TH5632C数控机床高速电主轴数字化设计及其仿真分析

陕西理工学院毕业设计论文TH5632C数控机床高速电主轴数字化设计及其仿真分析张晶（陕理工学院机械学院机自专升本101班，陕西 汉中 ）指导老师：王燕燕摘要本文阐述了高速电主轴的发展历史、现状以及趋势，并介绍了电主轴的工作原理及关键技术。然后，确定了合理的电主轴总体结构，分别对电主轴的主轴、电机、转子、定子和冷却系统等各零部件作了设计，产生了装配图、零件图与设计说明书等设计文档。最后，对电主轴的旋转轴和轴承进行了详细的分析和校核，计算表明，该电主轴设计符合要求。关键词：数控机床；电主轴；主轴；轴承High-speed electric spindle digital design and simulation of CNC machine toolsAuthor name:Zhangjing(Class101, School of Mechanical Engineering machine since Upgraded,Shaanxi University of Technology，Hanzhong ，Shaanxi)Tutor:WangyanyanAbstractThis paper describes the history, status and trends of lathe electrical spindle development, and also introduce the working principle and key technology of electrical spindle. Then, the reasonable structure of the electrical spindle is determined. The structure of main components is designed, such as axis, encoders, rotor, stator and cooling systems. The assembly drawings, part drawings and design specifications and other design documents is generated. Finally, the detailed analysis and verification of the axis and bearing are made. The calculation result shows that the design of electrical spindle meets the requirements.Key words: electrical spindle；spindle；bearing目 录第一章 绪论.11.1选题的目的及意义.1.2数控电主轴的国内外的研究现状和发展趋势11.2.1 数控机床电主轴的国内外的研究现状21.2.2数控机床电主轴的国内外的发展趋势31.3本课题主要研究内容4第二章 数控机床电主轴的介绍52.1机床电主轴的工作原理52.2数控机床电主轴的特征52.3 电主轴的关键技术62.4电主轴的运动控制6第三章 电主轴结构设计73.1电主轴结构图73.2同步带的选择73.2.1 同步带介绍3.2.2 同步带计算3.3转子和定子的设计和装配123.4轴承的选择143.4.1轴承的选择3.4.2轴承材料的选择3.5冷却系统和润滑.173.5.1 热源的主要构成3.5.2 冷却系统的冷却路线3.5.3 主轴传动的热平衡计算3.5.4 电主轴润滑系统的设计3.6拉刀装置的设计163.6.1 模块化的的拉刀装置3.6.2 HSK的发展趋势3.6.3 SK动力拉杆系列3.6.4 SK牵引头3.6.5 HSK动力拉杆系统3.6.6未来的前景3.7主轴的主要结构参数183.7.1 主轴前端悬伸量的确定3.7.2 主轴主支承间的跨距L的确定3.7.3 主轴的构造3.7.4 主轴挡板的设计3.7.5 主轴的材料和热处理第四章 轴的校核.254.1轴的强度校核计算254.2轴的刚度校核计算28第五章 轴承的校核315.1角接触球轴承的校核.315.2深沟球轴承的校核32第六章 电主轴的使用和养护33第七章 高速精密主轴轴承热特性34总结.36参考文献.37致谢.39第一章 绪论1.1选题的目的和意义我国数控机床的发展历程充分证明，数控机床电主轴发展的滞后，始终是制约我国数控机床发展的瓶颈问题之一。高速电主轴的功能部件跟不上，发展数控机床将成为空话。我国数控机床整体技术水平的发展和提高，最终离不开先进的功能部件产业的支持。