TH5632C数控机床高速电主轴数字化毕业设计及其仿真分析【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 1 页 共 41 页 控机床高速电主轴数字化设计及其仿真分析 张晶 （ 摘要 本文阐述了高速电主轴的发展历史、现状以及趋势，并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，分别对电主轴的主轴、电机 、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 ： 数控机床；电主轴；主轴；轴承 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2 页 共 41 页 NC of of of is of is as is of of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 3 页 共 41 页 目 录 第一章 绪论 . 1 控机床电主轴的国内外的研究现状 2 3 4 第二章 数控机床电主轴的介绍 5 工作原理 5 5 主轴的关键技术 6 6 第三章 电主轴结构设计 7 7 7 步带介绍 步带计算 1 2 14 承材料的选择 . 热源的主要构成 却系统的冷却路线 轴传动的热平衡计算 主轴润滑系统的设计 1 6 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 4 页 共 41 页 块化的的拉刀装置 1 8 轴前端悬伸量的确定 轴主支承间的跨距 轴 的构造 轴挡板的设计 轴的材料和热处理 第四章 轴的校 核 . 2 5 2 8 第五章 轴承的校 核 31 . 32 第六章 电主轴的使用和养护 33 第七章 高速精密主轴轴承热特性 34 总结 .考文献 谢 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 5 页 共 41 页 第一章 绪论 我国数控机床的发展历程充 分证明，数控机床电主轴发展的滞后，始终是制约我国数控机床发展的瓶颈问题之一。高速电主轴的功能部件跟不上，发展数控机床将成为空话。我国数控机床整体技术水平的发展和提高，最终离不开先进的功能部件产业的支持。我国数控机床经历了二十多年的发展历程 ,形成了一定的生产规模，具备了进一步发展的基础。但在数控机床品种、质量和性能等方面与发达国家还存在较大差距，很难能满足市场需求，特别是高端数控机床主要依赖进口，已明显制约我国国民经济和国防工业的发展。高速电主轴制造技术成为了决定高端的数控机床发展的关键技术。对决定电主轴发展 的关键技术要进行重点攻关，特别是在电主轴应用中的关键部件诸如复合陶瓷轴承、内置式无外壳电机、性能优良的伺服控制器、高精度位置编码器、气密封装置等进行自主研发，改变这些关键部件主要靠进口的局面。高速电主轴也是高端的数控机床的核心，大力发展高速电主轴将对我国的装备制造行业会起到强大的推动作用。 控机床电主轴的国内外的研究现状和发展趋势 控机床电主轴的国内外的研究现状 国内对电主轴技术的研究始于 20世纪 60年代，主要用于零件内表面磨削，这种电主轴的功率低，刚度小，并且它采用无内圈式向心推力 球轴承，限制了高速电主轴的产业化。到 80 年代，随着国内高速主轴轴承的开发成功，研制出一系列高刚度、高速电主轴，广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领域。在 90 年代以后由磨用电主轴转向铣用电主轴，它不仅能加工各种形体复杂的模具，而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铣用电主轴，推动了高速电主轴在切削中的应用。在国内以洛阳轴承研究所 (洛阳轴研科技股份有限公司 )为代表，早在 1958年就研制出了磨用电主轴之后又研发了大功率、高转速系列电主轴，磁悬浮和气静压电主轴等，并将电主轴在 90 年代应用于大型数控铣床，加工中心和数 控车床，是我国电主轴技术的引领者。广州工业大学高速加工和机床研究所也开发研制了多种电主轴，并应用于数控铣床由于近些年数控加工技术的飞速发展，在军工、基础装备制造，航空航天等领域对高速电主轴的迫切需要，国内的电主轴研究也得到了很大的发展。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/内；加工中心用电主轴的转速最高 30000r/ 矩达 200N m 的加工中心用电主轴转速只有 4000r/削用电主轴最高转速可达 12000r/大功率只有 11电主轴的润滑方面，国外普遍采用先进的油气润滑技术，而我国主要以油脂润滑和油雾润滑为主。