【正文】 。 最后，還要感謝我的母校，為我提供了這樣一個學(xué)習(xí)及科研的環(huán)境，使我能夠掌握豐富的專業(yè)知識，具備了一個本科畢業(yè)生應(yīng)有的素質(zhì)，并順利地完成了各科的學(xué)習(xí)和最后的畢業(yè)設(shè)計。 另外，在近四年的學(xué)習(xí)生活中，與我班的各位同學(xué)，尤其是本學(xué)科組的同學(xué)和睦相處，互相關(guān)心，互相幫助，結(jié)下的深厚的友誼。從他們的言傳身教中，我 不但學(xué)到了豐富的專業(yè)知識，而且掌握了科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯孔黠L(fēng)。 但是本設(shè)計尚有不足的地方，一方面整個系統(tǒng)采用油霧潤滑，造成潤滑油的浪費(fèi)以及對空氣的污染，使工作環(huán)境惡化，另一方面，因為條件的限制，只對熱穩(wěn)定性和動平衡進(jìn)行了定性的分析，這些方面仍需進(jìn)一步的完善。 （ 5）整個系統(tǒng)采用循環(huán)水冷卻，使轉(zhuǎn)子軸承 —— 系統(tǒng)的溫度不止過高而加大軸的變形從而影響加工精度。 （ 3）在整個裝配結(jié)構(gòu)中，采用彈簧預(yù)緊，形成可調(diào)節(jié)的合適的預(yù)緊力，并配以滾動導(dǎo)套， 當(dāng) 軸有熱變形時，軸右移過程中不影響加工精度。 圖 45 一階 圖 46 二階 28 圖 47 三階 圖 48 四階 圖 49 五階 29 圖 410 六階 30 結(jié)論 電主軸是一個高速運(yùn)轉(zhuǎn)的部件，它對各部份的要求十分嚴(yán)格，因此在設(shè)計中主要從以下幾個方面去設(shè)計 （ 1）電主軸長度的確定：運(yùn)用最佳跨距的設(shè)計方法，使電主軸在滿足要求的情況下，有最合理的布局，從而節(jié)省了材料，提高了電主軸的性能。 由計算可得到電主軸各階頻率 (Hz)和振型如表 41 所示。經(jīng) ANSYS 運(yùn)行計算后，得到如下前六階振動特性 (固有頻 率與振型 )。軸承阻尼值的確定采用相似準(zhǔn)則法導(dǎo)出，其計算方法詳見《機(jī)床滾動軸承應(yīng)用手冊》。 高速電主軸模態(tài)分析加載、約束與求解 模態(tài)分析中唯一加載是零約束，本課題中前軸承為固定端，約束其全部自由度 (Ux， UY， UZ)，后軸承為游動端，軸向不加約束即 Ux 不約束。對軸承采用彈簧一阻尼單元 COMBIN14 來模擬。該元素由 8 節(jié)點組合而成，每個節(jié)點具有 X、 Y、 Z 三個方向的平動自由度。 利用前述靜力分析建立的二維模型即可進(jìn)行模態(tài)提取，為了更真實、準(zhǔn)確、有效地對主軸單元進(jìn)行仿真分析，采用有限元進(jìn)行三維建模。(]{[) } (]{[ ??? txKtxCtxM (45) 求解主軸的固有頻率和振型，即求解上式的廣義特征值和特征向量。 固有頻率也稱自然頻率，只與系統(tǒng)本身的特性 (質(zhì)量、剛度和阻尼 )有關(guān)，模態(tài)分析即是求解振動系統(tǒng)的固有頻率和振型。 模態(tài)分析 多自由度的運(yùn)動微分方程為： 26 )}({)}(]{[) } 39。模態(tài)分析用于確定機(jī)構(gòu)或者機(jī)器部件的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，同時，也可以作為其他動力學(xué)分析問題的起點，例如瞬態(tài)動力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析。 圖 43 靜力應(yīng)變圖 ANSYS 運(yùn)行計算后輸出高速電主軸應(yīng)力圖如圖 44 所示。 ANSYS 運(yùn)行計算后輸出高速電主軸靜力變形圖如圖 42 所示。