机床高速电主轴的结构设计

内 容 摘 要

当前的制造业的机床正一步步的向着高速、高功率、高效率等方向发展，一个国家的制造业实力往往就体现在这一些方面。高速机床电主轴是高速机床的核心部件，有着非常广阔的应用前景。发展和应用高速机床电主轴技术，能极大的提高工厂的生产力、加工精度和加工质量等等一系列加工时的指标。本毕业设计旨在根据实际需求，设计一个满足要求、且不乏经济性的高速机床电主轴的结构。首先对高速机床电主轴的关键技术进行分析，其次对轴承、散热、动平衡等关键部分进行初步设计，然后对电主轴进行结构设计，最后验证设计，确保本毕业设计能够满足要求。本研究设计的工作主要在以下几个方面：

1、分析高速机床电主轴主要存在的问题以及有关高速机床电主轴的关键技术，对电主轴的轴承及其润滑技术、冷却和散热、动平衡等方面进行研究，结合实际需求，对这些关键部位进行初步设计；

2、对电主轴进行整体设计，包括轴承的选型及其刚度计算、电机的选型以及主轴的各项参数的计算，并验算结果。

关键词：高速电主轴；电主轴关键技术；结构设计

Abstract

Nowadays,manufacturing industry’s development is in the direction toward high-speed, high-power and high-efficiency, It can deeply reflect the level of a country’s manufacturing capacity in most cases. High-speed motorized spindle is the core component in high-speed machine tool, and it has a wide application prospect.Develop and apply higi-speed motorized spindle technology can highly improve one factory’s machining index like productivity, machining accuracy and machining quality etc. This graduation project is aimed at design a structure of a high-speed motorized spindle that satisfy the actual demand. I will analyze the key technologies of high-speed motorized spindle and design the key component such as bearings,cooling system and dynamic balance etc primarily at first, then design the structure of the motorized spindle, and I will check out my design to ensure it can meet the demand. The main task of this graduation design will contain these aspects below:

1. Analyze the main problem and key technologies of high-speed motorized spindle, research the spindle’s bearings, lubrications, cooling and dynamic balance etc. Combine with the reality demand, design those component primarily;

2. Design the motorized spindle entirely, this mainly includes the bearings’s chosen and its calculation of rigidity, the selection of electric motor and the calculation of main parameters of the spindle, and check my design at last.

Keywords:High-speed motorized spindle;Key technologies of motorized spindle;structure design

目录

1 绪论

1.1 高速切削技术 1

1.2 电主轴技术 2

1.3 小结 3

2 高速电主轴关键技术

2.1 主要技术指标 4

2.2 电主轴的整体布局设计 4

2.3 轴承及其润滑技术 4

2.4 冷却系统的设计 7

3 高速电主轴的电机设计

3.1 电机选型 8

3.2 过盈连接及其动平衡计算 9

4 高速电主轴的结构设计

4.1 外圆平均直径 10

4.2 内孔直径 10

4.3 悬伸量 11

4.4 支承跨距 11

4.5 校核和检验 12

5 总结 13

参考文献 14

附录1 1FE1系列电机结构示意表 15

附录2 1FE1系列电机性能参数表 16

附录3 BER10系列陶瓷球滚子轴承参数表 17

附录4 10系列陶瓷圆柱棍子轴承参数表 18

外语文献翻译 19

1绪论

1.1 高速切削技术

1.1.1 高速切削技术的理论基础

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。随着高速切削的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，加上混合陶瓷轴承的出现，使得在20世纪末期出现了一大批用于高速切削的大功率、大转矩、高转速的高速机床电主轴。

作为国民经济支柱产业的制造业，是衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志，高速切削技术是加工制造技术的一次革命性突破，是未来窃谑加工技术的重点发展方向。高速切削技术是指利用超硬材料的加工刀具和高转速、高精度和高自动化的制造装备，以实现切除效率、加工质量和加工精度大幅度提升的先进制造技术。

