【正文】 ctrical spindle. Then, the reasonable structure of the electrical spindle is determined. The structure of main ponents 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 verification 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 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 3 頁(yè) 共 41 頁(yè) 目 錄 第一章 緒論 …………………………………………………………… .1 選題的目的及意義 ????????????????????? . 數(shù)控電主軸的國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) ????????????1 數(shù)控機(jī)床電主軸的國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 ?????????? ??? ? 2 數(shù)控機(jī)床電主軸的國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì) ??????????? ? ?? 3 本課題主要研究?jī)?nèi)容 ?????????????????????? 4 第二章 數(shù)控機(jī)床電主軸的介紹……………………………………… 5 機(jī)床電主軸 的工作原理 ??? ??????????? ??????? 5 數(shù)控機(jī)床電主軸的特征 ???????????????? ????? 5 電主軸的關(guān)鍵技術(shù) ????????????????? ?????? 6 電主軸的運(yùn)動(dòng)控制 ???????????????? ??????? 6 第三章 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………………………… 7 電主軸結(jié)構(gòu)圖 ??????????????? ????????? ? 7 同步帶的選擇 ???????????????? ????????? 7 同步帶介紹 ????? ???? ????????????? ??? 同步帶計(jì)算 ?????????????????????? ??? 轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計(jì)和裝配 ?????????????????? ??1 2 軸承的選擇 ?????????????????????????? 14 軸承的選擇 ???????????????????????? ? 軸承材料的選擇 ?????????????????????? ? 冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑 ????????????????? ?????? ..17 熱源的主要構(gòu)成 ? ?????????????????? ??? 冷卻系統(tǒng)的冷卻路線 ?????????????????? ?? 主軸傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算 ????????????? ?????? 電主軸潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ????????????????? ??? 拉刀裝置的設(shè)計(jì) ????????????????? ??????1 6 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 4 頁(yè) 共 41 頁(yè) 模塊化的的拉刀裝置 ?????????????????? ??? HSK的發(fā)展趨勢(shì) ???????????????????????? SK動(dòng)力拉桿系 列 ??????????????????????? SK牽引頭 ????????????????????????? HSK動(dòng)力拉桿系統(tǒng) ??????????????????????? 未來的前景 ????????????????????????? 主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) ???????????? ??????? ???1 8 主軸前端懸伸量的確定 ? ??????????????????? 主軸主支承間的跨距 L的確定 ????????????????? 主軸 的構(gòu)造 ????????????????????????? 主軸擋板的設(shè)計(jì) ??????????????????????? 主軸的材料和熱處理 ??????? ?????????????? 第四章 軸的校 核 …………………………………………………… ..25 軸的強(qiáng)度校核計(jì)算 ????????????????? ??????2 5 軸的剛度校核計(jì)算 ????????????????? ??????2 8 第五章 軸承的校 核 …………………………………………………… 31 角接觸球軸承的校核 ?? ???????????????? ??? ..31 深溝球軸承的校核 ??????????????????????? 32 第六章 電主軸的使用和養(yǎng)護(hù) ………………………………………… 33 第七章 高速精密主軸軸承熱特性 …………………………………… 34 總結(jié) ………………………………………………………………… ..36 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………… .37 致謝 ………………………………… … ……………………………… .39 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 5 頁(yè) 共 41 頁(yè) 第一章 緒論 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程充 分證明，數(shù)控機(jī)床電主軸發(fā)展的滯后，始終是制約我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展的瓶頸問題之一。本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 1 頁(yè) 共 41 頁(yè) TH5632C 數(shù)控機(jī)床高速電主軸數(shù)字化設(shè)計(jì)及其仿真分析 張晶 （ 摘要 本文闡述了高速電主軸的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及趨勢(shì)，并介紹了電主軸的工作原理及關(guān)鍵技術(shù)。高速電主軸的功能部件跟不上，發(fā)展數(shù)控機(jī)床將成為空話。高速電主軸制造技術(shù)成為了決定高端的數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。到 80 年代，隨著國(guó)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(gè)機(jī)械制造領(lǐng)域。同濟(jì)大學(xué)、北京機(jī)床研究所和上海機(jī)床廠在高速電主軸方面也取得了很大的成就。 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 6 頁(yè) 共 41 頁(yè) 國(guó)外電主軸最早用于內(nèi)圓磨床，上世紀(jì) 80 年代，隨著數(shù)控機(jī)床和高速切削技術(shù)的發(fā)展和需要，逐漸將電主軸技術(shù)應(yīng)用于加工中心、數(shù)控銑床等高檔數(shù)控機(jī)床。 IBAG 公司提供的電主軸已經(jīng)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化電主軸最大轉(zhuǎn)速可達(dá) 140000r/min，直徑范圍 33 到 300mm，功率范圍 125WSOkW,扭矩范圍 ～300N國(guó)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(dòng)靜壓軸承，特殊場(chǎng)合采用空氣潤(rùn)滑軸承和磁懸浮軸承。 數(shù)控機(jī)床電主軸的國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì) （ 1） 向高速度、高剛度方向發(fā)展 隨著主軸軸承及其潤(rùn)滑技術(shù)、精密加工技術(shù)、 精密動(dòng)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(jī)床用電主軸高速化已成為目前發(fā)展的普遍趨勢(shì)。