機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)832機(jī)床高速電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(三維)說(shuō)明書

1緒論1.1高速切削技術(shù)1.1.1高速切削技術(shù)的理論基礎(chǔ)早在20世紀(jì)50年代，就已經(jīng)出現(xiàn)了用于磨削小孔的高頻電主軸，當(dāng)時(shí)的變頻器采用的是真空電子管，雖然轉(zhuǎn)速高，但傳遞的功率小、轉(zhuǎn)矩也小。隨著高速切削的發(fā)展的需要和功率電子器件、微電子器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了全固態(tài)元件的變頻器和矢量控制驅(qū)動(dòng)器，加上混合陶瓷軸承的出現(xiàn)，使得在20世紀(jì)末期出現(xiàn)了一大批用于高速切削的大功率、大轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速的高速機(jī)床電主軸。作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的制造業(yè)，是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，高速切削技術(shù)是加工制造技術(shù)的一次革命性突破，是未來(lái)竊謔加工技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。高速切削技術(shù)是指利用超硬材料的加工刀具和高轉(zhuǎn)速、高精度和高自動(dòng)化的制造裝備，以實(shí)現(xiàn)切除效率、加工質(zhì)量和加工精度大幅度提升的先進(jìn)制造技術(shù)。% 切削速度v/rmin1圖1.1薩洛蒙曲線高速切削起源于20世紀(jì)30年代，當(dāng)時(shí)德國(guó)著名的切削物理學(xué)家卡爾?薩洛蒙博士提出了高速切削假設(shè)，闡述了著名的超高速切削理論，即薩洛蒙原理：如圖1.1所示，在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)（A區(qū)），隨著切削速度的增大，切削溫度及刀具磨損程度呈線性增加，切削速度達(dá)到v1時(shí)，刀具會(huì)因?yàn)闊o(wú)法承受如此高的溫度和磨損而不能繼續(xù)使用，但是當(dāng)切削速度增加到某一數(shù)值v0（一般常規(guī)切削速度的5-6倍）后，切削速度和刀具磨損速度反而隨著切削速度的增加而降低。當(dāng)速度達(dá)到v2以上時(shí)，切削溫度已經(jīng)降到t0以下，又處于刀具允許的切削條件范圍之內(nèi)，因而對(duì)于每一種工件材料，存在一個(gè)從v1-v2的速度范圍（B區(qū)），在這個(gè)速度范圍內(nèi)，由于切削溫度太高（高于刀具材料允許的最高溫度10）,任何刀具都無(wú)法承受，切削加工不可能進(jìn)行，而處于v2以上切削速度的加工，就是高速切削加工。實(shí)踐證明隨著切削速度的提高，切屑形態(tài)從帶狀、片狀到碎屑狀發(fā)展，所需單位切削力在初期呈上升趨勢(shì)，而后急劇下降，這說(shuō)明高速切削比常規(guī)切削輕快，兩者的機(jī)理也不同。高速切削速度比常規(guī)切削速度幾乎高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，正是薩洛蒙理論的出現(xiàn)，才得以使高速切削在理論上成為可能。高速加工是一種不增加設(shè)別數(shù)量而大幅度提高加工效率的技術(shù)，其切削速度范圍與工件材料的種類、加工方式有關(guān)。1.1.2高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用高速加工能顯著地提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本，是一項(xiàng)非常有前景的先進(jìn)制造技術(shù)。高速切削具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、 切削速度和進(jìn)給速度可以同時(shí)成倍數(shù)的提高，是的機(jī)床空行程速度大幅提高，大大減少了空運(yùn)行時(shí)間，從而極大的提高了機(jī)床的生產(chǎn)率；2、 在切削速度達(dá)到一定值后，切削力可降低30%以上，尤其是徑向切削力的大幅減少,特別有利于薄壁類和薄板類等剛性較差的零件的高速精密加工；3、 高速加工中工件熱變形的可能性減小。在高速切削時(shí)，切削的切除產(chǎn)生在極端的瞬間，95%-98%甚至更多的切削熱未及傳遞給工件，就被切削飛速帶走，可基本上保持加工冷態(tài)，這非常有利于加工對(duì)溫度和熱變形十分敏感的零件，特別適用于加工鎂合金零件；4、 高速切削時(shí)，由于切削機(jī)理的變化，加工更為平穩(wěn)，由震動(dòng)產(chǎn)生的加工誤差更小，加工精度和加工表面質(zhì)量都得到較大程度的提高。高速加工條件下，表面硬化層深度和微觀組織的熱損傷都有所減小，同時(shí)在加工表面殘存的應(yīng)力也更小，從而可以保證零件有較好的使用性能。所以高速切削不僅可以大大減少加工工序，提高加工效率，而且可以用于精密件加工和表面有特殊要求的零件的加工；5、 由于高速切削，零件的單件加工時(shí)間縮短了；在億臺(tái)機(jī)床經(jīng)過(guò)一次裝夾就能完成零件所有的粗、半精、精加工，提咼了效率；咼速加工提咼了零件表面粗糙度質(zhì)量，免去了后續(xù)的光整加工以及一部分電加工工序。因此，綜合幾方面的因素，可大幅度降低加工成本。自從提出高速切削技術(shù)以來(lái)，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的探索和研究，隨著數(shù)控機(jī)床、刀具技術(shù)、電腦軟硬件技術(shù)的發(fā)展，80年代末高速切削開始正是應(yīng)用于實(shí)際，90年代開始快速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于模具、汽車、航空航天等領(lǐng)域的各種合金材料、鋁、鋼、鑄鐵及碳纖維塑料等復(fù)合材料的加工。因高速切削具有以上有別于普通切削的特點(diǎn)，所以高速切削已經(jīng)當(dāng)前機(jī)床領(lǐng)域的熱點(diǎn)。1.2電主軸技術(shù)1.2.1電主軸技術(shù)概述主軸是高速機(jī)床的主要工作部件，也是整個(gè)機(jī)床的核心功能部件，而電主軸因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上的優(yōu)越性和具有其他類型主軸無(wú)法代替的性能優(yōu)勢(shì)，幾乎是高速機(jī)床主軸的唯一選擇。電主軸的結(jié)構(gòu)形式和性能將直接決定機(jī)床的性能，因此研究電主軸系統(tǒng)非常有意義。傳統(tǒng)主軸是驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)皮帶、齒輪副等中間傳動(dòng)裝置帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行工作，電主軸(Morirized-Soindle),即電機(jī)內(nèi)置式主軸，是將無(wú)外殼高速電機(jī)空心轉(zhuǎn)子直接熱裝在機(jī)床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的課題內(nèi)，其間不再使用皮帶、齒輪及聯(lián)軸器等中間傳動(dòng)部分，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)軸體，從而實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”的電機(jī)、軸體一體化主軸功能部件，因此又被成為內(nèi)裝式電主軸(Build-inMotor-Spindle)。