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目錄
1 緒論
1.1 高速切削技術 1
1.2 電主軸技術 2
1.3 小結 3
2 高速電主軸關鍵技術
2.1 主要技術指標 4
2.2 電主軸的整體布局設計 4
2.3 軸承及其潤滑技術 4
2.4 冷卻系統(tǒng)的設計 7
3 高速電主軸的電機設計
3.1 電機選型 8
3.2 過盈連接及其動平衡計算 9
4 高速電主軸的結構設計
4.1 外圓平均直徑 10
4.2 內孔直徑 10
4.3 懸伸量 11
4.4 支承跨距 11
4.5 校核和檢驗 12
5 總結 13
參考文獻 14
附錄1 1FE1系列電機結構示意表 15
附錄2 1FE1系列電機性能參數表 16
附錄3 BER10系列陶瓷球滾子軸承參數表 17
附錄4 10系列陶瓷圓柱棍子軸承參數表 18
內 容 摘 要
當前的制造業(yè)的機床正一步步的向著高速、高功率、高效率等方向發(fā)展，一個國家的制造業(yè)實力往往就體現(xiàn)在這一些方面。高速機床電主軸是高速機床的核心部件，有著非常廣闊的應用前景。發(fā)展和應用高速機床電主軸技術，能極大的提高工廠的生產力、加工精度和加工質量等等一系列加工時的指標。本畢業(yè)設計旨在根據實際需求，設計一個滿足要求、且不乏經濟性的高速機床電主軸的結構。首先對高速機床電主軸的關鍵技術進行分析，其次對軸承、散熱、動平衡等關鍵部分進行初步設計，然后對電主軸進行結構設計，最后驗證設計，確保本畢業(yè)設計能夠滿足要求。本研究設計的工作主要在以下幾個方面：
1、 分析高速機床電主軸主要存在的問題以及有關高速機床電主軸的關鍵技術，對電主軸的軸承及其潤滑技術、冷卻和散熱、動平衡等方面進行研究，結合實際需求，對這些關鍵部位進行初步設計；
2、 對電主軸進行整體設計，包括軸承的選型及其剛度計算、電機的選型以及主軸的各項參數的計算，并驗算結果。
關鍵詞：高速電主軸；電主軸關鍵技術；結構設計
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
1緒論
1.1 高速切削技術
1.1.1 高速切削技術的理論基礎
早在20世紀50年代，就已經出現(xiàn)了用于磨削小孔的高頻電主軸，當時的變頻器采用的是真空電子管，雖然轉速高，但傳遞的功率小、轉矩也小。隨著高速切削的發(fā)展的需要和功率電子器件、微電子器件和計算機技術的發(fā)展，產生了全固態(tài)元件的變頻器和矢量控制驅動器，加上混合陶瓷軸承的出現(xiàn)，使得在20世紀末期出現(xiàn)了一大批用于高速切削的大功率、大轉矩、高轉速的高速機床電主軸。
作為國民經濟支柱產業(yè)的制造業(yè)，是衡量一個國家科學技術發(fā)展水平的重要標志，高速切削技術是加工制造技術的一次革命性突破，是未來竊謔加工技術的重點發(fā)展方向。高速切削技術是指利用超硬材料的加工刀具和高轉速、高精度和高自動化的制造裝備，以實現(xiàn)切除效率、加工質量和加工精度大幅度提升的先進制造技術。
圖1.1 薩洛蒙曲線
高速切削起源于20世紀30年代，當時德國著名的切削物理學家卡爾·薩洛蒙博士提出了高速切削假設，闡述了著名的超高速切削理論，即薩洛蒙原理：如圖1.1所示，在常規(guī)切削速度范圍內（A區(qū)），隨著切削速度的增大，切削溫度及刀具磨損程度呈線性增加，切削速度達到v1時，刀具會因為無法承受如此高的溫度和磨損而不能繼續(xù)使用，但是當切削速度增加到某一數值v0（一般常規(guī)切削速度的5-6倍）后，切削速度和刀具磨損速度反而隨著切削速度的增加而降低。當速度達到v2以上時，切削溫度已經降到t0以下，又處于刀具允許的切削條件范圍之內，因而對于每一種工件材料，存在一個從v1-v2的速度范圍（B區(qū)），在這個速度范圍內，由于切削溫度太高（高于刀具材料允許的最高溫度t0），任何刀具都無法承受，切削加工不可能進行，而處于v2以上切削速度的加工，就是高速切削加工。實踐證明隨著切削速度的提高，切屑形態(tài)從帶狀、片狀到碎屑狀發(fā)展，所需單位切削力在初期呈上升趨勢，而后急劇下降，這說明高速切削比常規(guī)切削輕快，兩者的機理也不同。
高速切削速度比常規(guī)切削速度幾乎高出一個數量級，正是薩洛蒙理論的出現(xiàn)，才得以使高速切削在理論上成為可能。高速加工是一種不增加設別數量而大幅度提高加工效率的技術，其切削速度范圍與工件材料的種類、加工方式有關。
1.1.2 高速切削技術的特點及應用
高速加工能顯著地提高生產率和降低生產成本，是一項非常有前景的先進制造技術。高速切削具有以下優(yōu)點：
1、 切削速度和進給速度可以同時成倍數的提高，是的機床空行程速度大幅提高，大大減少了空運行時間，從而極大的提高了機床的生產率；
2、 在切削速度達到一定值后，切削力可降低30%以上，尤其是徑向切削力的大幅減少，特別有利于薄壁類和薄板類等剛性較差的零件的高速精密加工；
3、 高速加工中工件熱變形的可能性減小。在高速切削時，切削的切除產生在極端的瞬間，95%-98%甚至更多的切削熱未及傳遞給工件，就被切削飛速帶走，可基本上保持加工冷態(tài)，這非常有利于加工對溫度和熱變形十分敏感的零件，特別適用于加工鎂合金零件；
