【正文】 電主軸的發(fā)熱問題降低了其在實際生產(chǎn)應用中的可靠性。電主軸作為高速數(shù)控機床最關鍵部件，其性能好壞在很大程度上決定了整臺高速機床的加工精度和生產(chǎn)效率，因 此各工業(yè)國家都十分關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試設備，建立恒溫、潔凈的裝配環(huán)境，形成了不少電主軸的專業(yè)生產(chǎn)基地。 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)軸承設計手冊選擇 C=80200 N 的 7015C/DT 軸承。為了消除長度的影響，通常用單位長度轉(zhuǎn)角xdd? 來表示扭轉(zhuǎn)變形的程度。 為使旋轉(zhuǎn)主軸能正常工作，要求軸具有足夠的剛度和強度。 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。 HSK 拉刀裝置系統(tǒng)有相同的模塊化結(jié)構(gòu)，但不同于 SK動力拉桿頭，它們由 HSK 夾緊刀柄裝置和一個不帶倍力放大機構(gòu)的牽引頭組成。所以，必須根據(jù)單位時間內(nèi)的發(fā)熱量 Φ 1等于同時間內(nèi)的散熱量 Φ 2的條件進行熱平衡計算，以保證油溫穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi) [3]。與鋼質(zhì)球軸承相比，相同負荷下陶瓷球在接觸應力作用區(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。我采用的是角接觸軸承，所以可利用調(diào)整墊片或螺紋件來調(diào)整軸承的游隙，以保證軸承的正常運轉(zhuǎn)。迭壓成 型的定 子內(nèi)腔帶有沖制嵌線槽。電機的轉(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。永磁同步電動機有很好的動態(tài)響應性，并且轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動慣量小，但永磁同步電動機有弱磁現(xiàn)象，而且很難提高主軸電機功率，制造永磁同步電機的主要材料稀土成本過高。 3）潤滑、冷卻技術(shù) 對于球軸承可以采用脂潤滑，但缺點是轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生阻力和增加溫 升。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)。近年大功率半導體器件有了飛躍性發(fā)展，已經(jīng)完全可以滿足現(xiàn)有的電主軸應用場合所要求的功率等級，這為高速電主軸的大功率化奠定了基礎。目前電主軸已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)控機床最主要功能部件之一，世界上形成許多著名的機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。我國數(shù)控機床整體技術(shù)水平的發(fā)展和提高，最終離不開先進的功能部件產(chǎn)業(yè)的支持。高速電主軸也是高端的數(shù)控機床的核心，大力發(fā)展高速電主軸將對我國的裝備制造行業(yè)會起到強大的推動作用。日本三井精機公司生產(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 40000r/min 此外還有瑞士的 Fisher 公司、德國的 GMN公司、 Hofer 公司、西門子、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：(l) 功率大、轉(zhuǎn)速高。因此選用轉(zhuǎn)動慣量小，轉(zhuǎn)矩密度高，控制精度高的永磁電機代替感應電動機也將是電主軸發(fā)展的一個重要方向。 數(shù)控機床電主軸的特征 （ 1）高回轉(zhuǎn)精度 加工中心的主軸是裝夾工件的 基準，并將運動傳遞給工件，因此主軸的回轉(zhuǎn)精度直接影響加工精度。 5）高速刀具和換刀技術(shù) 傳統(tǒng)機床的 ISO、 BT 道具，經(jīng)實踐證明不能滿足高 速加工的要求。我國的高速電主軸技術(shù)由于起步較晚，與工業(yè)發(fā)達國家還有很大差距，應不斷加大對這方面的技術(shù)研究才能提高我國高速機床的性能。由于它是一種嚙合傳動，因而帶和帶輪之間 沒 有相對滑動，從而使主從輪間的傳動達到同步。主軸配合面的基本尺寸為：外徑 2a＝ ，內(nèi)孔直徑為 2c＝ 46mm。 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。