電主軸是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，包括空心轉(zhuǎn)軸、前后軸承、電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子、冷卻套、外殼等基本機(jī)械部件以及專門的冷卻系統(tǒng)。變頻驅(qū)動(dòng)器、潤(rùn)滑裝置報(bào)警及停車裝置、控制系統(tǒng)等一系列支持電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的外圍設(shè)備，具體結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。與傳統(tǒng)機(jī)床主軸相比，電主軸具有如下特點(diǎn)：1、 主軸由內(nèi)裝式電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，省去了電機(jī)與主軸之間的變速裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊。機(jī)械效率高、震動(dòng)小、精度高和噪聲低等特點(diǎn)；2、 如果采用交流電機(jī)，利用交流變頻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)變速，能夠針對(duì)不同的工況和負(fù)載狀況對(duì)轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整；3、 利用與電機(jī)胚胎的閉環(huán)適量、伺服控制技術(shù)，不但可以實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率的功能，而且可以滿足精確定位停機(jī)和C軸加工需求；4、 電主軸更容易實(shí)現(xiàn)高速化，具有較好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，可以更好的滿足高速、高效、高精加工的要求；5、 由于省去了中間環(huán)節(jié)的外力作用，主軸運(yùn)行更平穩(wěn)，本身不存在對(duì)軸承的額外沖擊，使主軸軸承在良好工作環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)，壽命得到延長(zhǎng)；6、 主軸和轉(zhuǎn)子的直接結(jié)合，使主軸成為真正意義上的獨(dú)立功能部件，能夠更具不同的機(jī)床類型和型號(hào)配置相應(yīng)的電主軸，使主軸標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、單元化和規(guī)?；a(chǎn)逐漸成為現(xiàn)實(shí)。1.2.2國(guó)外電主軸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)由于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家制造業(yè)底蘊(yùn)豐富，綜合技術(shù)水平較高，且對(duì)高速電主軸技術(shù)研究較早，所以電主軸單元發(fā)展較快，技術(shù)水平也處于領(lǐng)先地位，并且隨著變頻技術(shù)及數(shù)字技術(shù)發(fā)展的日趨完善，逐漸形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，在機(jī)床行業(yè)得到普遍應(yīng)用。目前國(guó)外主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家均有裝備優(yōu)良的電主軸專業(yè)生產(chǎn)廠家,可以批量的生產(chǎn)用于高速機(jī)床和加工中心的電主軸，其中著名的有：1、 瑞士的IBAG、STEP-TEC、FISCHER公司；2、 日本的KOYO、NSK公司；3、 德國(guó)的FAG、GMN公司；4、 美國(guó)的PRECISE公司；5、 瑞典的SKF公司；6、 意大利的FOEMAT、GAMFIOR公司等?？傮w上來(lái)看，國(guó)外的高速電主軸具有功率大、轉(zhuǎn)速高、采用高速高剛度軸承、精密加工與精密裝配工藝水平高和臺(tái)套控制水平高等特點(diǎn)。其發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、 繼續(xù)向速度更高、剛度更大的方向發(fā)展；2、 向低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率等方向發(fā)展；3、 電機(jī)類型與控制方式向多樣化方向發(fā)展；4、 進(jìn)一步向高精度、高可靠性和高工作壽命方向發(fā)展；5、 軸承的類型向多樣化方向發(fā)展；6、 向智能化、多功能方向發(fā)展；7、 向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。1.2.3國(guó)內(nèi)電主軸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀中國(guó)機(jī)床行業(yè)近幾年取得了世界矚目的快速發(fā)展，其中數(shù)控機(jī)床發(fā)展最為迅速，在多軸、高速、精密、復(fù)合以及自動(dòng)化程度等方面都取得了明顯的進(jìn)步，尤其在數(shù)控機(jī)床的品種和高速化發(fā)展上進(jìn)展明顯。國(guó)內(nèi)電主軸技術(shù)領(lǐng)域一洛陽(yáng)軸承科技股份優(yōu)先公司（原機(jī)械部洛陽(yáng)軸承研究所）為代表，自從1958年由其為主研制的第一臺(tái)電主軸以來(lái)，該公司已經(jīng)成功自主研發(fā)成功一路系列用于加工中心的電主軸。除此之外，國(guó)內(nèi)的電主軸企業(yè)還有無(wú)錫開源、安陽(yáng)萊泰等一批公司。雖然我國(guó)的電主軸技術(shù)已經(jīng)取得較大的進(jìn)展，但是不論在產(chǎn)品的質(zhì)量、種類方面，還是在產(chǎn)品的性能、標(biāo)準(zhǔn)化等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家仍然存在不小的查均。目前國(guó)產(chǎn)的高轉(zhuǎn)速、高精度數(shù)控機(jī)床所應(yīng)用的電主軸，仍然主要從國(guó)外進(jìn)口。與國(guó)外的先進(jìn)產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品主要存在如下差距：1、 轉(zhuǎn)速較低；2、 輸出轉(zhuǎn)矩較低；3、 我國(guó)的陶瓷球軸承無(wú)論從產(chǎn)量和質(zhì)量都不穩(wěn)定，工作壽命短、性能差，大多依賴進(jìn)口；4、 國(guó)外普遍采用高效而環(huán)保的油氣潤(rùn)滑，而我國(guó)大多仍使用油脂或油霧潤(rùn)滑，國(guó)內(nèi)對(duì)油脂的研制很落后，大多需要進(jìn)口，而油霧潤(rùn)滑污染嚴(yán)重，國(guó)外已不再使用；5、 精密裝配和精密加工工藝水平差距大；6、 在電主軸產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化等方面的專業(yè)程度不夠。1.3小結(jié)本章簡(jiǎn)要介紹了高速切學(xué)技術(shù)理論基礎(chǔ)、應(yīng)用和發(fā)展以及高速機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)；詳細(xì)介紹了高速電主軸技術(shù)的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外電主軸技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外電主軸技術(shù)的差距，為下文關(guān)鍵技術(shù)的分析及設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。