数控铣床高速主轴设计完成.doc

大连交通大学2005届本科生毕业设计（论文）如需要整套毕业设计请联系QQ 1416916016全部内容包括图纸，开题报告，外文翻译，PPT，任务书，进度表等，内容完整质量保证摘 要高速加工是以大幅度提高切削速度来达到提高生产率、加工精度、加工质量和降低成本的现代制造技术。在现代制造技术中，高速切削技术已成为一个不可阻挡的发展潮流。高速机床是实现高速切削的首要条件，而高速电主轴是高速机床的核心部件，因而对高速电主轴单元的动静态特性进行分析，优化结构设计，对提高高速机床性能有十分重要意义。具体包括：1.通过对结构设计中一些关键性的技术问题（如轴承选型、主轴单元结构参数静态估算等）的解决，完成电主轴结构设计。2.对高速电主轴单元典型工艺参数下主轴所受切削力、主轴轴承静刚度、主轴单元主要结构参数和高速电主轴单元临界转速等参数进行了静态估算。分析计算，验证了主轴结构设计的合理性。高速数控机床（CNC）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。数控机床高速电主轴单元影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。 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。目前，随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统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，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”(ElectricSpindle,Motor Spindle)。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”（High FrequencySpindle)。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接传动主轴”（Direct Drive Spindle)。电主轴的优点是电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。关键词:高速加工;高速电主轴;动静态特性ABSTRACTHigh-speed machining is an advanced manufacturing technology which can increasing productivity，precision，quality of the product and reducing production costs by raising uttiang speed dramatically，Now，nothing can stop its development。High-Speed machine tool is the precondition for realizing high-speed machining。High-speed motorized spindle is a crucial unit of the high-speed。So，it is important to optimize the construction design on improving the performance of the high-speed machine tool by studying the static and dynamic characteristics of High-Speed motorized spindle. Details of studies are as follows,1.The construction of the motorized spindle is designed based on solving some critical problem in construction design such as choice of bearings ,static estimate of this pindles construction parameter.2.The principal parameter of the spindle such as the cutting force this pindle undergone on condition that typical process parameter is used，the static stiffness of bearing for the motorized spindle，the crucial construction parameter of the