即梁的徑向采用彈性邊界元模擬軸承支承； （ 3） 忽略軸承負(fù)荷及轉(zhuǎn)速對軸承剛度的影響，視軸承剛度為一個不變的常數(shù)； （ 4） 電機(jī)轉(zhuǎn)子、前后軸承鎖緊套、編碼器鎖緊套、與軸芯為過盈配合，其過盈量設(shè)計原則是主軸在受載狀態(tài)下達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時仍保持有 l m? 的過盈，在簡化時認(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，在建模時按一體化處理。 電主軸單元靜力分析模型簡化、單元類型選擇、建模與網(wǎng)格劃分 主軸是一個較復(fù)雜的超靜定梁結(jié)構(gòu)，分析計算主軸的靜剛度需要采用有限元結(jié)合 迭代法來進(jìn)行。 這就是彈性體的動力基本方程，即用有限元素法來解彈性體的動力問題的基本方程。即有 )}({)}(]{[) } 39。因此有必要對其靜剛度進(jìn)行準(zhǔn)確的計算。 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)，與負(fù)荷能力及抗振性密切相關(guān)。 23 第 4 章 電主軸主軸單元靜態(tài)特性虛擬仿真分析 主軸單元靜態(tài)特性分析 電主軸的主軸單元設(shè)計的重點是剛度而不是強(qiáng)度。K)] 極限工作溫 度 /(℃ ) 磁性 絕緣性 耐腐蝕 性 Si3N4陶瓷 32 1080 不導(dǎo)磁 不導(dǎo)電 好 軸承鋼 40 120 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)的對比情況。 表 3－ 2 軸材料承比較 性能指標(biāo) 密度 /（ Kg/m3） 線膨脹系數(shù)/(℃ )1 彈性模量 /(GPa) 硬度/(HV10) 抗彎強(qiáng)度 /(MPa) 沖擊韌性/(MN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。 在此設(shè)計中我們選用的軸承為 B7005C/PC 和 B7006C/PC 雙聯(lián)配置， 從表中查 得 ： f= 1f = 2f = 選用中預(yù)緊雙聯(lián)背靠背配置 m 1 2 A,B,CGGff f? = 1002＝ 205N 高速角接觸陶瓷球軸承分析 22 隨著工程技術(shù)的發(fā)展，以 Si3N4 為材料的角接觸陶瓷軸承正日益廣泛地被用作超高速加工主軸、航空發(fā)動機(jī)、精密機(jī)械馬達(dá)及高速透平機(jī)等轉(zhuǎn)動件的支承軸承。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)載荷可以按下式計算： m 1 2 A ,B ,CGGff f? （ 3－ 2） 式中 : mG :安裝軸承的預(yù)載荷 ,f: 軸承系數(shù) , 1f ：接觸角修正系數(shù)。 本研究設(shè)計的使用雙聯(lián)軸承。 預(yù)緊力的確定可以根據(jù)赫茲彈性接觸理論，點接觸球軸承在外部軸向載荷aF 的作用下的軸向變形＆ a 由下式計算： 23amp。對機(jī)床主軸軸承來說，當(dāng)要求高剛度時宜采用定位預(yù)緊；而 當(dāng)軸承處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時，為防止或減小滾動體的公轉(zhuǎn)打滑以及陀螺運(yùn)動時軸承應(yīng)采用合適的定壓預(yù)緊。但是預(yù)緊力的大小是由預(yù)緊裝置本身決定的，所以，其值基本不變，并且也不受工作溫度的影響。 定壓預(yù)緊是利用螺旋彈簧，碟形彈簧等預(yù)緊裝置，使軸承得到合適的預(yù)緊。 20 圖 31 定位預(yù)緊 圖 32 定壓預(yù)緊 如圖所示角接觸軸承常用的預(yù)緊方式有定壓預(yù)緊和定位預(yù)緊定位預(yù)緊是通過預(yù)選定的內(nèi)外圈隔套或墊圈使組配軸承內(nèi)圈之間和外圈之間處于，某一固定的位置，從而使軸承獲得合適的預(yù)緊。