【正文】 徑的確定 28 引言 28 冷卻液流量的確定： 28 管道的尺寸確定 29 潤滑系統(tǒng)的選擇： 29 電主軸軸殼的尺寸 29 引言： 30 軸殼的尺寸 305 結(jié)論與展望 31致謝 33參考文獻(xiàn) 35VXXV1 緒論 論文的研究背景及意義 論文研究的背景 隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且要求頻繁改型，特別是在宇航，造船，軍事等領(lǐng)域所需的機(jī)械零件，精度要求高，形狀復(fù)雜，批量小。（3） 電主軸殼體尺寸的設(shè)計(jì)，根據(jù)上面的設(shè)計(jì)完成殼體的相應(yīng)設(shè)計(jì)，并使其滿足殼體設(shè)計(jì)的相應(yīng)要求。確定最小軸向尺寸，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算確定最長外伸端。因此，高速數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展方向之一，是裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)水平的高低和擁有量的多少也是衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平高低的標(biāo)志。高速加工技術(shù)的迅猛發(fā)展和高速數(shù)控機(jī)床需求量的快速增長，而超高速電主軸是實(shí)現(xiàn)高速數(shù)控加工技術(shù)的重要部件，因此對(duì)高速電主軸技術(shù)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。并以此確定主軸的整體尺寸。特別是尺寸精度的要求比較高，殼體的尺寸精度直接影響主軸的綜合精度。加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝和調(diào)整設(shè)備，普通機(jī)床已不能適應(yīng)這些要求，數(shù)控機(jī)床應(yīng)用而生，這種新型機(jī)床具有適應(yīng)性強(qiáng)，加工精度高，加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。而且數(shù)控機(jī)床已成為發(fā)展高速加工技術(shù)的支柱性、決定性因素，而內(nèi)置電主軸電機(jī)的品質(zhì)將直接決定高速數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平。 論文研究的意義 數(shù)控機(jī)床的研究既是市場(chǎng)競爭的制高點(diǎn)，也一直是世界各國競相投入大量人力、物力研究的熱點(diǎn)。它要求動(dòng)平衡高，剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，有良好的熱穩(wěn)定性，能傳遞足夠的力矩和功率，能承受高的離心力，帶有準(zhǔn)確的測(cè)溫裝置和高效的冷卻裝置。電主軸是高速切削機(jī)床最重要的部件也是實(shí)現(xiàn)高速和超高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一 ，因此要電主軸的研究是數(shù)控機(jī)床研究的重中之重，可以說電主軸的發(fā)展水平是衡量一個(gè)國家機(jī)械制造業(yè)的實(shí)力。直到90年代中后期，由于國內(nèi)市場(chǎng)需要，洛陽軸承研究所開始開發(fā)其他用途的電主軸，如印制電路板(PCB)行業(yè)鉆小孔用高速電主軸、小型數(shù)控銑床用電主軸等。目前國內(nèi)生產(chǎn)的磨削用電主軸的轉(zhuǎn)速在15000r/min以內(nèi)；加工中心用電主軸的轉(zhuǎn)速最高可達(dá)30000r/min，轉(zhuǎn)矩達(dá)200N雖然在“十五”期間，我國的數(shù)控機(jī)床的電主軸技術(shù)發(fā)展很快，但國產(chǎn)電主軸從水平、種類、質(zhì)量等方面，與國外先進(jìn)國家相比還存在很大的差距。近幾年美國、日本、德國、意大利、英國、加拿大和瑞士等工業(yè)強(qiáng)國爭相投入巨資大力開發(fā)此項(xiàng)技術(shù)。其中最具代表性有美國福特公司和Ingerso1l公司聯(lián)合推出的HVM800臥式加工中心的大功率電主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min由靜止升至最高轉(zhuǎn)速僅需15s。