車床電主軸的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及趨勢及主電軸工作原理畢業(yè)論文

1、本文闡述了車床電主軸的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及趨勢，并介紹了電主軸的工作原理 及關(guān)鍵技術(shù)。然后，確定了合理的電主軸總體結(jié)構(gòu)，分別對電主軸的電機、編碼器、 轉(zhuǎn)子、定子和冷卻系統(tǒng)等各零部件作了設(shè)計，產(chǎn)生了裝配圖、零件圖與設(shè)計說明書等 設(shè)計文檔。最后，對電主軸的旋轉(zhuǎn)軸和軸承進行了詳細的分析和校核，計算表明，該 電主軸設(shè)計符合要求。關(guān)鍵詞：車床；電主軸；主軸；軸承abstractthis paper describes the history, status and trends of lathe electrical spindle development, and also introduce the

2、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 a

3、nd other design documents is generated finally, the detailed analysis and verification of the axis and bearing are made the calculation result shows that the design of electrical spindle meets the requirements.key words: lathe； electrical spindle； spindle； bearing第1章緒論11.1選題的目的和意義11.2數(shù)控車床電主軸的國內(nèi)外的研究現(xiàn)

4、狀和發(fā)展趨勢11.3本課題主要研究內(nèi)容4第2章 數(shù)控車床電主軸的介紹52.1車床電主軸的工作原理52.2數(shù)控車床電主軸的特征5第3章車床電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計73.1電主軸結(jié)構(gòu)圖73.2同步帶的選擇73.3內(nèi)置編碼器的選擇113.4轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計123.5軸承的選擇143.6冷卻系統(tǒng)的設(shè)計163.7主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)18第4章軸的校核254.1軸的強度校核計算254.2軸的剛度校核計算284.3軸的cae分析29第5章軸承的校核315.1角接觸球軸承的校核315.2深溝球軸承的校核335.3軸承的cae分析34總結(jié)36參考文獻37致謝39附錄1電主軸的裝配圖40附錄2電主軸的主軸零件圖41附錄3電主

5、軸的同步帶輪零件圖42附錄4電主軸的壓蓋零件圖43附錄5電主軸的刀套零件圖44第1章緒論1.1選題的目的和意義我國數(shù)控機床的發(fā)展歷程充分證明，數(shù)控機床電主軸發(fā)展的滯后，始終是制約我 國數(shù)控機床發(fā)展的瓶頸問題之一。高速電主軸的功能部件跟不上，發(fā)展數(shù)控機床將成 為空話。我國數(shù)控機床整體技術(shù)水平的發(fā)展和捉高，最終離不開先進的功能部件產(chǎn)業(yè) 的支持。我國數(shù)控機床經(jīng)歷了二十多年的發(fā)展歷程，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模，具備了 進一步發(fā)展的基礎(chǔ)。但在數(shù)控機床品種、質(zhì)量和性能等方面與發(fā)達國家還存在較大差 距，很難能滿足市場需求，特別是高端數(shù)控機床主要依賴進口，已明顯制約我國國民 經(jīng)濟和國防工業(yè)的發(fā)展。高速電主軸制造技

6、術(shù)成為了決定高端的數(shù)控機床發(fā)展的關(guān)鍵 技術(shù)。對決定電主軸發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)要進行重點攻關(guān)，特別是在電主軸應(yīng)用屮的關(guān)鍵 部件諸如復(fù)合陶瓷軸承、內(nèi)置式無外殼電機、性能優(yōu)良的伺服控制器、高精度位置編 碼器、氣密封裝置等進行自主研發(fā)，改變這些關(guān)鍵部件主要靠進口的局面。高速電主 軸也是高端的數(shù)控機床的核心，大力發(fā)展高速電主軸將對我國的裝備制造行業(yè)會起到 強大的推動作用。1.2數(shù)控車床電主軸的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2.1數(shù)控車床電主軸的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀國內(nèi)對電主軸技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，主要用于零件內(nèi)表面磨削，這種 電主軸的功率低，剛度小，并且它采用無內(nèi)圈式向心推力球軸承，限制了高速電主軸 的

7、產(chǎn)業(yè)化。到80年代，隨著國內(nèi)高速主軸軸承的開發(fā)成功，研制出一系列高剛度、 高速電主軸，廣泛應(yīng)用于各種內(nèi)圓磨床和各個機械制造領(lǐng)域。在90年代以后由磨用 電主軸轉(zhuǎn)向銃用電主軸，它不僅能加工各種形體復(fù)雜的模具，而且開發(fā)了用于木工機 械用的風(fēng)冷式高速銃用電主軸，推動了高速電主軸在切削屮的應(yīng)用。在國內(nèi)以洛陽軸 承研究所（洛陽軸研科技股份有限公司）為代表，早在1958年就研制出了磨用電主軸 之后又研發(fā)了大功率、高轉(zhuǎn)速系列電主軸，磁懸浮和氣靜壓電主軸等，并將電主軸在 90年代應(yīng)用于大型數(shù)控銃床，加工中心和數(shù)控車床，是我國電主軸技術(shù)的引領(lǐng)者。 廣州工業(yè)大學(xué)高速加工和機床研究所也開發(fā)研制了多種電主軸，并應(yīng)用于數(shù)

8、控銃床由 于近些年數(shù)控加工技術(shù)的飛速發(fā)展，在軍工、基礎(chǔ)裝備制造，航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω咚?電主軸的迫切需要，國內(nèi)的電主軸研究也得到了很大的發(fā)展。同濟大學(xué)、北京機床研 究所和上海機床廠在高速電主軸方面也取得了很大的成就。目前國內(nèi)生產(chǎn)的磨削用電 主軸的轉(zhuǎn)速在15000r7min以內(nèi)；加工屮心用電主軸的轉(zhuǎn)速最高30000r/ min,轉(zhuǎn)矩達 200n - m的加工中心用電主軸轉(zhuǎn)速只有4000r/min；車削用電主軸最高轉(zhuǎn)速可達 12000r/min,最人功率只冇llkw。在電主軸的潤滑方面，國外普遍采用先進的油氣潤 滑技術(shù)，而我國主要以油脂潤滑和油霧潤滑為主。國外電主軸最早用于內(nèi)圓磨床，上世紀(jì)80年代，

