速电主轴单元结构静态估算的内容与目的.3 3.2.23.2.2 轴承的选择和基本参数轴承的选择和基本参数.3 3.33.3 轴承的预紧轴承的预紧.3 3.43.4 主轴轴承静刚度的计算主轴轴承静刚度的计算.3 3.4.13.4.1 主轴单元主要结构参数确定及刚度验算主轴单元主要结构参数确定及刚度验算.3 3.4.23.4.2 主轴单元主要结构参数确定主轴单元主要结构参数确定.3 3.4.33.4.3 主轴强度的校核主轴强度的校核.3 3.4.43.4.4 主轴刚度的校核主轴刚度的校核.3 3.4.53.4.5 主轴的精密制造主轴的精密制造.3 3.53.5 主轴电机主轴电机.3 3.5.13.5.1 电机选型电机选型.3 3.63.6 主轴轴承主轴轴承.3 3.6.13.6.1 轴承简介轴承简介.3 3.6.23.6.2 陶瓷球轴承陶瓷球轴承.3 3.6.33.6.3 陶瓷球轴承的典型结构陶瓷球轴承的典型结构.3 3.73.7 主轴轴承精度对主轴前端精度影响主轴轴承精度对主轴前端精度影响.3 4.电主轴的润滑与冷却 .3 4.14.1 润滑介绍润滑介绍.3 4.1.14.1.1 润滑的作用和目的润滑的作用和目的.3 4.1.24.1.2 电主轴润滑的主要类型电主轴润滑的主要类型.3 4.1.34.1.3 油气润滑的原理和优点油气润滑的原理和优点.3 4.24.2 电主轴的冷却电主轴的冷却.3 4.2.14.2.1 电主轴的冷却方法电主轴的冷却方法.3 4.34.3 电主轴的防尘和密封电主轴的防尘和密封.3 5.电主轴的驱动和控制 .3 5.15.1 恒转矩变频驱动和参数设置恒转矩变频驱动和参数设置.3 5.25.2 恒功率变频驱动和参数设置恒功率变频驱动和参数设置.3 5.35.3 矢量控制驱动器的驱动和控制矢量控制驱动器的驱动和控制.3 5.45.4 主轴准停主轴准停.3 5.4.15.4.1 主轴的准停功能主轴的准停功能.3 5.4.25.4.2 主轴准停的工作原理主轴准停的工作原理.3 5.4.35.4.3 主轴准停控制方法主轴准停控制方法.3 6主轴动平衡 .3 6.16.1 动平衡介绍动平衡介绍.3 6.26.2 动平衡设计动平衡设计.3 7.电主轴应用中存在的主要问题及解决方法。 .3 7.17.1 什么原因造成主轴损坏什么原因造成主轴损坏.3 7.1.17.1.1 自动换刀（自动换刀（ATCATC）阀门泄漏）阀门泄漏.3 7.1.27.1.2 低压力脚真空低压力脚真空.3 7.1.37.1.3 主轴空气压力低主轴空气压力低.3 7.1.47.1.4 Z Z 轴耦合器磨损轴耦合器磨损.3 7.1.57.1.5 油浸透了空气过滤器油浸透了空气过滤器.3 7.1.67.1.6 主轴无冷却或冷却不够主轴无冷却或冷却不够.3 7.1.77.1.7 不能正常工作的空气干燥机不能正常工作的空气干燥机.3 7.1.87.1.8 不能正常工作的变频器不能正常工作的变频器.3 7.1.97.1.9 维修不当维修不当.3 7.27.2 夹头维护频率夹头维护频率.3 总 结 .3 致 谢 .3 参考文献 .3 机床高速主轴结构及性能分析 | 苏勰 6 / 59 引 言 高速机床是实现高速切削加工的前提和条件。高速数控机床是装备制造业的技术基础和 发展方向之一，是装备制造业的战略性产业。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主 轴的性能。高速铣床上的电主轴系统多采用高速电主轴。高速电主轴是由内装式交流变频伺 服电机直接驱动，机床主轴转速高，功率大，结构简单，在高转速下可保持良好的动平衡！ 数控铣床高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等几个部分，它影响加工系 统的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。高速高 精度主轴单元系统，应该具有刚性好、回转精度高、运转时温升小、稳定性好、功耗低、寿 命长、可靠性高等优点，同时，制造及操作成本也要中。要满足这些要求，主轴的制造及动 平衡、主轴的支撑、主轴系统的润滑和冷却、主轴系统的刚性等是很重要的。 高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等。不同类型的高速主轴单元 输出功率相差较大。高速加工机床主轴要求在极短的时间内实现升降速，并在指定位置快速 准停。这就需要主轴有较高的角减速度和角加速度。如果通过传动带等中间环节，不仅会在 高速状态下打滑，产生振动和噪声，而且增加转动惯量，给机床快速准停造成困难！ 