高速電主軸的大功率化已是國(guó)際機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向。 （ 3） 電機(jī)形式與控制方式多樣化方向發(fā)展 主軸電機(jī)方面：目前國(guó)內(nèi)外主軸電機(jī)常見的是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，但由于其結(jié)構(gòu)和特性的限制，運(yùn)行狀態(tài)改變時(shí)導(dǎo)致電機(jī)很難在最佳效率點(diǎn)運(yùn)行，功率因數(shù)低、效率低。對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)在低速粗加工時(shí)的重切削多采用恒轉(zhuǎn)矩控制方式 ,高速切削時(shí)精加工采用恒功率控制，在擴(kuò)大永磁電 機(jī)在弱磁區(qū)域的同時(shí)提高穩(wěn)定性也將成為高速電主軸研究熱點(diǎn)問題。提高高速電主軸動(dòng)平衡等級(jí)，降低振動(dòng)，使電主軸壽命更長(zhǎng)。陶瓷球復(fù)合軸承和油氣潤(rùn)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。 本課題主要研究?jī)?nèi)容 （ 1）數(shù)控機(jī)床電主軸總體方案設(shè)計(jì)； （ 2）根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，進(jìn)行工藝分析、結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)計(jì)算和校核； （ 3）繪制裝配圖及其他零 件圖； （ 4）撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 1份，撰寫其他相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)文檔。尤其，進(jìn)行車削粗加工時(shí)，切削量較大，主軸要承受很大的徑向力。在起步及低速段采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，保證低速時(shí)有較大的輸出轉(zhuǎn)矩，滿足低速大進(jìn)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。目前，磁懸浮軸承支撐是最有發(fā)展前途的一種電主軸支承形式。為了盡快給降低高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電主軸溫度，可以對(duì)建筑之的外壁進(jìn)行循環(huán)冷。為了滿足加工中心要求，電主軸要配備能自動(dòng)換刀的裝置，包括拉桿、蝶形彈簧、拉刀汽缸。 9）主軸驅(qū)動(dòng)和數(shù)控系統(tǒng)接口技術(shù) 可以采用高性能的主軸矢量驅(qū)動(dòng)裝置，可選擇 Fanuc、 Siemens、 Indramat 等品牌的主軸驅(qū)動(dòng)裝置?？捎杉庸?duì)象來確定電主軸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式。 我國(guó)目前還沒有較為成熟的高速異步型電主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)人員一般參考設(shè)計(jì)手冊(cè)中傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此用傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法來設(shè)計(jì)高速電主軸 很大的局限性。目前主要有普通變頻驅(qū)動(dòng)和控制、矢量控制驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)和控制以及直接轉(zhuǎn)矩控 制三種控制方式。矢量控制技術(shù)模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，用矢量變換的方法來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和控制，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 12 頁(yè) 共 41 頁(yè) 第三章 機(jī)床電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 電主軸結(jié)構(gòu)圖 圖 加工中心電主軸結(jié)構(gòu)示意圖 電主軸由主軸及主軸箱本體、輔助裝置、檢測(cè)裝置組成。在主軸的后面裝有松刀油缸、旋轉(zhuǎn)接頭 ；前端的內(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。 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 13 頁(yè) 共 41 頁(yè) 同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)目的是確定帶的型 號(hào)節(jié)距帶長(zhǎng) (節(jié)線長(zhǎng)度 )中心距、帶寬及主、從動(dòng)帶輪齒數(shù)，直徑等參數(shù)。 —— 114 177。 轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計(jì) 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。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、鼠籠、轉(zhuǎn)軸三部分組成。 額定功率為 kW，額定 轉(zhuǎn)矩為 114 Nm，電主軸的結(jié)構(gòu)如圖 。其實(shí)際的最大過盈量為 ，配合面實(shí)際產(chǎn)生的最大正壓力為： pmax=aCeCiCiCeE )1)(v2(1 )1)(1( 222 m a x22? ???= (N/mm2) （ 312） 電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)孔配合面上具有最大的切向拉應(yīng)力 σ θemax 和最大的徑向壓應(yīng)力 σ remax，其值為 ： σ θemax (r=a)=pmax= (N/mm2) （ 313） σ remax (r=a)=22max1 )1( CiCeP ?? = (N/mm2) （ 314） 主軸的 σ ri（ r）和 σ θi （ r）均為壓應(yīng)力，其中主軸的配合面上具有最大的徑向壓應(yīng)力 σ rimax，在主軸內(nèi)孔壁處具有最大的切向壓應(yīng)力 σ θimax ，其值為： σ rimax (r=a)=pmax= (N/mm2) （ 315） σ θ imax (r=c)=2max12 CiP??= (N/mm2) （ 316） 電主軸的裝配應(yīng)力分布如圖 。采用兩端固定支承時(shí)，應(yīng)留出適當(dāng)?shù)妮S向間隙，以補(bǔ)償工作時(shí)軸的熱伸長(zhǎng)量，同時(shí)應(yīng)提供適當(dāng)?shù)拈g隙調(diào)整方法。 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 和圖 。 深溝球 軸承 是最具代表性的滾動(dòng)軸承，用途廣泛。本人采用陶瓷球混合軸承。 圖 深溝球軸承 （ 2）彈性模量大、硬度高。 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 電主軸中電機(jī)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。 熱源的主要構(gòu)成 電動(dòng)機(jī)和軸承是主要的發(fā)熱源。 冷卻系統(tǒng)的冷卻路線 車床電主軸主要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(jìn)行冷卻的（如圖 ）。在閉式傳動(dòng)中，如果產(chǎn)生的 熱量不能及時(shí)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。 ?C)，當(dāng)周圍空氣流通良好時(shí)，取偏大值； 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 23 頁(yè) 共 41 頁(yè) S—— 內(nèi)表面能被潤(rùn)滑油所飛濺到，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 60~70 ?C，最高不應(yīng)超過 80 ?C；