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 6 页 共 41 页 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。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。具有代表性有美国福特公司和 司联合推出的 式加工中心的大功率电主轴最高 转速达15000r/静止升至最高转速仅需 15s。瑞士 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。 准化电主轴最大转速可达 140000r/径范围 33到 300率范围 125矩范围 00N m。日本三井精机公司生产的 式加工中心采用陶瓷轴承支承的电主轴 ,主轴转速达 40000r/外还有瑞士的 司、德国的 司、 司、西门子、意大利的 司和 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。国外高速精密主轴上采用高速、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。 控机床电主轴的国内外的发展趋势 （ 1） 向高速度、高刚度方向发展 随着主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、 精密动平衡技术、高速刀具及其接口技术等相关技术的发展，数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势。电主轴的功率和转速是受电主轴体积及轴承限制的， 是反映电主轴刚度和转速的一个重要的综合特征参数， 越大，其电主轴性能越。因此，在保证电主轴高转速的前提下，加大主轴直径，提高其刚性，也是电主轴技术发展的方向之一。 （ 2） 向高速大功率、低速大转矩方向发展 现代数控机床需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。高速电主轴的大功率化已是国际机床产业发展的一个方向。近年大功率半导体器件有了飞跃性发展，已经完全可以满足现有的电主轴应用场合所要求的功率等级，这为高速电主轴的大功率化奠定了基础。德国 司的电主轴低速粗加工时的重切削力可达 1250N m,高速切削时精加买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 7 页 共 41 页 工最大输出功率可到 150 （ 3） 电机形式与控制方式多样化方向发展 主轴电机方面：目前国内外主轴电机常见的是感应电动机，但由于其结构和特性的限制，运行状态改变时导致电机很难在最佳效率点运行，功率因数低、效率低。虽然采用变频调速、矢量控制、功率因数补偿等技术改善了电机系统的 效率，但由于感应电机的工作原理决定其运行效率的提高是有限的，特别是在位置和速度要求非常高的高精度高速电主轴系统中应用有时很难满足系统要求。因此选用转动惯量小，转矩密度高，控制精度高的永磁电机代替感应电动机也将是电主轴发展的一个重要方向。在主轴电机控制方面：采用矢量控制已经被大多数高速电主轴生产厂家所采用，针对感应电动机采用自适应控制、直接转矩控制、定子优化控制等措施不断提高感应电动机在电主轴的应用性能。对于永磁同步电动机在低速粗加工时的重切削多采用恒转矩控制方式 ,高速切削时精加工采用恒功率控制，在扩大永磁电 机在弱磁区域的同时提高稳定性也将成为高速电主轴研究热点问题。 此外，柔性主轴及其轴承弹性支承技术的研究也将进一步深化。目前国内市场的轴承多以用高速角接触球轴承支承，气静压方式将逐渐取代角接触球轴承成为主流方式。另外随着磁悬浮技术的不断进步和成熟，在满足成本要求的情况下，磁悬浮轴承将由一些特殊场合的应用到普通场合的特殊要求的应用。提高高速电主轴动平衡等级，降低振动，使电主轴寿命更长。在保证转速的情况下，应尽量降低电主轴的整体振动。主轴单元的自动平衡装置也将因高速电主轴的振动指标更高而不断的更新和完善。润滑技术 不断改进，预负荷施加技术不断进步。陶瓷球复合轴承和油气润滑技术的广泛应用，使得轴承发热更小，而且更能适应高速需要。在非接触式轴承中，磁浮和气浮轴承不断发展，已有系列产品出现。轴承预负荷施加方式上，过去主要使用刚性预负荷，不断发展为弹性预负荷，后又出现智能预负荷方式，使轴承承载性能更优。油气润滑方式和成本更低的非接触式轴承技术也将是高速电主轴发展的方向 1。 课题主要研究内容 （ 1）数控机床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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 8 页 共 41 页 第二章 数控机床电主轴的介绍 床电主轴的工作原理 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。 