4、 高速切削時，由于切削機理的變化，加工更為平穩(wěn)，由震動產生的加工誤差更小，加工精度和加工表面質量都得到較大程度的提高。高速加工條件下，表面硬化層深度和微觀組織的熱損傷都有所減小，同時在加工表面殘存的應力也更小，從而可以保證零件有較好的使用性能。所以高速切削不僅可以大大減少加工工序，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，零件的單件加工時間縮短了；在億臺機床經過一次裝夾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質量，免去了后續(xù)的光整加工以及一部分電加工工序。因此，綜合幾方面的因素，可大幅度降低加工成本。
自從提出高速切削技術以來，經過半個世紀的探索和研究，隨著數控機床、刀具技術、電腦軟硬件技術的發(fā)展，80年代末高速切削開始正是應用于實際，90年代開始快速發(fā)展并廣泛應用于模具、汽車、航空航天等領域的各種合金材料、鋁、鋼、鑄鐵及碳纖維塑料等復合材料的加工。
因高速切削具有以上有別于普通切削的特點，所以高速切削已經當前機床領域的熱點。
1.2 電主軸技術
1.2.1 電主軸技術概述
主軸是高速機床的主要工作部件，也是整個機床的核心功能部件，而電主軸因為結構上的優(yōu)越性和具有其他類型主軸無法代替的性能優(yōu)勢，幾乎是高速機床主軸的唯一選擇。電主軸的結構形式和性能將直接決定機床的性能，因此研究電主軸系統(tǒng)非常有意義。
傳統(tǒng)主軸是驅動電機通過皮帶、齒輪副等中間傳動裝置帶動主軸旋轉進行工作，電主軸（Morirized-Soindle），即電機內置式主軸，是將無外殼高速電機空心轉子直接熱裝在機床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的課題內，其間不再使用皮帶、齒輪及聯(lián)軸器等中間傳動部分，電機直接驅動軸體，從而實現(xiàn)“零傳動”的電機、軸體一體化主軸功能部件，因此又被成為內裝式電主軸（Build-in Motor-Spindle）。
電主軸是一個復雜的系統(tǒng)，包括空心轉軸、前后軸承、電機定子和轉子、冷卻套、外殼等基本機械部件以及專門的冷卻系統(tǒng)。變頻驅動器、潤滑裝置報警及停車裝置、控制系統(tǒng)等一系列支持電主軸運轉的外圍設備，具體結構如圖1.2所示。
與傳統(tǒng)機床主軸相比，電主軸具有如下特點：
1、 主軸由內裝式電機直接驅動，省去了電機與主軸之間的變速裝置，具有結構緊湊。機械效率高、震動小、精度高和噪聲低等特點；
2、 如果采用交流電機，利用交流變頻技術，可以實現(xiàn)轉速范圍內的無級變速，能夠針對不同的工況和負載狀況對轉速和扭矩進行實時調整；
3、 利用與電機胚胎的閉環(huán)適量、伺服控制技術，不但可以實現(xiàn)低速大轉矩、高速大功率的功能，而且可以滿足精確定位停機和C軸加工需求；
4、 電主軸更容易實現(xiàn)高速化，具有較好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，可以更好的滿足高速、高效、高精加工的要求；
5、 由于省去了中間環(huán)節(jié)的外力作用，主軸運行更平穩(wěn)，本身不存在對軸承的額外沖擊，使主軸軸承在良好工作環(huán)境下運轉，壽命得到延長；
6、 主軸和轉子的直接結合，使主軸成為真正意義上的獨立功能部件，能夠更具不同的機床類型和型號配置相應的電主軸，使主軸標準化、專業(yè)化、單元化和規(guī)?；a逐漸成為現(xiàn)實。
1.2.2 國外電主軸技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
由于國外發(fā)達國家制造業(yè)底蘊豐富，綜合技術水平較高，且對高速電主軸技術研究較早，所以電主軸單元發(fā)展較快，技術水平也處于領先地位，并且隨著變頻技術及數字技術發(fā)展的日趨完善，逐漸形成了一系列標準產品，在機床行業(yè)得到普遍應用。
目前國外主要工業(yè)發(fā)達國家均有裝備優(yōu)良的電主軸專業(yè)生產廠家，可以批量的生產用于高速機床和加工中心的電主軸，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、 德國的FAG、GMN公司；
4、 美國的PRECISE公司；
5、 瑞典的SKF公司；
6、 意大利的FOEMAT、GAMFIOR公司等。
總體上來看，國外的高速電主軸具有功率大、轉速高、采用高速高剛度軸承、精密加工與精密裝配工藝水平高和臺套控制水平高等特點。其發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
1、 繼續(xù)向速度更高、剛度更大的方向發(fā)展；
2、 向低速大轉矩、高速大功率等方向發(fā)展；
3、 電機類型與控制方式向多樣化方向發(fā)展；
4、 進一步向高精度、高可靠性和高工作壽命方向發(fā)展；
5、 軸承的類型向多樣化方向發(fā)展；
6、 向智能化、多功能方向發(fā)展；
7、 向標準化方向發(fā)展。
1.2.3 國內電主軸技術的發(fā)展現(xiàn)狀
