【文章內(nèi)容簡介】 的刀具重量、長度、直徑及刀具的不平衡量有明確的限制。因為這些參數(shù)均會影響主軸的臨界轉(zhuǎn)速。 (3) 動平衡 由于電主軸的轉(zhuǎn)速很高，因此即使微小的動不平衡量，也會產(chǎn)生很大的離心力，引發(fā)振動。對高速電主軸的動平衡要求 是很高的。不但要求各零部件各自進(jìn)行動平衡，而且裝配后還要進(jìn)行整體動平衡，在裝夾或更換刀具后，對刀具也要進(jìn)行動平衡。有的國外產(chǎn)品在刀具裝夾端設(shè)有在線自動平衡裝置，每更換一次刀具，該裝置可自動測出動不平衡量，并自動使該裝置上的兩個圓盤相對轉(zhuǎn)動一定角度，從而達(dá)到動平衡。對于電主軸的動平衡要求，一般都按 ISO 標(biāo)準(zhǔn) 級，即在最高轉(zhuǎn)速時，由殘余動不平衡量引起的振動速度最大允許值為 。 電主軸新技術(shù)的展望 (1) 繼續(xù)向高速重載方向發(fā)展。德國 GMN 公司提供的產(chǎn)品樣本上，電主軸的最高轉(zhuǎn) 速為 180000r/min ,國內(nèi)洛陽軸承所也有轉(zhuǎn)速為 150000r/min 的電主軸產(chǎn)品供應(yīng)。在載荷方面，目前額定轉(zhuǎn)矩最大的電主軸是瑞士 STRPTEC 公司的產(chǎn)品，額定轉(zhuǎn)矩達(dá) 350Nm。 (2) 自動化程度將進(jìn)一步提高。電主軸屬高科技產(chǎn)品，其自動化程度越來越高。最新的電主軸產(chǎn)品有的裝備了在線自動平衡裝置，刀具更換后或加工過程中，由不平衡量引起的振動超過規(guī)定值時，會對不平衡量進(jìn)行 在線自動平衡。刀具的夾緊與松開也配備了自動控制的氣壓或液壓裝置。 (3) 提高動態(tài)性能及加工精度的新技術(shù)動態(tài)性能好及加工 精度高是對電主軸最根本的要求，也是電主軸生產(chǎn)商追求的根本目標(biāo)。由于熱膨脹和轉(zhuǎn)速的影響，電主軸在高速時會產(chǎn)生百分之幾的軸向位移，即降低了加工精度。 GMN 公司及 FISCHER 公司均可提供主軸伸長的自動補償裝置。通過直接或間接測得軸端的伸長量，相應(yīng)控制機床的數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)在主軸軸向進(jìn)行補償。為解決主軸軸向伸長導(dǎo)致軸承負(fù)載增加的問題，一些新款電主軸的軸向預(yù)緊力是由自動控制的液壓阻尼系統(tǒng)來施加的。根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速，預(yù)緊力會自動調(diào)節(jié)，阻尼作用可用來降低軸承的振動水平。 6 第 2 章 主軸的設(shè)計 設(shè)計 原始數(shù)據(jù)及設(shè)計 主軸設(shè)計原始參數(shù) 表 2－ 1 主軸設(shè)計原始參數(shù) 電流 相數(shù) 旋向 功率 頻率 電壓 轉(zhuǎn)速 12A 3 從軸伸端看 順時針 600HZ 350 36000RPM 由于電主軸是高速運轉(zhuǎn)的部件所以設(shè)計要滿足如下要求： (1)使砂輪軸裝配后周前端徑向跳動、軸向端面跳動均不大于 ； (2)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，初步具備精度設(shè)計的能力。 其次砂輪軸系必須滿足機床的性能要求，適應(yīng)工作條件，性能可靠，此外還應(yīng)適應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊，成本低， 效率高和操作維護(hù)方便以及具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性 。 初定軸上零件的裝配方案 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。所謂的裝配方案，就是軸上主要零件的裝配方向，順序和相互關(guān)系。電主軸軸上主要零件是轉(zhuǎn)子平衡塊以及軸承?？紤]它們之間安裝順序根據(jù)實際的情況可以是兩端軸承固定支承，軸上從左向右依次裝上平衡塊，定子，平衡塊 。 軸上零件的定位 兩端分別用軸承蓋加以定位，軸上的軸承采用過盈連接防止徑向轉(zhuǎn)動，軸向用軸肩加以固定，定子用過盈連接固定。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。 主軸主要尺寸的確定 主軸主要參數(shù)有：主軸前后支撐直徑 D1 和 D2，主軸前段伸長量 a 和軸支撐跨度 L，這些參數(shù)直接影響著主軸的旋轉(zhuǎn)精度和剛度。 