【正文】 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 ； （ 2） 車床電主軸的工作原理及特征； （ 3） 電主軸各個零部件的選擇和設(shè)計； （ 4） 軸的校核； （ 5） 軸承的校核。 此軸承的 C=58000 N，所以 366 )306358 000(100060 10)(6010 ???? ?PCnL h =113160h 25000h 故所選軸承滿足壽命要求。h/h 不經(jīng)常使用的儀器或設(shè)備。因此，扭轉(zhuǎn)的剛度條件表述為 ][max ?? ??? 對于空心圓軸： ][180)1(32 44 ???? ??? G TD[3] (416) 對于不同的機(jī)械和軸的工作條件，可從有關(guān)手冊中查到單位長度許可轉(zhuǎn)角 ][?? 的值。 軸的強(qiáng)度校核計算 作用在主軸上的主切削力 、預(yù)緊力和轉(zhuǎn)子對其的重力 ，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。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。 由于摩擦損耗的功率 )1( ??? PPf ，則產(chǎn)生的熱流量為： ）（ ?? ?? 110001 P 式中， P 為主軸傳遞的功率， KW。 （ 3）膨脹系數(shù)小。 首先通過對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。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。同步帶傳動和 V 帶、平帶相比具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)傳動準(zhǔn)確，無滑動，能達(dá)到同步傳動的目的； (2)傳動效率高，一般可達(dá) 98 ?%； 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 8 (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。 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 5 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)過精確的動平衡校正，具有良好的回轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性，形成一個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副，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸系統(tǒng)的“零傳動”，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。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)用有時很難滿足系統(tǒng)要求。 m。對決定電主軸發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)要進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，特別是在電主軸應(yīng)用中的關(guān)鍵部件諸如復(fù)合陶瓷軸承、內(nèi)置式無外殼電機(jī)、性能優(yōu)良的伺服控制器、高精度位置編碼器、氣密封裝置等進(jìn)行自主研發(fā)，改變這些關(guān)鍵部件主要靠進(jìn)口的局面。我國數(shù)控機(jī)床經(jīng)歷了二十多年的發(fā)展歷程 ,形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模，具備了進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)。具有代表性有美國福特公司和 Ingerso1l 公司聯(lián)合 推出的 HVM800 臥式加工中心的大功率電主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá) 15000r/min 由靜止升至最高轉(zhuǎn)速僅需 15s。德國 GMN 公司的電主軸低速粗加工時的重切削力可達(dá) 1250N軸承預(yù)負(fù)荷施加方式上，過去主要使用剛畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 4 性預(yù)負(fù)荷，不斷發(fā)展為彈性預(yù)負(fù)荷，后又出現(xiàn)智能預(yù)負(fù)荷方式，使軸承承載性能更優(yōu)。在主軸的后面裝有松刀油缸、旋轉(zhuǎn)接頭；前端的內(nèi)錐孔和端面用于安裝刀具、刀具夾爪；中間有刀具拉桿、刀具夾緊彈簧。旋轉(zhuǎn)編碼器非常適合測速度，可無限累加測量。本設(shè)計采用兩端固定支承。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，可大幅減小滾動體的離心力，從而減小球與套圈滾道間的接觸應(yīng)力，延長軸承的使用壽命。 主軸傳動的熱平衡計算 主軸傳動由于效率低，所以工作時發(fā)熱量大。 主軸擋板的設(shè)計 結(jié)構(gòu)如圖 ，材料為 45 鋼，軸承選用角接觸球軸承，深溝球軸承。 所以： ?d mm 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 25 第 4 章 軸的校核 電主軸工作時，軸端會受到車刀對其的切削力，同步帶對帶輪的預(yù)緊力和不大的轉(zhuǎn)子重力。圓軸扭轉(zhuǎn)角 ? [單位為（ ?） /m]，扭角? 的大小和軸的長度有關(guān)。h=25000h，見表 。相對軸向載荷為 02 31 50 32 ??oaCF，在表 中是 這一檔的，對應(yīng)的 e 值為 ， Y 值為 2。 圖 角接觸球軸承和深溝球軸承的應(yīng)力分析 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 35 圖 角接觸軸承生命圖解 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 36 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)展高速電主軸將對我國的裝備制造行業(yè)會起到強(qiáng)大的推動作用。他那詼諧幽默的話語中透出了敏銳的智慧，一步步把我們從一些復(fù)雜的問題變成了一些通俗易懂的日常知識。步驟如下：（ 1）在空心主軸應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的分析 。 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)計手冊選擇 C=80200 N 的 7015C/DT 軸承。分析過程如下：（ 1）做好分析準(zhǔn)備，為主軸插入加載基準(zhǔn)軸和分割基準(zhǔn)面；（ 2）生成靜態(tài)算例；（ 3）定義材料屬性；（ 4）添加約束；（ 5）施加扭矩；（ 6）施加離心力；（ 7）劃分網(wǎng)格并運(yùn)行分析；（ 8）觀察 vonMises應(yīng)力圖解 [6]。 