【正文】 30000r/ min，轉(zhuǎn)矩達(dá)200N目前電主軸已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床最主要功能部件之一，世界上形成許多著名的機(jī)床電主軸功能部件專業(yè)制造商，它們生產(chǎn)的電主軸功能部件已經(jīng)系列化。m。(3) 精密加工與精密裝配工藝水平高。電主軸的功率和轉(zhuǎn)速是受電主軸體積及軸承限制的，DmN值是反映電主軸剛度和轉(zhuǎn)速的一個(gè)重要的綜合特征參數(shù)，DmN值越大，其電主軸性能越。近年大功率半導(dǎo)體器件有了飛躍性發(fā)展，已經(jīng)完全可以滿足現(xiàn)有的電主軸應(yīng)用場合所要求的功率等級(jí)，這為高速電主軸的大功率化奠定了基礎(chǔ)。雖然采用變頻調(diào)速、矢量控制、功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)改善了電機(jī)系統(tǒng)的效率，但由于感應(yīng)電機(jī)的工作原理決定其運(yùn)行效率的提高是有限的，特別是在位置和速度要求非常高的高精度高速電主軸系統(tǒng)中應(yīng)用有時(shí)很難滿足系統(tǒng)要求。此外，柔性主軸及其軸承彈性支承技術(shù)的研究也將進(jìn)一步深化。在保證轉(zhuǎn)速的情況下，應(yīng)盡量降低電主軸的整體振動(dòng)。在非接觸式軸承中，磁浮和氣浮軸承不斷發(fā)展，已有系列產(chǎn)品出現(xiàn)。第2章 數(shù)控車床電主軸的介紹 車床電主軸的工作原理 電主軸作為加工中心的核心部件，它將機(jī)床主軸與交流伺服電機(jī)軸合二為一，即將主軸電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，并經(jīng)過精確的動(dòng)平衡校正，具有良好的回轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性，形成一個(gè)完美的高速主軸單元，也被稱為內(nèi)裝式電主軸，其間不再使用皮帶齒輪傳動(dòng)副，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。為了保證加工精度、避免振動(dòng)，要求電主軸具備較高的剛度，特別是徑向剛度； （3）抗振性強(qiáng)機(jī)床工作時(shí)，主軸部件不僅受靜態(tài)力的作用，同時(shí)還受其他沖擊力和交變干擾力的作用而產(chǎn)生振動(dòng)。對(duì)一些低速要求高的電主軸，應(yīng)采用高性能的矢量變頻器控制；（5）熱特性穩(wěn)定由于電主軸是將高速電機(jī)置于機(jī)床主軸部件內(nèi)部，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子和軸承的的發(fā)熱量很大，并引起熱變形，直接影響機(jī)床的工作性能和加工精度，因此要求電主軸的熱態(tài)性能穩(wěn)定[2]。主軸的變速由主軸驅(qū)動(dòng)模塊控制，而主軸單元內(nèi)的溫升由冷卻裝置控制。同步帶傳動(dòng)和V帶、平帶相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 傳動(dòng)準(zhǔn)確，無滑動(dòng)，能達(dá)到同步傳動(dòng)的目的；(2)傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98?%；(3)速比范圍大，允許線速度也高；(4)傳遞功率范圍大，從幾十瓦到幾百千瓦；(5)結(jié)構(gòu)緊湊，還適用于多軸傳動(dòng)?！?4177。132帶入上式的Po= (kw)(b). 計(jì)算小帶輪嚙合齒數(shù)ZmZm=—（Z2Z1）=6 (c). 確定實(shí)際所需帶寬bэP≈PoKzKw （36）式中： P——帶所能傳遞功率 kw Kz——嚙合系數(shù)，因Zm6 故Kz=1 Kw——，H型帶bэ??=將P式代入P≥Pd則bэ≥bэ??= (9) 驗(yàn)算= 20 kw額定功率大于設(shè)計(jì)功率，則帶的傳動(dòng)能力已足夠，所選參數(shù)合格[4]。它的特點(diǎn)是：非接觸式，無摩擦和磨損，體積小，重量輕，機(jī)構(gòu)緊湊，安裝方便，維護(hù)簡單，其具有高精度，大量程測量等。轉(zhuǎn)子是中頻電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，它的功能是將定子的電磁場能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。