【正文】 圖 41 熱傳導(dǎo)有限元分析結(jié)構(gòu) 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 23 電主軸的主要參數(shù) (1)主軸最高轉(zhuǎn)速和恒功率轉(zhuǎn)速范圍 。電主軸通常裝備在高速加工中心上，在設(shè)計(jì)電主軸時(shí)要根據(jù)用戶的工藝要求，采用典型零件統(tǒng)計(jì)分析的方法來(lái)確定這些參數(shù)。 電主軸的結(jié)構(gòu)布局 根據(jù)主電動(dòng)機(jī)和主軸軸承相對(duì)位置的不同，高速電主軸有兩種布局方式： （ 1） 圖 42 所示是 GD2 型高速電主軸，也是一般電主軸的基本結(jié)構(gòu)形式。但整個(gè)主軸單元的軸向尺寸較大，常用于小型高速數(shù)控機(jī)床，尤其適合于模具型腔的高速精密加工。 與一般的主軸部件不同，電主軸最突出的問(wèn)題之一是內(nèi)藏式高速主電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱。冷卻油的流量可按主電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量進(jìn)行計(jì)算。除個(gè)別超高速電主軸采用磁懸浮軸承或液體動(dòng) 靜壓軸承以外，目前國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)高速電主軸都采用角接觸陶瓷球軸承，其滾球用Si3N4材料制成，直徑比同規(guī)格球軸承小 1/3。為了進(jìn)一步降低主軸軸承的溫升， GD2 電主軸上采用了油 氣潤(rùn)滑系統(tǒng)，如圖 45 所示。如果不加以控制，由此引起的熱變形會(huì)嚴(yán)重降低機(jī)床的加工精度和軸承使用壽命，從而導(dǎo)致電主軸的使用壽命縮短。所以，對(duì)電機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對(duì)電機(jī)定子采用冷卻液的循環(huán)流動(dòng)來(lái)實(shí)行強(qiáng)制冷卻。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 27 （ 2）采用新材料 比如采用陶瓷材料做滾珠，陶瓷球軸承與鋼質(zhì)角 接觸球軸承相比，在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠與滾道間的滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦減小，發(fā)熱量降低。因此，主軸軸端的合理設(shè)計(jì)已不容忽視。主軸的膨脹還會(huì)引起刀柄及夾緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離，從而影響主軸的動(dòng)平衡。設(shè)計(jì)一種端面定位并使定位面 具有很大的摩擦以防止主軸膨脹的刀軸連接結(jié)構(gòu)，便可解決上述問(wèn)題。通常認(rèn)為，當(dāng) Dmn 值大于 250 萬(wàn)時(shí)，由于受到潤(rùn)滑介質(zhì)和軸承極限轉(zhuǎn)速的限制，球軸承支承方式對(duì)于主軸來(lái)說(shuō)基本達(dá)到極限，選擇非接觸式支承方式比較經(jīng)濟(jì)有效。所以目前選擇使用球和輥?zhàn)虞S承的支承方式在 電主軸中比較常見(jiàn)。在設(shè)計(jì)電主軸時(shí)，必須嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性原則，鍵連接和螺紋聯(lián)接在電主軸上被禁止使用。如圖 51 安裝硅鋼片的轉(zhuǎn)子內(nèi)套 1 用鉻錳彈簧鋼制造，且其壁厚較小，故有較好的彈性。 為了使轉(zhuǎn)子在裝配后達(dá)到精確的動(dòng)平衡，除了上述對(duì)稱(chēng)性設(shè)計(jì)以外，還必須采取下列兩個(gè)工藝措施：一是轉(zhuǎn)子硅鋼片 3 的外徑 D 在裝配前應(yīng)留有一定的加工余量，當(dāng)轉(zhuǎn)子用熱壓法 (轉(zhuǎn)子一般加溫到 180～ 200℃ )裝入主軸以后，以主軸前、后軸頸為定位支承，把主軸裝夾在車(chē)床上，對(duì)轉(zhuǎn)子的硅鋼片外圓 D 進(jìn)行最后的精車(chē)。常見(jiàn)故障包括以下六個(gè)方面：電主軸升溫過(guò) 高；電主軸剛性差；軸振動(dòng)大；主軸精度差；主軸啟動(dòng)困難；主軸掉速。由于主電 動(dòng)機(jī) 旁邊就是主軸 軸承 ，如果主電 動(dòng)機(jī)的散熱問(wèn)題解決不好，還會(huì)影響機(jī)床工作的可靠性。因?yàn)樘沾汕?軸承 具有以下特點(diǎn)： ① 由于滾珠重量輕，離心力小，動(dòng)摩擦力矩小。合理的預(yù)緊力，良好而充分的潤(rùn)滑是保證主軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件。