控机床电主轴的特征 （ 1）高回转精度 加工中心的主轴是装夹工件的 基准，并将运动传递给工件，因此主轴的回转精度直接影响加工精度。为保证电主轴在高速运转时的回转精度，其关键零件必须进行精加工和超精加工，选用尺寸和精度等级合适的轴承，采用合理的装配方案； （ 2）高刚度 主轴刚度反映主轴单元抵抗外载荷的能力。尤其，进行车削粗加工时，切削量较大，主轴要承受很大的径向力。为了保证加工精度、避免振动，要求电主轴具备较高的刚度，特别是径向刚度； （ 3）抗振性强 机床工作时，主轴部件不仅受静态力的作用，同时还受其他冲击力和交变干扰力的作用而产生振动。振动是主轴动态性能的重要指标，振 动将会产生噪声，并直接影响工件的表面加工质量，振动严重时会产生崩刃和打刀现象。因此，电主轴的抗振性要强； （ 4）电机特性优良 加工中心要求有较广的加工范围，这就要求电主轴既要有优良的低速加工性能，又要有好的高速加工性能。在起步及低速段采用恒转矩调速，保证低速时有较大的输出转矩，满足低速大进给的切削要求；而高速段采用恒功率调速，可满足小切削量的高转速要求。对一些低速要求高的电主轴，应采用高性能的矢量变频器控制； （ 5）热特性稳定 由于电主轴是将高速电机置于机床主轴部件内部，高速运转时，电机转子、定子和买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 9 页 共 41 页 轴承的的 发热量很大，并引起热变形，直接影响机床的工作性能和加工精度，因此要求电主轴的热态性能稳定 2。 主轴的关键技术 1）高速电机技术 电主轴是主轴与电机融合在一起的产物，主轴的旋转部分是电机的转子，所以可以把电主轴看成一台高速电机，其关键技术是高转速下的动平衡。 2）高速轴承技术 电主轴通常采用静压轴承、陶瓷球轴承及电磁悬浮轴承，根据用户需要，也有部分采用钢球轴承。目前，磁悬浮轴承支撑是最有发展前途的一种电主轴支承形式。 3）润滑、冷却技术 对于球轴承可以采用脂润滑，但缺点是转动时会产生阻力和增加温 升。对于电主轴一般采用定时定量油气润滑，所谓定时，就是间隔一定的时间注一次油，所谓定量，就是通过定量阀，准确的控制每次润滑油量；油气润滑，指的是再压缩空气的携带下，润滑油被吹入轴承。油量的控制很重要，太少，不能起到润滑作用；大多，再轴承高速运转时会因阻力大而产生的热量多。为了尽快给降低高速运转的电主轴温度，可以对建筑之的外壁进行循环冷。 4）传感技术 为了实现准确的进给、多轴联动、相位控制、自动换到等动作，电主轴需要内置一脉冲编码器。 5）高速刀具和换刀技术 传统机床的 实践证明不能满足高 速加工的要求。这种情况下出现了 了满足加工中心要求，电主轴要配备能自动换刀的装置，包括拉杆、蝶形弹簧、拉刀汽缸。 6）主轴中心冷却技术 转速在 30000r/内的电主轴，都可以采用刀具中心冷却，冷却液压力一般为80 7）主轴轴向尺寸动态补偿技术 电主轴对位置精度要求极高，可以在电主轴上安装一检测元件来检测轴的轴向尺寸变化，转化成 1/10单位尺寸变化量模拟信号，送到数控装置进行闭环的动态尺寸买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 10 页 共 41 页 补偿。 8）高频变频技术 电主轴的内置高速电 机的驱动可以采用高频变频装置，变频器的输出频率可以达到几千 满足主轴每分钟几万甚至十几万转的转速要求。 9）主轴驱动和数控系统接口技术 可以采用高性能的主轴矢量驱动装置，可选择 品牌的主轴驱动装置。电主轴系统既提供模拟接口，也提供数字接口，数控接口要能与任何系统匹配。 10）电主轴的制造工艺技术 对电主轴的制造工艺要求很严格，这种结构要求有一系列新的关键技术，如主轴支承形式及其润滑系统设计、高速主轴的动平衡设计、电动机的冷却系统设计、高速刀具单元的设计等，它 们影响着高速旋转主轴的可靠性和稳定性，及高效精密加工的实现。 目前，高速电主轴大多采用内置异步式交流感应电动机。可由加工对象来确定电主轴的电机驱动形式。永磁同步电动机有很好的动态响应性，并且转矩密度高，转动惯量小，但永磁同步电动机有弱磁现象，而且很难提高主轴电机功率，制造永磁同步电机的主要材料稀土成本过高。 异步型电动机结构较简单，有较成熟的制造工艺，可以更大程度地减弱磁场对电机的影响，易于实现高速化。虽然其直接转矩或矢量控制方式的计算数据量大，但随着计算机技术和现代控制理论算法的不断发展，已经能过实现快速 、精确地计算和控制。 我国目前还没有较为成熟的高速异步型电主轴系统的设计方法，设计人员一般参考设计手册中传统电机设计方法来进行设计，因此用传统电机设计与控制系统设计的方法来设计高速电主轴 很大的局限性。