数控机床电主轴结构设计毕业设计

目录 本 科 毕 业 设 计 论 文题 目 数控机床电主轴结构设计 系 别 机械工程系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机械002班 学 号 10040103 学生姓名 冀璐 指导老师 王恪典 2014年6月目录VV摘 要数控加工技术将高柔性，高精度，高速加工技术融为一体，可以解决机械产品制造中的诸多难题，如获得特殊的加工精度和表面质量。因此，高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的战略性产业，其技术水平的高低和拥有量的多少也是衡量一个国家制造业水平高低的标志。高速加工技术的迅猛发展和高速数控机床需求量的快速增长，而超高速电主轴是实现高速数控加工技术的重要部件，因此对高速电主轴技术提出了新的要求和挑战。作为高速数控机床的核心部件，电主轴是高速主轴中的一种理想结构，电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高，功率大，还具有控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，因此是承载高速切削技术的主体之一，其性能的好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率。本文以额定转速20000r/min，功率4kw，为设计要求进行相应的结构设计，设计内容包括：（1） 电主轴的主轴尺寸设计，根据额定转速20000r/min，功率4kw和基本的机械设计知识。确定最小轴向尺寸，同时根据相应的计算确定最长外伸端。并以此确定主轴的整体尺寸。（2） 轴承的选择与冷却系统的设计，轴承的选用混合陶瓷球轴承，其具有高速，高刚度，大功率，长寿命的特点。冷却系统采用外置水冷。（3） 电主轴壳体尺寸的设计，根据上面的设计完成壳体的相应设计，并使其满足壳体设计的相应要求。特别是尺寸精度的要求比较高，壳体的尺寸精度直接影响主轴的综合精度。关键词：电主轴,主轴,轴承,冷却系统,壳体IABSTRACTThe highly flexible CNC machining technology,high-precision,high-speed machining technology integration can solve mechanical products in the manufacture of many problems,such as access to special machining accuracy and surface quality. Thus , high-speed CNC machine tools is one of the technology infrastructure and the development direction of the equipment manufacturing industry,equipment manufacturing industry is a strategic industry,the technology and the level of ownership is also a measure of how much the level of a countrys manufacturing signs. The rapid development of fast-growing and high -speed machining technology CNC machine tools demand,while the ultra high-speed spindle is an important component to achieve high-speed CNC machining technology,so the high-speed spindle technology raised new demands and challenges. As a core component of the high-speed CNC machine tools,spindle structure is an ideal high-speed spindle , the spindle is an intelligent features,not only high speed, high power, but also has control of the spindle vibration,temperature and operating parameters of the machine function,and therefore one of the main bearing high-speed cutting technology, its performance largely