【正文】 ?????????? ? 軸承材料的選擇 ?????????????????????? ? 冷卻系統(tǒng)和潤滑 ????????????????? ?????? ..17 熱源的主要構(gòu)成 ? ?????????????????? ??? 冷卻系統(tǒng)的冷卻路線 ?????????????????? ?? 主軸傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算 ????????????? ?????? 電主軸潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ????????????????? ??? 拉刀裝置的設(shè)計(jì) ????????????????? ??????1 6 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 4 頁 共 41 頁 模塊化的的拉刀裝置 ?????????????????? ??? HSK的發(fā)展趨勢 ???????????????????????? SK動(dòng)力拉桿系 列 ??????????????????????? SK牽引頭 ????????????????????????? HSK動(dòng)力拉桿系統(tǒng) ??????????????????????? 未來的前景 ????????????????????????? 主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) ???????????? ??????? ???1 8 主軸前端懸伸量的確定 ? ??????????????????? 主軸主支承間的跨距 L的確定 ????????????????? 主軸 的構(gòu)造 ????????????????????????? 主軸擋板的設(shè)計(jì) ??????????????????????? 主軸的材料和熱處理 ??????? ?????????????? 第四章 軸的校 核 …………………………………………………… ..25 軸的強(qiáng)度校核計(jì)算 ????????????????? ??????2 5 軸的剛度校核計(jì)算 ????????????????? ??????2 8 第五章 軸承的校 核 …………………………………………………… 31 角接觸球軸承的校核 ?? ???????????????? ??? ..31 深溝球軸承的校核 ??????????????????????? 32 第六章 電主軸的使用和養(yǎng)護(hù) ………………………………………… 33 第七章 高速精密主軸軸承熱特性 …………………………………… 34 總結(jié) ………………………………………………………………… ..36 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………… .37 致謝 ………………………………… … ……………………………… .39 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 5 頁 共 41 頁 第一章 緒論 我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程充 分證明，數(shù)控機(jī)床電主軸發(fā)展的滯后，始終是制約我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展的瓶頸問題之一。我國數(shù)控機(jī)床整體技術(shù)水平的發(fā)展和提高，最終離不開先進(jìn)的功能部件產(chǎn)業(yè)的支持。但在數(shù)控機(jī)床品種、質(zhì)量和性能等方面與發(fā)達(dá)國家還存在較大差距，很難能滿足市場需求，特別是高端數(shù)控機(jī)床主要依賴進(jìn)口，已明顯制約我國國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)的發(fā)展。對決定電主軸發(fā)展 的關(guān)鍵技術(shù)要進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，特別是在電主軸應(yīng)用中的關(guān)鍵部件諸如復(fù)合陶瓷軸承、內(nèi)置式無外殼電機(jī)、性能優(yōu)良的伺服控制器、高精度位置編碼器、氣密封裝置等進(jìn)行自主研發(fā)，改變這些關(guān)鍵部件主要靠進(jìn)口的局面。 數(shù)控機(jī)床電主軸的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 數(shù)控機(jī)床電主軸的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)對電主軸技術(shù)的研究始于 20世紀(jì) 60 年代，主要用于零件內(nèi)表面磨削，這種電主軸的功率低，剛度小，并且它采用無內(nèi)圈式向心推力 球軸承，限制了高速電主軸的產(chǎn)業(yè)化。在 90 年代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)了高速電主軸在切削中的應(yīng)用。廣州工業(yè)大學(xué)高速加工和機(jī)床研究所也開發(fā)研制了多種電主軸，并應(yīng)用于數(shù)控銑床由于近些年數(shù)控加工技術(shù)的飛速發(fā)展，在軍工、基礎(chǔ)裝備制造，航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω咚匐娭鬏S的迫切需要，國內(nèi)的電主軸研究也得到了很大的發(fā)展。目前國內(nèi)生產(chǎn)的磨削用電主軸的轉(zhuǎn)速在 15000r/min 以內(nèi)；加工中心用電主軸的轉(zhuǎn)速最高 30000r/ min，轉(zhuǎn)矩達(dá) 200N在電主軸的潤滑方面，國外普遍采用先進(jìn)的油氣潤滑技術(shù)，而我國主要以油脂潤滑和油霧潤滑為主。目前電主軸已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床最主要功能部件之一，世界上形成許多著名的機(jī)床電主軸功能部件專業(yè)制造商，它們生產(chǎn)的電主軸功能部件已經(jīng)系列化。瑞士 IBAG 公司在電主軸行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先現(xiàn)在被公認(rèn)為代表了行業(yè)的發(fā)展趨勢。 