2高速電主軸關(guān)鍵技術(shù)2.1主要技術(shù)指標(biāo)根據(jù)《湘潭大學(xué)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)任務(wù)書-機(jī)床高速電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》，所設(shè)計(jì)的機(jī)床高速電主軸主要的指標(biāo)與要求如下：1、 電主軸額定功率22kW；2、 電主軸最高轉(zhuǎn)速不低于20000rpm；3、 電主軸形式：內(nèi)藏式；1：10錐孔，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。2.2電主軸的整體布局設(shè)計(jì)根據(jù)電動(dòng)機(jī)與軸承相對(duì)位置的不同，電主軸的正題結(jié)構(gòu)布局主要有兩種形式：1、 電動(dòng)機(jī)安裝在前、后軸承之間與傳統(tǒng)的通過(guò)齒輪、皮帶帶動(dòng)主軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)相比，這種布局形式能極大的提高整個(gè)主軸系統(tǒng)的剛度，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速，從而能在更高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度下保持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，安全性也很高。這種布局形式優(yōu)點(diǎn)在于主軸單元的軸向尺寸較短，剛度較高，而由于電動(dòng)機(jī)布置在系統(tǒng)的內(nèi)部，散熱條件較差，還需要設(shè)計(jì)一套高效、穩(wěn)定的冷卻系統(tǒng)；2、 電動(dòng)機(jī)安裝在后軸承之后在這一布局形式中，主軸和電動(dòng)機(jī)沿軸向串聯(lián)安裝，軸向尺寸較大，從而使得剛度較小，但徑向尺寸小，非常輕便，適用于小型的數(shù)控機(jī)床。同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)安裝在后軸承之后，散熱條件優(yōu)良。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的電主軸要求能在高速、高功率和高轉(zhuǎn)矩的工況下工作，為達(dá)到較高的加工質(zhì)量、加工精度和主軸系統(tǒng)剛度，故而采用前述的第一種布置形式。2.3軸承及其潤(rùn)滑技術(shù)2.3.1概述軸承是決定電主軸壽命和負(fù)載大小的關(guān)鍵部件。電主軸的軸承應(yīng)滿足高速轉(zhuǎn)動(dòng)的要求具有較高的回轉(zhuǎn)精度和較低的溫升，同時(shí)具有盡可能高的軸向和徑向精度、足夠的承載能力等。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此的研究現(xiàn)狀，電主軸可采用的軸承類型有靜壓軸承、動(dòng)靜壓混合軸承、磁懸浮軸承和滾動(dòng)軸承等。軸承潤(rùn)滑冷卻技術(shù)是電主軸研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，潤(rùn)滑冷卻效果的好壞，將直接決定軸承的發(fā)熱、承載、工作轉(zhuǎn)速和使用壽命，從而影響電主軸的剛度、精度、最高轉(zhuǎn)速和使用壽命，因此有必要對(duì)高速電主軸軸承的潤(rùn)滑冷卻技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究。2.3.2軸承類型的選擇1、靜壓軸承靜壓軸承是一種利用壓力泵將潤(rùn)滑劑強(qiáng)行泵入軸承和軸之間的微小間隙的滑動(dòng)軸承。靜壓軸承為非接觸式軸承，具有磨損小、壽命長(zhǎng)、旋轉(zhuǎn)精度高、阻尼特性好（振動(dòng)?。┑葍?yōu)點(diǎn)，用在電主軸上，可使刀具壽命延長(zhǎng)、表面加工質(zhì)量提高。按潤(rùn)滑劑的種類可以分為兩類，一類是液體靜壓軸承，主要使用油為潤(rùn)滑劑，另一類是氣體靜壓軸承，使用氣體作潤(rùn)滑劑，通常是使用空氣作為潤(rùn)滑劑。在氣靜壓軸承中，采用氣體作介質(zhì)，由于氣膜的均化效應(yīng)，其旋轉(zhuǎn)精度比軸承和軸套表面的圓度誤差值小很多，采用氣靜壓軸承的電主軸旋轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.1“m。氣靜壓軸承工作時(shí)與軸頸沒(méi)有任何接觸，沒(méi)有磨損，在介質(zhì)潔凈、主軸使用合理的條件下，可以達(dá)到相當(dāng)長(zhǎng)的使用壽命；氣靜壓軸承摩擦力矩極小，消耗的功率也極小，產(chǎn)生的熱量非常少，溫升很小，所以電主軸的熱變形較?。涣硗?，采用氣靜壓軸承的電主軸可以較好地保持刀具的鋒銳性，降低加工零件表面粗糙度值，非常適合高精度加工的需要。采用氣體靜壓軸承的電主軸具有轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度高、振動(dòng)和噪聲小、使用壽命長(zhǎng)、摩擦功耗小、無(wú)污染、溫度適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)率高等特點(diǎn)。氣靜壓軸承的缺點(diǎn)是：與滾動(dòng)軸承相比剛度較差，不適合多沖擊和變載荷的加工條件，徑向承載能力較低，尤其不適合重載工況，對(duì)壓縮空氣的清潔度要求較髙使用費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用較高，因此不適合用于高速加工中心電主軸?？諝忪o壓軸承多用于高速輕載和超精密的場(chǎng)合。液體靜壓軸承用潤(rùn)滑油作承壓介質(zhì)，具有回轉(zhuǎn)精度高、剛性較高、轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)振動(dòng)的特點(diǎn)，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在高速條件下，液面攪動(dòng)，功率消耗大，溫升較高，無(wú)法適應(yīng)高速電主軸的工況。2、 動(dòng)靜壓混合軸承動(dòng)靜壓混合軸承是在靜壓軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型多楔油膜軸承,它綜合了靜壓軸承和動(dòng)壓軸承的優(yōu)點(diǎn),克服了靜壓軸承供油系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜龐大和高速下發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題，避免了動(dòng)壓軸承啟停時(shí)易發(fā)生干摩擦的弱點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)速范圍寬、高速性能好、動(dòng)靜態(tài)剛度高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是這種軸承必須進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，單獨(dú)生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，價(jià)格較高，使用維護(hù)較為復(fù)雜，目前在超高速主軸單元中較少應(yīng)用。3、 磁懸浮軸承磁懸浮軸承又稱為磁力軸承，它的原理是在軸頸圓周方向上布置多個(gè)互為180度的電磁鐵，在軸的徑向產(chǎn)生多對(duì)均布的吸力（或斥力），從而把主軸懸浮在空氣中，其工作原理如圖2.1所示。磁懸浮軸承是非接觸式軸承，軸承與軸頸的徑向間隙約為l毫米。主軸工作時(shí)，因受力而發(fā)生一個(gè)極為微弱的空間位置改變，對(duì)應(yīng)的位置傳感器可以測(cè)出這一變化值，然后傳遞給反饋與自動(dòng)控制裝置，控制裝置通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)位置的磁力，使主軸快速的回到理想位置，從而實(shí)現(xiàn)主軸始終繞理想回轉(zhuǎn)中心高速旋轉(zhuǎn)的目的。