升溫后，主軸和機床其他部件的空間相對位置和尺寸都將與溫升前不同，形成不同的溫度場，進而產(chǎn)生不同程度的熱膨脹，導致加工誤差。油氣潤滑利用壓縮空氣通過專用管道定時、定量的將少量的潤滑輸送到需潤滑區(qū)域。 OTT卡爪的特點是，其主軸本科機械畢業(yè)設計論文 CAD 圖紙 401339828 第 25 頁 共 41 頁 的內(nèi)輪廓是統(tǒng)一的，與各個標準無關。一般取 L=(2~)a。 22 )(4 ???? ??ca （ 41） 式中的彎曲應力為對稱循環(huán)變應力。 滾 動軸承在運轉(zhuǎn)時可能出現(xiàn)各種類型的失效形式，但是套圈和滾動體表面的疲勞點蝕是滾動軸承的一種最基本和常見的失效形式，也是通常作為滾動軸承壽命計算的依據(jù)。 (1) 求比值： ??rFF 根據(jù)表 ，深溝球軸承的最大 e 值為 ，故此時：2a2rFF e (2) 求比值： )( arp YFXFfP ?? 按照表 ， pf =~，取 pf =。電主軸作為加工中心的核心部件，它將機床主軸與交流伺服電機軸合二為一，即將主軸，期間不再使用皮帶齒輪傳動副，從而實現(xiàn)機床主軸系統(tǒng)的“零傳動”，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動主軸運轉(zhuǎn)。并使本人對電主軸的轉(zhuǎn)子、定子、軸承、冷卻系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)軸等關鍵技術(shù)有了一個更深入的了解。 5. 拉刀桿松刀時伸出的距離為： +(以 HSK63 為例 )每年檢測4次。 所以求當量動載荷 P： 本科機械畢業(yè)設計論文 CAD 圖紙 401339828 第 35 頁 共 41 頁 3063),( ?????? NP N 驗算 61918Z 軸承的壽命，根據(jù)式： 366 )306332 800(100060 10)(6010 ???? ?PCnL h = 25000h， 即低于預期計算壽命。 （ 1）求比值： ??rFF 根據(jù)表 ，角接觸球軸承的最小 e 值為 ，故此時：1a1rFF e 。 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 受力簡圖 畫出水平面的彎矩圖： 圖 水平面彎矩圖 在垂直面上的受力分析較為復雜其受力模型如圖 。 主軸的材料和熱處理 機床主軸有較高的剛度要求，而剛度與主軸材料的彈性模量 E 值密切相關。標準 HSK 拉刀裝置幾乎適用于所有場合，特別是在要求快速、頻繁進行刀具更換的汽車制造業(yè)中，特種涂層的拉桿機構(gòu)已經(jīng)被多次證明了其價值所在。 拉刀機構(gòu)的設計 本科機械畢業(yè)設計論文 CAD 圖紙 401339828 第 24 頁 共 41 頁 標準 HSK 拉刀裝置幾乎適用于所有場合。 冷卻系統(tǒng)的冷卻路線 車床電主軸主要是通過在主軸殼體內(nèi)加冷卻油，并不斷的循環(huán)，把熱量帶走，來進行冷卻的（如圖 ）。本人采用陶瓷球混合軸承。其實際的最大過盈量為 ，配合面實際產(chǎn)生的最大正壓力為： pmax=aCeCiCiCeE )1)(v2(1 )1)(1( 222 m a x22? ???= (N/mm2) （ 312） 電機轉(zhuǎn)子內(nèi)孔配合面上具有最大的切向拉應力 σ θemax 和最大的徑向壓應力 σ remax，其值為 ： σ θemax (r=a)=pmax= (N/mm2) （ 313） σ remax (r=a)=22max1 )1( CiCeP ?? = (N/mm2) （ 314） 主軸的 σ ri（ r）和 σ θi （ r）均為壓應力，其中主軸的配合面上具有最大的徑向壓應力 σ rimax，在主軸內(nèi)孔壁處具有最大的切向壓應力 σ θimax ，其值為： σ rimax (r=a)=pmax= (N/mm2) （ 315） σ θ imax (r=c)=2max12 CiP??= (N/mm2) （ 316） 電主軸的裝配應力分布如圖 。 —— 114 177。矢量控制技術(shù)模仿直流電動機的控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法來實現(xiàn)驅(qū)動和控制，具有良好的動態(tài)性能。 9）主軸驅(qū)動和數(shù)控系統(tǒng)接口技術(shù) 可以采用高性能的主軸矢量驅(qū)動裝置，可選擇 Fanuc、 Siemens、 Indramat 等品牌的主軸驅(qū)動裝置。在起步及低速段采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，保證低速時有較大的輸出轉(zhuǎn)矩，滿足低速大進給的切削要求；而高速段采用恒功率調(diào)速，可滿足小切削量的高轉(zhuǎn)速要求。