【正文】 主軸已問世，其轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，不發(fā)熱，解決了電主軸結(jié)構(gòu)的最大負(fù)效應(yīng)——內(nèi)裝式電動機(jī)散熱不良的問題。(4)配套控制系統(tǒng)水平高。永磁同步電機(jī)是一種新興的主軸電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)明顯:轉(zhuǎn)子溫升低，在低限速度下，可以作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。在弱磁控制的區(qū)間內(nèi)，電壓通常會非常接近電壓極限值，一旦超出電壓極限就會造成轉(zhuǎn)矩輸出結(jié)果變差。開關(guān)磁陰調(diào)速式主軸在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)，整體效率比其它系統(tǒng)高出10%以上，在低轉(zhuǎn)速下高效率更加明顯。電主軸軸承未來的發(fā)展趨勢是氣浮軸承、靜壓軸承和磁懸浮軸承的研究。高溫超導(dǎo)陶瓷材料由于其固有的屬性及具體加工技術(shù)的原因,實(shí)際應(yīng)用十分有限,還需有很大的突破。新材料的研究成功無疑將使磁懸浮軸承突破離心力、磁飽和、磁滯等特性的限制。靜動壓混合軸承兼有靜壓及動壓相承的特點(diǎn)，它在高速時(shí)以動壓為主，在低速時(shí)以靜壓為主，不但改善了軸承的性能，也有效地降低供油系統(tǒng)的功率損耗。為了克服油潤滑滑動軸承在高速、超高速時(shí)摩擦功耗急劇上升且容易失穩(wěn)的弱點(diǎn)，提出滑動軸承－圓錐浮環(huán)動靜壓軸承，該軸承兼具動壓、靜壓、圓錐、浮環(huán)軸承之優(yōu)點(diǎn)，它是在圓錐動靜壓軸承的基礎(chǔ)上，在軸頸和軸瓦之間嵌入一層或多層錐型動靜壓浮環(huán)。(4)上瓦開周向槽橢圓軸承， 上瓦開周向槽橢圓軸承上瓦開周向槽橢圓軸承是一種改型橢圓軸承?？蓛A瓦軸承穩(wěn)定性好，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，徑向尺寸大， 成本高，上瓦帶擋板橢圓軸承是在橢圓軸承的上瓦內(nèi)安裝一徑向擋板。楊軍等研究了一種應(yīng)用于外圓磨床HSDB l動靜壓推力軸承。其次，在設(shè)計(jì)的過程中可以全面了解數(shù)控機(jī)床電主軸的知識，并把在學(xué)校所學(xué)的知識都有一個(gè)很好的回顧。電主軸的結(jié)構(gòu)圖如圖21所示：1—定子；2—轉(zhuǎn)子；3—彈簧；4—主軸；5—軸承端蓋；6—定位螺母；7—螺栓M8；8—套杯；9—油封；10—混合陶瓷球軸承；11—軸承端蓋；12—螺栓M10圖21電主軸結(jié)構(gòu)示意圖 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)要求。標(biāo)量驅(qū)動控制轉(zhuǎn)矩、功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖22和23所示。圖23標(biāo)量控制電主軸功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動和控制 矢量控制驅(qū)動特性表現(xiàn)為：在低速端為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，在中高速端為恒功率驅(qū)動，其轉(zhuǎn)矩和功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖24和25所示：圖24矢量控制電主軸轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖25矢量控制電主軸功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 有的矢量控制驅(qū)動器在高速端或最高速端的功率和轉(zhuǎn)矩均略有下降的特性，如圖26和27所示： 圖26矢量控制電主軸轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 