由于电主轴结构比较特殊，还有很多新出现的问题需要解决。我国的高速电主轴技术由于起步较晚，与工业发达国家还有很大差距，应不断加大对这方面的技术研究才能提高我国高速机床的性能。 在数控机床中，电主轴通常采用变频调速方法。目前主要有普通变频驱动和控制、矢量控制驱动器的驱动和控制以及直接转矩控 制三种控制方式。普通变频为标量驱动和控制，其驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正比。普通变频控制的动态性能不够理想，在低速时控制性能不佳，输出功率不够稳定，也不具备 价格买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 11 页 共 41 页 便宜、结构简单，一般用于磨床和普通的高速铣床等。矢量控制技术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法来实现驱动和控制，具有良好的动态性能。矢量控制驱动器在刚启动时具有很大的转矩值，加之电主轴本身结构简单，惯性很小，故启动加速度大，可以实现启动后瞬时达到允许极限速度。这种驱动器又有开环和闭环两种，后者可以实现位 置和速度的反不仅具有更好的动态性能，还可以实现 前者动态性能稍差，也不具备 价格较为便宜。直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流调速技术，其控制思想新颖，系统结构简洁明了，更适合于高速电主轴的驱动，更能满足高速电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求，已成为交流传动领域的一个热点技术。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 12 页 共 41 页 第三章 机床电主轴结构设计 主轴结构图 图 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。 步带的选择 步带介绍 同步带传动是一种新型的机械传动。由于它是一种啮合传动，因而带和带轮之间 没 有相对滑动，从而使主从轮间的传动达到同步。同步带传动和 带相比具有以下优点： (1)传动准确，无滑动，能达到同步传动的目的； (2)传动效率高，一般可达 98 %； (3)速比范围大，允许线速度也高； (4)传递功率范围大，从几十瓦到几百千瓦； (5)结构紧凑，还适用于多轴传动。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 13 页 共 41 页 同步带传动设计目的是确定带的型 号节距带长 (节线长度 )中心距、带宽及主、从动带轮齿数，直径等参数。 步带计算 一台额定功率为 速为 1000r/天工作 8个小时以上，以此来设计电主轴的同步带。 (1)求设计功率 d=0 中 表 表 荷修正系数 K（部分） 工 作 机 原 动 机 运 转 时 间（小时 /日） 35 810 1624 带式输送机，烘干机，杠车床，带锯，筛选机 体搅拌机， 钻床，车床，龙门刨床，造纸机 头刨床，磨床，铣床，钻镗床，纺织机械 头刨床，磨床，铣床，钻镗床，纺织机械 2)确定带的型号和节距 由于电主轴是内装式电机，电机转速就是主轴转速，所及小齿轮转速 n1=100r/图 型，对应节距 表 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 14 页 共 41 页 图 过功率找同步带型号 (3) 选择小带轮齿数 由小带轮转速 100r/ 表 数 0，则Z2=中 i=2=62, 取标准带轮齿数 0 (4) 确定带轮节圆直径： = =5) 确定同步带的节线长度 p=2 (d2+ 2+ ( 180 （ 3 式中： = 12 =以 a=500入 ) 则 择最接近计算值的标准节线长 (见表 6) 计算同步带齿数 b=20 (7) 传动中心距 a 的计算 a=2 2 （ 3 式中： =1 3518(弧度 )代入上式 : a=2 2 种同步带型号的主要参数 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 15 页 共 41 页 带型号 节距Pd(基准宽度(拉力 N） 质量 （ Kg/m） 带宽 0 1 L H 轮最少许用齿数 小带轮转速 （ r/ 带 型 号 L L H 00以下 10 10 12 14 22 22 9001200以下 12 10 12 16 24 24 12001800以下 14 12 14 18 26 26 18003600以下 16 12 16 20 30 36004800以下 18 15 18 22 (8) 确定同步带设计功率为 (a). 