spindle unit and the critical otation rate of the spindle unit are estimated on static condition.Analysis and calculation, the rationality of the design of spindle structure. High-speed nc machine tools (CNC) is the equipment manufacturing industry technology and development direction of the equipment manufacturing industry, is one of the strategic industry. The performance of high-speed nc machine tools, first depends on the performance of high-speed spindle. High-speed electric spindle unit CNC machining systems affect precision, stability and application scope, the dynamic performance and stability of high-speed machining plays a key role. High-speed spindle unit types are mainly motorized spindle, pneumatic spindle, water etc. Different types of high-speed spindle unit output power differ considerably. At present, with the electrical transmission technology (frequency conversion motor vector control technology, the rapid development of technology, etc.) and improvement, high-speed nc machine main transmission system of mechanical structure has been greatly simplified, basically cancelled belt wheel drive and gear. The spindle motors directly from inside the machine to drive, the length of the main transmission chain to zero, zero transmission machine. The Spindle Motor Spindle conflated with the transmission structure form, make the Spindle component of machine tool from the whole structure of transmission system and the relative independence, therefore, it can be made Spindle unit, electric Spindle (which ElectricSpindle, Spindle). Because the electric spindle mainly adopts the High frequency electric motor, it is also called (High frequency spindle Frequency Spindle). Because no middle transmission links, sometimes called it Direct transmission shaft Spindle Drive (as). Motorized spindle is electric spindle has advantages of light weight, compact structure, small, small vibration, the inertia of fast response and low noise, and the advantages of high speed, power, simplified machine design, easy to realize spindle speed spindle unit, is a kind of ideal structure。