m。 (2) 采用高速、高剛度軸承。 (3) 精密加工與精密裝配工藝水平高。這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補(bǔ)償精密控制系統(tǒng)等 [1]。電主軸的功率和轉(zhuǎn)速是受電主軸體積及軸承限制的， DmN 值是反映電主軸剛度和轉(zhuǎn)速的一個(gè)重要的綜合特征參數(shù)， DmN 值越大，其電主軸性能越。 （ 2） 向高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床需要同時(shí)能夠滿足低速粗加工時(shí)的重切削、高速切削時(shí)精加工的要求，因此機(jī)床電主軸應(yīng)該具備低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率的性能。近年大功率半導(dǎo)體器件有了飛躍性發(fā)展，已經(jīng)完全可以滿足現(xiàn)有的電主軸應(yīng)用場合所要求的功率等級，這為高速電主軸的大功率化奠定了基礎(chǔ)。 m,高速切削時(shí)精加本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 7 頁 共 41 頁 工最大輸出功率可到 150kW。雖然采用變頻調(diào)速、矢量控制、功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)改善了電機(jī)系統(tǒng)的 效率，但由于感應(yīng)電機(jī)的工作原理決定其運(yùn)行效率的提高是有限的，特別是在位置和速度要求非常高的高精度高速電主軸系統(tǒng)中應(yīng)用有時(shí)很難滿足系統(tǒng)要求。在主軸電機(jī)控制方面：采用矢量控制已經(jīng)被大多數(shù)高速電主軸生產(chǎn)廠家所采用，針對感應(yīng)電動(dòng)機(jī)采用自適應(yīng)控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、定子優(yōu)化控制等措施不斷提高感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在電主軸的應(yīng)用性能。 此外，柔性主軸及其軸承彈性支承技術(shù)的研究也將進(jìn)一步深化。另外隨著磁懸浮技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，在滿足成本要求的情況下，磁懸浮軸承將由一些特殊場合的應(yīng)用到普通場合的特殊要求的應(yīng)用。在保證轉(zhuǎn)速的情況下，應(yīng)盡量降低電主軸的整體振動(dòng)。潤滑技術(shù) 不斷改進(jìn)，預(yù)負(fù)荷施加技術(shù)不斷進(jìn)步。在非接觸式軸承中，磁浮和氣浮軸承不斷發(fā)展，已有系列產(chǎn)品出現(xiàn)。油氣潤滑方式和成本更低的非接觸式軸承技術(shù)也將是高速電主軸發(fā)展的方向 [1]。 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 8 頁 共 41 頁 第二章 數(shù)控機(jī)床電主軸的介紹 機(jī)床電主軸的工作原理 電主軸作為加工中心的核心部件，它將機(jī)床主軸與交流伺服電機(jī)軸合二為一，即將主軸電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，并經(jīng)過精確的動(dòng)平衡校正，具有良好的回轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性，形成一個(gè)完美的高速主軸單元，也被稱為內(nèi)裝式電主軸，其間不再使用皮帶齒輪傳動(dòng)副，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。為保證電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的回轉(zhuǎn)精度，其關(guān)鍵零件必須進(jìn)行精加工和超精加工，選用尺寸和精度等級合適的軸承，采用合理的裝配方案； （ 2）高剛度 主軸剛度反映主軸單元抵抗外載荷的能力。為了保證加工精度、避免振動(dòng)，要求電主軸具備較高的剛度，特別是徑向剛度； （ 3）抗振性強(qiáng) 機(jī)床工作時(shí)，主軸部件不僅受靜態(tài)力的作用，同時(shí)還受其他沖擊力和交變干擾力的作用而產(chǎn)生振動(dòng)。因此，電主軸的抗振性要強(qiáng)； （ 4）電機(jī)特性優(yōu)良 加工中心要求有較廣的加工范圍，這就要求電主軸既要有優(yōu)良的低速加工性能，又要有好的高速加工性能。對一些低速要求高的電主軸，應(yīng)采用高性能的矢量變頻器控制； （ 5）熱特性穩(wěn)定 由于電主軸是將高速電機(jī)置于機(jī)床主軸部件內(nèi)部，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子和本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 9 頁 共 41 頁 軸承的的 發(fā)熱量很大，并引起熱變形，直接影響機(jī)床的工作性能和加工精度，因此要求電主軸的熱態(tài)性能穩(wěn)定 [2]。 2）高速軸承技術(shù) 電主軸通常采用靜壓軸承、陶瓷球軸承及電磁懸浮軸承，根據(jù)用戶需要，也有部分采用鋼球軸承。 3）潤滑、冷卻技術(shù) 對于球軸承可以采用脂潤滑，但缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻力和增加溫 升。油量的控制很重要，太少，不能起到潤滑作用；大多，再軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因阻力大而產(chǎn)生的熱量多。 4）傳感技術(shù) 為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的進(jìn)給、多軸聯(lián)動(dòng)、相位控制、自動(dòng)換到等動(dòng)作，電主軸需要內(nèi)置一脈沖編碼器。這種情況下出現(xiàn)了 HSK、 SKI、 CAPTO 等結(jié)構(gòu)的告訴道具。 6）主軸中心冷卻技術(shù) 轉(zhuǎn)速在 30000r/min 之內(nèi)的電主軸，都可以采用刀具中心冷卻，冷卻液壓力一般為80bar(8MPa)。 