14000r/min数控铣床电主轴的结构设计
摘要
本文主要介绍了电主轴的工作原理、轴的设计、轴承技术以及关键技术等。电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。它主要应用在复合加工机床、多轴联动、多面体加工机床和并联机床中。本设计通过利用网络工具、图书馆的书籍和各类期刊、杂志查阅了电主轴的相关知识，确定本设计符合要求，满足需要。设计方法有：查阅资料产生电主轴机械设计的基本思路，确定合理的电主轴结构；重点对电主轴的轴进行了设计，对轴承进行了分析选配，确定了电主轴轴承的选配原则；且充分利用相关知识按要求对本课题进行具体设计。
本设计采用的方法是理论设计与经验设计相结合的方案，所运用的资料来源广泛，内容充足。实现本方案的可行性高。实践表明，所设计的MS24015铣床主轴满足使用要求。
关键词 电主轴/定子/转子/关键技术/动平衡
The mechanic designs of electric spindles
Abstract
The designs and working principle of electric spindles 、bearing technical as well as crucial technology and so on was introduced in this paper . Electrical spindles is being made by a direct motor rotor of be hollow pack in main shaft on and stator knows super-cooling but cover fixes, which form a complete unit of main shaft in the casing hole of main shaft, and then the electricity rotor directly drive the operation of main shaft. Its main application is being compound process machine tool and much axle to unite to move, polyhedron processing machine tool and the machine tool of parallel connection in. This design cut the related knowledge of central fuselage according with requirement through using network tool and magazines , each kind of periodical and the books in the library and then determining the design, which satisfies the needs. The design method is as follows: First, look up information to produce the basic thought of the electrical mechanical design of main shaft, determine the reasonable electrical structure of main shaft. Then, the key axle for electrical main shaft is designed, and analyze and choose the match for bearing, the electrical bearing of main shaft choose to match principle have determined; Use related knowledge finally fully press requirement for this program carry out specific design.
The method of designing adopted the scheme theoretical design and experience design, and the data sources utilized was adequate content extensively . Feasibility of realize the scheme is high. Practice shows that the MS24015 main shaft of milling machine design satisfies the request.
Keywords Electrical main shaft, Stator, Rotor, Crucial technology, Dynamic balancing
1 引言
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。当代4大先进制造技术之一的超高速切削具有高切削速度、高进给速度和高加工精度的特性。是继数控技术之后使制造技术产生又一次重大变革的一项高新技术，具有极高的生产效率。而研制和开发超高速机床，是实现超高速加工的基本前提，其中实现高速加工最根本、最关键的技术是实现高的切削速度，而高速切削的主要执行者高速主轴就在所难免的担起了主要的作用。高速电主轴是高速加工机床的核心功能部件，开发拥有自主知识产权的电主轴是机械加工行业的迫切需求。电主轴是最近几年在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，在中高档数控机床中应用广泛。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。
我国高速电主轴的设计制造技术刚刚起步, 目前尚未形成批量生产规模, 电主轴的各项性能指标和国外尚有较大的差距。虽然现在能够生产高速切削机床的企业已有约20多家，但大多部分以引进技术为主，基本上靠调整加工中心来实现轴的变化，没有自己的独特产品。我国大型数控车床用实用型电主轴的开发始于1998年，目前正以蓬勃的发展势头迎头追赶世界水平。洛阳轴承研科技股分有限公司作为国内电主轴领域的龙头企业，基本代表了国同机床的电主轴的最高水平。其他厂商如安阳RABBIT 、无锡机床厂、济宁博特精密丝杠、汉江机床厂、北京机床所、北京-机床、北京三机床等一批企业也在数控机床用电主轴的一发与研究方面也作出了很好的尝试。
在电主轴的设计中有几个要特别注意的，如电机的放置形式、轴承的选用、润滑系统、冷却系统、动平衡等。它们是决定电主轴是否能实现高速旋转的关键因素。
本毕业设计主要介绍了电主轴的工作原理、轴的设计、轴承技术以及关键技术等。电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。它主要应用在复合加工机床、多轴联动、多面体加工机床和并联机床中。
2 电主轴概述
电主轴的结构
2.1 电主轴工作原理
高速电主轴电机的绕组相位互差120°，通以三相交流电后，三相绕组各自形成一个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相迭加，合成一个强度不变，磁极朝一定方向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。异步电动机的同步转速n 由输入电机定子绕组电流的频率f 和电机定子的极对数P 决定（n=60f/p）。电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。在加速和制动过程中，通过改变频率进行加减速，以免电机温升过高。由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。
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。而电主轴本身就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。
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。
2.2 电主轴的主要参数
2.2.1 电主轴主要参数
电主轴的主要参数有：(1)主轴最高转速和恒功率转速范围：(2)主轴的额定功率和最大扭矩：(3)主轴前轴颈直径和前后轴承的跨距等。其中主轴最高转速、前轴颈直径和额定功率是基本参数。电主轴通常装备在高速加工中心上，在设计电主轴时要根据用户的工艺要求，采用典型零件统计分析的方法来确定这些参数。机床厂对同一尺寸规格的高速机床，一般会分两大类型，即“高速型”和“高刚度型”分别进行设计。前者主要用于航空、航天等工业加工轻合金、复合材料和铸铁等零件：后者主要用于模具制造、汽车工业中高强度钢或耐热合金等难加工材料和钢件的高效加工。在设计电主轴时，还要注意选择有较好扭矩———功率特性和有足够宽调速范围的变频电动机及其控制模块。
2.2.2 电主轴优点
一般说来 ,高速机床都是数控机床和精密机床 ,其传动结构的最大特点是实现了机床的“零传动”。从机床的主传动系统来看 ,这种传动方式取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节 (如皮带、齿轮、离合器等 ) , 实现了主电动机与机床主轴的一体化。这种传动方式有以下优点 :(1)机械结构最为简单 传动惯量小 ,因而快速响应性好 ,能实现极高的速度、加 (减 )速度和定角度的快速准停 (Ｃ轴控制 )。(2)采用交流变频调速和矢量控制的电气驱动技术 ,输出功率大 ,调速范围宽。有比较理想的扭矩———功率特性 (图1-1右) , 一次装夹既可实现粗加工又可进行高速精加工。
图1-1 扭矩—功率特性
电主轴的刚性好、回转精度高、快速响应性好，能够实现极高的转速和加、减速度及定角度的快速准停（C 轴控制），调速范围宽。不同类型输出功率相差较大，高速加工机床主轴需要在极短的时间内实现升降速，并在指定 位置快速准停。这就需要主轴有很高的角减速度和角加速度。如果通过皮带等中间环节，不仅会在 高速状态下打滑、产生振动和噪音，而且增加转动惯量，给机床快速准停造成很大困难。目前，多数高速机床主轴采用内装式主轴电机一体化的主轴单元，即所谓内装式电机主轴，简称“电主轴”。它采用无外壳电机，将带有冷却套的电机定子装配 在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电机控制，使变频电机和机床主轴合二为一。高速电主轴结构特点高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对高速电主轴各个部分进行精心设计和制造。
它按应用于不同机床中分为 :钻铣主轴、加工中心主轴、雕刻机主轴、磨床用电主轴等。
2.3 电主轴装配注意问题
2.3.1 轴承的安装
2.3.1.1 安装
轴承属于精密的机械部件，在安装前请勿打开包装，避免生锈。对已经脂润滑的轴承及双侧具油封或防尘盖，密封圈轴承可直接安装，不必清洗。 轴承的安装过程中，必须掌握一个原则，即只能通过相应套圈来传递安装力或力矩。
(1) 压入配合
轴承内圈与轴使紧配合，外圈与轴承座孔是较松配合时，可用压力机将轴承先压装在轴上，然后将轴连同轴承一起装入轴承座孔内，压装时在轴承内圈端面上，垫一软金属材料做的装配套管(铜或软钢) 。
