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JX15-14 【JX15-14】100MD60Y4磨削用电主轴的设计CAD+论文

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摘 要高速加工能显著提高生产率和降低生产成本，是一种很有前途的先进制造技术。实现高速加工的前提是高质量的高速机床，高速电主轴是数控技术的关键部件和加工中心。电主轴系统，静态和动态刚度是影响其性能的主要问题。本文介绍了电主轴的工作原理及关键技术。然后，确定了合理的电主轴总体结构，分别对电主轴的电机、编码器、转子、定子和冷却系统等各零部件作了设计，产生了装配图、零件图与设计说明书等设计文档。最后，对电主轴的旋转轴和轴承进行了详细的分析和校核，计算表明，该电主轴设计符合要求。 关键词：加工中心；电主轴；主轴；轴承AbstractHigh-speed machining can significantly improve productivity and reduce production costs, is a very promising advanced manufacturing technology. The first condition to achieve high-speed processing of high quality high-speed machine tools, and high-speed electric spindle speed CNC machining center technology and key components. Electric spindle system static and dynamic stiffness is one of the main challenges affecting performance. This article describes the working principle of the spindle and key technologies. Then, determine a reasonable overall structure of the spindle, respectively, spindle motor, encoder, rotor, stator and cooling systems and other components were designed, produced assembly drawings, part drawings and design specifications and other design documents. Finally, the rotation of the spindle shaft and bearings for a detailed analysis and verification, calculations show that the design meets the requirements of the spindle. Key Words: Machining center；electrical spindle；spindle；bearing目 录摘 要IIIAbstractIV目 录V第1章 绪论11.1选题的目的和意义11.2国内外的研究现状和发展趋势21.2.1国内外电主轴技术的研究现状与发展趋势21.2.2数控车床电主轴的国内外的发展趋势31.3本课题主要研究内容4第2章 加工中心电主轴的介绍52.1电主轴的工作原理52.2加工中心电主轴的特征5第3章 100MD60Y4电主轴结构设计73.1电主轴结构图73.2主轴轴承系统设计83.2.1 主轴轴承的选择83.2.2 主轴电机的选择103.2.3 主轴轴承的预紧与刚度103.2.4 电机转子的过盈量设计123.3主轴润滑与冷却系统的设计133.3.1 主轴的润滑133.3.2 主轴的冷却143.3.3 冷却系统的路线153.3.4 主轴的密封153.4其他关键部分设计163.4.1 主轴的动平衡163.4.2 主轴刀柄接口形式16第4章 轴的校核184.1轴的强度校核计算184.2轴的刚度校核计算21第5章 轴承的校核235.1角接触球轴承的校核235.2深沟球轴承的校核25结论27参考文献28致 谢30第1章 绪论第1章 绪论1.1选题的目的和意义随着科学技术的不断发展，数控机床的发展越来越快，数控机床是一种高性能，高精度，高速度，高柔性化和模块化方向发展，为现代机床，高速切削具有以下优点相比传统的切割：（1）随着切削速度的提高，进给速度也相应增加，使每齿切削厚度保持不变，在单位时间内的材料去除率可以大大提高，并大大提高加工生产率：（2）在切削速度增加到一定值时，切削力可减少30%以上，特别是径向切削力大幅度降低，特别有利于提高薄壁件等刚性差的零件的加工精度；（3）在高速切削条件下，切削热95%以上仍然没有足够的时间传递给工件，是芯片很快，工件基本保持冷，所以它特别适合于加工零件的热变形；（4）高速切削时，机床的振动频率特别高，它远离机床的关键部件的基本阶固有振动频率范围内，使机器工作平稳，振动小，可以解决非常精确和平滑的部分；（5）高速切削表面质量的使用可以获得很高的零件的加工，可以实现磨水平；（6）高速切削高硬度材料加工常规切削无法加工（到62Hrc左右），可钻小孔直径1mm以下（7）可进行干式切削无液。的一个主要条件和高速加工的关键技术的实现是优良的，高速数控机床的研究与开发性能，高速加工的主要特点是使用5 高10倍，比传统的切削速度切削，因此要求高的主轴转速，扭矩和功率输出，并保持良好的动态特性和热特性的操作。高速电主轴也被称为电主轴单元，如齿轮，皮带等中间传动环节，取消。该机床实现“零传动”，它具有结构紧凑，转动惯量小，转速高的优点，具有良好的动态特性等，已被广泛应用于高速机床。作为数控机床的核心部分，高速电主轴动态性能将直接影响加工精度和可靠性。