我国数控机床经历了二十多年的发展历程,形成了一定的生产规模，具备了进一步发展的基础。但在数控机床品种、质量和性能等方面与发达国家还存在较大差距，很难能满足市场需求，特别是高端数控机床主要依赖进口，已明显制约我国国民经济和国防工业的发展。高速电主轴制造技术成为了决定高端的数控机床发展的关键技术。对决定电主轴发展的关键技术要进行重点攻关，特别是在电主轴应用中的关键部件诸如复合陶瓷轴承、内置式无外壳电机、性能优良的伺服控制器、高精度位置编码器、气密封装置等进行自主研发，改变这些关键部件主要靠进口的局面。高速电主轴也是高端的数控机床的核心，大力发展高速电主轴将对我国的装备制造行业会起到强大的推动作用。1.2 数控机床电主轴的国内外的研究现状和发展趋势1.2.1 数控机床电主轴的国内外的研究现状国内对电主轴技术的研究始于20世纪60年代，主要用于零件内表面磨削，这种电主轴的功率低，刚度小，并且它采用无内圈式向心推力球轴承，限制了高速电主轴的产业化。到80年代，随着国内高速主轴轴承的开发成功，研制出一系列高刚度、高速电主轴，广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领域。在90年代以后由磨用电主轴转向铣用电主轴，它不仅能加工各种形体复杂的模具，而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铣用电主轴，推动了高速电主轴在切削中的应用。在国内以洛阳轴承研究所(洛阳轴研科技股份有限公司)为代表，早在1958年就研制出了磨用电主轴之后又研发了大功率、高转速系列电主轴，磁悬浮和气静压电主轴等，并将电主轴在90年代应用于大型数控铣床，加工中心和数控车床，是我国电主轴技术的引领者。广州工业大学高速加工和机床研究所也开发研制了多种电主轴，并应用于数控铣床由于近些年数控加工技术的飞速发展，在军工、基础装备制造，航空航天等领域对高速电主轴的迫切需要，国内的电主轴研究也得到了很大的发展。同济大学、北京机床研究所和上海机床厂在高速电主轴方面也取得了很大的成就。目前国内生产的磨削用电主轴的转速在15000r/min以内；加工中心用电主轴的转速最高30000r/ min，转矩达200Nm的加工中心用电主轴转速只有4000r/min；车削用电主轴最高转速可达12000r/min，最大功率只有11kw。在电主轴的润滑方面，国外普遍采用先进的油气润滑技术，而我国主要以油脂润滑和油雾润滑为主。 国外电主轴最早用于内圆磨床，上世纪80年代，随着数控机床和高速切削技术的发展和需要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床。目前电主轴已经成为现代数控机床最主要功能部件之一，世界上形成许多著名的机床电主轴功能部件专业制造商，它们生产的电主轴功能部件已经系列化。具有代表性有美国福特公司和Ingerso1l公司联合推出的HVM800卧式加工中心的大功率电主轴最高转速达15000r/min由静止升至最高转速仅需15s。瑞士IBAG公司在电主轴行业技术领先现在被公认为代表了行业的发展趋势。IBAG公司提供的电主轴已经系列化、标准化电主轴最大转速可达r/min，直径范围33到300mm，功率范围125W-SOkW,扭矩范围0.02300Nm。日本三井精机公司生产的HT3A卧式加工中心采用陶瓷轴承支承的电主轴,主轴转速达40000r/min此外还有瑞士的Fisher公司、德国的GMN公司、Hofer公司、西门子、意大利的Faemat公司和Gamfior公司等，这些公司生产的电主轴有以下特点：(l) 功率大、转速高。(2) 采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承，主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。(3) 精密加工与精密装配工艺水平高。(4) 配套控制系统水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等1。1.2.2数控机床电主轴的国内外的发展趋势（1）向高速度、高刚度方向发展随着主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具及其接口技术等相关技术的发展，数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势。电主轴的功率和转速是受电主轴体积及轴承限制的，DmN值是反映电主轴刚度和转速的一个重要的综合特征参数，DmN值越大，其电主轴性能越。