毕业设计说明书
题 目： 数控车床电主轴设计
学 号：
姓 名：
班 级：07级机械（3）班
专 业：机械设计制造及其自动化
指导教师：
学 院：机械工程学院
答辩日期：2011年 4月 23 日
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论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日
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论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日 指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日
摘 要
本文阐述了车床电主轴的发展历史、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，分别对电主轴的电机、编码器、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：车床；电主轴；主轴；轴承
Abstract
This 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: lathe ；electrical spindle；spindle ；bearing
目 录
第1章 绪论………………………………………………………………………………….. ………………………………. 1
1.1选题的目的和意义………………………………………………………………………………….. ……………………………1
1.2数控车床电主轴的国内外的研究现状和发展趋势………………………………………………………………. 1
1.3本课题主要研究内容……………………………………………………………………………….. ………………………….. 4
第2章 数控车床电主轴的介绍………………………………………………………………………………….. …5
2.1车床电主轴的工作原理……………………………………………………………………………….. ………………………5
2.2数控车床电主轴的特征……………………………………………………………………………….. ………………………5
第3章 车床电主轴结构设计……………………………………………………………………………….. ………7
3.1电主轴结构图……………………………………………………………………………….. ………………………………………7
3.2同步带的选择……………………………………………………………………………….. ………………………………………7
3.3内置编码器的选择……………………………………………………………………………….. ……………………………11
3.4转子和定子的设计……………………………………………………………………………….. ……………………………12
3.5轴承的选择……………………………………………………………………………….. ………………………………………. 14
3.6冷却系统的设计……………………………………………………………………………….. ……………………………….. 16
3.7主轴的主要结构参数……………………………………………………………………………….. ……………………….. 18
第4章 轴的校核……………………………………………………………………………….. ……………………………………….. 25
4.1轴的强度校核计算……………………………………………………………………………….. ……………………………25
4.2轴的刚度校核计算……………………………………………………………………………….. ……………………………28
4.3轴的CAE 分析……………………………………………………………………………….. …………………………………. 29
第5章 轴承的校核……………………………………………………………………………….. ……………………………………31
5.1角接触球轴承的校核……………………………………………………………………………….. ……………………….. 31
5.2深沟球轴承的校核……………………………………………………………………………….. ……………………………33
5.3轴承的CA E 分析……………………………………………………………………………….. ……………………………….. 34
总结……………………………………………………………………………….. ……………………………. …………….. 36 参考文献……………………………………………………………………………….. ……………………………………. 37 致谢……………………………………………………………………………….. …………………………………………….39
附录1 电主轴的装配图……………………………………………………………………………….. ……………..40
附录2 电主轴的主轴零件图……………………………………………………………………………….. ……..41
附录3 电主轴的同步带轮零件图……………………………………………………………………………….. 42
附录4 电主轴的压盖零件图……………………………………………………………………………….. ……..43
附录5 电主轴的刀套零件图……………………………………………………………………………….. ……..44
第1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 数控车床电主轴的国内外的研究现状和发展趋势
1.2.1 数控车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200N ·m 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140000r/min，直径范围33到300mm ，功率范围125W-SOkW, 扭矩范围0.02～300N ·m 。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数控车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，D m N 值是反映电主轴刚度和转速的一个重要的综合特征参数，D m N 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1250N ·m, 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）数控车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2章 数控车床电主轴的介绍
2.1 车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 数控车床电主轴的特征
（1）高回转精度
车削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
车削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]。
第3章 车床电主轴结构设计
3.1 电主轴结构图
1—主轴箱体 2—主轴前轴承 3—主轴 4—冷却液进口 5—主轴前轴承座 6—前轴承冷却套 7—定子 8—转子 9—定子冷却套 10—冷却液出口 11—主轴后轴承