提高高速電主軸動平衡等級，降低振動，使電主軸壽命更長。 數(shù)控機床電主軸的國內(nèi)外的發(fā)展趨勢 （ 1） 向高速度、高剛度方向發(fā)展 隨著主軸軸承及其潤滑技術(shù)、精密加工技術(shù)、 精密動平衡技術(shù)、高速刀具及其接口技術(shù)等相關技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床用電主軸高速化已成為目前發(fā)展的普遍趨勢。同濟大學、北京機床研究所和上海機床廠在高速電主軸方面也取得了很大的成就。本科機械畢業(yè)設計論文 CAD 圖紙 401339828 第 1 頁 共 41 頁 TH5632C 數(shù)控機床高速電主軸數(shù)字化設計及其仿真分析 張晶 （ 摘要 本文闡述了高速電主軸的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及趨勢，并介紹了電主軸的工作原理及關鍵技術(shù)。廣州工業(yè)大學高速加工和機床研究所也開發(fā)研制了多種電主軸，并應用于數(shù)控銑床由于近些年數(shù)控加工技術(shù)的飛速發(fā)展，在軍工、基礎裝備制造，航空航天等領域?qū)Ω咚匐娭鬏S的迫切需要，國內(nèi)的電主軸研究也得到了很大的發(fā)展。這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補償精密控制系統(tǒng)等 [1]。另外隨著磁懸浮技術(shù)的不斷進步和成熟，在滿足成本要求的情況下，磁懸浮軸承將由一些特殊場合的應用到普通場合的特殊要求的應用。因此，電主軸的抗振性要強； （ 4）電機特性優(yōu)良 加工中心要求有較廣的加工范圍，這就要求電主軸既要有優(yōu)良的低速加工性能，又要有好的高速加工性能。 8）高頻變頻技術(shù) 電主軸的內(nèi)置高速電 機的驅(qū)動可以采用高頻變頻裝置，變頻器的輸出頻率可以達到幾千 Hz，可滿足主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速要求。但價格本科機械畢業(yè)設計論文 CAD 圖紙 401339828 第 11 頁 共 41 頁 便宜、結(jié)構(gòu)簡單，一般用于磨床和普通的高速銑床等。 —— 64 177。高速電主軸的最小過盈 量 Δmin 為： 本科機械畢業(yè)設計論文 CAD 圖紙 401339828 第 18 頁 共 41 頁 圖 電主軸的結(jié)構(gòu) Δmin ＝ Δ dmin＋ Δ smin＝ （ mm） （ 311） 據(jù)此，在 GD－ Ⅱ 型電主軸設計中，主軸與電機轉(zhuǎn)子的配合采用 Φ66H6 ／ s6 的過盈配合，這 種配合的實際最小過盈量為 (＞ mm)，能滿足電主軸的高速傳動要求。 圖 角接觸球軸承 軸 承材料的選擇 目前，滾動軸承電主軸的支承形式主要采用鋼質(zhì)球軸承和陶瓷球混合軸承。 （ 3）隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高，主軸軸承的摩擦所產(chǎn)生的發(fā)熱量也隨之增大 [5]。相關實驗表明，高壓油氣潤滑比常規(guī)壓力潤滑的軸承轉(zhuǎn)速可 提高 20%。 圖 2 大斜度錐面 的倍力放大機構(gòu) HSK動力拉桿系統(tǒng) OTT 公司的 HSK 拉桿機構(gòu)滿足刀具標準 DIN 69893，它有一系列的尺寸、形狀和設計可供選用 (圖 3)。 主軸擋板的設計 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。整理后式（ 44）可以寫成 [3]： ][)( )(32 13422??? ?? ??? d TMac （ 45） 由于同步帶起到了對主軸的減速作用，即加工工件時，是不工作的，故不考慮同步帶輪的圓周力，所以此時只有垂直方向上的皮帶預緊力 Q。h=25000h，見表 。相對軸向 載荷為 024 315 ??oaCF，在表 這一檔的，對應的 e值為 ， Y值為 2。 4. 蝶形彈簧的漲緊力要求為： 12~27KN(以 HSK63 為例 )每年檢測 2 次。 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計； （ 4） 軸的校核； （ 5） 軸承的校核。 由于電主軸是高速精密元件，定期維護是非常有必要的。 按照表 ， X=， Y 值需在已知 型號和基本額定靜載荷 Co 后才能求出。軸承發(fā)生點蝕破壞后，在運轉(zhuǎn)時通常會出現(xiàn)較強的振動 、 噪聲和發(fā)熱現(xiàn)象。到扭轉(zhuǎn)切應力為靜應力時，取 ?? ；當 扭轉(zhuǎn)切應力為脈動循環(huán)變應力時，取 ?? ；若扭轉(zhuǎn)切應力為對稱循環(huán)變變應力使，則取1?? [3]。 主軸的構(gòu)造 主軸的構(gòu)造