determines the machining accuracy and efficiency of the whole machine . In this paper, the rated speed 20000r/min, power 4kw, corresponding to thedesign requirements for structural design , design elements include :(1)Spindle spindle size of the design,according to the rated speed 20000r/min, power 4kw and basic knowledge of mechanical design . Determine the minimum axial dimension , while identifying the longest extended end according to the corresponding period. And thus determine the overall size of the spindle.(2)Selection and design of the cooling system of the bearing , the selection of hybrid ceramic bearing ball bearing , which has the characteristics of high-speed, high stiffness , high power, long life . Cooling system uses an external water cooling.(3)Spindle housing size design, according to the above design is completed the appropriate design of the housing and make housing designed to meet the corresponding requirements . Especially the dimensional accuracy requirements are relatively high, the dimensional accuracy of the housing directly affects the integrated precision spindle .KEY WORDS: Electric Spindle,Bearing spindle,Cooling system ,Housing select 目 录摘 要IABSTRACTIII1 绪论11.1 论文的研究背景及意义11.1.1 论文研究的背景11.1.2 论文研究的意义11.2 国内外研究现状21.2.1 国内研究现状21.2.2 国外研究现状31.3 国内外数控机床电主轴的未来的发展趋势31.3.1电机的研发31.3.2轴承的研发41.4 本论文研究的目的和内容52 电机驱动形式、控制方式72.1电主轴的结构图72.2 电主轴结构设计要求72.2.1 设计要求;72.3 引言：72.4 电机的控制形式：72.4.1 普通变频驱动和控制82.4.2 矢量控制驱动器的驱动和控制82.5 电主轴控制形式和驱动形式的选择103 主要零部件的设计113.1 轴承的选择113.1.1 引言113.1.2 主轴最小截面的估算：113.1.3 轴承选择：113.1.4 轴承参数的确定：113.1.5 轴承的润滑方式：123.1.6 轴承的排列方式：123.1.7 轴承预载荷的确定：133.2 电主轴主轴的设计133.2.1 引言133.2.2 主轴的外伸端及跨距的计算：133.2.3 主轴的径向尺寸：153.2.4 主轴的校核：163.3 转子和定子的设计173.3.1 引言173.3.2 动态过盈和静态过盈计算173.3.3 转子与定子配合的选择193.3.4 定子与转子配合公差的校核193.4 轴承寿命的估算193.4.1 引言193.4.2 轴承寿命的分析：193.4.3 轴承寿命计算公式193.4.4 角接触球轴承滚珠的偏心率的计算203.4.6 陶瓷球的离心力的计算：213.4.7 的计算：213.4.8 R的计算如下所示：223.4.9 轴承的计算234 辅助系统的设计254.1 冷却系统的设计254.1.1 引言：254.1.2 电主轴发热分析：254.1.3 机械损失:254.1.4 电损耗：254.1.5 磁损耗：264.1.6 陶瓷球轴承的发热计算：274.2 冷却液流量的及冷却油管直径的确定284.2.1 引言284.2.2 冷却液流量的确定：284.2.3 管道的尺寸确定294.3 润滑系统的选择：294.4 电主轴轴壳的尺寸294.4.1 引言：304.4.2 轴壳的尺寸305 结论与展望31致谢33参考文献35VXXV1 绪论1.1 论文的研究背景及意义1.1.1 论文研究的背景 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且要求频繁改型，特别是在宇航，造船，军事等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，批量小。