轴承外圈与轴承座孔紧配合，内圈与轴为较松配合时，可将轴承先压入轴承座孔内，这时装配套管的外径应略小于座孔的直径。
如果轴承套圈与轴及座孔都是紧配合时，安装室内圈和外圈要同时压入轴和座孔，装配套管的结构应能同时押紧轴承内圈和外圈的端面。
(2) 加热配合
通过加热轴承或轴承座，利用热膨胀将紧配合转变为松配合的安装方法。是一种常用和省力的安装方法。此法适于过盈量较大的轴承的安装，热装前把轴承或可分离型轴承的套圈放入油箱中均匀加热80-100℃，然后从油中取出尽快装到轴上，为防止冷却后内圈端面和轴肩贴合不紧，轴承冷却后可以再进行轴向紧固。轴承外圈与轻金属制的轴承座紧配合时，采用加热轴承座的热装方法，可以避免配合面受到擦伤。
用油箱加热轴承时，在距箱底一定距离处应有一网栅，用钩子吊着轴承，轴承不能放到箱底上，以防沉杂质进入轴承内或不均匀的加热，油箱中必须有温度计，严格控制油温不得超过100℃，以防止发生回火效应，使套圈的硬度降低。 推力轴承的周全与轴的配合一般为过渡配合，座圈与轴承座孔的配合一般为间隙配合，因此这种轴承较易安装，双向推力轴承的中轴泉应在轴上固定，以防止相对于轴转动。
轴承的安装方法，一般情况下是轴旋转的情况居多，因此内圈与轴的配合为过赢配合，轴承外圈与轴承室的配合为间隙配合。
轴承安装好后要进行检查，应保证轴承安装到位，旋转灵活，无卡滞现象，如轴承安装不当，会使轴承温度迅速上升而损坏，发生轴承卡死断裂等重大事故。
2.3.1.2 轴承的使用和保管
(1)在轴承使用时，保持周围环境的洁净，不要粘上手汗和污物。规定由熟悉轴承的人员使用，特别需要小心伤、压痕、欠损等。为保证轴承的使用性能，应根椐设备的作业标准，定期对轴承进行维护、保养和检修，内容包括监控运行状态、补充润滑剂、定期拆卸检查。
(2)轴承不得直接在地上储存(需离地30cm 以上) ，避免直射光线和阴冷的墙壁。为了防止生锈，保管在温度20℃左右、湿度65％以下的环境中，轴承放置在酸性空气中，容易生锈、变色，要用手套、木棉回丝擦拭轴承、轴、外壳，垃圾进入轴承内部和配合部分是发生异常的原因，因此需要注意。
2.3.2 电主轴MS24015装配顺序及工时
1. 配隔垫 0：20
2. 清洗壳体，油路 0：40
3. 试水套，清孔 0：24
4. 入定子 0：30
5. 动平衡 1：00
6. 装轴 4：00
7. 拉轴，调试，打字 8. 接打件，焊插座：10
9. 包装
可见，其中用时最长的是装轴，因为轴的某些精度就的靠装配来保证的。其次是动平衡。高速轴的动平衡一定要做好，否则轴的旋转精度没法保证。
2.3.3 几个部位的修配
一般修配的零件尺寸为尺寸链中的封闭环。在铣床所用电主轴MS24015中的 修配部位主要是前小盖的高度尺寸。
3 电主轴轴的设计
3.1 电主轴轴的设计
3.1.1 电主轴轴材料的选择
在MS24015这根铣床轴的材料我们选择42CrMo 。这是因为：
3.1.1.1 从微观组织性能角度讲
(1)合金元素Cr 、Mo 对钢中基本相的影响
Cr 、Mo 属于合金元素，这两种元素强化效果较弱，可溶于渗碳体形成合金渗碳体或与碳形成特殊碳化物。合金渗碳体和特殊碳化物具有较高的熔点和稳定性。在加热至高温时也不易溶入奥氏体，因此可起阻止奥氏体晶粒长大的作用。另外，
它们又具有较高的硬度。当它们在钢中弥散分布时，可大大提高钢的强度，硬度及耐磨性，而不降低韧性，这对提高工件的使用性能极为有利。
(2)合金元素Cr 、Mo 对F e F e 3C 相图的影响
在碳钢中加入合金元素，将使Fe-Fe3C 相图发生改变。加入Cr 、Mo 这两种合金元素会使奥氏体区缩小。而缩小奥氏体区的合金元素，使A 1和A 3温度升高，S 点和
E 点向左上方移动。含碳量相同的合金钢和碳钢相比，具有不同的显微组织。在一般的合金钢中，虽然合金元素总量减少，但由于S 点左移，在退火状态合金钢中珠光体的相对量较相同含碳量的碳钢多。因此钢的强度也较高。
(3)合金元素对钢相变过程的影响
对于大多数合金钢来说，所要求的性能主要是通过合金元素对相变过程的作用来实现的。
① 合金元素对奥氏体形成的影响
碳化物形成元素Cr 、Mo ，显著降低碳的扩散速度而大大降低奥氏体的形成速度。除Mn 、P 外几乎所有合金元素都能阻止奥氏体晶粒长大，起细化晶粒作用。合金元素形成物的倾向越大，所形成的碳化物的熔点越高、越稳定，在加热时越难溶于奥氏体中，而是存在与奥氏体晶界上，强烈地阻止奥氏体晶粒的长大。而弱碳化物形成元素Cr 、Mo 作用中等。
② 合金元素对过冷奥氏体转变的影响
合金元素对过冷奥氏体转变的影响, 表现在改变A 体等温转变图的位置、形状和改变M s 、M f 点。除Co 外，几乎所有合金元素溶于奥氏体后都会降低原子扩
散速度，增大过冷奥氏体的稳定性，从而使A 体等温转变图在温度-时间坐标中的位置向右移。这样降低了钢的马氏体临界冷却速度，从而提高了钢的淬透性。Cr 、Mo 就是常用的提高钢的淬透性的合金元素。
③ 合金元素对回火转变的影响
合金元素对回火转变的 影响主要表现在 以下三个方面；提高回火稳定性；产生二次硬化；引起回火脆性。而Cr 、Mo 这两种合金元素提高回火稳定性作用较强，易产生二次硬化，可避免引起回火脆性。
3.1.1.2从宏观的角度讲
轴材料的选择首先应有足够的强度，对应力集中敏感性低；还应满足刚度、耐磨性、耐腐蚀性及良好的加工性。常用的材料主要有碳钢、合金钢、球墨铸铁和高强度铸铁。
选择轴的材料时，应考虑轴所受载荷的大小和性质、转速高低、周围环境、轴的形状和尺寸、生产批量、重要程度、材料机械性能及经济性等因素，选用时注意如下几点：
（1） 碳钢有足够高的强度，对应力集中敏感性较低，便于进行各种热处理及机械加工，价格低、供应充足，故应用最广。一般机器中的轴，可用30、40、45、50等牌号的优质中碳钢制造，尤以45号钢经调质处理最常用。
（2） 合金钢机械性能更高，常用于制造高速、重载的轴，或受力大而要求尺寸小、重量轻的轴。至于那些处于高温、低温或腐蚀介质中工作的轴，多数用合金钢制造。常用的合金钢有：12CrNi2、12CrNi3、20Cr 、40Cr 、38SiMnMo 等。
（3） 通过进行各种热处理、化学处理及表面强化处理，可以提高用碳钢或合金钢制造的轴的强度及耐磨性。特别是合金钢，只有进行热处理后才能充分显示其优越的机械性能。
（4） 合金钢对应力集中的敏感性高，所以合金钢轴的结构形状必须合理，否则就失去用合金钢的意义。另外，在一般工作温度下，合金钢和碳钢的弹性模量十分接近，因此依靠选用合金钢来提高轴的刚度是不行的，此时应通过增大轴径等方式来解决。
（5） 球墨铸铁和高强度铸铁的机械强度比碳钢低，但因铸造工艺性好，易于得到较复杂的外形，吸振性、耐磨性好，对应力集中敏感性低，价廉，故应用日趋增多。
综合宏观和其微观这两方面，该铣床主轴的材料选择42CrMo 。
3.1.2 轴的结构设计
轴的结构设计的任务，就是在满足强度、刚度和振动稳定性的基础上，根据轴上零件的定位要求及轴的加工、装配工艺性要求，合理地定出轴的结构形状和全部尺寸。
轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成。轴上被支承部分叫做轴颈；安装轮毂部分叫做轴头；连接轴颈和轴头的部分叫轴身。
3.1.2.1 零件在轴上的定位
零件在轴上的轴向定位：零件在轴上的轴向定位方法，主要取决于它所受轴向力的大小。此外，还应考虑轴的制造及轴上零件装拆的难易程度、对轴强度的影响及工作可靠性等因素。
常用轴向定位方法有：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、圆锥形轴头等。
由于铣床所用电主轴MS24015要求转速高，转矩小，故轴向定位我们选择轴肩，轴环，圆螺母定位。
（1）轴肩：轴肩由定位面和过度圆角组成。为保证零件端面能靠紧定位面，轴肩圆角半径必须小于零件毂孔的圆角半径或倒角高度；为保证有足够的强度来承受轴向力，轴肩高度值为h=(2-3)R。
（2）轴环：轴环的功用及尺寸参数与轴肩相同，宽度b ≥1.4h 。若轴环毛坯是锻造而成，则用料少、重量轻。若由圆钢毛坯车制而成，则浪费材料及加工工时。
（3）圆螺母：当轴上两个零件之间的距离较大，且允许在轴上切制螺纹时，可用圆螺母的端面压紧零件端面来定位。
2.1.2.2 零件在轴上的周向定位
定位方式根据其传递转矩的大小和性质、零件对中精度的高低、加工难易等因素来选择。常用的周向定位方法有：键、花键、弹性环、销、过盈等联结，通称轴毂联结。
由于该主轴转速很高，在轴上不允许出现不对称的结构，而键、花键、弹性环、销等结构要不是出现不对称结构要不是在轴上开槽，降低轴的刚度，故轴的周向定位我们选择过盈联结。
另外，轴的结构应尽量简单，有良好的加工和装配工艺性，以利减少劳动量，提高劳动生产率及减少应力集中，提高轴的疲劳强度。
轴的结构设计须在经过初步强度计算，已知轴的最小直径以及轴上零件尺寸（主要是毂孔直径及宽度）后才进行。其主要步骤为；
①确定轴上零件装配方案
②确定轴上零件定位方式
③确定各轴段直径
④确定各轴段长度
⑤确定轴的结构细节
⑥确定轴的加工精度、尺寸公差、形位公差、配合、表面粗糙度及技术要求
⑦画出轴的工作图见附图MS24015-05。
2.1.3 轴的校核
轴在实际工作中，承受各种载荷。设计计算是确保轴可以承受载荷、可靠工作的重要保证。根据轴的失效形式，对轴的计算内容通常为强度计算、刚度计算和临界转速计算。
2.1.3.1 轴的强度计算--按扭转强度计算
该方法只按轴所受的扭矩来计算轴的强度，如果轴还受有不大的弯矩，则用降低许用扭转切应力的方法予以考虑。在作轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可作为最后计算结果。轴的扭转强度条件为：
T
W 9550000≈0.2d 3P n ≤τ[]T τT = (2-1)
式中： τT ——扭转切应力，MPa ；
T ——轴所受的扭矩，N ·mm ；
W T ——轴的扭转截面系数，m m 3；
n ——轴的转速，r/min；
P ——轴传递的功率,kW ；
d ——计算截面处轴的直径，mm ；
[τT ]——许用扭转切应力，MPa ，见下表；
表2-1轴常用几种材料的[τ]T及A0值
注：1) 表中
τT 是考虑了弯矩影响而降低了的许用扭转切应力。
2)在下述情况时，[τT ]取较大值，A0取较小值：弯矩较小或只受扭矩
作用、载荷较平稳、无轴向载荷或只有较小的轴向载荷、减速器的低速轴、轴只作单向旋转；反之， [τT ]取较小值，A0取较大值。
d ≥由上式可的轴的直径：
A 0=
=
=A 0（2-2）式中
查上表。对于空心轴，则：
d ≥A （2-3）
式中β＝d1/d，即空心轴的内径d1与外径d 之比，通常取β＝0.5-0.6。 应当指出，当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径d ＞100mm 的轴，有一个键槽时，轴径增大3%；有两个键槽时，应增大7%。对于直径d ≤100mm 的轴，有一个键槽时，轴径应增大5%-7%；有两个键槽时，应增大10%-15%。然后将轴径圆整为标准直径。应当注意，这样求出的直径，只能作为承受扭转作用的轴段的最小直径dmin 。
通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸、轴上零件的位置、以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷（弯矩和扭矩）已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。一般的轴使用这种方法计算即可。其计算步骤如下：
