【正文】 彈性模量 E 值密切相關(guān)。先求取垂直面支點(diǎn)反力 NVF 和水平面支點(diǎn)反力 NHF 后，計(jì)算相應(yīng)的彎矩 VM 和 SM 。 在水平面上根據(jù)力平衡和力矩平衡可列出方程組： ?????? ??????? ??? )4321(F)21(F 0N H 2N H 121 LLLLLL FpFF NHNH （ 46） 代入各已知參數(shù)列出： ?NHF ， 1332 ?NHF 圖 受力簡(jiǎn)圖 畫(huà)出水平面的彎矩圖： 圖 水平面彎矩圖 在垂直面上的受力分析較為復(fù)雜其受力模型如圖 。 精密機(jī)械傳動(dòng)軸： ][?? =（ ~） ?/m 一般傳動(dòng)軸： ][?? =（ ~1） ?/m 精度要求不高的軸 ： 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 31 頁(yè) 共 41 頁(yè) ][?? =（ 1~） ?/m 車(chē)床電主軸應(yīng)該屬于一般傳動(dòng)軸，所以 ][?? 選擇 ?/m，根據(jù)式（ 416）得： 4 42 )1]([ 18032 ??? ???? G TD= m=38 mm 由于主軸的最小直徑 D=70mm，所以符合剛度要求。 （ 1）求比值： ??rFF 根據(jù)表 ，角接觸球軸承的最小 e 值為 ，故此時(shí)：1a1rFF e 。 深溝球軸承的校核 軸承軸向載荷 Fa2=Ff= (N)，徑向載荷 Fr2= (N)，軸承轉(zhuǎn)速 1000r/min，裝軸承 處的軸頸直徑可在 85~95mm 范圍內(nèi)選擇，由于數(shù)控車(chē)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。 所以求當(dāng)量動(dòng)載荷 P： 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 35 頁(yè) 共 41 頁(yè) 3063),( ?????? NP N 驗(yàn)算 61918Z 軸承的壽命，根據(jù)式： 366 )306332 800(100060 10)(6010 ???? ?PCnL h = 25000h， 即低于預(yù)期計(jì)算壽命。 電主軸的工作不僅轉(zhuǎn)速高，而且要求有很高的角減速度和角加速度、在指定位置快速準(zhǔn)停，這就對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和控制提出了非常嚴(yán)格的要求并帶來(lái) 了一系列技術(shù)難題，如電主軸的散熱、潤(rùn)滑及精密控制等。 5. 拉刀桿松刀時(shí)伸出的距離為： +(以 HSK63 為例 )每年檢測(cè)4次。 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 38 頁(yè) 共 41 頁(yè) 總結(jié) 高速電主軸是高端的數(shù)控機(jī)床的核心，大力發(fā)展高速電主軸將對(duì)我國(guó)的裝備制造行業(yè)會(huì)起到強(qiáng)大的推 動(dòng)作用。并使本人對(duì)電主軸的轉(zhuǎn)子、定子、軸承、冷卻系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)軸等關(guān)鍵技術(shù)有了一個(gè)更深入的了解。然而，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承發(fā)熱量很大，導(dǎo)致軸承 溫升很高，并引起熱變形。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，期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)。 此軸承的 C=58000 N，所以 366 )306358 000(100060 10)(6010 ???? ?PCnL h =113160h 25000h 故所選軸承滿(mǎn)足壽命要求。 (1) 求比值： ??rFF 根據(jù)表 ，深溝球軸承的最大 e 值為 ，故此時(shí)：2a2rFF e (2) 求比值： )( arp YFXFfP ?? 按照表 ， pf =~，取 pf =。h/h 不經(jīng)常使用的儀器或設(shè)備。 滾 動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能出現(xiàn)各種類(lèi)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(jiàn)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)。 得出力后求出彎矩圖如下： 圖 垂直面彎矩圖 根據(jù) 22 HV MMM ?? 得出合成彎矩圖 圖 合成彎矩圖 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 30 頁(yè) 共 41 頁(yè) 圖 扭矩圖 將各已知參數(shù)代入式（ 45），得出： ][)( )11 93 ( 98 3232)( )(32 134 2234 22 ?????? ???? ?? ??? d TMac ，故主軸符合強(qiáng)度要求。 22 )(4 ???? ??ca （ 41） 式中的彎曲應(yīng)力為對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力。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。一般取 L=(2~)a。間隔裝置的幾何外形為卡爪提供了一種導(dǎo)向的支持，極大地改善了平衡性能。 OTT卡爪的特點(diǎn)是，其主軸本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 25 頁(yè) 共 41 頁(yè) 的內(nèi)輪廓是統(tǒng)一的，與各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)關(guān)。 模塊化的的拉刀裝置 OTT 公司生產(chǎn)的通用拉刀裝置系統(tǒng)面向全世界，可用于各種便準(zhǔn)輪廓的 SK 接口（大斜度錐柄 7： 24）以及現(xiàn)代化的 HSK 接口（空心軸錐柄）。