【正文】 線槽。轉(zhuǎn)子是中頻電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，它的功能是將定子的電磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、鼠籠、轉(zhuǎn)軸三部分組成。由于電主軸單元是機(jī)械主軸和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的合成體，因此其精度要求高于一般主軸，加工難度更大，需要很好的工藝分析和正確的工藝路線。由于高速主軸的極限轉(zhuǎn)速高，為了保證電主軸運(yùn)行的穩(wěn)定性，防止振動(dòng)發(fā)生，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸的聯(lián)接也采用同主軸軸承緊固相似的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸過(guò)盈配合量的大小是影響主軸性能的重要因素。由于主軸的轉(zhuǎn)速高，在高速下，會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，轉(zhuǎn)子與主軸在徑向上將產(chǎn)生不同程度的膨脹，這將會(huì)影響到主軸與轉(zhuǎn)子的配合。過(guò)盈量太小的配合將會(huì)影響主軸傳遞轉(zhuǎn)矩的能力，甚至松動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)；過(guò)盈量太大，將會(huì)使裝配難度加大，影響裝配精度，甚至破壞配合表面。因此，必須對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸間的過(guò)盈量進(jìn)行研究，以適應(yīng)高速電主軸設(shè)計(jì)工作的需要。 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(dòng)機(jī)部分由產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的定子繞組和把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)子組成。高速電主軸的定子和轉(zhuǎn)子之間的空隙是形成功率陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 16 頁(yè) 共 67 頁(yè)輸出有效部分的主要部分。電主軸持續(xù)工作功率主要取決于電動(dòng)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。電主軸的線圈相位互差 120 度，安放在定子鐵心的槽內(nèi)，通以三相交流電，三相線圈各自形成一個(gè)正弦交變磁場(chǎng)，這三個(gè)對(duì)稱(chēng)的交變磁場(chǎng)互相疊加，合成一個(gè)強(qiáng)度不變，磁極朝一定方向恒速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速就是電主軸的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 n 由輸入電動(dòng)機(jī)定子線圈電流的頻率 f 和電動(dòng)機(jī)定子的極對(duì)數(shù) p 決定（n=60f/p） 。電主軸就是利用變換輸入電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流的頻率和勵(lì)磁電壓來(lái)獲得各種轉(zhuǎn)速。在加工和制動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)提供相當(dāng)于最大轉(zhuǎn)矩的頻率進(jìn)行加減速，以免電動(dòng)機(jī)溫升過(guò)高。由于電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向取決于輸入三相交流電的相序，便可改變電主軸的旋轉(zhuǎn)方向。電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)中，將會(huì)產(chǎn)生如振動(dòng)、軸承發(fā)熱、精度低和壽命低等問(wèn)題。所以通常從轉(zhuǎn)速提出相應(yīng)的功率參數(shù)、體積參數(shù)和剛度參數(shù)，作為定性評(píng)價(jià)高速電主軸的可比度： ?KABVPn?式中 功率參數(shù)， = n；n 2P 體積參數(shù)， = tDL K 常數(shù)，取 ；??? A 單位線負(fù)載； 空氣隙磁通密度。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。增大 nPVAB?值必將導(dǎo)致 或 增大提高 值要受到臨界轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子表面線速度的限制；nP?nV的提高易導(dǎo)致電主軸的功率下降和溫度升高； 值增大，使軸承的動(dòng)載荷增大，A? nP振動(dòng)加大，降低軸承的壽命。理論分析及實(shí)驗(yàn)表明：軸承是制約電主軸的功率輸出和精度的主要部件。所以，高速主軸軸承是電主軸的核心部分，使用 值高的主軸軸mDn承可以有效的提高電主軸的性能。 電主軸的基本參數(shù)電主軸的性能是通過(guò)一些技術(shù)特性參數(shù)來(lái)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。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 17 頁(yè) 共 67 頁(yè)其中主軸的最高轉(zhuǎn)速、前后軸承直徑和額定功率為基本參數(shù)。 電主軸的型號(hào)電主軸的型號(hào)一般由電主軸代號(hào)、安裝尺寸及轉(zhuǎn)速代碼等組成。一般電主軸型號(hào)中含有套筒直徑、最高轉(zhuǎn)速和輸出功率等參數(shù)。 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速是電主軸的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，電主軸轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，電主軸轉(zhuǎn)速和頻率成正比關(guān)系。同步轉(zhuǎn)速由下式計(jì)算可得。 n=60f/p 式中 f變頻器輸出頻率； p驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。