the rationality of the spindle design and construction validated.Key words：High-speed machining。High-speed motorized spindle。static and dynamic performances目 录第一章 绪论61.1 前言61.2 概述71.3电主轴结构研究现状81.4电主轴动态特性研究现状81.5电主轴热态特性研究现状9第二章 电主轴现状及发展趋势112.1高速电主轴介绍及其优越性112.2电主轴所融合的技术122.3电主轴单元系统组成122.4电主轴单元特点132.5电主轴的应用现状132.6电主轴的发展趋势142.7电主轴对高速加工及现代数控机床发展的意义15第三章 电主轴结构设计163.1本课题研究主要内容163.2主要目的163.3电主轴基本结构及其工作原理163.4电主轴结构设计163.5 高速电主轴轴端的选择183.6主轴结构参数的确定193.6.1主轴外圆平均直径D设计193.6.2主轴内径d的确定203.6.3主轴悬伸量a的确定203.6.4主轴支承跨距L的确定213.7热稳定性设计213.8主轴静刚度校核22第四章 主轴电机选择234.1电机选择23第五章 电主轴轴承255.1电主轴轴承比较及选择255.2滚动轴承的配置形式275.3轴承的润滑285.4提高轴承性能的方式305.4.1轴承的预紧305.4.2轴承的滚道进行涂层315.5轴承的刚度32第六章结论与展望346.1结论346.2展望34谢 辞36参考文献3739第一章 绪论1.1 前言由于消费者多样化的需求和生产者降低成本的需要，各种具有高生产率和高灵活性的生产体系逐渐建立起来，其中自动换刀数控机床承担着核心任务，近来，对提高机床加工效率有了更进一步的高速、高精度、高效的要求，人们不断地对主轴、进给、刀具交换等各个系统进行技术开发，因此，相应地出现了如电主轴驱动单元、滚珠丝杠、直线导轨等功能部件。电主轴（是“高频主轴”High Frequency Spindle的简称），又称内装式电机主轴单元，其主要特征是将电机内置于主轴内部直接驱动主轴，实现电机、主轴一体化的功能。是省略齿轮传动、变速装置（如皮带、联轴节）等中间传动件的直接驱动方式。 电主轴最早是用在轴承行业。轴承套圈加工过程中，内表面磨削工序中，砂轮直径以及电主轴轴伸端直径均受工件内孔尺寸限制，为取得较好的表面光洁度，需要选择最佳磨削线速度，普通砂轮33-40米/秒，高速砂轮42-50米/秒。因此磨削直径越小的内孔，需要砂轮主轴的转速越高。皮带主轴不能在超过20000转/秒的速度下稳定工作，必须选用电主轴。另外内圆砂轮工作表面小，容易钝化和堵塞，对内表面磨削工效的提高带来一定难度。以我国洛阳轴承厂205轴承磨加工为例，内外套圈平磨、外磨总工时为0.4328分钟/套，而内磨总工时则为1.0977分钟/套。而选用合理的大功率高刚度高精度砂轮磨削电主轴是重要的提高轴承生产效率的简易可行的工艺措施。我们开发的GDZ18-24高刚度、大功率电主轴外径150功率7.5千瓦，砂轮线速度可达50米/秒，转轴轴径比一般同类产品粗10mm其刚度和功率比一般同类产品均提高近1倍。在湖北襄阳轴承厂用该轴在MZ2015磨床上进行磨削试验，磨削208和308轴承时，与随机床所带同类转速的电主轴比较，在同样条件下磨削光洁度提高一级，振动减小，几何精度也有提高。磨削效率由56件/秒提高到37件/秒。内磨生产效率的提高即意味着制造成本的降低。磨削工艺在机械制造行业中占有相当重要的地位。随着科技的进步，我国轴承工业的技术发展近年来也加快了步伐。一批新兴的轴承厂飞速发展，形成新的大型生产集团。机械行业制造精度的提高，高精度主轴轴承的应用越来越广泛和普及。由于变频技术的成熟和电机矢量控制技术的出现，电主轴不仅替代了传统的齿轮、皮带传动，很多情况下也替代了分离式主轴单元，成为当今国内、外金切设备的主要动力源。电主轴的品种由单一的内圆磨削电主轴扩展成为外圆磨削电主轴、钻削电主轴、铣削电主轴、车削电主轴、离心机用电主轴、拉碾电主轴、加工中心电主轴八大类，12个系列，160多种电主轴。电主轴和精密主轴轴承的应用涉及机床行业、轴承行业、电子加工行业、模具加工行业、食品加工行业、生物工程及医疗卫生行业、家电行业、国防军工行业、染料化工行业、高科技行业。由于电主轴的高转速、高精度特点，使高速主轴的制造、装配、使用和维修形成一项专业性较强的技术。同时，精密主轴专用轴承的结构、特性、使用和故障排除方法也应当让广大的操作人员所熟悉。只有熟悉精密主轴轴承才能更好地设计主轴驱动。单元，维护好现有设备，产生最大的经济效益。1.2 概述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。在先进工业国家，此项技术已广泛应用于航空、航天及模具行业。