【正文】 影響，即把軸承剛度當(dāng)作不變的常數(shù)對待。主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有主軸前、后軸頸直徑 D1 和 D內(nèi)孔直徑 d、懸伸量 a 和主軸主要支承間的跨距 L。如圖 所示：陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 26 頁 共 67 頁圖 主軸結(jié)構(gòu)簡圖 主軸單元主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定主要假設(shè)：（1）用單一的當(dāng)量截面代替多個不同尺寸的截面；（2）用合并或忽略輔助支承的方法，將多個軸承簡化為前后兩個支承；（3）將軸承簡化為徑向的壓縮彈簧，即只認(rèn)為軸承具有徑向剛度，而不具有角剛度；（4）忽略轉(zhuǎn)速對軸承剛度的影響；（5） 、忽略軸承負(fù)荷對軸承剛度的影響，即把軸承剛度當(dāng)作不變的常數(shù)對待。計(jì)算步驟：（1）主軸直徑的初選：參考國內(nèi)外電主軸生產(chǎn)廠家技術(shù)資料，根據(jù)電機(jī)、拉刀機(jī)構(gòu)等外購件的尺寸參數(shù)，初步確定主軸前軸頸的直徑 D1， 選取 D1=75mm； D2=（～）D1，取 D2=65mm ，主軸的內(nèi)孔直徑的確定如圖 和表 所示。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 27 頁 共 67 頁圖 主軸內(nèi)孔尺寸標(biāo)準(zhǔn)陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 28 頁 共 67 頁表 主軸內(nèi)孔標(biāo)準(zhǔn)D1 d2 d3 d5 d6 d7 d8 13 18 19 110 11150 38 26 33 26 15 10 18 61 45 8463 48 34 42 34 20 15 22 69 52 9480 60 42 50 42 22 17 28 72 56 98（2）前懸伸量 a 的初步確定：前懸伸 a 對主軸組件的綜合剛度影響很大，在選擇主軸端部結(jié)構(gòu)以及考慮刀具的安裝、軸承的類型及密封結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡可能減小主軸的懸伸量。初步確定前懸伸量 a = 60mm。（3）主軸最佳跨距 l0 的計(jì)算：滿足主軸前端最小靜撓度條件時(shí)的 l 是最佳跨距l(xiāng)0，當(dāng) ≤ l/l0 ≤ 時(shí)，主軸組件的剛度損失不超過 5%～7% ，在工程上認(rèn)為是合理的剛度損失，故在該范圍內(nèi)的跨距稱為“合理跨距” l 合 ，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)爭取主軸前端在一定的外載荷 P 的作用下，主軸本身及其支承都要產(chǎn)生變形，引起主軸前端部產(chǎn)生位移(如圖 )。其總位移由兩部分 組成： zsy??是假設(shè)軸承為剛性支承，主軸為彈性體時(shí)，主軸在前端受到外載荷 P 作用后的位移是假設(shè)主軸是剛體，支承為彈性體時(shí)，主軸在前端受到外載荷 P 作用后的位移圖 主軸撓變形示意圖根據(jù)材料力學(xué)中外伸梁的撓度公式： umNKrBA/???syz陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 29 頁 共 67 頁陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 30 頁 共 67 頁0?lydE 主軸材料的彈性模量， 25/??I 主軸截面的平均慣性矩（ ） ，空心軸4m??464dDI?? ??????前、后支承的支反力為 ，剛度為 時(shí)，前、后支承的變形分別為BAR、 BAK、 BAR?B??由幾何關(guān)系可求出: ??lalZy??1又因?yàn)椋?， ??laAP?1lBPR所以主軸前端在一定的外載荷 P 的作用下，主軸端部的總撓度 y 為 ????1123 ????lalKalEIPZS BZAy式中 E 為主軸材料的彈性模量；I 為主軸截面的平均慣性矩； 為前、后支BAK、承徑向剛度； 根據(jù)最小撓度條件： 對上式求導(dǎo)，并引入無 量常數(shù) 整理有： 3aKEIA? ????016030 ???BAKalal ? 