【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （ 311） 據(jù)此，在 GD－ Ⅱ 型電主軸設(shè)計(jì)中，主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子的配合采用 Φ66H6／ s6 的過盈配合，這種配合的實(shí)際最小過盈量為 (＞ mm)，能滿足電主軸的高速傳動(dòng)要求。其實(shí)際的最大過盈量為 ，配合面實(shí)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(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)孔配合面上具有最大的切向拉應(yīng)力 σθemax和最大的徑向壓應(yīng)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(yīng)力，其中主軸的配合面上具有最大的徑向壓應(yīng)力 σrimax，在主軸內(nèi)孔壁處具有最大的切向壓應(yīng)力 σθimax，其值為： σrimax (r=a)=pmax= (N/mm2) （ 315） σθimax (r=c)=2max12 CiP??= (N/mm2) （ 316） 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 14 電主軸的裝配應(yīng)力分布如圖 所示。 由此可見，電主軸的危險(xiǎn)點(diǎn)在電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)，根據(jù)第三強(qiáng)度理論： σr3=σθemaxσremax= (N/mm2) 電機(jī)轉(zhuǎn)子襯套材料的許用應(yīng)力［ σ］為 287 N／ mm， σr3＜［ σ］，使用安全。 圖 主軸與轉(zhuǎn)子過盈配合的應(yīng)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(jié)構(gòu)可分為三種基本型式：兩端固定支承，一端固定、一段游動(dòng)支承和兩端游動(dòng)支承。本設(shè)計(jì)采用兩端固定支承。采用兩端 固定支承時(shí)，應(yīng)留出適當(dāng)?shù)妮S向間隙，以補(bǔ)償工作時(shí)軸的熱伸長(zhǎng)量，同時(shí)應(yīng)提供適當(dāng)?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(lái)調(diào)整軸承的游隙，以保證軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 首先通過對(duì)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。最后軸承在承受徑向載荷的同時(shí)，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(duì)安裝角接觸球軸承（ GB/T2921994） 可同時(shí)承受徑向 載 荷和軸向 載 荷。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。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(dòng)軸承，用途廣泛。適用于高轉(zhuǎn)速甚至極高轉(zhuǎn)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 15 速的運(yùn)行，而且非常耐用，無(wú)需經(jīng)常維護(hù)。深溝球軸承的摩擦系數(shù)很小，極限轉(zhuǎn)速也很高， 特別是在軸向載荷很大的高速運(yùn)轉(zhuǎn)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(dòng)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。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(zhì)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(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可大幅減小滾動(dòng)體的離心力，從而減小球與套圈滾道間的接觸應(yīng)力，延長(zhǎng)軸承的使用壽命。 圖 深溝球軸承 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 16 （ 2）彈性模量大、硬度高。與鋼質(zhì)球軸承相比，相同負(fù)荷下陶瓷球在接觸應(yīng)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。 （ 3）膨脹系數(shù)小。混合軸承的工作游隙及工作游隙的變化幅度小，導(dǎo)致高速高溫時(shí)，滾動(dòng)體與溝道接觸的最大接觸應(yīng)力及接觸負(fù)荷的變化幅度均較小，確保了軸承運(yùn)行平穩(wěn)和發(fā)熱量的減少。 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 電主軸中電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的發(fā)熱和軸承的摩擦發(fā)熱，是不可避免的。機(jī)床工作時(shí)，在內(nèi)、外熱源的作用下，主軸系統(tǒng)的各個(gè)部分會(huì)產(chǎn)生不同程度的溫升。升溫后，主軸和機(jī)床其他部件的空間相對(duì)位置和尺寸都將與溫升前不同，形成不同的溫度場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生不同程度的熱膨脹，導(dǎo)致加工誤差。因此通過對(duì)高速電主軸的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改良，來(lái)控制電主軸的溫升，減小電主軸的熱膨脹，對(duì)于保證電主軸性能和提高其使用壽命，是至關(guān)重要的。 熱源的主要構(gòu)成 電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)內(nèi)置于機(jī)床主軸的結(jié)構(gòu)中，電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的發(fā)熱，是其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的主要的熱源。 （ 2）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在主軸殼體內(nèi)的高速攪動(dòng)，使內(nèi)腔中的空氣也會(huì)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(jìn)行散熱，所以電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量有相當(dāng)一部分會(huì)通過主軸傳到軸承上去，因而影響軸承的壽命，并且會(huì)使主軸產(chǎn)生熱伸長(zhǎng)，影響加工精度。 （ 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]。 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(lái)進(jìn)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(jìn)入后端軸承 2 的外圍， 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 17 1. 后端蓋 2. 后端軸承 3. 轉(zhuǎn)子 4. 定子 5. 電機(jī)冷卻套 圖 電主軸冷卻設(shè)計(jì) 并對(duì)后端軸承 2 進(jìn)行冷卻。接著通過液壓把冷卻油擠向電動(dòng)機(jī)冷卻環(huán)套 5，對(duì)主軸的定子 4 、 轉(zhuǎn)子 3 和前端軸承 6 進(jìn)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(dòng)的熱平衡計(jì)算 主軸傳動(dòng)由于效率低，所以工作時(shí)發(fā)熱量大。在閉式傳動(dòng)中，如果產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散逸，將因溫度不斷升高而使?jié)櫥拖♂?，從而?大摩擦損失，甚至發(fā)生膠合。所以，必須根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量 Φ1 等于同時(shí)間內(nèi)的散熱量Φ2 的條件進(jìn)行熱平衡計(jì)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(dāng)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 18 周圍空氣流通良好時(shí)，取偏大值； S—— 內(nèi)表面能被潤(rùn)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(yīng)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(dāng) 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(shè)計(jì)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(zhǎng)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(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。這些參數(shù)直接影響主軸的旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，前支承軸承的配置和密封裝置的形式和尺寸，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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?？缇噙^小，主軸畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 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(huì)引起主軸前端較大的位移。一般取 L=(2~)a。 主軸的構(gòu)造 主軸的構(gòu)造和形狀主要決定于主軸上所安裝的刀具，夾具，傳動(dòng)件，軸承等零件的類型，數(shù)量，位置和安裝定位方法等。設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮主軸加工工藝性和裝配工藝性。本次設(shè)計(jì)的主軸為空軸，主軸的前端型式取決于機(jī)床類型，后端結(jié)構(gòu)取決于安裝刀具的型式。主軸的結(jié)構(gòu)如圖 。 主軸擋板的設(shè)計(jì) 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。 主軸的材料和熱處理 機(jī)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(guān)。由于各種鋼材的 E 值相差無(wú)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(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼，與球軸承連接的部分需調(diào)質(zhì)淬火處理。 主 軸所受外力的計(jì)算 （ 1）車削力的計(jì)算 金屬切削時(shí)，切削層及其加工表面上產(chǎn)生彈性和塑性變形；同時(shí)工件與刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(gè)互相垂直的分力 Fc， Fp， Ff，如圖 所示。 主軸結(jié)構(gòu) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 20 圖 主軸擋板 圖 外圓車削時(shí)力的分解 用 YT15 硬質(zhì)合金車刀縱車 ?b=，切削速度 Vc=100m/min，背吃刀量 ap=4mm，進(jìn)給量 f=。車刀幾何參數(shù) Y0=10?， Kr=75?， λs=10?， rЗ=。 表 車削時(shí)的車削力及切削功率的計(jì)算公式 計(jì)算公式 主切削力 Fc Fc=FCnCyXpFC KVfaC FCFCFC ???? 背向力 Fp Fp=FPnCyXpFP KVfaC FOFOFO ???? 進(jìn)給力 Ff Ff=FfnCyXpFf KVfaC FfFfFf ???? 切削時(shí)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(jìn)給力 CFc xFc yFc nFc CFp xFp yFp nFp CFf xFf yFf nFf 結(jié)構(gòu)鋼和 硬 外圓縱車、 270 199 294 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 21 鑄鋼σb=GPa 質(zhì)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(zhì)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 —— —— —— —— ——