進(jìn)氣口截面大于前后噴油口截面的總和，排氣應(yīng)順暢，各噴油小孔的噴射角與軸線呈 15186。 （ 3）機(jī)床在操作時(shí)掉刀：夾緊單元損壞或刀抓損壞；拉刀桿損壞或蝶簧損壞。 檢查或排除主軸故障的方法 （ 1） 刀具不能正確夾緊： 清洗和檢查 HSK 面并用“ POWER CHECK”檢查傳感器的設(shè)定值； 檢查更換損壞的刀桿 ； 更換夾緊單元 。 （ 5） 主軸不能轉(zhuǎn)動(dòng) ： 檢查編碼器必要時(shí)更換 ； 檢查電源連接，必要時(shí)更換 ；檢查變頻器輸出電壓，若沒(méi)電壓，根據(jù)變頻器維護(hù)指南維修變頻器； 測(cè)量線圈的電阻差，各個(gè)電機(jī)相之間的差值不超過(guò) 。本次設(shè)計(jì)基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的，設(shè)計(jì)的各項(xiàng)任務(wù)都已完成。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)我的專(zhuān)業(yè)知識(shí)不僅得到了更進(jìn)一步的擴(kuò)展，而且收獲了許多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 總之，通過(guò)這次設(shè)計(jì)我學(xué)到了許多書(shū)本中學(xué)不到的知識(shí)，這次設(shè)計(jì)對(duì)我受益非淺。而且，在設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，還得到許多朋友及熱心人的幫助，在次我也對(duì)他們 說(shuō)聲謝謝。在以后的人生道路上，我會(huì)謹(jǐn)記各位老師教給我的東西，讓自己的人生活的精彩。所以特此申請(qǐng)?jiān)谛Ｍ鈫挝煌瓿僧厴I(yè)設(shè)計(jì)，并及時(shí)交回，希望老師可以批準(zhǔn)我的申請(qǐng)，謝謝！ 學(xué)生：付文娟 校外單位的意見(jiàn)： （需要明確是否接收，或 有公函 /傳真） 已接受該生。整個(gè)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)合理 ，論據(jù)充分，是一篇合格的畢業(yè)論文。 即將就要走出學(xué)校，走入社會(huì)，三年的大學(xué)生活就要結(jié)束，我想謝謝我的各位老師在這三年中對(duì)我的教育和幫助。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 33 謝 辭 在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我遇到了許多的困難，但是最后在指導(dǎo)老師的幫助下都順利的解決了。還可以培養(yǎng)我們嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工作作風(fēng)和認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，對(duì)于我們即將進(jìn)入社會(huì)是非常寶貴的 經(jīng)驗(yàn)收獲。知道了電主軸的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)組成，以及電主軸的各種技術(shù)和電主軸的應(yīng)用領(lǐng)域。 （ 6） 在錠子線圈上的溫度傳感器指示錯(cuò)誤 ： 打開(kāi)冷卻系統(tǒng) ； 測(cè)量變頻器與主軸間的電阻必要時(shí)更換 ； 減小載荷 ； 測(cè)量傳感器電阻 。 （ 3） 機(jī)床在操作時(shí)掉刀： 更換夾緊單元及刀抓 ； 需返回廠家修理 。 （ 5）主軸不能轉(zhuǎn)動(dòng)：編碼器損壞；電源連接中斷；變頻器損壞；極線圈短路。 的主軸故障 引起主軸故障的原因 （ 1）刀具不能正確夾緊：金屬屑、油脂或臟物太多，影象了刀具夾緊；刀桿尺寸誤差超差；夾緊單元磨損或損壞，蝶簧損壞，夾緊力不夠。潤(rùn)滑油霧在充分潤(rùn)滑 軸承 的同時(shí)，還帶走了大量的熱量。 ③ 彈性變形量小，剛度高，壽命長(zhǎng)。 主軸 軸承 是電主軸的核心支承，也是電主軸的主要熱源之一。電主軸單元的內(nèi)部有兩個(gè)主要熱源：一是主軸 軸承 ，另一個(gè)是內(nèi)藏式主電 動(dòng)機(jī) 。當(dāng)電主軸組裝完畢西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 29 后，根據(jù)動(dòng)平衡機(jī)的測(cè)試結(jié)果，在一定的方位上，旋入相應(yīng)的平衡螺絲 并調(diào)節(jié)其旋入深度，直到完全達(dá)到動(dòng)平衡精度后，用環(huán)氧樹(shù)脂將這些平衡螺絲固化 。