可以證明這個三次代數(shù)方程有且只有唯一的正實(shí)根，即： ????3 23 2 819181910 ???? ??????? BABABABA KKKKal前、后支承均采用雙聯(lián)角接觸球軸承，所以 umNrBA/???..26?aKEIAA?求 出 ： ?al解 得 ：陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 31 頁 共 67 頁mal ???最佳跨距：（4）根據(jù)構(gòu)造上的要求對最佳跨距 進(jìn)行修正。根據(jù)電機(jī)的尺寸參數(shù)取 l 0l=370mm，在合理跨距范圍內(nèi)。（5 ）驗(yàn)算剛度：查相關(guān)資料選取典型工藝參數(shù)并計(jì)算其切削力 P ，代入式計(jì)算其主軸前端靜撓度 y ，并計(jì)算徑向剛度，驗(yàn)證剛度是否符合設(shè)計(jì)要求。如果剛度不符合設(shè)計(jì)要求，返回重新進(jìn)行計(jì)算。主軸的靜剛度簡稱主軸剛度，是機(jī)床主軸系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)，它反映主軸單元抵抗靜態(tài)外載荷的能力。主軸單元的彎曲剛度定義為使主軸前端產(chǎn)生單位徑向位移時(shí)，在位移方向所需施加的力；主軸單元的軸向剛度定義為使主軸軸向產(chǎn)生單位位移時(shí)，在軸向所需施加的力。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。驗(yàn)算剛度：P=Fr=1943N umalEIpys )(353????????????z .32).(1075943 ??????y=+=主軸單元的徑向剛度 K = N /?yp參考國內(nèi)外電主軸生產(chǎn)廠家的技術(shù)資料，上述計(jì)算結(jié)果表明該電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是滿足剛度要求的。 主軸強(qiáng)度的校核（1）按彎扭合成應(yīng)力校核強(qiáng)度軸的強(qiáng)度通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，軸上零件的位置，以及外載荷和支反力的作用位置均已確定，軸上的載荷已可以求得，因而可按彎扭合成強(qiáng)度對軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。首先繪制出軸的計(jì)算簡圖如圖 （a） ，然后依次確定出軸的彎距圖和扭距圖分別如圖 （b）和(c)所示。由靜力平衡方程可得： 0436081621??????F陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 32 頁 共 67 頁， 0??F求得支反力為 ,N3214圖 軸的受力簡圖同理由平衡公式可知： 043603???F 1 9? 解得： N2583? 查（機(jī)械設(shè)計(jì)第七版）表 151，40Cr 有以下參數(shù)： 735BPa??540sMPa??Fzra1F2346580Fr1F2M=a*/2349601NmNm陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 33 頁 共 67 頁 135MPa???120tMPa?? []70[]7?則 221()caTW?????取 ,則根據(jù)以上數(shù)據(jù)可計(jì)算得：?= ?)1(324?d???4.?= caMTW?????2??? ca1[]???則軸滿足彎扭合成強(qiáng)度要求。（2）按疲勞強(qiáng)度精確校核計(jì)算。 1Kamn?????????則由機(jī)械傳動手冊查得： ； ； ； ；??.0346a0m??則 =Kamn????????[]T??所以其疲勞強(qiáng)度要求合格。 主軸剛度的校核按主軸的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行校核軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長的扭轉(zhuǎn)角 來表示。圓扭轉(zhuǎn)角 的計(jì)算公式為：?? ?? 