在近五年中，我国的该项技术也取得了长足的进步。 高速机床是实现高速切削的前提条件，机床的高速化是目前机床的发展趋势。高速机床与虚拟轴机床均为机床突破性的重大变革。无论是普通数控机床还是虚拟轴机床，实现高速化的关键部件仍是主轴单元。主轴高速化常用Dmn值(Dmn值是指主轴轴承的平均直径(mm)与主轴的极限转速(r/min)的乘积)来衡量，高速主轴常是指Dmn值在1.0106以上的主轴。随着轴承技术、润滑技术的发展，主轴的转速在逐年提高。在资料显示，在80年代，主轴轴承在脂润滑条件下的Dmn值最多只能达到0.5106，但当油气润滑装置开发出来以后， Dmn值迅速提高到1.0106，采用角接触陶瓷球轴承后，主轴轴承的Dmn值进一步提高到2.0106。到90年代，采用新的润滑方式喷射润滑，使主轴的Dmn值达到3.0106。对于转速在10000r/min以上的主轴单元，通过皮带或者联轴器来驱动已不再合适，较合理的方式是采用内装电机直接驱动，即将电机的转子直接安装在主轴上，定子安装在主轴套筒里，做成所谓电主轴的形式。该电主轴具有结构紧凑、易于平衡、传动较率高等优点，是高速主轴理想的结构。电主轴的性能除了受轴承及其润滑技术影响较大以外，还受许多因素的影响，其中包括轴承预紧力的控制、内装电机的发热与冷却、主轴的动平衡、轴上零件的连接等。此外，主轴轴端的设计也是高速电主轴不容忽视的问题。图1. 2-1电主轴1连接装置 2轴承外圈套筒 3电机冷却液套筒 4矢量控制 5位置传感器 6刀具接口 7主轴轴承组1.3电主轴结构研究现状从电主轴的结构形式来看，早期主轴单元的结构比较简单，主轴仅由两套轴向预紧面对面配置的320C系列圆锥滚子轴承支承。圆锥滚子轴承具有承受较大轴向和径向联合载荷的能力，径向和轴向刚度高，主轴单元具有良好的动力学特性。由于这种主轴单元的速度性能受到限制，在高速场合很少采用，其Dmn值一般小于0.6x106(Dmn值为轴承高速化参数，其中Dm为轴承中径，n为主轴转速)。近年来，为适应机床提高生产效率和加工精度的需要，进一步改善主轴单元的结构，如在传动端用双联配置的主轴轴承代替双列圆柱滚子轴承进一步提高速度性能，工作端可以采用双联、三联甚至四联配置的主轴轴承以适应不同的刚度性能要求，采用定位和定压预紧以及定压和定位预紧转换，以适应主轴单元不同的速度和刚性要求，Dmn值可达到2.5x106。根据主电动机与主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴单元主要有两种结构布局设计方式:(l)主电机置于主轴前、后轴承之间。它采用两支承结构，前轴承比后轴承尺寸大，均分别用串联安装方式，前后支承受力方式为外撑式。后支承选用小尺寸轴承，虽然会降低速度回数值，这对主轴整体刚性影响不大，但它改变了工作条件，对保持整个轴系的使用寿命十分有利。这种结构的优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，输出功率大，较适合大中型高速机床。(2)主电动机置于主轴后轴承之后。即主轴箱和主电机作轴向的同轴布置，这种方式减少了电主轴前端的悬伸量，电机的散热条件较好，但整个电主轴单元的出力较小，轴向尺寸大，常用于小型高速机床。1.4电主轴动态特性研究现状当主轴在切削过程中出现较大的振动时，会使刀具出现剧烈的磨损或破损，也会增加主轴轴承和机床导轨承受的动态载荷，从而降低其寿命和精度保持性。因此，机床的主轴必须有良好的动态特性，机床的主轴轴承系统的动态特性在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力，动态特性是衡量主轴的性能的主要指标。国内外对很多专家学者对电主轴的动态特性做了很多研究分析，取得了不少研究成果。美国的Lawrence Livermore国家重点实验室基于Timoshenk梁理论用影响系数法建立含轴承参数的电主轴系统动力学模型，着重研究了切削力、刀具质量和自转速度对转子固有频率的影响。Bradford着重研究了滚动轴承滚动单元如轨道、滚子表面波纹度对主轴动态特性的影响。2002年，Kuwait大学的Mohammed.A.Alfares研究了角接触轴承轴向预紧力对磨床主轴的动力学性能的影响，在忽略了离心力及任何阻尼的影响的情况下，建立了五自由度磨床主轴的数学模型;2003年B.W.HuANG等学者研究了气压轴承和球轴承对电主轴动力学性能影响的差别，得出了气压轴承在低阶固有频率低于球轴承，但在高阶情况下二者差别很小，以及二者在不同速度下稳定区域不相同等结论。在我国，从事这一研究领域的研究也逐渐增加。