•作出轴的计算简图（即力学模型）
轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常将轴上的分布载荷简化为集中力, 其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当作置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型与布置方式有关。
在作计算简图时，应先求出轴上受力零件的载荷，并将其分解为水平分力和垂直分力，然后求出各支承处的水平反力FRH 和垂直反力FRV 。
•作出弯矩图
根据上述简图，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出水平面上的弯矩MH 图和垂直面上的弯矩MV 图，然后按下式计算总弯矩并作出M 图。
•作出扭矩图
作出轴所受的扭矩图（为了使扭矩图符合下述强度计算公式，图中把T 折算为αT) 。
•作出计算弯矩图
根据已作出的总弯矩和扭矩图，求出计算弯矩Mca ，并作出Mca 图，Mca 的计算公式为：
M ca = (2-4)
式中α是考虑扭转和弯矩的加载情况及产生应力的循环特征差异的系数。因通常由弯矩所产生的弯曲应力是对称循环的变应力，而扭转所产生的扭转切应力则常常不是对称循环的变应力，故在求计算弯矩时，必须计及这种循环特性差异的影响。即当扭转切应力为静应力时取α≈0.3；扭转切应力为脉动循环变应力时，取α≈0.6；若扭转切应力亦为对称循环变应力时，则取α＝1。
2.1.3.2 强度的校核
已知轴的计算弯矩后，即可针对某些危险截面（即计算弯矩大而直径可能不足的截面）作强度校核计算。按第三强度理论，计算弯曲应力：
σca =M ca W =W ≤[σ-1] (2-5)
式中： W——轴的抗弯截面系数m ，各种截面计算公式见表。
[σ-1]——轴的许用弯曲应力，其值按表选用。
由于心轴工作时只承受弯矩而不承受扭矩，所以在应用上式时，应取T ＝0，亦即Mca=M。转动心轴的弯矩在轴截面上所引起的应力是对称循环变应力；对于固定心轴，考虑起动、停车等的影响，弯矩在轴截面上所引起的应力可视为脉动循环变应力, 所以在应用上式时, 其许用应力应为[
的许用弯曲应力),[σ0σ0]([σ0]为脉动循环变应力时]≈1.7[[σ-1]。
因所设计的轴强度裕度不大，在加上有实际经验，故此轴不必在进行结构修改。最后绘制轴的零件图（见附手工图MS24015-05）
2.2 电主轴轴端的设计
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。 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2-1) ，
图2-1 轴端锥孔
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。
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1∶10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2-2) 。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2～6μm ，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。
图2-2轴向定位
2.3 电主轴过盈联结装置的设计
高速主轴单元是机床实现高速切削的关键。采用电主轴结构，取消了一切中间传动环节，可实现很高的极限转速。对电主轴进行结构设计时，需要考虑以下几个问题：首先，它是一种精密部件，主轴轴承需要调整或更换，要求轴上零件便于装拆。其次，主轴轴承是在预紧力作用下工作的，轴承的定位元件在高速下需承受一定的轴向力；电机的转子安装在主轴上，它与主轴的结合面要传递电机的转矩。第三，主轴在高速下运转时，动平衡要求非常高，电机转子与机床主轴之间不宜采用键联结来传递扭矩。为了解决上述问题，我们在电主轴的结构设计中采用了新型的过盈联结结构，并设计成阶梯套的形式。阶梯过盈套作为定位紧固元件，与螺纹联结及键联结相比有以下优点：①不会在轴上产生弯曲和扭转应力，因而对轴的旋转精度没有影响。②易保证零件定位端与轴心线的垂直度，对轴承预紧时，不会引起轴承受力不均，不影响轴承的寿命。③过盈套质量均匀，主轴动平衡易得到保证。④常用热套法进行安装，注入压力油的方法进行拆卸，对主轴无损害。⑤定位可靠，可提高主轴的刚度。实践证明，过盈联结特点适合于对旋转精度要求很高的高速主轴精密零件的定位与扭矩传递。
3 电主轴轴承技术
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。
3.1 电主轴轴承的选择
滚动轴承是广泛运用的机械支承。其功能是在保证轴承有足够寿命的条件下，用以支承轴及轴上的零件，并与机座作相对旋转、摆动等运动，使转动副之间的摩擦尽量降低，以获得较高传动效率。常用的滚动轴承已制定了国家标准，只需根据工作条件选用合适的滚动轴承类型和型号进行组合结构设计。
3.1.1 类型的选择
1. 在机械设计中，滚动轴承选择的一般过程如下图所示
图3-1 轴承类型选择过程示意图
2. 滚动轴承类型选择应注意的问题:
（1）考虑轴承的承受载荷情况
方向：受径向力时，用向心轴承；受轴向力时，用推力轴承；径向力和周向力联合作用时，用向心推力轴承；
大小：受到较大载荷时，可用滚子轴承，或尺寸系列较大的轴承；受到较小载荷时，可用球轴承，或尺寸系列较小的轴承
（2）考虑对轴承尺寸的限制
当对轴承的径向尺寸严格限制时，可选用滚针轴承；
（3）考虑轴承的转速
一般来讲，球轴承比滚子轴承能适应更高的转速，轻系列的轴承比重系列的轴承能适应更高的转速；此外，各类推力轴承的极限转速很低，不易用于高转速的情况。
（4）考虑对轴承的调心性要求
调心球轴承和调心滚子轴承均能满足一定的调心要求（即：轴心线与轴承座孔心线可适当偏转），而圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、滚针轴承满足调心要求的能力几乎为零。
3.1.2 轴承的工况分析
滚动轴承工作时，并非所有滚动体都同时受载。滚动体同时受载的程度与轴承所受的轴向力的大小有关。实际应用中，一般以控制半圈滚动体受载为宜。滚动体与套圈均受交变应力作用, 其中不动圈的最低点的受力状况最为恶劣。
向心推力轴承在纯径向力F r 的作用下会产生派生的轴向力F d
F d =F r tg α
(单个滚动体受力) （3-1）
当有半圈滚动体受载时，派生轴向力如下计算：
表3-1轴承受载公式
注：表中
和由载荷系数表中查取，是对应表中a ／r ＞的值
Fd:内部派生的轴向力；
Fae:外部施加于轴系的轴向力；
Fa:轴承实际所受轴向力，由于向心推力轴承在工作时是不应沿轴向窜动的，因此Fa 应取决于Fd 与Fae 中较大者，即：Fa=max{Fae,Fd}即：F a =max{F ae , F d }
3.2 电主轴轴承的校核计算
3.2.1 滚动轴承寿命计算
滚动轴承在运转时可能出现各种类型的失效形式，但是套圈和滚动体表面的疲劳点蚀是滚动轴承的一种最基本和常见的失效形式，也是通常作为滚动轴承寿命计算的依据。轴承发生点蚀破坏后，在运转时通常会出现较强的振动、噪声和发热现象。
滚动轴承的寿命是指轴承的滚动体或套圈首次出现点蚀之前，轴承的转数或相应的运转小时数。滚动轴承的承载能力计算主要是指轴承的寿命计算。
图3-2滚动轴承的寿命曲线
与一般结构的疲劳寿命一样，滚动轴承的疲劳寿命的离散性也是相当大的。工程中定义具有90％可靠度的轴承寿命为轴承的基本额定寿命。
在工程实际中，通常是以轴承的基本额定动载荷来衡量一个轴承的承载能力。所谓轴承的基本额定动载荷是指:使轴承的基本额定寿命恰好为100万转时，轴承所能承受的载荷值，用字母C 表示。轴承的基本额定动载荷是依实验与理论分析相结合而得出的，其值可在滚动轴承手册中查得。
一个滚动轴承的基本额定寿命(L 10) 与轴承的基本额定动载荷C 、轴承所受的外加
载荷（当量动载荷P ）等有关，可依据额定寿命计算公式确定。
滚动轴承寿命计算中的一项重要内容是进行当量动载荷的计算和轴向力F a 的计算。
3.2.2 电主轴轴承静载荷及极限转速
3.2.2.1 静载荷计算
静载荷是指轴承套圈相对转速为零时作用在轴承上的载荷。为了限制滚动轴承在静载荷作用下产生过大的接触应力和永久变形，需进行静载荷计算。按额定静载荷选择轴承，其基本公式为
C 0≥C 0r=S0P 0 (3-2)
式中C 0-基本额定静载荷，N ；C 0r-计算额定静载荷，N ；P 0-当量静载荷，N ；S 0-安全系数。
静止轴承、缓慢摆动或转速极低的轴承，安全系数可参考《机械设计手册》选取。 旋转轴承的安全系数S 0可参考表5。若轴承转速较低，对运转精度和摩擦力矩要求不高时，允许有较大的接触应力，可取S 0
滚动轴承转速过高时会使摩擦面间产生高温，影响润滑剂性能，破坏油膜，从而导致滚动体回火或元件胶合失效。 滚动轴承的极限转速No 是指轴承在一定的工作条件下，达到所能承受最高热平衡温度时的转速值。轴承的工作转速应低于其极限转速。滚动轴承性能表中所给出的极限转速值分别是在脂润滑和油润滑条件下确定的。
适用于0级公差、润滑冷却正常、与刚性轴承座和轴配合、轴承载荷P ≤0.1C （C 为轴承的基本额定动载荷，向心轴承只受径向载荷，推力轴承只受轴向载荷）的轴承。 当滚动轴承载荷P>0.1C时，接触应力将增大；轴承承受联合载荷时，受载滚动体将增加，这都会增大轴承接触表面间的摩擦，使润滑状态变坏。此时，极限转速值应修正，实际许用转速值可按下式计算 N0=f1·f2·N0 式中 N-实际许用转速，r/min；N0-轴承的极限转速，r/min；f1-载荷系数（图3-3）；f2-载荷分布系数（图3-3）。
1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24
图3-3 载荷系数关系
3.3 电主轴轴承的组合设计
在确定了轴承的类型和型号以后，还必须正确的进行滚动轴承的组合结构设计，才能保证轴承的正常工作。轴承的组合结构设计包括：轴系支承端结构；轴承与相关零件的配合；轴承的润滑与密封；提高轴承系统的刚度。
3.3.1 支承端结构形式
为保证滚动轴承轴系能正常传递轴向力且不发生窜动，在轴上零件定位固定的基础上，必须合理地设计轴系支点的轴向固定结构。典型的结构形式有三类。 3.3.1.1 两端单向固定
普通工作温度下的短轴（跨距L
铣床所用电主轴MS24015的固定形式为两端单向固定。
3.3.2 轴承的配合
轴承与轴或轴承座的配合目的是把内、外圈牢固地固定于轴或轴承座上，使之相互不发生有害的滑动。如配合面产生滑动，则会产生不正常的发热和磨损，以及因磨损产生粉末进入轴承内而引起早期损坏和振动等弊病，导致轴承不能充分发挥其功能。此外，轴承的配合可影响轴承的径向游隙，径向游隙不仅关系到轴承的运转精度，同时影响它的寿命。
滚动轴承是标准组件，所以与相关零件配合时其内孔和外径分别是基准孔和基准轴，在配合中不必标注。决定配合时最主要的问题是轴承内、外圈所承受的载荷状态。
一般来说，尺寸大、载荷大、振动大、转速高或工作温度高等情况下应选紧一些的配合，而经常拆卸或游动套圈则采用较松的配合。
3.3.3 轴承座的刚度与同轴度
轴和轴承座必须有足够的刚度，以免因过大的变形使滚动体受力不均。因此轴承座孔壁应有足够的厚度，并设置加强筋以增加刚度。此外，轴承座的悬臂应尽可能缩短。