电主轴是一种新型的机械结构形式。是一种主轴电机一体化的主轴单元，即所谓的内装 式电机主轴。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 和机床主轴旋转部分做成一体，主轴的变速范围完全由交流电机控制。这种结构大大简化了 主传动的机械结构，取消了带传动和齿轮传动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现 了机械的 “零传动” 。这种主轴电动机和主机主轴 “合二为一”的传动结构形式，使主轴 组件从主机的传动系统和整体结构中相对独立出来，可以做成 “主轴单元 ” ，通常称为 “电主轴” 。其英文的称谓有多种，比如 Electro-spindle、Motor Spindle 和 Motorized Spindle。它是随着电气传动技术 (变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的迅速发展而日 趋完善。由于电主轴主要采用交流高频电动机，也称为“高频主轴”(High Frequency Spindle)。由于没有中间传动环节 ，有时称为“直接传动主轴”(Direct Drive Spindle)。 电主轴是一种智能型功能部件，具有转速高、功率大、高速运行的可靠性和安全性等优点。 电动机内置于主轴部件后，不可避免的将会产生发热的问题，从而需要设计专门用于冷却电 动机的油冷或水冷系统。高频电动机要有变频器类的驱动器，以实现主轴转速的变换。高速 轴承有时要有专门的润滑装置。另外为了保证高速回转部件的安全，还要有报警及停车用的 传感器及其控制系统等一系列支持电主轴运转的外围设备和技术。因此， “电主轴”的概念 机床高速主轴结构及性能分析 | 苏勰 7 / 59 不应该简单的理解为只是一根主轴套筒，而是一个完整的、在机床数控系统监控下的子系统 总之，电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小及动态特性好和改善机床动平衡，避免振 动和噪声等特点发展越来越快。 而高速电主轴单元技术的发展，可以带动高速进给、高性 能道具、检测与控制等一系列相关技术的发展。因此各工业国家都十分关注电主轴单元技术 的研究与发展。 机床高速主轴结构及性能分析 | 苏勰 8 / 59 1.电主轴概述 1.11.1 电主轴的基本概念电主轴的基本概念 加工中心是集机、电、液、气、计算机和信息控制等各种技术于一体的机电一体化的典 型产品，最能体现高速、高效、超精、数字化及结构紧凑等当今最先进、最流行的技术水平。 它广泛应用于能源、交通、原材料、农机、军工、轻纺织机械、汽车、模具等各个工业部门 的机械制造领域中，它的技术水平高速及其在金属切削机床产量和总拥有量中的百分比是衡 量一个国家机械工业制造水平的重要标志。 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、油雾润滑装 置、冷却装置、内置编码器、换刀装置。高速主轴单元是高速机床最为关键的部件。高速主 轴单元的主要类型有电主轴、气动主轴、水动主轴等等。 主轴部件是加工中心的主要功能部件，是决定机床高速化和高精度的关键部分，始终是 机床技术发展的基础。随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制等）的迅速发展 和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，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 机床的“零传动” 。这种主轴电动机和主机主轴 “合二为一”的传动结构形式，使主轴组件 从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可以做成 “主轴单元 ” ，通常称为 “电主轴” 。其英文的称谓有多种，比如 Electro-spindle、Motor Spindle 和 Motorized Spindle 等等。它是随着电气传动技术 (变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的迅速发 展而日趋完善。由于电主轴主要采用交流高频电动机，也称为“高频主轴”(High Frequency Spindle)。由于没有中间传动环节 ，有时称为“直接传动主轴”(Direct Drive Spindle)。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大、具有调速范围广、振动噪 声小，而且便于控制、能实现定向准停、准速、准位等功能。 