加工这类产品需要经常改装和调整设备，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应用而生，这种新型机床具有适应性强，加工精度高，加工质量稳定和生产效率高等优点。 特别是高速数控机床在我国实现现代化的进程中也占有重要的地位。它是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是战略性产业。同时，高速加工技术在提升零件表面质量、精度和减少工件热变形方面有较大优势，也是现代先进制造技术之一。而且数控机床已成为发展高速加工技术的支柱性、决定性因素，而内置电主轴电机的品质将直接决定高速数控机床的技术水平。电主轴单元已在机械、电子、航空航天、国防、冶金、食品、化工、医药、和光学等领域内表现出旺盛的生命力。数控机床电主轴技术的产生实现了在极短的时间内实现升降速，并在指定位置快速准停，而且使机床的传动链的长度缩短为零，实现了零传动，且不会在高速状态下打滑，产生振动和噪音。使得高速数控机床的传动环节的机械结构得到极大的简化，数控机床的整体尺寸也得以缩减，将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。1.1.2 论文研究的意义 数控机床的研究既是市场竞争的制高点，也一直是世界各国竞相投入大量人力、物力研究的热点。它综合应用了电子计算机，自动控制，伺服驱动，精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，它同时还是高速电机和精密主轴的有机结合体，是今后数控机床的发展方向。现代化高速主轴系统采用的是电主轴,即所谓的机电一体化主轴，电主轴及驱动系统是一套完整的,独立的功能部件。它包括：主轴动力系统、主轴、伺服系统、控制系统、轴承和机架等几个部分。它要求动平衡高，刚性好，回转精度高，有良好的热稳定性，能传递足够的力矩和功率，能承受高的离心力，带有准确的测温装置和高效的冷却装置。它不仅能使主轴直接产生电磁转矩,具有低损耗,长寿命的特点,而且还具有高精度,高转速,低振动,低噪音等优良的机械特性而且数控机床电主轴的经济效益也是不容忽视的，它可使加工时间大幅缩短，加工节拍只有原来的四分之一，可以实现投资资金的快速收回，且降低了管理成本，提高了资金的利用率。在“十五”期间，我国的数控机床的电主轴技术发展很快，但国产电主轴从水平、种类、质量等方面，与国外先进国家相比还存在很大的差距，从而严重制约我国高速、高精度数控机床的发展。从而是我国成为工业强国的梦想成为一句空话，也就实现不了我们的“中国梦”。电主轴是高速切削机床最重要的部件也是实现高速和超高速加工的关键技术之一 ，因此要电主轴的研究是数控机床研究的重中之重，可以说电主轴的发展水平是衡量一个国家机械制造业的实力。所以我们对它的研究具有很多的实际意义，并且有许多技术有待解决。例如：高精密轴承技术等等。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状国产电主轴技术现状:电主轴在我国起步也很早，20世纪50年代末、60年代初就已经将电主轴应用于工业生产中，但多用于专用内圆磨床，如轴承行业、油泵和油嘴行业中的专用内孔磨床等。直到90年代中后期，由于国内市场需要，洛阳轴承研究所开始开发其他用途的电主轴，如印制电路板(PCB)行业钻小孔用高速电主轴、小型数控铣床用电主轴等。多年来，依次完成DZ、GDZ、系列数控磨床用电主轴XD系列数控铣床用电主轴、CD系列数控车床用电主轴、ZD系列PCB行业钻、铣削用电主轴、LD系列高档管材旋辗用电主轴和ED系列高速离心机用电主轴等的研究与开发。生产的PCB行业用钻、铣削电主轴,转速达到105000r/ min ,为国内PCB行业数控机床所普遍采用 ,并且已经替代部分进口产品。由于对数控机床的急切的需求，同济大学、北京机床研究所和上海机床厂在高速电主轴方面也取得了很大的成就。目前国内生产的磨削用电主轴的转速在15000r/min以内；加工中心用电主轴的转速最高可达30000r/min，转矩达200Nm的加工中心用电主轴转速只有4000r/min；车削用电主轴最高转速可达12000r/min，最大功率只有 11kw。在电主轴的润滑方面，我国主要以油脂润滑和油雾润滑为主。 “十五”期间，我国研制出拥有在自主知识产权的加工中心和数控铣床用内装式电主轴单元，转速8024000r/min,功率2.529KW，转矩486Nm,其噪或达到同期国际水平。虽然在“十五”期间，我国的数控机床的电主轴技术发展很快，但国产电主轴从水平、种类、质量等方面，与国外先进国家相比还存在很大的差距。