两轴承孔必须保证同轴度，以免轴承内外圈轴线倾斜过大。为此，两端轴承尺寸应力求相同，以便一次镗孔，可以减小其同轴度的误差。当同一轴上装有不同外径尺寸的轴承时，采用套杯结构来安装尺寸小的轴承，使轴承孔能一次镗出。
3.3.4 轴承的润滑
滚动轴承的润滑主要是为了降低摩擦阻力和减轻磨损，同时也有吸振、冷却、防锈和密封等作用。合理的润滑对提高轴承性能，延长轴承的使用寿命有重要意义。高速电主轴的润滑技术也基本上就是轴承的润滑技术，我们在下一章将做详细介绍。
4 电主轴关键技术
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。
4.1 电主轴润滑技术
高速电主轴的润滑主要指主轴轴承的润滑，一般以脂润滑和油雾润滑两种方式为主．脂润滑在dn 值较低的电主轴中是较常见的润滑方式．脂润滑型高速电主轴结构简单，使用方便，无污染，通用性强，但主轴温升较高，工作寿命较短． 油雾润滑具有润滑和冷却双重作用，它以压缩空气为动力，通过油雾器将油液雾化并混入空气流中，然后输送到需要润滑的地方．当电主轴高速旋转时，油雾可在轴承沟道内形成流体动力润滑油膜．油雾润滑属持续润滑，油雾经过油路，源源不断进入轴承，有利于高速电主轴稳定工作．油雾润滑所需设备简单，维修 方便，是广泛使用的一种高速电主轴润滑方式。
油气润滑技术是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承，微小油滴在滚动和内、外滚道间形成弹性动压油膜，而压缩空气则可带走轴承运转所产生的部分热量。
实践表明在润滑中供油量过多或过少都是有害的，而前两种润滑方式均无法准确地控制供油量多少，不利于主轴轴承转速和寿命的提高。而新近发展起来的油气润滑方式则可以精确地控制各个摩擦点的润滑油量，可靠性极高。实践证明，油气润滑是高速大功率电主轴轴承的最理想润滑方法，但其所需设备复杂，成本高。由于油气润滑方式润滑效果理想，目前已成为国际上最流行的润滑方式。 我们这根铣床所用电主轴MS24015选用脂润滑。
4.2 热源分析及冷却
高速电主轴在将电能转化为机械能的同时，也有一部分转化为热能．所有这些热能无法通过风扇和机壳向外扩散，必须加以控制，否则电主轴将因热量积聚而使主轴的机械效率下降、主轴精度丧失、破坏电机线圈绝缘层的介电强度，主轴轴承也将受到损坏．
电主轴有两个主要的内部热源：内置电动机的发热和主轴轴承的发热。如果不加以控制，由此引起的热变形会严重降低机床的加工精度和轴承使用寿命，从而导致电主轴的使用寿命缩短。
4.3 电主轴轴的动平衡
4.3.1 动平衡机原理
平衡机是测量旋转物体(转子) 不平衡量大小和位置的机器。
任何转子在围绕其轴线旋转时，由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力。这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动，产生噪声和加速轴承磨损，以致严重影响产品的性能和寿命。电机转子、机床主轴、内燃机曲轴、汽轮机转子、陀螺转子和钟表摆轮等旋转零部件在制造过程中，都需要经过平衡才能平稳正常地运转。
根据平衡机测出的数据对转子的不平衡量进行校正，可改善转子相对于轴线的质量分布，使转子旋转时产生的振动或作用于轴承上的振动力减少到允许的范围之内。因此，平衡机是减小振动、改善性能和提高质量的必不可少的设备。 4.3.2
平衡机的使用
主轴动平衡常用方法有两种：去重法和增重法。小型主轴和普通电机常采用去重法。该法是在电机的转子两端设计有去重盘，当电机转子和其他零件安装到主轴上以后进行整体动平衡时，根据要求由自动平衡机在转子的去重盘处切去不平衡量。增重法是近年来某些主轴电机制造商为适应高速主轴发展的需要，在开发出商品化的无框架主轴电机(Frameless spindle motor)上常采用的方法。电机转子的两端设计有平衡盘，平衡盘的圆周方向设计有均匀分布的螺纹孔，转子安装到主轴上以后进行主轴组件整体动平衡时，不是在平衡盘上去重，而是在螺纹孔内拧入螺钉，以螺钉的拧入深度和周向位置来平衡主轴组件的偏心量，如图4-1所示。
转轴是高速电主轴的主要回转主体．它的制造精度直接影响电主轴的最终精度．成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高，转轴高速运转时，由偏心质量引起振动，严重影响其动性能，必须对转轴进行严格动平衡测试．部分安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡测试．
图4-1平衡螺钉拧入示意图
4.4 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馈，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。
设计小结
本设计课题研究主要内容是通过分析电主轴的工作原理，轴承技术，关键技术（润滑，冷却，动平衡，运动控制），以及电主轴安装实例，设计出与铣床配套的，符合要求的电主轴机械部分。 本设计课题研究的主要内容如下：
1. 电主轴工作原理，包括工作原理，主要参数，设计优点以及装配中需要注意的问题。
2. 轴的设计，包括轴材料的选择；轴的结构设计；校核；轴端形式以及过盈连接装置的设计。
3. 轴承的设计，包括轴承的选择，校核及组合设计。
4. 电主轴关键技术，包括润滑技术，冷却技术，动平衡以及运动控制。 本设计课题研究的意义在于作为铣床重要部分的电主轴，是一种智能型功能部件。现代机械制造工业向高精度、高速度、高效率的方向飞速发展，对加工机床提出了更高要求．这就需要可以高速运转的主轴部件系统——高速主轴单元．电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪音低、响应快等优点，可以减少齿轮传动，简化机床外形设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中一种理想结构。
致谢
在完成论文“电主轴的机械设计”之际，向辛勤培育我的导师王曙光老师致以衷心的感谢和崇高的敬意！
本论文在王曙光老师的悉心指导下完成。从论文的选题、课题的实施到论文的撰写，导师都给以了细致如微的指导。导师“工作塌实、对事业无私奉献的作风，严谨求实、刻意创新”的治学精神，及渊博的知识和独到的见解，使我受益匪浅。在论文的每一处中都凝聚着导师们的心血和汗水。正是在导师们的指导下，我才能够顺利完成论文工作。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 时光如水，日月如梭，诗情画意中的学术之旅行将结束。它短暂而充实，轻松而又惬意，犹如人生旅途划过的一颗璀璨靓丽的流星。有太多的事历历在目，宛如昨日, 记忆犹新。有太多的人音容笑貌，跃然纸上，挥之不去。如余音绕梁三日不绝，又如小酌醇酒，久之弥笃，真是欲罢不能，难舍难分。惟有掩卷长叹：“天下无不散之宴席。”路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。我愿在未来的学习和研
究过程中，以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学和朋友。
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14000r/min数控铣床电主轴的结构设计
摘要
本文主要介绍了电主轴的工作原理、轴的设计、轴承技术以及关键技术等。电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。它主要应用在复合加工机床、多轴联动、多面体加工机床和并联机床中。本设计通过利用网络工具、图书馆的书籍和各类期刊、杂志查阅了电主轴的相关知识，确定本设计符合要求，满足需要。设计方法有：查阅资料产生电主轴机械设计的基本思路，确定合理的电主轴结构；重点对电主轴的轴进行了设计，对轴承进行了分析选配，确定了电主轴轴承的选配原则；且充分利用相关知识按要求对本课题进行具体设计。
本设计采用的方法是理论设计与经验设计相结合的方案，所运用的资料来源广泛，内容充足。实现本方案的可行性高。实践表明，所设计的MS24015铣床主轴满足使用要求。
关键词 电主轴/定子/转子/关键技术/动平衡
The mechanic designs of electric spindles
Abstract
The designs and working principle of electric spindles 、bearing technical as well as crucial technology and so on was introduced in this paper . Electrical spindles is being made by a direct motor rotor of be hollow pack in main shaft on and stator knows super-cooling but cover fixes, which form a complete unit of main shaft in the casing hole of main shaft, and then the electricity rotor directly drive the operation of main shaft. Its main application is being compound process machine tool and much axle to unite to move, polyhedron processing machine tool and the machine tool of parallel connection in. This design cut the related knowledge of central fuselage according with requirement through using network tool and magazines , each kind of periodical and the books in the library and then determining the design, which satisfies the needs. The design method is as follows: First, look up information to produce the basic thought of the electrical mechanical design of main shaft, determine the reasonable electrical structure of main shaft. Then, the key axle for electrical main shaft is designed, and analyze and choose the match for bearing, the electrical bearing of main shaft choose to match principle have determined; Use related knowledge finally fully press requirement for this program carry out specific design.
