【正文】 因此：a=40mm。額定功率為4kw。 軸承壽命的分析： 電主軸的設(shè)計(jì)壽命一般為5000～10000h,這就要求軸承具有較長的壽命，而且在高轉(zhuǎn)速時(shí)溫度，徑向載荷與軸向載荷的分布會(huì)影響軸承的壽命。因此，在電主軸機(jī)床上影響加工誤差的主要是熱變形而不是彈性變形，研究表明熱變形引起的加工誤差已達(dá)到零件總加工誤差的60～80％，尤其是機(jī)床在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下更為嚴(yán)重。因此，可假設(shè)定子的內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子的外表面均等排列著銅線，因此導(dǎo)體的長度L,計(jì)算長度如下：轉(zhuǎn)子上導(dǎo)線的長度的計(jì)算如下：==11165mm；式中： ——轉(zhuǎn)子外徑的周長，單位為：mm； ——銅線的直徑，單位為：mm； ——轉(zhuǎn)子軸向長度，單位為：mm；定子上導(dǎo)線長度的長度計(jì)算如下：==13530mm；式中： ——定子內(nèi)徑的周長，單位為：mm； ——銅線的直徑，單位為：mm； ——轉(zhuǎn)子軸向長度，單位為：mm； 因此：L=+=24695mm。高速電主軸的冷卻系統(tǒng)分為外水套和內(nèi)水套兩種：大型電主軸功率大，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量多，采用內(nèi)水套式冷卻系統(tǒng)強(qiáng)化電動(dòng)機(jī)定子的冷卻；小型電主軸采用外水套式或定子和軸承均帶水套的方式冷卻，此外也可以經(jīng)過油冷卻裝置的冷卻油強(qiáng)制性地在主軸定子外及主軸軸承外循環(huán)，帶走熱量。通過對(duì)額定功率和額定轉(zhuǎn)速的分析及計(jì)算，分別進(jìn)行主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制形式的選擇、混合陶瓷球軸承的選擇、電主軸主軸的設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子定子的設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及電主軸軸殼尺寸使其達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。最后設(shè)計(jì)電主軸的箱體尺寸。同時(shí)，高速加工技術(shù)也將是各國在制造領(lǐng)域爭奪的制高點(diǎn)。經(jīng)過繪制整個(gè)設(shè)計(jì)圖紙，使我可以熟練的使用繪圖軟件CAD，提高了繪制圖紙的能力，對(duì)此后繪制的機(jī)械圖紙將會(huì)有很大的幫助。在本次設(shè)計(jì)中，我也得到了其他同學(xué)很多的幫助。雖然3D打印技術(shù)也在不斷地發(fā)展中，但其也存在不少的缺陷。在軸承選定之后，根據(jù)軸承所受的壓力對(duì)軸承的壽命進(jìn)行估算，以確定所選的軸承的壽命可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此應(yīng)該嚴(yán)格控制整機(jī)裝配精度。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)。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：。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。 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。 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。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。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。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。 ——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。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。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。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。 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。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。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)勢如下：系統(tǒng)效率高，輸出功率大。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。m。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)。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。 論文研究的意義 數(shù)控機(jī)床的研究既是市場競爭的制高點(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)。