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1、摘要电主轴是加工机床的核心部件，它的精度直接决定了整个机床的加工精度，因此，开发出一个拥有自主产权的高精密电主轴是机械行业的迫切需求。针对这一需要，本文从以下几个方面去设计的：在电主轴的结构上运用最佳跨距计算方法，做出轴的最合理的结构；在布局上采用比较流行的内置电机，循环油冷却系统，角接触混合陶瓷球轴承，油润滑，弹簧预紧的典型形式。结构紧促缩小了主轴系统占用的空间，循环油冷却系统保证了主轴和轴承运转过程中产生的热量很快散出去，油润滑在带走轴承产生的热量同时对轴承进行了润滑；在装配上，严格要求各个环节的精度，尤其在轴承的装配上，根据实测值，采用选配法，保证了整个系统的精度；在电主轴的性能分析上，
2、通过定量去分析电主轴的稳定性，定性去分析其动态平衡性和热稳定性，并加入了仿真分析。所设计的电主轴，减少了中间传动环节，因此使机床的结构空间减小，同时它比传统内圆磨床转速更高，能耗更小，且传动更加平稳，因此加工精度更高，在保证加工质量的同时提高了效率。关键词：电主轴 角接触混合陶瓷球轴承 油润滑 仿真分析AbstractElectro-spindle is the core component of machine tools, its accuracy directly determines the machining accuracy of the machine, and therefor
3、e, developing their own property rights in a high-precision electro-spindle is an urgent demand for machinery industry.In response to this need, this paper contains the following aspects: in the structure of the spindle span, the best use of the method of calculating the shaft to make the most reaso
4、nable structure； in the layout , use the more popular of the built-in motor, cycle water cooling systems, hybrid ceramic angular contact ball bearings, oil mist lubrication, as well as spring preload of the typical form of rolling sleeve. The urgent structure reduces the space occupied by the spindl
5、e system. Circulating water cooling system to ensure the heat generated by the spindle and bearing scatter out quickly mist lubrication scatter out the heat generated by the bearings at the same time lubricate the bearings. so that when temperature rise ,the rolling Introduction sets make the elonga
6、tion of axis do not affect the precision； in the assembly, the strict demands on the accuracy of all aspects, especially in the bearing assembly on the basis of measured values, using selective assembly method, to ensure the accuracy of the whole system ；in capability of analysis of the spindle, thr
7、ough quantitative analysis of the stability of electro-spindle, qualitative analysis of its thermal stability and dynamic balance；The designed Spindle motor reduce the transmission link in the middle, thus reducing the machine tool structure of space, while at the same time than the traditional high
8、 speed grinder, a smaller energy consumption, and the drive is more stable, so its machining accuracy is higher, and it improve the quality of machining and processing efficiency.Key words：electro-spindle hybrid ceramic angular contact ball bearings oil lubrication Micro-Milling MachineI目录摘要IAbstrac