磁懸浮軸承是目前唯一投入實(shí)用的可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制的先進(jìn)軸承，具有許多傳統(tǒng)軸承不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)速極高；摩擦損失??；壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低；不需要潤(rùn)滑系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)污染；能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能反應(yīng)，具有極高的可控性，可以實(shí)現(xiàn)工作性能的最優(yōu)化。磁懸浮支承電主軸的缺點(diǎn)是：需要輔助支承、額外的傳感器和控制系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜；發(fā)熱問(wèn)題更突出，必須有很好的冷卻系統(tǒng)；價(jià)格昂貴,通常是普通電主軸的兩倍。所以目前磁懸浮電主軸的實(shí)際應(yīng)用并不是很多，但它是一種很有發(fā)展前途的電主軸，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，其成本的不斷降低和性能的不斷提高，會(huì)在實(shí)際生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。4、 滾動(dòng)軸承滾動(dòng)軸承具有剛度高、高速性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、品種規(guī)格繁多、便于維修更換等優(yōu)點(diǎn)，因而在電主軸中得到最廣泛的應(yīng)用。但是隨著高速機(jī)床技術(shù)水平的發(fā)展，電主軸的速度和功率較以往有很大的提高，使用環(huán)境和條件與過(guò)去相比更加苛刻和復(fù)雜，普通的滾動(dòng)軸承已逐漸不能適應(yīng)使用要求。滾珠離心力的大小與軸承轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系，滾珠陀螺力矩與軸承轉(zhuǎn)速和自轉(zhuǎn)速度成正比關(guān)系，軸承在高速運(yùn)行時(shí)，滾珠產(chǎn)生的巨大陀螺力矩和離心力會(huì)加劇軸承的磨損和溫升，導(dǎo)致軸承使用壽命的降低。要想減小陀螺力矩和離心力，通常有減少滾珠直徑（如已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的71900系列主軸軸承）和選用輕質(zhì)材料制造滾珠這兩種方法。減少滾珠直徑會(huì)降低軸承的剛度，而且會(huì)使軸承結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，而后者相對(duì)來(lái)說(shuō)是更可取的，采用氮化硅陶瓷材料代替鋼制成滾動(dòng)體，而其他部分仍采用鋼作為材料的滾動(dòng)軸承，稱之為混合陶瓷軸承，簡(jiǎn)稱陶瓷軸承。工程陶瓷材料（34SiN耐熱、耐腐蝕和耐磨性能優(yōu)異，而且重量輕，可以適應(yīng)高速電主軸軸承的嚴(yán)酷工作環(huán)境。與普通鋼制滾動(dòng)軸承相比，混合陶瓷軸承有以下優(yōu)點(diǎn)：1、 質(zhì)量輕；2、 剛性好；3、 線性膨脹系數(shù)低；4、 硬度高；5、 耐高溫；6、 絕緣等。與同精度等級(jí)同規(guī)格鋼質(zhì)滾動(dòng)軸承相對(duì)比，雖然陶瓷軸承價(jià)格約為后者的2-2.5倍，但可提高60%的速度，溫升降低35%-60%,壽命是后者的3-6倍，陶瓷滾動(dòng)軸承的最咼工作極限D(zhuǎn)m?N值可咼達(dá)3.0X106。另外，由于陶瓷材料性能的特殊，陶瓷軸承可采用小直徑滾珠高密度排列的結(jié)構(gòu)形式，在提高其動(dòng)態(tài)載荷性能的同時(shí)還可以減小軸承寬度，節(jié)省材料。由此可見(jiàn)混合陶瓷軸承性能卓越，性價(jià)比較高，綜合來(lái)看，具有較高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，所以其在高速電主軸方面應(yīng)用日益廣泛，已逐漸取代傳統(tǒng)的鋼制軸承成為電主軸的主流配置，本設(shè)計(jì)的前后支承都采用混合陶瓷軸承。2.3.3軸承的布置與預(yù)緊軸承的布置形式應(yīng)根據(jù)電主軸的使用工況來(lái)選擇，在本研究中，需滿足高速加工中心大轉(zhuǎn)速、高剛度、大功率、高負(fù)載的要求。為保證主軸的剛度，同時(shí)具有相應(yīng)的高速特性，主軸的整體支承結(jié)構(gòu)可采用一端軸向固定一端軸向游動(dòng)的方式，其中主軸前端為固定端，后端為游動(dòng)端，采用這種布置形式，可以較好的適應(yīng)主軸向后熱伸長(zhǎng)的需要，同時(shí)具有較高的剛度和較好的高速性能。用于高速電主軸的滾動(dòng)軸承有圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承和角接觸球軸承等多種軸承形式，其中以角接觸球軸承應(yīng)用最多。角接觸軸承可以同時(shí)承受軸向、徑向聯(lián)合載荷及方向不明確的附加載荷，且允許的極限轉(zhuǎn)速較高，對(duì)于作用在主軸上的載荷可做到速度和剛度之間的最佳匹配，因此可以達(dá)到精密電主軸的高速、高剛度、大功率、高效的要求，可以作為要求較高的前端支承。為提高剛度，角接觸球軸承一般采用多聯(lián)的配置方式，而同一軸承組中的每個(gè)軸承的誤差不盡相同，配對(duì)數(shù)的增加會(huì)降低整個(gè)軸承組的轉(zhuǎn)速，從而影響主軸能達(dá)到的最高速度。成對(duì)的接觸球軸承最好采用背對(duì)背安裝，因?yàn)檫@種安裝方式下同軸承組中的兩個(gè)軸承的接觸點(diǎn)之間有更大的距離，可以產(chǎn)生一個(gè)更大的抗彎力矩，能夠提高支承的總體剛度，從而提高了主軸剛度。后端支承只承受徑向力，不承受軸向力，選用圓柱滾子軸承作為游動(dòng)端。圖2.2結(jié)合利弊，前端選用壓力角為25°，精度等級(jí)為超精密級(jí)（B級(jí)）的角接觸陶瓷球軸承，雙聯(lián)背對(duì)背配置，中間加隔套，后端選用雙聯(lián)陶瓷圓柱滾子軸承（B級(jí)），得到的軸承布置形式如圖2.2所示。軸承的具體選型要在后面軸的設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)安裝段的軸頸選用。2.3.4軸承的潤(rùn)滑該設(shè)計(jì)中軸承采用國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家普遍使用、效果較好、技術(shù)成熟的油氣潤(rùn)滑技術(shù)。油氣潤(rùn)滑的基本原理是利用具有一定壓力的壓縮空氣使微量的潤(rùn)滑油以微小油滴的形式沿管道內(nèi)壁不斷地流動(dòng)，分別連續(xù)不斷地、精確地供給每一套主軸軸承，微小油滴在進(jìn)入內(nèi)外滾道之后形成彈性動(dòng)壓油膜，而輸送油滴的壓縮空氣順便帶走軸承轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的部分熱量，從而實(shí)現(xiàn)軸承的精確、定時(shí)、定量潤(rùn)滑，同時(shí)能夠起到一定的冷卻效果。除了油氣潤(rùn)滑，仍然有其他的多種潤(rùn)滑方式可供選擇。但存在以下的一些缺點(diǎn)故而不予使用：1、 油霧潤(rùn)滑：潤(rùn)滑效果好、高速性能好、可靠性高，同時(shí)可以通過(guò)壓縮空氣帶走大量的熱，但供油量無(wú)法精確控制，油霧無(wú)法有效進(jìn)入潤(rùn)滑區(qū)域，使各摩擦點(diǎn)的油量處于一個(gè)波動(dòng)的狀態(tài)上，對(duì)于軸承壽命有一定影響，同時(shí)油耗嚴(yán)重，排出的油霧會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，損害工人身體健康，進(jìn)入電主軸內(nèi)部，影響電主軸壽命；2、 噴射潤(rùn)滑：這種潤(rùn)滑方式比油霧潤(rùn)滑的效果更好，但功耗更大，對(duì)密封性不夠?qū)е碌臐?rùn)滑油泄漏會(huì)造成更加嚴(yán)重的環(huán)境污染；3、 環(huán)下潤(rùn)滑:這種潤(rùn)滑方式通過(guò)軸承內(nèi)圈的微小孔利用離心力將潤(rùn)滑油甩到軸承內(nèi)部,效果非常好，但機(jī)械結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用較少。