m。(3)精密加工與精密裝配工藝水平高。其中永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)是目前最主要的研發(fā)方向。但是一般情況下，永磁同步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速不會(huì)超過3000r/min，這就要求永磁同步電機(jī)具有較高的弱磁調(diào)速功能。另外一種數(shù)控機(jī)床電主軸也得到了關(guān)注，那就是開關(guān)磁阻電機(jī)機(jī)床主軸，其具有的優(yōu)勢(shì)如下：系統(tǒng)效率高，輸出功率大。但是其缺點(diǎn)也是很明顯，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，電機(jī)和控制器的成本和復(fù)雜度高。這方面的研究進(jìn)展在很大程度上依賴于超導(dǎo)材料的進(jìn)展。(3)新材料的研究。 在靜壓軸承方面主要有以下幾個(gè)研究方向：（1）油螺旋式液體靜動(dòng)壓軸承。（3）圓錐浮環(huán)動(dòng)靜壓軸承。通過理論和試驗(yàn)均表明：和一般的動(dòng)靜壓軸承相比，軸承摩擦功耗小，并且隨著軸承數(shù)的升高，偏心率的加大，摩擦功耗降低的幅度也大。隨著轉(zhuǎn)子系統(tǒng)向大型化高速化發(fā)展，轉(zhuǎn)子相對(duì)比較細(xì)長，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變得突出。隨著機(jī)床向高速、重載、高精度方向發(fā)展，越來越多的磨床采用動(dòng)靜壓推力軸承。 本論文研究的目的和內(nèi)容首先，電主軸在各個(gè)行業(yè)都具有相當(dāng)大的用途，它決定了一個(gè)國家的制造業(yè)的水平，誰在電主軸上領(lǐng)先，誰在整個(gè)制造業(yè)就擁有話語權(quán)。2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式、控制方式 “高速電主軸”的概念是一套組件，包括：定子、轉(zhuǎn)子、軸承、高速變頻裝置、潤滑裝置、冷卻裝置等組成。 電機(jī)的控制形式： 普通變頻驅(qū)動(dòng)和控制 普通變頻器為標(biāo)量驅(qū)動(dòng)控制，其驅(qū)動(dòng)控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，即輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。 ——電動(dòng)機(jī)在100％運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)，負(fù)載是連續(xù)不變的。45鋼的參數(shù)為：A=106～98,[τ]=30～40MPa；所以取:A=100。同時(shí)，數(shù)控機(jī)床電主軸一般選用混合陶瓷球軸承，我國自行設(shè)計(jì)的陶瓷球軸承與國外存在一定的差距，因此選用GMN公司生產(chǎn)的SC61902C TA陶瓷球軸承。為了提高軸承的支撐剛度，同時(shí)為了滿足外伸端的軸端振動(dòng)量要求，因此選用c）所示的配置形式。因此每個(gè)軸承的生產(chǎn)廠家，針對(duì)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載的電主軸選用不同的預(yù)緊力。因此在此范圍內(nèi)的跨距被稱為合理跨距，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先滿足合理跨距。圖33主軸受力示意圖根據(jù)材料力學(xué)外伸梁的撓度公式可知：= （35）設(shè)：外伸端處的軸承為B；右邊的軸承為A；軸承B到交點(diǎn)處距離為X，為A端軸承受力時(shí)徑向發(fā)生的位移。 主軸的校核： 主軸的受力圖如下圖35所示：圖35主軸的受力圖由靜力平衡條件求得兩端軸承的支反力，A、B端受力如下：=0 （313） 0 （314）A、B端受力大小如下： =；=；作出內(nèi)力圖，確定危險(xiǎn)截面：軸的扭矩圖和彎矩圖如圖36和37所示：圖36主軸的扭矩圖圖37主軸的彎矩矩圖 根據(jù)彎矩圖與扭矩圖可知，主軸在截面B處所獲得的彎矩和扭矩最大，因此主軸截面B是主軸的危險(xiǎn)截面，根據(jù)第四強(qiáng)度理論及公式對(duì)軸進(jìn)行校核： 將、代入下式：===13MPa （315） 由于=600MPa；；因此主軸軸向尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。 