電主軸一般為異步電動(dòng)機(jī)，其實(shí)際轉(zhuǎn)速比同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速稍低。選擇電主軸時(shí)要注意實(shí)際工作轉(zhuǎn)速不得高于最高轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速是指一個(gè)回轉(zhuǎn)質(zhì)量統(tǒng)（包括道具在內(nèi)）在某一特定的支承條件下，產(chǎn)生系統(tǒng)最低一階共振時(shí)的轉(zhuǎn)速。掌握這個(gè)臨界轉(zhuǎn)速，對(duì)高速回轉(zhuǎn)部件的安全運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。 輸出功率輸出功率表示電主軸的做功能力，一般用 P 表示電主軸功率一般隨電源頻率和電壓變化而變化（恒功率調(diào)速除外），電主軸銘牌標(biāo)稱(chēng)電壓、轉(zhuǎn)速下的滿載輸出功率，電主軸的輸出功率一般隨轉(zhuǎn)速的降低而降低，選擇電主軸時(shí)要考慮這一點(diǎn)。 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(guò)載能力，額定轉(zhuǎn)矩表示負(fù)載能力。如電主軸承擔(dān)的轉(zhuǎn)矩超過(guò)最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，電主軸轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生陡降或停轉(zhuǎn)，電主軸的最大轉(zhuǎn)矩一般為額定轉(zhuǎn)矩的 2 倍左右，在使用和選擇電主軸時(shí)要注意瞬間最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩不能超過(guò)電主軸的最大轉(zhuǎn)矩，工作轉(zhuǎn)矩稍小于電主軸的額定轉(zhuǎn)矩。 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。對(duì)恒功率電主軸，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速成反比，對(duì)恒轉(zhuǎn)矩電主軸，功率和轉(zhuǎn)速成正比。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 18 頁(yè) 共 67 頁(yè) 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(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩不變的調(diào)速方式。一般的磨削用電主軸及小型銑削用電主軸都為恒轉(zhuǎn)矩電主軸，這類(lèi)電主軸注重考核高速時(shí)的性能，給定的電動(dòng)機(jī)參數(shù)一般為額定轉(zhuǎn)速的功率及相對(duì)應(yīng)的電壓和頻率，選用及應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意。在使用普通變頻器時(shí)，注意變頻器基頻頻率應(yīng)設(shè)定為電主軸標(biāo)稱(chēng)頻率，輸出電壓為電主軸標(biāo)稱(chēng)電壓。 恒功率調(diào)速恒功率電主軸是指在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)改變轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出功率可保持不變的調(diào)速方式。恒功率調(diào)速時(shí)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(shí)有較大的輸出轉(zhuǎn)矩，滿足低速大進(jìn)給的切削要求。在調(diào)速段保持恒功率，可滿足小切削量的高轉(zhuǎn)速要求，一些低速高要求的電主軸，應(yīng)采用高性能的矢量變頻器控制。 軸承中徑電主軸功率及轉(zhuǎn)速時(shí)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(gè)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。 值越大其mDmDn電主軸性能要求越高。一般電主軸的 值小于等于 這類(lèi)電主軸可采用油脂潤(rùn)滑；610?值大于 為高速大功率電主軸，這類(lèi)要求采用油氣或油霧潤(rùn)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(wèn)題。對(duì)于 值恒定的電62 mn主軸來(lái)講，n 值越大， 值越小，功率小，剛性大，所以選擇電主軸時(shí)不要盲目要求m高轉(zhuǎn)速。 剛度和精度剛度分為軸向剛度和徑向剛度。其數(shù)值隨電主軸的套筒大小變化而變化，單位。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。這既反映了電主軸工作的實(shí)際需要，也表明了電主軸剛度在高轉(zhuǎn)速時(shí)和預(yù)加載荷的大小有關(guān)。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(dòng)軸承的尺寸大小和精度等級(jí)、裝配的技術(shù)水平和預(yù)加載荷的大小等密切相關(guān)。 自動(dòng)換刀裝置陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 19 頁(yè) 共 67 頁(yè)為了應(yīng)用于加工中心，電主軸配置了自動(dòng)換刀裝置，包括蝶形彈簧，拉刀裝置等。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 20 頁(yè) 共 67 頁(yè)4. 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作其路線大致如圖 所示。