油氣潤(rùn)滑利用壓縮空氣通過(guò)專(zhuān)用管道定時(shí)、定量的將少量的潤(rùn)滑輸送到需潤(rùn)滑區(qū)域。接著通過(guò)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)。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(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生不同程度的熱膨脹，導(dǎo)致加工誤差。 （ 1）陶瓷球混合軸承材料 Si3N4，密度只有鋼的 40%。 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。 圖 主軸與轉(zhuǎn)子過(guò)盈配合的應(yīng)力分布 軸承的選擇 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 。主軸配合面的基本尺寸為：外徑 2a＝ ，內(nèi)孔直徑為 2c＝ 46mm。 126 72 177。由于它是一種嚙合傳動(dòng)，因而帶和帶輪之間 沒(méi) 有相對(duì)滑動(dòng)，從而使主從輪間的傳動(dòng)達(dá)到同步。這種驅(qū)動(dòng)器又有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種，后者可以實(shí)現(xiàn)位 置和速度的反不僅具有更好的動(dòng)態(tài)性能，還可以實(shí)現(xiàn) C軸功能；而前者動(dòng)態(tài)性能稍差，也不具備 C軸功能，但價(jià)格較為便宜。我國(guó)的高速電主軸技術(shù)由于起步較晚，與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距，應(yīng)不斷加大對(duì)這方面的技術(shù)研究才能提高我國(guó)高速機(jī)床的性能。 10）電主軸的制造工藝技術(shù) 對(duì)電主軸的制造工藝要求很?chē)?yán)格，這種結(jié)構(gòu)要求有一系列新的關(guān)鍵技術(shù)，如主軸支承形式及其潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)、高速主軸的動(dòng)平衡設(shè)計(jì)、電動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、高速刀具單元的設(shè)計(jì)等，它 們影響著高速旋轉(zhuǎn)主軸的可靠性和穩(wěn)定性，及高效精密加工的實(shí)現(xiàn)。 5）高速刀具和換刀技術(shù) 傳統(tǒng)機(jī)床的 ISO、 BT 道具，經(jīng)實(shí)踐證明不能滿(mǎn)足高 速加工的要求。 電主軸的關(guān)鍵技術(shù) 1）高速電機(jī)技術(shù) 電主軸是主軸與電機(jī)融合在一起的產(chǎn)物，主軸的旋轉(zhuǎn)部分是電機(jī)的轉(zhuǎn)子，所以可以把電主軸看成一臺(tái)高速電機(jī)，其關(guān)鍵技術(shù)是高轉(zhuǎn)速下的動(dòng)平衡。 數(shù)控機(jī)床電主軸的特征 （ 1）高回轉(zhuǎn)精度 加工中心的主軸是裝夾工件的 基準(zhǔn)，并將運(yùn)動(dòng)傳遞給工件，因此主軸的回轉(zhuǎn)精度直接影響加工精度。主軸單元的自動(dòng)平衡裝置也將因高速電主軸的振動(dòng)指標(biāo)更高而不斷的更新和完善。因此選用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，轉(zhuǎn)矩密度高，控制精度高的永磁電機(jī)代替感應(yīng)電動(dòng)機(jī)也將是電主軸發(fā)展的一個(gè)重要方向。因此，在保證電主軸高轉(zhuǎn)速的前提下，加大主軸直徑，提高其剛性，也是電主軸技術(shù)發(fā)展的方向之一。日本三井精機(jī)公司生產(chǎn)的 HT3A 臥式加工中心采用陶瓷軸承支承的電主軸 ,主軸轉(zhuǎn)速達(dá) 40000r/min 此外還有瑞士的 Fisher 公司、德國(guó)的 GMN公司、 Hofer 公司、西門(mén)子、意大利的 Faemat 公司和 Gamfior 公司 等，這些公司生產(chǎn)的電主軸有以下特點(diǎn)：(l) 功率大、轉(zhuǎn)速高。 m 的加工中心用電主軸轉(zhuǎn)速只有 4000r/min；車(chē)削用電主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 12021r/min，最大功率只有 11kw。高速電主軸也是高端的數(shù)控機(jī)床的核心，大力發(fā)展高速電主軸將對(duì)我國(guó)的裝備制造行業(yè)會(huì)起到強(qiáng)大的推動(dòng)作用。最后， 對(duì)電主軸的旋轉(zhuǎn)軸和軸承進(jìn)行了詳細(xì)的分析和校核，計(jì)算表明，該電主軸設(shè)計(jì)符合要求。我國(guó)數(shù)控機(jī)床整體技術(shù)水平的發(fā)展和提高，最終離不開(kāi)先進(jìn)的功能部件產(chǎn)業(yè)的支持。在 90 年代以后由磨用電主軸轉(zhuǎn)向銑用電主軸，它不僅能加工各種形體復(fù)雜的模具，而且開(kāi)發(fā)了用于木工機(jī)械用的風(fēng)冷式高速銑用電主軸，推動(dòng)了高速電主軸在切削中的應(yīng)用。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(zhuān)業(yè)制造商，它們生產(chǎn)的電主軸功能部件已經(jīng)系列化。 (3) 精密加工與精密裝配工藝水平高。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(mǎn)足現(xiàn)有的電主軸應(yīng)用場(chǎng)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)。 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)。