因此，在保证电主轴高转速的前提下，加大主轴直径，提高其刚性，也是电主轴技术发展的方向之一。（2）向高速大功率、低速大转矩方向发展现代数控机床需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。高速电主轴的大功率化已是国际机床产业发展的一个方向。近年大功率半导体器件有了飞跃性发展，已经完全可以满足现有的电主轴应用场合所要求的功率等级，这为高速电主轴的大功率化奠定了基础。德国GMN公司的电主轴低速粗加工时的重切削力可达1250Nm,高速切削时精加工最大输出功率可到150kW。（3）电机形式与控制方式多样化方向发展主轴电机方面：目前国内外主轴电机常见的是感应电动机，但由于其结构和特性的限制，运行状态改变时导致电机很难在最佳效率点运行，功率因数低、效率低。虽然采用变频调速、矢量控制、功率因数补偿等技术改善了电机系统的效率，但由于感应电机的工作原理决定其运行效率的提高是有限的，特别是在位置和速度要求非常高的高精度高速电主轴系统中应用有时很难满足系统要求。因此选用转动惯量小，转矩密度高，控制精度高的永磁电机代替感应电动机也将是电主轴发展的一个重要方向。在主轴电机控制方面：采用矢量控制已经被大多数高速电主轴生产厂家所采用，针对感应电动机采用自适应控制、直接转矩控制、定子优化控制等措施不断提高感应电动机在电主轴的应用性能。对于永磁同步电动机在低速粗加工时的重切削多采用恒转矩控制方式,高速切削时精加工采用恒功率控制，在扩大永磁电机在弱磁区域的同时提高稳定性也将成为高速电主轴研究热点问题。此外，柔性主轴及其轴承弹性支承技术的研究也将进一步深化。目前国内市场的轴承多以用高速角接触球轴承支承，气静压方式将逐渐取代角接触球轴承成为主流方式。另外随着磁悬浮技术的不断进步和成熟，在满足成本要求的情况下，磁悬浮轴承将由一些特殊场合的应用到普通场合的特殊要求的应用。提高高速电主轴动平衡等级，降低振动，使电主轴寿命更长。在保证转速的情况下，应尽量降低电主轴的整体振动。主轴单元的自动平衡装置也将因高速电主轴的振动指标更高而不断的更新和完善。润滑技术不断改进，预负荷施加技术不断进步。陶瓷球复合轴承和油气润滑技术的广泛应用，使得轴承发热更小，而且更能适应高速需要。在非接触式轴承中，磁浮和气浮轴承不断发展，已有系列产品出现。轴承预负荷施加方式上，过去主要使用刚性预负荷，不断发展为弹性预负荷，后又出现智能预负荷方式，使轴承承载性能更优。油气润滑方式和成本更低的非接触式轴承技术也将是高速电主轴发展的方向1。1.3 本课题主要研究内容（1）数控机床电主轴总体方案设计；（2）根据产品特点，进行工艺分析、结构分析、结构计算和校核；（3）绘制装配图及其他零件图；（4）撰写设计计算说明书1份，撰写其他相关设计技术文档。第二章 数控机床电主轴的介绍2.1 机床电主轴的工作原理电主轴作为加工中心的核心部件，它将机床主轴与交流伺服电机轴合二为一，即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，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。2.2 数控机床电主轴的特征（1）高回转精度加工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时的回转精度，其关键零件必须进行精加工和超精加工，选用尺寸和精度等级合适的轴承，采用合理的装配方案；（2）高刚度主轴刚度反映主轴单元抵抗外载荷的能力。尤其，进行车削粗加工时，切削量较大，主轴要承受很大的径向力。为了保证加工精度、避免振动，要求电主轴具备较高的刚度，特别是径向刚度； （3）抗振性强机床工作时，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振动。振动是主轴动态性能的重要指标，振动将会产生噪声，并直接影响工件的表面加工质量，振动严重时会产生崩刃和打刀现象。因此，电主轴的抗振性要强；（4）电机特性优良加工中心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，保证低速时有较大的输出转矩，满足低速大进给的切削要求；而高速段采用恒功率调速，可满足小切削量的高转速要求。对一些低速要求高的电主轴，应采用高性能的矢量变频器控制；（5）热特性稳定由于电主轴是将高速电机置于机床主轴部件内部，高速运转时，电机转子、定子和轴承的的发热量很大，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态性能稳定2。