高速加工电主轴设计

高速加工电主轴设计摘要：本文拟设计一种铰接式电主轴高速平面移动机构，它可以在相同机械参数的条件下大幅度降低运动部件的质量，提高移动速度和加速度。

为配合这种机床的研究而设计与其相配套的电主轴系统。

本文重点研究了电主轴用高速精密轴承的选用，支撑跨距的计算，主轴部件的校核，以及润滑冷却系统的设计。

关键词：电主轴高速加工高速轴承支撑跨距AbstractNow intends to design a kind of articulated motorized spindle high-speed planar moving mechanism，which can be in the same conditions of mechanical parameters reduce the quality of the moving parts and increase the speed of movement and acceleration. To cope with this kind of machine tool research and design and matching of the motorized spindle system. This paper mainly studies on the selection of motorized spindle with high speed precision bearings, The calculation of support span, Spindle assembly check and Lubrication and cooling system design.Key Words：Motorized spindle High-speed machining High-speed bearing supported span1.课题研究背景以高切削速度、高进给速度、高加工精度为主要特征的高速加工技术是当代四大先进制造技术之一。

高速加工不仅意味着切削速度要快，而且移动部件的速度和加速度也要快。

要提高移动部件的速度和加速度，必须提高驱动系统的驱动力或减小移动部件质量。

提高驱动力得到的效果并不明显而且费用很高，减小移动部件的质量是一个新的研究方向。

现在拟设计一种铰接式电主轴高速平面移动机构，它可以在相同机械参数的条件下大幅度降低运动部件的质量提高移动速度和加速度。

而电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低及响应迅速等优点正好符合高速加工的特点。

但是，现有的电主轴系统都是建立在十字滑台的基础上的，它无法与铰接式的高速移动机构正确安装，故为配合这种铰接式的高速移动机床设计，在借鉴已有电主轴技术的基础上重新设计一种可以与铰接式移动机构配合安装的高速电主轴系统。

2.电主轴结构方案设计本课题做设计的电主轴是用于铰接式高速移动机床上的，要尽量减轻电主轴的质量，且主轴所要求的输出功率和扭矩较大，故选用电机置于前、后轴承之间的结构形式。

电主轴的结构示意图如图2.1所示。

图2.1电主轴结构示意图电主轴主要包括了主轴、支撑结构、电机、润滑冷却系统、刀具接口等几大部分。

该方案采用混合陶瓷角接触球轴承作为支撑，主轴前端采用3个一组的角接触球轴承，后轴承采用2个一组的角接触球轴承，前轴承固定，后轴承游动。

主轴前端接口采用锥度为1:10的HSK 接口技术。

该结构采用锥面和端面双重定位夹紧，当蝶形弹簧带动拉杆夹紧刀具后，在高速旋转时可以消除离心力产生的扩张，且刀具较轻有利于快速换刀。

主轴后端用液压油缸推动顶杆实现松刀动作。

内置电机与主轴之间的联接采用过盈联接，避免了螺纹联接与键联接带来的动不平衡等影响。

为了解决电机与轴承高速旋转产生的热量而设置了冷却系统。

冷却液从入口进入后分成三条支路，分别流经前、后轴承和电机外的螺旋形冷却套，从冷却套流出汇合后从出口流出。

同时顶杆做成空心杆在刀具夹紧和换刀时分别通入冷却液和空气，也可以起到辅助冷却电机和轴承的作用。

为了保证高速轴承的正常工作采用油-气润滑对角接触球轴承进行润滑。

油-气润滑能精确控制润滑油的油量，且油气润滑能减少对环境的污染。

气体经过轴承后还可以带走轴承内部的热量并起到洁净轴承的作用。

3.轴承的选型及布置方式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。

目前运用最多的高速主轴轴承还是混合陶瓷球轴承，即滚动体使用热压43N Si 陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。

陶瓷滚动轴承的最高工作极限 Dm ·N 值可高达 3.0×106。

本设计的前后支承都采用混合陶瓷球轴承。

本课题中采用如图3.1所示的轴承配置形式：[1]图3.1轴承配置形式4. 轴的结构设计及主要尺寸计算4.1轴端接口设计随着机床向高速、高精度、大功率方向发展，沿用多年的7/24锥连接已不能适应高速机床主轴的额要求，限制了主轴精度的进一步提高。

目前高速电主轴上采用的主轴与刀具连接接口大都采用德国的HSK 系列。

HSK 刀具夹紧系统工作示意图如图4.1所示，在不施加轴向拉力的情况下，轴端与刀柄端面之间存在间隙，当拉杆拉紧时，刀柄的薄壁锥体会产生一定的弹性变形，刀柄的短锥会有一定程度的收缩，在径向有一定程度的膨胀，消除两端面之间的间隙，实现刀柄、轴端锥柄和端面的紧密结合。

综上所述，本课题采用HSK 的主轴端口设计[2]。

图4.1HSK 刀具夹紧系统工作示意图4.2主要尺寸的计算电主轴的空心轴外径[3][])1(1543λτ-≥T D 主轴内孔直径d 的确定：根据《机床设计手册 3》知 d ≤0.7D ，且加工中心数控铣床主轴内径 d=拉杆直径+(5～10)主轴前段悬伸量a 的确定：主轴前段悬伸量对主轴部件的综合刚度影响很大，应在考录到轴端的设计，刀具的安装，轴承的选型布置，以及密封机构的基础上尽可能减小主轴的悬伸量。