计算所选型号同步带的基准额定功率 o=(v 1000 ( （ 3 式中 ： 许用工作拉力 ， 查表 a= m 单位长度质量 ， 查表 m=m V 线速度 (m/s) V= 2 1013m/s) （ 3 表 准同步带的节线长度 (部分 ) 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 16 页 共 41 页 节线长度 节线长度上的齿数 基本尺寸 （ m） 极限偏差 （ L L H 64 114 160 120 126 72 132 带入上式的 (b). 计算小带轮啮合齿数 m=21Z（ = (c). 确定实际所需带宽 P （ 3 式中： P 带所能传递功率 z 啮合系数，因 故 = )(标准带宽 见表 9) 验算 1000)(2 = 20 定功率大于设计功率，则带的传动能力已足够，所选参数合格 4。 子和定子的设计 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。它能带动主轴旋转。转子由转子铁芯、鼠笼、转轴三部分组成。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 17 页 共 41 页 此次设计的 电主轴电机转子的基本尺寸为：转子的外径 2b 子内孔直径 2a 子的轴向长度为 346子配合面的有效接触长度 B 300轴配合面的基本尺寸为：外径 2a 孔直径为 2c 46机的最高转速为 8000r 所以其最大角速度 37.3 s。 额定功率为 12.5 定 转矩为 114 主轴的结构如图 Ce= （ 3 Ci= （ 3 电机转子和主轴均为钢质材料，材料的弹性模量 E 0 11N 泊凇 比 主轴配合面间的摩擦系数 机转子衬套材料的许用应力 为 287N 轴材料的许用应力 为 567 N 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 32222 )1)(23)(1( E C e = （ 3 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 由下式求得： )1( 2 (2211 +2211 )= （ 3 根据计算可知，高速电主轴要求的动态过盈量 倍多，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 ： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 18 页 共 41 页 图 主轴的结构 （ 3 据此，在 型电主轴设计中，主轴与电机转子的配合采用 66 种配合的实际最小过盈量为 能满足电主轴的高速传动要求。其实际的最大过盈量为 合面实际产生的最大正压力为： )(1)1)(1(222 m a =(N/ （ 3 电机转子内孔配合面上具有最大的切向拉应力 最大的径向压应力 值为 ： (r=a)=(N/ （ 3 r=a)=221( =(N/ （ 3 主轴的 r）和 i （ r）均为压应力，其中主轴的配合面上具有最大的径向压应力 主轴内孔壁处具有最大的切向压应力 其值为： r=a)=(N/ （ 3 r=c)=2 =(N/ （ 3 电主轴的装配应力分布如图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 19 页 共 41 页 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： (N/电机转子衬套材料的许用应力 为 287 N ，使用安全。 图 轴与转子过盈配合的应力分布 承的选择 按轴系零件轴向定位方法的不同，轴的支承结构可分为三种基本型式：两端固定支承，一端固定、一段游动支承和两端游动支承 。本设计采用两端固定支承。采用两端固定支承时，应留出适当的轴向间隙，以补偿工作时轴的热伸长量，同时应提供适当的间隙调整方法。我采用的是角接触轴承，所以可利用调整垫片或螺纹件来调整轴承的游隙，以保证轴承的正常运转。 首先通过对轴的受力分析得到了轴承的大致载荷在 30004000N 左右，属于中等载荷，故采用球轴承；接着看转速，球轴承与滚子轴承相比较，有较高的极限转速，电主轴的转速在 10008000r/以优先选用球轴承。最后轴承在承受径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷，所以选用深沟球轴承和角接触轴承。 故在主轴的两端我分别采用了角接触球轴承和深沟球轴承，分别见图 图 对安装角接触球轴承（ 292可同时承受径向 载 荷和轴向 载 荷。 它 能在较高的转速下工作 ， 接触角越大，轴向承载能力越高。高精度和高速轴承通常取 15度接触角。 