图1.1 萨洛蒙曲线

高速切削起源于20世纪30年代，当时德国著名的切削物理学家卡尔·萨洛蒙博士提出了高速切削假设，阐述了著名的超高速切削理论，即萨洛蒙原理：如图1.1所示，在常规切削速度范围内（A区），随着切削速度的增大，切削温度及刀具磨损程度呈线性增加，切削速度达到v1时，刀具会因为无法承受如此高的温度和磨损而不能继续使用，但是当切削速度增加到某一数值v0（一般常规切削速度的5-6倍）后，切削速度和刀具磨损速度反而随着切削速度的增加而降低。当速度达到v2以上时，切削温度已经降到t0以下，又处于刀具允许的切削条件范围之内，因而对于每一种工件材料，存在一个从v1-v2的速度范围（B区），在这个速度范围内，由于切削温度太高（高于刀具材料允许的最高温度t0），任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行，而处于v2以上切削速度的加工，就是高速切削加工。实践证明随着切削速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状发展，所需单位切削力在初期呈上升趋势，而后急剧下降，这说明高速切削比常规切削轻快，两者的机理也不同。

高速切削速度比常规切削速度几乎高出一个数量级，正是萨洛蒙理论的出现，才得以使高速切削在理论上成为可能。高速加工是一种不增加设别数量而大幅度提高加工效率的技术，其切削速度范围与工件材料的种类、加工方式有关。

1.1.2 高速切削技术的特点及应用

高速加工能显著地提高生产率和降低生产成本，是一项非常有前景的先进制造技术。高速切削具有以下优点：

1、切削速度和进给速度可以同时成倍数的提高，是的机床空行程速度大幅提高，大大减少了空运行时间，从而极大的提高了机床的生产率；

2、在切削速度达到一定值后，切削力可降低30%以上，尤其是径向切削力的大幅减少，特别有利于薄壁类和薄板类等刚性较差的零件的高速精密加工；

3、高速加工中工件热变形的可能性减小。在高速切削时，切削的切除产生在极端的瞬间，95%-98%甚至更多的切削热未及传递给工件，就被切削飞速带走，可基本上保持加工冷态，这非常有利于加工对温度和热变形十分敏感的零件，特别适用于加工镁合金零件；

4、高速切削时，由于切削机理的变化，加工更为平稳，由震动产生的加工误差更小，加工精度和加工表面质量都得到较大程度的提高。高速加工条件下，表面硬化层深度和微观组织的热损伤都有所减小，同时在加工表面残存的应力也更小，从而可以保证零件有较好的使用性能。所以高速切削不仅可以大大减少加工工序，提高加工效率，而且可以用于精密件加工和表面有特殊要求的零件的加工；

5、由于高速切削，零件的单件加工时间缩短了；在亿台机床经过一次装夹就能完成零件所有的粗、半精、精加工，提高了效率；高速加工提高了零件表面粗糙度质量，免去了后续的光整加工以及一部分电加工工序。因此，综合几方面的因素，可大幅度降低加工成本。

自从提出高速切削技术以来，经过半个世纪的探索和研究，随着数控机床、刀具技术、电脑软硬件技术的发展，80年代末高速切削开始正是应用于实际，90年代开始快速发展并广泛应用于模具、汽车、航空航天等领域的各种合金材料、铝、钢、铸铁及碳纤维塑料等复合材料的加工。

因高速切削具有以上有别于普通切削的特点，所以高速切削已经当前机床领域的热点。

1.2 电主轴技术

1.2.1 电主轴技术概述

主轴是高速机床的主要工作部件，也是整个机床的核心功能部件，而电主轴因为结构上的优越性和具有其他类型主轴无法代替的性能优势，几乎是高速机床主轴的唯一选择。电主轴的结构形式和性能将直接决定机床的性能，因此研究电主轴系统非常有意义。

传统主轴是驱动电机通过皮带、齿轮副等中间传动装置带动主轴旋转进行工作，电主轴（Morirized-Soindle），即电机内置式主轴，是将无外壳高速电机空心转子直接热装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的课题内，其间不再使用皮带、齿轮及联轴器等中间传动部分，电机直接驱动轴体，从而实现“零传动”的电机、轴体一体化主轴功能部件，因此又被成为内装式电主轴（Build-in Motor-Spindle）。