图3.1 车削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Pd
P d =K0P m =1.6×12.5=20 kw
式中K 0载荷修正系数（由表3.1得）
表3.1 载荷修正系数K （部分）
(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=n2×i0=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=n1／n2=3.1
Z2=62, 取标准带轮齿数Z2=60 (4) 确定带轮节圆直径：
d1=PbZ1／π=80.892mm d2= PbZ2／π=242.675mm
(5) 确定同步带的节线长度Lp
Lp=2acosφ+π(d2+d1) ／2+πφ(d2-d1) ／180 （3-2）
式中：φ=sin -1
d 2-d 1
=9.31˚(以a=500mm代入) 2a
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Zb
Zb=Lp／Pb=1524.00/12.70=120
(7) 传动中心距a 的计算
a=Pb(Z2-Z1) ／2πcos θ （3-3）
式中：inV θ=π上式:
a=Pb(Z2-Z1) ／2πcos θ=373.53mm
Zb -Z z
=3.1416 inVθ=tgθ-θ用逐步逼近法计算，θ=1．3518(弧度) 代入
Zz -Z1
表3.2 七种同步带型号的主要参数
表3.3 带轮最少许用齿数
(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Po
Po=(Ta-mv2)v ／1000 (kw) （3-4）
式中：Ta ——许用工作拉力，查表3.2得Ta=2100.85 N
m ——单位长度质量，查表3.2可得m=0.448Kg/m V ——线速度 (m/s)
ωPbZ 1⨯10-3
V==6.35 (m/s) （3-5）
2π
表3.4 标准同步带的节线长度(部分)
带入上式的Po=13.23 (kw)
(b). 计算小带轮啮合齿数Zm
Zm=
Z 1PbZ 1
—2（Z2-Z1）=8.62>6 22πa
(c). 确定实际所需带宽b э
P ≈PoKzKw （3-6）
式中： P ——带所能传递功率 kw
Kz ——啮合系数，因Zm>6 故Kz=1 Kw ——(
b ℑ1. 14
) 查表3.2，H 型带bэס=76.20mm b ℑσ
将P 式代入P ≥Pd 则b э≥bэס((9) 验算
P d 1/1. 14
=26.65mm 取标准带宽38.1mm 见表3.2 )
K Z P O
b ℑm v 2
(K Z K W T a -) v
b ℑ∂
P ==22.15 > 20 kw
1000
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 内置编码器的选择
为了提高机械装置的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。其中以旋
转编码器，线性编码器，旋转变压器，测速发电机等比较普遍。本人在电主轴设计的内置编码器是属于旋转编码器的。它的特点是：非接触式，无摩擦和磨损，体积小，重量轻，机构紧凑，安装方便，维护简单，其具有高精度，大量程测量等。旋转编码器非常适合测速度，可无限累加测量。
3.4 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2b ＝126.5mm ，转子内孔直径2a ＝85.5mm ，转子的轴向长度为346mm ，转子配合面的有效接触长度B ＝300mm 。主轴配合面的基本尺寸为：外径2a ＝85.5mm ，内孔直径为2c ＝46mm 。电机的最高转速为8000r ／min ，所以其最大角速度ωmax 为837.3 rad／s 。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。
a 0. 04275
Ce===0.6759 （3-7）
b 0. 06325
0. 023c
Ci===0.5380 （3-8）
0. 04275a
电机转子和主轴均为钢质材料，材料的弹性模量E ＝2.1×1011N ／m 2，泊凇比υ＝0.3， 主轴配合面间的摩擦系数μ＝0.09，电机转子衬套材料的许用应力［σ］为287N ／mm 2，主轴材料的许用应力［σ］为567 N／mm 2。
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Δd min 可由下式求得：
Δdmin =
ρw 2(1+v )(3-2v )(1-Ce 2Ci 2) a 3
2ECe 2
=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Δsmin可由下式求得：
Kc (1-v 2) Mt 1+Ce 21+Ci 2
Δsmin =(+)=0.00245 （3-10）
1-Ce 21-Ci 2πμEBa
根据计算可知，高速电主轴要求的动态过盈量Δd min 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Δmin为：
图3.3 电主轴的结构
Δmin＝Δd min ＋Δs min ＝0.02295 （mm ） （3-11）
据此，在GD －Ⅱ型电主轴设计中，主轴与电机转子的配合采用Φ66H6／s6的过盈配合，这种配合的实际最小过盈量为0.040mm(＞0.02295 mm) ，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：
E (1-Ce 2)(1-Ci 2) ∆max 2
p max ==93.6 (N/mm) （3-12） 222
2(1-v )(1-Ci Ce ) a
电机转子内孔配合面上具有最大的切向拉应力σθemax和最大的径向压应力σremax ，其值为：
σθemax (r=a)=-pmax =-93.6 (N/mm2) （3-13）
P max (1+Ce 2)
σremax (r=a)==191.9 (N/mm2) （3-14） 2
1-Ci
主轴的σri （r ）和σθi（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σrimax ，在主轴内孔壁处具有最大的切向压应力σθimax，其值为：
σrimax (r=a)=-pmax =-93.6 (N/mm2) （3-15）
σθimax (r=c)=-
2P max 2
=-263.4 (N/mm) （3-16） 2
1-Ci
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：
σr3=σθemax-σremax =285.5 (N/mm)
2
电机转子衬套材料的许用应力［σ］为287 N ／mm ，σr3＜［σ］，使用安全。
图3.4 主轴与转子过盈配合的应力分布
3.5 轴承的选择
3.5.1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3000~4000N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1000~8000r/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