机械电主轴结构虽然比较简单，但制造工艺要求非常严格。相应的结构带来了一系列新的技术问题，如内置电机散热，高速主轴动平衡，主轴轴承润滑方式和合理的设计问题。这些问题必须妥善解决，以确保主轴高速运转稳定可靠，实现高效精密加工。而电主轴系统，静态和动态刚度是影响性能的主要问题，因此详细的静态，和设计优化的动态分析，为进一步提高高速机床的性能具有很重要的意义。1.2国内外的研究现状和发展趋势1.2.1国内外电主轴技术的研究现状与发展趋势最早的国外电主轴内圆磨床，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，将加工中心电主轴技术的逐步应用，数控铣床等高档数控机床，近年来机床技术已成为一个主要的成果。随着高速切削技术的发展，机床技术的实际应用，对机床电主轴的性能也提出了更高的要求，目前国外从事高速数控机床主轴电机R&；D、生产企业主要有以下几种：德国GMN，西门子，瑞士IBAG，该，煎蛋，faemat gamfior，美国意大利，日本大隈，尤其在GMN，Ibag，注油器，该技术水平代表，gammfier和几个在这一领域的世界先进水平。本公司生产的电主轴比国内产品具有以下特点：（1）高功率，高速度；（2）高速度，高的轴承刚度；国外高速精密主轴采用高转速，轴承刚度高，主要陶瓷轴承和液体动静压轴承，使用空气轴承和磁轴承的特殊场合。（3）精密加工和装配过程中的高水平；（4）高水平控制系统配套。在此基础上，这些外国厂家如美国，日本，德国，意大利和瑞士等工业发达国家生产的各种高速机床的商品化。如瑞士米克RO公司，是世界著名的精密机床制造商。它是机床配备了60000rmin的高速电主轴的生产，可以满足不同的切割要求。国内电主轴与国外产品相比，无论是品种和质量性能，国内电主轴有很大差距，比较产品外，主要有以下差距：（1）在低转速和高扭矩主轴，国外产品的输出转矩和低速段可以达到300N m，有的甚至高达600 N m（如氰特公司在德国），和目前国内很多在100N - M.（2）在高速度，对加工中心主轴转速国已达75000rmin（意大利camfior），但我国远低于20000rmin，电主轴的其他用途，国外已达到250000rmin（英国西风公司1733），和最高速度，中国电主轴150000r /分钟。（3）在电主轴的润滑，先进的油气润滑技术已广泛应用在国外高速主轴轴承，但我国仍采用脂润滑和油雾润滑的基础。（4）和电主轴性能的功能，在多功能数控机床的发展，国外，高性能主轴产品，但我国仍以传统产品为主要发展方向。（5）对电主轴的支撑技术，国外的动态，静态压力液（气）浮轴承电主轴磁悬浮轴承电主轴（IBAG）建立产品，在中国仍然是在科学研究或小批量试。（6）其他相关电主轴的支撑技术，如主轴电机设置在闭环矢量控制技术，伺服技术，停止角度的精确定位（准停）技术，C轴驱动技术，快速启动和停止技术，HSK刀柄主轴的制造和应用技术，智能控制技术，国内还不够成熟，无法满足实际应用的需要。（7）在制造业的规模数量和产品品种，国内，虽然已在研究和电主轴制造企业，但仍与磨床电主轴为基础，数控机床高速电主轴，仍然是少量的研究和发展阶段，目前已没有形成系列化，专业化和生产规模，但也无法与国外先进水平相比，远远不能满足日益增长的国内市场需求，也没有能力与外国产品竞争阶段。此外，外国R&；D在伟大的远见和创新能力的关键部分，国际电主轴系统，如编码器工具接口，国际标准和电机工作制度的产品都是他们研制生产的相关企业，这是他们最有优势的地方。1.2.2数控车床电主轴的国内外的发展趋势电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：（1）继续以高速度发展，高刚度和方向；由于高速切削和实际应用的需要，随着主轴轴承及其润滑技术的发展，很多技术，数控机床高速电主轴已成为大势所趋，目前的发展，随着电主轴的刚度越来越大，满足高速发展的需要，效率和精度的数控加工。（2）向高速、大功率的发展，低转速、高转矩的方向。根据实际使用，大部分CNC机床能满足重切削的需要，低速粗加工的高速切削加工精度的要求，因此，对机床电主轴的性能应具有低转速和高扭矩，高转速和高功率。（3）进一步向高精度，高可靠性和延长使用寿命的方向发展。提出了越来越高的精度要求，对数控机床的使用用户的可靠性，电主轴数控机床的核心功能部件之一，其精度和可靠性要求越来越高。同时，由于润滑方法精密主轴轴承，特别先进的特殊的应用模式和预负荷，延长电主轴的寿命，和使用的可靠性越来越高。（4）电主轴内置电机的性能和多样化的形式。（5）快速启动，停止发展方向。（6）轴承预加载方式，润滑方式多样化。除了传统的钢轴承，近年来混合陶瓷球轴承的应用越来越广泛，润滑脂，油雾，油气，特别是油气润滑方法（也称为油气），因为它的高速度，适应环保节能的特点，得到越来越广泛的推广和应用滚动轴承的预负荷；应用模式除了刚性预负荷（又称为定位预紧），弹性预负荷（又称定压预紧力），并开发了一个智能预加载，即液压缸施加预载荷对轴承的使用，并能根据对主轴转速的大小，负载和其他具体条件控制预载荷，使轴承的承载性能更为优良的。（7）工具界面逐渐HSK，Capto柄技术。（8）向多功能、智能化的方向发展。在多功能，有角停止精确定位（准停），一个C轴传动，中空吹塑模具的更换，空心轴端冷却液体，气体密封，低速扭矩放大，轴向定位精度的补偿，换刀自动平衡技术等。在情报方面，主要是在各种安全保护和故障监测与诊断措施，如刀的联锁保护，轴承温度监测，电机过载和过热保护，松刀卸轴承保护，主轴振动信号监测和故障诊断，对砂轮修整过程中的轴向位置自动补偿的异常改变，信号监测和自动控制刀具的磨损和损坏，信号监测。1.3本课题主要研究内容（1）100MD60Y4磨削用电主轴总体方案设计；（2）根据产品特点，进行工艺分析、结构分析、结构计算和校核；（3）绘制装配图及其他零件图；（4）撰写设计计算说明书1份，撰写其他相关设计技术文档。