【正文】 約束與求解 24 25 2建模 2約束與求解 26結(jié)論 30參考文獻(xiàn) 31致謝 32第1章 緒論高速電主軸是高速機床的核心部件,它將機床主軸與電機軸合二為一,即將主軸電機的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部,也被稱為內(nèi)裝式電主軸,其間不再使用皮帶或齒輪傳動副,從而實現(xiàn)機床主軸系統(tǒng)的“零傳動”。我國自上世紀(jì)70年代初期自行研制內(nèi)磨砂輪電主軸開始，發(fā)展至今，高速電主軸的各項性能指標(biāo)與國外尚有一定的差距。高精度硅片切割機用電主軸,促進(jìn)了電子工業(yè)設(shè)備的更新和進(jìn)步。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。油霧潤滑方式的優(yōu)點可以概括為：（1）油霧能隨壓縮空氣彌散到所有需要潤滑的磨擦部位。因此臨界轉(zhuǎn)速決定著電主軸的最高工作轉(zhuǎn)速，影響著電主軸的振動水平，臨界轉(zhuǎn)速的計算與研究是電主軸設(shè)計的必要環(huán)節(jié)。刀具的夾緊與松開也配備了自動控制的氣壓或液壓裝置。 按扭轉(zhuǎn)強度條件計算這種方法是只按軸所受的扭矩來計算軸的強度；如果還受有不大的彎矩時，則用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法予以考慮。從而得出與軸承配合軸段的長度。主軸力的簡圖如圖23所示：圖23 主軸受力結(jié)構(gòu)簡圖由靜力平衡方程，求得支反力：， =做出剪應(yīng)力圖和彎矩圖，如圖24,25所示：圖23 主軸受力結(jié)構(gòu)簡圖圖24 剪應(yīng)力圖圖25 彎矩圖所以，最大彎矩為：M=5880Nmm根據(jù)扭矩公式: =9550000 ，得：=9550000=1500Nmm產(chǎn)生的扭矩為=*d/2=150*15=2250 NmmT=+=1500+2250=3750 Nmm 對于空心軸，W= , ，代入公式，可得：W=根據(jù)第三強度理論公式 ，得，因為選用的是40Cr，所以=60。件（19）為循環(huán)油管的進(jìn)油接頭和出油接頭，其主要作用是形成既可以潤滑又可以起到冷卻循環(huán)油路系統(tǒng)。因此，在設(shè)計中，必須要設(shè)置良好的電機冷卻系統(tǒng)。電主軸結(jié)構(gòu)中與主軸連接的最主要的轉(zhuǎn)動部件是內(nèi)置電機的轉(zhuǎn)子。另外，預(yù)緊力的增加可明顯提高軸承徑向剛度，在較低轉(zhuǎn)速時效果尤為明顯。軸承在安裝時，有輕中重三種預(yù)緊方式，由于內(nèi)徑與軸和外徑與軸承座緊配合，使軸承產(chǎn)生變形實際上達(dá)到預(yù)緊載荷比下表中的預(yù)載荷數(shù)值高。根據(jù)達(dá)朗伯原理，引入相應(yīng)的慣性力，就可將彈性體的動力問題轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的靜力問題即化為彈性體的平衡問題來處理。當(dāng)彈性體的動力基本方程中的外力向量時，便可得系統(tǒng)的自由振動方程： (45)求解主軸的固有頻率和振型，即求解上式的廣義特征值和特征向量。圖 45 一階圖 46 二階圖 47 三階圖 48 四階圖 49 五階圖 410 六階結(jié)論電主軸是一個高速運轉(zhuǎn)的部件，它對各部份的要求十分嚴(yán)格，因此在設(shè)計中主要從以下幾個方面去設(shè)計（1）電主軸長度的確定：運用最佳跨距的設(shè)計方法，使電主軸在滿足要求的情況下，有最合理的布局，從而節(jié)省了材料，提高了電主軸的性能。