高转速高精度数控机床和加工中心所用的电主轴，主要还是从国外进口。而且我国在高速主轴单元技术各项性能指标方面与国外相比差距较大，从而严重阻碍我国高速高精度数控机床的发展，我国的中、高档数控机床即满足不了我国的市场需求，也无力在国际市场上进行竞争。271.2.2 国外研究现状国外电主轴最早用于内圆磨床，上世纪80年代，随着数控机床和高速切削技术的发展和需要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床。近几年美国、日本、德国、意大利、英国、加拿大和瑞士等工业强国争相投入巨资大力开发此项技术。目前电主轴已经成为现代数控机床最主要功能部件之一，世界上形成许多著名的机床电主轴功能部件专业制造商，它们生产的电主轴功能部件已经系列化。著名的有德国的GMN公司、Siemens公司、意大利的Gamfi公司及日本三菱公司和安川公司等，它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。具有功率大、转速高，采用高速、高刚度轴承，精密加工与精密装配工艺水平高和配套控制系统水平高等特点。其中最具代表性有美国福特公司和Ingerso1l公司联合推出的HVM800卧式加工中心的大功率电主轴最高转速达15000r/min由静止升至最高转速仅需15s。瑞士IBAG公司在电主轴行业技术领先现在被公认为代表了行业的发展趋势。IBAG公司提供的电主轴已经系列化、标准化电主轴最大转速可达 140000r/min，直径范围33到300mm，功率范围125WSOkW,扭矩范围0.02300Nm。日本三井精机公司生产的HT3A卧式加工中心采用陶瓷轴承支承的电主轴,主轴转速达40000r/min，瑞士的IBAG公司在其电主轴部件上配备主轴轴向尺寸监测传感器，可与机床数控系统联结进行轴向尺寸补偿；永磁同步电动机的主轴已问世，其转子为永久磁铁，不发热，解决了电主轴结构的最大负效应内装式电动机散热不良的问题。此外还有瑞士的Fisher公司、德国的GMN公司、Hofer公司、西门子、意大利的Faemat和Gamfior公司等，这些公司生产的电主轴有以下特点：(l)功率大、转速高(2)采用高速、高刚度轴承。国外高速精度主轴上采用高速、高刚度轴承，主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。(3)精密加工与精密装配工艺水平高。(4)配套控制系统水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。1.3 国内外数控机床电主轴的未来的发展趋势 经过多年的技术提升，数控机床电主轴正朝着高转速，高精度，高效率及高可靠性方面发展，从目前的现状来看数控机床的发展趋势主要体现在如下的几个方面：1.3.1电机的研发主轴电机的未来发展趋势是永磁同步电机、开关磁阻电机和同步磁阴电机。其中永磁同步电机和开关磁阻电机是目前最主要的研发方向。永磁同步电机是一种新兴的主轴电机，其优点明显:转子温升低，在低限速度下，可以作恒转矩运行。转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性非常好好。对比现有的交流异步电动机，它有以下优点:：工作过程中转子不发热；功率密度更高，有利于缩小电主轴的径向尺寸；转子的转速严格与电源频率同步也可采用矢量控制。但是一般情况下，永磁同步电机的同步转速不会超过3000r/min，这就要求永磁同步电机具有较高的弱磁调速功能。在弱磁控制的区间内，电压通常会非常接近电压极限值，一旦超出电压极限就会造成转矩输出结果变差。人们在弱磁控制方面也提出过不少方法，如改变转子结构，加上特殊铁ILK构成磁阻，以加大Ld与Lq的比值等。但是实际效果并不十分理想，并且主轴电机功率要求较高，而且永磁同步电机某些部件使用稀土材料制造因而成本较高。另外一种数控机床电主轴也得到了关注，那就是开关磁阻电机机床主轴，其具有的优势如下：系统效率高，输出功率大。开关磁阴调速式主轴在宽广的调速范围内，整体效率比其它系统高出10%以上，在低转速下高效率更加明显。普通交流电机驱动的主轴空载时功率因数为0.2一0.4，满载时为0.86一0.8。而开关磁阴调速式主轴的功率因数空载时可达0.995，满载时可达0.98。因转子无绕组，热耗大部分在定子，易于冷却，开关磁阴调速电机及控制器系统的温升低于其它系统的温升。但是其缺点也是很明显，转矩脉动较大，电机和控制器的成本和复杂度高。1.3.2轴承的研发电主轴轴承未来的发展趋势是气浮轴承、静压轴承和磁悬浮轴承的研究。在磁悬浮轴承领域内，有以下几个研究方向：(1)超导磁悬浮轴承的研究。这种轴承的体积很小,却有很大的承载能力。这方面的研究进展在很大程度上依赖于超导材料的进展。高温超导陶瓷材料由于其固有的属性及具体加工技术的原因,实际应用十分有限,还需有很大的突破。(2)无传感器磁悬浮轴承的研究。