5附 录第2章 加工中心电主轴的介绍需要完整图纸及论文，请联系QQ545675353，另接定做毕业设计分 类 号 密 级 宁宁波大红鹰学院毕业设计(论文)毕业设计（论文）题目（二号黑体，居中）所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业设计（论文）XXXXXXXX均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日摘 要高速加工能显著提高生产率和降低生产成本，是一种很有前途的先进制造技术。实现高速加工的前提是高质量的高速机床，高速电主轴是数控技术的关键部件和加工中心。电主轴系统，静态和动态刚度是影响其性能的主要问题。本文介绍了电主轴的工作原理及关键技术。然后，确定了合理的电主轴总体结构，分别对电主轴的电机、编码器、转子、定子和冷却系统等各零部件作了设计，产生了装配图、零件图与设计说明书等设计文档。最后，对电主轴的旋转轴和轴承进行了详细的分析和校核，计算表明，该电主轴设计符合要求。 关键词：加工中心；电主轴；主轴；轴承AbstractHigh-speed machining can significantly improve productivity and reduce production costs, is a very promising advanced manufacturing technology. The first condition to achieve high-speed processing of high quality high-speed machine tools, and high-speed electric spindle speed CNC machining center technology and key components. Electric spindle system static and dynamic stiffness is one of the main challenges affecting performance. This article describes the working principle of the spindle and key technologies. Then, determine a reasonable overall structure of the spindle, respectively, spindle motor, encoder, rotor, stator and cooling systems and other components were designed, produced assembly drawings, part drawings and design specifications and other design documents. Finally, the rotation of the spindle shaft and bearings for a detailed analysis and verification, calculations show that the design meets the requirements of the spindle. Key Words: Machining center；electrical spindle；spindle；bearing目 录摘 要IIIAbstractIV目 录V第1章 绪论11.1选题的目的和意义11.2国内外的研究现状和发展趋势21.2.1国内外电主轴技术的研究现状与发展趋势21.2.2数控车床电主轴的国内外的发展趋势31.3本课题主要研究内容4第2章 加工中心电主轴的介绍52.1电主轴的工作原理52.2加工中心电主轴的特征5第3章 100MD60Y4电主轴结构设计73.1电主轴结构图73.2主轴轴承系统设计83.2.1 主轴轴承的选择83.2.2 主轴电机的选择103.2.3 主轴轴承的预紧与刚度103.2.4 电机转子的过盈量设计123.3主轴润滑与冷却系统的设计133.3.1 主轴的润滑133.3.2 主轴的冷却143.3.3 冷却系统的路线153.3.4 主轴的密封153.4其他关键部分设计163.4.1 主轴的动平衡163.4.2 主轴刀柄接口形式16第4章 轴的校核184.1轴的强度校核计算184.2轴的刚度校核计算21第5章 轴承的校核235.1角接触球轴承的校核235.2深沟球轴承的校核25结论27参考文献28致 谢30第1章 绪论第1章 绪论1.1选题的目的和意义随着科学技术的不断发展，数控机床的发展越来越快，数控机床是一种高性能，高精度，高速度，高柔性化和模块化方向发展，为现代机床，高速切削具有以下优点相比传统的切割：（1）随着切削速度的提高，进给速度也相应增加，使每齿切削厚度保持不变，在单位时间内的材料去除率可以大大提高，并大大提高加工生产率：（2）在切削速度增加到一定值时，切削力可减少30%以上，特别是径向切削力大幅度降低，特别有利于提高薄壁件等刚性差的零件的加工精度；（3）在高速切削条件下，切削热95%以上仍然没有足够的时间传递给工件，是芯片很快，工件基本保持冷，所以它特别适合于加工零件的热变形；（4）高速切削时，机床的振动频率特别高，它远离机床的关键部件的基本阶固有振动频率范围内，使机器工作平稳，振动小，可以解决非常精确和平滑的部分；（5）高速切削表面质量的使用可以获得很高的零件的加工，可以实现磨水平；（6）高速切削高硬度材料加工常规切削无法加工（到62Hrc左右），可钻小孔直径1mm以下（7）可进行干式切削无液。的一个主要条件和高速加工的关键技术的实现是优良的，高速数控机床的研究与开发性能，高速加工的主要特点是使用5 高10倍，比传统的切削速度切削，因此要求高的主轴转速，扭矩和功率输出，并保持良好的动态特性和热特性的操作。高速电主轴也被称为电主轴单元，如齿轮，皮带等中间传动环节，取消。该机床实现“零传动”，它具有结构紧凑，转动惯量小，转速高的优点，具有良好的动态特性等，已被广泛应用于高速机床。作为数控机床的核心部分，高速电主轴动态性能将直接影响加工精度和可靠性。机械电主轴结构虽然比较简单，但制造工艺要求非常严格。