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)。并以此確定主軸的整體尺寸。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。（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。同時(shí)，高速加工技術(shù)在提升零件表面質(zhì)量、精度和減少工件熱變形方面有較大優(yōu)勢，也是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)之一。它包括：主軸動(dòng)力系統(tǒng)、主軸、伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軸承和機(jī)架等幾個(gè)部分。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國產(chǎn)電主軸技術(shù)現(xiàn)狀:電主軸在我國起步也很早，20世紀(jì)50年代末、60年代初就已經(jīng)將電主軸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，但多用于專用內(nèi)圓磨床，如軸承行業(yè)、油泵和油嘴行業(yè)中的專用內(nèi)孔磨床等。 “十五”期間，我國研制出擁有在自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的加工中心和數(shù)控銑床用內(nèi)裝式電主軸單元，轉(zhuǎn)速80～24000r/min,～29KW，轉(zhuǎn)矩4～86Nm,其噪或達(dá)到同期國際水平。具有功率大、轉(zhuǎn)速高，采用高速、高剛度軸承，精密加工與精密裝配工藝水平高和配套控制系統(tǒng)水平高等特點(diǎn)。國外高速精度主軸上采用高速、高剛度軸承，主要有陶瓷軸承和液體動(dòng)靜壓軸承，特殊場合采用空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承。對(duì)比現(xiàn)有的交流異步電動(dòng)機(jī)，它有以下優(yōu)點(diǎn):：工作過程中轉(zhuǎn)子不發(fā)熱；功率密度更高，有利于縮小電主軸的徑向尺寸；轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速嚴(yán)格與電源頻率同步也可采用矢量控制。因轉(zhuǎn)子無繞組，熱耗大部分在定子，易于冷卻，開關(guān)磁陰調(diào)速電機(jī)及控制器系統(tǒng)的溫升低于其它系統(tǒng)的溫升。最近幾年,結(jié)合磁懸浮軸承和無傳感器檢測兩大研究領(lǐng)域的最新研究成果,誕生了一個(gè)全新的研究方向——無傳感器的磁懸浮軸承，它不需要設(shè)計(jì)專門的位置傳感器,而是通過測量電氣回路內(nèi)部信號(hào)來間接地獲取轉(zhuǎn)子的位置信息。新型動(dòng)靜壓軸承具有小腔結(jié)構(gòu)提高了軸承剛性；外加小孔節(jié)流提高了支承的靜壓承載能力；不設(shè)置軸向回油槽，軸承流量小，且封油面上有顯著的動(dòng)壓效應(yīng)；同時(shí)，承載能力及油膜剛度的方向性小，油膜均化作用強(qiáng)，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)精度也隨之提高。（5）上瓦帶擋板橢圓軸承。通過對(duì)軸承的理論分析可知：軸承有泵功率小、功率比大、流量小、工作可靠和溫升低等特點(diǎn)。而電主軸的驅(qū)動(dòng)電源稱為驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器的功能是控制電主軸的運(yùn)行能力,使其獲得較寬的調(diào)速范圍。 主軸最小截面的估算： 根據(jù)轉(zhuǎn)速和功率，選擇主軸的材料為：45鋼 調(diào)質(zhì)處理。 軸承的排列方式：電主軸常用的軸承的配置型式如圖32所示：圖32電主軸的軸承配置型式 如圖32所示，高速電主軸軸承的主要配置形勢有四種。 主軸最佳跨的計(jì)算：滿足主軸前端最小靜撓度條件時(shí)的L是最佳跨距，當(dāng)時(shí)；主軸組件的剛度損失不超過5%～7%，在工程學(xué)上認(rèn)為是合理的剛度損失。 主軸的徑向尺寸： 主軸的徑向尺寸如圖34所示： 圖34主軸示意圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知： AB段為25mm；BC為15mm；；DE段為13mm；EF段為16mm；FG段為5mm；GH段為77mm；HI段為15mm；IJ段為13mm；。Ce== （316） Ci=0 （317） 電機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸均為鋼質(zhì)材料，泊凇比υ＝，主軸配合面間的摩擦系數(shù)μ＝，電機(jī)轉(zhuǎn)子襯套材料的許用應(yīng)力為 287N/，主軸材料的許用應(yīng)力為567N/。 軸承壽命計(jì)算公式 根據(jù)資料可知：20000r/min屬于高速軸承，且其在不同情況下壽命估計(jì)如表32所示:表32兩種軸承在不同情況下的壽命估計(jì)式條件混合陶瓷球軸承壽命的鋼球軸承壽命低速==高 速====根據(jù)軸承的選擇可知，主軸的前后支撐都選擇的是:SC61902C TA混合陶瓷球軸承，由于混合陶瓷球軸承與普通的鋼制軸承相比，只是在滾道曲率半徑有差別，其他尺寸方面是沒有的因此： 角接觸球軸承