最近几年,结合磁悬浮轴承和无传感器检测两大研究领域的最新研究成果,诞生了一个全新的研究方向无传感器的磁悬浮轴承，它不需要设计专门的位置传感器,而是通过测量电气回路内部信号来间接地获取转子的位置信息。(3)新材料的研究。新材料的研究成功无疑将使磁悬浮轴承突破离心力、磁饱和、磁滞等特性的限制。近年来得到迅速发展的稀土永磁材料也因为结构轻巧、能耗低而极具应用前途。可以预计,这些新材料的推广普及将会有效地减小磁轴承的体积和能耗,因而大大地提高了承载能力。 在静压轴承方面主要有以下几个研究方向：（1）油螺旋式液体静动压轴承。静动压混合轴承兼有静压及动压相承的特点，它在高速时以动压为主，在低速时以静压为主，不但改善了轴承的性能，也有效地降低供油系统的功率损耗。（2）新型液体动静压混合轴承。新型动静压轴承具有小腔结构提高了轴承刚性；外加小孔节流提高了支承的静压承载能力；不设置轴向回油槽，轴承流量小，且封油面上有显著的动压效应；同时，承载能力及油膜刚度的方向性小，油膜均化作用强，主轴运转精度也随之提高。（3）圆锥浮环动静压轴承。为了克服油润滑滑动轴承在高速、超高速时摩擦功耗急剧上升且容易失稳的弱点，提出滑动轴承圆锥浮环动静压轴承，该轴承兼具动压、静压、圆锥、浮环轴承之优点，它是在圆锥动静压轴承的基础上，在轴颈和轴瓦之间嵌入一层或多层锥型动静压浮环。浮环将润滑油膜分为两层：内油膜处于轴和浮环之间，外油膜处于浮环和轴瓦之间。两层油膜均为锥形油膜，均通过轴瓦外表面供油。通过理论和试验均表明：和一般的动静压轴承相比，轴承摩擦功耗小，并且随着轴承数的升高，偏心率的加大，摩擦功耗降低的幅度也大。(4)上瓦开周向槽椭圆轴承， 上瓦开周向槽椭圆轴承上瓦开周向槽椭圆轴承是一种改型椭圆轴承。由于稳定性好, 加工制造方便, 温升低, 功耗小而被广泛应用于一些高速旋转机械上。（5）上瓦带挡板椭圆轴承。随着转子系统向大型化高速化发展，转子相对比较细长，系统的稳定性变得突出。可倾瓦轴承稳定性好，但其结构复杂，径向尺寸大， 成本高，上瓦带挡板椭圆轴承是在椭圆轴承的上瓦内安装一径向挡板。经研究表明由于挡板的存在使轴承稳定性明显地提高、阻力系数稍有增大并且流量增大从而使轴承温升降低, 但是造成轴承的承载能力略有降低。（6）HSDB- l 动静压推力轴承。随着机床向高速、重载、高精度方向发展，越来越多的磨床采用动静压推力轴承。杨军等研究了一种应用于外圆磨床HSDB- l动静压推力轴承。结构特点是：轴承由8个浅腔组成，以浅腔为节流器，一般在倾侧下工作。通过对轴承的理论分析可知：轴承有泵功率小、功率比大、流量小、工作可靠和温升低等特点。1.4 本论文研究的目的和内容首先，电主轴在各个行业都具有相当大的用途，它决定了一个国家的制造业的水平，谁在电主轴上领先，谁在整个制造业就拥有话语权。其次，在设计的过程中可以全面了解数控机床电主轴的知识，并把在学校所学的知识都有一个很好的回顾。可以更加全面的理解大学所学的知识，对自己的能力也有一个相应的提升。设计内容包括：1.根据相应的材料完成主轴，轴承，冷却系统，壳体设计。2.绘制出数控机床的总结构图及相应的部分零件图。3.撰写论文。2 电机驱动形式、控制方式2.1电主轴的结构图 “高速电主轴”的概念是一套组件，包括：定子、转子、轴承、高速变频装置、润滑装置、冷却装置等组成。电主轴的结构图如图2-1所示：1定子；2转子；3弹簧；4主轴；5轴承端盖；6定位螺母；7螺栓M8；8套杯；9油封；10混合陶瓷球轴承；11轴承端盖；12螺栓M10图2-1电主轴结构示意图2.2 电主轴结构设计要求2.2.1 设计要求; 设计要求如表2-1所示：表2-1额定转速P（r/min）额定功率n（kw） 20000 42.3 引言： 电主轴运动控制是电主轴单元控制系统的核心部件，电主轴运动控制技术主要包含转速开环的恒压频比控制技术、转速闭环的恒压频比控制技术、矢量控制技术及直接转矩控制技术。而电主轴的驱动电源称为驱动器，驱动器的功能是控制电主轴的运行能力,使其获得较宽的调速范围。2.4 电机的控制形式：2.4.1 普通变频驱动和控制 普通变频器为标量驱动控制，其驱动控制特性为恒转矩驱动，即输出功率和转速成正比关系。标量驱动控制转矩、功率与转速的关系如图2-2和2-3所示。这类驱动器在低速时输出功率不够稳定，不能满足电主轴低速大扭矩的要求，也不具备主轴的定向停止和C轴功能，但价格便宜，一般用在高速端工作的电主轴。 图2-2标量控制电主轴转速与转矩的关系 图中：电机运转时间内，负载是连续的，即在每2min的周期内， 60的时间承受负载，另外40的时间为空载。 电动机在100运转时间内，负载是连续不变的。图2-3标量控制电主轴功率与转速的关系2.4.2 矢量控制驱动器的驱动和控制 矢量控制驱动特性表现为：在低速端为恒转矩驱动，在中高速端为恒功率驱动，其转矩和功率与转速的关系如图2-4和2-5所示：图2-4矢量控制电主轴转矩与转速的关系图2-5矢量控制电主轴功率与转速的关系 有的矢量控制驱动器在高速端或最高速端的功率和转矩均略有下降的特性，如图2-6和2-7所示： 图2-6矢量控制电主轴转矩与转速的关系 图2-7矢量控制电主轴功率与转速的关系2.5 电主轴控制形式和驱动形式的选择电主轴是用在机床上的，负载应该是断续的，应该按来选择功率和转速比较经济，电主轴的转矩计算公式为：1.91N （2-1）根据转速n，转矩T，功率P，可选择矢量控制驱动器的驱动和控制。