主軸軸徑的確定 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。在做軸的機構(gòu)設(shè)計時，通常用這種方法初步估計軸徑。對于不大重要的軸，也可以作為最后計算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為： ? ?3TP9550000T nW ??? ? ? (21) 7 式中 : T? —— 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為 MPa ； T —— 軸所受的扭矩，單位為 Nmm? ； TW —— 軸的抗扭截面系數(shù)，單位為 3mm ； n —— 軸的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min； P —— 軸傳遞的功率，單位為 Kw ； d—— 計算截面處軸的直徑，單位為 mm； ??T? —— 許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，單位為 aMP ； 軸常用的幾種材料的 ??T? 及 0A 值見表 22： 表 2－ 2 軸的材料比較 軸的材料 Q235A,20 Q275,35(1Cr18Ni9Ti) 45 40Cr,35SiMn38SiMnMo,3Cr13 ??T? / aMP 15~25 20～ 35 25～ 45 35～ 55 0A 149～ 126 135～ 112 126～ 103 112～ 97 由上式可得軸的直徑 ? ? ? ? 3333 09550000 P 9550000 P Pd. . n n nTT A??? ? ? （ 22） 式中 ? ?30 ?? ，查上表。 對于電主軸由于其高速運轉(zhuǎn)，所以要求所用材料具有良好的耐磨性。又由于其工作時有較 大的力 ,所以要求內(nèi)部要有一定的韌性。在此次設(shè)計中軸的材料選用 40Cr 查表的 0A ＝ 110，由原始條件的功率為 P=,轉(zhuǎn)速為 36000r/min 代入上述公式 (21)得： mmd 0 3 ??? 考慮到實際工作條件和可靠性的要求在此設(shè)計中取軸的最小直徑為 25mm。 對于前端由于是空心軸所以利用公式 : ? ?3 40 1 ??? n PAd （ 23） 8 式中 dd1?? ，即空心軸的內(nèi)徑 1d 與外徑 d 的比值，通常取 ~?? 代入 （ 2） 公式 ? ? mmd 6 0 0 0 1 0 3 4 ????? 考慮實際的情況， 在本設(shè)計中前端的軸徑取 30mm。根據(jù)電主軸的實際情況，其極限轉(zhuǎn)速比較高，而且同時有軸向載荷和徑向載荷的作用所以在本次設(shè)計中所選用的軸承是角接觸球軸承。對于磨床， 通過計算的 后端的直徑設(shè)為 25mm 。因此，前端的 軸承 選擇 的類型為 B7006C/HQ1P4。 而后端的軸承選擇的類型為B7005C/HQ1P4。 表 2－ 3 軸承參數(shù) 軸承代號 D D B 額定載荷Cr(KN) a 極限轉(zhuǎn) （ r/min） 脂 油 B7006C/HQ1P4 30 55 13 15176。 37000 55000 軸的極限轉(zhuǎn)速一般為軸承極限轉(zhuǎn)速的 80％左右，從上表可以看出，軸的極限轉(zhuǎn)速為 5500080％＝ 44000 r/min。 為了提高其運轉(zhuǎn)時的精度采用雙聯(lián)軸承配置。查機械設(shè)計手 冊可得軸承的基本尺寸。從而得出與軸承配合軸段的長度。對于后端軸承軸向定位一端用軸承蓋，一端用軸肩定位，軸肩的高度取 h=3mm， 得與轉(zhuǎn)子配合得軸段得直徑為 30mm。對于這段軸的左端動平衡塊與軸肩之間留出 1mm 的熱變形余量，為了對平衡快進(jìn)行軸向的定位，左端的軸肩高度 h＝ 3mm， 此時軸肩的直徑為 36mm。接著要裝左端的軸承，為了拆卸的方便可在設(shè)定一個軸肩段，此軸肩段的高度 h＝ 3mm。所以此軸段的直徑為 36mm。前端軸承的左端用螺母定位。軸向零件的圓角和倒角尺寸可見零件圖。 圖 21 和圖 22 為主軸的 3 維建模。 圖 21 主軸 3維建模平面圖 9 圖 22 主軸 3維建模立體圖 主軸前段懸身量的選擇 主軸前段懸身量 a 是指主軸定位基面至前支撐徑向支反力作用點之間的距離。懸身量 a 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 a ，提高主軸剛度，初步確定是可設(shè) a =D1=35mm。 主軸支撐跨度 L 的選擇 主軸的支撐跨度是指兩支撐支反力作用點之間的距離，是影響主軸組件剛度的重要參數(shù)。主軸組件剛度主要取決于主軸自身的剛度和主軸支撐的剛度。