电主轴是一个复杂的系统，包括空心转轴、前后轴承、电机定子和转子、冷却套、外壳等基本机械部件以及专门的冷却系统。变频驱动器、润滑装置报警及停车装置、控制系统等一系列支持电主轴运转的外围设备，具体结构如图1.2所示。

与传统机床主轴相比，电主轴具有如下特点：

1、主轴由内装式电机直接驱动，省去了电机与主轴之间的变速装置，具有结构紧凑。机械效率高、震动小、精度高和噪声低等特点；

2、如果采用交流电机，利用交流变频技术，可以实现转速范围内的无级变速，能够针对不同的工况和负载状况对转速和扭矩进行实时调整；

3、利用与电机胚胎的闭环适量、伺服控制技术，不但可以实现低速大转矩、高速大功率的功能，而且可以满足精确定位停机和C轴加工需求；

4、电主轴更容易实现高速化，具有较好的稳定性和动态性能，可以更好的满足高速、高效、高精加工的要求；

5、由于省去了中间环节的外力作用，主轴运行更平稳，本身不存在对轴承的额外冲击，使主轴轴承在良好工作环境下运转，寿命得到延长；

6、主轴和转子的直接结合，使主轴成为真正意义上的独立功能部件，能够更具不同的机床类型和型号配置相应的电主轴，使主轴标准化、专业化、单元化和规模化生产逐渐成为现实。

1.2.2 国外电主轴技术的发展现状与趋势

由于国外发达国家制造业底蕴丰富，综合技术水平较高，且对高速电主轴技术研究较早，所以电主轴单元发展较快，技术水平也处于领先地位，并且随着变频技术及数字技术发展的日趋完善，逐渐形成了一系列标准产品，在机床行业得到普遍应用。

目前国外主要工业发达国家均有装备优良的电主轴专业生产厂家，可以批量的生产用于高速机床和加工中心的电主轴，其中著名的有：

1、瑞士的IBAG、STEP-TEC、FISCHER公司；

2、日本的KOYO、NSK公司；

3、德国的FAG、GMN公司；

4、美国的PRECISE公司；

5、瑞典的SKF公司；

6、意大利的FOEMAT、GAMFIOR公司等。

总体上来看，国外的高速电主轴具有功率大、转速高、采用高速高刚度轴承、精密加工与精密装配工艺水平高和台套控制水平高等特点。其发展趋势主要表现在以下几个方面：

1、继续向速度更高、刚度更大的方向发展；

2、向低速大转矩、高速大功率等方向发展；

3、电机类型与控制方式向多样化方向发展；

4、进一步向高精度、高可靠性和高工作寿命方向发展；

5、轴承的类型向多样化方向发展；

6、向智能化、多功能方向发展；

7、向标准化方向发展。

1.2.3 国内电主轴技术的发展现状

中国机床行业近几年取得了世界瞩目的快速发展，其中数控机床发展最为迅速，在多轴、高速、精密、复合以及自动化程度等方面都取得了明显的进步，尤其在数控机床的品种和高速化发展上进展明显。国内电主轴技术领域一洛阳轴承科技股份优先公司（原机械部洛阳轴承研究所）为代表，自从1958年由其为主研制的第一台电主轴以来，该公司已经成功自主研发成功一路系列用于加工中心的电主轴。除此之外，国内的电主轴企业还有无锡开源、安阳莱泰等一批公司。

虽然我国的电主轴技术已经取得较大的进展，但是不论在产品的质量、种类方面，还是在产品的性能、标准化等方面与发达国家仍然存在不小的查均。目前国产的高转速、高精度数控机床所应用的电主轴，仍然主要从国外进口。与国外的先进产品相比，国内产品主要存在如下差距：