為了保持主軸結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，轉(zhuǎn)子內(nèi)套上也對(duì)稱(chēng)地加工了另一個(gè)小孔 b。主軸上軸向固定零件用的螺紋套也用與主軸有過(guò)盈配合的圓盤(pán)來(lái)代替。因此必須對(duì)電主軸進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)平衡。通常又細(xì)分為 3 種類(lèi)型： ， Dmn 值小于 100 萬(wàn)， ， Dmn 值小于 150 萬(wàn)， Dmn 值小于 250 萬(wàn)。一類(lèi)是非接觸式支承，包括磁懸浮軸承，氣靜壓軸承，液動(dòng)壓軸承等都屬于這一類(lèi)。m，而且還需預(yù)加過(guò)盈來(lái)消除錐配合的公差帶。但是，高速主軸的前端由于離心力的作用會(huì)使主軸膨脹 (如圖 3)，如 30 號(hào)錐度主軸前端在30000r/min 時(shí)，膨脹量為 4～ 5181。 5 電主軸的設(shè)計(jì) 隨著機(jī)床向高速、高精度、大功率方向發(fā)展，機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛性越來(lái)越好，而主軸與刀具的結(jié)合面多年來(lái)仍沿用標(biāo)準(zhǔn)化的 7/24 錐度配合。角接觸球軸承的發(fā)熱主要是滾子與滾道之間的滾動(dòng)摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦以及潤(rùn)滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的。電機(jī)在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗，從而使電機(jī)發(fā)熱。n 值的增大，降溫效果更好。n 值高達(dá) 210 6)、溫升小、剛度大、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)良特性。由于電主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度高， dm圖 44 所示為西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 25 高速電主軸的外循環(huán)油 % 水冷卻系統(tǒng)。 圖 43 主電動(dòng)機(jī)位于后軸承之后的電主軸 用于銑鏜類(lèi)高速加工中心的電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)中的發(fā)熱問(wèn)題始終是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。 3.冷卻水套 9.角接觸陶瓷球軸承 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 圖 42 GD2型電主軸 （ 2） 主電動(dòng)機(jī)置于主軸后軸承之后，如圖 43 所示，即主軸箱和主電動(dòng)機(jī)作軸向的同軸布置 (有的用聯(lián)軸節(jié) )。前者主要用于航空、航天等工業(yè)加工輕合金、復(fù)合材料和鑄鐵等零件：后者主要用于模具制造、汽車(chē)工業(yè)中高強(qiáng)度鋼或耐熱合金等難加工材料和鋼件的高效加工。 (3)主軸前軸頸直徑和前后軸承的跨距等。 圖 41 是對(duì)某電主軸在額定功率 38kW、額定轉(zhuǎn)速 800r/min 下達(dá)到熱平衡 時(shí)熱傳導(dǎo)有限元分析的結(jié)果。 從以上分析可以看出，為改善電主軸的熱特性，電機(jī)冷卻必不可省。電機(jī)的發(fā)熱主要有定子繞組的銅耗發(fā)熱及轉(zhuǎn)子的鐵損發(fā)熱，其中定子繞組的發(fā)熱占電機(jī)總發(fā)熱量的三分之二以上。增重法是近年來(lái)某些主軸電機(jī)制造商為適應(yīng)高速主軸發(fā)展的需要，在開(kāi)發(fā)出商品化的無(wú)框架主軸電機(jī) (Frameless spindle motor)上常采用的方法。對(duì)于這種等級(jí)的動(dòng)平衡要求，采用常規(guī)的方法僅在裝配前對(duì)主軸的每個(gè)零件分別進(jìn)行動(dòng)平衡是不夠的，還需在裝配后進(jìn)行整體精確動(dòng)平衡，甚至還要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的自動(dòng)平衡系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸在線動(dòng)平衡，以確保主軸高速平穩(wěn)運(yùn)行。