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)。 3）潤(rùn)滑、冷卻技術(shù) 對(duì)于球軸承可以采用脂潤(rùn)滑，但缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻力和增加溫 升。 6）主軸中心冷卻技術(shù) 轉(zhuǎn)速在 30000r/min 之內(nèi)的電主軸，都可以采用刀具中心冷卻，冷卻液壓力一般為80bar(8MPa)。永磁同步電動(dòng)機(jī)有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，并且轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，但永磁同步電動(dòng)機(jī)有弱磁現(xiàn)象，而且很難提高主軸電機(jī)功率，制造永磁同步電機(jī)的主要材料稀土成本過(guò)高。普通變頻為標(biāo)量驅(qū)動(dòng)和控制，其驅(qū)動(dòng)控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比。電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用壓配方法與主軸做成一體，主軸則由前后軸承支撐。 同步帶計(jì)算 一臺(tái)額定功率為 ，轉(zhuǎn)速為 1000r/min 的異步電機(jī)，一天工作 8 個(gè)小時(shí)以上，以此來(lái)設(shè)計(jì)電主軸的同步帶。迭壓成 型的定 子內(nèi)腔帶有沖制嵌線槽。 Ce=ba== （ 37） Ci=ac = = （ 38） 電機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸均為鋼質(zhì)材料，材料的彈性模量 E＝ 10 11N／ m2， 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［ σ ］為 287N／ mm2，主軸材料的許用應(yīng)力［ σ ］為 567 N／ mm2。我采用的是角接觸軸承，所以可利用調(diào)整墊片或螺紋件來(lái)調(diào)整軸承的游隙，以保證軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。適用于高轉(zhuǎn)速甚至極高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行，而且非常耐用，無(wú)需經(jīng)常維護(hù)。與鋼質(zhì)球軸承相比，相同負(fù)荷下陶瓷球在接觸應(yīng)力作用區(qū)域材料塑性變形小，使軸承的剛度提高，從而提高主軸系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。具體的熱源主要可分為三部分： （ 1）主軸電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于機(jī)床主軸的 結(jié)構(gòu)中，電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的發(fā)熱，是其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的主要的熱源。所以，必須根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量 Φ 1等于同時(shí)間內(nèi)的散熱量 Φ 2的條件進(jìn)行熱平衡計(jì)算，以保證油溫穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi) [3]。采用油氣潤(rùn)滑，每個(gè)軸承設(shè)有獨(dú)立的尤其噴嘴，要選擇好軸承噴射處的位置，否則很難保證潤(rùn)滑效果。 HSK 拉刀裝置系統(tǒng)有相同的模塊化結(jié)構(gòu)，但不同于 SK動(dòng)力拉桿頭，它們由 HSK 夾緊刀柄裝置和一個(gè)不帶倍力放大機(jī)構(gòu)的牽引頭組成。 OTT 公司的牽引頭使用了一個(gè)傳動(dòng)裝置 (圖 2)，該裝置可以將拉入力放大近 3 倍。 主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有主軸前端懸伸量和主軸主支承間的跨距。本次設(shè)計(jì)的主軸為空軸，主軸的前端型式取決于機(jī)床類(lèi)型，后端結(jié)構(gòu)取決于安裝刀具的型式。 為使旋轉(zhuǎn)主軸能正常工作，要求軸具有足夠的剛度和強(qiáng)度。 ][ 1?? —— 許用應(yīng)力，在抵擋工作時(shí)取 MPa400 。為了消除長(zhǎng)度的影響，通常用單位長(zhǎng)度轉(zhuǎn)角xdd? 來(lái)表示扭轉(zhuǎn)變形的程度。滾動(dòng)軸承的承載能力計(jì)算主要是指軸承的壽命計(jì)算。 按照表 ， X=1， Y=0，則： 6 2 4) 4 1 61( ?????? NP N （ 3）根據(jù)式 10 3 66 ??????? ? hLnPC（ N） （ 4）根據(jù)軸承設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇 C=80200 N 的 7015C/DT 軸承。 此軸承的基本額定靜載荷 Co=31500 N。電主軸作為高速數(shù)控機(jī)床最關(guān)鍵部件，其性能好壞在很大程度上決定了整臺(tái)高速機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率，因 此各工業(yè)國(guó)家都十分關(guān)注高速電主軸的研究與發(fā)展，紛紛投入巨資，裝備精良的加工和測(cè)試設(shè)備，建立恒溫、潔凈的裝配環(huán)境，形成了不少電主軸的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)基地。 2. 電主軸內(nèi)錐孔的徑向跳動(dòng)一般要求為 (2um),每年檢 測(cè) 2次。電主軸的發(fā)熱問(wèn)題降低了其在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的可