9、隨著數(shù)控機床和高速切削技術(shù) 的發(fā)展和需耍，逐漸將電主軸技術(shù)應(yīng)用丁加工屮心、數(shù)控銃床等高檔數(shù)控機床。目前 電主軸已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)控機床最主要功能部件z ，世界上形成許多著名的機床電主 軸功能部件專業(yè)制造商，它們生產(chǎn)的電主軸功能部件已經(jīng)系列化。具冇代表性冇美國 福特公司和ingersoll公司聯(lián)合推出的hvm800臥式加工屮心的大功率電主軸最高轉(zhuǎn) 速達15000r/min由靜止升至最高轉(zhuǎn)速僅需15s。瑞士 ibag公司在電主軸行業(yè)技術(shù)領(lǐng) 先現(xiàn)在被公認為代表了行業(yè)的發(fā)展趨勢。ibag公司捉供的電主軸已經(jīng)系列化、標(biāo)準(zhǔn) 化電主軸最大轉(zhuǎn)速可達140000r/min,直徑范圍33到300mm,功率范圍125w

10、sokw, 扭矩范圍0.02300n -mo fi本三井精機公司生產(chǎn)的ht3a臥式加工中心采用陶瓷軸 承支承的電主軸，主軸轉(zhuǎn)速達40000r/min此外述有瑞止的fisher公司、德國的gmn 公司、hofer公司、西門子、意大利的faemat公司和gamfior公司等，這些公司生產(chǎn) 的電主軸冇以下特點：(1)功率大、轉(zhuǎn)速高。(2)采用高速、高剛度軸承。國外高速精 密主軸上采用高速、高剛度軸承，主要有陶瓷軸承和液體動靜壓軸承，特殊場合采用 空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承。精密加工與精密裝配工藝水平高。配套控制系 統(tǒng)水平高。這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、定 轉(zhuǎn)子冷卻溫度

11、精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補償精密控制系統(tǒng)等。1.2.2數(shù)控車床電主軸的國內(nèi)外的發(fā)展趨勢(1) 向高速度、高剛度方向發(fā)展隨著主軸軸承及其潤滑技術(shù)、精密加工技術(shù)、精密動平衡技術(shù)、高速刀具及其接 口技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床用電主軸高速化已成為口前發(fā)展的普遍趨勢。電 主軸的功率和轉(zhuǎn)速是受電主軸體積及軸承限制的，dmn值是反映電主軸剛度和轉(zhuǎn)速 的一個重要的綜合特征參數(shù)，dmn值越大，其電主軸性能越。因此，在保證電主軸高轉(zhuǎn)速的前提下，加大主軸直徑，提高其剛性，也是屯主軸技術(shù)發(fā)展的方向之一。(2) 向高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展現(xiàn)代數(shù)控機床需要同時能夠滿足低速粗加工時的重切削、高速切削時精加工的要

12、 求，因此機床電主軸應(yīng)該具備低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率的性能。高速電主軸的大功率 化已是國際機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個方向。近年大功率半導(dǎo)體器件有了飛躍性發(fā)展，已經(jīng) 完全可以滿足現(xiàn)有的屯主軸應(yīng)用場合所要求的功率等級，這為高速屯主軸的大功率化 奠定了基礎(chǔ)。德國gmn公司的電主軸低速粗加工吋的重切削力可達1250n -m,高速 切削時精加工最大輸出功率可到150kwo(3) 電機形式與控制方式多樣化方向發(fā)展主軸電機方面：ft前國內(nèi)外主軸電機常見的是感應(yīng)電動機，但由于其結(jié)構(gòu)和特性 的限制，運行狀態(tài)改變時導(dǎo)致電機很難在最佳效率點運行，功率因數(shù)低、效率低。雖 然采用變頻調(diào)速、矢量控制、功率因數(shù)補償?shù)燃夹g(shù)改善了電機系

13、統(tǒng)的效率，但由于感 應(yīng)電機的工作原理決定其運行效率的提高是有限的，特別是在位置和速度要求非常高 的高精度高速電主軸系統(tǒng)屮應(yīng)用冇時很難滿足系統(tǒng)耍求。因此選用轉(zhuǎn)動慣量小，轉(zhuǎn)矩 密度高，控制精度高的永磁電機代替感應(yīng)電動機也將是電主軸發(fā)展的一個重要方向。 在主軸屯機控制方面：采用矢量控制已經(jīng)被人多數(shù)高速電主軸生產(chǎn)廠家所采用，針對 感應(yīng)電動機采用自適應(yīng)控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、定子優(yōu)化控制等措施不斷提高感應(yīng)電動 機在電主軸的應(yīng)用性能。對于永磁同步電動機在低速粗加工時的重切削多采用恒轉(zhuǎn)矩 控制方式，高速切削時精加工采用恒功率控制，在擴大永磁電機在弱磁區(qū)域的同時捉 高穩(wěn)定性也將成為高速電主軸研究熱點問題。此外，柔

14、性主軸及其軸承彈性支承技術(shù)的研究也將進一步深化。目前國內(nèi)市場的 軸承多以用高速角接觸球軸承支承，氣靜壓方式將逐漸取代角接觸球軸承成為主流方 式。另外隨著磁懸浮技術(shù)的不斷進步和成熟，在滿足成本要求的情況下，磁懸浮軸承 將由一些特殊場合的應(yīng)用到普通場合的特殊要求的應(yīng)用。捉高高速電主軸動平衡等 級，降低振動，使電主軸壽命更長。在保證轉(zhuǎn)速的情況卞，應(yīng)盡量降低電主軸的整體 振動。主軸單元的自動平衡裝置也將因高速電主軸的振動指標(biāo)更高而不斷的更新和完 善。潤滑技術(shù)不斷改進，預(yù)負荷施加技術(shù)不斷進步。陶瓷球復(fù)合軸承和油氣潤滑技術(shù) 的廣泛應(yīng)用，使得軸承發(fā)熱更小，而且更能適應(yīng)高速需要。在非接觸式軸承中，磁浮 和氣浮