1、转速较低；

2、输出转矩较低；

3、我国的陶瓷球轴承无论从产量和质量都不稳定，工作寿命短、性能差，大多依赖进口；

4、国外普遍采用高效而环保的油气润滑，而我国大多仍使用油脂或油雾润滑，国内对油脂的研制很落后，大多需要进口，而油雾润滑污染严重，国外已不再使用；

5、精密装配和精密加工工艺水平差距大；

6、在电主轴产品的标准化、规格化等方面的专业程度不够。

1.3 小结

本章简要介绍了高速切学技术理论基础、应用和发展以及高速机床的关键技术；详细介绍了高速电主轴技术的发展历程及应用现状，国内外电主轴技术现状及发展趋势，国内外电主轴技术的差距，为下文关键技术的分析及设计打下基础。

2 高速电主轴关键技术

2.1 主要技术指标

根据《湘潭大学毕业论文设计任务书-机床高速电主轴的结构设计》，所设计的机床高速电主轴主要的指标与要求如下：

1、电主轴额定功率22kW；

2、电主轴最高转速不低于20000rpm；

3、电主轴形式：内藏式；1：10锥孔，要求结构简单、成本低。

2.2 电主轴的整体布局设计

根据电动机与轴承相对位置的不同，电主轴的正题结构布局主要有两种形式：

1、电动机安装在前、后轴承之间

与传统的通过齿轮、皮带带动主轴进行转动相比，这种布局形式能极大的提高整个主轴系统的刚度，进而提高了系统的固有频率和临界转速，从而能在更高的运转速度下保持稳定运转，安全性也很高。这种布局形式优点在于主轴单元的轴向尺寸较短，刚度较高，而由于电动机布置在系统的内部，散热条件较差，还需要设计一套高效、稳定的冷却系统；

2、电动机安装在后轴承之后

在这一布局形式中，主轴和电动机沿轴向串联安装，轴向尺寸较大，从而使得刚度较小，但径向尺寸小，非常轻便，适用于小型的数控机床。同时由于电动机安装在后轴承之后，散热条件优良。

本设计所设计的电主轴要求能在高速、高功率和高转矩的工况下工作，为达到较高的加工质量、加工精度和主轴系统刚度，故而采用前述的第一种布置形式。

2.3 轴承及其润滑技术

2.3.1 概述

轴承是决定电主轴寿命和负载大小的关键部件。电主轴的轴承应满足高速转动的要求, 具有较高的回转精度和较低的温升, 同时具有尽可能高的轴向和径向精度、足够的承载能力等。根据目前国内外对此的研究现状，电主轴可采用的轴承类型有静压轴承、动静压混合轴承、磁悬浮轴承和滚动轴承等。

轴承润滑冷却技术是电主轴研究领域的关键技术之一，润滑冷却效果的好坏，将直接决定轴承的发热、承载、工作转速和使用寿命，从而影响电主轴的刚度、精度、最高转速和使用寿命，因此有必要对高速电主轴轴承的润滑冷却技术进行详细研究。

2.3.2 轴承类型的选择

1、静压轴承

静压轴承是一种利用压力泵将润滑剂强行泵入轴承和轴之间的微小间隙的滑动轴承。静压轴承为非接触式轴承，具有磨损小、寿命长、旋转精度高、阻尼特性好(振动小)等优点，用在电主轴上，可使刀具寿命延长、表面加工质量提高。按润滑剂的种类可以分为两类，一类是液体静压轴承，主要使用油为润滑剂，另一类是气体静压轴承，使用气体作润滑剂，通常是使用空气作为润滑剂。

在气静压轴承中,采用气体作介质，由于气膜的均化效应,其旋转精度比轴承和轴套表面的圆度误差值小很多, 采用气静压轴承的电主轴旋转精度可达 0.1μm。气静压轴承工作时与轴颈没有任何接触，没有磨损，在介质洁净、主轴使用合理的条件下，可以达到相当长的使用寿命；气静压轴承摩擦力矩极小，消耗的功率也极小，产生的热量非常少，温升很小，所以电主轴的热变形较小；另外，采用气静压轴承的电主轴可以较好地保持刀具的锋锐性，降低加工零件表面粗糙度值，非常适合高精度加工的需要。采用气体静压轴承的电主轴具有转速和回转精度高、振动和噪声小、使用寿命长、摩擦功耗小、无污染、温度适应性强、生产率高等特点。