2.3.5油氣潤(rùn)滑的結(jié)構(gòu)油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的組成較為復(fù)雜，主要部分如下：1、 供油部分供油部分主要由潤(rùn)滑油箱、油泵、溢流閥、過(guò)濾器、定量分配器和過(guò)濾器組成；2、 供氣部分供氣部分供給穩(wěn)定的壓縮空氣，需要保證干燥和清潔度和一定的壓力，所以有空氣過(guò)濾裝置、油水分離裝置和壓力控制閥；3、 油氣混合部分包含一根管道，油和氣在管道中混合，均勻的分散在管道內(nèi)表面；4、 油氣分配部分通過(guò)噴嘴將混合好的油氣直接噴入軸承。2.3.6油氣潤(rùn)滑的供油量供油量受軸承形式、工況等多種條件影響，所以確定理想的供油量相對(duì)較難，只能盡量靠近合理的范圍，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的介紹，對(duì)于超高速電主軸軸承，所需要的潤(rùn)滑油供油量需根據(jù)軸承形式、油路設(shè)計(jì)狀況和油品特性，由經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)確定［38］。為了根據(jù)實(shí)際需要精確控制前后軸承的分配油量，從結(jié)構(gòu)上可以采取如下措施：前后噴油口的截面積和小于進(jìn)氣口截面積；噴油孔的噴射角與軸線大約成15°，便于直接把潤(rùn)滑油噴射到軸承工作區(qū)；根據(jù)前后軸承實(shí)際需要的不同，將配油環(huán)上的噴油孔設(shè)計(jì)成不同的大小。2.3.7油氣潤(rùn)滑的潤(rùn)滑油的選用潤(rùn)滑油是以極為精細(xì)的方式定量供給于軸承，對(duì)于潤(rùn)滑油的種類、粘度、耐磨性、耐高溫、穩(wěn)定性和油品有較高的要求。一般選用粘度為IS0VG32?IS0VG100的導(dǎo)軌油，盡量不要使用ISOVG22以下的潤(rùn)滑油，重載條件下還應(yīng)考慮選用含耐高壓添加劑的潤(rùn)滑油，同時(shí)禁止使用含有二硫化鉬的潤(rùn)滑油，因?yàn)槠渲械亩蚧f會(huì)停留在噴嘴處，阻塞噴嘴，同時(shí)二硫化鉬會(huì)增加軸承內(nèi)部零件表面的粗糙度，加劇磨損。根據(jù)相關(guān)研究資料，陶瓷球軸承的磨損機(jī)理主要是磨料磨損與化學(xué)腐蝕磨損，抗磨液壓油具有較好的減摩抗磨性能，且適合在各種載荷下工作，是陶瓷球軸承較為理想的潤(rùn)滑油，因此本設(shè)計(jì)擬采用抗磨液壓油作為軸承的潤(rùn)滑油［39］。2.4冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.4.1電主軸的熱源分析高速電主軸的主要熱源主要由以下兩個(gè)部分組成：1、 內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱，其三分之二熱由定子產(chǎn)生，主要體現(xiàn)為通電繞組的銅損，其他的三分之一來(lái)自于轉(zhuǎn)子，主要體現(xiàn)為鐵芯的鐵損和諧波損耗；2、 陶瓷球軸承的發(fā)熱，在高速機(jī)床電主軸系統(tǒng)中，軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度極高，摩擦產(chǎn)生的熱量和對(duì)潤(rùn)滑油的攪動(dòng)將對(duì)電主軸造成一定的溫升。2.4.2冷卻方式的選擇1、 液體冷卻液體冷卻是指根據(jù)電主軸需要的冷卻強(qiáng)度，在外圍配備相應(yīng)的冷卻機(jī)（水冷機(jī)或油冷機(jī)），通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻機(jī)輸出的流量和壓力來(lái)控制主軸的溫升，而冷卻機(jī)的選用應(yīng)根據(jù)電主軸在最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速工況下所需要的冷卻能力來(lái)確定。這種冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，冷卻效果較為明顯，缺點(diǎn)是對(duì)軸芯的冷卻效果較差，冷卻機(jī)成本較高。2、 氣體強(qiáng)制冷卻空氣強(qiáng)制冷卻具有無(wú)污染特性，隨著恒溫車間的日漸廣泛，也得到越來(lái)越多的應(yīng)用?？諝鈴?qiáng)制冷卻的原理是：在電主軸外殼和電機(jī)定子之間設(shè)置一個(gè)強(qiáng)制對(duì)流通道，線圈產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)入到強(qiáng)制對(duì)流區(qū)，經(jīng)過(guò)強(qiáng)制冷卻氣流的熱交換，把熱量帶到周圍的空氣中，從而實(shí)現(xiàn)電主軸的恒溫工作。根據(jù)實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)采用液體冷卻，于機(jī)殼上開一個(gè)專門用于通冷卻液的通道，實(shí)際見(jiàn)圖紙。3高速電主軸的電機(jī)設(shè)計(jì)3.1電機(jī)選型3.1.1對(duì)電機(jī)性能的需求本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的高速電主軸，要保證能夠在持續(xù)高速狀態(tài)下工作，承受較大的切削力和軸向力，并保證在這一工況下運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性和使用壽命，因而對(duì)電機(jī)有吐過(guò)要求：1、 與主軸的設(shè)計(jì)要求相匹配，詳細(xì)的參數(shù)見(jiàn)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第一章；2、 要求有較好的控制性能，因?yàn)橹鬏S系統(tǒng)常處于啟動(dòng)、加減速、制動(dòng)、急停等復(fù)雜工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)電機(jī)的控制性能要求較高：?jiǎn)?dòng)和制動(dòng)時(shí)要求精確可靠，正常工作時(shí)要求速度波動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、抗干擾能力強(qiáng)；3、 要求有較好的散熱性能，因?yàn)橹鬏S系統(tǒng)處于高速、高轉(zhuǎn)矩、高功率的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)熱量較大，故而對(duì)電機(jī)的散熱性能有極大的考驗(yàn)；4、 具備合理的工藝性和經(jīng)濟(jì)性：從維護(hù)方面考慮，內(nèi)藏式電機(jī)結(jié)構(gòu)十分精密，使用環(huán)境較差，裝配技術(shù)要求高，同時(shí)考慮到性價(jià)比，故而要具備一定的工藝性和經(jīng)濟(jì)性，從而方便使用者對(duì)機(jī)床進(jìn)行調(diào)試、裝配和維護(hù)。3.1.2各種類型的電機(jī)對(duì)比電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)主軸，是主軸系統(tǒng)的動(dòng)力部分。將其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩配合機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成工件上的切削力矩，從而加工出需要的零件，其精度對(duì)零件的加工精度影響很大，穩(wěn)定性要求也較高。