確定階梯套基本過(guò)盈量時(shí)，除了根據(jù)所受載荷計(jì)算需要過(guò)盈量外，還需考慮以下因素對(duì)過(guò)盈連接強(qiáng)度的影響： ① 配合表面的粗糙度； ② 連接件的工作溫度與裝配溫度之差，以及主軸與過(guò)盈套材料線脹系數(shù)之差； ③ 主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，過(guò)盈套所受到的離心力會(huì)引起過(guò)盈套內(nèi)孔的擴(kuò)張，導(dǎo)致過(guò)盈量減少，當(dāng)主軸材料和過(guò)盈套的材料泊凇比、彈性模量和密度相差不大時(shí)，過(guò)盈量的修正值與主軸轉(zhuǎn)速的平方成正比，例如，當(dāng)配合處直徑為 66mm，主軸內(nèi)孔為 25mm，過(guò)盈套外徑為 ，傳遞扭矩為 85Nm，轉(zhuǎn)速為 1000r/min 時(shí)，離心力引起的過(guò)盈量減小值僅為 ；而當(dāng)轉(zhuǎn)速為 18000r/min 時(shí)，該值可達(dá) ； ④ 重復(fù)裝卸會(huì)引起過(guò)盈量減??；⑤ 結(jié)合面形位公 差對(duì)過(guò)盈量的影響等。實(shí)施環(huán)下油或者油氣潤(rùn)滑時(shí)，潤(rùn)滑油或油氣從軸承的內(nèi)圈噴入潤(rùn)滑區(qū)，在離心力的作用下潤(rùn)滑油更易于到達(dá)軸承潤(rùn)滑區(qū)，因而比普通的噴射潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑 效果好，可進(jìn)一步提高軸承的轉(zhuǎn)速，如普通油氣潤(rùn)滑，角接觸陶瓷球軸承的do 值為 106 左右，采用加大油氣壓力的方法可將 do 值提高到 106 ，而采用環(huán)下油氣潤(rùn)滑則可達(dá)到 106 。一般地講，增大空氣流量可以提高冷卻效果，而提高油氣壓力，不 僅可以提高冷卻效果，而且還有助于潤(rùn)滑油到達(dá)潤(rùn)滑區(qū)，因此，提高油氣壓力有助于提高軸承的轉(zhuǎn)速。 油氣潤(rùn)滑是將少量的潤(rùn)滑油不經(jīng)霧化而直接由壓縮空氣定時(shí)、定量地沿著專(zhuān)用的油氣管道壁均勻地被帶到軸承的潤(rùn)滑區(qū)。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 技術(shù) 主軸軸承常見(jiàn)的潤(rùn)滑方式有脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑、噴射潤(rùn)滑及環(huán)下潤(rùn)滑等 。磁懸浮軸承由于價(jià)格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)熱問(wèn)題難以解決，因而還無(wú)法在高速主軸單元上推廣應(yīng)用。 2020 年 7 月洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司與德國(guó)博世 力士樂(lè) (中國(guó)有限公司 )電子傳動(dòng)與控制事業(yè)部達(dá)成聯(lián)合開(kāi)發(fā) UndreamtZYS 電主軸 系統(tǒng)品牌的協(xié)議。但閉環(huán)式驅(qū)動(dòng)控制器及高水平的編碼器尚不過(guò)關(guān)。 常見(jiàn)的數(shù)控機(jī)床用電主軸系統(tǒng)的配置可由下圖 23簡(jiǎn)式來(lái)表述 圖 23 電主軸系統(tǒng)的配置 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 大型數(shù)控銑 (含并聯(lián)機(jī)構(gòu)數(shù)控銑 )、小型數(shù)控車(chē) (無(wú)軸定位 )電主軸單元 +開(kāi)環(huán)式驅(qū)動(dòng)控制器 +直流母線能耗制動(dòng)器。 主軸的變速由主軸驅(qū)動(dòng)模塊控制，而主軸單元裝置限制。特別是在一些轉(zhuǎn)速西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 比較高的加工中心、雕刻機(jī)、數(shù)控銑床等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。 電主軸 的問(wèn)世很好地解決了上述矛盾。作為關(guān)鍵部件的主軸單元應(yīng)進(jìn)行系列化、工程化設(shè)計(jì)與制造，不斷提高主軸的轉(zhuǎn)速等性能指標(biāo)，使主軸單元成為一個(gè)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可供用戶使用選擇，能批量生產(chǎn)、穩(wěn)定供貨的優(yōu)質(zhì)部件。 （ 5） 加強(qiáng)宣傳與溝通，提高用戶的信任感。目前洛陽(yáng)軸研科技公司承擔(dān)制訂的國(guó)內(nèi)第一個(gè)數(shù)控機(jī)床電主軸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已進(jìn)入報(bào)批階段。 下圖 11 為電主軸的內(nèi)部示意圖