動(dòng)態(tài)過盈和靜態(tài)過盈計(jì)算此次設(shè)計(jì)的電主軸電機(jī)轉(zhuǎn)子的基本尺寸為：轉(zhuǎn)子的外徑2b=44mm,轉(zhuǎn)子內(nèi)孔直徑2a=24mm；轉(zhuǎn)子的軸向長度為77mm，轉(zhuǎn)子配合面的有效接觸長度C＝77mm。 要滿足電主軸的高速性能，電機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸配合面間的動(dòng)態(tài)過盈分量的最小值可由下式求得：==mm （318） 由于電動(dòng)機(jī)功率是通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸間的無鍵過盈配合進(jìn)行傳遞的，所以配合面的動(dòng)力傳遞能力由配合面間的摩擦力矩確定：= （319） 式中：——主軸的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，單位為：N。 定子與轉(zhuǎn)子配合公差的校核，配合面實(shí)際產(chǎn)生的最大正壓力為： （323） 電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)孔配合面上具有最大的切向拉應(yīng)力和最大的徑向壓應(yīng)力其值為： （324） （325） 由此可見，電主軸的危險(xiǎn)點(diǎn)在電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)，根據(jù)第三強(qiáng)度理論：= （326） 電機(jī)轉(zhuǎn)子襯套材料的許用應(yīng)力為287，σr3＜［σ］，使用安全。 密合度的計(jì)算： 密合度的計(jì)算式如下： （328）式中：——密合度； ——溝曲率半徑系數(shù)，=；r——滾道曲率半徑，單位為mm； ——球的直徑，單位為mm； 可得： 由于；，可得：軸承的壽命的計(jì)算公式為：= (329) 式中： ——陶瓷球的離心力作用在陶瓷球上。4 輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 引言：電主軸雖比傳統(tǒng)主軸剛度、精度較高，受力后的彈性變形很小，但是電機(jī)的內(nèi)置結(jié)構(gòu)使得散熱較差，尤其是在高速數(shù)控機(jī)床中運(yùn)動(dòng)副摩擦和電機(jī)熱表現(xiàn)的更為突出。電損耗：電流流經(jīng)轉(zhuǎn)子和定子所發(fā)出的熱量。根據(jù)資料可知：=；=；= 電損耗： 由于轉(zhuǎn)子和定子的繞組采用銅線，因此電損耗的計(jì)算公式如下：= (42)式中：——電損耗功率，單位為：W； ——電流，單位為：A； ——導(dǎo)體的電阻，單位為：； ——導(dǎo)體的電阻率； ——導(dǎo)體的長度，單位為：m； ——導(dǎo)體的截面積，單位為：。循環(huán)磁化時(shí)單位質(zhì)量的磁損耗：= (43)式中：——磁滯損耗功率，單位為：W； ——與電工鋼牌號(hào)有關(guān)的常數(shù)； ——磁化頻率，單位為； ——磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值，單位為：T。根據(jù)資料可知：t=；=；=： 陶瓷球軸承的發(fā)熱計(jì)算： 滑動(dòng)軸承的摩擦損耗和所用潤滑油的粘度及品質(zhì)、軸頸的圓周速度、工作表面的加工質(zhì)量以及軸頸直徑和長度之比等因素有關(guān)。流量的計(jì)算如下：=+ (47)式中： ——冷卻液出口溫度，單位為：； ——冷卻液入口溫度，單位為：； —— 液體的密度，單位為kg/； ——冷卻液體流速，單位為：m/s； ——冷卻液體的比熱容，單位為：KJ/Kgk； 根據(jù)設(shè)計(jì)要求：電主軸的工作溫度不能高于40度，因此=35；=0；=；=；將上面的數(shù)據(jù)代入，可得：= 管道的尺寸確定 應(yīng)根據(jù)冷卻液的流速來確定，計(jì)算公式如下：= (48)式中： d——管道的尺寸，單位為:mm； ——Qv為流量，單位為：/h； ——冷卻液體流速，單位為：m/s；流量的計(jì)算：=