2.3 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)。7）主轴轴向尺寸动态补偿技术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。目前，高速电主轴大多采用内置异步式交流感应电动机。可由加工对象来确定电主轴的电机驱动形式。永磁同步电动机有很好的动态响应性，并且转矩密度高，转动惯量小，但永磁同步电动机有弱磁现象，而且很难提高主轴电机功率，制造永磁同步电机的主要材料稀土成本过高。异步型电动机结构较简单，有较成熟的制造工艺，可以更大程度地减弱磁场对电机的影响，易于实现高速化。虽然其直接转矩或矢量控制方式的计算数据量大，但随着计算机技术和现代控制理论算法的不断发展，已经能过实现快速、精确地计算和控制。我国目前还没有较为成熟的高速异步型电主轴系统的设计方法，设计人员一般参考设计手册中传统电机设计方法来进行设计，因此用传统电机设计与控制系统设计的方法来设计高速电主轴 很大的局限性。由于电主轴结构比较特殊，还有很多新出现的问题需要解决。我国的高速电主轴技术由于起步较晚，与工业发达国家还有很大差距，应不断加大对这方面的技术研究才能提高我国高速机床的性能。2.4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。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。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。第三章 机床电主轴结构设计3.1 电主轴结构图图3.1 加工中心电主轴结构示意图电主轴由主轴及主轴箱本体、辅助装置、检测装置组成。电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支撑。转子定子通过冷却套安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。在主轴的后面装有松刀油缸、旋转接头；前端的内锥孔和端面用于安装刀具、刀具夹爪；中间有刀具拉杆、刀具夹紧弹簧。3.2 同步带的选择3.2.1 同步带介绍同步带传动是一种新型的机械传动。由于它是一种啮合传动，因而带和带轮之间没有相对滑动，从而使主从轮间的传动达到同步。同步带传动和V带、平带相比具有以下优点：(1) 传动准确，无滑动，能达到同步传动的目的；(2)传动效率高，一般可达98%；(3)速比范围大，允许线速度也高；(4)传递功率范围大，从几十瓦到几百千瓦；(5)结构紧凑，还适用于多轴传动。 同步带传动设计目的是确定带的型号节距带长(节线长度)中心距、带宽及主、从动带轮齿数，直径等参数。3.2.2 同步带计算一台额定功率为12.5kw，转速为1000r/min的异步电机，一天工作8个小时以上，以此来设计电主轴的同步带。(1) 求设计功率PdPd=K0Pm=1.612.5=20 kw式中K0载荷修正系数（由表3.1得）表3.1载荷修正系数K（部分）工 作 机原 动 机运 转 时 间（小时/日）358101624带式输送机，烘干机，杠车床，带锯，筛选机1.21.41.6液体搅拌机，钻床，车床，龙门刨床，造纸机1.41.61.8牛头刨床，磨床，铣床，钻镗床，纺织机械1.51.71.9牛头刨床，磨床，铣床，钻镗床，纺织机械1.51.71.9(2) 确定带的型号和节距由于电主轴是内装式电机，电机转速就是主轴转速，所及小齿轮转速n1=n2i0=3100r/min，由图3.2查的带的型号为H型，对应节距Pb=12.7mm(见表3.2)图3.2通过功率找同步带型号(3) 选择小带轮齿数由小带轮转速n1=3100r/min和H型带，查表3.3得小带轮最小许用齿数Z1=20，则Z2=iZ1，其中i=n1n2=3.1Z2=62, 取标准带轮齿数Z2=60(4) 确定带轮节圆直径：d1=PbZ1=80.892mmd2= PbZ2=242.675mm(5) 确定同步带的节线长度LpLp=2acos+(d2+d1) 2+(d2-d1) 180 （3-2）式中： =9.31(以a=500mm代入)则Lp=1521.102 选择最接近计算值的标准节线长(见表3.4) Lp=1524.00mm(6) 计算同步带齿数ZbZb=LpPb=1524.00/12.70=120(7) 传动中心距a的计算a=Pb(Z2-Z1) 2cos （3-3）式中：inV=3.1416 inV=tg-用逐步逼近法计算，=13518(弧度)代入上式:a=Pb(Z2-Z1) 