【導(dǎo)讀】品制造中的諸多難題，如獲得特殊的加工精度和表面質(zhì)量。因此，高速數(shù)控機床。水平的高低和擁有量的多少也是衡量一個國家制造業(yè)水平高低的標志。數(shù)控加工技術(shù)的重要部件，因此對高速電主軸技術(shù)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。本文以額定轉(zhuǎn)速20200r/min，功率4kw，的機械設(shè)計知識。確定最小軸向尺寸，同時根據(jù)相應(yīng)的計算確定最長外伸端。以此確定主軸的整體尺寸。高速，高剛度，大功率，長壽命的特點。冷卻系統(tǒng)采用外置水冷。其滿足殼體設(shè)計的相應(yīng)要求。接影響主軸的綜合精度。

　　

【正文】 rP =XR+YA=； 3 主要零部 件的設(shè)計 23 10L = ?)(rrPC = r1110? ； （ 338） 軸承 0L 的計算 軸與套圈間的作用力 Q 包括外載荷 0Q 和離心力 CF 。 Q= 0Q + ?CF （ 339） 代入 329 可得： cL = 3)1( ?? CCF 10L = 1010? r 軸承的設(shè)計壽命為： 0L =60?n?5000=6 910? r 因此： cL ? 0L ，滿足設(shè)計要求。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 4 輔助系統(tǒng)的設(shè)計 25 4 輔助系統(tǒng)的設(shè)計 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計 引言： 電主軸雖比傳統(tǒng)主軸剛度、精度較高，受力后的彈性變形很小，但是電機的內(nèi)置結(jié)構(gòu)使得散熱較差，尤其是在高速數(shù)控機床中運動副摩擦和電機熱表現(xiàn)的更為突出。機床是在非恒定的內(nèi)、外熱源的共同作用下工作的， 機床主軸系統(tǒng)因各部分零件的材料、結(jié)構(gòu)、形狀及冷卻、潤滑等情況不同會使系統(tǒng)的溫升情況不同，形成一個復(fù)雜的溫度場，若發(fā)熱不能及時排除或減少，會使各個零件產(chǎn)生不同程度的變形，進而對加工表面質(zhì)量、加工精度產(chǎn)生影響。因此，在電主軸機床上影響加工誤差的主要是熱變形而不是彈性變形，研究表明熱變形引起的加工誤差已達到零件總加工誤差 的 60～ 80％ ，尤其是機床在高速運轉(zhuǎn)下更為嚴重 。 電主軸發(fā)熱分析： 電主軸發(fā)熱主要有以下幾種形式：機械損耗：主要是由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時與空氣之間的摩擦損耗。電損耗：電流流經(jīng)轉(zhuǎn)子和定子所發(fā) 出的熱量。磁損耗：定子，轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)因磁滯和渦流所造成的主要損耗。陶瓷球軸承的損耗：在主軸的高速運轉(zhuǎn)下，滾珠與軸承內(nèi)外圈間會產(chǎn)生復(fù)雜的摩擦，而產(chǎn)生較強的摩擦熱。 機械損失 : LRCPn 43???? (41) 式中 : nP —— 機械損耗功率，單為： W C —— 摩擦系數(shù)（通常根據(jù)經(jīng)驗確定）； R —— 轉(zhuǎn)子的外半徑，單位為： m； L —— 轉(zhuǎn)子的長度，單位為： m； ? —— 角速度 ,單位為： rad/s； ? —— 空氣密度，單位為： kg/ 3m 。 根據(jù)資料可知： C =； ? =； nP = 電損耗 ： 由于轉(zhuǎn)子和定子的繞組采用銅線，因此電損耗的計算公式如下： 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 eP = 2I ? SL (42) 式中： eP —— 電損耗功率，單位為： W； I —— 電流，單位為： A； R —— 導(dǎo)體的電阻，單位為： ? ； ? —— 導(dǎo)體的電阻率； L —— 導(dǎo)體的長度，單位為： m； S —— 導(dǎo)體的截面積，單位為： 2m 。 根據(jù)資料可知：功率小于 5KW 的電機的繞線采用單層排列。因此，可假設(shè)定子的內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子的外表面均等排列著銅線，因此導(dǎo)體的長度 L,計算長度如下： 轉(zhuǎn)子上導(dǎo)線的長度 1L 的計算如下： 1L = 轉(zhuǎn)LDS?1 =11165mm； 式中： 1S —— 轉(zhuǎn)子外徑的周長，單位為： mm； D —— 銅線的直徑，單位為： mm； 轉(zhuǎn)L —— 轉(zhuǎn)子軸向長度，單位為： mm； 定子上導(dǎo)線長度 2L 的長度計算如下： 2L = 定LDS ?2 =13530mm； 式中： 2S —— 定子內(nèi)徑的周長，單位為： mm； D —— 銅線的直徑，單位為： mm； 定L —— 轉(zhuǎn)子軸向長度，單位為： mm； 因此： L= 1L + 2L =24695mm。 