世界上目前主要采用以下幾種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：1、 感應(yīng)電機(jī)交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：這是最經(jīng)濟(jì)同時(shí)也最普遍應(yīng)用的一種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要代表為普通籠型異步電動(dòng)機(jī)。這一類電機(jī)的可調(diào)功率范圍較大、轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，在變頻調(diào)速下，其機(jī)械特性和調(diào)速性能都十分優(yōu)良，但相應(yīng)的缺點(diǎn)也很明顯，其功率因數(shù)、效率、和轉(zhuǎn)矩密度都處于一個(gè)非常低的水平，同時(shí)體積也非常大，使用時(shí)溫升高，對(duì)冷卻系統(tǒng)要求較高；2、 永磁交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：隨著無(wú)刷式伺服電機(jī)和相應(yīng)的控制技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)由于集成電路和半導(dǎo)體工業(yè)的進(jìn)步，永磁伺服電動(dòng)機(jī)有了突出的進(jìn)展。這一類型的電動(dòng)機(jī)無(wú)電刷，故而工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)的要求較低；定子直接外接外殼，散熱性能優(yōu)異，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，系統(tǒng)響應(yīng)速度快；能夠高效率的在高轉(zhuǎn)矩和高功率工況下運(yùn)轉(zhuǎn)；同參數(shù)下相較于其他電機(jī)尺寸較小，但缺點(diǎn)也很明顯，其弱磁范圍受到一定的限制；3、 開關(guān)磁阻型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：開關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，具備構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、重量輕、效率極高、成本低等許多優(yōu)點(diǎn)，比如，該類型電機(jī)能夠在20kW的功率下輕松達(dá)到100000rpm的轉(zhuǎn)速，具有優(yōu)秀的高速輕載性能，但這種電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)脈動(dòng)、諧波轉(zhuǎn)矩和噪聲都很大，故而其低速性能差。3.1.3電機(jī)型號(hào)的選擇結(jié)合各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行考慮，本設(shè)計(jì)將選用永磁交流電機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用西門子公司的1FE1072-4WH，其主要參數(shù)為：額定功率28.5kW最高轉(zhuǎn)速24000rpm額定扭矩28N?m額定轉(zhuǎn)速9700rpm慣性矩0.00287定子外徑D155mm定子內(nèi)徑Da135mm整體長(zhǎng)度L185mm轉(zhuǎn)子內(nèi)徑58mm根據(jù)西門子公司的技術(shù)文檔，該電機(jī)低速區(qū)為2000~9700rpm，可實(shí)現(xiàn)低速大扭矩運(yùn)轉(zhuǎn),高速區(qū)為9700~24000rpm,可實(shí)現(xiàn)高速高功率運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)以下公式，易求得主軸的最大輸出扭矩：M=9550^-（Nm）式中：p-電動(dòng)機(jī)最大輸出功率，kW；Mn-主軸最大輸出扭矩，N?m；nc-主軸轉(zhuǎn)速，rpm；n-傳動(dòng)效率，此處取0.95。計(jì)算得出：低速區(qū)主軸最大扭矩Mn=9550*（38.2*0.95）/2000=173.3N?m高速區(qū)主軸最大扭矩Mn=9550*（38.2*0.95）/9700=35.7N?m3.2過(guò)盈連接及動(dòng)平衡計(jì)算電主軸要求有嚴(yán)格的動(dòng)平衡，不允許螺紋連接和鍵連接等不平衡連接形式的存在，所以軸與軸上零件的連接都是過(guò)盈配合的形式，其中最主要的是軸與電機(jī)的配合，電機(jī)轉(zhuǎn)子與軸通過(guò)過(guò)盈連接的形式傳遞扭矩，所以過(guò)盈量的大小將影響電主軸的性能。過(guò)盈配合應(yīng)遵循結(jié)合壓力不會(huì)對(duì)連接件造成破壞的前提下，能夠保證結(jié)合強(qiáng)度，不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，可靠地傳遞扭矩。電機(jī)轉(zhuǎn)子與軸之間的配合，不僅要能夠滿足靜態(tài)傳遞能力的要求，而且應(yīng)考慮對(duì)電主軸的動(dòng)態(tài)性能的影響。電主軸的靜態(tài)過(guò)盈量可按下式計(jì)算：△s=&J+c；'TVfiEBr1—cp2l_c；,電主軸的動(dòng)態(tài)過(guò)盈量可按下式計(jì)算：△d二P?2（i+?。?_2?。?_ 2Ece2

式中：p-電機(jī)轉(zhuǎn)子材料密度，7800kg/mT；w-轉(zhuǎn)子角速度，720nIs；Y-主軸材料泊松比，0.3；kc-安全因子，取5；Mt-主軸的轉(zhuǎn)矩，由前可知Mtmax=173.3N?mmM-配合表面的摩擦系數(shù)，此處取0.09E-主軸材料的彈性模量，查表后取2.12*100000N/mmB-配合面的接觸長(zhǎng)度，130mm；r-電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)孔半徑，r=29mm；ce-電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)外徑比，ce=0.69；ci-主軸的內(nèi)外徑比，ci=0.51；整體過(guò)盈量△=△s+Ad,由上面的式子可以看出，動(dòng)態(tài)分量\d的值與轉(zhuǎn)速的平方成正比，主要由離心力確定，因此在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，動(dòng)態(tài)分量相對(duì)來(lái)說(shuō)很小，可以忽略不計(jì)，主軸的過(guò)盈量主要由靜態(tài)分量來(lái)確定，而在較高轉(zhuǎn)速時(shí),主軸和轉(zhuǎn)子會(huì)因離心力的作用產(chǎn)生膨脹，過(guò)盈量會(huì)有較大變化，因此主要由動(dòng)態(tài)部分確定。靜態(tài)分量最小值：Asmin=0.0109mm；動(dòng)態(tài)分量最小值：Admin=0.0094mm；故而Amin=0.0203mm〈Ab=0.040mm,圓整為21微米。4高速電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1外圓平均直徑Dm參考國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的關(guān)于電主軸設(shè)計(jì)資料，同時(shí)根據(jù)本設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)結(jié)合《機(jī)械工程手冊(cè)5》中機(jī)械零部件設(shè)計(jì)部分的設(shè)計(jì)方法中給定的經(jīng)驗(yàn)公式，主軸外圓平均直徑初步設(shè)計(jì)的公式如下：D>D>式中：D-空心軸外徑，mm；T-軸的額定轉(zhuǎn)矩，N?mm；[t]-軸材料許用切應(yīng)力，Mpa；Y-內(nèi)外圓直徑比。根據(jù)第一章所述，軸的額定功率為22kW,最高轉(zhuǎn)速為20000rpm，可求得軸需要傳遞的轉(zhuǎn)矩T=P/2*n/20000=17519N?mm；因主軸系統(tǒng)需要滿足一定的剛度，軸體材料選擇20CrMnTi,其需用切應(yīng)力[t]=40~52Mpa，本設(shè)計(jì)中取[t]=45Mpa，預(yù)選主軸的平均內(nèi)徑20mm,轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為58mm，則主軸的最大外圓直徑為D=68mm,取主軸平均外徑Dm=50mm,丫=0.4,代入公式得D>=Dm>=12.648mm取主軸外圓平均直徑50mm，前軸承處的直徑D1=45mm，后軸承處的直徑D2=40mm。4.2內(nèi)孔直徑d