圖27矢量控制電主軸功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 電主軸控制形式和驅(qū)動形式的選擇電主軸是用在機(jī)床上的，負(fù)載應(yīng)該是斷續(xù)的，應(yīng)該按來選擇功率和轉(zhuǎn)速比較經(jīng)濟(jì)，電主軸的轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為： （21）根據(jù)轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)矩T，功率P，可選擇矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動和控制。最小截面直徑：。SC61902C TA的參數(shù)如表31所示：表31 SC61902C TA參數(shù)型號SC61902C TA精度P4組配方式正排列內(nèi)徑 d (mm)15外徑 D (mm)28寬度 B（mm）7滾動體直徑(mm)滾動體數(shù)目 Z13接觸角α(度)15186。 軸承預(yù)載荷的確定： 角接觸球軸承一般必須在軸向有預(yù)加載荷條件下才能正常工作。根據(jù)資料可知,SC61902C TA的預(yù)緊力為： (31)在已知軸向預(yù)緊力的前提下，可知角接觸球軸承徑向剛度可近似地按：= (32)可知=，因此：SC61902C TA的徑向剛度：=（N/mm） (33) 電主軸主軸的設(shè)計(jì) 引言 轉(zhuǎn)軸是高速電主軸的主要回轉(zhuǎn)體，其設(shè)計(jì)直接影響電主軸的工作壽命，精度及各項(xiàng)參數(shù)。如圖33所示，主軸前端在一定的外載荷P的作用下，主軸本身及其支軸承發(fā)生變形。根據(jù)公式：=0 （36） 0 （37）根據(jù)幾何公式： X= （38） （39）所以： =+ （310）根據(jù)：最小撓度的要求，對對上式進(jìn)行求導(dǎo)： （311）根據(jù)主軸的材料可知：將E=210GPa，I=，K=,P=100N代入上式可得： （312） 105mm根據(jù)：可知：。4 輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計(jì) 引言 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。主軸配合面的基本尺寸為：外徑2a＝24mm，內(nèi)孔直徑為2c＝0mm；電機(jī)的最高轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為20000r／min，／s。 機(jī)床主軸與電動機(jī)轉(zhuǎn)子單位配合面的摩擦力dF為: （320） 式中：——配合面的有效接觸長度，單位為：m； ——單位圓心角，單位為：rad； ——配合表面的摩擦系數(shù)； ——安全因子，一般2～4。 軸承壽命的估算 引言 軸承技術(shù)作為電主軸的關(guān)鍵技術(shù)，為了滿足高轉(zhuǎn)速和高剛度軸承的需求，軸承的大小和排列方式?jīng)Q定電主軸的最高轉(zhuǎn)速，在高轉(zhuǎn)速的情況下，軸承的工作壽命能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，就顯得尤為關(guān)鍵。 陶瓷球的離心力的計(jì)算： 陶瓷球的離心力的計(jì)算式如下： (330)式中： ——材料的密度，單位kg/； ——球的直徑，單位為m； ——陶瓷球公轉(zhuǎn)角速度，單位rad/s； ——軸承中徑，單位為m； 混合陶瓷球軸承材料為：氧化硅（HIPSN）陶瓷球軸承密度為：=；=；=；=；帶入可得：= 的計(jì)算： 根據(jù)估算公式可知，需要數(shù)據(jù)：= (331)式中： ——軸承指數(shù)，對球軸承=3； ——基本額定動載荷； ——當(dāng)量動載荷； 當(dāng)量動載荷與實(shí)際載荷的關(guān)系為：=XR+YA (332)式中： R——軸承所受徑向載荷； A——軸承所受軸向載荷； X——徑向載荷系數(shù)； Y——軸向載荷系數(shù)； R的計(jì)算如下所示： 根據(jù)上面計(jì)算可知：在AB段有一個(gè)空心的轉(zhuǎn)子，由于轉(zhuǎn)子是由優(yōu)質(zhì)矽鋼片迭壓而成，屬于45鋼，因此轉(zhuǎn)子的重力為：G= (333) 將=；=：G=由于G==100N相比，要小的很多，G可以忽略。