相应的结构带来了一系列新的技术问题，如内置电机散热，高速主轴动平衡，主轴轴承润滑方式和合理的设计问题。这些问题必须妥善解决，以确保主轴高速运转稳定可靠，实现高效精密加工。而电主轴系统，静态和动态刚度是影响性能的主要问题，因此详细的静态，和设计优化的动态分析，为进一步提高高速机床的性能具有很重要的意义。1.2国内外的研究现状和发展趋势1.2.1国内外电主轴技术的研究现状与发展趋势最早的国外电主轴内圆磨床，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，将加工中心电主轴技术的逐步应用，数控铣床等高档数控机床，近年来机床技术已成为一个主要的成果。随着高速切削技术的发展，机床技术的实际应用，对机床电主轴的性能也提出了更高的要求，目前国外从事高速数控机床主轴电机R&；D、生产企业主要有以下几种：德国GMN，西门子，瑞士IBAG，该，煎蛋，faemat gamfior，美国意大利，日本大隈，尤其在GMN，Ibag，注油器，该技术水平代表，gammfier和几个在这一领域的世界先进水平。本公司生产的电主轴比国内产品具有以下特点：（1）高功率，高速度；（2）高速度，高的轴承刚度；国外高速精密主轴采用高转速，轴承刚度高，主要陶瓷轴承和液体动静压轴承，使用空气轴承和磁轴承的特殊场合。（3）精密加工和装配过程中的高水平；（4）高水平控制系统配套。在此基础上，这些外国厂家如美国，日本，德国，意大利和瑞士等工业发达国家生产的各种高速机床的商品化。如瑞士米克RO公司，是世界著名的精密机床制造商。它是机床配备了60000rmin的高速电主轴的生产，可以满足不同的切割要求。国内电主轴与国外产品相比，无论是品种和质量性能，国内电主轴有很大差距，比较产品外，主要有以下差距：（1）在低转速和高扭矩主轴，国外产品的输出转矩和低速段可以达到300N m，有的甚至高达600 N m（如氰特公司在德国），和目前国内很多在100N - M.（2）在高速度，对加工中心主轴转速国已达75000rmin（意大利camfior），但我国远低于20000rmin，电主轴的其他用途，国外已达到250000rmin（英国西风公司1733），和最高速度，中国电主轴150000r /分钟。（3）在电主轴的润滑，先进的油气润滑技术已广泛应用在国外高速主轴轴承，但我国仍采用脂润滑和油雾润滑的基础。（4）和电主轴性能的功能，在多功能数控机床的发展，国外，高性能主轴产品，但我国仍以传统产品为主要发展方向。（5）对电主轴的支撑技术，国外的动态，静态压力液（气）浮轴承电主轴磁悬浮轴承电主轴（IBAG）建立产品，在中国仍然是在科学研究或小批量试。（6）其他相关电主轴的支撑技术，如主轴电机设置在闭环矢量控制技术，伺服技术，停止角度的精确定位（准停）技术，C轴驱动技术，快速启动和停止技术，HSK刀柄主轴的制造和应用技术，智能控制技术，国内还不够成熟，无法满足实际应用的需要。（7）在制造业的规模数量和产品品种，国内，虽然已在研究和电主轴制造企业，但仍与磨床电主轴为基础，数控机床高速电主轴，仍然是少量的研究和发展阶段，目前已没有形成系列化，专业化和生产规模，但也无法与国外先进水平相比，远远不能满足日益增长的国内市场需求，也没有能力与外国产品竞争阶段。此外，外国R&；D在伟大的远见和创新能力的关键部分，国际电主轴系统，如编码器工具接口，国际标准和电机工作制度的产品都是他们研制生产的相关企业，这是他们最有优势的地方。1.2.2数控车床电主轴的国内外的发展趋势电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：（1）继续以高速度发展，高刚度和方向；由于高速切削和实际应用的需要，随着主轴轴承及其润滑技术的发展，很多技术，数控机床高速电主轴已成为大势所趋，目前的发展，随着电主轴的刚度越来越大，满足高速发展的需要，效率和精度的数控加工。（2）向高速、大功率的发展，低转速、高转矩的方向。根据实际使用，大部分CNC机床能满足重切削的需要，低速粗加工的高速切削加工精度的要求，因此，对机床电主轴的性能应具有低转速和高扭矩，高转速和高功率。（3）进一步向高精度，高可靠性和延长使用寿命的方向发展。提出了越来越高的精度要求，对数控机床的使用用户的可靠性，电主轴数控机床的核心功能部件之一，其精度和可靠性要求越来越高。同时，由于润滑方法精密主轴轴承，特别先进的特殊的应用模式和预负荷，延长电主轴的寿命，和使用的可靠性越来越高。（4）电主轴内置电机的性能和多样化的形式。（5）快速启动，停止发展方向。（6）轴承预加载方式，润滑方式多样化。除了传统的钢轴承，近年来混合陶瓷球轴承的应用越来越广泛，润滑脂，油雾，油气，特别是油气润滑方法（也称为油气），因为它的高速度，适应环保节能的特点，得到越来越广泛的推广和应用滚动轴承的预负荷；应用模式除了刚性预负荷（又称为定位预紧），弹性预负荷（又称定压预紧力），并开发了一个智能预加载，即液压缸施加预载荷对轴承的使用，并能根据对主轴转速的大小，负载和其他具体条件控制预载荷，使轴承的承载性能更为优良的。（7）工具界面逐渐HSK，Capto柄技术。（8）向多功能、智能化的方向发展。在多功能，有角停止精确定位（准停），一个C轴传动，中空吹塑模具的更换，空心轴端冷却液体，气体密封，低速扭矩放大，轴向定位精度的补偿，换刀自动平衡技术等。在情报方面，主要是在各种安全保护和故障监测与诊断措施，如刀的联锁保护，轴承温度监测，电机过载和过热保护，松刀卸轴承保护，主轴振动信号监测和故障诊断，对砂轮修整过程中的轴向位置自动补偿的异常改变，信号监测和自动控制刀具的磨损和损坏，信号监测。1.3本课题主要研究内容（1）100MD60Y4磨削用电主轴总体方案设计；（2）根据产品特点，进行工艺分析、结构分析、结构计算和校核；（3）绘制装配图及其他零件图；（4）撰写设计计算说明书1份，撰写其他相关设计技术文档。