由計算可得到電主軸各階頻率(Hz)和振型如表41所示。多自由度的運動微分方程為： (44)式中，[M]、[C]、[K]分別為總體質(zhì)量、剛度、阻尼矩陣；{x(t)}、{F(t)}分別為節(jié)點位移和外力向量。主軸單元的彎曲剛度K定義為使主軸前端產(chǎn)生單位徑向位移時，在位移方向所需施加的力p，即 (41)主軸單元靜剛度，分為軸向靜剛度與徑向靜剛度，一般情況，彎曲剛度遠(yuǎn)比軸向剛度重要，是衡量主軸單元剛度的重要指標(biāo)，通常用來代指主軸的剛度。預(yù)緊力的確定可以根據(jù)赫茲彈性接觸理論，點接觸球軸承在外部軸向載荷的作用下的軸向變形＆a由下式計算： （3－1）式中c由軸承材料,類型,結(jié)構(gòu)和尺寸等決定的常量單套角接觸球軸承可以承受徑向的一個方向的軸向載荷,在徑向載荷作用的下,軸承內(nèi)部產(chǎn)生一個沿軸向方向作用的分力,為提高主軸系統(tǒng)的支承剛度,機床主軸軸承通常采用雙聯(lián),三聯(lián),甚至更多聯(lián)組配使用。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于某一臨界值時，軸承徑向剛度的變化趨勢 將由下降轉(zhuǎn)為上升。為達(dá)到動平衡精度要求，首先要在設(shè)計上盡量使各轉(zhuǎn)動件實現(xiàn)自身的平衡，其次軸上各轉(zhuǎn)動件包括加工時軸端安裝的砂輪在安裝前都要分別進(jìn)行各自的動平衡，裝配完畢后再進(jìn)行整體動平衡。另一方面，電機的發(fā)熱會使主軸伸長，影響加工精度。件（11）和件（12）是轉(zhuǎn)子和定子，其主要是形成軸的轉(zhuǎn)動。首先，應(yīng)確定磨削時的磨削力，而且磨削時軸主要受的力為切向力和法向力，因此查資料得，磨削力的經(jīng)驗公式為： （24） （25）查表可知各個參數(shù)得，， 。為了提高其運轉(zhuǎn)時的精度采用雙聯(lián)軸承配置。具體過盈量一方面可以查閱相關(guān)的手冊，另一方面可以參考相關(guān)的設(shè)計。電主軸屬高科技產(chǎn)品，其自動化程度越來越高。由于轉(zhuǎn)軸是連續(xù)質(zhì)量分布系統(tǒng)，因此在理論上有無限多個臨界轉(zhuǎn)速。而對于角接觸陶瓷球軸承轉(zhuǎn)速比較高，如果采用普通油氣潤滑，將造成潤滑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軸承不易標(biāo)準(zhǔn)化，裝配困難。 （3）精密加工與精密裝配工藝水平高。此外,食品工業(yè)的固體飲料；染化工業(yè)的染料；醫(yī)藥工業(yè)的藥品等粉狀和粒狀物質(zhì)均需用高速離心干燥技術(shù)來生產(chǎn),而高速離心干燥設(shè)備也需要高速電主軸技術(shù)。由于電主軸性能的好壞在很大程度上決定了整臺機床的加工精度和生產(chǎn)效率，因此，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都十分關(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業(yè)生產(chǎn)基地。結(jié)構(gòu)緊促縮小了主軸系統(tǒng)占用的空間，循環(huán)油冷卻系統(tǒng)保證了主軸和軸承運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量很快散出去，油潤滑在帶走軸承產(chǎn)生的熱量同時對軸承進(jìn)行了潤滑；在裝配上，嚴(yán)格要求各個環(huán)節(jié)的精度，尤其在軸承的裝配上，根據(jù)實測值，采用選配法，保證了整個系統(tǒng)的精度；在電主軸的性能分析上，通過定量去分析電主軸的穩(wěn)定性，定性去分析其動態(tài)平衡性和熱穩(wěn)定性，并加入了仿真分析。