9、tII目录I第1章 绪论11.1本课题研究的意义11.2国内外发展现状21.2.1国内发展现状21.2.2国外发展现状21.3电主轴的工作原理31.4电主轴的关键技术31.4.1润滑技术41.4.2动态性能41.4.3电主轴新技术的展望52.1设计原始数据及设计62.1.1主轴设计原始参数62.1.2初定轴上零件的装配方案62.1.3轴上零件的定位62.2主轴主要尺寸的确定62.2.1主轴轴径的确定 按扭转强度条件计算62.2.2主轴前段悬身量的选择92.2.3主轴支撑跨度L的选择92.2.4轴的强度校核92.3主轴临界转速的校核122.4电主轴结构设计122.4.1电主轴的性能参数与整体结构
10、122.4.2电主轴的结构设计与分析132.4.3电主轴的建模132.4.5电主轴设计制造的几个关键技术问题17第3章 轴承系统的计算193.1轴承径向的刚度计算193.2轴向预紧力193.3预紧力的计算203.4高速角接触陶瓷球轴承分析21第4章 电主轴主轴单元静态特性虚拟仿真分析234.1主轴单元静态特性分析234.2结构静力分析234.3电主轴单元静力分析模型简化、单元类型选择、建模与网格划分234.4高速电主轴单元静力分析加载、约束与求解244.5高速电主轴模态分析254.6模态分析254.7高速电主轴模态分析模型简化、建模264.8高速电主轴模态分析加载、约束与求解26结论30参考文
11、献31致谢32第1章 绪论高速电主轴是高速机床的核心部件,它将机床主轴与电机轴合二为一,即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部,也被称为内装式电主轴,其间不再使用皮带或齿轮传动副,从而实现机床主轴系统的“零传动”。具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点,并改善了机床的动平衡,避免振动和噪声,在超高速机床中得到了广泛的应用。它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。随着高速加工技术的迅猛发展和广泛应用,各工业部门特别是航天、航空、汽车、摩托车和模具加工等行业,对高速度、高精度数控机床的需求与日俱增。这迫切需要开发出更加优质的高速电主轴。目前国内外
12、的电主轴专业生产厂家多达几十家，以德国的GMN公司与瑞FISCHER公司最为著名。GMN公司还兼产机床用精密主轴轴承，其最高精度（UP级）高于ISO和ABEC标准的最高精度（P2和ABEC9），本研究所使用的混合陶瓷球轴承即选用该公司的产品。瑞士IBAG公司电主轴产品的质量也比较好，该公司最近推出了以油为介质的静压轴承电主轴和商品化的磁悬浮轴承电主轴。德国CYTEC公司只有15年的电主轴生产历史，近来推出高达800Nm的大转矩电主轴和装备有自行开发的环形力矩伺服电动机的双摆角电主轴而引人注目国内电主轴的生产以洛阳轴承研究所最为有名，在上世纪70年代初即开始研发内孔磨削用电主轴，80年代，曾经从
13、德国GMN公司引进过生产电主轴的技术。近来，该所开发的加工中心、高速铣床和车床用电主轴，已与国产高速机床和国产并联（虚拟轴）机床配套，投入使用。迄今已发展到100多个品种的电主轴，功率从0.275kW，最高转速可达150000 r/min。同时，该所还兼营精密机床用主轴轴承，且有少量出口。1.1本课题研究的意义电主轴是高速加工机床的核心功能部件。由于电主轴性能的好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率，因此，各工业发达国家都十分关注高速电主轴的研究与发展，纷纷投入巨资，装备精良的加工和测试设备，建立恒温、洁净的装配环境，形成了不少电主轴的专业生产基地。电主轴的研究工作在国外开展较早，
14、现在已进入实际应用阶段。我国自上世纪70年代初期自行研制内磨砂轮电主轴开始，发展至今，高速电主轴的各项性能指标与国外尚有一定的差距。为了加快我国高速加工技术的发展与应用，加速数控机床产品的更新换代，研发具有自主知识产权的性能优异的高速电主轴显得十分迫切。现在，世界各工业发达国家都把生产高速机床作为其重要的发展目标，高速机床的生产能力和技术水平己经成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志。高速机床技术主要包括高速单元技术和机床整机技术。单元技术包括高速主轴、高速进给系统、高速CNC控制系统等。机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全设施、加工坏境等。高速机床是实现高速加工的关键设备，高速电主轴作为
15、高速机床的核心部件，是高速技术的体现，它的开发为机床高速化提供了必要的技术准备。高速电主轴由于结构的特殊性，尚有许多新问题需要解决。我国的高速电主轴技术与工业发达国家有不小的差距，研究工作刚刚起步，应加大对这方面研究的投入。本课题即是基于以上分析所设立的。1.2国内外发展现状1.2.1国内发展现状国内电主轴的研究始于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生产社会化和商品化。20世纪70年代后期至80年代,随着高速主轴轴承的开发,研制了高刚度、高速电主轴,它被广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领域。在20世纪80年代末以后,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铣削中的应用。此外,食品工业的固体饮料；染化工业的染料；医药工业的药品等粉状和粒状物质均需用高速离心干燥技术来生产,而高速离心干燥设备也需要高速电主轴技术。高速拉伸电主轴的应用也促进了我国有色管材精密冷成型技术的发展。高精度硅片切割机用电主轴,促进了电子工业设备的更新和进步。利用高速电主轴的优良性能,还
