【正文】 真誠(chéng)祝愿母校興旺發(fā)達(dá)，名甲天下。因此，我首先要向本學(xué)科組及其它各位授課老師表示衷心的感謝。（6）本設(shè)計(jì)進(jìn)行了主軸臨界轉(zhuǎn)速的校核，有效地防止了軸因出現(xiàn)共振而發(fā)生劇烈震動(dòng)，從而造成加工件的報(bào)廢。（2）在軸承的選擇方面，選擇高速角接觸陶瓷軸承，它因密度小，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)離心力小，從而有利于提高電主軸的高速性能，它熱膨脹系數(shù)小，適用于高速，發(fā)熱量大，溫差大的環(huán)境，從而保證了加工精度，另外，這類軸承彈性模量和硬度高，所以相同載荷下變形小，因而提高了轉(zhuǎn)子——軸承系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。前六階振型圖如45至410所示。ANSYS提供了七種模態(tài)提取方法，對(duì)于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、軸承問(wèn)題等阻尼不能忽視的情況下一般采用Damped(阻尼法)進(jìn)行模態(tài)提取。元素具有塑性、潛變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變的特性。、建模與靜力分析相似，對(duì)電主軸模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析時(shí)對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化:將角接觸球軸承簡(jiǎn)化為彈性支承，支點(diǎn)位置在接觸線與主軸軸線的交點(diǎn)處；認(rèn)為軸承只具有徑向剛度，不具有角剛度；每個(gè)軸承在圓周方向等效分布四個(gè)彈簧，忽略軸承負(fù)荷及轉(zhuǎn)速對(duì)軸承剛度的影響，視軸承剛度為一個(gè)不變的常數(shù)；電機(jī)轉(zhuǎn)子、前后軸承鎖緊套、編碼器鎖緊套、與軸芯為過(guò)盈配合，其過(guò)盈量設(shè)計(jì)原則為在主軸在受載狀態(tài)下達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)仍保持有1林m的過(guò)盈，在簡(jiǎn)化時(shí)認(rèn)為電機(jī)轉(zhuǎn)子、前后軸承鎖緊套、編碼器鎖緊套始終與軸芯“粘著”在一起，在建模時(shí)按一體化處理。模態(tài)分析也是進(jìn)行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析所必需的前期分析過(guò)程。圖42 靜力變形圖ANSYS運(yùn)行計(jì)算后輸出高速電主軸靜力應(yīng)變圖如圖43所示。為了計(jì)算方便，將其作為空間彈性梁處理，以下是對(duì)電主軸單元的更為詳細(xì)的簡(jiǎn)化（1）將角接觸球軸承簡(jiǎn)化為彈性支承，支點(diǎn)位置在接觸線與主軸軸線的交點(diǎn)；（2）認(rèn)為軸承只具有徑向剛度，不具有角剛度，如此將支承進(jìn)一步簡(jiǎn)化為徑向的壓縮彈簧質(zhì)量單元。即有 (42)式中，[M]、[C]、[K]分別為總體質(zhì)量、剛度、阻尼矩陣；{x(t)}、{F(t)}分別為節(jié)點(diǎn)的位移和外力向量。主軸的靜剛度簡(jiǎn)稱主軸剛度，是機(jī)床主軸系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)，與負(fù)荷能力及抗振性密切相關(guān)。K)]極限工作溫度/(℃)磁性絕緣性耐腐蝕性Si3N4陶瓷321080不導(dǎo)磁不導(dǎo)電好軸承鋼40120導(dǎo)磁導(dǎo)電導(dǎo)電表中列出了Si3N4陶瓷與軸承鋼各性能指標(biāo)的對(duì)比情況。由于制造工藝的難度及經(jīng)濟(jì)方面的考慮，以滾珠材料為陶瓷、內(nèi)外圈材料仍為軸承鋼的混合陶瓷軸承的應(yīng)用更為普遍。鋼質(zhì)軸和鋼質(zhì)或鑄鐵軸承座（配合公差分別為js4和js5），安裝的預(yù)載荷可以按下式計(jì)算： （3－2）式中::安裝軸承的預(yù)載荷,f: 軸承系數(shù), ：接觸角修正系數(shù)。就本設(shè)計(jì)而言對(duì)于高速電主軸應(yīng)采用定壓預(yù)緊。由于彈簧的剛性一般比軸承的剛性小的多，因此，定壓預(yù)緊軸承其相對(duì)位置在使用過(guò)程中會(huì)隨轉(zhuǎn)速及外載的變化而有所改變。從而減少軸承內(nèi)部的摩擦和發(fā)熱，延長(zhǎng)軸承的使用壽命。在軸向預(yù)緊力205N，轉(zhuǎn)速由0升至36000r/min時(shí)，108N/108N/m降幅達(dá)39%當(dāng)轉(zhuǎn)速增至100000r/min時(shí)，108N/m，降幅為67%。在75000r/min以下，陶瓷球軸承的剛度下降趨勢(shì)比鋼球軸承要緩慢， 轉(zhuǎn)速與軸向預(yù)緊力對(duì)軸承徑向剛度的影響即陶瓷球軸承的徑向剛度性能優(yōu)于鋼球軸承。