15、軸承不斷發(fā)展，已冇系列產(chǎn)品出現(xiàn)。軸承預(yù)負荷施加方式上，過去主耍使用剛 性預(yù)負荷，不斷發(fā)展為彈性預(yù)負荷，后又出現(xiàn)智能預(yù)負荷方式，使軸承承載性能更優(yōu)。 油氣潤滑方式和成木更低的非接觸式軸承技術(shù)也將是高速電主軸發(fā)展的方向。1.3本課題主要研究內(nèi)容(1) 數(shù)控車床電主軸總體方案設(shè)計；(2) 根據(jù)產(chǎn)品特點，進行工藝分析、結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)計算和校核;(3) 繪制裝配圖及其他零件圖；(4) 撰寫設(shè)計計算說明書1份，撰寫其他相關(guān)設(shè)計技術(shù)文檔。第2章數(shù)控車床電主軸的介紹2.1車床電主軸的工作原理電主軸作為加工屮心的核心部件，它將機床主軸與交流伺服電機軸合二為一，即 將主軸電機的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，并

16、經(jīng)過精確的動平衡校正，具有 良好的回轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性，形成一個完美的高速主軸單元，也被稱為內(nèi)裝式電主軸， 其間不再使用皮帶齒輪傳動副，從而實現(xiàn)機床主軸系統(tǒng)的“零傳動”，通電后轉(zhuǎn)了直 接帶動主軸運轉(zhuǎn)。2.2數(shù)控車床電主軸的特征（1）高回轉(zhuǎn)精度車削中心的主軸是裝夾工件的基準(zhǔn)，并將運動傳遞給工件，因此主軸的回轉(zhuǎn)精度 直接影響加工精度。為保證電主軸在高速運轉(zhuǎn)時的回轉(zhuǎn)精度，其關(guān)鍵零件必須進行精 加工和超精加工，選用尺寸和精度等級合適的軸承，采用合理的裝配方案；（2）高剛度主軸剛度反映主軸單元抵抗外載荷的能力。尤其，進行車削粗加工時，切削量較 大，主軸要承受很大的徑向力。為了保證加工精度、避免振動，要求電主

17、軸具備較高 的剛度，特別是徑向剛度；（3）抗振性強機床工作時，主軸部件不僅受靜態(tài)力的作用，同時還受其他沖擊力和交變干擾力 的作用而產(chǎn)生振動。振動是主軸動態(tài)性能的重要指標(biāo)，振動將會產(chǎn)生噪聲，并直接影 響工件的表面加工質(zhì)量，振動嚴(yán)重時會產(chǎn)生崩刃和打刀現(xiàn)象。因此，電主軸的抗振性 要強；（4）電機特性優(yōu)良車削中心要求有較廣的加工范圍，這就要求電主軸既要有優(yōu)良的低速加工性能， 又要冇好的高速加工性能。在起步及低速段采用恒傳矩調(diào)速，保證低速時冇較大的輸 出轉(zhuǎn)矩，滿足低速大進給的切削要求；而高速段采用恒功率調(diào)速，可滿足小切削量的 高轉(zhuǎn)速要求。對一些低速要求高的屯主軸，應(yīng)采用高性能的矢量變頻器控制；（5）熱特

18、性穩(wěn)定由于電主軸是將高速電機置于機床主軸部件內(nèi)部，高速運轉(zhuǎn)吋，電機轉(zhuǎn)子、定子 和軸承的的發(fā)熱量很大，并引起熱變形，直接影響機床的工作性能和加工精度，因此 要求電主軸的熱態(tài)性能穩(wěn)定。第3章車床電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1電主軸結(jié)構(gòu)圖1主軸箱體2主軸前軸承3主軸4冷卻液進口 5主軸前軸承座6前軸承冷卻套7定了 x轉(zhuǎn)了 9定了冷卻套10冷卻液出口 11主軸后軸承圖3.1車削中心電主軸結(jié)構(gòu)示意圖電主軸由主軸及主軸箱木體、輔助裝置、檢測裝置組成。電機的轉(zhuǎn)子釆用壓配方 法與主軸做成一休，主軸則由前后軸承支撐。轉(zhuǎn)子定子通過冷卻套安裝于主軸單元的 殼體屮。主軸的變速由主軸驅(qū)動模塊控制，而主軸單元內(nèi)的溫升由冷卻裝置控制

19、。在 主軸的后面裝有松刀油缸、旋轉(zhuǎn)接頭；而端的內(nèi)錐孔和端面用于安裝刀具、刀具夾爪; 中間有刀具拉桿、刀具夾緊彈簧。3.2同步帶的選擇3.2.1同步帶介紹同步帶傳動是一種新型的機械傳動。由于它是一種嚙合傳動，因而帶和帶輪z間 沒冇相對滑動，從而使主從輪間的傳動達到同步。同步帶傳動和v帶、平帶相比具 有以下優(yōu)點：(1) 傳動準(zhǔn)確，無滑動，能達到同步傳動的目的；(2) 傳動效率高，一般可達98%；（3）速比范圍人，允許線速度也高；（4）傳遞功率范圍大，從幾| 瓦到幾百千瓦；（5）結(jié)構(gòu)緊湊，還適用于多軸傳動。同步帶傳動設(shè)計目的是確定帶的型號節(jié)距帶長（節(jié)線長度）屮心距、帶寬及主、從 動帶輪齒數(shù)，直徑等參

