【正文】 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)計專。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。迄今，陶瓷滾動軸承的 n 值可高達(dá) 。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。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，從而使軸承的運轉(zhuǎn)條件變差，要改善軸承運轉(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。角接觸球軸承在告訴運轉(zhuǎn)時，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。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 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。（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。這四種軸承的優(yōu)缺點比較見表 .表 軸承性能比較軸承類型 優(yōu)點 缺點陶瓷軸承密度小，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。選擇軸承支承是電主軸單元設(shè)計中一個非常關(guān)鍵的問題。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。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效研孔半精外磨陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 35 頁 共 67 頁研孔精外磨精磨螺紋平衡測試等。如:制作汽車半軸，曲軸等，用來制作試驗機(jī)主軸的轉(zhuǎn)軸也是非常合適的。成品轉(zhuǎn)軸的形位公差和尺寸精度要求都很高，轉(zhuǎn)軸高速運轉(zhuǎn)時，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。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。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)到項目任務(wù)書的要求和實際使用要求，必須制定科學(xué)合理的零部件加工工藝。計算結(jié)果如表 。圓扭轉(zhuǎn)角 的計算公式為：?? ?? 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。 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。由靜力平衡方程可得： 0436081621??????F陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 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)可計算得：?= ?)1(324?d???4.?= caMTW?????2??? ca1[]???則軸滿足彎扭合成強(qiáng)度要求。 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，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)度校核計算。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。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。（5 ）驗算剛度：查相關(guān)資料選取典型工藝參數(shù)并計算其切削力 P ，代入式計算其主軸前端靜撓度 y ，并計算徑向剛度，驗證剛度是否符合設(shè)計要求。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，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，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)計論文第 29 頁 共 67 頁陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 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，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又因為， ， ??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。初步確定前懸伸量 a = 60mm。計算步驟：（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。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。綜上所述選用軸承類型，前、后端均采用角接觸陶瓷球軸承。定壓預(yù)緊則是利用彈簧或者是液壓系統(tǒng)對軸承實現(xiàn)預(yù)緊，在高速運轉(zhuǎn)中彈簧或者液壓系統(tǒng)吸收引起軸承預(yù)緊力增加的過盈量，以保持軸承預(yù)緊力不變。軸承預(yù)緊方式有兩種：定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊。圖 電主軸主軸的支承形式 軸承的預(yù)緊軸承預(yù)緊的目的主要是提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度和主軸的剛度。又在各種不同的配置中，由于每個軸承的誤差不一致，會使整個軸承組的轉(zhuǎn)速會有所下降，軸承組配數(shù)越多，主軸速度降低系數(shù)越大（主軸速度降低系數(shù)影響主軸最終能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速） 。前后端角接觸球軸承背對背安裝，因為背對背組配支承點間的距離比較大，因而產(chǎn)生一個較大的抗彎力矩，徑向膨脹將使軸承內(nèi)的過盈加大，而軸向膨脹將使過盈減陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 22 頁 共 67 頁少。 軸承的選擇和基本參數(shù)為適應(yīng)主軸高速特性，同時保證一定的剛度，整個主軸支承結(jié)構(gòu)采用一端固定一端游動的支承方式，主軸前端為固定端，后端為游動端。 