機(jī)床主軸用角接觸軸承，由于常常處于高速輕載狀態(tài)，適當(dāng)?shù)念A(yù)緊可以防止軸承高速旋轉(zhuǎn)時鋼球發(fā)生公轉(zhuǎn)打滑及陀螺旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，減小鋼球的自旋滑動。由此可知，在研究高速主軸的臨界轉(zhuǎn)速時，必須計及轉(zhuǎn)速對軸承徑向剛度的影響，而不能按靜態(tài)時的常量處理。另外，預(yù)緊力的增加可明顯提高軸承徑向剛度，在較低轉(zhuǎn)速時效果尤為明顯。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于某一臨界值時，軸承徑向剛度的變化趨勢 將由下降轉(zhuǎn)為上升。軸承徑向剛度隨轉(zhuǎn)速的升高而非線性變化，總的變化趨勢為先下降后上升。對于提高預(yù)緊力可提高軸承剛度，進(jìn)而能提高轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，有關(guān)研究國內(nèi)外學(xué)者也已做了不少工作，所采用的方法多為實 驗測定或近似的數(shù)值計算。在高速工況下，軸承的徑向剛度隨轉(zhuǎn)速的升高呈非線性變化，不能簡單地將軸承剛度按常數(shù)處理 ,圍繞高速主軸的動態(tài)特性問題，國外學(xué)者早已開展研究。因此，研究分析電主軸的動態(tài)性能變得越來越重要，而臨界轉(zhuǎn)速特性，尤其是一階臨界轉(zhuǎn)速特 性，是電主軸動態(tài)性能的一個重要指標(biāo)，分析計算臨界轉(zhuǎn)速是電主軸動態(tài)設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。在電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩個端蓋上對稱地加工出 16 個小螺紋孔，根據(jù)動平衡機(jī)的測試結(jié)果，在螺紋孔內(nèi)旋入螺釘，并調(diào)節(jié)至適宜深度，達(dá)到完全動平衡后，再用環(huán)氧樹脂將平衡螺釘固化 。另外，配合面的粗糙度也是計算過盈 量所必須考慮的。電主軸結(jié)構(gòu)中與主軸連接的最主要的轉(zhuǎn)動部件是內(nèi)置電機(jī)的轉(zhuǎn)子。 為達(dá)到動平衡精度要求，首先要在設(shè)計上盡量使各轉(zhuǎn)動件實現(xiàn)自身的平衡，其次軸上各轉(zhuǎn)動件包括加工時軸端安裝的砂輪在安裝前都要分別進(jìn)行各自的動平衡，裝配完畢后再進(jìn)行整體動平衡。對于高速電主軸，動平衡精度一般應(yīng)達(dá)到 G01～ （ G=e? ， e 為質(zhì)量中心與回轉(zhuǎn)中心之間的距離， ω為轉(zhuǎn)軸的角速度）級。 如圖 214 所示： 圖 214 液體冷卻示意圖 (2) 在很高的轉(zhuǎn)速下，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)部分微小的不平衡量都會引起巨大的離心力，造成主軸的振動，影響加工精度和表面質(zhì)量。軸承的散熱主要是通過油潤滑方式來實現(xiàn)的。 18 實際調(diào)查表明，軸承溫度過高是導(dǎo)致軸承失效的最主要原因。由于電主軸的轉(zhuǎn)速很高 dmn 值大，滾珠與滾道之間的相對滑動速度很大 ,摩擦發(fā)熱非常嚴(yán)重。電主軸工作時，循環(huán) 油 泵連續(xù)地將冷卻 油 壓入電主軸內(nèi)，在 環(huán)形 槽流動，并形成循環(huán)，將電機(jī)產(chǎn)生的熱量帶到電主軸外，達(dá)到冷卻電機(jī)的目的。因此，在設(shè)計中，必須要設(shè)置良好的電機(jī)冷卻系統(tǒng)。另一方面，電機(jī)的發(fā)熱會使主軸伸長，影響加工精度。另外電機(jī)轉(zhuǎn)子在主軸內(nèi)部的高速攪動，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向外散發(fā)。電主軸將電機(jī)集成于主軸內(nèi)部，無疑在其內(nèi)部增加了一個熱源。 