气静压轴承的缺点是：与滚动轴承相比刚度较差,不适合多冲击和变载荷的加工条件，径向承载能力较低，尤其不适合重载工况，对压缩空气的清洁度要求较高,使用费用和维护费用较高，因此不适合用于高速加工中心电主轴。空气静压轴承多用于高速轻载和超精密的场合。

液体静压轴承用润滑油作承压介质，具有回转精度高、刚性较高、转动平稳、无振动的特点，但由于结构复杂，在高速条件下，液面搅动，功率消耗大，温升较高，无法适应高速电主轴的工况。

2、动静压混合轴承

动静压混合轴承是在静压轴承的基础上发展起来的一种新型多楔油膜轴承，它综合了静压轴承和动压轴承的优点，克服了静压轴承供油系统过于复杂庞大和高速下发热严重的问题，避免了动压轴承启停时易发生干摩擦的弱点，具有结构紧凑、调速范围宽、高速性能好、动静态刚度高等优点。缺点是这种轴承必须进行专门设计，单独生产，标准化程度低，价格较高，使用维护较为复杂，目前在超高速主轴单元中较少应用。

3、磁悬浮轴承

磁悬浮轴承又称为磁力轴承，它的原理是在轴颈圆周方向上布置多个互为 180 度的电磁铁，在轴的径向产生多对均布的吸力(或斥力)，从而把主轴悬浮在空气中，其工作原理如图 2.1 所示。磁悬浮轴承是非接触式轴承，轴承与轴颈的径向间隙约为 l 毫米。主轴工作时，因受力而发生一个极为微弱的空间位置改变，对应的位置传感器可以测出这一变化值，然后传递给反馈与自动控制装置，控制装置通过调节相应位置的磁力，使主轴快速的回到理想位置，从而实现主轴始终绕理想回转中心高速旋转的目的。磁悬浮轴承是目前唯一投入实用的可以实现主动控制的先进轴承，具有许多传统轴承不可比拟的优点：转速极高；摩擦损失小；寿命长，维护成本低；不需要润滑系统，结构紧凑，无污染；能够进行实时监控和智能反应，具有极高的可控性，可以实现工作性能的最优化。

磁悬浮支承电主轴的缺点是：需要辅助支承、额外的传感器和控制系统，机械结构复杂；发热问题更突出,必须有很好的冷却系统；价格昂贵,通常是普通电主轴的两倍。所以目前磁悬浮电主轴的实际应用并不是很多，但它是一种很有发展前途的电主轴，随着相关技术的不断发展，其成本的不断降低和性能的不断提高，会在实际生产中得到越来越广泛的应用。

4、滚动轴承

滚动轴承具有刚度高、高速性能好、结构简单紧凑、标准化程度高、品种规格繁多、便于维修更换等优点, 因而在电主轴中得到最广泛的应用。但是随着高速机床技术水平的发展，电主轴的速度和功率较以往有很大的提高，使用环境和条件与过去相比更加苛刻和复杂, 普通的滚动轴承已逐渐不能适应使用要求。

滚珠离心力的大小与轴承转速的平方成正比关系, 滚珠陀螺力矩与轴承转速和自转速度成正比关系，轴承在高速运行时，滚珠产生的巨大陀螺力矩和离心力会加剧轴承的磨损和温升，导致轴承使用寿命的降低。要想减小陀螺力矩和离心力，通常有减少滚珠直径（如已经标准化的 71900 系列主轴轴承）和选用轻质材料制造滚珠这两种方法。减少滚珠直径会降低轴承的刚度，而且会使轴承结构变得复杂，而后者相对来说是更可取的，采用氮化硅陶瓷材料代替钢制成滚动体，而其他部分仍采用钢作为材料的滚动轴承，称之为混合陶瓷轴承，简称陶瓷轴承。工程陶瓷材料( 3 4 Si N )耐热、耐腐蚀和耐磨性能优异, 而且重量轻，可以适应高速电主轴轴承的严酷工作环境。