The method of designing adopted the scheme theoretical design and experience design, and the data sources utilized was adequate content extensively . Feasibility of realize the scheme is high. Practice shows that the MS24015 main shaft of milling machine design satisfies the request.
Keywords Electrical main shaft, Stator, Rotor, Crucial technology, Dynamic balancing
1 引言
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。当代4大先进制造技术之一的超高速切削具有高切削速度、高进给速度和高加工精度的特性。是继数控技术之后使制造技术产生又一次重大变革的一项高新技术，具有极高的生产效率。而研制和开发超高速机床，是实现超高速加工的基本前提，其中实现高速加工最根本、最关键的技术是实现高的切削速度，而高速切削的主要执行者高速主轴就在所难免的担起了主要的作用。高速电主轴是高速加工机床的核心功能部件，开发拥有自主知识产权的电主轴是机械加工行业的迫切需求。电主轴是最近几年在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，在中高档数控机床中应用广泛。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。
我国高速电主轴的设计制造技术刚刚起步, 目前尚未形成批量生产规模, 电主轴的各项性能指标和国外尚有较大的差距。虽然现在能够生产高速切削机床的企业已有约20多家，但大多部分以引进技术为主，基本上靠调整加工中心来实现轴的变化，没有自己的独特产品。我国大型数控车床用实用型电主轴的开发始于1998年，目前正以蓬勃的发展势头迎头追赶世界水平。洛阳轴承研科技股分有限公司作为国内电主轴领域的龙头企业，基本代表了国同机床的电主轴的最高水平。其他厂商如安阳RABBIT 、无锡机床厂、济宁博特精密丝杠、汉江机床厂、北京机床所、北京-机床、北京三机床等一批企业也在数控机床用电主轴的一发与研究方面也作出了很好的尝试。
在电主轴的设计中有几个要特别注意的，如电机的放置形式、轴承的选用、润滑系统、冷却系统、动平衡等。它们是决定电主轴是否能实现高速旋转的关键因素。
本毕业设计主要介绍了电主轴的工作原理、轴的设计、轴承技术以及关键技术等。电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。它主要应用在复合加工机床、多轴联动、多面体加工机床和并联机床中。
2 电主轴概述
电主轴的结构
2.1 电主轴工作原理
高速电主轴电机的绕组相位互差120°，通以三相交流电后，三相绕组各自形成一个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相迭加，合成一个强度不变，磁极朝一定方向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。异步电动机的同步转速n 由输入电机定子绕组电流的频率f 和电机定子的极对数P 决定（n=60f/p）。电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。在加速和制动过程中，通过改变频率进行加减速，以免电机温升过高。由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。
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。而电主轴本身就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。
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。
2.2 电主轴的主要参数
2.2.1 电主轴主要参数
电主轴的主要参数有：(1)主轴最高转速和恒功率转速范围：(2)主轴的额定功率和最大扭矩：(3)主轴前轴颈直径和前后轴承的跨距等。其中主轴最高转速、前轴颈直径和额定功率是基本参数。电主轴通常装备在高速加工中心上，在设计电主轴时要根据用户的工艺要求，采用典型零件统计分析的方法来确定这些参数。机床厂对同一尺寸规格的高速机床，一般会分两大类型，即“高速型”和“高刚度型”分别进行设计。前者主要用于航空、航天等工业加工轻合金、复合材料和铸铁等零件：后者主要用于模具制造、汽车工业中高强度钢或耐热合金等难加工材料和钢件的高效加工。在设计电主轴时，还要注意选择有较好扭矩———功率特性和有足够宽调速范围的变频电动机及其控制模块。
2.2.2 电主轴优点
一般说来 ,高速机床都是数控机床和精密机床 ,其传动结构的最大特点是实现了机床的“零传动”。从机床的主传动系统来看 ,这种传动方式取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节 (如皮带、齿轮、离合器等 ) , 实现了主电动机与机床主轴的一体化。这种传动方式有以下优点 :(1)机械结构最为简单 传动惯量小 ,因而快速响应性好 ,能实现极高的速度、加 (减 )速度和定角度的快速准停 (Ｃ轴控制 )。(2)采用交流变频调速和矢量控制的电气驱动技术 ,输出功率大 ,调速范围宽。有比较理想的扭矩———功率特性 (图1-1右) , 一次装夹既可实现粗加工又可进行高速精加工。
图1-1 扭矩—功率特性
电主轴的刚性好、回转精度高、快速响应性好，能够实现极高的转速和加、减速度及定角度的快速准停（C 轴控制），调速范围宽。不同类型输出功率相差较大，高速加工机床主轴需要在极短的时间内实现升降速，并在指定 位置快速准停。这就需要主轴有很高的角减速度和角加速度。如果通过皮带等中间环节，不仅会在 高速状态下打滑、产生振动和噪音，而且增加转动惯量，给机床快速准停造成很大困难。目前，多数高速机床主轴采用内装式主轴电机一体化的主轴单元，即所谓内装式电机主轴，简称“电主轴”。它采用无外壳电机，将带有冷却套的电机定子装配 在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电机控制，使变频电机和机床主轴合二为一。高速电主轴结构特点高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对高速电主轴各个部分进行精心设计和制造。
它按应用于不同机床中分为 :钻铣主轴、加工中心主轴、雕刻机主轴、磨床用电主轴等。
2.3 电主轴装配注意问题
2.3.1 轴承的安装
2.3.1.1 安装
轴承属于精密的机械部件，在安装前请勿打开包装，避免生锈。对已经脂润滑的轴承及双侧具油封或防尘盖，密封圈轴承可直接安装，不必清洗。 轴承的安装过程中，必须掌握一个原则，即只能通过相应套圈来传递安装力或力矩。
(1) 压入配合
轴承内圈与轴使紧配合，外圈与轴承座孔是较松配合时，可用压力机将轴承先压装在轴上，然后将轴连同轴承一起装入轴承座孔内，压装时在轴承内圈端面上，垫一软金属材料做的装配套管(铜或软钢) 。
轴承外圈与轴承座孔紧配合，内圈与轴为较松配合时，可将轴承先压入轴承座孔内，这时装配套管的外径应略小于座孔的直径。
如果轴承套圈与轴及座孔都是紧配合时，安装室内圈和外圈要同时压入轴和座孔，装配套管的结构应能同时押紧轴承内圈和外圈的端面。
(2) 加热配合
通过加热轴承或轴承座，利用热膨胀将紧配合转变为松配合的安装方法。是一种常用和省力的安装方法。此法适于过盈量较大的轴承的安装，热装前把轴承或可分离型轴承的套圈放入油箱中均匀加热80-100℃，然后从油中取出尽快装到轴上，为防止冷却后内圈端面和轴肩贴合不紧，轴承冷却后可以再进行轴向紧固。轴承外圈与轻金属制的轴承座紧配合时，采用加热轴承座的热装方法，可以避免配合面受到擦伤。
用油箱加热轴承时，在距箱底一定距离处应有一网栅，用钩子吊着轴承，轴承不能放到箱底上，以防沉杂质进入轴承内或不均匀的加热，油箱中必须有温度计，严格控制油温不得超过100℃，以防止发生回火效应，使套圈的硬度降低。 推力轴承的周全与轴的配合一般为过渡配合，座圈与轴承座孔的配合一般为间隙配合，因此这种轴承较易安装，双向推力轴承的中轴泉应在轴上固定，以防止相对于轴转动。
轴承的安装方法，一般情况下是轴旋转的情况居多，因此内圈与轴的配合为过赢配合，轴承外圈与轴承室的配合为间隙配合。
轴承安装好后要进行检查，应保证轴承安装到位，旋转灵活，无卡滞现象，如轴承安装不当，会使轴承温度迅速上升而损坏，发生轴承卡死断裂等重大事故。
2.3.1.2 轴承的使用和保管
(1)在轴承使用时，保持周围环境的洁净，不要粘上手汗和污物。规定由熟悉轴承的人员使用，特别需要小心伤、压痕、欠损等。为保证轴承的使用性能，应根椐设备的作业标准，定期对轴承进行维护、保养和检修，内容包括监控运行状态、补充润滑剂、定期拆卸检查。
(2)轴承不得直接在地上储存(需离地30cm 以上) ，避免直射光线和阴冷的墙壁。为了防止生锈，保管在温度20℃左右、湿度65％以下的环境中，轴承放置在酸性空气中，容易生锈、变色，要用手套、木棉回丝擦拭轴承、轴、外壳，垃圾进入轴承内部和配合部分是发生异常的原因，因此需要注意。