29第2章 加工中心电主轴的介绍第2章 加工中心电主轴的介绍2.1电主轴的工作原理电主轴作为加工中心的核心部件，它将机床主轴与交流伺服电机轴合二为一，即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，并经过精确的动平衡校正，具有良好的回转精度和稳定性，形成一个完美的高速主轴单元，也被称为内装式电主轴，其间不再使用皮带齿轮传动副，从而实现机床主轴系统的“零传动”，通电后转子直接带动主轴运转。2.2加工中心电主轴的特征（1）高回转精度主轴车削中心装夹工件的参考，和运动的工件传送，因此主轴的回转精度直接影响加工精度。为了保证电主轴的旋转精度在高速行驶时，关键部分必须精加工和超精加工，轴承的尺寸和精度等级选择合适的装配方案，合理利用；高港都（2）反映了主轴刚度主轴单元电阻负载能力。特别是，车削加工，切削量较大，主轴承受径向力大。为了保证加工精度，避免振动，具有高刚度电主轴的要求，特别是径向刚度；（3）耐振性强机床工作时，主轴部件不仅受到静态力的影响，而且还受到其他的冲击力和动态干扰力和振动。振动对主轴动态性能的重要指标，振动会产生噪声，并直接影响工件的表面加工质量，振动会产生严重的崩刀现象。因此，抗振性强的电主轴；（4）具有优良特性的电机车削中心要求加工范围广，这就要求电主轴不仅要在低速加工性能优良，而且具有高速加工性能好。采用恒转矩速度在起动和低速段，保证低速输出力矩大，低速和高饲料满足切割要求；高速段采用恒功率调速，可满足高速切削量的要求。有些电主轴低速要求，应采用高性能的矢量控制变频器；（5）热稳定特性由于电主轴内部高速电机安装在机床主轴，高速运行，电机的转子，定子和大量轴承加热，使热变形，直接影响工作性能和机床的加工精度，因此要求电主轴的稳定的热性能2 。第3章 100MD60Y4电主轴结构设计第3章 100MD60Y4电主轴结构设计作为一款高速卧式加工中心用的电主轴，不仅要求转速高，输出的扭矩和功率要大，还要求具有较高的主轴回转精度和在高速运转中保持具有良好的刚度、抗震性及热稳定性。根据资料查得100MD60Y4电主轴部件的基本要求为：(1)主轴最高转速为60000r/min；(2)电机额定功率为4kW；(3)电机额定电压：350V；(4)主轴前端径向跳动：0.003mm；(5)电机额定电压：10A(6)频率：1000Hz(7)噪声：75dB电主轴为高精密部件，它的设计一般都包含以下关键技术：（1）电主轴轴承的选择和预紧技术；（2）轴类零件的连接技术；（3）电主轴动平衡技术；（4）高速电主轴轴端的设计；（5）高速电主轴的热稳定性；本章将讨论上述关键技术，在具体的设计过程进行了详细的分析，并提出了解决方法，这个任务。3.1电主轴结构图1主轴箱体2主轴前轴承3主轴4冷却液进口5主轴前轴承座6前轴承冷却套7定子 8转子9定子冷却套10冷却液出口11主轴后轴承图3.1加工中心电主轴结构示意图电主轴由主轴及主轴箱本体、辅助装置、检测装置组成。电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支撑。转子定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。主轴的变速由主轴驱动模块控制，而主轴单元内的温升由冷却装置控制。在主轴的后面装有松刀油缸、旋转接头；前端的内锥孔和端面用于安装刀具、刀具夹爪；中间有刀具拉杆、刀具夹紧弹簧。3.2主轴轴承系统设计3.2.1 主轴轴承的选择主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，其类型，结构，配置，精度高，安装，调整，润滑和冷却直接影响主轴部件的工作性能。目前，电主轴轴承主要用于滚动轴承，静压轴承和磁轴承。磁悬浮轴承的电气控制部分比较复杂，制造成本高；根据具体机床进行静压轴承专门设计，标准化程度低，因此，它们的应用推广受到限制。滚动轴承是高速主轴轴承元件，最常用的，和优选的角接触球轴承，因为它的高速度和良好的性能。但是球高速运转时，离心力和陀螺力矩将产生巨大的离心力增大，会增加球和滚动摩擦之间的通道，和陀螺力矩的增加将使球和滚道之间产生滑动摩擦，轴承摩擦发热增加，从而降低了轴承的寿命。为了提高轴承的高速性能，经常使用的两种方法：一是减少球的直径，如使用71900系列主轴轴承的标准；另一个是新型陶瓷（Si3N4）使用材料做的球，由于氮化硅陶瓷材料的密度仅为轴承钢的40%，所以高速性能轴承明显高于全钢轴承。目前，大多数国外高速机床主轴采用这类轴承。为了满足高速电主轴的要求，高刚度，温升低的设计性能，支撑电主轴的设计采用角接触混合陶瓷球轴承。这类轴承内，外圈仍然是钢铁，Si3N4陶瓷材料球。这类轴承钢轴承相比，具有以下优点：（1）对氮化硅陶瓷的密度只有轴承钢40%高速性能好，小直径，离心力小，与同规格的钢轴承相比，速度可提高60%以上，抗疲劳能力强，寿命长。（2）动刚度高由于氮化硅的弹性模量是钢的1.5倍，并以球珠结构，即球径小，球数增加。根据轴承的刚度1 / 3功率，球和球的直径是2 / 3功率成比例，因此，陶瓷轴承主轴的动态刚度和高。（3）低温氮化硅由于其导热系数低，与摩擦性能和良好的机械性能，因此，温升低，钢轴承温升率，可以降低60% 35% 。（4）热稳定性好由于氮化硅，这是轴承预紧力是稳定的，良好的热稳定性。为适应电主轴高速、较高刚度运转的需要，经过对国外同类产品的分析，以及对自身机床机构布局的考虑，决定采用了如图3.1的支承结构型式。图3.1 主轴支承形式此种支撑结构的特点是：前侧采用4列（DBB）组合超高速角接触球轴承，定位预紧；后侧采用高速单列圆柱滚子轴承，浮动支承。虽然DBB组合形式使其高速性有一定减弱，但由于其作用点距离大，非常适合与力矩载荷大的用途，其径向及轴向刚度都非常好。经过多方比较，决定选用洛阳精密轴承厂生产的HSS70系列超高速轴承，其参数见表3-1：参数轴承型号HSS7016内径mm80外径mm125宽度mm22接触角15极限转速r/min19000（油润滑）Cr(额定动载荷)KN34.2Cor(额定静载荷)KN32.73.2.2 主轴电机的选择主轴的核心部件是主轴电机，电机的电磁参数的正确设计是非常重要的：第一，磁通密度高，为了提高单位体积输出功率，减少了定子和转子的体积。其次，电机的机械特性电气特性，需要满足和适应高速加工，在较宽的转速范围内的功率和扭矩工具的要求。