軸所受的扭矩T軸的剪切彈性模量G軸的極慣性矩： =PIPI432d?陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 34 頁 共 67 頁軸的扭轉(zhuǎn)剛度的條件為： []??的取值為 （ ）/m[]?所以 ???710?[]??則軸滿足扭轉(zhuǎn)剛度要求。參考國內(nèi)外電主軸生產(chǎn)廠家的技術(shù)資料，上述計(jì)算結(jié)果表明該電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是滿足剛度要求的。計(jì)算結(jié)果如表 。表 計(jì)算結(jié)果列表主軸前軸徑 D1=75mm主軸后軸徑 D2=65mm主軸前端懸伸量 a=60mm主軸前后軸承跨距 L=370mm電主軸設(shè)計(jì)工作只是電主軸技術(shù)的重要的一部分，是生產(chǎn)的基礎(chǔ)，要想真正用于生產(chǎn)，必須經(jīng)過精密加工和試驗(yàn)驗(yàn)證。高速主軸單元是精密機(jī)床關(guān)鍵功能部件，為保證主軸單元的動靜態(tài)精度達(dá)到項(xiàng)目任務(wù)書的要求和實(shí)際使用要求，必須制定科學(xué)合理的零部件加工工藝。加工工藝應(yīng)該根據(jù)零部件的技術(shù)要求和現(xiàn)有的設(shè)備水平、精心制定了不同零件的加工制造工藝，不但進(jìn)一步完善電主軸單元通用零部件的加工工藝，而且對關(guān)鍵件的典型工藝進(jìn)一步改進(jìn)。以下是關(guān)鍵零部件的加工工藝分析：⑴軸加工工藝流程及分析轉(zhuǎn)軸是高速電主軸的回轉(zhuǎn)主體，安裝有高精度的主軸軸承、高速電機(jī)、軸承緊固件等，也是工作頭的載體。它的制造精度直接影響電主軸的最終精度。成品轉(zhuǎn)軸的形位公差和尺寸精度要求都很高，轉(zhuǎn)軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由偏心質(zhì)量引起振動，嚴(yán)重影響其動性能，必須對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行嚴(yán)格動平衡測試。部分安裝在轉(zhuǎn)軸上的零件也應(yīng)隨轉(zhuǎn)軸一起，它適用于中等載荷、轉(zhuǎn)速稍高、精度要求高、沖擊和疲勞負(fù)荷不大的工作場合。如:制作汽車半軸，曲軸等，用來制作試驗(yàn)機(jī)主軸的轉(zhuǎn)軸也是非常合適的。淬火硬度要求在HRC45500。⑵轉(zhuǎn)軸具體工藝流程:車成型鉆磨中心孔熱處理研磨中心孔粗外磨時(shí)效研孔半精外磨陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 35 頁 共 67 頁研孔精外磨精磨螺紋平衡測試等。 主軸電機(jī) 電機(jī)選型本設(shè)計(jì)研究的電主軸是以中小型加工中心為主要應(yīng)用對象，主軸的最高轉(zhuǎn)速50000r/m，根據(jù)參考加工中心技術(shù)參數(shù)，確定電機(jī)為變頻調(diào)速交流主軸電機(jī)，選用西門子交流異步電機(jī)產(chǎn)品，具體型號為 1PH21136WF4,如圖 所示，其部分參數(shù)見表44. 圖 1PH21136WF 內(nèi)置電機(jī) 圖 1PH21136WF 電機(jī)平面結(jié)構(gòu)圖 表 44 1PH21136WF 電機(jī)參數(shù) 額定功率 Kw D 250額定功率損失 Kw L 290技術(shù)參數(shù)最高轉(zhuǎn)速 r/min50000尺寸參數(shù)(mm)220陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 36 頁 共 67 頁額定轉(zhuǎn)速 r/min 1500d 82額定扭矩 95 dl 100 主軸軸承 軸承簡介高速電主軸單元的核心是高速精密軸承。電主軸中電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，對軸承影響較大，當(dāng)軸承突然起動會使內(nèi)外圈溫度產(chǎn)生差異（即內(nèi)圈溫度高于外圈溫度） ，使軸承游隙減小，并且軸承若施加定位預(yù)緊載荷，又會引起熱量產(chǎn)生，從而使軸承被卡死的機(jī)會大大增加。