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，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
Abstract
Electro-spindle is the core component of machine tools, its accuracy directly determines the machining accuracy of the machine, and therefore, 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 reasonable 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 spindle 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 elongation 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, through 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 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 Machine
目录
摘要................................................................................................................................ I Abstract ........................................................................................................................ I I 目录................................................................................................................................ I 第1章绪论 .. (1)
1.1本课题研究的意义 (1)
1.2国内外发展现状 (2)
1.2.1国内发展现状 (2)
1.2.2国外发展现状 (2)
1.3电主轴的工作原理 (3)
1.4电主轴的关键技术 (3)
1.4.1润滑技术 (4)
1.4.2动态性能 (4)
1.4.3电主轴新技术的展望 (5)
2.1设计原始数据及设计 (6)
2.1.1主轴设计原始参数 (6)
2.1.2初定轴上零件的装配方案 (6)
2.1.3轴上零件的定位 (6)
2.2主轴主要尺寸的确定 (6)
2.2.1主轴轴径的确定按扭转强度条件计算 (6)
2.2.2主轴前段悬身量的选择 (9)
2.2.3主轴支撑跨度L的选择 (9)
2.2.4轴的强度校核 (9)
2.3主轴临界转速的校核 (12)
2.4电主轴结构设计 (12)
2.4.1电主轴的性能参数与整体结构 (12)
2.4.2电主轴的结构设计与分析 (13)
2.4.3电主轴的建模 (13)
2.4.5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 (19)
3.1轴承径向的刚度计算 (19)
3.2轴向预紧力 (19)
3.3预紧力的计算 (20)
3.4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 (23)
4.1主轴单元静态特性分析 (23)
4.2结构静力分析 (23)
4.3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 (23)
4.4高速电主轴单元静力分析加载、约束与求解 (24)
4.5高速电主轴模态分析 (25)
4.6模态分析 (25)
4.7高速电主轴模态分析模型简化、建模 (26)
4.8高速电主轴模态分析加载、约束与求解 (26)
结论 (30)
参考文献 (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800N·m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0.2~75kW，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，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,还可以开发多种高性能试验机。目前国内研究高速电主轴的科研机构有我国河南省洛阳轴承研究所,他们能自行研究开发电主轴,其dmn值达到了很高的水平；广州钜联高速电主轴有限公司研发的大功率静压轴承电主轴曾获得日内瓦国际专利技术博览会金奖；广东工业大学高速加工和机床研究所也开发了数控铣床高速电主轴。其主要技术指标为:电主轴的额定功率是13.5kW,最高转速为18000r/min,在额定转速500r/min时产生最大输出转矩为85Nm。在我国的安阳市,有一家中外合资的电主轴生产厂家——安阳莱必泰机械有限公司,它拥有先进的电主轴、机床主轴设计和制造技术。该公司研制生产的加工中心电主轴,采用先进技术,配有矢量闭环控制系统,能对主轴实行恒功率调速,准停制动。功率为3.7～25kW,恒功率段1500～12000r/min。采用进口高速精密轴承,旋转件经高精度平衡。该系列产品具有高精度、高刚度、高速度、低噪声、低振动、低温升等优点,系99国家火炬计划项目。