根據(jù)資料可知： ? = cm?? ； ep = 磁損耗： 磁損耗包括：循環(huán)磁化時單位質(zhì)量的磁損耗；轉(zhuǎn)子鐵心的磁損耗；渦流損4 輔助系統(tǒng)的設(shè)計 27 耗。 循環(huán)磁化時單位質(zhì)量的磁損耗： tP =C f 2maxB (43) 式中： tP —— 磁滯損耗功率 ，單位為： W； C —— 與電工鋼牌號有關(guān)的常數(shù)； f —— 磁化頻率，單位為 1?s ； maxB —— 磁感應(yīng)強度的最大值，單位為： T。 根據(jù)資料可知：由于使用的是硅鋼片 ，因此當(dāng)： aBmax =～ 時， a=2。將：f =； C= 及 maxB = 代入可得： tP= 轉(zhuǎn)子鐵心 的磁損耗由轉(zhuǎn)差率來確定，它的值很小，可以忽略不計。 渦流損耗： ?wPcrfBt ?? 6 )( 2max22 (44) 式中： wP —— 渦流損耗功率，單位為： W； t —— 硅鋼片厚度，單位為： mm； cr —— 鐵心的密度，單位為： kg/ 3m ； ? —— 鐵心的電阻率，單位為： m?? 。 根據(jù)資料可知： t=； cr =； ? = m??? ?810 可得： ?wP 陶瓷球軸承的發(fā)熱計算： 滑動軸承的摩擦損 耗和所用潤滑油的粘度及品質(zhì) 、 軸頸的圓周速度 、 工作表面的加工質(zhì)量以及軸頸直徑和長度之比等因素有關(guān)。 滾動軸承的摩擦損耗可以用的數(shù)值公式為 : ??? ?dFPf (45) 式中： 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 fP —— 滾動軸承的摩擦損耗 ,單位為： W； F—— 軸承的載荷，單位為： N； d—— 滾子中心所處的直徑，單位為： m； ? —— 滾珠中心的圓周速度，單位為： m/s； 根據(jù)計算可知： F=； d=； ? =45m/s； ?fP 因此：總的發(fā)熱功率為 P: P= nP + eP + tP + wP + fP (46) = 冷卻液流量的及冷卻油管直徑的確定 引言 電主軸常用的冷卻方式是利用循環(huán)冷卻水降低主軸系統(tǒng)的溫升，高速電主軸的冷卻系統(tǒng)主要依靠冷卻液的循環(huán)流動來實現(xiàn)。高速電主軸的冷卻系統(tǒng)分為外水套和內(nèi)水套兩種：大型電主軸功率大，電動機發(fā)熱量多，采用內(nèi)水套式冷卻系統(tǒng)強化電動機定子的冷卻；小型電主軸采用外水套式或定子和軸承均帶水套的方式冷卻，此外也可以經(jīng)過油冷卻裝置的冷卻油強制性地在主軸定子外及主軸軸承外循環(huán)，帶走熱量。 冷卻液流量的確定： 由于采用油冷裝置，因此冷卻液選用乙二醇水溶液。流量的計算如下： outT = inT +PCQ?? (47) 式中： outT —— 冷卻液出口溫度，單位為： C? ； inT —— 冷卻液入口溫度，單位為： C? ； ? —— 液體的密度 ，單位為 kg/ 3m ； ? —— 冷卻液體流速 ，單位為： m/s； pC —— 冷卻液體的比熱容 ，單位為： KJ/Kg? k； 根據(jù)設(shè)計要求：電主軸的工作溫度不能高于 40度，因此 outT =35 C? ； inT =0 C? ；4 輔助系統(tǒng)的設(shè)計 29 ? =； pC =? k； 將上面的數(shù)據(jù)代入，可得： ? = 管道的尺寸 確定 應(yīng)根據(jù)冷卻液的流速來確定 ，計算公式如下： d = ?VQ (48) 式中： d—— 管道 的尺寸，單位為 :mm； VQ —— Qv 為流量 ，單位為： 3m /h； ? —— 冷卻液體流速 ，單位為： m/s； 流量的計算： VQ = ??S (49) 式中： VQ —— 流量 ，單位為： 3m /h； S —— 管道的面積 ,單位： 2m ； ? —— 冷卻液體流速 ，單位為： m/s； 初定冷卻管的直徑： D=5mm；代入可得 : VQ = hm /10 34?? 將： VQ = hm /10 34?? ，代入式 d = ?VQ 可得： d ? ；因此 d =5mm 滿足設(shè)計要求。 潤滑系統(tǒng)的選擇： 常用的潤滑方式有：油脂潤滑，油霧潤滑和油氣潤滑，其中油霧潤滑對環(huán)境污染大，會對工作人員造成健康傷害；油氣潤滑潤滑效果最好，潤滑的同時能對軸承進行冷卻，常用于超高速電主軸，而且該潤滑方式需獨立設(shè)計潤滑系統(tǒng)，成本高昂結(jié)構(gòu)復(fù)雜；脂潤滑是最簡單的潤滑方式，選擇合適的潤滑劑能保證軸承的穩(wěn)定工作，同時由于采用陶瓷滾珠，大大減少了軸承系統(tǒng)的溫升，加上系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速為 20200r/min； 系統(tǒng) Dn 值 為 510? ， 因此 選擇 白色特種鋰基脂 做為本文所設(shè)計的電主軸的潤滑方式。 