中國機床行業(yè)近幾年取得了世界矚目的快速發(fā)展，其中數控機床發(fā)展最為迅速，在多軸、高速、精密、復合以及自動化程度等方面都取得了明顯的進步，尤其在數控機床的品種和高速化發(fā)展上進展明顯。國內電主軸技術領域一洛陽軸承科技股份優(yōu)先公司（原機械部洛陽軸承研究所）為代表，自從1958年由其為主研制的第一臺電主軸以來，該公司已經成功自主研發(fā)成功一路系列用于加工中心的電主軸。除此之外，國內的電主軸企業(yè)還有無錫開源、安陽萊泰等一批公司。
雖然我國的電主軸技術已經取得較大的進展，但是不論在產品的質量、種類方面，還是在產品的性能、標準化等方面與發(fā)達國家仍然存在不小的查均。目前國產的高轉速、高精度數控機床所應用的電主軸，仍然主要從國外進口。與國外的先進產品相比，國內產品主要存在如下差距：
1、 轉速較低；
2、 輸出轉矩較低；
3、 我國的陶瓷球軸承無論從產量和質量都不穩(wěn)定，工作壽命短、性能差，大多依賴進口；
4、 國外普遍采用高效而環(huán)保的油氣潤滑，而我國大多仍使用油脂或油霧潤滑，國內對油脂的研制很落后，大多需要進口，而油霧潤滑污染嚴重，國外已不再使用；
5、 精密裝配和精密加工工藝水平差距大；
6、 在電主軸產品的標準化、規(guī)格化等方面的專業(yè)程度不夠。
1.3 小結
本章簡要介紹了高速切學技術理論基礎、應用和發(fā)展以及高速機床的關鍵技術；詳細介紹了高速電主軸技術的發(fā)展歷程及應用現(xiàn)狀，國內外電主軸技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，國內外電主軸技術的差距，為下文關鍵技術的分析及設計打下基礎。
2 高速電主軸關鍵技術
2.1 主要技術指標
根據《湘潭大學畢業(yè)論文設計任務書-機床高速電主軸的結構設計》，所設計的機床高速電主軸主要的指標與要求如下：
1、 電主軸額定功率22kW；
2、 電主軸最高轉速不低于20000rpm；
3、 電主軸形式：內藏式；1：10錐孔，要求結構簡單、成本低。
2.2 電主軸的整體布局設計
根據電動機與軸承相對位置的不同，電主軸的正題結構布局主要有兩種形式：
1、 電動機安裝在前、后軸承之間
與傳統(tǒng)的通過齒輪、皮帶帶動主軸進行轉動相比，這種布局形式能極大的提高整個主軸系統(tǒng)的剛度，進而提高了系統(tǒng)的固有頻率和臨界轉速，從而能在更高的運轉速度下保持穩(wěn)定運轉，安全性也很高。這種布局形式優(yōu)點在于主軸單元的軸向尺寸較短，剛度較高，而由于電動機布置在系統(tǒng)的內部，散熱條件較差，還需要設計一套高效、穩(wěn)定的冷卻系統(tǒng)；
2、 電動機安裝在后軸承之后
在這一布局形式中，主軸和電動機沿軸向串聯(lián)安裝，軸向尺寸較大，從而使得剛度較小，但徑向尺寸小，非常輕便，適用于小型的數控機床。同時由于電動機安裝在后軸承之后，散熱條件優(yōu)良。
本設計所設計的電主軸要求能在高速、高功率和高轉矩的工況下工作，為達到較高的加工質量、加工精度和主軸系統(tǒng)剛度，故而采用前述的第一種布置形式。
2.3 軸承及其潤滑技術
2.3.1 概述
軸承是決定電主軸壽命和負載大小的關鍵部件。電主軸的軸承應滿足高速轉動的要求, 具有較高的回轉精度和較低的溫升, 同時具有盡可能高的軸向和徑向精度、足夠的承載能力等。根據目前國內外對此的研究現(xiàn)狀，電主軸可采用的軸承類型有靜壓軸承、動靜壓混合軸承、磁懸浮軸承和滾動軸承等。
軸承潤滑冷卻技術是電主軸研究領域的關鍵技術之一，潤滑冷卻效果的好壞，將直接決定軸承的發(fā)熱、承載、工作轉速和使用壽命，從而影響電主軸的剛度、精度、最高轉速和使用壽命，因此有必要對高速電主軸軸承的潤滑冷卻技術進行詳細研究。
2.3.2 軸承類型的選擇
1、 靜壓軸承
靜壓軸承是一種利用壓力泵將潤滑劑強行泵入軸承和軸之間的微小間隙的滑動軸承。靜壓軸承為非接觸式軸承，具有磨損小、壽命長、旋轉精度高、阻尼特性好(振動小)等優(yōu)點，用在電主軸上，可使刀具壽命延長、表面加工質量提高。按潤滑劑的種類可以分為兩類，一類是液體靜壓軸承，主要使用油為潤滑劑，另一類是氣體靜壓軸承，使用氣體作潤滑劑，通常是使用空氣作為潤滑劑。
在氣靜壓軸承中,采用氣體作介質，由于氣膜的均化效應,其旋轉精度比軸承和軸套表面的圓度誤差值小很多, 采用氣靜壓軸承的電主軸旋轉精度可達 0.1μm。氣靜壓軸承工作時與軸頸沒有任何接觸，沒有磨損，在介質潔凈、主軸使用合理的條件下，可以達到相當長的使用壽命；氣靜壓軸承摩擦力矩極小，消耗的功率也極小，產生的熱量非常少，溫升很小，所以電主軸的熱變形較?。涣硗?，采用氣靜壓軸承的電主軸可以較好地保持刀具的鋒銳性，降低加工零件表面粗糙度值，非常適合高精度加工的需要。采用氣體靜壓軸承的電主軸具有轉速和回轉精度高、振動和噪聲小、使用壽命長、摩擦功耗小、無污染、溫度適應性強、生產率高等特點。
氣靜壓軸承的缺點是：與滾動軸承相比剛度較差,不適合多沖擊和變載荷的加工條件，徑向承載能力較低，尤其不適合重載工況，對壓縮空氣的清潔度要求較高,使用費用和維護費用較高，因此不適合用于高速加工中心電主軸?？諝忪o壓軸承多用于高速輕載和超精密的場合。
