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正文內(nèi)容

機械專業(yè)-數(shù)控車床電主軸設計(編輯修改稿)

2025-01-12 08:43 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 ( 311) 據(jù)此,在 GD- Ⅱ 型電主軸設計中,主軸與電機轉子的配合采用 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。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) 電機轉子內(nèi)孔配合面上具有最大的切向拉應力 σθemax和最大的徑向壓應力 σremax,其值為: σθemax (r=a)=pmax= (N/mm2) ( 313) σremax (r=a)=22max1 )1( CiCeP ?? = (N/mm2) ( 314) 主軸的 σri( r)和 σθi( 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 σrimax,在主軸內(nèi)孔壁處具有最大的切向壓應力 σθimax,其值為: σrimax (r=a)=pmax= (N/mm2) ( 315) σθimax (r=c)=2max12 CiP??= (N/mm2) ( 316) 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 14 電主軸的裝配應力分布如圖 所示。 由此可見,電主軸的危險點在電機轉子的內(nèi)側,根據(jù)第三強度理論: σr3=σθemaxσremax= (N/mm2) 電機轉子襯套材料的許用應力[ σ]為 287 N/ mm, σr3<[ σ],使用安全。 圖 主軸與轉子過盈配合的應力分布 軸承的選擇 軸承的選擇 按軸系零件軸向定位方法的不同,軸的支承結構可分為三種基本型式:兩端固定支承,一端固定、一段游動支承和兩端游動支承。本設計采用兩端固定支承。采用兩端 固定支承時,應留出適當?shù)妮S向間隙,以補償工作時軸的熱伸長量,同時應提供適當?shù)拈g隙調(diào)整方法。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。 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;接著看轉速,球軸承與滾子軸承相比較,有較高的極限轉速,電主軸的轉速在 1000~8000r/min,所以優(yōu)先選用球軸承。最后軸承在承受徑向載荷的同時,還有不大的軸向載荷,所以選用深溝球軸承和角接觸軸承。 故在主軸的兩端我分別采用了角接觸 球軸承和深溝球軸承,分別見圖 和圖。 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。它 能在較高的轉速下工作 , 接觸角越大,軸向承載能力越高。高精度和高速軸承通常取 15 度接觸角。 深溝球 軸承 是最具代表性的滾動軸承,用途廣泛。適用于高轉速甚至極高轉畢 業(yè) 設 計 說 明 書 15 速的運行,而且非常耐用,無需經(jīng)常維護。深溝球軸承的摩擦系數(shù)很小,極限轉速也很高, 特別是在軸向載荷很大的高速運轉工況下,深溝球軸承比 推力球軸承 更有優(yōu)越性。 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球軸承和陶瓷球混合軸承。本人采用陶瓷球混合軸承。陶瓷球混合軸承與傳統(tǒng)的鋼質球軸承相比,具有密度小、彈性模量大、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫等優(yōu)良物理性能和機械性能。 ( 1)陶瓷球混合軸承材料 Si3N4,密度只有鋼的 40%。在高速運轉時,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力,延長軸承的使用壽命。 圖 深溝球軸承 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 16 ( 2)彈性模量大、硬度高。與鋼質球軸承相比,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)的臨界轉速。 ( 3)膨脹系數(shù)小?;旌陷S承的工作游隙及工作游隙的變化幅度小,導致高速高溫時,滾動體與溝道接觸的最大接觸應力及接觸負荷的變化幅度均較小,確保了軸承運行平穩(wěn)和發(fā)熱量的減少。 冷卻系統(tǒng)的設計 電主軸中電機高速旋轉所產(chǎn)生的發(fā)熱和軸承的摩擦發(fā)熱,是不可避免的。機床工作時,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。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。因此通過對高速電主軸的冷卻系統(tǒng)的設計改良,來控制電主軸的溫升,減小電主軸的熱膨脹,對于保證電主軸性能和提高其使用壽命,是至關重要的。 熱源的主要構成 電動機和軸承是主要的發(fā)熱源。具體的熱源主要可分為三部分: ( 1)主軸電動機內(nèi)置于機床主軸的結構中,電機高速旋轉所產(chǎn)生的發(fā)熱,是其結構內(nèi)部的主要的熱源。 ( 2)電動機轉子在主軸殼體內(nèi)的高速攪動,使內(nèi)腔中的空氣也會發(fā)熱,這些熱源產(chǎn)生的熱量,主要通過主軸殼體和主軸進行散熱,所以電動機產(chǎn)生的熱量有相當一部分會通過主軸傳到軸承上去,因而影響軸承的壽命,并且會使主軸產(chǎn)生熱伸長,影響加工精度。 ( 3)隨著主軸轉速的升高,主軸軸承的摩擦所產(chǎn)生的發(fā)熱量也隨之增大 [5]。 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 )。其基本的冷卻路線是:首先從主軸冷卻油溫控制器流出冷卻油,經(jīng)過在靠近后端蓋 1 的冷卻環(huán)套上入水口,使冷卻油進入后端軸承 2 的外圍, 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 17 1. 后端蓋 2. 后端軸承 3. 轉子 4. 定子 5. 電機冷卻套 圖 電主軸冷卻設計 并對后端軸承 2 進行冷卻。