電主軸軸殼的尺寸 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 引言： 軸殼是高速電主軸的主要部件。殼體的尺寸精度和位置精度直接影響主軸的綜合精度。因此應(yīng)該嚴格控制整機裝配精度。 軸殼的尺寸 軸殼尺寸如表 41 所示： 表 41 軸殼尺寸 名稱 尺寸 殼 體壁厚 10mm 殼 蓋壁厚 10mm 地腳螺釘直徑 M12 地腳螺 數(shù)目 4 軸承旁聯(lián)接螺栓直徑 M10 連接螺栓 2d 的間距 80mm 定位銷直徑 GB/T117 10?60 殼座和殼蓋聯(lián)結(jié)螺栓直徑 M6 軸承端蓋螺釘直徑 M6 殼座凸緣厚度 15mm 殼蓋凸緣厚度 15mm 殼座底凸緣厚度 25mm 5 結(jié)論與展望 31 5 結(jié)論與展望 本論文以高速數(shù)控機床電主軸結(jié)構(gòu)為設(shè)計對象，對額定工作條件下工作的數(shù)控機床電主軸的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。通過對額定功率和額定轉(zhuǎn)速的分析及計算，分別進行主軸電機驅(qū)動和控制形式的選擇 、 混 合陶瓷球 軸承的選擇 、 電主軸主軸的設(shè)計 、 轉(zhuǎn)子定子的設(shè)計 、 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計 、 潤滑系統(tǒng)的設(shè)計及電主軸軸殼尺寸使其達到相應(yīng)的設(shè)計要求。通過本次設(shè)計可以清楚的了解到數(shù)控機床電主軸是一個很精密機械設(shè)備，其每一部分的精度及誤差都將會影響到電主軸的工作性能。 在設(shè)計的過程中，首先根據(jù)額定功率和額定轉(zhuǎn)速計算出軸端的最大的扭矩，根據(jù)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，選定合適的控制形式與驅(qū)動方式，其次根據(jù)轉(zhuǎn)速和功率確定電主軸的最小遲寸，根據(jù)最小尺寸確定整個主軸的徑向尺寸，同時為了讓滿足軸端最大轉(zhuǎn)動慣量的要求，對整個軸的軸向尺寸進行設(shè)計 ，使軸端跨度及外伸滿足設(shè)計要求。在主軸的尺寸確定之后，根據(jù)主軸的徑向尺寸確定軸承的選擇，由于數(shù)控機床電主軸的轉(zhuǎn)速為 20200r/min,因此軸承將產(chǎn)生很大熱量。由此可選擇由 GMN 公司生產(chǎn)的混合陶瓷球軸承，此軸承的滾珠是由陶瓷構(gòu)成的，因此摩擦系數(shù)小，由摩擦產(chǎn)生的熱量也因此降低而且為了保證軸端的最大轉(zhuǎn)動慣量，軸承采用的雙排列的方式。同時在主軸徑向和軸向尺寸確定電主軸轉(zhuǎn)子的尺寸，由于電主軸轉(zhuǎn)子和主軸是由過盈配合進行驅(qū)動，因此選擇合適的配合形式，在選擇合適的配合形式之后，對定子進行校核，在主軸與轉(zhuǎn)子的過盈量處于最大 時，以確定轉(zhuǎn)子不被破壞。在軸承選定之后，根據(jù)軸承所受的壓力對軸承的壽命進行估算，以確定所選的軸承的壽命可以達到設(shè)計要求。由于數(shù)控機床電主軸處于密封的狀態(tài)之下，而且其轉(zhuǎn)速為 20200r/min，因此發(fā)熱量也很大，需要有專門的散熱裝置，根據(jù)發(fā)熱分析及相應(yīng)的計算，可以確定總發(fā)熱量，根據(jù)總發(fā)熱量確定散熱系統(tǒng)的流速。最后設(shè)計電主軸的箱體尺寸。 在這個日新月異的時代，數(shù)控機床電主軸的轉(zhuǎn)速會更高，可以達到100000r/min 甚至更高，而且其發(fā)熱量會越來越少，在不久的將來會出現(xiàn)不需要外置冷卻系統(tǒng)的電主軸。其尺寸也會變的更 小，其將代替脈沖電機或者步進電機成為工業(yè)機器人和機械臂的主要驅(qū)動裝置。而且 數(shù)控機床電主軸將會標準化和產(chǎn)業(yè)化。在數(shù)控機床電主軸系統(tǒng)的中，其組成的各個零部件也將會出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和標準化，特別是數(shù)控機床電主軸的兩大重要組成部件：空心電機和軸承。 在今后數(shù)的十年間，數(shù)控機床電主軸的發(fā)展將不可估量，其在制造領(lǐng)域帶來的革新將會顛覆傳統(tǒng)的制造業(yè)。雖然 3D 打印技術(shù)也在不斷地發(fā)展中，但其也存在不少的缺陷。就大規(guī)模的制造而言，數(shù)控技術(shù)將會在未來的制造