1.2.2国外发展现状
国外高速电主轴技术由于研究较早,技术水平也处于领先地位,电主轴已越来越多地应用到工业制造业中。著名的有瑞士的Fisher公司、Ibag公司、德国的GMN公司、Hofer公司、Siemens公司、意大利Faemat公司、Gamfior公司及美国Ingersoll公司、日本Okuma公司和Fanuc公司等,它们的技术水平代表了
这个领域的世界先进水平。这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点:
（1）功率大、转速高。
（2）采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承,主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承,特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。（3）精密加工与精密装配工艺水平高。
（4）配套控制系统水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。并在此基础之上,这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床。
如瑞士米克朗公司,就是世界上著名的精密机床制造商。它生产的机床配备最高达60000r/min的高速电主轴,可以满足不同的切削要求,所有的电主轴均装有恒温冷却水套对主轴电机和轴承进行冷却,并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑。所有的电主轴均采用矢量控制技术,可以在低转速时输出大扭矩。
1.3电主轴的工作原理
电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子冷却套固定在主轴箱体孔内，形成完整的主轴单元。通电后直接带动主轴运转。省去了带轮或齿轮传动，实现了机床的零传动，提高了效率。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。如图1-1所示：
图1-1 主轴工作原理
1.4电主轴的关键技术
1.4.1润滑技术
主轴轴承常见的润滑方式有脂润滑、喷射润滑、环下润滑、油雾润滑及油气润滑等。脂润滑不需任何附加设备，但只用于低速场合。喷射润滑是直接用高压润滑油对轴承进行润滑和冷却，功率消耗大，成本高。环下润滑是一种改进的润滑方式，分为环下油润滑和环下油气润滑。油或油气从轴承内圈喷入轴承内，在离心力的作用下，润滑油更易于到达轴承润滑区，因而比普通的喷射润滑和油气润滑效果好，可进一步提高轴承的转速。而对于角接触陶瓷球轴承转速比较高，如果采用普通油气润滑，将造成润滑结构复杂，轴承不易标准化，装配困难。考虑到经济性市场上的电主轴多为油雾润滑方式。
油雾润滑方式的优点可以概括为：（1）油雾能随压缩空气弥散到所有需要润滑的磨擦部位。可以获得良好而均匀的润滑效果；（2）压缩空气比热小、流速高，很容易带走磨擦所产生的热量。（3）大幅度降低了润滑油的耗量。（4）较稀油循环润滑系统结构简单轻巧，占地面积小，动力消耗低，维护管理方便，易于实现自动控制，成本低；（5）由于油雾具有一定的压力，因此可以起良好的密封作用，避免了外界的杂质、水分等侵入磨擦副。
1.4.2动态性能
追求优良的动态性能是研发高速电主轴最根本的目标，动态性能的好坏是衡量电主轴质量的最重要指标。其动态性能的好坏，主要体现在以下几个方面。
(1) 刚度和精度电主轴的刚度包括径向刚度与轴向刚度，是以轴端的测量值来表示的。影响电主轴刚度因素主要有轴的材料与结构、轴承及轴承座刚度及前后支承轴承的配置方式等。刚度的数学表达式为：
dF
K=
dδ
其中F：载荷；δ：变形。
在材料力学中，可近似地认为悬臂梁自由端的挠度与载荷成线性关系，但在电主轴中，这样近似将带来较大误差。电主轴长度相对较短，长径比较小，轴端悬伸长度也较短，因此，轴本身的刚度与支承部位的总刚度（包括轴承及轴承座的刚度）处于同一量级，轴承的刚度变化将直接影响电主轴的刚度。而轴承的刚度是随轴承预紧力及转速的变化而变化的。预紧力增大时，轴承的轴向及径向刚度均增大；而转速升高时，传统上都认为轴承刚度降低，即所谓的刚度软化。
(2) 临界转速
临界转速是电主轴的一个重要参数，它是指电主轴的转子—轴承系统发生共振时对应的转速。由于转轴是连续质量分布系统，因此在理论上有无限多个临界转速。电主轴工作时，应严格控制最高转速在其第一阶临界转速之下，一般不超过一阶临界转速的70%。因此临界转速决定着电主轴的最高工作转速，影响着电主轴的振动水平，临界转速的计算与研究是电主轴设计的必要环节。影响电主轴