液體靜壓軸承用潤滑油作承壓介質，具有回轉精度高、剛性較高、轉動平穩(wěn)、無振動的特點，但由于結構復雜，在高速條件下，液面攪動，功率消耗大，溫升較高，無法適應高速電主軸的工況。
2、 動靜壓混合軸承
動靜壓混合軸承是在靜壓軸承的基礎上發(fā)展起來的一種新型多楔油膜軸承，它綜合了靜壓軸承和動壓軸承的優(yōu)點，克服了靜壓軸承供油系統(tǒng)過于復雜龐大和高速下發(fā)熱嚴重的問題，避免了動壓軸承啟停時易發(fā)生干摩擦的弱點，具有結構緊湊、調速范圍寬、高速性能好、動靜態(tài)剛度高等優(yōu)點。缺點是這種軸承必須進行專門設計，單獨生產，標準化程度低，價格較高，使用維護較為復雜，目前在超高速主軸單元中較少應用。
3、 磁懸浮軸承
磁懸浮軸承又稱為磁力軸承，它的原理是在軸頸圓周方向上布置多個互為 180 度的電磁鐵，在軸的徑向產生多對均布的吸力(或斥力)，從而把主軸懸浮在空氣中，其工作原理如圖 2.1 所示。磁懸浮軸承是非接觸式軸承，軸承與軸頸的徑向間隙約為 l 毫米。主軸工作時，因受力而發(fā)生一個極為微弱的空間位置改變，對應的位置傳感器可以測出這一變化值，然后傳遞給反饋與自動控制裝置，控制裝置通過調節(jié)相應位置的磁力，使主軸快速的回到理想位置，從而實現(xiàn)主軸始終繞理想回轉中心高速旋轉的目的。磁懸浮軸承是目前唯一投入實用的可以實現(xiàn)主動控制的先進軸承，具有許多傳統(tǒng)軸承不可比擬的優(yōu)點：轉速極高；摩擦損失??；壽命長，維護成本低；不需要潤滑系統(tǒng)，結構緊湊，無污染；能夠進行實時監(jiān)控和智能反應，具有極高的可控性，可以實現(xiàn)工作性能的最優(yōu)化。
磁懸浮支承電主軸的缺點是：需要輔助支承、額外的傳感器和控制系統(tǒng)，機械結構復雜；發(fā)熱問題更突出,必須有很好的冷卻系統(tǒng)；價格昂貴,通常是普通電主軸的兩倍。所以目前磁懸浮電主軸的實際應用并不是很多，但它是一種很有發(fā)展前途的電主軸，隨著相關技術的不斷發(fā)展，其成本的不斷降低和性能的不斷提高，會在實際生產中得到越來越廣泛的應用。
4、 滾動軸承
滾動軸承具有剛度高、高速性能好、結構簡單緊湊、標準化程度高、品種規(guī)格繁多、便于維修更換等優(yōu)點, 因而在電主軸中得到最廣泛的應用。但是隨著高速機床技術水平的發(fā)展，電主軸的速度和功率較以往有很大的提高，使用環(huán)境和條件與過去相比更加苛刻和復雜, 普通的滾動軸承已逐漸不能適應使用要求。
滾珠離心力的大小與軸承轉速的平方成正比關系, 滾珠陀螺力矩與軸承轉速和自轉速度成正比關系，軸承在高速運行時，滾珠產生的巨大陀螺力矩和離心力會加劇軸承的磨損和溫升，導致軸承使用壽命的降低。要想減小陀螺力矩和離心力，通常有減少滾珠直徑（如已經標準化的 71900 系列主軸軸承）和選用輕質材料制造滾珠這兩種方法。減少滾珠直徑會降低軸承的剛度，而且會使軸承結構變得復雜，而后者相對來說是更可取的，采用氮化硅陶瓷材料代替鋼制成滾動體，而其他部分仍采用鋼作為材料的滾動軸承，稱之為混合陶瓷軸承，簡稱陶瓷軸承。工程陶瓷材料( 3 4 Si N )耐熱、耐腐蝕和耐磨性能優(yōu)異, 而且重量輕，可以適應高速電主軸軸承的嚴酷工作環(huán)境。
與普通鋼制滾動軸承相比，混合陶瓷軸承有以下優(yōu)點：
1、 質量輕；
2、 剛性好；
3、 線性膨脹系數低；
4、 硬度高；
5、 耐高溫；
6、 絕緣等。
與同精度等級同規(guī)格鋼質滾動軸承相對比, 雖然陶瓷軸承價格約為后者的 2-2.5倍，但可提高60%的速度，溫升降低35%-60%，壽命是后者的3-6倍，陶瓷滾動軸承的最高工作極限 Dm·N 值可高達 3.0×106。另外，由于陶瓷材料性能的特殊，陶瓷軸承可采用小直徑滾珠高密度排列的結構形式，在提高其動態(tài)載荷性能的同時還可以減小軸承寬度，節(jié)省材料。由此可見混合陶瓷軸承性能卓越，性價比較高，綜合來看，具有較高的社會和經濟效益，所以其在高速電主軸方面應用日益廣泛，已逐漸取代傳統(tǒng)的鋼制軸承成為電主軸的主流配置，本設計的前后支承都采用混合陶瓷軸承。
2.3.3 軸承的布置與預緊
軸承的布置形式應根據電主軸的使用工況來選擇，在本研究中，需滿足高速加工中心大轉速、高剛度、大功率、高負載的要求。為保證主軸的剛度，同時具有相應的高速特性，主軸的整體支承結構可采用一端軸向固定一端軸向游動的方式，其中主軸前端為固定端，后端為游動端，采用這種布置形式，可以較好的適應主軸向后熱伸長的需要，同時具有較高的剛度和較好的高速性能。用于高速電主軸的滾動軸承有圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承和角接觸球軸承等多種軸承形式，其中以角接觸球軸承應用最多。角接觸軸承可以同時承受軸向、徑向聯(lián)合載荷及方向不明確的附加載荷，且允許的極限轉速較高，對于作用在主軸上的載荷可做到速度和剛度之間的最佳匹配，因此可以達到精密電主軸的高速、高剛度、大功率、高效
的要求，可以作為要求較高的前端支承。
為提高剛度，角接觸球軸承一般采用多聯(lián)的配置方式，而同一軸承組中的每個軸承的誤差不盡相同，配對數的增加會降低整個軸承組的轉速，從而影響主軸能達到的最高速度。成對的接觸球軸承最好采用背對背安裝，因為這種安裝方式下同軸承組中的兩個軸承的接觸點之間有更大的距離，可以產生一個更大的抗彎力矩，能夠提高支承的總體剛度，從而提高了主軸剛度。后端支承只承受徑向力，不承受軸向力，選用圓柱滾子軸承作為游動端。