2cos=373.53mm表3.2七种同步带型号的主要参数带型号节距Pd(mm)基准宽度b(mm)拉力T（N）质量（Kg/m）带宽b（mm）MXL2.0326.4200.0103.0 4.8 6.4XXL3.1756.4310.0103.0 4.8 6.4XL5.0809.550.170.0226.4 7.9 9.5L9.52525.4244.460.09512.7 19.1 25.4H12.70076.22100.850.44819.1 25.4 38.1 50.8 76.2XH22.227101.64048.901.48450.8 76.2 101.6XXH31.750127.06398.032.47350.8 76.2 101.6127.0表3.3带轮最少许用齿数小带轮转速（r/min）带 型 号MXLXLLHXHXXH900以下1010121422229001200以下12101216242412001800以下14121418262618003600以下161216203036004800以下18151822(8) 确定同步带设计功率为Pd时所需带宽(a). 计算所选型号同步带的基准额定功率PoPo=(Ta-mv2)v1000 (kw) （3-4）式中：Ta许用工作拉力，查表3.2得Ta=2100.85 Nm单位长度质量，查表3.2可得m=0.448Kg/mV线速度 (m/s) V=6.35 (m/s) （3-5）表3.4标准同步带的节线长度(部分)节线长度节线长度上的齿数基本尺寸（m）极限偏差（mm）MXLXXLXLLHXHXXH1422.400.81641447.800.811141524.000.811601201600.020.86126721676.400.86132带入上式的Po=13.23 (kw)(b). 计算小带轮啮合齿数ZmZm=（Z2-Z1）=8.626 (c). 确定实际所需带宽bPPoKzKw （3-6）式中： P带所能传递功率 kw Kz啮合系数，因Zm6 故Kz=1 Kw查表3.2，H型带b=76.20mm将P式代入PPd则bb=26.65mm 取标准带宽38.1mm 见表3.2(9) 验算=22.15 20 kw额定功率大于设计功率，则带的传动能力已足够，所选参数合格4。3.3 转子和定子的设计高速电主轴的定子由具有高导磁率的优质矽钢片迭压而成。迭压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。转子是中频电机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场能转换成机械能。它能带动主轴旋转。转子由转子铁芯、鼠笼、转轴三部分组成。此次设计的电主轴电机转子的基本尺寸为：转子的外径2b126.5mm，转子内孔直径2a85.5mm，转子的轴向长度为346mm，转子配合面的有效接触长度B300mm。主轴配合面的基本尺寸为：外径2a85.5mm，内孔直径为2c46mm。电机的最高转速为8000rmin，所以其最大角速度max为837.3 rads。额定功率为12.5 kW，额定转矩为114 Nm，电主轴的结构如图3.3所示。Ce=0.6759 （3-7）Ci=0.5380 （3-8）电机转子和主轴均为钢质材料，材料的弹性模量E2.11011Nm2，泊凇比0.3， 主轴配合面间的摩擦系数0.09，电机转子衬套材料的许用应力为287Nmm2，主轴材料的许用应力为567 Nmm2。要满足电主轴的高速性能，电机转子与主轴配合面间的动态过盈分量的最小值dmin可由下式求得：dmin=0.0205 （3-9）要满足电主轴的扭矩传递能力，电机转子与主轴配合面之间的静态过盈分量的最小值smin可由下式求得： smin=(+)=0.00245 （3-10）根据计算可知，高速电主轴要求的动态过盈量dmin是其要求的静态过盈量的6倍多，由此可见，高速主轴的过盈量主要由动态过盈量确定。高速电主轴的最小过盈量min为：图3.3电主轴的结构mindminsmin0.02295（mm） （3-11）据此，在GD型电主轴设计中，主轴与电机转子的配合采用66H6s6的过盈配合，这种配合的实际最小过盈量为0.040mm(0.02295mm)，能满足电主轴的高速传动要求。