临界转速的因素主要有：转轴结构、轴承布置方式、轴承刚度、刀具（或砂轮）参数等。电主轴生产厂家向用户提供的技术资料中都对安装在电主轴上的刀具重量、长度、直径及刀具的不平衡量有明确的限制。因为这些参数均会影响主轴的临界转速。
(3) 动平衡
由于电主轴的转速很高，因此即使微小的动不平衡量，也会产生很大的离心力，引发振动。对高速电主轴的动平衡要求是很高的。不但要求各零部件各自进行动平衡，而且装配后还要进行整体动平衡，在装夹或更换刀具后，对刀具也要进行动平衡。有的国外产品在刀具装夹端设有在线自动平衡装置，每更换一次刀具，该装置可自动测出动不平衡量，并自动使该装置上的两个圆盘相对转动一定角度，从而达到动平衡。对于电主轴的动平衡要求，一般都按ISO标准G0.4 级，即在最高转速时，由残余动不平衡量引起的振动速度最大允许值为0.4mm/s 。
1.4.3电主轴新技术的展望
(1) 继续向高速重载方向发展。德国GMN 公司提供的产品样本上，电主轴的最高转速为180000r/min ,国内洛阳轴承所也有转速为150000r/min 的电主轴产品供应。在载荷方面，目前额定转矩最大的电主轴是瑞士STRP-TEC公司的产品，额定转矩达350N·m。
(2) 自动化程度将进一步提高。电主轴属高科技产品，其自动化程度越来越高。最新的电主轴产品有的装备了在线自动平衡装置，刀具更换后或加工过程中，由不平衡量引起的振动超过规定值时，会对不平衡量进行在线自动平衡。刀具的夹紧与松开也配备了自动控制的气压或液压装置。
(3) 提高动态性能及加工精度的新技术动态性能好及加工精度高是对电主
轴最根本的要求，也是电主轴生产商追求的根本目标。由于热膨胀和转速的影响，电主轴在高速时会产生百分之几的轴向位移，即降低了加工精度。GMN公司及FISCHER 公司均可提供主轴伸长的自动补偿装置。通过直接或间接测得轴端的伸长量，相应控制机床的数控系统，由数控系统在主轴轴向进行补偿。为解决主轴轴向伸长导致轴承负载增加的问题，一些新款电主轴的轴向预紧力是由自动控制的液压阻尼系统来施加的。根据不同的转速，预紧力会自动调节，阻尼作用可用来降低轴承的振动水平。
第2章 主轴的设计
2.1设计原始数据及设计
2.1.1主轴设计原始参数
表2－1 主轴设计原始参数 电流
相数 旋向 功率 频率 电压 转速 12A 3 从轴伸端看
顺时针 5.5Kw 600HZ 350 36000RPM
由于电主轴是高速运转的部件所以设计要满足如下要求：
(1)使砂轮轴装配后周前端径向跳动、轴向端面跳动均不大于0.005mm ；
(2)结构设计合理，初步具备精度设计的能力。
其次砂轮轴系必须满足机床的性能要求，适应工作条件，性能可靠，此外还应适应结构简单，尺寸紧凑，成本低，效率高和操作维护方便以及具有良好的结构工艺性。
2.1.2初定轴上零件的装配方案
轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。所谓的装配方案，就是轴上主要零件的装配方向，顺序和相互关系。电主轴轴上主要零件是转子平衡块以及轴承。考虑它们之间安装顺序根据实际的情况可以是两端轴承固定支承，轴上从左向右依次装上平衡块，定子，平衡块。
2.1.3轴上零件的定位
两端分别用轴承盖加以定位，轴上的轴承采用过盈连接防止径向转动，轴向用轴肩加以固定，定子用过盈连接固定。具体过盈量一方面可以查阅相关的手册，另一方面可以参考相关的设计。
2.2主轴主要尺寸的确定
主轴主要参数有：主轴前后支撑直径D1和D2，主轴前段伸长量a 和轴支撑跨度L ，这些参数直接影响着主轴的旋转精度和刚度。
2.2.1主轴轴径的确定 按扭转强度条件计算
这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果还受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。在做轴的机构设计时，通常用这种方法初步估计轴径。对于不大重要的轴，也可以作为最后计算结果。轴的扭转强度条件为：
[]3T P 9550000T n W 0.2d T ττ=≈≤ (2-1)
式中:T τ——扭转切应力，单位为MP a ；
T ——轴所受的扭矩，单位为N mm ?；
T W ——轴的抗扭截面系数，单位为3mm ；
n ——轴的转速，单位为r/min ；
P ——轴传递的功率，单位为Kw ；
d ——计算截面处轴的直径，单位为mm ；
[]T τ——许用扭转应力，单位为a MP ；
轴常用的几种材料的[]T τ及0A 值见表2-2：
表2－2 轴的材料比较 轴的材料 Q235-A,20
Q275,35(1Cr18Ni9Ti) 45 40Cr,35SiMn38Si MnMo,3Cr13 []T τ/a MP 15~25
20～35 25～45 35～55 0A
149～126 135～112 126～103 112～97 由上式可得轴的直径
[][]333309550000P 9550000P P d .0.2.n 0.2n n T T A ττ≥== （2-2）
式中[]302.0/9550000T A τ=，查上表。
对于电主轴由于其高速运转，所以要求所用材料具有良好的耐磨性。又由于其工作时有较大的力,所以要求内部要有一定的韧性。在此次设计中轴的材料选用40Cr 查表的0A ＝110，由原始条件的功率为P=5.5KW,转速为36000r/min 代入上述公式(2-1)得：