与普通钢制滚动轴承相比，混合陶瓷轴承有以下优点：

1、质量轻；

2、刚性好；

3、线性膨胀系数低；

4、硬度高；

5、耐高温；

6、绝缘等。

与同精度等级同规格钢质滚动轴承相对比, 虽然陶瓷轴承价格约为后者的 2-2.5倍，但可提高60%的速度，温升降低35%-60%，寿命是后者的3-6倍，陶瓷滚动轴承的最高工作极限 Dm·N 值可高达 3.0×106。另外，由于陶瓷材料性能的特殊，陶瓷轴承可采用小直径滚珠高密度排列的结构形式，在提高其动态载荷性能的同时还可以减小轴承宽度，节省材料。由此可见混合陶瓷轴承性能卓越，性价比较高，综合来看，具有较高的社会和经济效益，所以其在高速电主轴方面应用日益广泛，已逐渐取代传统的钢制轴承成为电主轴的主流配置，本设计的前后支承都采用混合陶瓷轴承。

2.3.3 轴承的布置与预紧

轴承的布置形式应根据电主轴的使用工况来选择，在本研究中，需满足高速加工中心大转速、高刚度、大功率、高负载的要求。为保证主轴的刚度，同时具有相应的高速特性，主轴的整体支承结构可采用一端轴向固定一端轴向游动的方式，其中主轴前端为固定端，后端为游动端，采用这种布置形式，可以较好的适应主轴向后热伸长的需要，同时具有较高的刚度和较好的高速性能。用于高速电主轴的滚动轴承有圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承和角接触球轴承等多种轴承形式，其中以角接触球轴承应用最多。角接触轴承可以同时承受轴向、径向联合载荷及方向不明确的附加载荷，且允许的极限转速较高，对于作用在主轴上的载荷可做到速度和刚度之间的最佳匹配，因此可以达到精密电主轴的高速、高刚度、大功率、高效

的要求，可以作为要求较高的前端支承。

为提高刚度，角接触球轴承一般采用多联的配置方式，而同一轴承组中的每个轴承的误差不尽相同，配对数的增加会降低整个轴承组的转速，从而影响主轴能达到的最高速度。成对的接触球轴承最好采用背对背安装，因为这种安装方式下同轴承组中的两个轴承的接触点之间有更大的距离，可以产生一个更大的抗弯力矩，能够提高支承的总体刚度，从而提高了主轴刚度。后端支承只承受径向力，不承受轴向力，选用圆柱滚子轴承作为游动端。

图2.2

结合利弊，前端选用压力角为 25°，精度等级为超精密级（B 级）的角接触陶瓷球轴承，双联背对背配置，中间加隔套，后端选用双联陶瓷圆柱滚子轴承（B 级），得到的轴承布置形式如图 2.2 所示。轴承的具体选型要在后面轴的设计时根据安装段的轴颈选用。

2.3.4 轴承的润滑

该设计中轴承采用国外发达国家普遍使用、效果较好、技术成熟的油气润滑技术。油气润滑的基本原理是利用具有一定压力的压缩空气使微量的润滑油以微小油滴的形式沿管道内壁不断地流动，分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承，微小油滴在进入内外滚道之后形成弹性动压油膜，而输送油滴的压缩空气顺便带走轴承转动产生的部分热量，从而实现轴承的精确、定时、定量润滑，同时能够起到一定的冷却效果。

除了油气润滑，仍然有其他的多种润滑方式可供选择。但存在以下的一些缺点故而不予使用：

1、油雾润滑：润滑效果好、高速性能好、可靠性高，同时可以通过压缩空气带走大量的热，但供油量无法精确控制，油雾无法有效进入润滑区域，使各摩擦点的油量处于一个波动的状态上，对于轴承寿命有一定影响，同时油耗严重，排出的油雾会严重污染环境，损害工人身体健康，进入电主轴内部，影响电主轴寿命；

2、喷射润滑：这种润滑方式比油雾润滑的效果更好，但功耗更大，对密封性不够导致的润滑油泄漏会造成更加严重的环境污染；

3、环下润滑：这种润滑方式通过轴承内圈的微小孔利用离心力将润滑油甩到轴承内部，效果非常好，但机械结构极为复杂，实际应用较少。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/3a86f99ea9956bec0975f46527d3240c8547a10d.html