机械毕业设计（论文）-240XDJ10Y加工中心电主轴设计（全套图纸） .doc

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，是一项非常有前景的先进制造技术。实现高速加工的首要条件是高质量的高速机床，而高速电主轴是高速数控技术和加工中心的关键部件。电主轴系统的静态、动态刚度是影响性能主要难题之一。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；轴承全套图纸，加153893706abstracthigh-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 240xdj10y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214.3轴的有限元分析22第5章 轴承的校核245.1角接触球轴承的校核245.2深沟球轴承的校核26结论28参考文献29致 谢31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不断发展，数控机床的发展也越来越快，数控机床正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展，对于现代机床来说，高速切削比常规切削具有下列优点：(1)随切削速度的提高，进给速度也可以相应提高，以便基本保持每齿切削厚度不变，单位时间内的材料切除率可大大增加，极大地提高了加工生产率：(2)在切削速度增加到一定值后，切削力可降低30%以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于提高薄壁件等刚性差的零件的加工精度；(3)在高速切削状态下，95%以上的切削热还来不及传给工件时，就被切屑迅速带走，工件基本上保持冷态，因而特别适合于加工容易热变形的零件；(4)高速切削时，机床的激振频率特别高，它远远离开了机床关键部件的基本阶固有振动频率范围，使机床工作平稳、振动小，因而能加工出非常精密且光洁的零件；(5)采用高速切削可以得到很高的零件加工表面质量，可以达到磨削的水平；(6)高速切削可以加工常规切削无法加工的高硬度材料(可达62hrc左右)，可以钻1mm以下的小孔(7)可以在无冷却液的情况下进行干切削。实现高速加工的首要条件和关键技术之一，是研究和开发性能优良的高速数控机床，高速加工的主要特征是采用510倍于常规切削速度进行切削加工，因此要求主轴转速高，输出的转矩和功率要大，并且在运转中保持良好的动态特性和热特性。高速电主轴也称为电机内装式主轴单元，取消了诸如齿轮、皮带等中间传动环节。实现了机床的“零传动”，它具有结构紧凑、惯性小、转速高、动态特性好等诸多优点，因而在高速机床中得到了广泛的应用。作为数控机床的核心功能部件，高速电主轴动态性能的好坏将直接关系到机床的加工精度和可靠性。电主轴的机械结构虽然比较简单，但制造工艺的要求却非常严格。这种结构相应的带来一系列新的技术难题，诸如内置电动机的散热、高速主轴的动平衡、主轴支承及其润滑方式的合理设计等问题。这些问题必须妥善地得到解决，才能确保主轴稳定可靠的高速运转，实现高效精密加工。而电主轴系统的静态、动态刚度是影响性能主要难题之一，因此在设计时对其进行详细的静、动态分析并优化，对于进一步提高高速机床的工作性能有十分重要的意义。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，成为近年来机床技术所取得的重大成就之一。随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求，目前国外从事高速数控机床电主轴研发与生产的企业主要有如下几家：德国gmn、西门子、瑞士ibag、美国setco、意大利omlet、faemat、gamfior、日本大隈等，其中尤以gmn、ibag、oiler、setco、gammfier等几家的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点：(1)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。在此基础之上，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已生产了多种商品化高速机床。如瑞士米克朗公司，就是世界上著名的精密机床制造商。它生产的机床配备最高达60000r/min的高速电主轴，可以满足不同的切削要求。国产电主轴和国外产品相比较，无论是性能、品种和质量都有较大差距，国产电主轴产品和国外的相比较，主要存在以下差距：(1)在电主轴的低速大转矩方面，国外产品低速段的输出转矩可以达到300nm以上，有的更是高达600多nm(如德国的cytec)，而国内目前则多在100nm以内。(2)在高速方面，国外用于加工中心电主轴的转速已经达到75000r/min(意大利camfior)，而我国则多在20000r/min以下。其它用途的电主轴，国外已经达到了250000r/min(英国westwind公司d1733)，而我国电主轴的最高转速为150000r/min。(3)在电主轴的润滑方面，国外高速电主轴轴承已经普遍采用先进的油气润滑技术，而我国则仍然以油脂润滑和油雾润滑为主。(4)在电主轴的功能和性能方面，国外已经在发展多功能、高性能的数控机床用电主轴产品，而我国仍然以常规产品为主要发展方向。(5)在电主轴的支承技术方面，国外已经有动、静压液(气)浮轴承电主轴磁浮轴承电主轴(瑞士ibag)的成熟商品，在我国则仍然处于科学研究或小批量试制之中。(6)在其它与电主轴相关配套技术方面，如电主轴内装电机闭环矢量控制技术、交流伺服技术、停机角向准确定位(准停)技术、c轴传动技术、快速启动与停止技术、hsk刀柄制造与应用技术、主轴智能监控技术等，国内仍然不够成熟，或不能满足实际应用需要。(7)在产品的品种、数量及制造规模方面，尽管国内已经有部分企业在从事电主轴的研究和制造，但仍然以磨床用电主轴为主，对于数控机床用高速电主轴，则仍然处于小量开发和研究阶段，远没有形成系列化、专业化和规模化生产，还无法与国外先进水平相比，远远不能满足国内市场日益增长的需要，还不具备与国外产品相抗衡的能力。