支撑跨距的确定：在工程上有一个“合理跨距”范围005.175.0-L L L L ≤≤合合（L 0为最佳跨距）[4] 323208)1(9)1(38)1(9)1(3ηηηηηη-+-++-+++=BA B A B A B A K K K K K K K K a L （4.1） 式中A K 为前支撑刚度，B K 为后支撑刚度，3aK EI A =η 通过上式（4.1）可以解得主轴最佳跨距L 0 5主轴组件刚度和强度校核5.1主轴组件的刚度校核主轴的静刚度简称主轴刚度，是机床主轴系统重要的性能指标，它反映主轴单元抵抗静态外载荷的能力，是保证加工精度的基本性能指标。

主轴前段在一定外载荷的作用下，主轴本身及轴承都要有产生变形，一起组成前端部产生位移如图5.5所示[5]。

图5.1主轴挠变形示意图主轴前段位移量与径向载荷P 和关系式为：]}12a )1[(1)1(3{y y y 223s +++++=+=la l K K K a l EI a p B A A z （5.1） 令pp y m z y y s +== 所以主轴的径向刚度my p 1k ==5.2主轴组件的强度校核当主轴处于工作状态时，主轴前端要受到切削力F c 的作用，电机转子会对主轴产生一个扭矩T 0的作用，求出主轴所受的弯矩和扭矩之后，针对某些可能的危险截面做弯扭合成强度校核计算。

按第三强度理论计算应力为[6]： 22ca 4τσσ+= （5.3） 通常由弯矩所产生的弯曲应力σ 是对称循环变应力，而由扭矩所产生的扭转切应力τ则常常不是对称循环变应力。

为了考虑两者循环特性的不同引入了折合系数α，则计算应力为： 22ca 4）（ατσσ+= （5.4）式中的弯曲应力为对称循环变应力。

当扭转切应力为静应力时，取3.0≈α；当扭转切应力为脉动循环变应力时，取6.0≈α；若扭转切应力也为对称循环变应力，则取1=α。

对于直径为d 的圆轴 弯曲应力为：W M=σ （5.5） 扭转切应力为：W T W T T 2==σ（5.6） 将σ和τ代入式（5.4），则轴的弯扭合成强度条件为： []12222ca )(24-≤+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=σαασW T M W T W M （5.7） 式中：ca σ——轴的计算应力，MPa ；M ——轴所受的弯矩，N •mm ；T ——轴所受的扭矩，N •mm ；W ——轴的抗弯截面系数，对于空心轴343)mm -(132βπd W=，β 为空心轴内外径比值 []1-σ——对称循环变应力是轴的许用弯曲应力6.电机转子与主轴过盈量的计算电主轴要求有严格的动平衡，所以轴与轴上零件的连接都是过盈配合的形式电主轴的静态过盈量可按下式计算：[7] )1111()1(2222t 2s ii e e c c c c c EBr M k -++-+-=∆πμγ （6.1） 电主轴的动态过盈量可按下式计算： 23222d 2)1)(23)(1(e i e Ec r c c --+=∆γγρω （6.2）式中各个参数的含义如下：ρ——电机转子的材料密度， ω——转子角速度，最大角速度γ——主轴材料的泊松比0.3， e c ——电机转子内外径比i c ——主轴配合段内外径比 E ——主轴材料弹性模量，c k ——安全因子，一般取2～4，此处取4，t M ——主轴传递的转矩，μ——配合表面间摩擦系数， B ——配合面有效接触长度，r ——电机转子内孔半径，整体过盈量: d ∆+∆=∆s7.润滑冷却系统设计高速电主轴在工作过程中，内装电机会产生大量的热量，同时还有轴承的高速旋转产生的摩擦热，为了保证电主轴的加工精度以及轴承的使用寿命，需要设计专门的润滑和冷却系统，润滑冷却系统示意图如图2.1电主轴的结构示意图中所受。

8.总结结合本课题是为配合高速移动的铰接式机床而专门设计的电主轴，为满足其高速移动的特性在结构设计上尽量减小其质量；为满足主轴的转速及精度要求采用了新型的混合陶瓷角接触球轴承；为了保证电主轴动平衡精度采用了过盈连接方式；为满足电主轴的寿命及可靠性对主轴的润滑、冷却系统进行了设计。

之后还对主轴的刚度和强度进行了校核。

参考文献[1]刘洁，徐志忠.数控车床主轴轴承配置方式的分析[J].机械.2002.27（3）[2]韩俊峰.加工中心刀柄系统[J].工程技术研究与运用.2007.5[3] 濮良贵，纪明刚.机械设计第八版. 北京：高等教育出版社.2006.5[4]阎树田,龚俊,张思成.计算主轴最佳跨距的新方法[J].机械设计与制造．2001,(5)：100-101.[5]张济生.机床主轴部件静刚度计算的无量纲分析方法.重庆大学学报，[6]濮良贵，纪明刚.机械设计第八版. 北京：高等教育出版社.2006.5[7]机械设计手册[S].北京:机械工业出版社.1995.。