因此，電主軸的軸承要求又足夠的堅(jiān)固性，以防止卡死情況的發(fā)生，還要求在嚴(yán)重的熱載荷條件下，產(chǎn)生較少熱量且保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，即軸承必須對外部的熱擾動不敏感。選擇軸承支承是電主軸單元設(shè)計(jì)中一個非常關(guān)鍵的問題。根據(jù)材料分類，目前適于高速主軸單元的軸承支承主要有陶瓷軸承、磁浮軸承、空氣靜壓軸承和液體動靜壓軸承。這四種軸承的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表 .表 軸承性能比較軸承類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)陶瓷軸承密度小，熱膨脹系數(shù)小，彈性模量大，硬度高，耐高溫不導(dǎo)電不導(dǎo)磁，應(yīng)用較廣對拉伸應(yīng)力和缺口應(yīng)力敏感磁浮軸承機(jī)械磨損小，噪聲小，壽命長，無需潤滑價(jià)格昂貴，發(fā)熱問題不易解決空氣靜壓軸承主要用于高速、輕載和超精密場合造價(jià)高，只能適用于輕載荷液體動靜壓軸承主要用于重載荷場合，有很好的高速性能，調(diào)速范圍廣需要設(shè)計(jì)專門的液壓系統(tǒng)，對液壓系統(tǒng)要求較高其中陶瓷用作軸承材料的優(yōu)良特性主要有：（1）陶瓷的密度比軸承鋼的密度低，用陶瓷制成的滾動體對外圈的離心力可降低40%,因而可延長高速軸承的使用壽命。（2）陶瓷材料在高溫（800 攝氏度）工況條件下，強(qiáng)度和硬度保持不變，因而在高溫條件下，可取代金屬軸承材料。（3）陶瓷的熱膨脹系數(shù)低，可保證軸承在溫度變化較大的不利條件下正常工作。（4）陶瓷軸承的自潤滑性好，有利于降低滾動體與套圈滾道的摩擦力，也有利于提高軸承的使用壽命。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 37 頁 共 67 頁 陶瓷球軸承 按照軸承結(jié)構(gòu)分類，軸承又可以分為角接觸球軸承、深溝球軸承、推力球軸承、圓柱滾子、推力滾子軸承等等，其中角接觸球軸承和圓錐滾子軸承可承受軸向、徑向聯(lián)合載荷及載荷方向不明確的附加載荷。角接觸陶瓷球軸承是精密數(shù)控機(jī)床常用的主軸軸承。角接觸球軸承在告訴運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，為了抑制發(fā)熱，防止摩擦燒傷，主要是設(shè)法減少離心力和陀螺力矩。滾珠在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生離心力，由于滾珠自轉(zhuǎn)軸在空間不斷變化，滾珠的離心力與滾珠材料的密度成正比，和滾珠直徑三次方成正比，且隨著速度的升高，陀螺力矩也急劇增大。在高速情況下，滾珠將產(chǎn)生巨大的離心力和陀螺力矩，這將都會使?jié)L珠與軸承外圈的接觸壓力急劇增大，使得摩擦與溫升增加，從而使軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)條件變差，要改善軸承運(yùn)轉(zhuǎn)條件必須設(shè)法減少離心力和陀螺力矩，如減少滾珠的直徑、采用質(zhì)量輕的材料做滾珠等。陶瓷球軸承采用氮化硅陶瓷制成。氮化硅陶瓷的密度只有軸承鋼的 40%，熱膨脹系數(shù)只有軸承鋼的 25%，彈性模量則是軸承鋼的 倍，硬度為軸承鋼的 倍，氮化硅陶瓷還具有耐高溫、不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁、熱導(dǎo)率低等一系列優(yōu)良特性，它采用小直徑密珠精密鋼軸承的結(jié)構(gòu)形式和尺寸系列，應(yīng)用非常方便。陶瓷球軸承與同規(guī)格、同一精度等級的鋼質(zhì)滾動軸承相比，速度可提高 60%,溫升降低 35%60%,壽命可提高 36 倍。迄今，陶瓷滾動軸承的 n 值可高達(dá) 。目前國內(nèi)已開始在高速精密主軸上試驗(yàn)采用全mD6310?陶瓷球軸承，其中外套圈、保持架和陶瓷球采用的材料有 、 和聚四氟乙烯等。2ZrO34SiN陶瓷球的等靜壓成型和燒結(jié)是保證陶瓷球強(qiáng)度的基礎(chǔ)，球的加工精度靠加工和檢測來保證。目前國內(nèi)外滾珠的加工精度可達(dá) G5 級以上。對于全陶瓷軸承，除陶瓷球外，陶瓷內(nèi)外圈的精密加工也是關(guān)鍵，需要設(shè)計(jì)