22 )(4 ???? ??ca （ 41） 式中的彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力。）這些力的合力 F 稱為切削合力，也稱總切削力。 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。機(jī)床工作時，在內(nèi)、外熱源的作用下，主軸系統(tǒng)的各個部分會產(chǎn)生不同程度的溫升。 成對安裝角接觸球軸承（ GB/T2921994） 可同時承受徑向 載 荷和軸向 載 荷。 此次設(shè)計的 電主軸電機(jī)轉(zhuǎn)子的基本尺寸為：轉(zhuǎn)子的外徑 2b＝ ，轉(zhuǎn)子內(nèi)孔直徑 2a＝ ，轉(zhuǎn)子的軸向長度為 346mm，轉(zhuǎn)子配合面的有效接觸長度 B＝300mm。 (1) 求設(shè)計功率 Pd Pd=K0Pm= =20 kw 式中 K0載荷修正系數(shù)（由表 得） 表 載荷修正系數(shù) K（部分） 工 作 機(jī) 原 動 機(jī) 運(yùn) 轉(zhuǎn) 時 間（小時 /日） 3~5 8~10 16~24 帶式輸送機(jī)，烘干機(jī)，杠車床，帶鋸，篩選機(jī) 液體攪拌機(jī)，鉆床，車床，龍門刨床，造紙機(jī) 牛頭刨床，磨床，銑床，鉆鏜床，紡織機(jī)械 (2) 確定帶的型號和節(jié)距 由于電主軸是內(nèi)裝式電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速就是主軸轉(zhuǎn)速，所及小齒輪轉(zhuǎn)速 n1=n2 i0=3100r/min，由圖 查的帶的型號為 H 型，對應(yīng)節(jié)距 Pb=(見表 ) 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 9 圖 通過功率找同步帶型號 (3) 選 擇小帶輪齒數(shù) 由小帶輪轉(zhuǎn)速 n1=3100r/min 和 H 型帶，查表 得小帶輪最小許用齒數(shù) Z1=20，則 Z2=iZ1，其中 i=n1／ n2= Z2=62, 取標(biāo)準(zhǔn)帶輪齒數(shù) Z2=60 (4) 確定帶輪節(jié)圓直徑： d1=PbZ1／ π= d2= PbZ2／ π= (5) 確定同步帶的節(jié)線長度 Lp Lp=2acosφ+π(d2+d1) ／ 2+πφ(d2d1) ／ 180 （ 32） 式中： φ= add 2 12sin 1 ?? =?(以 a=500mm代入 ) 則 Lp= 選擇最接近計算值的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長 (見表 ) Lp= (6) 計算同步帶齒數(shù) Zb Zb=Lp／ Pb=(7) 傳動中心距 a 的計算 a=Pb(Z2Z1) ／ 2πcosθ （ 33） 式中： inVθ=π Z1Zz zZZb? = inVθ=tgθθ 用逐步逼近法計算， θ=1． 3518(弧度 )代入上式 : a=Pb(Z2Z1) ／ 2πcosθ= 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 10 表 七種同步帶型號的主要參數(shù) 帶型號 節(jié)距Pd(mm) 基準(zhǔn)寬度bэ?(mm) 拉力 T? （ N） 質(zhì)量 （ Kg/m） 帶寬 bэ（ mm） MXL 20 XXL 31 XL L H XH XXH 表 帶輪最少許用齒數(shù) 小帶輪轉(zhuǎn)速 （ r/min） 帶 型 號 MXL XL L H XH XXH 900 以下 10 10 12 14 22 22 900~1200 以下 12 10 12 16 24 24 1200~1800 以下 14 12 14 18 26 26 1800~3600 以下 16 12 16 20 30 —— 3600~4800 以下 18 15 18 22 —— —— (8) 確定同步帶設(shè)計功率為 Pd 時所需帶寬 (a). 計算所選型號同步帶的基準(zhǔn)額定功率 Po Po=(Tamv2)v／ 1000 (kw) （ 34） 式中 ： Ta—— 許用工作拉力 ， 查表 得 Ta= N m—— 單位長度質(zhì)量 ， 查表 可得 m=V—— 線速度 (m/s) V= ?? 2 101 3??PbZ = (m/s) （ 35） 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 11 表 標(biāo)準(zhǔn)同步帶的節(jié)線長度 (部分 ) 節(jié)線長度 節(jié)線長度上的齒數(shù) 基本尺寸 （ m） 極限偏差 （ mm） MXL XXL XL L H XH XXH 177。尤其，進(jìn)行車削粗加工時，切削量較大，主軸要承受很大的徑向力。對于永磁同步電動機(jī)在低速粗加工時的重切削多采用恒轉(zhuǎn)矩控制方 式 ,高速切削時精加工采用恒功率控制，在擴(kuò)大永磁電機(jī)在弱磁區(qū)域的同時提高穩(wěn)定性也將成為高速電主軸研究熱點(diǎn)問題。國外高速精密主軸上采用高速 、 高剛度軸承，主要有陶瓷軸承和液體動靜壓軸承，特殊場合采用空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承。到 80 年代，隨著國內(nèi)高速主軸軸承的開發(fā)成功，研制出一系列高剛度、高速電主軸，廣泛應(yīng)用于各種內(nèi)圓磨床和各個機(jī)械制造領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞 ： 車床；電主軸；主軸；軸承 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 II Abstract This paper describes the history, status and trends of lathe electrical spindle development, and also introduce the working principle and key technology of electrical spindle. Then, the reasonable structure of the electrical spindle is determined. The structure of main ponents is designed, such as axis, encoders, rotor, stator and cooling systems. The assembly drawings, part drawings and design specifications and other design documents is generated. Finally, the detailed analysis and verification of the axis and bearing are made. The calculation result shows that the design of electrical spindle meets the requirements. Key words: lathe； electrical spindle； spindle； bearing 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 III 目 錄 第 1 章 緒論 ………………………………………………………………………………….. ………………