圖2.2
結合利弊，前端選用壓力角為 25°，精度等級為超精密級（B 級）的角接觸陶瓷球軸承，雙聯(lián)背對背配置，中間加隔套，后端選用雙聯(lián)陶瓷圓柱滾子軸承（B 級），得到的軸承布置形式如圖 2.2 所示。軸承的具體選型要在后面軸的設計時根據安裝段的軸頸選用。
2.3.4 軸承的潤滑
該設計中軸承采用國外發(fā)達國家普遍使用、效果較好、技術成熟的油氣潤滑技術。油氣潤滑的基本原理是利用具有一定壓力的壓縮空氣使微量的潤滑油以微小油滴的形式沿管道內壁不斷地流動，分別連續(xù)不斷地、精確地供給每一套主軸軸承，微小油滴在進入內外滾道之后形成彈性動壓油膜，而輸送油滴的壓縮空氣順便帶走軸承轉動產生的部分熱量，從而實現(xiàn)軸承的精確、定時、定量潤滑，同時能夠起到一定的冷卻效果。
除了油氣潤滑，仍然有其他的多種潤滑方式可供選擇。但存在以下的一些缺點故而不予使用：
1、 油霧潤滑：潤滑效果好、高速性能好、可靠性高，同時可以通過壓縮空氣帶走大量的熱，但供油量無法精確控制，油霧無法有效進入潤滑區(qū)域，使各摩擦點的油量處于一個波動的狀態(tài)上，對于軸承壽命有一定影響，同時油耗嚴重，排出的油霧會嚴重污染環(huán)境，損害工人身體健康，進入電主軸內部，影響電主軸壽命；
2、 噴射潤滑：這種潤滑方式比油霧潤滑的效果更好，但功耗更大，對密封性不夠導致的潤滑油泄漏會造成更加嚴重的環(huán)境污染；
3、 環(huán)下潤滑：這種潤滑方式通過軸承內圈的微小孔利用離心力將潤滑油甩到軸承內部，效果非常好，但機械結構極為復雜，實際應用較少。
2.3.5 油氣潤滑的結構
油氣潤滑系統(tǒng)的組成較為復雜，主要部分如下：
1、 供油部分
供油部分主要由潤滑油箱、油泵、溢流閥、過濾器、定量分配器和過濾器組成；
2、 供氣部分
供氣部分供給穩(wěn)定的壓縮空氣，需要保證干燥和清潔度和一定的壓力，所以有空氣過濾裝置、油水分離裝置和壓力控制閥；
3、 油氣混合部分
包含一根管道，油和氣在管道中混合，均勻的分散在管道內表面；
4、 油氣分配部分
通過噴嘴將混合好的油氣直接噴入軸承。
2.3.6 油氣潤滑的供油量
供油量受軸承形式、工況等多種條件影響，所以確定理想的供油量相對較難，只能盡量靠近合理的范圍，根據相關文獻的介紹，對于超高速電主軸軸承，所需要的潤滑油供油量需根據軸承形式、油路設計狀況和油品特性，由經驗和試驗確定[38]。為了根據實際需要精確控制前后軸承的分配油量，從結構上可以采取如下措施：前后噴油口的截面積和小于進氣口截面積；噴油孔的噴射角與軸線大約成 15°，便于直接把潤滑油噴射到軸承工作區(qū)；根據前后軸承實際需要的不同，將配油環(huán)上的噴油孔設計成不同的大小。
2.3.7 油氣潤滑的潤滑油的選用
潤滑油是以極為精細的方式定量供給于軸承，對于潤滑油的種類、粘度、耐磨性、耐高溫、穩(wěn)定性和油品有較高的要求。一般選用粘度為 ISOVG32～ISOVG100 的導軌油，盡量不要使用 ISOVG22 以下的潤滑油，重載條件下還應考慮選用含耐高壓添加劑的潤滑油，同時禁止使用含有二硫化鉬的潤滑油，因為其中的二硫化鉬會停留在噴嘴處，阻塞噴嘴，同時二硫化鉬會增加軸承內部零件表面的粗糙度，加劇磨損。根據相關研究資料，陶瓷球軸承的磨損機理主要是磨料磨損與化學腐蝕磨損，抗磨液壓油具有較好的減摩抗磨性能，且適合在各種載荷下工作，是陶瓷球軸承較為理想的潤滑油，因此本設計擬采用抗磨液壓油作為軸承的潤滑油[39]。
2.4 冷卻系統(tǒng)的設計
2.4.1 電主軸的熱源分析
高速電主軸的主要熱源主要由以下兩個部分組成：
1、 內裝電動機的發(fā)熱，其三分之二熱由定子產生，主要體現(xiàn)為通電繞組的銅損，其他的三分之一來自于轉子，主要體現(xiàn)為鐵芯的鐵損和諧波損耗；
2、 陶瓷球軸承的發(fā)熱，在高速機床電主軸系統(tǒng)中，軸承的運轉速度極高，摩擦產生的熱量和對潤滑油的攪動將對電主軸造成一定的溫升。
2.4.2 冷卻方式的選擇
1、 液體冷卻
液體冷卻是指根據電主軸需要的冷卻強度，在外圍配備相應的冷卻機（水冷機或油冷機），通過調節(jié)冷卻機輸出的流量和壓力來控制主軸的溫升，而冷卻機的選用應根據電主軸在最高轉速和額定轉速工況下所需要的冷卻能力來確定。這種冷卻方式的優(yōu)點是設計簡單可靠，冷卻效果較為明顯，缺點是對軸芯的冷卻效果較差，冷卻機成本較高。
2、 氣體強制冷卻
空氣強制冷卻具有無污染特性，隨著恒溫車間的日漸廣泛，也得到越來越多的應用?？諝鈴娭评鋮s的原理是：在電主軸外殼和電機定子之間設置一個強制對流通道，線圈產生的熱量通過熱傳導進入到強制對流區(qū)，經過強制冷卻氣流的熱交換，把熱量帶到周圍的空氣中，從而實現(xiàn)電主軸的恒溫工作。
根據實際情況，本設計采用液體冷卻，于機殼上開一個專門用于通冷卻液的通道，實際見圖紙。
3 高速電主軸的電機設計
3.1 電機選型
3.1.1 對電機性能的需求
本設計所設計的高速電主軸，要保證能夠在持續(xù)高速狀態(tài)下工作，承受較大的切削力和軸向力，并保證在這一工況下運轉的可靠性和使用壽命，因而對電機有吐過要求：