mm d 4.536000
5.51103=?≥ 考虑到实际工作条件和可靠性的要求在此设计中取轴的最小直径为25mm 。 对于前端由于是空心轴所以利用公式:
()
3401β-≥n P A d （2-3）
式中d
d 1=β，即空心轴的内径1d 与外径d 的比值，通常取6.0~5.0=β 代入（2）公式()
mm d 6.56.01360005.511034=-??≥ 考虑实际的情况，在本设计中前端的轴径取30mm 。根据电主轴的实际情况，其极限转速比较高，而且同时有轴向载荷和径向载荷的作用所以在本次设计中所选用的轴承是角接触球轴承。对于磨床，，通过计算的后端的直径设为25mm 。因此，前端的轴承选择的类型为B7006C/HQ1P4。而后端的轴承选择的类型为B7005C/HQ1P4。
表2－3 轴承参数 轴承代号 D D B 额定载荷
Cr(KN) a 极限转（r/min ） 脂 油 B7006C/HQ1P4 30 55 13 9.1 15° 37000 55000
轴的极限转速一般为轴承极限转速的80％左右，从上表可以看出，轴的极限转速为55000×80％＝44000 r/min 。
为了提高其运转时的精度采用双联轴承配置。查机械设计手册可得轴承的基本尺寸。从而得出与轴承配合轴段的长度。对于后端轴承轴向定位一端用轴承盖，一端用轴肩定位，轴肩的高度取h=3mm ，得与转子配合得轴段得直径为30mm 。对于这段轴的左端动平衡块与轴肩之间留出1mm 的热变形余量，为了对平衡快进行轴向的定位，左端的轴肩高度h ＝3mm ，此时轴肩的直径为36mm 。接着要装左端的轴承，为了拆卸的方便可在设定一个轴肩段，此轴肩段的高度h ＝3mm 。所以此轴段的直径为36mm 。前端轴承的左端用螺母定位。轴向零件的圆角和倒角尺寸可见零件图。图2-1和图2-2为主轴的3维建模。
图2-1 主轴3维建模平面图
图2-2 主轴3维建模立体图
2.2.2主轴前段悬身量的选择
主轴前段悬身量a 是指主轴定位基面至前支撑径向支反力作用点之间的距离。悬身量a 决定于主轴端部的结构形式和尺寸，在满足结构尺寸的要求的前提下，应尽量减少悬身量a ，提高主轴刚度，初步确定是可设a =D 1=35mm 。
2.2.3主轴支撑跨度L 的选择
主轴的支撑跨度是指两支撑支反力作用点之间的距离，是影响主轴组件刚度的重要参数。主轴组件刚度主要取决于主轴自身的刚度和主轴支撑的刚度。主轴自己的刚度与支承跨度成反比，，即主轴轴径，悬身量确定以后，跨距越大，主轴端部变形越大，主轴弹性变形引起的主轴端部变形，则随着跨度的增大而减小，跨度越大，轴承刚度对主轴的影响越小。因此根据经验，和实际的电主轴尺寸，初设，主轴支撑跨度L=160mm 。
2.2.4轴的强度校核
首先，应确定磨削时的磨削力，而且磨削时轴主要受的力为切向力F t 和法
向力F n ，因此查资料得，磨削力的经验公式为：
a f V k F ct p bt a at w t t = （2-4）
a f V k F cn p bn a an w
n n = （2-5） 查表可知各个参数得， min /25m V
w =，min /5.2m f a =，03.0=a p ，1400=k t ，336.0=a t ，556.0=b t ，304.1=c t 。
代入公式（2-4），（2-5），可分别计算出F t =150N ，F n =75N 。
主轴力的简图如图2-3所示：
图2-3 主轴受力结构简图
由静力平衡方程，求得支反力：
F B 131.25N ， F C =36.75N
做出剪应力图和弯矩图，如图2-4,2-5所示：
图2-3 主轴受力结构简图
图2-4 剪应力图
s
A B
N
168C
N
75.36A C
35160A C
35
160
mm
N ?5880M
A B C
图2-5 弯矩图
所以，最大弯矩为：M=5880N ?mm
根据扭矩公式: M e =9550000n
P ，得： M e =955000036000
5.5?=1500N ?mm F t 产生的扭矩为T t =F t *d/2=150*15=2250 N ?mm
T=M e +T t =1500+2250=3750 N ?mm
对于空心轴，W=
)1(3243βπ-d ≈0.1)1(43β-d ,d d 1=β ，代入公式，可得：
W=2531.25
根据第三强度理论公式 W T M ca )(22ασ+= ，得3.3=σca ，因为选用的是40Cr ，所以σ1-=60。 3.3=σ
ca 〈σ1-=60，因此，此轴设计的合格。
2.3主轴临界转速的校核
查机械设计手册1935P -得，主轴的临界转速公式：
300946(1,2,3)crk k
EI n k w L λ== (2-6) 在所设计的结构中01800.67270
L L μ=== 查机械设计手册1935P -表19.5-3取13.706λ=。又知：
321010M E Pa =?，341.25610I mm =?，0270L mm =。
根据轴的结构得：
2222302222838303736242544447.8109.820.42N 3613330522010444w πππππππ-??????????+++ ? ?=???= ???????+++ ???
