【正文】 開始加工前，要空運轉(zhuǎn)一段時間，目的是讓機床主軸達(dá)到熱平衡，然后才開始加工，以免主軸的熱膨脹影響加工精度。因此，在設(shè)計中，必須要設(shè)置良好的電機冷卻系統(tǒng)。 本設(shè)計采用了外循環(huán)油冷卻和潤滑一體系統(tǒng)，在主軸外設(shè)有冷卻油箱和冷卻油循環(huán)泵，在內(nèi)置電機定子的外面加一鋁質(zhì)的外套，外套的外壁開有環(huán)形槽。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。電主軸的軸承也是主軸內(nèi)部主要熱源之一。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。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。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。因此，電主軸的開發(fā)應(yīng)充分考慮電主軸的散熱問題。軸承的散熱主要是通過油潤滑方式來實現(xiàn)的。循環(huán)冷卻的潤滑油進(jìn)入軸承，潤滑油起到潤滑作用的同時帶走軸承產(chǎn)生的熱量，從而起到可冷卻的效果。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。因此，在設(shè)計及制造工藝上都應(yīng)盡可能減小不平衡質(zhì)量。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。本設(shè)計確定的動平衡精度為 級。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。在設(shè)計電主軸時，必須嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)對稱原則，軸上的運轉(zhuǎn)部件與軸之間應(yīng)避免采用鍵聯(lián)接的形式。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。該轉(zhuǎn)子與主軸之間以過盈配合來傳遞扭矩，其過盈量按最大扭矩計算，并同時考慮轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力作用，因為離心力較大時，使轉(zhuǎn)子本體有徑向膨脹的趨勢，會抵消部分過盈量。另外，配合面的粗糙度也是計算過盈量所必須考慮的。在轉(zhuǎn)子與主軸裝配前，轉(zhuǎn)子硅鋼片的外徑應(yīng)預(yù)留一定的加工余量，用熱壓法裝配完畢后，再對轉(zhuǎn)子外徑進(jìn)行精車，以減小偏心質(zhì)量。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。第3章 軸承系統(tǒng)的計算超高速加工是機械制造業(yè)近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，而電主軸是高速加工機床的核心功能部件，它正向著高速化方向發(fā)展。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)。影響電主軸臨界轉(zhuǎn)速的因素很多，軸承的徑向剛度、軸向預(yù)緊力與刀具組件參數(shù)的變化均會不同程度地引起電主軸臨界轉(zhuǎn)速的變化。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。國內(nèi)學(xué)者的相關(guān)研究工作則較少，在部分問題所得出的結(jié)論甚至相互矛盾。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。B7006C/HQ1P4型角接觸陶瓷球軸承與同規(guī)格鋼制滾動軸承的徑向剛度在不同軸向預(yù)緊力下隨轉(zhuǎn)速的升高而變化的情況。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。在75000r/min以下，陶瓷球軸承的剛度下降趨勢比鋼球軸承要緩慢， 轉(zhuǎn)速與軸向預(yù)緊力對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。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。對于鋼球軸承，徑向剛度相對轉(zhuǎn)速的變化由下降變?yōu)樯仙呐R界點在25000r/min左右，而陶瓷球軸承則在100000r/min以上。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。在軸向預(yù)緊力205N，轉(zhuǎn)速由0升至36000r/min時，108N/108N/m降幅達(dá)39%當(dāng)轉(zhuǎn)速增至100000r/min時，108N/m，降幅為67%。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。合適的預(yù)緊可以增加軸承的剛度，提高旋轉(zhuǎn)精度，降低振動噪聲，延長使用壽命。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。從而減少軸承內(nèi)部的摩擦和發(fā)熱，延長軸承的使用壽命。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。定位預(yù)緊的軸承在使用過程中，其相對位置是不會改變的，由于工作溫度的變化會引起軸及軸承座的尺寸以及組配軸承間的定位部件尺寸發(fā)生變化，因此，直接影響到軸承預(yù)緊力的變化。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。由于彈簧的剛性一般比軸承的剛性小的多，因此，定壓預(yù)緊軸承其相對位置在使用過程中會隨轉(zhuǎn)速及外載的變化而有所改變。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。預(yù)緊的方法和預(yù)緊力大小的選擇對預(yù)緊的效果影響很大。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。就本設(shè)計而言對于高速電主軸應(yīng)采用定壓預(yù)緊。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。本研究設(shè)計的使用雙聯(lián)軸承。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。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： （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)。 ：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。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= = = 選用中預(yù)緊雙聯(lián)背靠背配置=1002＝205N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、精密機械馬達(dá)及高速透平機等轉(zhuǎn)動件的支承軸承。Si3N4材料許多性能明顯優(yōu)于軸承鋼，更適合用作軸承材料。由于制造工藝的難度及經(jīng)濟方面的考慮，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。本研究中的高速電主軸的軸承即選用混合陶瓷球軸承。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)抗彎強度/(MPa)沖擊韌性/(MNm)Si3N4陶瓷32401063141600700軸承鋼1062067002500泊松比熱導(dǎo)率/[W/(mK)]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)的對比情況。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。第4章 電主軸主軸單元靜態(tài)特性虛擬仿真分析電主軸的主軸單元設(shè)計的重點是剛度而不是強度。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。主軸的靜剛度簡稱主軸剛度，是機床主軸系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)，與負(fù)荷能力及抗振性密切相關(guān)。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