主軸的設(shè)計銑刀材料為高速鋼，工件為 45 鋼，精銑，根據(jù)切削力公式：F= Zzzzz FnyFXpkvfC)60(?電主軸主要工作在高速狀態(tài)下，故取 min/,/,4vrfmp ???查表得： 915.,7..,01?? zzzzF kFz則： F=*180*4* *（*60） * =1943N橫向 Nxzx 16943.,)( ???縱向 FFyy 7250715?陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 21 頁 共 67 頁 主軸當(dāng)量直徑的計算根據(jù)數(shù)控加工中心參數(shù)，定電機(jī)功率 P= 千瓦，則額定轉(zhuǎn)矩 ??? ,式中 ，取 ，n=1500r/min,34)(?????30][??軸的材料為 40 ，rC,35][?t10AD?????求得 D= .29.?dD，d 都是當(dāng)量直徑，結(jié)合電機(jī)尺寸，及 HSKA63 刀具，確定 D=75，d=, 高速電主軸單元結(jié)構(gòu)參數(shù)靜態(tài)估算 高速電主軸單元結(jié)構(gòu)靜態(tài)估算的內(nèi)容與目的高速電主軸單元結(jié)構(gòu)靜態(tài)估算的內(nèi)容包括主軸單元主要結(jié)構(gòu)參數(shù)計算、靜剛度的計算、臨界轉(zhuǎn)速的估計。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 20 頁 共 67 頁4. 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計本次畢業(yè)設(shè)計電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作其路線大致如圖 所示。電主軸的剛度和精度與電主軸前后軸承的配置方式、主要零件的制造精度（如套筒前后孔和主軸前后軸頸的同軸度等） 、選用滾動軸承的尺寸大小和精度等級、裝配的技術(shù)水平和預(yù)加載荷的大小等密切相關(guān)。而同樣大小尺寸的套筒，其剛度數(shù)值隨電主軸最高轉(zhuǎn)速的變化而變化，一般Nm??最高轉(zhuǎn)速的電主軸剛度小于最高轉(zhuǎn)速低的電主軸剛度。 剛度和精度剛度分為軸向剛度和徑向剛度。一般電主軸的 值小于等于 這類電主軸可采用油脂潤滑；610?值大于 為高速大功率電主軸，這類要求采用油氣或油霧潤滑； 值大于mDn610?的電主軸必須采用氣浮或磁浮軸承才能解決其支承問題。 軸承中徑電主軸功率及轉(zhuǎn)速時受電主軸體積及軸承限制， 值就是反映電主軸功率和轉(zhuǎn)mDn速的一個重要特性參數(shù)，其中 為軸承中徑，n 為電主軸的工作轉(zhuǎn)速。恒功率調(diào)速時電主軸功率保持恒定，電主軸轉(zhuǎn)矩隨速度上升而下降，且一般在起步及低速段采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，而高速段采用恒功率調(diào)速，保證低速時有較大的輸出轉(zhuǎn)矩，滿足低速大進(jìn)給的切削要求。在使用普通變頻器時，注意變頻器基頻頻率應(yīng)設(shè)定為電主軸標(biāo)稱頻率，輸出電壓為電主軸標(biāo)稱電壓。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文第 18 頁 共 67 頁 恒轉(zhuǎn)速調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速是指主軸在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)改變轉(zhuǎn)速時，輸出轉(zhuǎn)矩不變的調(diào)速方式。 電主軸轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、功率的關(guān)系電主軸的功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的關(guān)系可由下式表示。 輸出轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)矩表示電主軸輸出力的大小，一般用 M 表示，電主軸的轉(zhuǎn)矩指標(biāo)有最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)矩表示電主軸的過載能力，額定轉(zhuǎn)矩表示負(fù)載能力。掌握這個臨界轉(zhuǎn)速，對高速回轉(zhuǎn)部件的安全運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。選擇電主軸時要注意實際工作轉(zhuǎn)速不得高于最高轉(zhuǎn)速。 n=60f/p 式中 f變頻器輸出頻率； p驅(qū)動電動機(jī)的極對數(shù)。 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速是電主軸的一個重要技術(shù)指標(biāo)，電主軸轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)通過變頻器實現(xiàn)無級變速，電主軸轉(zhuǎn)速和頻率成正比關(guān)系。 電主軸的型號電主軸的型號一般由電主軸代號、安裝尺寸及轉(zhuǎn)速代碼等組成。 電主軸的基本參數(shù)電主軸的性能是通過一些技術(shù)特性參數(shù)來表示的其中電主軸的主要參數(shù)有：電主軸的最高轉(zhuǎn)速和恒功率轉(zhuǎn)速范圍；電機(jī)主軸的額定功率和最大扭矩；電機(jī)主軸前、后軸承直徑和前后軸承跨距。理論分析及實驗表明：軸承是制約電主軸的功率輸出和精度的主要部件。B?上式表明， 和 值一經(jīng)確定，電主軸的電磁負(fù)荷 也就可以大致確定。電主軸運轉(zhuǎn)中，將會產(chǎn)生如振動、軸承發(fā)熱、精度低和壽命低等問題。在加工和制動過程中，通過提供相當(dāng)于最大轉(zhuǎn)矩的頻率進(jìn)行加減速，以免電動機(jī)溫升過高。異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 n 由輸入電動機(jī)定子線圈電流的頻率 f 和電動機(jī)定子的極對數(shù) p 決定（n=60f/p） 。電主軸持續(xù)工作功率主要取決于電動機(jī)的機(jī)械效率和冷卻效果，機(jī)械效率的高低則主要取決于軸承高速化參數(shù) n 值， 為軸承中徑，n 為主mD軸轉(zhuǎn)速。 電主軸的工作原理高速電主軸的工作原理是：高速電主軸的電動機(jī)部分由產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的定子繞組和把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)