所以轴的临界转速为：
3300210103125.610394694613.706105034.720.42(270)
crk k EI n w L λ???==?=? 因为轴的转速0360000.7578776.02crk n n =<=所以不会产生剧烈震动而破环机器的正常运转。
2.4电主轴结构设计
2.4.1电主轴的性能参数与整体结构
表2-4 电主轴的性能参数 参数名称 设计转速
轴向预紧力 基础油 噪声 轴向静刚度 轴向窜动量 数值或要求 36000r/mi
n 205N
10#抗磨油 <80 dB (A) >50 (N/μm) <1.5 (μm ) 参数名称 设计功率 润滑方
式
油冷却流量 径向静刚度 主轴内孔跳动量 主轴端面跳动量 数值或要
求 5.5 kW
油润滑 >4 (l/min) >85(N/m
) < 5 (μm) < 5 (μm)
表2-4列出了拟设计的MD140W36/5.5型高速磨削用电主轴的各项性能参数。
电主轴的机械结构并不算复杂，但由于其应用于高速精密加工，故对其高速工况的运转精度有很高的要求，相应地对制造工艺要求也比较严格，另外，设计中还必须考虑内置电动机散热、高速主轴的动平衡、主轴支承方式、轴承预紧方式及轴承润滑等技术难题。
2.4.2电主轴的结构设计与分析
图2-6 电主轴装配图
如图2-6所示，件1是主轴，前端的螺纹孔主要作用是为了连接磨削工具砂轮。最左端的保护盖（件4）为保护件，以防灰尘进入轴承内部。因为电主轴轴承为高精密件，电主轴装配车间对空气的洁净度是有一定要求的，灰尘的存在会影响轴承的寿命。曲路密封盖（件2）拧紧在转轴上，与密封盖之间形成迷宫密封，也是为了保持主轴轴承内部洁净并且防止漏油。主前支承是一对串联的角接触混合陶瓷球轴承，夹在两个轴承之间的环状零件是隔套，主要作用是对轴承提供预紧力，并且能使润滑油正常流入。件（8）是堵头，其主要作用是防止润滑油露出。件（10）为平衡块，其主要是通过在其上钻孔使轴达到动平衡，保证其旋转的精度。件（11）和件（12）是转子和定子，其主要是形成轴的转动。用圆螺母（件25）压紧形成的预紧力作用在轴承外圈上，实现了后轴承的预紧。件（19）为循环油管的进油接头和出油接头，其主要作用是形成既可以润滑又可以起到冷却循环油路系统。
2.4.3电主轴的建模
电主轴的内部结构是利用代表目前机械CAD领域新标准的参数化设计软件CATIA来建立总体结构模型，基于CATIA软件对电主轴总体结构的主要零部件
进行了准确的创建，给出了电主轴总体的装配示意图和各主要零件示意图。
总装配图如图2-7所示，内圆磨床电主轴与砂轮的装夹是通过螺纹链接的，摩擦力和螺纹预紧力正好相同，因此，达到越磨越紧的效果，使砂轮有较好的装配精度。
图2-7 总装配图
电主轴装配图如图2-8所示，此图表现了电主轴的一些内部结构，因为电主轴内部结果很复杂，因此还要以装配图为主。
图2-8 电主轴装配图
主轴如2-9所示，主轴是电主轴的关键零件，它的加工精度直接影响整个电主轴的加工工件的精度，它的疲劳强度也是设计应该校核的重点，因此第四章给出了其anysy分析，对主轴进行了虚拟仿真。
图2-9 主轴图
夹具如图2-10所示，夹具的主要作用是使电主轴相对内圆磨床有一个正确的相对位置关系，有定位和夹紧作用，夹紧力主要是通过螺钉连接时的预紧力而产生的。
图2-10 夹具图
外壳如图2-11所示，电主轴的外壳也是很重要的零件，因为，电主轴的冷
却系统和润滑系统都是设计在外壳上的，并且定子也是和外壳相连接，键槽也是开在外壳上，所以外壳是设计的重点。
图2-11 壳体图
防尘盖如图2-12所示，因为电主轴轴承为高精密件，电主轴装配车间对空气的洁净度是有一定要求的，灰尘的存在会影响轴承的寿命，因此，需要设计防尘盖。
图2-12 防尘盖图
前轴承端盖如图2-13所示，端盖主要的作用是为了是轴承有轴向定位的，