再次，由于在高速旋转的转子有足够的强度。此外，由于电主轴是在高频窄波感应电流工作，其外壳通常强。屏蔽定子，特殊浸漆工艺的使用，外壳接地是必要的。有两种主轴电机驱动和控制方式：变频控制、矢量控制。普通逆变器恒转矩控制，其控制特性，输出功率和转速成正比。该驱动器在低转速高扭矩不稳定，不能满足加工要求，也没有轴和C轴控制功能，精确停止价格便宜，一般用于磨床和普通的高速铣床等。矢量控制的控制特性是：驱动转矩，转速段低高速，在伟恒功率控制部分。司机在零转速仍有很大的扭矩，加上主轴本身具有结构简单，转动惯量小等优点，所以开始但电主轴即时（1 2S）达到最高。司机用角度传感器来实现角位置和转速反馈闭环控制，可实现主轴准停和C轴控制，适用于高档数控铣床，高速加工中心的加工工艺等。本课题选用b160ll / 13000i日本FANUC公司生产的内置电机主轴。电机采用双绕组（Y，Y连接），使用速度范围开关控制可实现低转速高扭矩，高转速和高功率。和电机交流变频调速和矢量控制技术的使用，产量大，调速范围宽，理想的特性曲线电机的安装采用目前较为流行的形式，在电机结构安装在前，后轴承。本实用新型的优点是轴向尺寸短的主轴的主轴单元，刚度高，产量大。3.2.3 主轴轴承的预紧与刚度为了提高轴承的刚度，滑球的公转和自转的抑制振动和高速旋转，提高轴的旋转精度，在主轴采用滚动轴承需要预紧。轴承预紧力，内无间隙，滚动轴承主轴体从各个方向，有助于提高运动精度。轧辊直径不可能绝对平等，道也不能绝对的圆，因此预压的滚动体与滚道接触的一部分。预压后，滚动体与滚道有一定的变形，滚动体参与各滚动元件的工作会更多，力量也会更均匀。这些都有利于提高轴承的精度，刚度和寿命。如主轴的振动，由于滚动体的各方面支持，可以提高抗振动。然而，发烧后的预紧力，温升较高；太多的预紧力会使轴承寿命下降，临界量。预压法主要有定位预紧和定压预紧。定位预紧在轴向固定轴承的内圈和外圈，与初始预紧力确定其相对位置，预载荷的运行过程不能自动调节。随着转速的提高，热膨胀的影响，轴承滚子内圈和外圈，由于离心力和轴承变形等因素辊温度升高，使轴承预紧力急剧增加，这是超高速主轴轴承损坏的主要原因。但这种预紧方式提高轴承的刚度是更有效的，较小的位移引起的载荷定位预紧；预压是一种利用弹簧或液压系统实现轴承预紧力的方法。在高速运行时，弹簧或液压系统可以通过轴承的预紧力增加吸收引起的干扰的量，以保持轴承预紧力是恒定的，这是超高速主轴特别有益。但在低速、重切削条件下，由于预紧结构的变形会影响主轴的刚度，因此预紧力一般是用在磨床主轴超高速，轻载或轻超高速切削机床主轴。正常情况下，轴承预紧力表手册一对轴承背对背（或面）的预紧力。对轴承的多关节分布，应乘以以下因素：三1.35；法洛四联症，三个相同的方向和第四个背靠背的1.60；法洛四联症，二二方向相同，相互背靠背2。在装配预紧力值。装配后，由于干扰，内环外环会膨胀，会减少，因此会增加预紧力。可以计算为预压装配后：式中：装配后与装配前的预紧力(N)f轴承系数接触角系数(时，；时，特轻和轻型为1.07，超轻型为1.0)预紧级别系数(轻预紧为0.92，中预紧为1，重预紧为1.08)对于一对预紧后的角接触球轴承的静态径向刚度可以采用如下简易计算公式： 式中：滚动体数量滚动体直径轴承接触角预紧力 其中，对于陶瓷球轴承需要乘以材料修正系数1.3.对于四联组合，两两同向，相互背靠背的组合需乘以系数2.00。本课题选用的洛阳精密轴承厂的超高速角接触球轴承，采用15接触角，其预紧力和组合轴承刚度可以在产品样本中直接查到：超轻预紧力：100N；轴向刚度：162N/m；径向刚度：729 N/m；轻预紧力：720N；轴向刚度：230N/m；径向刚度：1035 N/m；中预紧力：1988N；轴向刚度：376N/m；径向刚度：1692 N/m；3.2.4 电机转子的过盈量设计在动平衡精度设计要求主轴达到g0.4类，这是电主轴在高速运行时保持良好的动态性能的重要技术指标。因此，电主轴采用严格的对称设计原则，取消主轴与电机转子间所有的键连接和螺纹连接，干扰产生约束力适合传递电动机的扭矩。但过盈配合表面应力特性影响电主轴。过度干预不仅降低了主轴的装配性能和转子，而且影响主轴啮合表面质量；过盈量太小会影响到主轴传递扭矩的能力。因此，为了保证高速切削运动和传输能力条件下主轴的精度，必须进行设计和校核主轴与电机转子之间的干扰，适应高速电主轴的设计工作的需要。根据文献45可知，设电机转子的内孔半径为a，外圆半径为b，主轴配合面的半径为a，内孔半径为C。则高速电主轴的过盈量由静态分量和动态分量两部分组成。其中，静态分量由下式确定：动态分量由下式确定：式中： 电机转子的内外径比，主轴配合面的内外径比，主轴与电机转子的弹性模量主轴与电机转子的泊松比角速度，材料密度，主轴的传动转矩，配合面的有效解除长度，配合面间的摩擦系数安全因子，一般取24 根据公式，对静态的组件与主轴的传动能力，扭矩和主轴的比例；和动态组件是由离心力所决定，它是主轴转速的平方成正比。当主轴转速低，动态分量是可以忽略的，主轴的干扰量是由静态部分确定的；但在高速主轴干扰效果由于离心力的条件是大的，所以对高速主轴过盈量是由动力部分主要确定。3.3主轴润滑与冷却系统的设计3.3.1 主轴的润滑润滑主轴轴承是常见的润滑脂润滑，喷雾润滑，环下润滑，油雾润滑和油气润滑等。润滑脂不需任何设备，广泛应用于低速主轴的润滑。喷雾润滑是直接对轴承的润滑和高压润滑油冷却，能耗大，成本高，在缸值大于高速主轴中的应用。环润滑是一种改进的润滑方法，分为环和环油润滑油气润滑下。从轴承内圈的油或油气喷射到轴承，在离心力的作用下，润滑油容易达到轴承润滑区，从而润滑喷射润滑效果比和油气井，可以进一步提高轴承转速，如常见的油气润滑的条件下，角接触陶瓷球轴承值左右，以提高油气压力的方法可以增加价值，和环油气润滑技术的使用可以实现。对施工要求，采用空心轴，通孔，轴承内圈。缺点是结构复杂，轴承不易标准化，装配困难。油雾润滑油（如透平油）在轴承润滑压力雾化空气。该方法易于实现，设备简单，油雾润滑功能不仅，可以起到冷却轴承的作用，但油雾不易回收，对环境的严重污染，正逐渐被新的油气润滑。