1.21.2 电主轴单元关键技术电主轴单元关键技术 电主轴单元是一套组件，它是一项涉及电主轴本身及其附件的系统工程，其系统框图如 图 2.1。电主轴单元所融合的技术主要包括以下几方面。 机床高速主轴结构及性能分析 | 苏勰 9 / 59 图 2.1 系统框图 1.2.11.2.1 高速精密轴承技术高速精密轴承技术 实现电主轴高速化和精密化的关键是轴承的应用。目前在大功率高速精密电主轴中应用 的轴承主要是角接触陶瓷球轴承和液体东静压轴承。空气轴承不时和于大功率场合，磁悬浮 轴承由于价格昂贵、控制系统复杂，其实用性受到限制。 角接触球轴承是精密数控机床常用的主轴支撑。由于滚球高速运转时会产生巨大的离心 力和陀螺力矩，采用陶瓷球和钢质套圈混合轴承成为一种选择。最常用的陶瓷球材料是 。陶瓷具有密度小、热膨胀系数小、弹性模量大和硬度高等优点。用它作为高速 43N Si 43N Si 主轴轴承的滚动元件，可大大减少滚球的离心力和陀螺力矩，从而使轴承获得高速度、低温 升和长寿命的性能。除混合轴承外，目前国内已开始在高速精密主轴上试验采用全陶瓷球轴 承，其内外套圈、保持架和陶瓷球采用的材料有、和聚四氟乙烯等。陶 2 ZrO 43N Si 32O Al 瓷球的等静压成型和烧结是保证陶瓷球强度的基础，球的加工精度靠加工和检测来保证。目 前国内滚球的加工精度可达 G5 级以上。对于全陶瓷球轴承，除陶瓷球外，陶瓷内外圈的精 密加工也是关键，需要设计专门的工装固定内外圈坯件才能实现精密加工，内外沟道的加工 精度的一致性也要靠恰当的工装和工序来保证。 尽管目前高速精密电主轴的支撑绝大部分为角接触陶瓷球轴承，但由于在极限转速和大 负载工况下滚动轴承的功能丧失很快，液体动静压轴承的研究一直为国内外电主轴企业及专 家重视。动静压轴承作为电主轴轴承的主要技术难点是实现高速化，对其关键技术的研究主 要有：动静压轴承的层流、紊流流体惯性的计算算法研究；动静压轴承层油腔结构的研究； 轴承温升及热变形控制技术的研究及润滑介质的研究等。 机床高速主轴结构及性能分析 | 苏勰 10 / 59 1.2.21.2.2 高速精密电主轴的动态性能和热态性能设计高速精密电主轴的动态性能和热态性能设计 高速精密电主轴设计目标要求主轴刚度高、精度高、抗振性好、可靠性高。传统的动力 学分析常常将轴承刚度用假设的弹簧代替，利用有限元或传递矩阵法等数值计算方法计算主 轴的各阶固有频率和振型，并在设计时使主轴的一阶固有频率高于设计的主轴最高转速所对 应的频率。该方法还能解释随着主轴速度升高，球轴承离心力变化导致主轴固有频率变化等 动力学现象。但该方法对球轴承刚度的非线性变化特点没有充分考虑。根据电主轴的实际运 行特点，有必要将“轴承主轴电动机轴承座”作为一个系统进行动力学分析， 同时充分考虑支承刚度非线性、主轴热扩散及热变形等热态性能对主轴动态性能的影响，并 对整个电主轴进行动态优化设计，而轴承系统的动力学仿真是基础。 主轴动态性能设计的关键技术有： 滚动接触界面的非线性刚度变化规律。滚动轴承的支承刚度与运转速度之间、载荷与 变形之间是非线性的关系，且由于有限个滚动体的存在、轴承元件接触表面的加工几何误差、 轴承材料的弹性及外力的变化等，使得轴承的刚度成为时变函数。在考虑定位预紧和定压预 紧两种预紧方式、计算球与内外圈沟道接触载荷和接触角的基础上，计算每个球与内外圈沟 道接触点的接触刚度，需要根据轴承内部变形的几何关系，提出合适的计算轴承径向刚度、 轴向刚度和角刚度的方法。 主轴的热变形和热扩散规律。高速精密主轴单元各零件的刚度及精密都较高，主轴的 弹性变形所引起的误差常常很小，而运动副间的摩擦发热和温升却不可避免。在各类误差中， 热变形引起的误差往往比其他误差更为突出。高速旋转状态下，主轴多个支承轴承和电动机 转子是电主轴多区段的主要热源，会直接导致主轴热变形，改变轴承的预紧状况，影响主轴 的加工精度，严重时甚至会烧毁轴承，导致主轴损坏。为了避免这种危害，对主轴热变形和 热扩散的研究至关重要，而建立高速精密主轴多区段热扩散、热变形及主轴热变形与振动耦 合规律的数学模型，是主轴系统动力学分析的一个关键。主轴热分析可在获得正确的主轴热 传导系数后，采用有限元法进行研究，预测主轴热变形后引起的间隙变化对轴承及主轴部件 性能的影响，并在主轴系统设计、制造、装配过程中做出补偿，防止主轴单元工作精度降低。 1.2.31.2.3 高速电动机设计及驱动技术高速电动机设计及驱动技术 电主轴是电动机与主轴结合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上 可以把主轴看作一台高速电动机，其关键技术是高速运动的动平衡。 