其实际的最大过盈量为0.078mm，配合面实际产生的最大正压力为：pmax=93.6 (N/mm2) （3-12）电机转子内孔配合面上具有最大的切向拉应力emax和最大的径向压应力remax，其值为： emax (r=a)=-pmax=-93.6 (N/mm2) （3-13）remax (r=a)=191.9 (N/mm2) （3-14）主轴的ri（r）和i（r）均为压应力，其中主轴的配合面上具有最大的径向压应力rimax，在主轴内孔壁处具有最大的切向压应力imax，其值为：rimax (r=a)=-pmax=-93.6 (N/mm2) （3-15）imax (r=c)=-263.4 (N/mm2) （3-16）电主轴的装配应力分布如图3.4所示。由此可见，电主轴的危险点在电机转子的内侧，根据第三强度理论： r3=emax-remax=285.5 (N/mm2)电机转子衬套材料的许用应力为287Nmm，r3，使用安全。图3.4主轴与转子过盈配合的应力分布3.4 轴承的选择3.4.1轴承的选择按轴系零件轴向定位方法的不同，轴的支承结构可分为三种基本型式：两端固定支承，一端固定、一段游动支承和两端游动支承。本设计采用两端固定支承。采用两端固定支承时，应留出适当的轴向间隙，以补偿工作时轴的热伸长量，同时应提供适当的间隙调整方法。我采用的是角接触轴承，所以可利用调整垫片或螺纹件来调整轴承的游隙，以保证轴承的正常运转。首先通过对轴的受力分析得到了轴承的大致载荷在30004000N左右，属于中等载荷，故采用球轴承；接着看转速，球轴承与滚子轴承相比较，有较高的极限转速，电主轴的转速在10008000r/min，所以优先选用球轴承。最后轴承在承受径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷，所以选用深沟球轴承和角接触轴承。故在主轴的两端我分别采用了角接触球轴承和深沟球轴承，分别见图3.5和图3.6。成对安装角接触球轴承（GB/T292-1994）可同时承受径向载荷和轴向载荷。它能在较高的转速下工作，接触角越大，轴向承载能力越高。高精度和高速轴承通常取15度接触角。深沟球轴承是最具代表性的滚动轴承，用途广泛。适用于高转速甚至极高转速的运行，而且非常耐用，无需经常维护。深沟球轴承的摩擦系数很小，极限转速也很高，特别是在轴向载荷很大的高速运转工况下，深沟球轴承比推力球轴承更有优越性。图3.5角接触球轴承3.4.2轴承材料的选择目前，滚动轴承电主轴的支承形式主要采用钢质球轴承和陶瓷球混合轴承。本人采用陶瓷球混合轴承。陶瓷球混合轴承与传统的钢质球轴承相比，具有密度小、弹性模量大、热膨胀系数小、耐高温等优良物理性能和机械性能。（1）陶瓷球混合轴承材料Si3N4，密度只有钢的40%。在高速运转时，可大幅减小滚动体的离心力，从而减小球与套圈滚道间的接触应力，延长轴承的使用寿命。图3.6深沟球轴承（角接触球轴承000r/min（2）弹性模量大、硬度高。与钢质球轴承相比，相同负荷下陶瓷球在接触应力作用区域材料塑性变形小，使轴承的刚度提高，从而提高主轴系统的临界转速。（3）膨胀系数小。混合轴承的工作游隙及工作游隙的变化幅度小，导致高速高温时，滚动体与沟道接触的最大接触应力及接触负荷的变化幅度均较小，确保了轴承运行平稳和发热量的减少。3.5 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。3.5.1 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5。3.5.2 冷却系统的冷却路线车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3.7）。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，经过在靠近后端盖1的冷却环套上入水口，使冷却油进入后端轴承2的外围，1. 后端盖 2. 后端轴承 3. 转子 4. 定子 5. 电机冷却套 6.前端轴承 7.壳体机架图3.7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环套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。3.5.3 主轴传动的热平衡计算主轴传动由于效率低，所以工作时发热量大。在闭式传动中，如果产生的热量不能及时散逸，将因温度不断升高而使润滑油稀释，从而增大摩擦损失，甚至发生胶合。所以，必须根据单位时间内的发热量1等于同时间内的散热量2的条件进行热平衡计算，以保证油温稳定在规定的范围内3。由于摩擦损耗的功率，则产生的热流量为： 式中，P为主轴传递的功率，KW。