20、數(shù)。3.2.2同步帶計算一臺額定功率為12.5kw,轉(zhuǎn)速為1000r/min的異步電機，一天工作8個小時以上, 以此來設(shè)計電主軸的同步帶。（1）求設(shè)計功率pdpd=k0pm=1.6x 12.5=20 kw式中ko載荷修正系數(shù)（出表3.1得）表3.1載荷修正系數(shù)k （部分）工作機原動機運轉(zhuǎn)時間（小時/日）3581016-24帶式輸送機，烘干機，杠車床，帶鋸，篩選機1.21.41.6液體攪拌機，鉆床，車床，龍門刨床，造紙機1.41.61.8牛頭刨床，磨床，銃床，鉆鐐床，紡織機械1.51.71.9確定帶的型號和節(jié)距rtr丁屯主軸是內(nèi)裝式屯機，屯機轉(zhuǎn)速就是主軸轉(zhuǎn)速，所及小齒輪轉(zhuǎn)速nl=n2xi0=31

21、00r/min,由圖3.2查的帶的型號為h型，對應(yīng)節(jié)距pb=12.7mm（見表3.2）圖3.2通過功率找同步帶型號(3) 選擇小帶輪齒數(shù)由小帶輪傳速nl=3100r/min和h型帶查表3.3得小帶輪最小許用齒數(shù)zl=20,則 z2=izl,其中 i=nl / n2=3.1z2=62,取標(biāo)準(zhǔn)帶輪齒數(shù)z2=60(4) 確定帶輪節(jié)圓直徑：dl=pbzl / 兀=80.892mmd2= pbz2 / 兀=242.675mm(5) 確定同步帶的節(jié)線長度lplp=2acos(p+兀(d2+dl) / 2+7c(p(d2-d 1) / 180(3-2)式中：(p=sin_ d2_41=9.31°(

22、以 a=500mm 代入)2a則lp=1521.102選擇最接近計算值的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(見表3.4) lp= 1524.00mm(6) 計算同步帶齒數(shù)zbzb=lp / pb=1524.00/12.70=120(7) 傳動中心距a的計算a=pb(z2-z 1) / 2兀coso(3-3)式中：inv0=7izz?-=3.1416 invo=tgo-o用逐步逼近法計算，0=1. 3518(弧度)代入 zz-zl上式:a=pb(z2-z 1) / 27ccos0=373.53mm表3.2七種同步帶型號的主耍參數(shù)帶型號節(jié)距pd(mm)基準(zhǔn)寬度b30(mm)拉力to(n)質(zhì)最(kg/m)帶寬b3 (mm)

23、mxl2.0326.4200.0103.0 4.8 6.4xxl3.1756.4310.0103.0 4.8 6.4xl5.0809.550.170.0226.4 7.9 9.5l9.52525.4244.460.09512.719.125.4h12.70076.22100.850.44819.125.4 38.150.876.2xh22.227101.64048.901.48450.8 76.2101.6xxh31.750127.06398.032.47350.8 76.2 101.6127.0表3.3帶輪最少許用齒數(shù)小帶輪轉(zhuǎn)速(r/min)帶型號mxlxllhxhxxh900以下10101

24、21422229001200以下1210121624241200-1800 以下14121418262618003600以下161216203036004800以下18151822確定同步帶設(shè)計功率為pd時所需帶寬(a).計算所選型號同步帶的基準(zhǔn)額定功率po(3-4)(3-5)po=(ta-mv2)v / 1000 (kw)式中：ta許用工作拉力，查表3.2得ta=2100.85 nm單位長度質(zhì)量，查表3.2可得m=0448kg/mv線速度(m/s)=6.35 (m/s)節(jié)線長度節(jié)線長度上的齒數(shù)基本尺寸(m)極限偏差(mm)mxlxxlxllhxhxxh1422.40±0.81641

25、447.80±0.811141524.00±0.811601201600.02±0.86126721676.40±0.86132表3.4標(biāo)準(zhǔn)同步帶的節(jié)線長度(部分)帶入上式的po=13.23(kw)(b) .計算小帶輪嚙合齒數(shù)zm空字(z2-z1) =8.62>6 22/r2a(c) .確定實際所需帶寬b3ppokzkw式屮：p帶所能傳遞功率kw(3-6)kz嚙合系數(shù)，因zm>6 故kz=lkw(如)i4 查表 3.2, h 型帶 b3o=76.20mm將p式代入ppd則 b3b3d(),/114=26.65mm 取標(biāo)準(zhǔn)帶寬 38.1mm 見

26、表 3.2kzpo驗算°/b.m廠、(kzkwta-)v%1000=22.15 >20 kw額定功率大于設(shè)計功率，則帶的傳動能力已足夠，所選參數(shù)合格鐵3.3內(nèi)置編碼器的選擇為了提高機械裝置的加工精度，必須提高檢測元件和檢測系統(tǒng)的精度。其中以旋轉(zhuǎn)編碼器，線性編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器，測速發(fā)電機等比較普遍。本人在屯主軸設(shè)計的 內(nèi)置編碼器是屬于旋轉(zhuǎn)編碼器的。它的特點是：非接觸式，無摩擦和磨損，體積小， 重量輕，機構(gòu)緊湊，安裝方便，維護簡單，其具有高精度，大量程測量等。旋轉(zhuǎn)編碼 器非常適合測速度，可無限累加測量。3.4轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計高速電主軸的定子由具有高導(dǎo)磁率的優(yōu)質(zhì)矽鋼片迭壓而成。迭壓成

27、型的定子內(nèi)腔 帶有沖制嵌線榊。轉(zhuǎn)子是中頻電機的旋轉(zhuǎn)部分，它的功能是將定子的電磁場能轉(zhuǎn)換成 機械能。它能帶動主軸旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、鼠籠、轉(zhuǎn)軸三部分組成。此次設(shè)計的電主軸電機轉(zhuǎn)了的基木尺寸為：轉(zhuǎn)了的外徑2b= 126.5mm,轉(zhuǎn)了內(nèi)孔 直徑2a = 85.5mm,轉(zhuǎn)子的軸向長度為346mm,轉(zhuǎn)子配合面的冇效接觸長度b = 300mmo主軸配合面的基本尺寸為:夕卜徑2a=85.5mm,內(nèi)孔直徑為2c=46mm。電機的最高轉(zhuǎn)速為8000r / min,所以其最大角速度comax為837.3 rad / s。額定功率為12.5b0.042750.06325=0.6759(3-7)(3-8)kw,額定