2001年，浙江大学的蒋兴奇在考虑轴承载荷和变形的非线性特性及摩擦热的影响的情况下，建立了主轴变形和固有频率的计算方法;2003年，无锡机床股份有限公司的蔡英等基于Riccatti传递矩阵法，对MK2120A型内圆磨床的高速主轴系统进行了动力学特性分析;中国科学技术大学的王硕桂研究了电主轴转速超过一阶临界转速时的运行形态，电主轴作为挠性轴工作时端部跳动对轴系的横向挠度的影响，得到随着轴承刚度和阶数的增加，轴系的横向变形会变小的结论;2005年，洛阳轴承研究所的徐浩等对高速磨床主轴用陶瓷球轴承在不同转速和载荷及润滑条件下的运转特性进行试验，结果表明:陶瓷球轴承在高速下较钢制轴承摩擦力矩小、温升低、有良好的运转特性。1.5电主轴热态特性研究现状电主轴的结构特点是电动机的定子直接安装在壳体内，这对电动机的散热极其不利。同时，由于高速运转，主轴轴承摩擦引起的发热和温升也是不可避免的，由此引起的热变形如果处理不当会严重地降低机床的加工精度。对于高精度、高速机床来说，热变形引起的误差比其他普通机床的误差更为突出，己成为其进一步提高精度和转速的主要制约因素。合理的热态特性设计是高速大功率电主轴设计中的重要技术环节，国内外很多专家学者都对高速电主轴热态特性做了大量研究，推动了电主轴在高速机床上的应用。美国的普渡大学用有限差分法，建立电主轴的热分析模型，分析高速电主轴的能量分布、热传导等热性能，并分析了主轴发热的定量特性;2002年韩国的sun-Min Kim对高速电主轴轴承的热态特性进行了详细的研究，研究了轴承预紧力、过盈等的变化。2004年，普渡大学的学者Hongqi Li使用动态热力学分析了轴承结构对主轴所产生的影响Chi-wei Lin等学者则建立了综合的电主轴热态与动态模型，研究了轴承预紧力对轴承刚度以及整个主轴的动力学性能的影响和离心力对主轴动力学性能的影响并得出结论，认为高速电主轴在高速下刚度变小主要是由于离心力的影响。轴承刚度以及整个主轴的动力学性能的影响和离心力对主轴动力学性能的影响并得出结论，认为高速电主轴在高速下刚度变小主要是由于离心力的影响。我国的清华大学在测量主轴热误差的基础上，用逐步回归方法建立了多元线性回归模型，为机床的设计与制造提供了参考依据，也为机床的误差补偿提供了模型;中国工程物理研究院的胡秋、何东林利用ANSYS对高速电主轴进行了热结构耦合分析，提出了改善电主轴热态特性的措施，为电主轴冷却结构设计提供了参考;广东工业大学通过对电主轴支承的不同类型并结合不同的润滑方式对电主轴热态特性进行了大量分析研究，取得了很多理论成果。但总的说来，国内在高速电主轴热态特性方面的研究水平与发达国家相比仍有很大的差距。第二章 电主轴现状及发展趋势 2.1高速电主轴介绍及其优越性高速数控机床（CNC）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。数控机床高速电主轴单元影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。 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。目前，随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统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，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”(Electric Spindle,Motor Spindle)。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”（High Frequency Spindle)。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接传动主轴”（Direct Drive Spindle)。 电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍。 产品特性高转速、高精度、低噪音、内圈带锁口的结构更适合喷雾润滑。主要用途数控机床 机电设备 微型电机 压力转子 步进电机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。 2.2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。2.3电主轴单元系统组成电动机内置于主轴部件后不可避免地将会有发热的问题，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等驱动器，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以及为了保证高速回转部件的安全，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”的概念不应简单理解为只是一根光主轴套筒，而是一个完整的、在机床数控系统监控下的一个子系统。