以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气中去的热流量2（单位为W）3为，式中：箱体的表面传热系数，可取=（8.1517.45） W/ (m2 C)，当周围空气流通良好时，取偏大值； S内表面能被润滑油所飞溅到，而外表面又可为周围空气所冷却的箱体表面面积，m2； to油的工作温度，一般限制在6070 C，最高不应超过80 C； ta周围空气的温度，常温情况可取为20C；按热平衡条件1=2，可求得在既定工作条件下的油温to(单位为C)为： （3-16） 为了保持正常工作温度所需要的散热面积S，当C，而总效率，估取=0.7，P=12.5KW，所以 因此只要散热面积S大于，主轴的在工作条件下的油温to就能保证在80C一下，再看本人设计的冷却系统的散热面积S:式中： r冷却管道的内壁半径 mm； R冷却管道的外壁半径 mm； L冷却管道的长度 mm；故 mm2，所以能证明主轴冷却系统的热平衡是稳定的。3.5.4 电主轴润滑系统的设计目前，电主轴上应用较多的油气润滑方式。油气润滑利用压缩空气通过专用管道定时、定量的将少量的润滑输送到需润滑区域。润滑油和压缩空气均匀混合既能润滑又能冷却主轴系统。处于分离状态的油气容易被回收，有效降低了对环境的污染。采用油气润滑，每个轴承设有独立的尤其喷嘴，要选择好轴承喷射处的位置，否则很难保证润滑效果。油气润滑的效果受尤其压力和压缩空气流量的影响，增大压缩空气流量可提高冷却效果，如果提高尤其压力，可使润滑油更好的达到润滑区，还有助于提高轴承的转速。相关实验表明，高压油气润滑比常规压力润滑的轴承转速可提高20%。3.6 拉刀机构的设计标准HSK拉刀装置几乎适用于所有场合。特别是在要求快速、频繁进行道具更换的汽车制造业中，特种涂层的拉杆机构已经被多次证明了其价值所在。3.6.1 模块化的的拉刀装置OTT公司生产的通用拉刀装置系统面向全世界，可用于各种便准轮廓的SK接口（大斜度锥柄7：24）以及现代化的HSK接口（空心轴锥柄）。由于采用了模块化的结构，OTT-JAKOB拉刀装置的夹紧系统几乎可应用于所有的场合，能够满足用户的不同需求，并能够按照用户的不同要求提供机床主轴动力拉刀系统。SK拉刀装置系统由带有支撑套的卡爪、一个整体倍力放大机构的牵引头及一个液压或者气动的推刀机构组成，且需要一个旋转组合装置来用于内冷却、或空气的传输。HSK拉刀装置系统有相同的模块化结构，但不同于SK动力拉杆头，它们由HSK夹紧刀柄装置和一个不带倍力放大机构的牵引头组成。3.6.2 HSK的发展趋势实际上，SK拉刀装置在世界范围内的使用是非常普遍的。由于新型刀柄需要昂贵的投资，在SK工具比较便宜的情况下，中、小型公司一般不会轻易更换新的刀具接口。 尽管如此，使用HSK接口的电动主轴的销量仍在不断增长，这是因为其刀柄轴向的凸缘面接触和锥形面配合接触的连接刚度高，从而可以获得高精度的定位和重复性好的定位精度。 3.6.3 SK动力拉杆系列OTT公司可提供SK30、SK40、SK50及SK60各种标准尺寸的带刀架的大斜度锥面卡爪，所有符合DIN 6987172(1SO 738812类型A)、ANSIB5.50-78(1SO 738812类型B)和MAS403-1982(PTl和PT2)标准尺寸的刀具都可使用。OTT卡爪的特点是，其主轴的内轮廓是统一的，与各个标准无关。因此，机床及主轴制造商无需对主轴设计做任何更改就能够按照客户的需求交付产品。 3.6.4 SK牵引头SK牵引头在最小的空间内可以得到最大的拉入力。OTT公司的牵引头使用了一个传动装置(图2)，该装置可以将拉入力放大近3倍。除了尺寸较小外，应用HSK的另一个优点是刀具拉紧系统的总质量较小，这使其平衡特性得到了改善。图2 大斜度锥面的倍力放大机构3.6.5 HSK动力拉杆系统OTT公司的HSK拉杆机构满足刀具标准DIN 69893，它有一系列的尺寸、形状和设计可供选用(图3)。标准HSK拉刀装置几乎适用于所有场合，特别是在要求快速、频繁进行刀具更换的汽车制造业中，特种涂层的拉杆机构已经被多次证明了其价值所在。特殊材料涂层的润滑作用将系统保养、维修成本降到了最低。间隔装置的几何外形为卡爪提供了一种导向的支持，极大地改善了平衡性能。3.6.6未来的前景缩短快速换刀时间和减少非加工时间需求的不断增长，不仅对HSC意义重大，还将促使OTT公司不断对其产品进行改进并升级换代。例如，在一个60000rmin的旋转装置投放市场时，闭合的精密液压件是保证其质量的前提。3.7主轴的主要结构参数主轴的主要结构参数有主轴前端悬伸量和主轴主支承间的跨距。这些参数直接影响主轴的旋转精度和主轴的刚度。3.7.1 主轴前端悬伸量的确定主轴的前端悬伸量主要取决于主轴端部的结构，前支承轴承的配置和密封装置的形式和尺寸，由结构设计确定。3.7.2 主轴主支承间的跨距L的确