3 主要零部件的设计3.1 轴承的选择3.1.1 引言主轴轴承技术是超高速主轴系统的一项关键技术，目前，国内外数控机床采用较多的轴承形式有：磁悬浮轴承、动静压轴承和陶瓷球轴承，其中使用最多的就是混合陶瓷球轴承。3.1.2 主轴最小截面的估算： 根据转速和功率，选择主轴的材料为：45钢 调质处理。45钢的参数为：A=10698,=3040MPa；所以取:A=100。最小截面直径：6.43mm。因此：d=10mm。3.1.3 轴承选择：图3-1混合陶瓷球轴承的参考图3.1.4 轴承参数的确定： 根据最小截面直径d=10mm,且根据转速n=20000r/min。同时，数控机床电主轴一般选用混合陶瓷球轴承，我国自行设计的陶瓷球轴承与国外存在一定的差距，因此选用GMN公司生产的SC61902C TA陶瓷球轴承。SC61902C TA的参数如表3-1所示：表3-1 SC61902C TA参数型号SC61902C TA精度P4组配方式正排列内径 d (mm)15外径 D (mm)28宽度 B（mm）7滚动体直径(mm)3.969滚动体数目 Z13接触角(度)15轴承重量 m (kg)0.015最高转速(r/min)79000基本额定动载荷（KN）3.57基本额定静载荷（KN）2.163.1.5 轴承的润滑方式：根据1.0,电主轴可采用油脂润滑，1.0，电主轴必须采用油气或者油雾润,SC61902C TA的=21.520000=4.3，1.0；所以采用脂润滑。3.1.6 轴承的排列方式：电主轴常用的轴承的配置型式如图3-2所示：图3-2电主轴的轴承配置型式 如图3-2所示，高速电主轴轴承的主要配置形势有四种。为了提高轴承的支撑刚度，同时为了满足外伸端的轴端振动量要求，因此选用c）所示的配置形式。3.1.7 轴承预载荷的确定： 角接触球轴承一般必须在轴向有预加载荷条件下才能正常工作。预加载荷不仅可消除轴承的轴向游隙，还可以提高轴承刚度、主轴的旋转精度，抑制振动和钢球自转时的打滑现象等。一般说来，预加载荷越大，提高刚度和旋转精度的效果就越好；但是另一方面，预加载荷越大，温升就越高，可能造成烧伤，从而降低使用寿命，甚至不能正常工作。因此每个轴承的生产厂家，针对不同转速和负载的电主轴选用不同的预紧力。根据资料可知,SC61902C TA的预紧力为： (3-1)在已知轴向预紧力的前提下，可知角接触球轴承径向刚度可近似地按：=23.04068 (3-2)可知=，因此：SC61902C TA的径向刚度：=23.04068（N/mm） (3-3)3.2 电主轴主轴的设计3.2.1 引言 转轴是高速电主轴的主要回转体，其设计直接影响电主轴的工作寿命，精度及各项参数。3.2.2 主轴的外伸端及跨距的计算：主轴选用45钢，材料的弹性模量2.1，主轴材料的许用应力为600MPa。 主轴最佳跨的计算：满足主轴前端最小静挠度条件时的L是最佳跨距，当时；主轴组件的刚度损失不超过5%7%，在工程学上认为是合理的刚度损失。因此在此范围内的跨距被称为合理跨距，在结构设计时，应首先满足合理跨距。如图3-3所示，主轴前端在一定的外载荷P的作用下，主轴本身及其支轴承发生变形。其造成的结果就是，主轴外伸端的截面在径向方向发生位移，且其总位移由两部分组成：Y= (3-4)假设轴承为刚性支承，主轴为弹性体时，主轴在前端受到外载荷P作用后的位移。假设主轴是刚体，支承为弹性体时，主轴在前端受到外载荷P作用后的位移。图3-3主轴受力示意图根据材料力学外伸梁的挠度公式可知：= （3-5）设：外伸端处的轴承为B；右边的轴承为A；轴承B到交点处距离为X，为A端轴承受力时径向发生的位移。根据公式：=0 （3-6） 0 （3-7）根据几何公式： X= （3-8） （3-9）所以： =+ （3-10）根据：最小挠度的要求，对对上式进行求导： （3-11）根据主轴的材料可知：将E=210GPa，I=，K=Y0.006mm,P=100N代入上式可得： （3-12） 105mm根据：可知：78.75mmL157.5mm。所以L取150mm,因此：a=40mm。3.2.3 主轴的径向尺寸： 主轴的径向尺寸如图3-4所示： 图3-4主轴示意图 根据设计要求可知： AB段为25mm；BC为15mm；CD段为5.5mm；DE段为13mm；EF段为16mm；FG段为5mm；GH段为77mm；HI段为15mm；IJ段为13mm；JK段为5.5mm。