电主轴单元系统一般有以下部件及系统组成：(1)电动机接受驱动控制器提供的中频电，并将其转换成电主轴的机械能。(2)支承按数控机床对主轴系统的特殊要求设置的支承系统，它是决定电主轴单元精度、刚度的主要因素。(3)冷却系统为将电主轴电动机及轴承高速运转时产生的热能带走而设置在电主轴内腔的热交换器。(4)松拉刀系统为电主轴单元实现气(液)动松拉刀而设置在转轴体内的机构。(5)松刀气、液压缸电主轴松刀时向松拉刀机构提供动力源的部件。(6)轴承自动卸载系统电主轴处于松刀状态时，用以自动卸去轴承上承受的过大冲击负荷的系统。(7)刀具冷却系统在统一设计前提下，电主轴单元对刀具冷却通道采取统筹兼顾的措施。(8)编码安装调整系统加工中心、大型数控机床用电主轴需具备准停、准位功能，因此，必须在电主轴单元中安装能实现速度反馈和传递位置信号的编码器。2.4电主轴单元特点基于以上部件组成的系统结构，电主轴具有以下特点:机械结构简单紧凑，转动惯量小，快速响应好，机械效率高;振动小，主轴回转精度高，高速加工的动态精度和静态精度稳定性好;运行平稳，主轴轴承寿命较长;可在额定转速范围内实现无级调速，能适应各种工况和负载变化的要求;利用变频调速技术或电机矢量控制技术，不仅可以满足强大切削力时扭矩的要求，还可以实现准确的C轴定位和传动功能。2.5电主轴的应用现状传统机床主轴是由电动机通过变速和传动装置驱动主轴旋转而工作的，与机械主轴相比，电主轴具有结构简单紧凑、效率高、振动小和精度高等优点，已经成为现代高速数控机床主轴的主要形式，在机械、电子、航天航空、国防、冶金等各个领域内得到广泛应用。(l)齿轮加工机床上的应用 2007年9月在德国汉诺威举行的欧洲机床展上世界各国的齿轮加工机床制造商展出了各自的最新技术和最新产品，齿轮加工机床如滚齿机和磨齿机普遍采用电主轴和力矩电机，使机床的转速进一步提高，高精度、高速高效、复合化、智能化及信息化仍将是今后齿轮机床的发展方向。(2)功能复合的加工中心功能复合的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少，如果再配以电主轴提高主轴转速，则能更好地提高效率，提高加工精度。像我国广州敏嘉公司研制的车铣复合中心采用自行研制的电主轴，在滚珠丝杠行业的市场占有率极高，这也是国产机床发展的一个亮点。(3)高速切削高速切削是电主轴应用比较广泛的领域，国内外众多公司也都在这方面进行不断的研究和开发。德马吉公司最近开发了一个系列化的适应各种工件尺寸和加工任务的高速切削技术以及五轴联动高速铣技术。这个产品线满足了全方位要求，超坚固结构设计构成超高速运动的基础，高频高转速HSK主轴为标准配置，全部直线轴和旋转轴全部采用直接驱动技术。(4)气静压电主轴的研制与应用气静压电主轴是一个功能部件，在国外己应用于高速精密磨削、铣削、雕刻和难加工材料的微小孔钻削及抛光等。它是空气静压轴承应用的一个重要方面，涉及的行业范围广数量大。美国POPE公司、英国WESTWIND公司、日本东芝公司等，都己进行专业化生产，并有系列产品供应。(5)电主轴应用于医学设备德国KAVo电主轴主要运用于牙科类医用产品、电磨头等高速旋转轴的场合，速度可达80000r/mln，运行相当平稳。2.6电主轴的发展趋势随着实际应用的需要和机床技术的进步，人们对数控机床用电主轴提出了越来越高的要求，其发展趋势主要表现在以下几个方面 (1)向高速、大功率方向发展随着刀具技术、高速技术的进步和发展，要求机床电主轴的转速越来越高。(2)向低速、大扭矩方向发展要求电主轴在能够实现较高转速的同时，低速段要求尽可能大的输出扭矩，以满足在同一台机床上进行低速重切削和高速精加工的要求。(3)向高精度、高刚度方向发展精密数控机床需要主轴有高回转精度、高刚度，因此要求电主轴采用精度高、内径尽可能大、高速性能好的轴承和先进的润滑技术、如陶瓷球轴承、电磁轴承及油气润滑方法等。(4)向精确定向(准停)方向发展加工中心等数控机床由于自动换刀、刚性攻丝及精确传动的需要，要求电主轴能够实现切向准停功能。(5)向快速起、停方向发展为了缩短辅助时间，提高效率，要求数控机床电主轴的起、停时间越短越好，因此需要很高的起停加速度。(6)向超高速方向发展对于某些特殊零件的加工和特殊行业，要求切削工具的转速越高越好，如微型轴承的小孔磨削加工，油泵油嘴的小孔磨削加工等所用的电主轴转速都己经达到150000r/min。2.7电主轴对高速加工及现代数控机床发展的意义以高切削速度、高进给速度、高加工精度为主要特征的高速加工是当代四大先进制造技术之一。要发展和应用高速加工技术，首先必须有性能优良的高速数控机床，而数控机床性能的好坏则首先取决于高速主轴，其性能的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。电主轴单元以其结构紧凑、效率高、精度高的优点被广泛应用于各个领域，对现代数控机床的发展及高速加工技术产生了深远的影响，主要体现在以下几个方面:(l)促进了高速加工技术与机床的发展。