國(guó)內(nèi)學(xué)者的相關(guān)研究工作則較少，在部分問(wèn)題所得出的結(jié)論甚至相互矛盾。第3章 軸承系統(tǒng)的計(jì)算超高速加工是機(jī)械制造業(yè)近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，而電主軸是高速加工機(jī)床的核心功能部件，它正向著高速化方向發(fā)展。該轉(zhuǎn)子與主軸之間以過(guò)盈配合來(lái)傳遞扭矩，其過(guò)盈量按最大扭矩計(jì)算，并同時(shí)考慮轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力作用，因?yàn)殡x心力較大時(shí)，使轉(zhuǎn)子本體有徑向膨脹的趨勢(shì)，會(huì)抵消部分過(guò)盈量。本設(shè)計(jì)確定的動(dòng)平衡精度為 級(jí)。循環(huán)冷卻的潤(rùn)滑油進(jìn)入軸承，潤(rùn)滑油起到潤(rùn)滑作用的同時(shí)帶走軸承產(chǎn)生的熱量，從而起到可冷卻的效果。另外，高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致很高的離心力，因此，更加劇了摩擦生熱。 本設(shè)計(jì)采用了外循環(huán)油冷卻和潤(rùn)滑一體系統(tǒng)，在主軸外設(shè)有冷卻油箱和冷卻油循環(huán)泵，在內(nèi)置電機(jī)定子的外面加一鋁質(zhì)的外套，外套的外壁開(kāi)有環(huán)形槽。而內(nèi)置電機(jī)的兩邊就是主軸軸承，電機(jī)的發(fā)熱會(huì)直接影響軸承的潤(rùn)滑效果，熱量積累過(guò)多時(shí)，甚至?xí)龎碾姍C(jī)。圖213 端蓋圖(1) 電主軸的熱穩(wěn)定性分析 電主軸的內(nèi)部熱源有兩個(gè)，一個(gè)是內(nèi)置電機(jī)，另一個(gè)是主軸軸承。圖29 主軸圖夾具如圖210所示，夾具的主要作用是使電主軸相對(duì)內(nèi)圓磨床有一個(gè)正確的相對(duì)位置關(guān)系，有定位和夾緊作用，夾緊力主要是通過(guò)螺釘連接時(shí)的預(yù)緊力而產(chǎn)生的。電主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是利用代表目前機(jī)械CAD領(lǐng)域新標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件CATIA來(lái)建立總體結(jié)構(gòu)模型，基于CATIA軟件對(duì)電主軸總體結(jié)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了準(zhǔn)確的創(chuàng)建，給出了電主軸總體的裝配示意圖和各主要零件示意圖。件（10）為平衡塊，其主要是通過(guò)在其上鉆孔使軸達(dá)到動(dòng)平衡，保證其旋轉(zhuǎn)的精度。因?yàn)殡娭鬏S軸承為高精密件，電主軸裝配車間對(duì)空氣的潔凈度是有一定要求的，灰塵的存在會(huì)影響軸承的壽命。表24 電主軸的性能參數(shù)參數(shù)名稱設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速軸向預(yù)緊力基礎(chǔ)油噪聲軸向靜剛度軸向竄動(dòng)量數(shù)值或要求36000r/min205N10抗磨油80 dB(A) 50 (N/μm) (μm)參數(shù)名稱設(shè)計(jì)功率潤(rùn)滑方式油冷卻流量徑向靜剛度主軸內(nèi)孔跳動(dòng)量主軸端面跳動(dòng)量數(shù)值或要求 kW油潤(rùn)滑4 (l/min)85(N/m) 5 (μm) 5 (μm)表24列出了擬設(shè)計(jì)的 MD140W36/?！?60，因此，此軸設(shè)計(jì)的合格。因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，和實(shí)際的電主軸尺寸，初設(shè)，主軸支撐跨度L=160mm。懸身量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，提高主軸剛度，初步確定是可設(shè)=D1=35mm。前端軸承的左端用螺母定位。對(duì)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。3700055000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。對(duì)于磨床，通過(guò)計(jì)算的后端的直徑設(shè)為25。又由于其工作時(shí)有較大的力,所以要求內(nèi)部要有一定的韌性。在做軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常用這種方法初步估計(jì)軸徑。兩端分別用軸承蓋加以定位，軸上的軸承采用過(guò)盈連接防止徑向轉(zhuǎn)動(dòng)，軸向用軸肩加以固定，定子用過(guò)盈連接固定。軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，它決定著軸的基本形式。