接著通過液壓把冷卻油擠向電動機冷卻環(huán)套 5,對主軸的定子 4 、 轉子 3 和前端軸承 6 進行冷卻,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)。 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。在閉式傳動中,如果產(chǎn)生的熱量不能及時散逸,將因溫度不斷升高而使?jié)櫥拖♂專瑥亩?大摩擦損失,甚至發(fā)生膠合。所以,必須根據(jù)單位時間內(nèi)的發(fā)熱量 Φ1 等于同時間內(nèi)的散熱量Φ2 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]。 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。 以自然冷卻方式,從箱體外壁散發(fā)到周圍空氣中去的熱流量 Φ2(單位為 W) [3]為, )( ??? ?? 12 Sd 式中: d? —— 箱體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),可取 d? =( ~) W/ (m2 ?C),當畢 業(yè) 設 計 說 明 書 18 周圍空氣流通良好時,取偏大值; S—— 內(nèi)表面能被潤滑油所飛濺到,而外表面又可為周圍空氣所冷卻的箱體表面面積, m2; to—— 油的工作溫度,一般限制在 60~70 ?C,最高不應超過 80 ?C; ta—— 周圍空氣的溫度,常溫情況可取為 20?C; 按熱平衡條件 Φ 1=Φ 2,可求 得在既定工作條件下的油溫 to(單位為 ?C)為: SPtt dao ? ? )1(100 0 ??? ( 316) 為了保持正常工作溫度所需要的散熱面積 S,當 80?ot ?C,而總效率 ? ,估取 ? =,P=,所以 262 m)( )1(1000 mmttPS aod ???? ?? ? ? 因此只要散熱面積 S 大于 mm? ,主軸的在工作條件下的油溫 to 就能保證在 80?C 一下,再看本人設計的冷卻系統(tǒng)的散熱面積 S: RLrLS ?? 22 ?? 式中: r—— 冷卻管道的內(nèi)壁半徑 mm; R—— 冷卻管道的外壁半徑 mm; L—— 冷卻管道的長度 mm; 故 ???????????? RLrLS ?? mm2, 所以能證明主軸冷卻系統(tǒng)的熱平衡是穩(wěn)定的。 主軸的主要結構參數(shù) 主軸的主要結構參數(shù)有主軸前端懸伸量和主軸主支承間的跨距。這些參數(shù)直接影響主軸的旋轉精度和主軸的剛度。 主軸前端懸伸量的確定 主軸的前端懸伸量主要取決于主軸端部的結構,前支承軸承的配置和密封裝置的形式和尺寸,由結構設計確定。 主軸主支承間的跨距 L 的確定 主軸主支承間的跨距是主軸獲得最大靜剛度的重要條件之一。跨距過小,主軸畢 業(yè) 設 計 說 明 書 19 的彎曲變形固然較小,但因支承變形引起主軸前端的位移量增大;反之 ,支承跨距過大,支承變形引起主軸前端的位移量減小了,但主軸的彎曲變形增大,也會引起主軸前端較大的位移。一般取 L=(2~)a。 主軸的構造 主軸的構造和形狀主要決定于主軸上所安裝的刀具,夾具,傳動件,軸承等零件的類型,數(shù)量,位置和安裝定位方法等。設計時還應考慮主軸加工工藝性和裝配工藝性。本次設計的主軸為空軸,主軸的前端型式取決于機床類型,后端結構取決于安裝刀具的型式。主軸的結構如圖 。 主軸擋板的設計 結構如圖 ,材料為 45 鋼,軸承選用角接觸球軸承,深溝球軸承。 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。由于各種鋼材的 E 值相差無幾( E= 2. 11011N/ m2),故影響不大。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。主軸選用 45 號優(yōu)質中碳鋼,與球軸承連接的部分需調(diào)質淬火處理。 主 軸所受外力的計算 ( 1)車削力的計算 金屬切削時,切削層及其加工表面上產(chǎn)生彈性和塑性變形;同時工件與刀具之間的相對運動存在著摩擦力(作用在前 、后刀面上的變形抗力, FnY和 Fna;作用在前、后刀面上的摩擦力 FfY和 Ffa。)這些力的合力 F 稱為切削合力,也稱總切削力??偳邢髁?F 可沿 x, y, z 方向分解為三個互相垂直的分力 Fc, Fp, Ff,如圖 所示。 主軸結構 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 20 圖 主軸擋板 圖 外圓車削時力的分解 用 YT15 硬質合金車刀縱車 ?b=,切削速度 Vc=100m/min,背吃刀量 ap=4mm,進給量 f=。車刀幾何參數(shù) Y0=10?, Kr=75?, λs=10?, rЗ=。 表 車削時的車削力及切削功率的計算公式 計算公式 主切削力 Fc Fc=FCnCyXpFC KVfaC FCFCFC ???? 背向力 Fp Fp=FPnCyXpFP KVfaC FOFOFO ???? 進給力 Ff Ff=FfnCyXpFf KVfaC FfFfFf ???? 切削時消耗的功率 Pc(kW) Pc= Fcvc 103/60 切削力公式中系數(shù)和指數(shù) 加工材料 刀具材料 加工形式 主切削力 背向力 進給力 CFc xFc yFc nFc CFp xFp yFp nFp CFf xFf yFf nFf 結構鋼和 硬 外圓縱車、 270 199 294 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 21 鑄鋼σb=GPa 質合金 橫車及鏜孔 切槽或切斷 367 0 142 0 —— —— —— —— 切螺紋 133 —— —— —— —— —— —— —— —— —— 高速鋼 外圓縱車、橫車及鏜孔 180 0 94 0 54 切槽或切斷 222 0 —— —— —— —— —— —— —— —— 切螺紋 191 0 —— —— —— —— —— —— —— —— 灰鑄鐵 HBS190 硬質合金 外圓縱車、橫車及鏜孔 92 0 54 0 46 切螺紋 103 —— —— —— —— —— —— —— —— —— 高速鋼 外圓縱車、橫車及鏜孔 114 0 119 0 51 切螺紋 158 0 —— —— —— —— ——
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