深沟球 轴承 是最具代表性的滚动轴承，用途广泛。适用于高转速甚至极高转速的运行，而且非常耐用，无需经常维护。深沟球轴承的摩擦系数很小，极限转速也很高 ， 特别是在轴向载荷很大的高速运转工况下，深沟球轴承比 推力球轴承 更有优越买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 20 页 共 41 页 性。 图 接触球轴承 承材料的选择 目前，滚动轴承电主轴的支承形式主要采用钢质球轴承和陶瓷球混合轴承。本人采用陶瓷球混合轴承。陶瓷球混合轴承与传统的钢质球轴承相比，具有密度小、弹性模量大、热膨胀系数小、耐高温等优良物理性能和机械性能。 （ 1）陶瓷球混合轴承材料 度只有钢的 40%。在高速运转时，可大幅减小滚动体的离心力，从而减小球与套圈滚道间的接触应力，延长轴承的使用寿命。 图 沟球轴承 （ 2）弹性模量大、硬度高。与钢质球轴承相比，相同负荷下陶瓷球在接触应力作用区域材料塑性变形小，使轴承的刚度提高，从而提高主轴系统的临界转速。 （ 3）膨胀系数小。混合轴承的工作游隙及工作游隙的变化幅度小，导致高速高温时，滚动体与沟道接触的最大接触应力及接触负荷的变化幅度均较小，确保了轴买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 21 页 共 41 页 承运行平稳和发热量的减少。 却系统的设计 电主轴中电机高速旋转所产生的发热和轴承的摩擦发热，是不可避免的。机床工作时，在内、外热源的作用下，主轴系统的各个部分会产生不同程度的温升。升温后，主轴和机床其他部件的空间相对位置和尺寸都将与温升前不同，形成不同的温度场，进而产生不同程度的热膨胀，导致加工误差。因此通过对高速电主轴的冷却系统的设计改良，来控制电主轴的温升，减小电主轴的热膨胀，对于保证电主轴性能和提高其使用寿命，是至关重要的。 源的主要构成 电动机和轴承是主要的发热源。具体的热源主要可分为三部分： （ 1）主轴电动机内置于机床主轴的 结构中，电机高速旋转所产生的发热，是其结构内部的主要的热源。 （ 2）电动机转子在主轴壳体内的高速搅动，使内腔中的空气也会发热，这些热源产生的热量，主要通过主轴壳体和主轴进行散热，所以电动机产生的热量有相当一部分会通过主轴传到轴承上去，因而影响轴承的寿命，并且会使主轴产生热伸长，影响加工精度。 （ 3）随着主轴转速的升高，主轴轴承的摩擦所产生的发热量也随之增大 5。 却系统的冷却路线 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 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， 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 22 页 共 41 页 1. 后端盖 2. 后端轴承 3. 转子 4. 定子 5. 电机冷却套 图 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。 轴传动的热平衡计算 主轴传动由于效率低，所以工作时发热量大。在闭式传动中，如果产生的 热量不能及时散逸，将因温度不断升高而使润滑油稀释，从而增大摩擦损失，甚至发生胶合。所以，必须根据单位时间内的发热量 1等于同时间内的散热量 2的条件进行热平衡计算，以保证油温稳定在规定的范围内 3。 由于摩擦损耗的功率 )1( 产生的热流量为： ）（ 110001 P 式中， 以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气中去的热流量 2（单位为 W） 3为， ）（ 12 式中：d 箱体的表面传热系数，可取d=（ W/ ( C)，当周围空气流通良好时，取偏大值； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 23 页 共 41 页 S 内表面能被润滑油所飞溅到，而外表面又可为周围空气所冷却的箱体表面面积， 油的工作温度，一般限制在 6070 C，最高不应超过 80 C； 周围空气的温度，常温情况可取为 20C； 按热平衡条件 1= 2，可求得在既定工作条件下的油温 位为 C)为： )1(1000 （ 3 为了保持正常工作温度所需要的散热面积 S，当 80，而总效率 ，估取 =以 262 106 . 2 56 . 2 5 m)( )1(1 0 0 0 因此只要散热面积 S 大于 ，主轴的在工作条件下的油温 能保证在 80看本人设计的冷却系统的散热面积 S: 22 式中： r 冷却管道的内壁半径 R 冷却管道的外壁半径 L 冷却管道的长度 故 所以能证明主轴冷却系统的热平衡是稳定的 。 主轴润滑系统的 设计 目前，电主轴上应用较多的油