电主轴是由内装式电动机直接驱动，更容易满足高速加工对机床“高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求，与机床高速进给系统、高速刀具系统一起组成高速切削所需要的必备条件。(2)简化结构，促进机床结构模块化。电主轴可以根据用途、结构、性能参数等特征形成标准化、系列化产品，供主机选用，从而促进机床结构模块化。(3)降低机床成本，缩短机床研制周期。标准化、系列化的电主轴产品易于形成专业化、模块化生产，实现功能部件的低成本制造:采用电主轴后，机床结构的简单化和模块化，也有利于降低机床成本;此外，还可以缩短机床研制周期，适应目前快速多变的市场趋势。(4)改善机床性能，提高其可靠性。采用电主轴结构的数控机床，由于结构简化，传动、连接环节减少，因此，提高了机床的可靠性;功能完善、性能优良、质量可靠的电主轴功能部件使机床的性能更加完善，可靠性得到进一步提高。(5)实现某些高档数控机床的特殊要求。有些高档数控机床，如并联运动机床、五面体加工中心、超小孔加工机床等，必须采用电主轴才能满足完善的功能要求。第三章 电主轴结构设计3.1本课题研究主要内容本设计以高速的铣削加工中心用电主轴为研究目标，以提高主轴系统性能为目的，从主轴结构、稳定性等几个方面对电主轴进行研究。通过对结构设计中一些关键性技术问题的解决，如主轴单元结构参数静态估算、电机的选型和冷却、轴承选型、润滑冷却、热稳定性设计等，完成电主轴的结构设计。3.2主要目的根据普通的高速数控铣削加工中心技术参数和实际应用的需要，又结合本课题进行的是动态特性和热态特性分析，使所设计的电主轴满足动态和热态特性。并且要求所设计的电主轴的转速达到较高速度即:电主轴转速最高速:12000r/min，基本转速10000r/min。3.3电主轴基本结构及其工作原理高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对电主轴各个部分进行精心设计和制造。电主轴的基本结构包括以下几个部分:轴壳、转轴、轴承、定子与转子，对电主轴的结构设计主要就是围绕这几个部分展开的。高速电主轴的工作原理是:电主轴的电动机部分由产生旋转磁场的定子绕组和把电能转化为机械能的转子组成。高速电主轴的定子和转子之间的空隙是形成功率输出有效部分的主要部位。电主轴持续工作功率主要取决于电动机的机械效率和冷却效果，机械效率的高低则主要取决于轴承高速化参数Dmn值，Dm为轴承中径，n为主轴转速。3.4电主轴结构设计加工中心用电主轴采用变频电机与机床主轴合二为一的结构形式，电主轴的空心转子与机床主轴直接过盈套装在一起，电主轴带冷却套的定子可以直接装在壳体上，实现了电机与机床主轴之间的“零传动”。本课题所设计的电主轴结构设计如图3.4-1所示，完整的装配图见附录。电主轴的结构设计主要涉及到主轴电机和轴承的选型、配置、润滑冷却等，以及主轴的结构参数确定等。图3.4-1电主轴结构示意图1.拉刀系统 2.前锁紧螺母 3.前轴承 4.前轴承座 5.前喷嘴 6.冷却油入口7.电机转子 8.电机定子 9.冷却油出口 10.后喷嘴 11.后轴承座12.后轴承 13.后锁紧螺母 14.编码器3.5 高速电主轴轴端的选择随着机床向高速、高精度、大功率方向发展，机床的结构刚性越来越好，而主轴与刀具的结合面多年来仍沿用标准化的7/24锥度配合。分析表明，刀尖25%50%的变形来源于7/24锥度连接，只有40%左右的变形源于主轴和轴承。因此，主轴轴端的合理设计已不容忽视。 高速加工要求确保高速下主轴与刀具连接状态不能发生变化。但是，高速主轴的前端由于离心力的作用会使主轴膨胀(如图3.5-1)，如30号锥度主轴前端在30000r/min时，膨胀量为45m，然而，标准的7/24实心刀柄不会有这样大的膨胀量，因此连接的刚度会下降，而且刀具的轴向位置也会发生改变。主轴的膨胀还会引起刀柄及夹紧机构质心的偏离，从而影响主轴的动平衡。要保证这种连接在高速下仍有可靠的接触定位，需要一个很大的过盈量来抵消主轴轴端的膨胀，如标准40号锥度需初始过盈量为1520m，而且还需预加过盈来消除锥配合的公差带。这样大的过盈量需拉杆产生很大的预紧拉力，而拉杆产生这样大的拉力一般很难，对换刀也非常不利，还会使主轴膨胀，对主轴前轴承有不良影响。设计一种端面定位并使定位面具有很大的摩擦以防止主轴膨胀的刀轴连接结构，便可解决上述问题。图3.5-1主轴膨胀示意由于高速主轴组件对动平衡要求非常高，所以刀具及夹紧机构也需精密动平衡。但是，传递转矩的键和键槽很容易破坏动平衡。结合面的公差带会使刀具产生径向跳动，引起不平衡。键是用来传递转矩和进行角向定位的，有人试图研究一种刀/轴连接方式能在连接处产生很大的摩擦力来实现转矩传递，用在刀柄上作标记的方法实现安装的角向定位，达到取消键的目的。 图3.5-2 轴向定位在众多的高速刀/轴连接方案中，已被DIN标准化的HSK短锥刀柄结构比较适合高速主轴。