28、傳矩為114nm,電主軸的結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。c1=r=0-5380屯機轉(zhuǎn)子和主軸均為鋼質(zhì)材料，材料的彈性模量e=2.1xio11n/m2,泊淞比u= 0.3,主軸配合面間的摩擦系數(shù)p = 0.09,電機轉(zhuǎn)子襯套材料的許用應(yīng)力°為287n/ mm2,主軸材料的許用應(yīng)力o為567 n / mm2©耍滿足電主軸的高速性能，電機轉(zhuǎn)子與主軸配合而間的動態(tài)過盈分量的最小值admin可由卞式求得:admin=(1 + 巧(3 2叭(1 一 c/ci?)/ lece1=0.0205(3-9)要滿足電主軸的扭矩傳遞能力，電機轉(zhuǎn)子與主軸配合面之間的靜態(tài)過盈分量的最小值asmin可由下式求得：

29、asminkc(l-1 + c/qieba 1 - ce21 + c/2+1-c/2)=0.00245(3-10)根據(jù)計算可知，高速電主軸要求的動態(tài)過盈量admin是其要求的靜態(tài)過盈量的6倍多，由此可見，高速主軸的過盈量主要由動態(tài)過盈量確定。高速電主軸的最小過盈量amin為:圖3.3電主軸的結(jié)構(gòu)amin=admin+asmin=0.02295 (mm)(3-11)據(jù)此 在gd-ii型電主軸設(shè)計屮，主軸與電機轉(zhuǎn)子的配合采用66h6/s6的過 盈配合，這種配合的實際最小過盈量為0.040mm(>0.02295 mm),能滿足電主軸的 高速傳動要求。英實際的最大過盈量為0.078mm,配合而實

30、際產(chǎn)生的最大正壓力為：max(3-12)電機轉(zhuǎn)子內(nèi)孔配合面上具有最大的切向拉應(yīng)力gnax和最大的徑向壓應(yīng)力orcmax， 其值為：noemax (r=a)=-pniax=-93.6 (n/mm2)(3-13)2orcmax(r=a)=比”(】+ ?)=i9i.9 (n/mm2)(3-14)1 c廠主軸的on (r)和o9i (r)均為壓應(yīng)力，其屮主軸的配合面上具有最大的徑向壓 應(yīng)力6inwc，在主軸內(nèi)孔壁處具有最大的切向壓應(yīng)力ooitnax，其值為：hrimax (r=a)=-pniax=-93.6 (n/mm2)(3-15)2poeimax (r=c)=-263 a (n/mm2)(3-16

31、)-cr電主軸的裝配應(yīng)力分布如圖3.4所示。由此可見，電主軸的危險點在電機轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)，根據(jù)第三強度理論：r39emaxremax285.5 (n/mm )電機轉(zhuǎn)子襯套材料的許用應(yīng)力o為287 n/mm,剛 刃，使用安全。圖3.4主軸與轉(zhuǎn)了過盈配合的應(yīng)力分布3.5軸承的選擇3.5軸承的選擇按軸系零件軸向定位方法的不同，軸的支承結(jié)構(gòu)可分為三種基本型式：兩端固定 支承，一端固定、一段游動支承和兩端游動支承。本設(shè)計采用兩端同定支承。采用兩 端固定支承時，應(yīng)留出適當(dāng)?shù)妮S向間隙，以補償工作時軸的熱伸長量，同時應(yīng)提供適 當(dāng)?shù)拈g隙調(diào)整方法。我采用的是角接觸軸承，所以口j利用調(diào)整墊片或螺紋件來調(diào)整軸 承的游隙，

32、以保證軸承的正常運轉(zhuǎn)。首先通過對軸的受力分析得到了軸承的大致載荷在30004000n左右，屬于中等 載荷，故釆用球軸承；接著看轉(zhuǎn)速，球軸承與滾子軸承相比較，冇較高的極限轉(zhuǎn)速, 電主軸的轉(zhuǎn)速在10008000r/min,所以優(yōu)先選用球軸承。最后軸承在承受徑向載荷的 同吋，還冇不人的軸向載荷，所以選用深溝球軸承和角接觸軸承。故在主軸的兩端我分別采用了角接觸球軸承和深溝球軸承，分別見圖3.5和圖 3.6。成對安裝角接觸球軸承(gb/t292j994)可同時承受徑向載荷和軸向載荷。 它能在較高的轉(zhuǎn)速下工作，接觸角越大，軸向承載能力越高。高精度和高速軸承 通常取15度接觸角。深溝球軸承是最具代表性的滾動

33、軸承，用途廣泛。適用于高轉(zhuǎn)速甚至極高轉(zhuǎn)速的運行，而且非常耐用，無需經(jīng)常維護。深溝球軸承的摩擦系數(shù)很小，極限轉(zhuǎn) 速也很高，特別是在軸向載荷很大的高速運轉(zhuǎn)工況下，深溝球軸承比推力球軸 承更有優(yōu)越性。圖3.5角接觸球軸承3.5.2軸承材料的選擇目前，滾動軸承電主軸的支承形式主要采用鋼質(zhì)球軸承和陶瓷球混合軸承。 本人采用陶瓷球混合軸承。陶瓷球混合軸承與傳統(tǒng)的鋼質(zhì)球軸承相比，具冇密度 小、彈性模量大、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫等優(yōu)良物理性能和機械性能。(1) 陶瓷球混合軸承材料si3n4,密度只冇鋼的40%o在高速運轉(zhuǎn)時，可 大幅減小滾動體的離心力，從而減小球與套圈滾道間的接觸應(yīng)力，延長軸承的使 用壽命。i