圖 212 防塵蓋圖 前軸承端蓋 如圖 213 所示，端蓋主要的作用是為了是軸承有軸向定位的， 17 使軸承相對軸具有正確的位置。 圖 210 夾具圖 外殼 如圖 211 所示，電主軸的外殼也是很重要的零件，因為，電主軸的冷 16 卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng) 都是設(shè)計在外殼上的，并且定子也是和外殼相連接，鍵槽也是開在 外殼上，所以外殼是設(shè)計的重點。 圖 28 電主軸裝配圖 15 主軸 如 29 所示，主軸是電主軸的關(guān)鍵零件，它的加工精度 直接影響整個電主軸的加工工件的精度，它的疲勞強(qiáng)度也是設(shè)計應(yīng)該校 核的重點，因此第四章給出了其 anysy 分析，對主軸進(jìn)行了虛擬仿真。 總裝配圖 如圖 27 所示，內(nèi)圓磨床電主軸與砂輪的裝夾是通過螺紋鏈接的，摩擦力和螺紋預(yù)緊力正好相同，因此，達(dá)到越磨越緊的效果 ，使砂輪有較好的裝配精度。件（ 19） 為 循環(huán) 油管 的進(jìn)油 接頭 和出油接頭 ，其主要作用是 形成既可以潤滑又可以起到冷卻循環(huán)油路系統(tǒng) 。件（ 11）和件（ 12）是轉(zhuǎn)子和定子，其主要是形成軸的轉(zhuǎn)動。 件（ 8）是堵頭，其主要作用是 防止?jié)櫥吐冻觥?曲路密封蓋（件 2）擰緊在轉(zhuǎn)軸上，與密封蓋之間形成迷宮密封，也是為了保持主軸軸承內(nèi)部潔凈 并且防止漏油。 最左端的保護(hù)蓋（件 4）為保護(hù)件，以防灰塵進(jìn)入軸承內(nèi)部。 電主軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)并不算復(fù)雜，但由于其應(yīng)用于高速精密加工，故對其高速工況的運(yùn)轉(zhuǎn)精度有很高的要求，相應(yīng)地對制造工藝要求也比較嚴(yán)格，另外，設(shè)計中還必須考慮內(nèi)置電動機(jī)散熱、 高速主軸的動平衡、主軸支承方式、軸承預(yù)緊方式及軸承潤滑 等技術(shù)難題。 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)得： 2 2 2 230 2 2 22 8 3 8 3 0 3 7 3 6 2 4 2 54 4 4 4 7 . 8 1 0 9 . 8 2 0 . 4 2 N3 6 1 3 3 3 0 5 2 2 0 1 04 4 4w? ? ? ?? ? ????? ? ? ? ? ? ? ?? ? ???? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ??? 所以軸的臨界轉(zhuǎn)速為： 3300 2 1 0 1 0 3 1 2 5 . 6 1 0 39 4 6 9 4 6 1 3 . 7 0 6 1 0 5 0 3 4 . 72 0 . 4 2 ( 2 7 0 )c r k k EIn wL? ? ? ?? ? ? ?? 因為軸的轉(zhuǎn)速 0 36000 rknn? ? ?所以不會產(chǎn)生劇烈震動而破環(huán)機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 12 主軸臨界轉(zhuǎn)速的校核 查機(jī)械設(shè)計手冊 1935P? 得，主軸的臨界轉(zhuǎn)速公式： 3009 4 6 ( 1 , 2 , 3 )c r k k EInkwL??? (26) 在所設(shè)計的結(jié)構(gòu)中0180 0 .6 7270LL? ? ? ? 查機(jī)械設(shè)計手冊 1935P? 表 取 ?? 。 主軸力的簡圖如圖 23 所示： 10 圖 23 主軸受力結(jié)構(gòu)簡圖 由靜力平衡方程，求得支反力： ?FB ， FC = 做出剪應(yīng)力圖和彎 矩圖，如圖 24,25 所示： 圖 23 主軸 受 力結(jié)構(gòu)簡圖 圖 24 剪應(yīng)力圖 FsABN168CA B C35 160A B C3