m的大轉(zhuǎn)矩電主軸和裝備有自行開發(fā)的環(huán)形力矩伺服電動機的雙擺角電主軸而引人注目國內(nèi)電主軸的生產(chǎn)以洛陽軸承研究所最為有名，在上世紀(jì)70年代初即開始研發(fā)內(nèi)孔磨削用電主軸，80年代，曾經(jīng)從德國GMN公司引進(jìn)過生產(chǎn)電主軸的技術(shù)。本課題即是基于以上分析所設(shè)立的。國外高速電主軸技術(shù)由于研究較早,技術(shù)水平也處于領(lǐng)先地位,電主軸已越來越多地應(yīng)用到工業(yè)制造業(yè)中。如圖11所示：圖11 主軸工作原理主軸軸承常見的潤滑方式有脂潤滑、噴射潤滑、環(huán)下潤滑、油霧潤滑及油氣潤滑等。在材料力學(xué)中，可近似地認(rèn)為懸臂梁自由端的撓度與載荷成線性關(guān)系，但在電主軸中，這樣近似將帶來較大誤差。(1) 繼續(xù)向高速重載方向發(fā)展。軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，它決定著軸的基本形式。對于磨床，通過計算的后端的直徑設(shè)為25。懸身量決定于主軸端部的結(jié)構(gòu)形式和尺寸，在滿足結(jié)構(gòu)尺寸的要求的前提下，應(yīng)盡量減少懸身量，提高主軸剛度，初步確定是可設(shè)=D1=35mm。因為電主軸軸承為高精密件，電主軸裝配車間對空氣的潔凈度是有一定要求的，灰塵的存在會影響軸承的壽命。圖213 端蓋圖(1) 電主軸的熱穩(wěn)定性分析 電主軸的內(nèi)部熱源有兩個，一個是內(nèi)置電機，另一個是主軸軸承。循環(huán)冷卻的潤滑油進(jìn)入軸承，潤滑油起到潤滑作用的同時帶走軸承產(chǎn)生的熱量，從而起到可冷卻的效果。國內(nèi)學(xué)者的相關(guān)研究工作則較少，在部分問題所得出的結(jié)論甚至相互矛盾。由于彈簧的剛性一般比軸承的剛性小的多，因此，定壓預(yù)緊軸承其相對位置在使用過程中會隨轉(zhuǎn)速及外載的變化而有所改變。K)]極限工作溫度/(℃)磁性絕緣性耐腐蝕性Si3N4陶瓷321080不導(dǎo)磁不導(dǎo)電好軸承鋼40120導(dǎo)磁導(dǎo)電導(dǎo)電表中列出了Si3N4陶瓷與軸承鋼各性能指標(biāo)的對比情況。圖42 靜力變形圖ANSYS運行計算后輸出高速電主軸靜力應(yīng)變圖如圖43所示。ANSYS提供了七種模態(tài)提取方法，對于轉(zhuǎn)子動力學(xué)、軸承問題等阻尼不能忽視的情況下一般采用Damped(阻尼法)進(jìn)行模態(tài)提取。因此，我首先要向本學(xué)科組及其它各位授課老師表示衷心的感謝。（6）本設(shè)計進(jìn)行了主軸臨界轉(zhuǎn)速的校核，有效地防止了軸因出現(xiàn)共振而發(fā)生劇烈震動，從而造成加工件的報廢。元素具有塑性、潛變、膨脹、應(yīng)力強化，大變形和大應(yīng)變的特性。為了計算方便，將其作為空間彈性梁處理，以下是對電主軸單元的更為詳細(xì)的簡化（1）將角接觸球軸承簡化為彈性支承，支點位置在接觸線與主軸軸線的交點；（2）認(rèn)為軸承只具有徑向剛度，不具有角剛度，如此將支承進(jìn)一步簡化為徑向的壓縮彈簧質(zhì)量單元。由于制造工藝的難度及經(jīng)濟方面的考慮，以滾珠材料為陶瓷、內(nèi)外圈材料仍為軸承鋼的混合陶瓷軸承的應(yīng)用更為普遍。從而減少軸承內(nèi)部的摩擦和發(fā)熱，延長軸承的使用壽命。第3章 軸承系統(tǒng)的計算超高速加工是機械制造業(yè)近年發(fā)