34、i圖3.6深溝球軸承（2）彈性模量大、硬度高。與鋼質(zhì)球軸承相比，相同負荷下陶瓷球在接觸 應(yīng)力作用區(qū)域材料塑性變形小，使軸承的剛度提高，從而提高主軸系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn) 速。（3）膨脹系數(shù)小?；旌陷S承的工作游隙及工作游隙的變化幅度小，導(dǎo)致高 速高溫時，滾動體與溝道接觸的最大接觸應(yīng)力及接觸負荷的變化幅度均較小，確 保了軸承運行平穩(wěn)和發(fā)熱量的減少。3.6冷卻系統(tǒng)的設(shè)計電主軸中電機高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的發(fā)熱和軸承的摩擦發(fā)熱，是不可避免的。機床工作時，在內(nèi)、外熱源的作用卜，主軸系統(tǒng)的齊個部分會產(chǎn)生不同程度的 溫升。升溫后，主軸和機床其他部件的空間相對位置和尺寸都將與溫升前不同， 形成不同的溫度場，進而產(chǎn)生不同程度的熱

35、膨脹，導(dǎo)致加工誤差。因此通過對 高速電主軸的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計改良，來控制電主軸的溫升，減小電主軸的熱膨 脹，對于保證電主軸性能和捉高其使用壽命，是至關(guān)重要的。3.6.1熱源的主要構(gòu)成屯動機和軸承是主要的發(fā)熱源。具體的熱源主要可分為三部分：（1）主軸電動機內(nèi)置于機床主軸的結(jié)構(gòu)屮，電機高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的發(fā)熱，是其 結(jié)構(gòu)內(nèi)部的主要的熱源。（2）電動機轉(zhuǎn)子在主軸殼體內(nèi)的高速攪動，使內(nèi)腔屮的空氣也會發(fā)熱，這些熱 源產(chǎn)生的熱量，主要通過主軸殼體和主軸進行散熱，所以電動機產(chǎn)生的熱量有相當(dāng)一 部分會通過主軸傳到軸承上去，因而影響軸承的壽命，并11會使主軸產(chǎn)生熱伸長，影 響加工精度。（3）隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高，主軸軸

36、承的摩擦所產(chǎn)生的發(fā)熱量也隨之增大譏 3.6.2冷卻系統(tǒng)的冷卻路線車床電主軸主耍是通過在主軸殼體內(nèi)加冷卻油，并不斷的循環(huán)，把熱量帶走， 來進行冷卻的（如圖3.7）。其基本的冷卻路線是：首先從主軸冷卻油溫控制器流岀冷 卻油，經(jīng)過在靠近后端蓋1的冷卻環(huán)套上入水口，使冷卻油進入后端軸承2的外圍，1.后端蓋2.后端軸承3.轉(zhuǎn)子4.定子5.電機冷卻套6.前端軸承7.売體機架圖3.7電主軸冷卻設(shè)計并對后端軸承2進行冷卻。接著通過液壓把冷卻油擠向電動機冷卻環(huán)套5,對主軸的 定了 4、轉(zhuǎn)了3和前端軸承6進行冷卻，最后從殼體7的出水口，流回主軸冷卻油 溫控制器完成循環(huán)。3.6.3主軸傳動的熱平衡計算主軸傳動由于效

37、率低，所以工作時發(fā)熱量大。在閉式傳動中，如果產(chǎn)生的 熱量不能及時散逸，將因溫度不斷升高而使?jié)櫥拖♂?，從而增大摩擦損失， 甚至發(fā)生膠合。所以，必須根據(jù)單位時間內(nèi)的發(fā)熱量等于同時間內(nèi)的散熱量 2的條件進行熱平衡計算，以保證油溫穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)。由于摩擦損耗的功率p/=p(1-)，則產(chǎn)生的熱流量為：0 =1000? (1-77)式中，p為主軸傳遞的功率，kwo以自然冷卻方式，從箱體外壁散發(fā)到周圍空氣屮去的熱流量2 (單位為w) 為，02 =ad式中：勺箱體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，可取勺二(& 1517.45) w/ (m2 °c),當(dāng)周圍空氣流通良好時，取偏大值;s內(nèi)表面能被潤滑油所飛

38、濺到，而外表面又可為周圍空氣所冷卻的箱體 表面面積，m2；to油的工作溫度，一般限制在6070 °c,最高不應(yīng)超過80 °c；ta周圍空氣的溫度，常溫情況可取為20°c；按熱平衡條件尸2,可求得在既肚工作條件下的油溫to （單位為。c）為：1000p(l )+ %s(3-16)為了保持止常工作溫度所需要的散熱面積s,當(dāng)<80°c,而總效率”，估取二0.7,p二 12.5kw,所以s > 1000p(d 二 6.25m2 = 6.25 xl06mm2 )因此只要散熱面積s人于6.25xl06m/n2,主軸的在工作條件下的油溫to就能保證在80&

39、#176;c 一下，再看本人設(shè)計的冷卻系統(tǒng)的散熱面積s:s = 27trl + 2/rrl式中：r冷卻管道的內(nèi)壁半徑mm；r冷卻管道的外壁半徑mm；l冷卻管道的長度mm；故s = 2譏+ 2;rf?l = 2x34x 127x474.5+ 2x34x 135x474.5 = 7.8xl0& mm 所以能證明主軸冷卻系統(tǒng)的熱平衡是穩(wěn)疋的。3.7主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有主軸前端懸伸量和主軸主支承間的跨距。這些參數(shù)直接影 響主軸的旋轉(zhuǎn)精度和主軸的剛度。3.7.1主軸前端懸伸量的確定主軸的前端懸伸量主要取決于主軸端部的結(jié)構(gòu)，前支承軸承的配置和密封裝置 的形式和尺寸，由結(jié)構(gòu)設(shè)計確定