2.3.2 电主轴MS24015装配顺序及工时
1. 配隔垫 0：20
2. 清洗壳体，油路 0：40
3. 试水套，清孔 0：24
4. 入定子 0：30
5. 动平衡 1：00
6. 装轴 4：00
7. 拉轴，调试，打字 8. 接打件，焊插座：10
9. 包装
可见，其中用时最长的是装轴，因为轴的某些精度就的靠装配来保证的。其次是动平衡。高速轴的动平衡一定要做好，否则轴的旋转精度没法保证。
2.3.3 几个部位的修配
一般修配的零件尺寸为尺寸链中的封闭环。在铣床所用电主轴MS24015中的 修配部位主要是前小盖的高度尺寸。
3 电主轴轴的设计
3.1 电主轴轴的设计
3.1.1 电主轴轴材料的选择
在MS24015这根铣床轴的材料我们选择42CrMo 。这是因为：
3.1.1.1 从微观组织性能角度讲
(1)合金元素Cr 、Mo 对钢中基本相的影响
Cr 、Mo 属于合金元素，这两种元素强化效果较弱，可溶于渗碳体形成合金渗碳体或与碳形成特殊碳化物。合金渗碳体和特殊碳化物具有较高的熔点和稳定性。在加热至高温时也不易溶入奥氏体，因此可起阻止奥氏体晶粒长大的作用。另外，
它们又具有较高的硬度。当它们在钢中弥散分布时，可大大提高钢的强度，硬度及耐磨性，而不降低韧性，这对提高工件的使用性能极为有利。
(2)合金元素Cr 、Mo 对F e F e 3C 相图的影响
在碳钢中加入合金元素，将使Fe-Fe3C 相图发生改变。加入Cr 、Mo 这两种合金元素会使奥氏体区缩小。而缩小奥氏体区的合金元素，使A 1和A 3温度升高，S 点和
E 点向左上方移动。含碳量相同的合金钢和碳钢相比，具有不同的显微组织。在一般的合金钢中，虽然合金元素总量减少，但由于S 点左移，在退火状态合金钢中珠光体的相对量较相同含碳量的碳钢多。因此钢的强度也较高。
(3)合金元素对钢相变过程的影响
对于大多数合金钢来说，所要求的性能主要是通过合金元素对相变过程的作用来实现的。
① 合金元素对奥氏体形成的影响
碳化物形成元素Cr 、Mo ，显著降低碳的扩散速度而大大降低奥氏体的形成速度。除Mn 、P 外几乎所有合金元素都能阻止奥氏体晶粒长大，起细化晶粒作用。合金元素形成物的倾向越大，所形成的碳化物的熔点越高、越稳定，在加热时越难溶于奥氏体中，而是存在与奥氏体晶界上，强烈地阻止奥氏体晶粒的长大。而弱碳化物形成元素Cr 、Mo 作用中等。
② 合金元素对过冷奥氏体转变的影响
合金元素对过冷奥氏体转变的影响, 表现在改变A 体等温转变图的位置、形状和改变M s 、M f 点。除Co 外，几乎所有合金元素溶于奥氏体后都会降低原子扩
散速度，增大过冷奥氏体的稳定性，从而使A 体等温转变图在温度-时间坐标中的位置向右移。这样降低了钢的马氏体临界冷却速度，从而提高了钢的淬透性。Cr 、Mo 就是常用的提高钢的淬透性的合金元素。
③ 合金元素对回火转变的影响
合金元素对回火转变的 影响主要表现在 以下三个方面；提高回火稳定性；产生二次硬化；引起回火脆性。而Cr 、Mo 这两种合金元素提高回火稳定性作用较强，易产生二次硬化，可避免引起回火脆性。
3.1.1.2从宏观的角度讲
轴材料的选择首先应有足够的强度，对应力集中敏感性低；还应满足刚度、耐磨性、耐腐蚀性及良好的加工性。常用的材料主要有碳钢、合金钢、球墨铸铁和高强度铸铁。
选择轴的材料时，应考虑轴所受载荷的大小和性质、转速高低、周围环境、轴的形状和尺寸、生产批量、重要程度、材料机械性能及经济性等因素，选用时注意如下几点：
（1） 碳钢有足够高的强度，对应力集中敏感性较低，便于进行各种热处理及机械加工，价格低、供应充足，故应用最广。一般机器中的轴，可用30、40、45、50等牌号的优质中碳钢制造，尤以45号钢经调质处理最常用。
（2） 合金钢机械性能更高，常用于制造高速、重载的轴，或受力大而要求尺寸小、重量轻的轴。至于那些处于高温、低温或腐蚀介质中工作的轴，多数用合金钢制造。常用的合金钢有：12CrNi2、12CrNi3、20Cr 、40Cr 、38SiMnMo 等。
（3） 通过进行各种热处理、化学处理及表面强化处理，可以提高用碳钢或合金钢制造的轴的强度及耐磨性。特别是合金钢，只有进行热处理后才能充分显示其优越的机械性能。
（4） 合金钢对应力集中的敏感性高，所以合金钢轴的结构形状必须合理，否则就失去用合金钢的意义。另外，在一般工作温度下，合金钢和碳钢的弹性模量十分接近，因此依靠选用合金钢来提高轴的刚度是不行的，此时应通过增大轴径等方式来解决。
（5） 球墨铸铁和高强度铸铁的机械强度比碳钢低，但因铸造工艺性好，易于得到较复杂的外形，吸振性、耐磨性好，对应力集中敏感性低，价廉，故应用日趋增多。
综合宏观和其微观这两方面，该铣床主轴的材料选择42CrMo 。
3.1.2 轴的结构设计
轴的结构设计的任务，就是在满足强度、刚度和振动稳定性的基础上，根据轴上零件的定位要求及轴的加工、装配工艺性要求，合理地定出轴的结构形状和全部尺寸。
轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成。轴上被支承部分叫做轴颈；安装轮毂部分叫做轴头；连接轴颈和轴头的部分叫轴身。
3.1.2.1 零件在轴上的定位
零件在轴上的轴向定位：零件在轴上的轴向定位方法，主要取决于它所受轴向力的大小。此外，还应考虑轴的制造及轴上零件装拆的难易程度、对轴强度的影响及工作可靠性等因素。
常用轴向定位方法有：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、圆锥形轴头等。
由于铣床所用电主轴MS24015要求转速高，转矩小，故轴向定位我们选择轴肩，轴环，圆螺母定位。
（1）轴肩：轴肩由定位面和过度圆角组成。为保证零件端面能靠紧定位面，轴肩圆角半径必须小于零件毂孔的圆角半径或倒角高度；为保证有足够的强度来承受轴向力，轴肩高度值为h=(2-3)R。
（2）轴环：轴环的功用及尺寸参数与轴肩相同，宽度b ≥1.4h 。若轴环毛坯是锻造而成，则用料少、重量轻。若由圆钢毛坯车制而成，则浪费材料及加工工时。
（3）圆螺母：当轴上两个零件之间的距离较大，且允许在轴上切制螺纹时，可用圆螺母的端面压紧零件端面来定位。
2.1.2.2 零件在轴上的周向定位
定位方式根据其传递转矩的大小和性质、零件对中精度的高低、加工难易等因素来选择。常用的周向定位方法有：键、花键、弹性环、销、过盈等联结，通称轴毂联结。
由于该主轴转速很高，在轴上不允许出现不对称的结构，而键、花键、弹性环、销等结构要不是出现不对称结构要不是在轴上开槽，降低轴的刚度，故轴的周向定位我们选择过盈联结。
另外，轴的结构应尽量简单，有良好的加工和装配工艺性，以利减少劳动量，提高劳动生产率及减少应力集中，提高轴的疲劳强度。
轴的结构设计须在经过初步强度计算，已知轴的最小直径以及轴上零件尺寸（主要是毂孔直径及宽度）后才进行。其主要步骤为；
①确定轴上零件装配方案
②确定轴上零件定位方式
③确定各轴段直径
④确定各轴段长度
⑤确定轴的结构细节
⑥确定轴的加工精度、尺寸公差、形位公差、配合、表面粗糙度及技术要求
⑦画出轴的工作图见附图MS24015-05。
2.1.3 轴的校核
轴在实际工作中，承受各种载荷。设计计算是确保轴可以承受载荷、可靠工作的重要保证。根据轴的失效形式，对轴的计算内容通常为强度计算、刚度计算和临界转速计算。
2.1.3.1 轴的强度计算--按扭转强度计算
该方法只按轴所受的扭矩来计算轴的强度，如果轴还受有不大的弯矩，则用降低许用扭转切应力的方法予以考虑。在作轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可作为最后计算结果。轴的扭转强度条件为：
T
W 9550000≈0.2d 3P n ≤τ[]T τT = (2-1)
式中： τT ——扭转切应力，MPa ；
T ——轴所受的扭矩，N ·mm ；
W T ——轴的扭转截面系数，m m 3；
n ——轴的转速，r/min；
P ——轴传递的功率,kW ；
d ——计算截面处轴的直径，mm ；
[τT ]——许用扭转切应力，MPa ，见下表；
表2-1轴常用几种材料的[τ]T及A0值
注：1) 表中
τT 是考虑了弯矩影响而降低了的许用扭转切应力。
2)在下述情况时，[τT ]取较大值，A0取较小值：弯矩较小或只受扭矩
作用、载荷较平稳、无轴向载荷或只有较小的轴向载荷、减速器的低速轴、轴只作单向旋转；反之， [τT ]取较小值，A0取较大值。
d ≥由上式可的轴的直径：
A 0=
=
=A 0（2-2）式中
查上表。对于空心轴，则：
d ≥A （2-3）
式中β＝d1/d，即空心轴的内径d1与外径d 之比，通常取β＝0.5-0.6。 应当指出，当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径d ＞100mm 的轴，有一个键槽时，轴径增大3%；有两个键槽时，应增大7%。对于直径d ≤100mm 的轴，有一个键槽时，轴径应增大5%-7%；有两个键槽时，应增大10%-15%。然后将轴径圆整为标准直径。应当注意，这样求出的直径，只能作为承受扭转作用的轴段的最小直径dmin 。
通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸、轴上零件的位置、以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷（弯矩和扭矩）已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。一般的轴使用这种方法计算即可。其计算步骤如下：