摩擦加热和轴承的主轴电机的高速旋转产生的，是不可避免的。机床工作时，内，外热源的主轴系统各部件的作用下，会产生不同程度的温度上升。加热后，相对位置和机床的主轴等部件的空间大小将不同形式的前和上升的温度，不同的温度域，然后产生不同程度的热膨胀，导致加工误差。因此，通过改进的冷却系统，高速电主轴的设计，控制电主轴的温升，降低电主轴的热膨胀，保证电主轴的性能和提高其使用寿命，是必不可少的。油气润滑是将少量的润滑油不经雾化而直接由压缩空气定时、定量地沿着专用的油气管道壁均匀地被带到轴承的润滑区。油气润滑具有以下优点：（1）可以准确地提供润滑油的最佳体积。由于润滑油是一滴一滴入压缩空气管道，而不是与空气供应的损失，准确的最佳油量因此根据压力计算弹性流体动力润滑理论，大大减少润滑油的量，和小热；（2）空气流到轴承和主轴电机的冷却效果好；（3）新油的连续供给到轴承，所以不用担心石油的降解；（4）压缩空气使轴承内部保持正压，可防止外界的固体杂质（如灰尘或水汽进入内部的主轴）：（5）石油和天然气一直处于分离状态，有利于润滑油的回收，对环境无污染；油气润滑的使用问题。3.3.2 主轴的冷却电动机和轴承是主要的发热源。如果不加以控制，由此引起的热变形会严重降低机床的加工精度和轴承使用寿命，从而导致电主轴的使用寿命缩短。具体的热源主要可分为三部分：（1）主轴电动机内置于主轴电机的结构，通过高速旋转产生的热量，内部结构是主要的热源。（2）在高速搅拌主轴电机转子外壳的内腔，空气会产生热量，这些热量的散热，主要是通过主轴箱和主轴电机，所以产生的热通过主轴轴承上的很大一部分，从而影响轴承的寿命，和将使主轴产生热伸长，影响加工精度。（3）随着主轴转速的提高，主轴轴承的摩擦产生的热量5。3.3.3 冷却系统的路线车床电主轴主要是通过在主轴壳体内加冷却油，并不断的循环，把热量带走，来进行冷却的（如图3.7）。其基本的冷却路线是：首先从主轴冷却油温控制器流出冷却油，经过在靠近后端盖1的冷却环套上入水口，使冷却油进入后端轴承2的外围，1. 后端盖 2. 后端轴承 3. 转子 4. 定子 5. 电机冷却套 6.前端轴承 7.壳体机架图3.7电主轴冷却设计并对后端轴承2进行冷却。接着通过液压把冷却油挤向电动机冷却环套5，对主轴的定子4 、转子3和前端轴承6进行冷却，最后从壳体7的出水口，流回主轴冷却油温控制器完成循环。3.3.4 主轴的密封高速电主轴，精密轴承由于各种小颗粒进入并影响精度和寿命，从而大大影响电主轴的性能。主轴采用在加工气体密封和停止在半个小时内，总是在压缩空气吹，它的作用有两个部分，第一，保持主轴内部和外部都形成压力差，保证乳化液的处理区和芯片不能进入轴承主轴内，保护轴承的作用；其次，在电主轴的转子和定子的雾吹走，使空间始终保持干燥，保护电主轴电机的功能。3.4其他关键部分设计3.4.1 主轴的动平衡在非常高的速度运行，主轴不平衡量小的部分能引起巨大的离心力，由主轴产生振动，加工精度和表面质量的影响。因此，在制造过程中应减少不平衡的设计，轴类零件不宜采用键连接、螺纹连接，并尽量减少干扰的连接使用。高速电主轴，动平衡精度一般应达到G1 g0.4。本设计确定动平衡精度等级g0.4。为达到动平衡精度，首先要使旋转部件来实现自身的平衡，设计其次，旋转部件包括轴加工磨削主轴端部安装前分别平衡各自的安装，组装后的整体动态平衡。电主轴结构的主要旋转部件与转子主轴内置电机。和转子之间的干扰的主要轴配合传递扭矩，在最大转矩计算的干扰量，并考虑转子的速度产生的离心力的作用下，由于离心力大，使转子体径向膨胀的趋势，将抵消一些的干扰量。此外，配合面的粗糙度也计算过盈量必须考虑。在转子和轴组件的外直径，转子硅钢片应预留一定的加工余量，通过热压的方法进行组装，转子直径，以减少偏心质量。为了便于动态平衡，对称加工有24小的螺丝孔在电机转子盖的两端。此外，在前面和主轴旋转端盖后端也是对称加工12个螺纹孔，保持动态平衡调整主轴装配后。根据动平衡机的测试结果，在螺钉孔拧入螺钉，并调整到适当的深度，实现了完整的动态平衡，平衡螺钉通过环氧树脂固化。3.4.2 主轴刀柄接口形式主轴与刀具的手柄连接，选择合适的处理主轴的加工精度也很重要。对加工中心主轴锥度通常分为两大类，一类是一般系统是7:24锥度。该系统包括BT，NT，猫和其他标准形式；另一种是1:10锥度HSK系统。高速加工的要求，保证高速主轴和刀具的连接状态是无法改变的。然而，由于离心力的高速主轴前端作用引起轴的膨胀，然而，标准7:24实心手柄不会有相同的量的扩张，因此连接刚度会降低，和刀具的轴向位置也会变化。因此，传统的7:24工具系统不适合于高速加工场合。高速切削加工目前，大多采用锥形1:10hsk刀柄结构。然而，近年来，由日本大公司（BBT）bigplusbt开发工具结构的7:24锥柄，在高速加工中的应用变化的缺点。同时采用薄壁空心结构的工具，在体验的锥轴向拉力作用下手柄杆，有一定的收缩，使把手与法兰端面与主轴锥容易对应结合紧密接触的表面，同时达到定位锥面和端面，因而具有很高的精度和刚性连接。此外，除了具有一般两定位工具（如HSK）除了高速度，高刚性，高精度加工的处理功能，提供更完整的互换性与传统的BT标准。由于BT柄有较为成熟的应用技术，因此本研究选择了BBT柄在其基础上，型bbt50，拉刀力20000n。第4章 轴的校核第4章 轴的校核电主轴工作时，轴端会受到车刀对其的切削力，同步带对带轮的预紧力和不大的转子重力。为使旋转主轴能正常工作，要求轴具有足够的刚度和强度。在设计时可根据经验和已知条件线初选轴的直径，然后进行刚度和强度方面的校核。4.1轴的强度校核计算作用在主轴上的主切削力、预紧力和转子对其的重力，使轴在垂直平面内产生弯曲变形，而径向车削力使轴在水平面上产生弯曲变形。先求取垂直面支点反力和水平面支点反力后，计算相应的弯矩和。在转矩和弯矩的共同作用下，按照第三强度理论轴的应力计算公式如下。 （4-1）式中的弯曲应力为对称循环变应力。到扭转切应力为静应力时，取；当扭转切应力为脉动循环变应力时，取；若扭转切应力为对称循环变变应力使，则取3。