40、。3.7.2主軸主支承間的跨距l(xiāng)的確定主軸主支承間的跨距是主軸獲得最大靜剛度的重要條件之一。跨距過小，主軸的彎曲變形固然較小，但因支承變形引起主軸前端的位移量增大；反之，支承跨距過 大，支承變形引起主軸前端的位移量減小了，但主軸的彎曲變形增大，也會引起主軸 前端較大的位移。一般取l=（23.5旭。3.7.3主軸的構(gòu)造主軸的構(gòu)造和形狀主要決定于主軸上所安裝的刀貝，夾具，傳動件，軸承等零 件的類型，數(shù)量，位置和安裝妃位方法等。設(shè)計時還應(yīng)考慮主軸加工工藝性和裝配工 藝性。木次設(shè)計的主軸為空軸，主軸的前端型式取決于機床類型，后端結(jié)構(gòu)取決于安 裝刀具的型式。主軸的結(jié)構(gòu)如圖3.8。3.7.4主軸擋板的設(shè)計

41、結(jié)構(gòu)如圖3.9,材料為45鋼，軸承選用角接觸球軸承，深溝球軸承。3.7.5主軸的材料和熱處理機床主軸有較高的剛度要求，而剛度與主軸材料的彈性模量e值密切相關(guān)。由于 各種鋼材的e值相差無兒（e=2 lxl0hn/n?）,故影響不大。通常主軸材料根據(jù) 主軸的耐磨性及熱處理后變形人小選擇。主軸選用45號優(yōu)質(zhì)屮碳鋼，與球軸承連接 的部分需調(diào)質(zhì)淬火處理。3.7.6主軸所受外力的計算（1）車削力的計算金屬切削時，切削層及其加工表面上產(chǎn)生彈性和塑性變形；同時工件與刀具之間 的相對運動存在著摩擦力（作用在前、后刀而上的變形抗力，fny和fna；作用在前、 后刀面上的摩擦力ffy和ff。）這些力的合力f稱為切削

42、合力，也稱總切削力?？偳?削力f可沿x, y, z方向分解為三個互相垂直的分力fc, fp, ff,如圖3.10所示。3.8主軸結(jié)構(gòu)圖3.9主軸扌當(dāng)板刀具對工件的力的分烷圖3. 10外圓車削時力的分解用yt15硬質(zhì)合金車刀縱車6二0. 637gpa的熱軋鋼外圓，切削速度vc=100m/min,背吃刀量 ap=4mm,進給量 f二0. 3n)m/r。車刀幾何參數(shù) y0=l0°, kr=75°, xs=-10°, r3=0.5mm表3.5千削吋的車削力及切削功率的計算公式計算公式主切削力fcfc 二廣cf 心。背向力fp卩卩二981(7幷0廣。廠"vy心進給

43、力ffff=9.81ca/廠ffk廳切削時消耗的功率pc(kw)pc=fcvcx10 3/60切削力公式中系數(shù)和指數(shù)刀主切削力背向力進給力加工材料號 加工形式 -初5cxfcyfcwcfpxfpyfpnpp5f xpfyff料結(jié)構(gòu)鋼和 ®外圓縱車、2701.00.75-0.151990.90.6-0.3 2941.00.5-0.1鑄鋼ob=0.637gpa質(zhì)合金橫車及鎮(zhèn) 孔切槽或切 斷3670.720.801420.730.670切螺紋1331.70.71高 速 鋼外圓縱車、 橫車及鋰孔1801.00.750940.90.750541.20.650.2切槽或切 斷2221.01.00

44、切螺紋1911.00.750灰鑄鐵hbs190硬質(zhì)合金外圓縱車、 橫車及鐐孔921.00.750540.90.750461.00.40.2切螺紋1031.80.82咼 速 鋼外圓縱車、 橫車及鋰孔1141.00.7501190.90.750511.20.650.2切螺紋1581.01.00根據(jù)表3.5得:fc=cfcqpxfcrcvjc kfc(3-17)=9.81 a p xw .廣c k fcfp=cfp -apxpo /"° k fp(3-18)=9. 81 叮 f。嚴(yán)。.vo.kfpff=c曠a”® 廣w.以w.k廳(3_19)所以得：fc = 9.81

45、x270x4x0.3°% x 100_0j6kfc"=9.81 x 199 x 4°9 x 0.3°6 x 1oo'05 kfpff = 9.81 x 294 x 4 x 0.3°6 x 1oo-04 kff切削力修正系數(shù)kfc、kfp、kf是各種因素對切削力的修正系數(shù)的乘積。由表3.6得:k0. 7537k% 二0.5509心二0. 7822代入上式切削力計算公式得：fc=1620 (n)fp=456.7 (n)ff=783.32 (n)表3. 6鋼和鑄鐵的強度改變時切削力的修正系數(shù)心：機械材料機構(gòu)鋼和鑄鋼灰鑄鐵可鍛鑄鐵系數(shù)kmf(r

46、，lfj -(o.673 )上列公式屮的指數(shù)nf加工材料車削時的切削力鉆削fcfpffm及f刀具材料硬質(zhì)合金髙速鋼硬質(zhì)合金髙速鋼硬質(zhì)合金髙速鋼碾質(zhì)合髙速鋼 金結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼 ob<0.588gpa ob>0.588gpa0.750.350.751.352.01.01.50.75灰鑄恢及可鍛 鑄鐵0.40.551.01.30.81.10.6(2) 同步帶的壓軸力壓軸力即為同步帶作用在軸上的力，是緊邊拉力和松邊拉力的矢量和，如圖3.11所示：根據(jù)機械標(biāo)準(zhǔn)jb/t7512. 3-1994壓軸力q計算如下所示：q 二 k,(片+尸2)(n)(3-20)圖3-11 同步帶的壓軸力、緊邊拉力、松