1、與主軸的設計要求相匹配，詳細的參數見設計說明書第一章；
2、要求有較好的控制性能，因為主軸系統(tǒng)常處于啟動、加減速、制動、急停等復雜工況下運轉，對電機的控制性能要求較高：啟動和制動時要求精確可靠，正常工作時要求速度波動小、運轉平穩(wěn)、抗干擾能力強；
3、要求有較好的散熱性能，因為主軸系統(tǒng)處于高速、高轉矩、高功率的情況下運轉，發(fā)熱量較大，故而對電機的散熱性能有極大的考驗；
4、具備合理的工藝性和經濟性：從維護方面考慮，內藏式電機結構十分精密，使用環(huán)境較差，裝配技術要求高，同時考慮到性價比，故而要具備一定的工藝性和經濟性，從而方便使用者對機床進行調試、裝配和維護。
3.1.2 各種類型的電機對比
電機用于驅動主軸，是主軸系統(tǒng)的動力部分。將其回轉運動和轉矩配合機床的進給運動轉化成工件上的切削力矩，從而加工出需要的零件，其精度對零件的加工精度影響很大，穩(wěn)定性要求也較高。世界上目前主要采用以下幾種驅動系統(tǒng)：
1、感應電機交流主軸驅動系統(tǒng)：這是最經濟同時也最普遍應用的一種驅動系統(tǒng)，主要代表為普通籠型異步電動機。這一類電機的可調功率范圍較大、轉速高、結構簡單、轉動慣量小、動態(tài)響應速度快，在變頻調速下，其機械特性和調速性能都十分優(yōu)良，但相應的缺點也很明顯，其功率因數、效率、和轉矩密度都處于一個非常低的水平，同時體積也非常大，使用時溫升高，對冷卻系統(tǒng)要求較高；
2、永磁交流驅動系統(tǒng)：隨著無刷式伺服電機和相應的控制技術的發(fā)展，同時由于集成電路和半導體工業(yè)的進步，永磁伺服電動機有了突出的進展。這一類型的電動機無電刷，故而工作可靠，對維護和保養(yǎng)的要求較低；定子直接外接外殼，散熱性能優(yōu)異，轉動慣量小，系統(tǒng)響應速度快；能夠高效率的在高轉矩和高功率工況下運轉；同參數下相較于其他電機尺寸較小，但缺點也很明顯，其弱磁范圍受到一定的限制；
3、開關磁阻型驅動系統(tǒng)：開關磁阻電機是一種新型的驅動電機，具備構造簡單、運行可靠、體積小、重量輕、效率極高、成本低等許多優(yōu)點，比如，該類型電機能夠在20 kW的功率下輕松達到100000 rpm的轉速，具有優(yōu)秀的高速輕載性能，但這種電動機在低速時轉動脈動、諧波轉矩和噪聲都很大，故而其低速性能差。
3.1.3 電機型號的選擇
結合各種驅動系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行考慮，本設計將選用永磁交流電機，根據設計要求，選用西門子公司的1FE1072-4WH，其主要參數為：
額定功率 28.5 kW
最高轉速 24000 rpm
額定扭矩 28 N·m
額定轉速 9700 rpm
慣性矩 0.00287
定子外徑D 155 mm
定子內徑Da 135 mm
整體長度 L 185 mm
轉子內徑 58 mm
根據西門子公司的技術文檔，該電機低速區(qū)為2000~9700rpm，可實現(xiàn)低速大扭矩運轉，高速區(qū)為9700~24000rpm，可實現(xiàn)高速高功率運轉。
根據以下公式，易求得主軸的最大輸出扭矩：
式中：
p - 電動機最大輸出功率，kW；
Mn - 主軸最大輸出扭矩，N·m；
nc - 主軸轉速，rpm；
η - 傳動效率，此處取0.95。
計算得出：
低速區(qū)主軸最大扭矩Mn = 9550 *（38.2 * 0.95）/2000 = 173.3N·m
高速區(qū)主軸最大扭矩Mn = 9550 *（38.2 * 0.95）/9700 = 35.7N·m
3.2 過盈連接及動平衡計算
電主軸要求有嚴格的動平衡，不允許螺紋連接和鍵連接等不平衡連接形式的存在，所以軸與軸上零件的連接都是過盈配合的形式，其中最主要的是軸與電機的配合，電機轉子與軸通過過盈連接的形式傳遞扭矩，所以過盈量的大小將影響電主軸的性能。過盈配合應遵循結合壓力不會對連接件造成破壞的前提下，能夠保證結合強度，不會產生相對移動，可靠地傳遞扭矩。電機轉子與軸之間的配合，不僅要能夠滿足靜態(tài)傳遞能力的要求，而且應考慮對電主軸的動態(tài)性能的影響。
電主軸的靜態(tài)過盈量可按下式計算：
電主軸的動態(tài)過盈量可按下式計算：
式中：
ρ- 電機轉子材料密度，7800kg/m^3；
ω - 轉子角速度，720π/s；
γ - 主軸材料泊松比，0.3；
kc - 安全因子，取5；
Mt - 主軸的轉矩，由前可知Mtmax = 173.3N·mm
μ - 配合表面的摩擦系數，此處取0.09
E - 主軸材料的彈性模量，查表后取2.12*100000N/mm
B - 配合面的接觸長度，130mm；
r - 電機轉子的內孔半徑，r=29mm；
ce - 電機轉子的內外徑比，ce=0.69；
ci - 主軸的內外徑比，ci=0.51；
整體過盈量Δ=Δs+Δd，由上面的式子可以看出，動態(tài)分量Δd的值與轉速的平方成正比，主要由離心力確定，因此在轉速較低時，動態(tài)分量相對來說很小，可以忽略不計，主軸的過盈量主要由靜態(tài)分量來確定，而在較高轉速時，主軸和轉子會因離心力的作用產生膨脹，過盈量會有較大變化，因此主要由動態(tài)部分確定。