主軸配合面的基本尺寸為：外徑2a＝，內(nèi)孔直徑為2c＝46mm。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Δdmin可由下式求得：　Δdmin==　 （39）要滿足電主軸的扭矩傳遞能力，電機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸配合面之間的靜態(tài)過盈分量的最小值Δsmin可由下式求得：　　 Δsmin=(+)= （310）根據(jù)計(jì)算可知，高速電主軸要求的動(dòng)態(tài)過盈量Δdmin是其要求的靜態(tài)過盈量的6倍多，由此可見，高速主軸的過盈量主要由動(dòng)態(tài)過盈量確定?！≈鬏S與轉(zhuǎn)子過盈配合的應(yīng)力分布 軸承的選擇按軸系零件軸向定位方法的不同，軸的支承結(jié)構(gòu)可分為三種基本型式：兩端固定支承，一端固定、一段游動(dòng)支承和兩端游動(dòng)支承。首先通過對(duì)軸的受力分析得到了軸承的大致載荷在3000~4000N左右，屬于中等載荷，故采用球軸承；接著看轉(zhuǎn)速，球軸承與滾子軸承相比較，有較高的極限轉(zhuǎn)速，電主軸的轉(zhuǎn)速在1000~8000r/min，所以優(yōu)先選用球軸承。它能在較高的轉(zhuǎn)速下工作，接觸角越大，軸向承載能力越高。深溝球軸承的摩擦系數(shù)很小，極限轉(zhuǎn)速也很高， 特別是在軸向載荷很大的高速運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，深溝球軸承比推力球軸承更有優(yōu)越性。（1）陶瓷球混合軸承材料Si3N4，密度只有鋼的40%。（3）膨脹系數(shù)小。升溫后，主軸和機(jī)床其他部件的空間相對(duì)位置和尺寸都將與溫升前不同，形成不同的溫度場，進(jìn)而產(chǎn)生不同程度的熱膨脹，導(dǎo)致加工誤差。（2）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在主軸殼體內(nèi)的高速攪動(dòng)，使內(nèi)腔中的空氣也會(huì)發(fā)熱，這些熱源產(chǎn)生的熱量，主要通過主軸殼體和主軸進(jìn)行散熱，所以電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量有相當(dāng)一部分會(huì)通過主軸傳到軸承上去，因而影響軸承的壽命，并且會(huì)使主軸產(chǎn)生熱伸長，影響加工精度。接著通過液壓把冷卻油擠向電動(dòng)機(jī)冷卻環(huán)套5，對(duì)主軸的定子4 、轉(zhuǎn)子3和前端軸承6進(jìn)行冷卻，最后從殼體7的出水口，流回主軸冷卻油溫控制器完成循環(huán)。由于摩擦損耗的功率，則產(chǎn)生的熱流量為： 式中，P為主軸傳遞的功率，KW。這些參數(shù)直接影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度和主軸的剛度。一般取L=(2~)a。主軸的結(jié)構(gòu)如圖 。通常主軸材料根據(jù)主軸的耐磨性及熱處理后變形大小選擇?？偳邢髁可沿x，y，z方向分解為三個(gè)互相垂直的分力Fc，F(xiàn)p，F(xiàn)f。：KFc=0．7537 KFp = KFf=代入上式切削力計(jì)算公式得：Fc=1620 （N） Fp= （N） Ff= （N）　鋼和鑄鐵的強(qiáng)度改變時(shí)切削力的修正系數(shù)KmF機(jī)械材料機(jī)構(gòu)鋼和鑄鋼灰鑄鐵可鍛鑄鐵系數(shù)KmF上列公式中的指數(shù)nF加工材料車削時(shí)的切削力鉆削FcFpFfM及F刀具材料硬質(zhì)合金高速鋼硬質(zhì)合金高速鋼硬質(zhì)合金高速鋼硬質(zhì)合金高速鋼結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼σb≤σb灰鑄鐵及可鍛鑄鐵（2） 同步帶的壓軸力壓軸力即為同步帶作用在軸上的力，是緊邊拉力和松邊拉力的矢量和，：根據(jù)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)JB/： Q= （N） （320）圖311　 同步帶的壓軸力、緊邊拉力、松邊拉力 式中KF—矢量相加修正系數(shù)，：而帶的緊邊張力和松邊張力分別由（320）公式所得： 　　F1=1250Pd/V (N) 　　 F2=250Pd/V (N)　矢量相加修正系數(shù)式中V為帶速 m/s；Pd為設(shè)計(jì)功率，Pd=KAP KW: KA為工況系數(shù)，P為需傳遞的名義功率 KW?！