TH5632C数控机床高速电主轴数字化设计及其仿真分析

1、 陕西理工学院毕业设计论文TH5632C数控机床高速电主轴数字化设计及其仿真分析张晶（陕理工学院机械学院机自专升本101班，陕西 汉中 723003）指导老师：王燕燕摘要本文阐述了高速电主轴的发展历史、现状以及趋势，并介绍了电主轴的工作原理及关键技术。然后，确定了合理的电主轴总体结构，分别对电主轴的主轴、电机、转子、定子和冷却系统等各零部件作了设计，产生了装配图、零件图与设计说明书等设计文档。最后，对电主轴的旋转轴和轴承进行了详细的分析和校核，计算表明，该电主轴设计符合要求。关键词：数控机床；电主轴；主轴；轴承High-speed electric spindle digital design and simulation of CNC machine toolsAuthor name:Zhangjing(Class101, School of Mechanical Engineering machine since Upgraded,Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi)Tutor:WangyanyanAbs

2、tractThis paper describes the history, status and trends of lathe electrical spindle development, and also introduce the working principle and key technology of electrical spindle. Then, the reasonable structure of the electrical spindle is determined. The structure of main components is designed, such as axis, encoders, rotor, stator and cooling systems. The assembly drawings, part drawings and design specifications and other design documents is generated. Finally, the detailed analysis and ver

3、ification of the axis and bearing are made. The calculation result shows that the design of electrical spindle meets the requirements.Key words: electrical spindle；spindle；bearing目 录第一章 绪论.11.1选题的目的及意义.1.2数控电主轴的国内外的研究现状和发展趋势11.2.1 数控机床电主轴的国内外的研究现状21.2.2数控机床电主轴的国内外的发展趋势31.3本课题主要研究内容4第二章 数控机床电主轴的介绍52.1机床电主轴的工作原理52.2数控机床电主轴的特征52.3 电主轴的关键技术62.4电主轴的运动控制6第三章 电主轴结构设计73.1电主轴结构图73.2同步带的选择73.2.1 同步带介绍3.2.2 同步带计算3.3转子和定子的设计和装配123.4轴承的选择143.4.1轴承的选择3.4.2轴承材料的选择3.5冷却系统和润滑.173.5.1 热源的主要构成3.5.2 冷却系统的冷却路线3.5.3

4、主轴传动的热平衡计算3.5.4 电主轴润滑系统的设计3.6拉刀装置的设计163.6.1 模块化的的拉刀装置3.6.2 HSK的发展趋势3.6.3 SK动力拉杆系列3.6.4 SK牵引头3.6.5 HSK动力拉杆系统3.6.6未来的前景3.7主轴的主要结构参数183.7.1 主轴前端悬伸量的确定3.7.2 主轴主支承间的跨距L的确定3.7.3 主轴的构造3.7.4 主轴挡板的设计3.7.5 主轴的材料和热处理第四章 轴的校核.254.1轴的强度校核计算254.2轴的刚度校核计算28第五章 轴承的校核315.1角接触球轴承的校核.315.2深沟球轴承的校核32第六章 电主轴的使用和养护33第七章 高速精密主轴轴承热特性34总结.36参考文献.37致谢.39第一章 绪论1.1选题的目的和意义我国数控机床的发展历程充分证明，数控机床电主轴发展的滞后，始终是制约我国数控机床发展的瓶颈问题之一。高速电主轴的功能部件跟不上，发展数控机床将成为空话。我国数控机床整体技术水平的发展和提高，最终离不开先进的功能部件产业的支持。我国数控机床经历了二十多年的发展历程,形成了一定的生产规模，具备了进一步发展的基

5、础。但在数控机床品种、质量和性能等方面与发达国家还存在较大差距，很难能满足市场需求，特别是高端数控机床主要依赖进口，已明显制约我国国民经济和国防工业的发展。高速电主轴制造技术成为了决定高端的数控机床发展的关键技术。对决定电主轴发展的关键技术要进行重点攻关，特别是在电主轴应用中的关键部件诸如复合陶瓷轴承、内置式无外壳电机、性能优良的伺服控制器、高精度位置编码器、气密封装置等进行自主研发，改变这些关键部件主要靠进口的局面。高速电主轴也是高端的数控机床的核心，大力发展高速电主轴将对我国的装备制造行业会起到强大的推动作用。1.2 数控机床电主轴的国内外的研究现状和发展趋势1.2.1 数控机床电主轴的国内外的研究现状国内对电主轴技术的研究始于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产业化。到80年代，随着国内高速主轴轴承的开发成功，研制出一系列高刚度、高速电主轴，广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领域。在90年代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

6、用电主轴，推动了高速电主轴在切削中的应用。在国内以洛阳轴承研究所(洛阳轴研科技股份有限公司)为代表，早在1958年就研制出了磨用电主轴之后又研发了大功率、高转速系列电主轴，磁悬浮和气静压电主轴等，并将电主轴在90年代应用于大型数控铣床，加工中心和数控车床，是我国电主轴技术的引领者。广州工业大学高速加工和机床研究所也开发研制了多种电主轴，并应用于数控铣床由于近些年数控加工技术的飞速发展，在军工、基础装备制造，航空航天等领域对高速电主轴的迫切需要，国内的电主轴研究也得到了很大的发展。同济大学、北京机床研究所和上海机床厂在高速电主轴方面也取得了很大的成就。目前国内生产的磨削用电主轴的转速在15000r/min以内；加工中心用电主轴的转速最高30000r/ min，转矩达200Nm的加工中心用电主轴转速只有4000r/min；车削用电主轴最高转速可达12000r/min，最大功率只有11kw。在电主轴的润滑方面，国外普遍采用先进的油气润滑技术，而我国主要以油脂润滑和油雾润滑为主。 国外电主轴最早用于内圆磨床，上世纪80年代，随着数控机床和高速切削技术的发展和需要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心

7、、数控铣床等高档数控机床。目前电主轴已经成为现代数控机床最主要功能部件之一，世界上形成许多著名的机床电主轴功能部件专业制造商，它们生产的电主轴功能部件已经系列化。具有代表性有美国福特公司和Ingerso1l公司联合推出的HVM800卧式加工中心的大功率电主轴最高转速达15000r/min由静止升至最高转速仅需15s。瑞士IBAG公司在电主轴行业技术领先现在被公认为代表了行业的发展趋势。IBAG公司提供的电主轴已经系列化、标准化电主轴最大转速可达140000r/min，直径范围33到300mm，功率范围125W-SOkW,扭矩范围0.02300Nm。日本三井精机公司生产的HT3A卧式加工中心采用陶瓷轴承支承的电主轴,主轴转速达40000r/min此外还有瑞士的Fisher公司、德国的GMN公司、Hofer公司、西门子、意大利的Faemat公司和Gamfior公司等，这些公司生产的电主轴有以下特点：(l) 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1。1.2.2数控机床电主轴的国内外的发展趋势（1）向高速度、高刚度方向发展随着主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具及其接口技术等相关技术的发展，数控机床用电主轴高速化已成

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