主軸自己的剛度與支承跨度成反比，即主軸軸徑，懸身量確定以后，跨距越大，主軸端部變形越大，主軸彈性變形引起的主軸端部變形，則隨著跨度的增大而減小，跨度越大，軸承剛度對主軸的影響越小。 因此根據(jù)經(jīng)驗，和實際的電主軸尺寸，初設(shè)，主軸支撐跨度 L=160mm。 軸的強度校核 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 Ft 和法向力 Fn ，因此查資料得，磨削力的經(jīng)驗公式為： afVkF ctpbtaatwtt ? （ 24） afVkF pbnaanwnn ? （ 25） 查表可知各個參數(shù)得， m in/25 mV w ? ， m in/ mf a ? ， ?a p ， 1400?kt ，?at ， ?bt ， ?ct 。 代入 公式（ 24），（ 25） ，可分別計算出 Ft =150N， Fn =75N。 主軸力的簡圖如圖 23 所示： 10 圖 23 主軸受力結(jié)構(gòu)簡圖 由靜力平衡方程，求得支反力： ?FB ， FC = 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 FsABN168CA B C35 160A B C35 160 11 mmN ?5 88 0MA B C圖 25 彎矩圖 所以，最大彎矩為： M=5880N? mm 根據(jù)扭矩公式 : Me =9550000nP ，得： Me =9550000 ? =1500N? mm Ft 產(chǎn)生的扭矩為 Tt =Ft *d/2=150*15=2250 N? mm T=Me +Tt =1500+2250=3750 N? mm 對于空心軸， W= )1(32 43 ?? ?d ? )1( 43 ??d , dd1?? ，代入公式，可得： W= 根據(jù)第三強度理論公式 WTMca)( 22 ?? ?? ，得 ??ca ，因為選用的是 40Cr，所以 ?1? =60。 ??ca 〈 ?1? =60，因此，此軸設(shè)計的合格。 12 主軸臨界轉(zhuǎn)速的校核 查機械設(shè)計手冊 1935P? 得，主軸的臨界轉(zhuǎn)速公式： 3009 4 6 ( 1 , 2 , 3 )c r k k EInkwL??? (26) 在所設(shè)計的結(jié)構(gòu)中0180 0 .6 7270LL? ? ? ? 查機械設(shè)計手冊 1935P? 表 取 ?? 。又知： 3210 10 ME Pa?? ， 10I m m?? ， 0 270L mm? 。 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)得： 2 2 2 230 2 2 22 8 3 8 3 0 3 7 3 6 2 4 2 54 4 4 4 7 . 8 1 0 9 . 8 2 0 . 4 2 N3 6 1 3 3 3 0 5 2 2 0 1 04 4 4w? ? ? ?? ? ????? ? ? ? ? ? ? ?? ? ???? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ??? 所以軸的臨界轉(zhuǎn)速為： 3300 2 1 0 1 0 3 1 2 5 . 6 1 0 39 4 6 9 4 6 1 3 . 7 0 6 1 0 5 0 3 4 . 72 0 . 4 2 ( 2 7 0 )c r k k EIn wL? ? ? ?? ? ? ?? 因為軸的轉(zhuǎn)速 0 36000 rknn? ? ?所以不會產(chǎn)生劇烈震動而破環(huán)機器的正常運轉(zhuǎn)。 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 電主軸的性能參數(shù)與整體結(jié)構(gòu) 表 24 電主軸的性能參數(shù) 參數(shù)名稱 設(shè)計轉(zhuǎn)速 軸向預(yù) 緊力 基礎(chǔ)油 噪聲 軸向靜剛 度 軸向竄動 量 數(shù)值或要求 36000r/min 205N 10抗磨油 80 dB (A) 50 (N/μm) (μm) 參數(shù)名稱 設(shè)計功率 潤滑方 式 油 冷卻流量 徑向靜 剛度 主軸內(nèi)孔 跳動量 主軸端面 跳動量 數(shù)值或要求 kW 油 潤滑 4 (l/min) 85(N/m) 5 (μm) 5 (μm) 13 表 24 列出了擬 設(shè)計 的 MD140W36/ 型高速磨削用電主軸的各項性能參數(shù)。 電主軸的機械結(jié)構(gòu)并不算復(fù)雜，但由于其應(yīng)用于高速精密加工，故對其高速工況的運轉(zhuǎn)精度有很高的要求，相應(yīng)地對制造工藝要求也比較嚴(yán)格，另外，設(shè)計中還必須考慮內(nèi)置電動機散熱、 高速主軸的動平