【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 二階圖 47 三階圖 48 四階圖 49 五階圖 410 六階結(jié)論電主軸是一個高速運轉(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《機床滾動軸承應(yīng)用手冊》。、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。當(dāng)彈性體的動力基本方程中的外力向量時，便可得系統(tǒng)的自由振動方程： (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。多自由度的運動微分方程為： (44)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)點位移和外力向量。模態(tài)分析用于確定機構(gòu)或者機器部件的振動特性，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運行計算后輸出高速電主軸應(yīng)力圖如圖44所示。ANSYS運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(wèi)的過盈，在簡化時認(rèn)為電機轉(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。、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。根據(jù)達(dá)朗伯原理，引入相應(yīng)的慣性力，就可將彈性體的動力問題轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的靜力問題即化為彈性體的平衡問題來處理。主軸單元的彎曲剛度K定義為使主軸前端產(chǎn)生單位徑向位移時，在位移方向所需施加的力p，即 (41)主軸單元靜剛度，分為軸向靜剛度與徑向靜剛度，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。簡而言之，主軸單元的靜態(tài)特性反映了主軸抵抗靜態(tài)外載荷的能力，高速主軸單元靜力學(xué)分析實際是求得主軸單元在一定靜態(tài)載荷作用下的變形，也即主軸單元靜剛度的計算。Si3N4材料的密度只有鋼的41%，在高速運轉(zhuǎn)時可大幅降低鋼球受到的離心力，從而減小滾珠對軸承外圈的壓力，利于實現(xiàn)高速性能；Si3N4 陶瓷的熱膨脹系數(shù)只有軸承鋼的1/4，許用工作溫度達(dá)1000℃，即使在較大溫度變化范圍內(nèi)，滾道間隙的變化也很小，特別適用于高速發(fā)熱轉(zhuǎn)子及航天器的大溫差操作條件；，硬度是軸承鋼的2倍多，相同負(fù)荷下，陶瓷球的變形較小，因而可顯著提高軸承的剛度，從而提高轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)的動態(tài)性能，所以本設(shè)計選擇高速角接觸混合陶瓷軸承。m)Si3N4陶瓷32401063141600700軸承鋼1062067002500泊松比熱導(dǎo)率/[W/(m本研究中的高速電主軸的軸承即選用混合陶瓷球軸承。Si3N4材料許多性能明顯優(yōu)于軸承鋼，更適合用作軸承材料。 ：預(yù)載荷修整系數(shù)，軸承系數(shù)見圖33，圖33 軸承系數(shù)表3－1 軸承預(yù)載荷軸承系列預(yù)載荷級別ABC719AC11719C170AC1170C172AC1172C1A,B,C:表示載荷的類型，A表示輕預(yù)緊；B表示中預(yù)緊：C表示重預(yù)緊。軸承在安裝時，有輕中重三種預(yù)緊方式，由于內(nèi)徑與軸和外徑與軸承座緊配合，使軸承產(chǎn)生變形實際上達(dá)到預(yù)緊載荷比下表中的預(yù)載荷數(shù)值高。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的作用下的軸向變形＆a由下式計算： （3－1）式中c由軸承材料,類型,結(jié)構(gòu)和尺寸等決定的常量單套角接觸球軸承可以承受徑向的一個方向的軸向載荷,在徑向載荷作用的下,軸承內(nèi)部產(chǎn)生一個沿軸向方向作用的分力,為提高主軸系統(tǒng)的支承剛度,機床主軸軸承通常采用雙聯(lián),三聯(lián),甚至更多聯(lián)組配使用。對機床主軸軸承來說，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。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～（，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。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)，將電機產(chǎn)生的熱量帶到電主軸外，達(dá)到冷卻電機的目的。因此，在設(shè)計中，必須要設(shè)置良好的電機冷卻系統(tǒng)。另一方面，電機的發(fā)熱會使主軸伸長，影響加工精度。另外電機轉(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)。電主軸將電機集成于主軸內(nèi)部，無疑在其內(nèi)部增加了一個熱源。