•作出轴的计算简图（即力学模型）
轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常将轴上的分布载荷简化为集中力, 其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当作置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型与布置方式有关。
在作计算简图时，应先求出轴上受力零件的载荷，并将其分解为水平分力和垂直分力，然后求出各支承处的水平反力FRH 和垂直反力FRV 。
•作出弯矩图
根据上述简图，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出水平面上的弯矩MH 图和垂直面上的弯矩MV 图，然后按下式计算总弯矩并作出M 图。
•作出扭矩图
作出轴所受的扭矩图（为了使扭矩图符合下述强度计算公式，图中把T 折算为αT) 。
•作出计算弯矩图
根据已作出的总弯矩和扭矩图，求出计算弯矩Mca ，并作出Mca 图，Mca 的计算公式为：
M ca = (2-4)
式中α是考虑扭转和弯矩的加载情况及产生应力的循环特征差异的系数。因通常由弯矩所产生的弯曲应力是对称循环的变应力，而扭转所产生的扭转切应力则常常不是对称循环的变应力，故在求计算弯矩时，必须计及这种循环特性差异的影响。即当扭转切应力为静应力时取α≈0.3；扭转切应力为脉动循环变应力时，取α≈0.6；若扭转切应力亦为对称循环变应力时，则取α＝1。
2.1.3.2 强度的校核
已知轴的计算弯矩后，即可针对某些危险截面（即计算弯矩大而直径可能不足的截面）作强度校核计算。按第三强度理论，计算弯曲应力：
σca =M ca W =W ≤[σ-1] (2-5)
式中： W——轴的抗弯截面系数m ，各种截面计算公式见表。
[σ-1]——轴的许用弯曲应力，其值按表选用。
由于心轴工作时只承受弯矩而不承受扭矩，所以在应用上式时，应取T ＝0，亦即Mca=M。转动心轴的弯矩在轴截面上所引起的应力是对称循环变应力；对于固定心轴，考虑起动、停车等的影响，弯矩在轴截面上所引起的应力可视为脉动循环变应力, 所以在应用上式时, 其许用应力应为[
的许用弯曲应力),[σ0σ0]([σ0]为脉动循环变应力时]≈1.7[[σ-1]。
因所设计的轴强度裕度不大，在加上有实际经验，故此轴不必在进行结构修改。最后绘制轴的零件图（见附手工图MS24015-05）
2.2 电主轴轴端的设计
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。 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2-1) ，
图2-1 轴端锥孔
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。
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1∶10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2-2) 。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2～6μm ，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。
图2-2轴向定位
2.3 电主轴过盈联结装置的设计
高速主轴单元是机床实现高速切削的关键。采用电主轴结构，取消了一切中间传动环节，可实现很高的极限转速。对电主轴进行结构设计时，需要考虑以下几个问题：首先，它是一种精密部件，主轴轴承需要调整或更换，要求轴上零件便于装拆。其次，主轴轴承是在预紧力作用下工作的，轴承的定位元件在高速下需承受一定的轴向力；电机的转子安装在主轴上，它与主轴的结合面要传递电机的转矩。第三，主轴在高速下运转时，动平衡要求非常高，电机转子与机床主轴之间不宜采用键联结来传递扭矩。为了解决上述问题，我们在电主轴的结构设计中采用了新型的过盈联结结构，并设计成阶梯套的形式。阶梯过盈套作为定位紧固元件，与螺纹联结及键联结相比有以下优点：①不会在轴上产生弯曲和扭转应力，因而对轴的旋转精度没有影响。②易保证零件定位端与轴心线的垂直度，对轴承预紧时，不会引起轴承受力不均，不影响轴承的寿命。③过盈套质量均匀，主轴动平衡易得到保证。④常用热套法进行安装，注入压力油的方法进行拆卸，对主轴无损害。⑤定位可靠，可提高主轴的刚度。实践证明，过盈联结特点适合于对旋转精度要求很高的高速主轴精密零件的定位与扭矩传递。
3 电主轴轴承技术
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。
3.1 电主轴轴承的选择
滚动轴承是广泛运用的机械支承。其功能是在保证轴承有足够寿命的条件下，用以支承轴及轴上的零件，并与机座作相对旋转、摆动等运动，使转动副之间的摩擦尽量降低，以获得较高传动效率。常用的滚动轴承已制定了国家标准，只需根据工作条件选用合适的滚动轴承类型和型号进行组合结构设计。
3.1.1 类型的选择
1. 在机械设计中，滚动轴承选择的一般过程如下图所示
图3-1 轴承类型选择过程示意图
2. 滚动轴承类型选择应注意的问题:
（1）考虑轴承的承受载荷情况
方向：受径向力时，用向心轴承；受轴向力时，用推力轴承；径向力和周向力联合作用时，用向心推力轴承；
大小：受到较大载荷时，可用滚子轴承，或尺寸系列较大的轴承；受到较小载荷时，可用球轴承，或尺寸系列较小的轴承
（2）考虑对轴承尺寸的限制
当对轴承的径向尺寸严格限制时，可选用滚针轴承；
（3）考虑轴承的转速
一般来讲，球轴承比滚子轴承能适应更高的转速，轻系列的轴承比重系列的轴承能适应更高的转速；此外，各类推力轴承的极限转速很低，不易用于高转速的情况。
（4）考虑对轴承的调心性要求
调心球轴承和调心滚子轴承均能满足一定的调心要求（即：轴心线与轴承座孔心线可适当偏转），而圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、滚针轴承满足调心要求的能力几乎为零。
3.1.2 轴承的工况分析
滚动轴承工作时，并非所有滚动体都同时受载。滚动体同时受载的程度与轴承所受的轴向力的大小有关。实际应用中，一般以控制半圈滚动体受载为宜。滚动体与套圈均受交变应力作用, 其中不动圈的最低点的受力状况最为恶劣。
向心推力轴承在纯径向力F r 的作用下会产生派生的轴向力F d
F d =F r tg α
(单个滚动体受力) （3-1）
当有半圈滚动体受载时，派生轴向力如下计算：
表3-1轴承受载公式
注：表中
和由载荷系数表中查取，是对应表中a ／r ＞的值
Fd:内部派生的轴向力；
Fae:外部施加于轴系的轴向力；
Fa:轴承实际所受轴向力，由于向心推力轴承在工作时是不应沿轴向窜动的，因此Fa 应取决于Fd 与Fae 中较大者，即：Fa=max{Fae,Fd}即：F a =max{F ae , F d }
3.2 电主轴轴承的校核计算
3.2.1 滚动轴承寿命计算
滚动轴承在运转时可能出现各种类型的失效形式，但是套圈和滚动体表面的疲劳点蚀是滚动轴承的一种最基本和常见的失效形式，也是通常作为滚动轴承寿命计算的依据。轴承发生点蚀破坏后，在运转时通常会出现较强的振动、噪声和发热现象。
滚动轴承的寿命是指轴承的滚动体或套圈首次出现点蚀之前，轴承的转数或相应的运转小时数。滚动轴承的承载能力计算主要是指轴承的寿命计算。
图3-2滚动轴承的寿命曲线
与一般结构的疲劳寿命一样，滚动轴承的疲劳寿命的离散性也是相当大的。工程中定义具有90％可靠度的轴承寿命为轴承的基本额定寿命。
在工程实际中，通常是以轴承的基本额定动载荷来衡量一个轴承的承载能力。所谓轴承的基本额定动载荷是指:使轴承的基本额定寿命恰好为100万转时，轴承所能承受的载荷值，用字母C 表示。轴承的基本额定动载荷是依实验与理论分析相结合而得出的，其值可在滚动轴承手册中查得。
一个滚动轴承的基本额定寿命(L 10) 与轴承的基本额定动载荷C 、轴承所受的外加
载荷（当量动载荷P ）等有关，可依据额定寿命计算公式确定。
滚动轴承寿命计算中的一项重要内容是进行当量动载荷的计算和轴向力F a 的计算。
3.2.2 电主轴轴承静载荷及极限转速
3.2.2.1 静载荷计算
静载荷是指轴承套圈相对转速为零时作用在轴承上的载荷。为了限制滚动轴承在静载荷作用下产生过大的接触应力和永久变形，需进行静载荷计算。按额定静载荷选择轴承，其基本公式为
C 0≥C 0r=S0P 0 (3-2)
式中C 0-基本额定静载荷，N ；C 0r-计算额定静载荷，N ；P 0-当量静载荷，N ；S 0-安全系数。
静止轴承、缓慢摆动或转速极低的轴承，安全系数可参考《机械设计手册》选取。 旋转轴承的安全系数S 0可参考表5。若轴承转速较低，对运转精度和摩擦力矩要求不高时，允许有较大的接触应力，可取S 0
滚动轴承转速过高时会使摩擦面间产生高温，影响润滑剂性能，破坏油膜，从而导致滚动体回火或元件胶合失效。 滚动轴承的极限转速No 是指轴承在一定的工作条件下，达到所能承受最高热平衡温度时的转速值。轴承的工作转速应低于其极限转速。滚动轴承性能表中所给出的极限转速值分别是在脂润滑和油润滑条件下确定的。