对于直径为的圆轴，弯曲应力为： （4-2）扭转切应力为： （4-3）将和代入式（4-1），则轴的弯扭合成强度条件为 （4-4）式中：轴的计算应力，；轴所受的合成弯矩，； 轴所受的扭矩，； 轴的抗弯截面系数，。 许用应力，在抵挡工作时取。本设计中扭转切应力为脉动循环变应力，所以取。整理后式（4-4）可以写成3： （4-5）由于同步带起到了对主轴的减速作用，即加工工件时，是不工作的，故不考虑同步带轮的圆周力，所以此时只有垂直方向上的皮带预紧力Q。 在水平面上根据力平衡和力矩平衡可列出方程组： （4-6）代入各已知参数列出：，图4.1受力简图画出水平面的弯矩图：图4.2水平面弯矩图在垂直面上的受力分析较为复杂其受力模型如图4.3。图 4.3垂直面受力模型在垂直面上根据力平衡和力矩平衡可列出方程组： （4-7）带入各已知参数列出：，。得出力后求出弯矩图如下：图4.4垂直面弯矩图根据得出合成弯矩图图4.5合成弯矩图图4.6扭矩图将各已知参数代入式（4-5），得出：，故主轴符合强度要求。4.2轴的刚度校核计算轴的扭转变形用每米长的扭转角来表示。圆轴扭转角单位为（）/m，扭角的大小和轴的长度有关。为了消除长度的影响，通常用单位长度转角来表示扭转变形的程度。在工程中常限制单位长度转角的最大值=的最大值不得超过单位长度许可转角。因此，扭转的刚度条件表述为 对于空心圆轴： 3 (4-16)对于不同的机械和轴的工作条件，可从有关手册中查到单位长度许可转角的值。精密机械传动轴： =（0.250.50）/m一般传动轴： =（0.51）/m精度要求不高的轴： =（12.5）/m车床电主轴应该属于一般传动轴，所以选择0.7/m，根据式（4-16）得： =0.038m=38mm由于主轴的最小直径D=70mm，所以符合刚度要求。第5章 轴承的校核 第5章 轴承的校核在设计过程中，考虑到电主轴的使用寿命，以及稳定性能，我需要对轴承的寿命进行计算。滚动轴承在运转时可能的破坏形式的不同类型，但套圈和滚动疲劳点蚀的表面是一个最基本的和常用的滚动轴承的失效形式，通常是计算对于滚动轴承寿命的基础。轴承点蚀损伤，操作时通常会出现振动，噪声和强加热现象。滚动轴承的寿命是指轴承滚动体或环首先出现在点蚀，轴承转速和相应的运行时间。滚动轴承的承载力计算主要是指对轴承寿命计算。5.1角接触球轴承的校核轴承轴向载荷，径向载荷，轴承转速60000r/min，装轴承处的轴颈直径可在7080mm范围内选择，由于数控车床是属于每日8h工作的机械（利用率高），所以选预期计算寿命，见表5.1。 （1）求比值： 根据表5.2，角接触球轴承的最小e值为0.38，故此时：e 。表 5.1推荐的轴承预期计算寿命机械类型预期计算寿命不经常使用的仪器或设备。如闸门开闭装置3003000短期或间断使用的机械，中断使用不致严重后果，如手动机械等30008000间断使用的机械，中断使用后果严重，如发动机辅助设备、流水作业线自动传动装置、升降机、车间吊车等800012000每日8h工作的机械(利用率不高)，如一般的齿轮传动、某些固定电动机等1200020000每日8h工作的机械(利用率较高)，如金属切削机床、连续使用的起重机、木材加工机械、印刷机械等200003000024h连续工作的机械，如矿山升降机、纺织机械、电机等400006000024h连续工作的机械，中断使用后果严重，如纤维生产或造纸设备、发电站主电机、船舶螺旋桨轴等100000200000根据表5.2，角接触球轴承的最小e值为0.38，故此时：e 。表 5.2 径向动载荷系数X和轴向动载荷系数Y轴承类型相对轴向载荷Fa/CoeFa/Fre判断系数e名称代号Fa/CoXYXY调心球轴承100001(Y1)0.65(Y2)调心滚子轴承200001(Y1)0.67(Y2)圆锥滚子轴承30000100.40(Y)(e)深沟球轴承600000.0250.0400.0700.1300.2500.500100.562.01.81.61.41.21.00.220.240.270.310.370.44角接触球轴承70000C=150.0150.0290.0580.0870.0120.1700.2900.4400.580100.441.471.401.301.231.191.121.021.001.000.380.400.430.460.470.500.550.560.5670000AC=25100.410.870.6870000B=40100.350.571.14（2）初步计算当量动载荷P： 按照表5.3，=1.21.8，取=1.5。按照表5.2，X=1，Y=0，则： N（3）根据式 （N）（4）根据轴承设计手册选择C=80200 N的7015C/DT轴承。表 5.3载荷系数载荷性质举例无冲击或轻微冲击1.01.2电动机、汽轮机、通风机、等中等冲击或中等惯性冲击1.21.8车辆、动力机械、起重机、造纸机、冶金机械、选矿机、卷扬机、机床等强大冲击1.83.0破碎机、轧钢机、钻探机、振动筛等此轴承的基本额定静载荷Co=93000 N。演算如下：=29574.9h25000h故所选轴承满足寿命要求3。5.2深沟球轴承的校核轴承轴向载荷Fa2=Ff=783.32 (N)，径向载荷Fr2=848.8 (N)，轴承转速1000r/min，装轴承处的轴颈直径可在8595mm范围内选择，由于数控车床是属于每日8h工作的机械（利用率高），所以选预期计算寿命，见表5.1。(1) 求比值： 根据表5.2，深沟球轴承的最大e值为0.44，故此时：e(2) 求比值： 按照表5.3，=1.21.8，取=1.5。按照表5.2，X=0.56，Y值需在已知型号和基本额定静载荷Co后才能求出。故暂选一近似中间值，取Y=1.5，则：N（3）根据式 （N）（4）根据轴承设计手册选择C=32800N的61918-Z轴承。此轴承的基本额定静载荷Co=31500 N。演算如下：求相对轴向载荷对应的e值与Y值。相对轴向载荷为，在表5.2中是0.025这一档的，对应的e值为0.22，Y值为2。所以求当量动载荷P： N验算61918-Z轴承的寿命，根据式：=20465.8h 25000h，即低于预期计算寿命。所以改用6018-Z轴承。