47、邊拉力 式中心一-矢量相加修正系數(shù)，如圖3. 12：而帶的緊邊張力和松邊張力分別由(3-20)公式所得：fl=1250pd/v(n)圖3. 12欠量相加修正系數(shù)式中v為帶速m/s；pd為設(shè)計功率，pd=kap kw:仏為工況系數(shù)，其值如表3.1, p為需傳遞的名義功 率kwo所以壓軸力為：q二 13°°心心"二2loo (n)(3-21)v(3) 轉(zhuǎn)子自身的重力由于轉(zhuǎn)子是套在主軸上的，所以主軸受到轉(zhuǎn)子的重力。轉(zhuǎn)子的外徑r=70.7mm, 而小徑尸50mm,所以轉(zhuǎn)子的體積v =(7ir2-td-)b (b是轉(zhuǎn)子和主軸的有效接觸長度),v=(冰$ - 7ir2)b =

48、2.35 x 106 mm3 =2.35 x 103 cm3 而轉(zhuǎn)子的材料上文有提到是鋼材，p =7. 89 g/cm3所以轉(zhuǎn)了的重力：g=pvg=181.7(n)(4) 按扭轉(zhuǎn)強度條件計算軸的最小直徑這種方法是只按軸所受的扭矩來計算軸的強度叫pt 9550000-<r?(3-22)1 n_0.20-式?。簉r扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，mpa；t軸所受到的扭矩，n mm；wt軸的抗扭截面系數(shù)，mm'n軸的轉(zhuǎn)速，r/min；p軸傳遞的功率，kw；d計算截面處軸的直徑，mm；tt許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，mpa,見表3.7。表3.7軸常用幾種材料弓及ao值軸的材料q235a、20q275、35(lcrl8n

49、i9ti)45400、35simn38simnmo. 3crl3rt /mpa15 2520 3525 4535 55ao149126135 11212610311297由上式可得軸的直徑：3 i 3 i3 i3 i(3-23)(3-24)d> 9550000p_9550000 p_ _ a p_0.2rr> 0,2rr 匚=後 #匚對于空心軸，貝ij：dau式中，b=d|/d,即空心軸的內(nèi)徑山與外徑d之比,本人取0.6。所以：d >27.2 mm第4章軸的校核電主軸工作吋，軸端會受到車刀對其的切削力，同步帶對帶輪的預(yù)緊力和不大的 轉(zhuǎn)子重力。為使旋轉(zhuǎn)主軸能正常工作，要求軸具有

50、足夠的剛度和強度。在設(shè)計時可根 據(jù)經(jīng)驗和已知條件線初選軸的直徑，然后進行剛度和強度方而的校核。4.1軸的強度校核計算作用在主軸上的主切削力、預(yù)緊力和轉(zhuǎn)子對其的重力，使軸在垂直平面內(nèi)產(chǎn)生彎 曲變形，而徑向車削力使軸在水平面上產(chǎn)生彎曲變形。先求取垂直面支點反力fg和水平而支點反力尸冊后，計算相應(yīng)的彎矩my和ms。在轉(zhuǎn)矩丁和彎矩的共同作用下,按照第三強度理論軸的應(yīng)力計算公式如下。=治+4(處)2(4-1)式中的彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力。到扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時，取4=0.3；當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，取qqo.6；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對稱循環(huán)變變應(yīng)力使, 則取qq1。對于直徑為d的圓軸，彎曲應(yīng)力為：m

51、 (7 =扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為：(4-2)wt 2w(4-3)將b和代入式(4-1),則軸的彎扭合成強度條件為抑+(刃)(4-4)式屮:j軸的計算應(yīng)力，mpa ；m軸所受的合成彎矩，m, n-mm；t軸所受的扭矩，n；軸的抗彎截面系數(shù)，薯，曲廠許用應(yīng)力，在抵擋工作時取400mpa o本設(shè)計中扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，所以取0 = 0.6。整理后式（4-4）可以 寫成:32丿耐2+(06門2(1-0.64)/3<i(4-5)由于同步帶起到了對主軸的減速作用，即加工工件時，是不工作的，故不考慮同步帶輪的圓周力，所以此時只有垂直方向上的皮帶預(yù)緊力qo 在水平面上根據(jù)力平衡和力矩平衡可列出方程組：(4

52、-6)fnh +fnh2+f0fnh1 x (£1 + l2) = fnh2 x (li + l2 + l3 + 厶4)代入各已知參數(shù)列出：f網(wǎng)=589.7, f粉2 =133畫出水平而的彎矩圖:在垂直面上的受力分析較為復(fù)雜其受力模型如圖4.3。q + fc + fnvx +尸秒2= gfc x （厶 1 + 厶2）+ q x 12 + g x l3 = fnv2 x（l3 +帶入齊已知參數(shù)列出：fvvi =-4376.8, fnv2 = 838.5 o 得出力后求出彎矩圖如下：圖4.4垂肓血彎矩圖根據(jù)m =得出合成彎矩圖m二3598323圖4.5合成彎矩圖t 二 119375圖4.

53、6扭矩圖 將各已知參數(shù)代入式（45）,得出:=32就2 +(o.6門2 =辿咖832于 + (0.6x 12375廣=g,故主軸(1-0.64)/5/i 2、3(1-0.64)x3.14x763符合強度要求。4.2軸的剛度校核計算軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長的扭轉(zhuǎn)角©來表示。岡軸扭轉(zhuǎn)角©單位為（°） /m,扭角©的大小和軸的長度有關(guān)。為了消除長度的影響，通常用單位長度轉(zhuǎn)角血來表示扭 dx轉(zhuǎn)變形的程度。在工程中常限制單位長度轉(zhuǎn)角的最大值0 =僉的最大值滋計不得超過單位長度許可轉(zhuǎn)角0。因此，扭轉(zhuǎn)的剛度條件表述為對于空心圓軸:(4-16)對于不同的機械和軸的工作條件，可從有關(guān)手冊中查到單位長度許可轉(zhuǎn)角0的 值。精密機械傳動軸：0= （0.250.50） 7m一般傳動軸：0= （051） °/m精度要求不高的軸：0= （1-2.5） 7m車床電主軸應(yīng)該屬于一般傳動軸，所以0選擇0.77m,根據(jù)式（416）得:爪島需譏録-38 mm由于主軸的最小直徑d=70mm,所