3.2.4 主轴的校核： 主轴的受力图如下图3-5所示：图3-5主轴的受力图由静力平衡条件求得两端轴承的支反力，A、B端受力如下：=0 （3-13） 0 （3-14）A、B端受力大小如下： =-26.7N；=126.7N；作出内力图，确定危险截面：轴的扭矩图和弯矩图如图3-6和3-7所示：图3-6主轴的扭矩图图3-7主轴的弯矩矩图 根据弯矩图与扭矩图可知，主轴在截面B处所获得的弯矩和扭矩最大，因此主轴截面B是主轴的危险截面，根据第四强度理论及公式对轴进行校核： 将、代入下式：=13MPa （3-15） 由于=600MPa；因此主轴轴向尺寸满足设计要求。4 辅助系统的设计3.3 转子和定子的设计3.3.1 引言 高速电主轴的定子由具有高导磁率的优质矽钢片迭压而成。迭压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。转子是中频电机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场能转换成机械能，是电主轴结构里最为重要的环节，它决定电主轴是否可以达到额定转速。3.3.2 动态过盈和静态过盈计算此次设计的电主轴电机转子的基本尺寸为：转子的外径2b=44mm,转子内孔直径2a=24mm；转子的轴向长度为77mm，转子配合面的有效接触长度C77mm。主轴配合面的基本尺寸为：外径2a24mm，内孔直径为2c0mm；电机的最高转转速为20000rmin，所以其最大角速度2093.3rads。额定功率为4kw，额定转矩1.91Nm。Ce=0.54 （3-16） Ci=0 （3-17） 电机转子和主轴均为钢质材料，材料的弹性模量2.1，泊凇比0.3，主轴配合面间的摩擦系数0.09，电机转子衬套材料的许用应力为 287N/，主轴材料的许用应力为567N/。 要满足电主轴的高速性能，电机转子与主轴配合面间的动态过盈分量的最小值可由下式求得：=mm （3-18） 由于电动机功率是通过电动机转子与机床主轴间的无键过盈配合进行传递的，所以配合面的动力传递能力由配合面间的摩擦力矩确定：= （3-19） 式中：主轴的传动转矩，单位为：N。 机床主轴与电动机转子单位配合面的摩擦力dF为: （3-20） 式中：配合面的有效接触长度，单位为：m； 单位圆心角，单位为：rad； 配合表面的摩擦系数； 安全因子，一般24。 代入：=G=6.45N；=2可得：=2.02N 要满足电主轴的扭矩传递能力，电机转子与主轴配合面之间的静态过盈分量的最小值可由下式求得： =mm （3-21） 根据计算可知，高速电主轴要求的动态过盈量 dmin 是远远大于，由此可见，高速主轴的过盈量主要由动态过盈量确定。高速电主轴的最小过盈量 min：min=+=mm （3-22）3.3.3 转子与定子配合的选择据此，在电主轴与电机转子的配合采用24H4m4的过盈配合，这种配合的实际最小过盈0.002mm0.00152mm，能满足电主轴的高速传动要求。3.3.4 定子与转子配合公差的校核其实际的最大过盈量为0.014mm，配合面实际产生的最大正压力为： （3-23） 电机转子内孔配合面上具有最大的切向拉应力和最大的径向压应力其值为： （3-24） （3-25） 由此可见，电主轴的危险点在电机转子的内侧，根据第三强度理论：-95.3-67.56=-162.86 （3-26） 电机转子衬套材料的许用应力为287，r3，使用安全。3.4 轴承寿命的估算3.4.1 引言 轴承技术作为电主轴的关键技术，为了满足高转速和高刚度轴承的需求，轴承的大小和排列方式决定电主轴的最高转速，在高转速的情况下，轴承的工作寿命能否达到设计要求，就显得尤为关键。3.4.2 轴承寿命的分析： 电主轴的设计寿命一般为500010000h,这就要求轴承具有较长的寿命，而且在高转速时温度，径向载荷与轴向载荷的分布会影响轴承的寿命。3.4.3 轴承寿命计算公式 根据资料可知：20000r/min属于高速轴承，且其在不同情况下寿命估计如表3-2所示:表3-2两种轴承在不同情况下的寿命估计式条件混合陶瓷球轴承寿命的钢球轴承寿命低速=0.328=高 速=0.328=0.25根据轴承的选择可知，主轴的前后支撑都选择的是:SC61902C TA混合陶瓷球轴承，由于混合陶瓷球轴承与普通的钢制轴承相比，只是在滚道曲率半径有差别，其他尺寸方面是没有的因此：3.4.4 角接触球轴承滚珠的偏心率的计算 角接触球轴承滚珠的偏心率的计算式如下： （3-27）式中： 椭圆偏心率， s钢球轴承的相关参数， c混合陶瓷球轴承的相关参数。3.4.5 密合度的计算： 密合度的计算式如下： （3-28）式中：密合度； 沟曲率半径系数，=；r滚道曲率半径，单位为mm； 球的直径，单位为mm； 可得： 由于；，可得：轴承的寿命的计算公式为：=0.328 (3-29) 式中： 陶瓷球的离心力作用在陶瓷球上。