機(jī)床是在非恒定的內(nèi)、外熱源的共同作用下工作的，機(jī)床主軸系統(tǒng)因各部分零件的材料、結(jié)構(gòu)、形狀及冷卻、潤滑等情況不同會使系統(tǒng)的溫升情況不同，形成一個(gè)復(fù)雜的溫度場，若發(fā)熱不能及時(shí)排除或減少，會使各個(gè)零件產(chǎn)生不同程度的變形，進(jìn)而對加工表面質(zhì)量、加工精度產(chǎn)生影響。磁損耗：定子，轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)因磁滯和渦流所造成的主要損耗。根據(jù)資料可知：功率小于5KW的電機(jī)的繞線采用單層排列。根據(jù)資料可知：由于使用的是硅鋼片，因此當(dāng)：=～，a=2。滾動軸承的摩擦損耗可以用的數(shù)值公式為: (45)式中： ——滾動軸承的摩擦損耗,單位為：W； F——軸承的載荷，單位為：N； d——滾子中心所處的直徑，單位為：m； ——滾珠中心的圓周速度，單位為：m/s；根據(jù)計(jì)算可知：F=；d=；=45m/s；因此：總的發(fā)熱功率為P:P=++++ (46) = 冷卻液流量的及冷卻油管直徑的確定 引言 電主軸常用的冷卻方式是利用循環(huán)冷卻水降低主軸系統(tǒng)的溫升，高速電主軸的冷卻系統(tǒng)主要依靠冷卻液的循環(huán)流動來實(shí)現(xiàn)。 潤滑系統(tǒng)的選擇：常用的潤滑方式有：油脂潤滑，油霧潤滑和油氣潤滑，其中油霧潤滑對環(huán)境污染大，會對工作人員造成健康傷害；油氣潤滑潤滑效果最好，潤滑的同時(shí)能對軸承進(jìn)行冷卻，常用于超高速電主軸，而且該潤滑方式需獨(dú)立設(shè)計(jì)潤滑系統(tǒng)，成本高昂結(jié)構(gòu)復(fù)雜；脂潤滑是最簡單的潤滑方式，選擇合適的潤滑劑能保證軸承的穩(wěn)定工作，同時(shí)由于采用陶瓷滾珠，大大減少了軸承系統(tǒng)的溫升，加上系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速為20000r/min；系統(tǒng) Dn ，因此選擇白色特種鋰基脂做為本文所設(shè)計(jì)的電主軸的潤滑方式。 軸殼的尺寸 軸殼尺寸如表41所示：表41 軸殼尺寸 名稱尺寸殼體壁厚10mm殼蓋壁厚10mm地腳螺釘直徑M12地腳螺數(shù)目4軸承旁聯(lián)接螺栓直徑M10連接螺栓的間距80mm定位銷直徑GB/T117 1060 殼座和殼蓋聯(lián)結(jié)螺栓直徑M6軸承端蓋螺釘直徑M6殼座凸緣厚度15mm殼蓋凸緣厚度15mm殼座底凸緣厚度25mm 355 結(jié)論與展望本論文以高速數(shù)控機(jī)床電主軸結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)對象，對額定工作條件下工作的數(shù)控機(jī)床電主軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在主軸的尺寸確定之后，根據(jù)主軸的徑向尺寸確定軸承的選擇，由于數(shù)控機(jī)床電主軸的轉(zhuǎn)速為20000r/min,因此軸承將產(chǎn)生很大熱量。由于數(shù)控機(jī)床電主軸處于密封的狀態(tài)之下，而且其轉(zhuǎn)速為20000r/min，因此發(fā)熱量也很大，需要有專門的散熱裝置，根據(jù)發(fā)熱分析及相應(yīng)的計(jì)算，可以確定總發(fā)熱量，根據(jù)總發(fā)熱量確定散熱系統(tǒng)的流速。而且數(shù)控機(jī)床電主軸將會標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化。就大規(guī)模的制造而言，數(shù)控技術(shù)將會在未來的制造業(yè)中占有舉足輕重的作用。在這里我首先要感謝王恪典老師，是他將我領(lǐng)入數(shù)控機(jī)床電主軸的領(lǐng)域，并對我的設(shè)計(jì)提出了很多寶貴的意見。在我繪圖時(shí)，遇到不會處理的問題時(shí)，其他同學(xué)給予我很大的幫助