8）高頻變頻技術(shù) 電主軸的內(nèi)置高速電 機(jī)的驅(qū)動(dòng)可以采用高頻變頻裝置，變頻器的輸出頻率可以達(dá)到幾千 Hz，可滿足主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速要求。電主軸系統(tǒng)既提供模擬接口，也提供數(shù)字接口，數(shù)控接口要能與任何系統(tǒng)匹配。 目前，高速電主軸大多采用內(nèi)置異步式交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。永磁同步電動(dòng)機(jī)有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，并且轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，但永磁同步電動(dòng)機(jī)有弱磁現(xiàn)象，而且很難提高主軸電機(jī)功率，制造永磁同步電機(jī)的主要材料稀土成本過高。雖然其直接轉(zhuǎn)矩或矢量控制方式的計(jì)算數(shù)據(jù)量大，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論算法的不斷發(fā)展，已經(jīng)能過實(shí)現(xiàn)快速 、精確地計(jì)算和控制。由于電主軸結(jié)構(gòu)比較特殊，還有很多新出現(xiàn)的問題需要解決。 在數(shù)控機(jī)床中，電主軸通常采用變頻調(diào)速方法。普通變頻為標(biāo)量驅(qū)動(dòng)和控制，其驅(qū)動(dòng)控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比。但價(jià)格本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 11 頁 共 41 頁 便宜、結(jié)構(gòu)簡單，一般用于磨床和普通的高速銑床等。矢量控制驅(qū)動(dòng)器在剛啟動(dòng)時(shí)具有很大的轉(zhuǎn)矩值，加之電主軸本身結(jié)構(gòu)簡單，慣性很小，故啟動(dòng)加速度大，可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)后瞬時(shí)達(dá)到允許極限速度。直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的又一種新型的高性能交流調(diào)速技術(shù)，其控制思想新穎，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔明了，更適合于高速電主軸的驅(qū)動(dòng)，更能滿足高速電主軸高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍、高速瞬間準(zhǔn)停的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性的要求，已成為交流傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)。電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用壓配方法與主軸做成一體，主軸則由前后軸承支撐。主軸的變速由主軸驅(qū)動(dòng)模塊控制，而主軸單元內(nèi)的溫升由冷卻裝置控制。 同步帶的選擇 同步帶介紹 同步帶傳動(dòng)是一種新型的機(jī)械傳動(dòng)。同步帶傳動(dòng)和 V 帶、平帶相比具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)傳動(dòng)準(zhǔn)確，無滑動(dòng)，能達(dá)到同步傳動(dòng)的目的； (2)傳動(dòng)效率高，一般可達(dá) 98 ?%； (3)速比范圍大，允許線速度也高； (4)傳遞功率范圍大，從幾十瓦到幾百千瓦； (5)結(jié)構(gòu)緊湊，還適用于多軸傳動(dòng)。 同步帶計(jì)算 一臺(tái)額定功率為 ，轉(zhuǎn)速為 1000r/min 的異步電機(jī)，一天工作 8 個(gè)小時(shí)以上，以此來設(shè)計(jì)電主軸的同步帶。 —— 64 177。 160 120 177。 132 帶入上式的 Po= (kw) (b). 計(jì)算小帶輪嚙合齒數(shù) Zm Zm=21Z —aPbZ22 1?（ Z2Z1） =6 (c). 確定實(shí)際所需帶寬 bэ P≈ PoKzKw （ 36） 式中： P—— 帶所能傳遞功率 kw Kz—— 嚙合系數(shù)，因 Zm6 故 Kz=1 Kw—— )(???bb 查表 ， H 型帶 bэ ?= 將 P 式代入 P≥ Pd 則 bэ ≥ bэ ? )(OZdPKP = 取標(biāo)準(zhǔn)帶寬 見表 (9) 驗(yàn)算 1000)( 2 vbmvbTKKP aWZ ????? = 20 kw 額定功率大于設(shè)計(jì)功率，則帶的傳動(dòng)能力已足夠，所選參數(shù)合格 [4]。迭壓成 型的定 子內(nèi)腔帶有沖制嵌線槽。它能帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 第 17 頁 共 41 頁 此次設(shè)計(jì)的 電主軸電機(jī)轉(zhuǎn)子的基本尺寸為：轉(zhuǎn)子的外徑 2b＝ ，轉(zhuǎn)子內(nèi)孔直徑 2a＝ ，轉(zhuǎn)子的軸向長度為 346mm，轉(zhuǎn)子配合面的有效接觸長度 B＝ 300mm。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為 8000r／ min， 所以其最大角速度 ω max為 rad／ s。 Ce=ba== （ 37） Ci=ac = = （ 38） 電機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸均為鋼質(zhì)材料，材料的彈性模量 E＝ 10 11N／ m2， 泊凇 比 υ ＝， 主軸配合面間的摩擦系數(shù) μ ＝ ，電機(jī)轉(zhuǎn)子襯套材料的許用應(yīng)力［ σ ］為 287N／ mm2，主軸材料的許用應(yīng)力［ σ ］為 567 N／ mm2。高速電主軸的最小過盈 量 Δmin 為： 本科機(jī)械畢業(yè)