适用于0级公差、润滑冷却正常、与刚性轴承座和轴配合、轴承载荷P ≤0.1C （C 为轴承的基本额定动载荷，向心轴承只受径向载荷，推力轴承只受轴向载荷）的轴承。 当滚动轴承载荷P>0.1C时，接触应力将增大；轴承承受联合载荷时，受载滚动体将增加，这都会增大轴承接触表面间的摩擦，使润滑状态变坏。此时，极限转速值应修正，实际许用转速值可按下式计算 N0=f1·f2·N0 式中 N-实际许用转速，r/min；N0-轴承的极限转速，r/min；f1-载荷系数（图3-3）；f2-载荷分布系数（图3-3）。
1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24
图3-3 载荷系数关系
3.3 电主轴轴承的组合设计
在确定了轴承的类型和型号以后，还必须正确的进行滚动轴承的组合结构设计，才能保证轴承的正常工作。轴承的组合结构设计包括：轴系支承端结构；轴承与相关零件的配合；轴承的润滑与密封；提高轴承系统的刚度。
3.3.1 支承端结构形式
为保证滚动轴承轴系能正常传递轴向力且不发生窜动，在轴上零件定位固定的基础上，必须合理地设计轴系支点的轴向固定结构。典型的结构形式有三类。 3.3.1.1 两端单向固定
普通工作温度下的短轴（跨距L
铣床所用电主轴MS24015的固定形式为两端单向固定。
3.3.2 轴承的配合
轴承与轴或轴承座的配合目的是把内、外圈牢固地固定于轴或轴承座上，使之相互不发生有害的滑动。如配合面产生滑动，则会产生不正常的发热和磨损，以及因磨损产生粉末进入轴承内而引起早期损坏和振动等弊病，导致轴承不能充分发挥其功能。此外，轴承的配合可影响轴承的径向游隙，径向游隙不仅关系到轴承的运转精度，同时影响它的寿命。
滚动轴承是标准组件，所以与相关零件配合时其内孔和外径分别是基准孔和基准轴，在配合中不必标注。决定配合时最主要的问题是轴承内、外圈所承受的载荷状态。
一般来说，尺寸大、载荷大、振动大、转速高或工作温度高等情况下应选紧一些的配合，而经常拆卸或游动套圈则采用较松的配合。
3.3.3 轴承座的刚度与同轴度
轴和轴承座必须有足够的刚度，以免因过大的变形使滚动体受力不均。因此轴承座孔壁应有足够的厚度，并设置加强筋以增加刚度。此外，轴承座的悬臂应尽可能缩短。
两轴承孔必须保证同轴度，以免轴承内外圈轴线倾斜过大。为此，两端轴承尺寸应力求相同，以便一次镗孔，可以减小其同轴度的误差。当同一轴上装有不同外径尺寸的轴承时，采用套杯结构来安装尺寸小的轴承，使轴承孔能一次镗出。
3.3.4 轴承的润滑
滚动轴承的润滑主要是为了降低摩擦阻力和减轻磨损，同时也有吸振、冷却、防锈和密封等作用。合理的润滑对提高轴承性能，延长轴承的使用寿命有重要意义。高速电主轴的润滑技术也基本上就是轴承的润滑技术，我们在下一章将做详细介绍。
4 电主轴关键技术
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。
4.1 电主轴润滑技术
高速电主轴的润滑主要指主轴轴承的润滑，一般以脂润滑和油雾润滑两种方式为主．脂润滑在dn 值较低的电主轴中是较常见的润滑方式．脂润滑型高速电主轴结构简单，使用方便，无污染，通用性强，但主轴温升较高，工作寿命较短． 油雾润滑具有润滑和冷却双重作用，它以压缩空气为动力，通过油雾器将油液雾化并混入空气流中，然后输送到需要润滑的地方．当电主轴高速旋转时，油雾可在轴承沟道内形成流体动力润滑油膜．油雾润滑属持续润滑，油雾经过油路，源源不断进入轴承，有利于高速电主轴稳定工作．油雾润滑所需设备简单，维修 方便，是广泛使用的一种高速电主轴润滑方式。
油气润滑技术是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承，微小油滴在滚动和内、外滚道间形成弹性动压油膜，而压缩空气则可带走轴承运转所产生的部分热量。
实践表明在润滑中供油量过多或过少都是有害的，而前两种润滑方式均无法准确地控制供油量多少，不利于主轴轴承转速和寿命的提高。而新近发展起来的油气润滑方式则可以精确地控制各个摩擦点的润滑油量，可靠性极高。实践证明，油气润滑是高速大功率电主轴轴承的最理想润滑方法，但其所需设备复杂，成本高。由于油气润滑方式润滑效果理想，目前已成为国际上最流行的润滑方式。 我们这根铣床所用电主轴MS24015选用脂润滑。
4.2 热源分析及冷却
高速电主轴在将电能转化为机械能的同时，也有一部分转化为热能．所有这些热能无法通过风扇和机壳向外扩散，必须加以控制，否则电主轴将因热量积聚而使主轴的机械效率下降、主轴精度丧失、破坏电机线圈绝缘层的介电强度，主轴轴承也将受到损坏．
电主轴有两个主要的内部热源：内置电动机的发热和主轴轴承的发热。如果不加以控制，由此引起的热变形会严重降低机床的加工精度和轴承使用寿命，从而导致电主轴的使用寿命缩短。
4.3 电主轴轴的动平衡
4.3.1 动平衡机原理
平衡机是测量旋转物体(转子) 不平衡量大小和位置的机器。
任何转子在围绕其轴线旋转时，由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力。这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动，产生噪声和加速轴承磨损，以致严重影响产品的性能和寿命。电机转子、机床主轴、内燃机曲轴、汽轮机转子、陀螺转子和钟表摆轮等旋转零部件在制造过程中，都需要经过平衡才能平稳正常地运转。
根据平衡机测出的数据对转子的不平衡量进行校正，可改善转子相对于轴线的质量分布，使转子旋转时产生的振动或作用于轴承上的振动力减少到允许的范围之内。因此，平衡机是减小振动、改善性能和提高质量的必不可少的设备。 4.3.2
平衡机的使用
主轴动平衡常用方法有两种：去重法和增重法。小型主轴和普通电机常采用去重法。该法是在电机的转子两端设计有去重盘，当电机转子和其他零件安装到主轴上以后进行整体动平衡时，根据要求由自动平衡机在转子的去重盘处切去不平衡量。增重法是近年来某些主轴电机制造商为适应高速主轴发展的需要，在开发出商品化的无框架主轴电机(Frameless spindle motor)上常采用的方法。电机转子的两端设计有平衡盘，平衡盘的圆周方向设计有均匀分布的螺纹孔，转子安装到主轴上以后进行主轴组件整体动平衡时，不是在平衡盘上去重，而是在螺纹孔内拧入螺钉，以螺钉的拧入深度和周向位置来平衡主轴组件的偏心量，如图4-1所示。
转轴是高速电主轴的主要回转主体．它的制造精度直接影响电主轴的最终精度．成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高，转轴高速运转时，由偏心质量引起振动，严重影响其动性能，必须对转轴进行严格动平衡测试．部分安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡测试．
图4-1平衡螺钉拧入示意图
4.4 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馈，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。
设计小结
本设计课题研究主要内容是通过分析电主轴的工作原理，轴承技术，关键技术（润滑，冷却，动平衡，运动控制），以及电主轴安装实例，设计出与铣床配套的，符合要求的电主轴机械部分。 本设计课题研究的主要内容如下：
1. 电主轴工作原理，包括工作原理，主要参数，设计优点以及装配中需要注意的问题。
2. 轴的设计，包括轴材料的选择；轴的结构设计；校核；轴端形式以及过盈连接装置的设计。
3. 轴承的设计，包括轴承的选择，校核及组合设计。
4. 电主轴关键技术，包括润滑技术，冷却技术，动平衡以及运动控制。 本设计课题研究的意义在于作为铣床重要部分的电主轴，是一种智能型功能部件。现代机械制造工业向高精度、高速度、高效率的方向飞速发展，对加工机床提出了更高要求．这就需要可以高速运转的主轴部件系统——高速主轴单元．电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪音低、响应快等优点，可以减少齿轮传动，简化机床外形设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中一种理想结构。
致谢
在完成论文“电主轴的机械设计”之际，向辛勤培育我的导师王曙光老师致以衷心的感谢和崇高的敬意！
本论文在王曙光老师的悉心指导下完成。从论文的选题、课题的实施到论文的撰写，导师都给以了细致如微的指导。导师“工作塌实、对事业无私奉献的作风，严谨求实、刻意创新”的治学精神，及渊博的知识和独到的见解，使我受益匪浅。在论文的每一处中都凝聚着导师们的心血和汗水。正是在导师们的指导下，我才能够顺利完成论文工作。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 时光如水，日月如梭，诗情画意中的学术之旅行将结束。它短暂而充实，轻松而又惬意，犹如人生旅途划过的一颗璀璨靓丽的流星。有太多的事历历在目，宛如昨日, 记忆犹新。有太多的人音容笑貌，跃然纸上，挥之不去。如余音绕梁三日不绝，又如小酌醇酒，久之弥笃，真是欲罢不能，难舍难分。惟有掩卷长叹：“天下无不散之宴席。”路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。我愿在未来的学习和研
究过程中，以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学和朋友。
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