≥S常用幾種材料[]及A0值軸的材料Q235A、20Q2735(1Cr18Ni9Ti)4540Cr、35SiMn38SiMnMo、3Cr13[]/MPa15~2520~3525~4535~55Ao149~126135~112126~103112~97 由上式可得軸的直徑： （323）對(duì)于空心軸，則： （324）式中，β=d1/d，即空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d之比。 軸的強(qiáng)度校核計(jì)算作用在主軸上的主切削力、預(yù)緊力和轉(zhuǎn)子對(duì)其的重力，使軸在垂直平面內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形，而徑向車削力使軸在水平面上產(chǎn)生彎曲變形。到扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，??；當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變變應(yīng)力使，則取[3]。整理后式（44）可以寫成[3]： （45）由于同步帶起到了對(duì)主軸的減速作用，即加工工件時(shí)，是不工作的，故不考慮同步帶輪的圓周力，所以此時(shí)只有垂直方向上的皮帶預(yù)緊力Q。 軸的剛度校核計(jì)算軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長的扭轉(zhuǎn)角來表示。因此，扭轉(zhuǎn)的剛度條件表述為 　　　　　　 對(duì)于空心圓軸： [3] (416)對(duì)于不同的機(jī)械和軸的工作條件，可從有關(guān)手冊(cè)中查到單位長度許可轉(zhuǎn)角的值。通過觀察主軸的應(yīng)力分析圖，可以看出主軸的應(yīng)力大小是由顏色來區(qū)分的，顏色從藍(lán)色到紅色應(yīng)力不斷變大，主軸前軸承和主軸末端是應(yīng)力最集中的地方，但最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力，未超出材料（45鋼）的許須用應(yīng)力。滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能出現(xiàn)各種類型的失效形式，但是套圈和滾動(dòng)體表面的疲勞點(diǎn)蝕是滾動(dòng)軸承的一種最基本和常見的失效形式，也是通常作為滾動(dòng)軸承壽命計(jì)算的依據(jù)。 角接觸球軸承的校核軸承軸向載荷Fa1=Ff= (N)，徑向載荷Fr1= (N)，軸承轉(zhuǎn)速1000r/min，裝軸承處的軸頸直徑可在70~80mm范圍內(nèi)選擇，由于數(shù)控車床是屬于每日8h工作的機(jī)械（利用率高），所以選預(yù)期計(jì)算壽命L180。h/h不經(jīng)常使用的儀器或設(shè)備。表 　載荷系數(shù)載荷性質(zhì)fp舉例無沖擊或輕微沖擊~電動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)、通風(fēng)機(jī)、等中等沖擊或中等慣性沖擊~車輛、動(dòng)力機(jī)械、起重機(jī)、造紙機(jī)、冶金機(jī)械、選礦機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)床等強(qiáng)大沖擊~破碎機(jī)、軋鋼機(jī)、鉆探機(jī)、振動(dòng)篩等此軸承的基本額定靜載荷Co=93000 N。(1) 求比值： 　　 ，故此時(shí)： e(2) 求比值： 　　 ，=~，取=。演算如下：求相對(duì)軸向載荷對(duì)應(yīng)的e值與Y值。此軸承的C=58000 N，所以=113160h 25000h故所選軸承滿足壽命要求。（2） 生成疲勞算例。（6）運(yùn)行疲勞研究。故設(shè)計(jì)是合理的。本文主要完成的工作如下：（1） 數(shù)控車床電主軸的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)；（2） 車床電主軸的工作原理及特征；（3） 電主軸各個(gè)零部件的選擇和設(shè)計(jì)；（4） 軸的校核；（5） 軸承的校核。無論是學(xué)業(yè)上循循善誘的教導(dǎo),還是生活上無微不至的關(guān)懷,乃至杜老師敬業(yè)務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)，都給予我莫大的感觸和激勵(lì)！最后,對(duì)所有關(guān)心我、支持我和幫助我的老師、同學(xué)和朋友們表示衷心的感謝和祝福!