查閱《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)3》，取d=24mm4.3懸伸量a懸伸量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的剛度影響非常大，在滿足刀具安裝、軸端設(shè)計(jì)以及軸承選型的前提下，盡可能縮小懸伸量的大小，此處初選為48mmo4.4支撐跨距L最佳支撐跨距可以實(shí)現(xiàn)主軸部件的最大靜剛度，因此，選擇合理的跨距是主軸組件設(shè)計(jì)中一個(gè)相當(dāng)重要的問(wèn)題?？缇郘的選擇對(duì)電主軸的影響是雙向的，如果L較小，則軸承的變形會(huì)對(duì)主軸前端的位置產(chǎn)生較大的影響,，如果L過(guò)大，則主軸會(huì)產(chǎn)生較大的變形。在對(duì)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，支撐跨距應(yīng)在合理跨距范圍之內(nèi)，如果結(jié)構(gòu)上不允許，則需對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。對(duì)電主軸而言，支承跨距跟軸承剛度有直接的短息，所以首先確定軸承的型號(hào)并進(jìn)行剛度計(jì)算。4.4.1軸承的選型軸承的剛度對(duì)支撐跨距有較大的影響，因此首先helicopter選擇軸承的類型和型號(hào)。根據(jù)第二章對(duì)軸承的探討，軸承都選用B級(jí)混合陶瓷軸承，采用油氣潤(rùn)滑的方式，前端為雙聯(lián)配置的的角接觸球軸承，后端為雙聯(lián)配置的圓柱滾子軸承。結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，選擇日本NSK公司的45BER10S作為前端軸承，N1008MRKR作為后端軸承，其最高速度在合適的潤(rùn)滑及散熱條件下分別可達(dá)到31500rpm和25000rpm。4.4.2軸承的剛度計(jì)算1、在已知軸向預(yù)緊力的前提下，前軸承的徑向剛度Kr可按下式求出：匚=兀X17.7236x(也)%捋卅(%Jsin/3a'/尸'式中：z-軸承滾動(dòng)體的數(shù)目；a-接觸角；Db-滾動(dòng)體直徑；fO-混合陶瓷球軸承材料修正系數(shù)；F0-預(yù)緊力。根據(jù)NSK公司的產(chǎn)品參數(shù)表以及相關(guān)資料查的：z=25，a=25°，Db=0.005,f0=1.3,F0=200N,計(jì)算得出Kr=215.3N/|Jm。2、對(duì)于后軸承，其徑向剛度Kr可按下式計(jì)算：=1/(0」3CF~=1/(0」3CF~ii3+B\nFr+A+B)其中的系數(shù)為:“8.16+“8.16+r)+l(15-0.51n8.16r7?2E(R2-r)ZlB=~^iC=0.28a0仏”嚴(yán)嚴(yán)3(尺+"。7[(]_$嚴(yán)(1+y)07+(i+y廣3(i_y^1￡--O.O3ZO.13/O.I3式中：Fr-軸承承受的徑向力;Z-滾動(dòng)體數(shù)目，為20；

L-有效接觸長(zhǎng)度，為11；Rl、R2-內(nèi)外滾道半徑，R1為1.4mm,R2為Omm；r-滾動(dòng)體半徑，為3.75mm；a-潤(rùn)滑油粘壓系數(shù)，為3.4*10人(-8)；n0-潤(rùn)滑油粘度，為40；ni-內(nèi)圈轉(zhuǎn)速，為25000；Y-系數(shù)，為0.728。E'為內(nèi)外圈和滾動(dòng)體的當(dāng)量彈性模量，為2.528*10人(11)。代入各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算得出Kr=163.96N/|Jm。4.4.3支承跨距L的計(jì)算根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，最佳跨距跟前懸伸之間可用如下關(guān)系式表示：式中：a-前懸伸量。為48；K1-前支撐剛度，為430.6；K2-后支承剛度，為327.92；n-系數(shù)，約等于1.2。代入公式后解得10/a=3.47，所以最佳跨距10=3.47a=166.56mm,根據(jù)電機(jī)的整體長(zhǎng)度參數(shù)185mm,取L為205mm,在合理跨距范圍之內(nèi)。4.5校核和檢測(cè)4.5.1主軸的靜剛度校核電主軸的剛度會(huì)直接影響加工精度，剛度不足時(shí)會(huì)造成尺寸誤差和形狀誤差的增加，還可能導(dǎo)致震顫，影響使用壽命，因此對(duì)電主軸組件進(jìn)行靜剛度校核。主軸單元的徑向剛度可按下式進(jìn)行計(jì)算：a31a31——a;+2^+2fl+l/2/2/1秋+1根據(jù)之前所計(jì)算的參數(shù)，代入后解得K=244.68N/|Jm。參考國(guó)內(nèi)外電主軸廠家的技術(shù)資料，計(jì)算結(jié)果表明該電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足靜剛度要求。4.5.2主軸的強(qiáng)度校核電主軸在工作時(shí)的受力情況如下圖所示：bI[LJ Vr1\\分L/2a主軸可按彎扭合成強(qiáng)度校核，d值滿足以下條件即可:"彳峠7式中:M-軸計(jì)算截面b-b上的合成彎矩，M=72716N?mm；a-根據(jù)彎矩性質(zhì)而定的折合系數(shù)，取1；T-軸計(jì)算截面上的的轉(zhuǎn)矩，取電機(jī)的最大扭矩173.3N?mm；[O-1]-許用切應(yīng)力，查的[O-1]=60MPa；Y-內(nèi)外軸頸比，已知Y=0.536。代入后解得d=30.1mm,最小軸頸dmin=40>d,故而主軸的強(qiáng)度滿足使用要求。4.5.3主軸臨界轉(zhuǎn)速的校核電主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，振幅隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，達(dá)到某一值時(shí)，振幅達(dá)到最大值,發(fā)生共振，極大的影響加工精度和使用性能。故而需要計(jì)算其臨界轉(zhuǎn)速。一階臨界轉(zhuǎn)速可按下式計(jì)算：式中：nk-軸的一階臨界轉(zhuǎn)速；n01-不裝零件時(shí)的軸的臨界轉(zhuǎn)速；n1-裝有1個(gè)旋轉(zhuǎn)零件的臨界轉(zhuǎn)速;ni-裝有i個(gè)旋轉(zhuǎn)零件的臨界轉(zhuǎn)速。1、不裝旋轉(zhuǎn)零件時(shí)的臨界轉(zhuǎn)速由下式計(jì)算：式中：L-軸的總長(zhǎng)度，320mm；K1-系數(shù)，查表取K1=2.189；E-主軸材料的彈性模量，取E=2.12*10人(5)/mm；I-主軸的平均慣性矩，1=3.873*10人5(mm)人4；W-軸的重量，約取3.5kg。代入后解得n01=110405rpm；2、安裝1個(gè)旋轉(zhuǎn)零件的臨界轉(zhuǎn)速由下式計(jì)算：坷坷=300式中：W1-電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量，取4kg；1-支承跨距，205mm；K2-系數(shù)，取21.66；代入后計(jì)算得出n1=154825rpm；從而求出電主軸的一階臨界轉(zhuǎn)速為nk=89891rpm。由于該電主軸設(shè)計(jì)的最高轉(zhuǎn)速20000rpm遠(yuǎn)低于一階臨界轉(zhuǎn)速，符合設(shè)計(jì)要求，不會(huì)發(fā)生同頻共振。