这种刀柄采用110的锥度，比标准的7/24锥度短，锥柄部分采用薄壁结构，刀柄利用短锥和端面同时实现轴向定位(如图3.5-2)。这种结构对主轴和刀柄连接处的公差带要求特别严格，仅为26m，由于短锥严格的公差和具有弹性的薄壁，在拉杆轴向拉力的作用下，短锥会产生一定的收缩，所以刀柄的短锥和法兰端面较容易与主轴相应的结合面紧密接触，实现锥面与端面同时定位，因而具有很高的连接精度和刚度。当主轴高速旋转时，尽管主轴轴端会产生一定程度的扩张，使短锥的收缩得到部分伸张，但是短锥与主轴锥孔仍保持较好的接触，主轴转速对连接性能影响很小。3.6主轴结构参数的确定主轴的参数主要包括主轴外圆平均直径D，主轴内径d，主轴悬伸量a，主轴支承跨距L。因此本文针对这些主要参数进行设计计算使其满足设计要求。3.6.1主轴外圆平均直径D设计主轴结构参数主要包括主轴外圆平均直径D，主轴内孔直径d，悬伸量a，支承跨L。5.41主轴外圆直径D的确定依据机械工程手册5)机械零部件设计部分的内容，空心轴外径可按以下经验公式计算: 3.6.1式中， 式中，T轴传递的额定转矩(Nm)，T=9550P/n，P动力源传递的功率，n主轴的转速，得T=4377lNm;轴材料的许用切应力(MPa)，主轴材料选用40CrNi(调质合金钢)=3555MPa，取=50MPa。内外直径比，根据所参考加工中心的尺寸参数，拟取主轴平均内径d0=40mm，平均外径Do=80mm，则=050。各系数代入式(5.41-1)，满足式（3.6.1)，结合电机尺寸以及参考的加工中心尺寸参数，所以取主轴平均外圆直径 D=80mm。3.6.2主轴内径d的确定跟据机床设计手册3知主轴内径dmax0.7D，如果dmax0.7D主轴刚度会急剧下降。又加工中心数控机床主轴内径d=拉杆直径+(510)mm，所以根据以上参数及设计结构需要取主轴内径d=40mm。3.6.3主轴悬伸量a的确定主轴悬伸量a指主轴前端面到前支承径向反力作用点中点的距离(如图5.61所示)。前悬伸对主轴组件的综合刚度影响很大，在进行结构设计时，应尽量缩短悬伸量a。根据轴承的选定在综合考虑主轴结构及主轴部件的刚度的基础上初步确定a=65mm。图3.6.3主轴主要参数示意图3.6.4主轴支承跨距L的确定主轴支承跨距L是指相邻两支承的支承反力作用点之间的距离(如图3.6.3所示)。跨距L对综合刚度K的影响不是单向的，如L较大，则主轴变形较大;如L较小，则轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。所以，L太大或太小，都会降低综合刚度。满足最小挠度条件d到dL=0时的L是最佳跨距L。当0.75L1.5时，主轴组件的刚度损失不超过5%7%，在工程上认为是合理的刚度损失，故在该选用范围内的跨距称为合理跨距。结构设计时首先应争取最佳跨距，如果结果上不允许，则需修改其他参数使其处在合理跨距范围内。根据文献，最佳跨距跟前悬伸之间可用如下关系式表示:其中，为无量纲常量，主轴材料的弹性惯量，E=2.lx10sN/mm2主轴截面的平均惯性矩()，对空心轴，为主轴当量内外径。=90.84mm, =30.26mm。,为轴承的刚度，前后支承均采用双联组轴承。代人各参数=1.98，=5.26，=5.26=341.9mm。根据构造上的要求对最佳跨距进行修改，有结合电机尺寸参数，取L=450mm。3.7热稳定性设计高速电主轴的热稳定性问题是该类主轴需要解决的关键问题之一。由于电主轴将电机集成于主轴组件的结构中，无疑在其结构的内部增加了一个热源。电机的发热主要有定子绕组的铜耗发热及转子的铁损发热，其中定子绕组的发热占电机总发热量的三分之二以上。另外，电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。 除了电机的发热之外，主轴轴承的发热也不容忽视，引起轴承发热的因素很多，也很复杂，主要有滚子与滚道的滚动摩擦、高速下所受陀螺力矩产生的滑动摩擦、润滑油的粘性摩擦等。上述各种摩擦会随着主轴转速的升高而加剧，发热量也随之增大，温升增加，轴承的预紧量增大，这样反过来又加剧了轴承的发热，再加上主轴电机的热辐射和热传导，所以主轴轴承必须合理润滑和冷却，否则，无法保证电主轴高速运转。 从以上分析可以看出，为改善电主轴的热特性，电机冷却必不可省。本设计采取的主要措施是在电机壳体处设计循环冷却水系统。在电主轴外壳内加工螺纹状水槽，通过环形螺旋水槽内通水，达到冷却效果。具体实现是电机工作时，水槽里通入循环冷却水，为加强冷却效果，冷却水的入口温度应严格控制，并有一定的压力和流量。另外，为防止电机发热影响主轴轴承，主轴应尽量采用热阻较大的材料，使电机转子的发热主要通过气隙传给定子，由冷却水吸收带走。3.8主轴静刚度校核主轴的静刚度简称主轴刚度，是机床主轴系统重要的性能指标，它反映主轴单元抵抗静态外载荷的能力。主轴单元的弯曲刚度定义为使主轴前端产生单