靜態(tài)分量最小值：
Δsmin = 0.0109mm；
動態(tài)分量最小值：
Δdmin = 0.0094mm；
故而Δmin = 0.0203mm<Δb=0.040mm,圓整為21微米。
4 高速電主軸的結構設計
4.1外圓平均直徑Dm
參考國內外現(xiàn)有的關于電主軸設計資料，同時根據本設計中的設計要求，同時結合《機械工程手冊 5》中機械零部件設計部分的設計方法中給定的經驗公式，主軸外圓平均直徑初步設計的公式如下：
式中：
D - 空心軸外徑，mm；
T - 軸的額定轉矩，N·mm；
[τ] - 軸材料許用切應力，Mpa；
γ - 內外圓直徑比。
根據第一章所述，軸的額定功率為22 kW，最高轉速為20000 rpm，可求得軸需要傳遞的轉矩T=P/2*π/20000=17519 N·mm；因主軸系統(tǒng)需要滿足一定的剛度，軸體材料選擇20CrMnTi，其需用切應力[τ]=40~52Mpa，本設計中取[τ]=45 Mpa，預選主軸的平均內徑20mm,轉子內徑為58mm，則主軸的最大外圓直徑為D=68mm，取主軸平均外徑Dm=50mm，γ=0.4，代入公式得
D>=Dm>=12.648mm
取主軸外圓平均直徑50mm，前軸承處的直徑D1=45mm，后軸承處的直徑D2=40mm。
4.2 內孔直徑 d
查閱《機床設計手冊 3》，取d=24mm
4.3 懸伸量 a
懸伸量對整個系統(tǒng)的剛度影響非常大，在滿足刀具安裝、軸端設計以及軸承選型的前提下，盡可能縮小懸伸量的大小，此處初選為48mm。
4.4 支撐跨距 L
最佳支撐跨距可以實現(xiàn)主軸部件的最大靜剛度，因此，選擇合理的跨距是主軸組件設計中一個相當重要的問題。跨距L的選擇對電主軸的影響是雙向的，如果L較小，則軸承的變形會對主軸前端的位置產生較大的影響，，如果L過大，則主軸會產生較大的變形。在對軸進行設計時，支撐跨距應在合理跨距范圍之內，如果結構上不允許，則需對相關參數進行重新設計。對電主軸而言，支承跨距跟軸承剛度有直接的短息，所以首先確定軸承的型號并進行剛度計算。
4.4.1 軸承的選型
軸承的剛度對支撐跨距有較大的影響，因此首先helicopter選擇軸承的類型和型號。根據第二章對軸承的探討，軸承都選用B級混合陶瓷軸承，采用油氣潤滑的方式，前端為雙聯(lián)配置的的角接觸球軸承，后端為雙聯(lián)配置的圓柱滾子軸承。結合本設計的實際情況，選擇日本NSK公司的45BER10S作為前端軸承，N1008MRKR作為后端軸承，其最高速度在合適的潤滑及散熱條件下分別可達到31500rpm和25000rpm。
4.4.2 軸承的剛度計算
1、在已知軸向預緊力的前提下，前軸承的徑向剛度Kr可按下式求出：
式中：
z - 軸承滾動體的數目；
α - 接觸角；
Db - 滾動體直徑；
f0 - 混合陶瓷球軸承材料修正系數；
F0 - 預緊力。
根據NSK公司的產品參數表以及相關資料查的：z=25，α=25°，Db=0.005，f0=1.3，F(xiàn)0=200N，計算得出Kr=215.3N/μm。
2、 對于后軸承，其徑向剛度Kr可按下式計算：
其中的系數為：
式中：
Fr - 軸承承受的徑向力；
Z - 滾動體數目，為20；
L - 有效接觸長度，為11；
R1、R2 - 內外滾道半徑，R1為1.4mm，R2為0mm；
r - 滾動體半徑，為3.75mm；
α - 潤滑油粘壓系數，為3.4*10^(-8)；
η0 - 潤滑油粘度，為40；
ni - 內圈轉速，為25000；
γ - 系數，為0.728。
E’ 為內外圈和滾動體的當量彈性模量，為2.528*10^(11)。
代入各項參數，計算得出Kr=163.96N/μm。
4.4.3支承跨距L的計算
根據相關文獻，最佳跨距跟前懸伸之間可用如下關系式表示：
式中：
a - 前懸伸量。為48；
K1 - 前支撐剛度，為430.6；
K2 - 后支承剛度，為327.92；
η - 系數，約等于1.2。
代入公式后解得l0/a=3.47，所以最佳跨距l(xiāng)0=3.47a=166.56mm，根據電機的整體長度參數185mm，取L為205mm，在合理跨距范圍之內。
4.5 校核和檢測
4.5.1 主軸的靜剛度校核
電主軸的剛度會直接影響加工精度，剛度不足時會造成尺寸誤差和形狀誤差的增加，還可能導致震顫，影響使用壽命，因此對電主軸組件進行靜剛度校核。
主軸單元的徑向剛度可按下式進行計算：
根據之前所計算的參數，代入后解得K=244.68N/μm。參考國內外電主軸廠家的技術資料，計算結果表明該電主軸的結構設計能夠滿足靜剛度要求。
4.5.2 主軸的強度校核
電主軸在工作時的受力情況如下圖所示：
主軸可按彎扭合成強度校核，d值滿足以下條件即可：
式中：
M - 軸計算截面b-b上的合成彎矩，M=72716N·mm；
α - 根據彎矩性質而定的折合系數，取1；
T - 軸計算截面上的的轉矩，取電機的最大扭矩173.3N·mm；
[σ-1] - 許用切應力，查的[σ-1]=60MPa；
γ - 內外軸頸比，已知γ=0.536。
代入后解得d=30.1mm，最小軸頸dmin=40>d，故而主軸的強度滿足使用要求。
4.5.3 主軸臨界轉速的校核
電主軸在運轉過程中，振幅隨著轉速的增大而增大，達到某一值時，振幅達到最大值，發(fā)生共振，極大的影響加工精度和使用性能。故而需要計算其臨界轉速。