本設(shè)計(jì)關(guān)注了目前國(guó)內(nèi)外的電主軸研究現(xiàn)狀，結(jié)合本科期間學(xué)習(xí)的知識(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，在指導(dǎo)老師的幫助下，設(shè)計(jì)了一根結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良的電主軸。參考文獻(xiàn)1、 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)2、 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)3、 張伯霖，夏紅梅，黃曉明?高速主軸設(shè)計(jì)制造中若干問(wèn)題的探討?廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2000.4、 田華.數(shù)控機(jī)床高速電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析［D］?成都：四川大學(xué)碩士論文，2006.5、 黃紅武，熊萬(wàn)里等?高速大功率精密電主軸中的關(guān)鍵技術(shù)?湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2002.6、 潘慶志.加工中心電主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析［D］.大連：大連理工大學(xué)碩士論文，2009.7、 應(yīng)一職?大功率高速電主軸總體結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)?臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,2009.8、 張珂，孫紅.高速電主軸的原理與應(yīng)用［J］.沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(1)：67—72.9、 肖曙光.高速電主軸關(guān)鍵技術(shù)的研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，1999(12)：5—10.10、 付華.主軸部件的動(dòng)態(tài)特性分析及動(dòng)力修改［D］：(碩士學(xué)位論文).南京:江蘇工學(xué)院，1992.附錄1Siemens1FE1系列電機(jī)結(jié)構(gòu)示意表SynchronousmotorsMainspindlemotorsforSIMODRIVE6111FE1built-inmotorsIDimensiondrawingQHollowshaftSleeveCoolingsheath58(2.28)58(2.28)58(2.28)68(2.68)QHollowshaftSleeveCoolingsheath58(2.28)58(2.28)58(2.28)68(2.68)68(2.68)68(2.68)68(2.68)80(3.15)72(2.83)80(3.15)72(2.83)1FE1motorTypeHigh-Speedseries1FE1051-4....-1BA.1FE1052-4....-1BA.1FE1053-4....-1BA.1FE1072-4W...-1BA.1FE1073-4W...-1BA.1FE1074-4W...-1BA.1FE1082-4W...-1BA.1FE1083-4W...-1BA.1FE1084-4W...-1BA.1FE1085-4W...-1BA.1FE1092-4W...-1BR.1FE1093-4W...-1BA.1FE1093-4W...-1BR.1FE1094-4W...-1BA.

L Dmm(in) mm(in)130(5.12)120(4.72)180(7.09)120(4.72)230(9.06)120(4.72)185(7.28)155(6.10)235(9.25) 155 (6.10)285(11.22)155(6.10)190(7.48)180(7.09)240(9*45)180⑺09)290(11-42)180(7.09)340(13.39)180(7.09)200(7.87)205(8.07)250(9.84)205(8.07)250(9.84)205(8.07)300(11.81)205(8.07)

°a amm(in) mm(in)106(4.17)46(1.81)106(4.17)46(181)106(4.17)46(181)135(5.31)135(5.31)135(5.31)160(6.30)160(6.30)160(6.30)160(6.30)180(7.09)180(7.09)180(7.09)180(7.09)附錄2Siemens1FE1系列電機(jī)性能參數(shù)表SynchronousmotorsMainspindlemotorsforSIMODRIVE6111FE1standardtypebuilt-inmotorsWatercoolingISelectionandorderingdataRatedpowerfordutytypeinaccordancewithIEC60034-1RatedtorqueRatedspeedSpeed,max.1FE1built-inmotorsWatercoolingStandardtypeMomentofinertiaRotorwithoutsleeveWeight,approx.(rotorandstator)^ratedM'atednratecl"maxJmS1S6-40%S1S6-40%kWkWNmNmrpmrpnnOrderNo.kgm?akg(HP)(HF)(lbf-in)(Ibf-in)(lbf-in-s2)(lb)High-Speedseries,4-pole12.6(16.9)17.6(23.6)5(44.3)7(62)24000400001FE1051-4HC■0-1BA■0.00045(0.004)4.1(9.0)6.5(8.7)8.0(107)6.5(57.5)9.0(797)9500300001FE1051-4WN■1-1BA■0.00057(0.005)4.2(9.3)31.4(42.1)35(47)12(106)15.5(137.2)2500040000?1FE1052-4HD■0-1BA■0.00087(0.007)7.15(15.77)23.9(32.0)30(40)12(106)15.5(137.2)19000400003)1FE1052-4HG■1-1BA■0.00087(0.007)7.15(1577)11(15)12(16)13(115)18(159)8000300001FE1052-4WN■V1BA■0.00110(0.0097)7.35(16.21)17.5(23.1)19(26)13(115)17(151)12500300001FE1052-4WK■1-1BA■0.00110(0.0097)7.35(16.21)25.5(34.2)32.5(43.6)18(159)23(204gt;1FE1053-4HH■1-1BA■0.00128(0.0113)10.2(22.5)16.5(22.1)18(24)20(177}27(239}7900300001FE1053-4WN■1-1BA■0.00163(0.0144)10.5(23,2)23(31)25(34)20(177)27(239)11000300001FE1053-4WJ■1-1BA■0.00163(0.0144)10.5(23.2)16(21)16(21)28(248)40(354}5500240001FE1072-4WN■1-1BA■0.00287(0.0254)11.2(247)20(27)20(27)28(248)40(354}6800240001FE1072-4WL■V1BA■0.00287(0.0254)11.2(24.7)28.5(38.2)28.5(38.2)28(248)40(354)9700240001FE1072-4WH■1-1BA■0.00287(0.0254)11.2(24,7)30(40)30(40)42(372)59(522}6800240001FE1073-4WN■T?1BA■0.00430(0.0381)16(35)15(20)15(20)45(398)64(566)3200140001FE1073-4WT■1-1BA■0.00430(0.0381)16(35)41(55)41