（全套CAD）电主轴的机械设计（终稿）

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。

电主轴优点般说来，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体化。

这种传动方式有以下优点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轴控制。

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右，次装夹既可实现粗加工又可进行高速精加工。

图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。

主轴，机械设计，毕业设计，全套，图纸引言年，我国机床产值达到了亿美元，跃居世界第三，其中数控机床产量达台。

在长足发展的背后，与发达国家机床产业相比，差距依然明显，尤其是以电主轴为代表的关键功能部件，无论是从产品品种技术水平可靠性和产业化程度等方面均与国外有明显差距，不得不依靠进口，成为我国数控机床发展的软肋。

电主轴实际上是诸多学科众多高新技术应用的综合体，它涉及机械电子自动控制等。

由于在高速轴承技术精密加工技术电机技术驱动控制技术上与国外先进水平有差距，才影响了国产电主轴的市场竞争力。

由于高速加工不但可以大幅度提高加工效率，而且还可以显著提高工件的加工质量，所以其应用领域非常广泛，特别是在航空航天汽车和模具等制造业中。

于是，具有高速加工能力的数控机床已成为市场新宠。

目前，国内外各著名机床制造商在高速数控机床中广泛采用电主轴结构，特别是在复合加工机床多轴联动多面体加工机床和并联机床中。

电主轴是高速数控加工机床的“心脏部件”，其性能指标直接决定机床的水平，它是机床实现高速加工的前提和基本条件。

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。

第章电主轴概述.电主轴工作原理高速电主轴电机的绕组相位互差，通以三相交流电后，三相绕组各自形成个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相迭加，合成个强度不变，磁极朝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由输入电机定子绕组电流的频率和电机定子的极对数决定。

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。

作用在轴上的扭矩，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和垂直反力。

•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图和垂直面上的弯矩图，然后按下式计算总弯矩并作出图。

•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，图中把折算为。

•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，并作出图，的计算公式为式中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.扭转切应力为脉动循环变应力时，取.若扭转切应力亦为对称循环变应力时，则取。

.强度的校核已知轴的计算弯矩后，即可针对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，计算弯曲应力式中轴的抗弯截面系数，各种截面计算公式见表。

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，亦即。

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，其许用应力应为为脉动循环变应力时的许用弯曲应力，.。

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.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锥度配合。

韧性，这对提高工件的使用性能极为有利。

合金元素对相图的影响在碳钢中加入合金元素，将使相图发生改变。

加入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，使和温度升高，点和点向左上方移动。

含碳量相同的合金钢和碳钢相比，具有不同的显微组织。

在般的合金钢中，虽然合金元素总量减少，但由于点左移，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。

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。

合金元素对奥氏体形成的影响碳化物形成元素，显著降低碳的扩散速度而大大降低奥氏体的形成速度。

除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作用中等。

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，表现在改变体等温转变图的位置形状和改变点。

除外，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。

就是常用的提高钢的淬透性的合金元素。

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。

.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。

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。

.电主轴装配注意问题轴承的安装.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，必须掌握个原则，即只能通过相应套圈来传递安装力或力矩。

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，然后将轴连同轴承起装入轴承座孔内，压装时在轴承内圈端面上，垫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。

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，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，在距箱底定距离处应有网栅，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，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般为过渡配合，座圈与轴承座孔的配合般为间隙配合，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，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。

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体的新技术，它与直线电机技术高速刀具技术起，将会把高速加工推向个新时代。

电主轴是套组件，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，就是每隔定的时间间隔注次油。

所谓定量，就是通过个叫定量阀的器件，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刀具，已被实践证明不适合于高速加工。

这种情况下出现了等高速刀具。

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。

.电主轴的主要参数电主轴主要参数电主轴的主要参数有主轴最高转速和恒功率转速范围主轴的额定功率和最大扭矩主轴前轴颈直径和前后轴承的跨距等。