一階臨界轉速可按下式計算：
式中：
nk - 軸的一階臨界轉速；
n01 - 不裝零件時的軸的臨界轉速；
n1 - 裝有1個旋轉零件的臨界轉速；
ni - 裝有i個旋轉零件的臨界轉速。
1、 不裝旋轉零件時的臨界轉速由下式計算：
式中：
L - 軸的總長度，320mm；
K1 - 系數，查表取K1=2.189；
E - 主軸材料的彈性模量，取E=2.12*10^(5)/mm；
I - 主軸的平均慣性矩，I=3.873*10^5(mm)^4；
W - 軸的重量，約取3.5kg。
代入后解得n01=110405rpm；
2、 安裝1個旋轉零件的臨界轉速由下式計算：
式中：
W1 - 電機轉子質量，取4kg；
l - 支承跨距，205mm；
K2 - 系數，取21.66；
代入后計算得出n1=154825rpm；
從而求出電主軸的一階臨界轉速為nk=89891rpm。
由于該電主軸設計的最高轉速20000rpm遠低于一階臨界轉速，符合設計要求，不會發(fā)生同頻共振。
5 總結
本設計關注了目前國內外的電主軸研究現(xiàn)狀，結合本科期間學習的知識，根據設計任務書，在指導老師的幫助下，設計了一根結構緊湊、性能優(yōu)良的電主軸。
參考文獻
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10、 付華．主軸部件的動態(tài)特性分析及動力修改[D]：(碩士學位論文)．南京：江蘇工學院，1992.
附錄1 Siemens 1FE1系列電機結構示意表
附錄2 Siemens 1FE1系列電機性能參數表
附錄3 NSK BER10系列陶瓷球軸承性能參數表
附錄4 NSK 10系列陶瓷圓柱滾子軸承性能參數表
外語文獻翻譯
摘自: 《制造工程與技術（機加工）》（英文版）
《Manufacturing Engineering and Technology—Machining》
機械工業(yè)出版社 2004年3月第1版
美 s. 卡爾帕基安(Serope kalpakjian)
s.r 施密德(Steven R.Schmid) 著
原文：
20.9 MACHINABILITY
The machinability of a material usually defined in terms of four factors:
1、 Surface finish and integrity of the machined part;
2、 Tool life obtained;
3、 Force and power requirements;
4、 Chip control.
Thus, good machinability good surface finish and integrity, long tool life, and low force And power requirements. As for chip control, long and thin (stringy) cured chips, if not broken up, can severely interfere with the cutting operation by becoming entangled in the cutting zone.
Because of the complex nature of cutting operations, it is difficult to establish relationships that quantitatively define the machinability of a material. In manufacturing plants, tool life and surface roughness are generally considered to be the most important factors in machinability. Although not used much any more, approximate machinability ratings are available in the example below.
20.9.1 Machinability Of Steels
Because steels are among the most important engineering materials (as noted in Chapter 5), their machinability has been studied extensively. The machinability of steels has been mainly improved by adding lead and sulfur to obtain so-called free-machining steels.
Resulfurized and Rephosphorized steels. Sulfur in steels forms manganese sulfide inclusions (second-phase particles), which act as stress r