3.4.6 陶瓷球的离心力的计算： 陶瓷球的离心力的计算式如下： (3-30)式中： 材料的密度，单位kg/； 球的直径，单位为m； 陶瓷球公转角速度，单位rad/s； 轴承中径，单位为m； 混合陶瓷球轴承材料为：氧化硅（HIPSN）陶瓷球轴承密度为：=3.24g/；=2093.3rad/s；=21.5mm；=3.969mm；带入可得：=2.4N3.4.7 的计算： 根据估算公式可知，需要数据：= (3-31)式中： 轴承指数，对球轴承=3； 基本额定动载荷； 当量动载荷； 当量动载荷与实际载荷的关系为：=XR+YA (3-32)式中： R轴承所受径向载荷； A轴承所受轴向载荷； X径向载荷系数； Y轴向载荷系数； 3.4.8 R的计算如下所示： 根据上面计算可知：在AB段有一个空心的转子，由于转子是由优质矽钢片迭压而成，属于45钢，因此转子的重力为：G= (3-33) 将=7.85g/；=82205.2代入：G=6.45N由于G=6.45N与P=100N相比，要小的很多，G可以忽略。所以主轴的受力图如图3-8所示: A B C 图3-8主轴的受力分析图 根据上面计算可知：将=150mm；=40mm；P=100N代入可得： =0 ； (3-34) 0 ； (3-35)由上式可知：，且轴承采用的是双排列，在B处由两个轴承；因此：轴承所承受的径向载荷为：R=63.3N； (3-36) 轴承所承受的径向载荷为：A=20N；根据：=0.0093，查表可知：=0.38；=0.31，因此：，查表可知：X=1；Y=0；代入公式3-32可得：=XR+YA=63.3N； =1.79； （3-38）3.4.9 轴承的计算 轴与套圈间的作用力Q包括外载荷和离心力。Q=+65.7N （3-39） 代入3-29可得： =0.328=5.3r 轴承的设计寿命为：=60n5000=6r 因此：，满足设计要求。4 辅助系统的设计4.1 冷却系统的设计4.1.1 引言：电主轴虽比传统主轴刚度、精度较高，受力后的弹性变形很小，但是电机的内置结构使得散热较差，尤其是在高速数控机床中运动副摩擦和电机热表现的更为突出。机床是在非恒定的内、外热源的共同作用下工作的，机床主轴系统因各部分零件的材料、结构、形状及冷却、润滑等情况不同会使系统的温升情况不同，形成一个复杂的温度场，若发热不能及时排除或减少，会使各个零件产生不同程度的变形，进而对加工表面质量、加工精度产生影响。因此，在电主轴机床上影响加工误差的主要是热变形而不是弹性变形，研究表明热变形引起的加工误差已达到零件总加工误差的6080，尤其是机床在高速运转下更为严重。4.1.2 电主轴发热分析：电主轴发热主要有以下几种形式：机械损耗：主要是由于转子高速旋转时与空气之间的摩擦损耗。电损耗：电流流经转子和定子所发出的热量。磁损耗：定子，转子铁心内因磁滞和涡流所造成的主要损耗。陶瓷球轴承的损耗：在主轴的高速运转下，滚珠与轴承内外圈间会产生复杂的摩擦，而产生较强的摩擦热。4.1.3 机械损失: (4-1)式中: 机械损耗功率，单为：W 摩擦系数（通常根据经验确定）； 转子的外半径，单位为：m； 转子的长度，单位为：m； 角速度,单位为：rad/s； 空气密度，单位为：kg/。根据资料可知：=0.04；=1.29kg/；=456.7W4.1.4 电损耗： 由于转子和定子的绕组采用铜线，因此电损耗的计算公式如下：= (4-2)式中：电损耗功率，单位为：W； 电流，单位为：A； 导体的电阻，单位为：； 导体的电阻率； 导体的长度，单位为：m； 导体的截面积，单位为：。根据资料可知：功率小于5KW的电机的绕线采用单层排列。因此，可假设定子的内表面和转子的外表面均等排列着铜线，因此导体的长度L,计算长度如下：转子上导线的长度的计算如下：=11165mm；式中： 转子外径的周长，单位为：mm； 铜线的直径，单位为：mm； 转子轴向长度，单位为：mm；定子上导线长度的长度计算如下：=13530mm；式中： 定子内径的周长，单位为：mm； 铜线的直径，单位为：mm； 转子轴向长度，单位为：mm； 因此：L=+=24695mm。根据资料可知：=0.0172；=288.4KW4.1.5 磁损耗： 磁损耗包括：循环磁化时单位质量的磁损耗；转子铁心的磁损耗；涡流损耗。循环磁化时单位质量的磁损耗：= (4-3)式中：磁滞损耗功率，单位为：W； 与电工钢牌号有关的常数； 磁化频率，单位为； 磁感应强度的最大值，单位为：T。根据资料可知：由于使用的是硅钢片，因此当：=1.01.6T时，a=2。将：=1333.3Hz；C=2.2及=1.6T代入可得： =4.6KW转子铁心的磁损耗由转差率来确定，它的值很小，可以忽略不计。涡流损耗： (4-4)式中： 涡流损耗功率，单位为：W； 硅钢片厚度，单位为：mm； 铁心的密度，单位为：kg/； 铁心的电阻率，单位为：。根据资料可知：t=0.5mm；=4.85g/；=9.78可得：3.9KW4.1.6 陶瓷球轴承的发热计算： 滑动轴承的摩擦损耗和所用润滑油的粘度及品质、轴颈的圆周速度、工作表面的加工质量以及轴颈直径和长度之比等因素有关。滚动轴承的摩擦损耗可以用的数值公式为: (4-5)式中： 滚动轴承的摩擦损耗,单位为：W； F轴承的载荷，单位为：N； d滚子中心所处的直径，单位为：m； 滚珠中心的圆周速度，单位为：m/s；根据计算可知：F=66.4N；d=21.3mm；=45m/s；0.069W因此：总的发热功率为P:P=+ (4-6) =297.4KW4.2 冷却液流量的及冷却