圖 主軸單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)路線圖上述研究?jī)?nèi)容相互之間交叉或并行或串行進(jìn)行，通過(guò)以上一系列關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題的解決，完成主軸單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 主軸的設(shè)計(jì)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(jì)論文第 21 頁(yè) 共 67 頁(yè) 主軸當(dāng)量直徑的計(jì)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(jì)算、靜剛度的計(jì)算、臨界轉(zhuǎn)速的估計(jì)。靜態(tài)估算的目的確定主軸單元主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（主軸前懸伸、跨距、主軸外徑和主軸內(nèi)徑等） ，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基本依據(jù)。 軸承的選擇和基本參數(shù)為適應(yīng)主軸高速特性，同時(shí)保證一定的剛度，整個(gè)主軸支承結(jié)構(gòu)采用一端固定一端游動(dòng)的支承方式，主軸前端為固定端，后端為游動(dòng)端。這種支承的特點(diǎn)是：前支承軸向固定，后支承浮動(dòng)，能適應(yīng)主軸向后熱伸縮的需要，具有較高剛度，同時(shí)具有較好的高速性能。前后端角接觸球軸承背對(duì)背安裝，因?yàn)楸硨?duì)背組配支承點(diǎn)間的距離比較大，因而產(chǎn)生一個(gè)較大的抗彎力矩，徑向膨脹將使軸承內(nèi)的過(guò)盈加大，而軸向膨脹將使過(guò)盈減陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 22 頁(yè) 共 67 頁(yè)少。由于角接觸球軸承均為點(diǎn)接觸，剛度較低，為提高剛度，通常采用多聯(lián)組配。又在各種不同的配置中，由于每個(gè)軸承的誤差不一致，會(huì)使整個(gè)軸承組的轉(zhuǎn)速會(huì)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） 。結(jié)合利弊，最后考慮前后軸承均雙聯(lián)組配，得到支承結(jié)構(gòu)如圖 所示。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。適量的預(yù)緊，可消除軸承的徑向間隙，補(bǔ)償磨損和熱伸長(zhǎng)引起的軸向間隙，使?jié)L動(dòng)體從各個(gè)方向上支承主軸，有利于提高主軸精度、剛度以及抗振性和壽命。軸承預(yù)緊方式有兩種：定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊。定位預(yù)緊軸向內(nèi)外圈的相對(duì)位置固定，在使用中不改變。定壓預(yù)緊則是利用彈簧或者是液壓系統(tǒng)對(duì)軸承實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，在高速運(yùn)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(guò)盈量，以保持軸承預(yù)緊力不變。同時(shí)，軸承預(yù)緊力根據(jù)大小不同又可以分為輕、中、重預(yù)緊，不同的組配方式和不同的預(yù)緊力在一定轉(zhuǎn)速下發(fā)熱不同，其極限轉(zhuǎn)速比單個(gè)軸承輕預(yù)緊時(shí)的極限轉(zhuǎn)速有所下降。綜上所述選用軸承類(lèi)型，前、后端均采用角接觸陶瓷球軸承。結(jié)合電機(jī)處軸徑直徑以及加工中心的軸徑尺寸，在此次設(shè)計(jì)中主軸前后支承均選用瑞士 SKF 高精度混合式陶瓷角接觸球軸承，軸承定位采用輕預(yù)緊方式，其主要技術(shù)參數(shù)如表 所示： 主軸軸承靜剛度的計(jì)算前后支承均選用 SKF 高精度混合式陶瓷角接觸球軸承，其主要技術(shù)參數(shù)如表 ：陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 23 頁(yè) 共 67 頁(yè)陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 24 頁(yè) 共 67 頁(yè)表 軸承技術(shù)參數(shù)表 軸承裝配后的預(yù)緊力 可用下式計(jì)算mG 12..HCAf?—— 軸承系數(shù) —— 接觸角系數(shù)1f —— 預(yù)緊級(jí)別系數(shù)2—— 混合陶瓷球軸承修正系數(shù)HCf—— 裝配前的預(yù)緊力AG71911CE/HC：查機(jī)床滾動(dòng)軸承應(yīng)用手冊(cè) f =， = ， = ， = ，1f2fHCf= 110N A =110=,圓整后取 260NmG71913CE/HC:查機(jī)床滾動(dòng)軸承應(yīng)用手冊(cè) f = ， =1 ， =1 ， = ，1f2fHCf參數(shù) 前支承 后支承型號(hào) 71915CE 71913CE精度 P4 P4組配方式 背靠背 背靠背頂緊級(jí)別 輕預(yù)緊 輕預(yù)緊內(nèi)徑 d(mm) 75 65外徑 D(mm) 105 90寬度 b(mm) 16 13滾動(dòng)體直徑 (mm) 接觸角 ?015015預(yù)緊力（N） 110N 80N額定動(dòng)載荷（N） 22500 80額定動(dòng)載荷（N） 166000 127000潤(rùn)滑方式 油氣潤(rùn)滑 脂潤(rùn)滑陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 25 頁(yè) 共 67 頁(yè)=1180 =,圓整后取 160NmG在已知軸向預(yù)緊力 前提下，角接觸球軸承的徑向剛度 Kr 可近似地按下0aF式計(jì)算： ()()/inr baKzDFNm??? 1122330.()()/)siba?對(duì)于混合式陶瓷球軸承還應(yīng)再乘以材料修正系數(shù) ，即：()()/)inr baKzDFNm????上式中的預(yù)緊力 即前面計(jì)算的 值0aFG71913CE/HC： ??umNkr /)15sinco( ??????71911CE/HC：=??3 60)sinco( ?????rk 主軸單元主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定及剛度驗(yàn)算主要假設(shè)：（1）用單一的當(dāng)量截面代替多個(gè)不同尺寸的截面；（2）用合并或忽略輔助支承的方法，將多個(gè)軸承簡(jiǎn)化為前后兩個(gè)支承；（3）將軸承簡(jiǎn)化為徑向的壓縮彈簧，即只認(rèn)為軸承具有徑向剛度，而不具有角剛度；（4）忽略轉(zhuǎn)速對(duì)軸承剛度的影響；（5）忽略軸承負(fù)荷對(duì)軸承剛度的