电主轴实现高速化存在的问题，从机械方面考虑主要是轴承发热和振动问题；从设计方 机床高速主轴结构及性能分析 | 苏勰 11 / 59 面考虑主要是定转子功率密度和线圈发热问题；从驱动和控制角度考虑主要是调速性能问题。 异步型电主轴的主要优点在于结构简单、制造工艺相对成熟、驱动系统易于实现高速化，其 不足之处在于转子发热严重、低速性能不好、转子参数受温度影响大，难于实现精密控制。 异步型电主轴功率容量大、转速提高时，常常需配备中心冷却系统以降低主轴升温，同时， 在主轴结构设计时，对轴承采用恒压预紧方式，以克服主轴轴向热变形带来的影响。对于同 步型电主轴，其优点在于： 转子不发热，从原理上避免了旋转轴热变形和向轴承散热等问题。 转子无损耗，功率密度大，工作效率高，功率因数高，与同容量的异步电动机相比， 其驱动装置容量较小。 体积和重量大为减小，转动惯量小，易于快速起动和准停。 与同体积的异步电动机相比，其输出转矩大一倍以上。 低速性能好。 易于实现精密控制。 1.2.41.2.4 高速电主轴的精密加工和精密装配技术高速电主轴的精密加工和精密装配技术 为了保证电主轴在高速运转时的回转精度和刚度，其关键零件必须进行精密加工或超精 密加工。主轴单元的精密加工件包括主轴、箱体、先后轴承座以及随主轴高速旋转的轴承隔 圈和定位过盈套等。主轴与轴承的配合面、主轴锥孔与刀柄的配合面、主轴拉刀孔的表面、 主轴前后轴承德同轴度、主轴的径向圆跳动是必须保证的主要精度指标。主轴单元的精密装 配包括主轴与电动机转子、主轴与前后轴承、主轴与轴承隔圈和定位过盈套、主轴与刀具、 轴系于轴承座、轴承座与壳体之间的精密装配。精密装配要保证的主要两点是电主轴整体刚 度和整体的动平衡精度。围绕精密加工和精密装配开发的工装和专用机床是高速精密电主轴 核心技术的重要组成部分。此外，高速主轴上旋转刀具的装配也是精密装配工艺需要考虑的 因素。 1.2.51.2.5 高速精密电主轴的润滑技术高速精密电主轴的润滑技术 电主轴的润滑一般采用定时定量的油气润滑，也可以采用脂润滑，但其相应的速度要大 打折扣。定时就是指每隔一定的时间间隔注一次油，定量是指通过一个叫做定量阀的器件， 精确地控制每次润滑油的注油量。油气润滑，通常是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶 瓷球轴承。油气润滑技术中，油亮控制显得十分重要，如果过少，起不到润滑作用；过多， 又会在轴承高速旋转时因油的阻力而发热。 1.2.61.2.6 高速精密电主轴的冷却技术高速精密电主轴的冷却技术 机床高速主轴结构及性能分析 | 苏勰 12 / 59 为了尽快使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，而冷却剂的 温度通过冷却装置来保持。 1.31.3 高速电主轴发展及现状高速电主轴发展及现状 1.3.11.3.1 高速电主轴技术的发展及现状高速电主轴技术的发展及现状 早在 20 世纪 50 年代，就已经出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的 是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。随着高速切削发展的需要和功率 电子器件、微电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频器和矢量控制驱动器； 加上混合陶瓷球轴承的出现，使得在 20 世纪 80 年代末、90 年代初出现了用于铣削、钻削、 加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴。 国外高速电主轴技术发展较快，中等规格的加工中心的主轴转速目前己普遍达到 10000r/min 甚至更高。1976 年美国的 Vought 公司首次推出一台超高速铣床，采用了 Bryant 内装式电机主轴系统，最高转速达到了 20,OOOr/min，功率为 15KW。到 90 年代末期， 电主轴发展的水平是:转速 40,000 r/min，功率 40 KW(即所谓的“40-40 水平”)。但 2001 年美国 Cincinnati 公司为宇航工业生产了 Super Mach 大型高速加工中心，其电主轴最高转 速达 60,000 r/min，功率为 80 KW。 目前世界各主要工业国家均有装备优良的专业电主轴生产厂，批量生产一系列用于加工 中心和高速数控机床的电主轴。其中最著名的生产厂家有:瑞士的 FISCHE