為解決主軸軸向伸長(zhǎng)導(dǎo)致軸承負(fù)載增加的問(wèn)題，一些新款電主軸的軸向預(yù)緊力是由自動(dòng)控制的液壓阻尼系統(tǒng)來(lái)施加的。 (3) 提高動(dòng)態(tài)性能及加工精度的新技術(shù)動(dòng)態(tài)性能好及加工精度高是對(duì)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)。 (2) 自動(dòng)化程度將進(jìn)一步提高。(1) 繼續(xù)向高速重載方向發(fā)展。對(duì)高速電主軸的動(dòng)平衡要求是很高的。影響電主軸臨界轉(zhuǎn)速的因素主要有：轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)、軸承布置方式、軸承剛度、刀具（或砂輪）參數(shù)等。(2) 臨界轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速是電主軸的一個(gè)重要參數(shù)，它是指電主軸的轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。在材料力學(xué)中，可近似地認(rèn)為懸臂梁自由端的撓度與載荷成線性關(guān)系，但在電主軸中，這樣近似將帶來(lái)較大誤差。其動(dòng)態(tài)性能的好壞，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面?？梢垣@得良好而均勻的潤(rùn)滑效果；（2）壓縮空氣比熱小、流速高，很容易帶走磨擦所產(chǎn)生的熱量。油或油氣從軸承內(nèi)圈噴入軸承內(nèi)，在離心力的作用下，潤(rùn)滑油更易于到達(dá)軸承潤(rùn)滑區(qū)，因而比普通的噴射潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑效果好，可進(jìn)一步提高軸承的轉(zhuǎn)速。如圖11所示：圖11 主軸工作原理主軸軸承常見(jiàn)的潤(rùn)滑方式有脂潤(rùn)滑、噴射潤(rùn)滑、環(huán)下潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑及油氣潤(rùn)滑等。電主軸就是直接將空心的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝在主軸上，定子冷卻套固定在主軸箱體孔內(nèi)，形成完整的主軸單元。并在此基礎(chǔ)之上,這些外國(guó)廠家如美國(guó)、日本、德國(guó)、意大利和瑞士等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已生產(chǎn)了多種商品化高速機(jī)床。國(guó)外高速精密主軸上采用高速、高剛度軸承,主要有陶瓷軸承和液體動(dòng)靜壓軸承,特殊場(chǎng)合采用空氣潤(rùn)滑軸承和磁懸浮軸承。國(guó)外高速電主軸技術(shù)由于研究較早,技術(shù)水平也處于領(lǐng)先地位,電主軸已越來(lái)越多地應(yīng)用到工業(yè)制造業(yè)中。該公司研制生產(chǎn)的加工中心電主軸,采用先進(jìn)技術(shù),配有矢量閉環(huán)控制系統(tǒng),能對(duì)主軸實(shí)行恒功率調(diào)速,準(zhǔn)停制動(dòng)。利用高速電主軸的優(yōu)良性能,還可以開(kāi)發(fā)多種高性能試驗(yàn)機(jī)。在20世紀(jì)80年代末以后,由磨用電主軸轉(zhuǎn)向銑用電主軸,它不僅能加工各種形體復(fù)雜的模具,而且開(kāi)發(fā)了用于木工機(jī)械用的風(fēng)冷式高速銑用電主軸,推動(dòng)了高速電主軸在銑削中的應(yīng)用。本課題即是基于以上分析所設(shè)立的。機(jī)床整機(jī)技術(shù)包括機(jī)床床身、冷卻系統(tǒng)、安全設(shè)施、加工壞境等。為了加快我國(guó)高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，加速數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的更新?lián)Q代，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的性能優(yōu)異的高速電主軸顯得十分迫切。電主軸是高速加工機(jī)床的核心功能部件。m的大轉(zhuǎn)矩電主軸和裝備有自行開(kāi)發(fā)的環(huán)形力矩伺服電動(dòng)機(jī)的雙擺角電主軸而引人注目國(guó)內(nèi)電主軸的生產(chǎn)以洛陽(yáng)軸承研究所最為有名，在上世紀(jì)70年代初即開(kāi)始研發(fā)內(nèi)孔磨削用電主軸，80年代，曾經(jīng)從德國(guó)GMN公司引進(jìn)過(guò)生產(chǎn)電主軸的技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外的電主軸專業(yè)生產(chǎn)廠家多達(dá)幾十家，以德國(guó)的GMN公司與瑞FISCHER公司最為著名。具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn),并改善了機(jī)床的動(dòng)