另外，国外公司在关键部件的研发上具有很强的前瞻性和创新能力，国际上涉及电主轴的比如编码器系统、刀具接口、电机工作制等的国际标准和产品都是他们相关企业制定和生产的，这是他们最具有优势的地方。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)继续向高速度、高刚度方向发展；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等相关诸多技术的发展，数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势，并且，随之电主轴的刚度越来越大，满足了数控机床高速、高效和精密加工发展的需要。(2)向高速大功率、低速大转矩方向发展。根据实际使用的需要，多数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。(3)进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展。用户对数控机床的精度和使用可靠性提出了越来越高的要求，作为数控机床核心功能部件之一的电主轴，要求其本身的精度和可靠性随之越来越高。同时，由于采用了特殊的精密主轴轴承、先进的润滑方法以及特殊的预负荷施加方式，电主轴的寿命相应得到了延长，其使用可靠性越来越高。(4)电主轴内装电机性能和形式多样化。(5)向快速启、停方向发展。(6)轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化。除了常规的钢制滚动轴承外，近年来陶瓷球混合轴承越来越得到广泛的应用，润滑方式有油脂、油雾、油气等，尤其是油气润滑方法(又称oil-air)，由于具有适应高速、环保节能的特点，得到越来越广泛的推广和应用；滚动轴承的预负荷施加方式除了刚性预负荷(又称定位预负荷)、弹性预负荷(又称定压预负荷)之外，又发展了一种智能预负荷方式，即利用液压油缸对轴承施加预负荷，并且可以根据主轴的转速、负载等具体工况控制预负荷的大小，使轴承的支承性能更加优良。(7)刀具接口逐步趋于hsk、capto刀柄技术。(8)向多功能、智能化方向发展。在多功能方面，有角向停机精确定位(准停)、c轴传动、换刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密补偿、换刀自动动平衡技术等。在智能化方面，主要表现在各种安全保护和故障监测诊断措施，如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、主轴振动信号监测和故障异常诊断、轴向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监测和自动控制、刀具磨损和损坏信号监控等。1.3本课题主要研究内容（1）240xdj10y加工中心铣削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。31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）高回转精度车削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）电机特性优良车削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 。第3章 240xdj10y电主轴结构设计第3章 240xdj10y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240xdj10y电主轴部件的基本要求为：(1)主轴最高转速为10000r/min；(2)电机额定功率为5.5kw；(3)动平衡精度：g0.4；(4)主轴前端径向跳动：0.003mm；(5)主轴弯曲刚度：1000n/m(6)温升：15(7)噪声：75db电主轴作为高精密部件，其设计大体包含了如下关键技术：(1)电主轴轴承的选择及其预紧技术；(2)轴上零件连接技术；(3)电主轴的动平衡技术；(4)高速电主轴轴端的设计；(5)电主轴的热稳定性；本章将就以上关键技术，在具体设计过程中加以详细分析，并提出针对于本课题的解决方法。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，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。目前，电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。磁悬浮轴承电气控制部分相当复杂，制造成本很高；流体静压轴承须根据具体机床专门设计，标准化程度低，所以它们的推广应用受到了很大的限制。滚动轴承是高速电主轴最常用的支承元件，而且首选角接触球轴承，因为其具有较好的高速性能。但滚球高速运转时会产生巨大的离心力和陀螺力矩，离心力增大会增加滚珠与滚道间的摩擦，而陀螺力矩增大则会使滚珠与滚道间产生滑动摩擦，使轴承摩擦发热加剧，因而降低轴承的寿命。为了提高轴承的高速性能，常采用两种方法：一是减小滚球的直径，如采用已标准化的71900系列主轴轴承；另一种则是采用新型的陶瓷(si3n4)材料做滚珠，由于si3n4陶瓷材料的密度仅为轴承钢的40%，因而这种轴承的高速性能明显高于全钢轴承。目前国外绝大多数高速机床主轴均采用这种轴承。为了满足电主轴高速、高刚度、低温升等设计性能要求，本设计电主轴的支承采用了角接触混合陶瓷球轴承。这种轴承的内、外圈仍为钢质，滚珠为si3n4陶瓷材料。此种轴承相对于钢制轴承有如下优势：(1)高速性能好si3n4陶瓷的密度只有轴承钢的40%，且直径小、离心力小，与同规格的钢制轴承相比，转速可提高60%以上，抗疲劳能力强，寿命长。(2)动刚度高由于si3n4弹性模量是钢的1.5倍，且采取小球密珠结构，即球径小了，球数增加了。根据球轴承的刚度与球径的1/3次幂、球数的2/3次幂成正比，所以，陶瓷轴承的主轴动刚度高。(3)温升低由于si3n4的导热率低，并有良好的摩擦特性和力学性能，所以温升低，与钢轴承比，温升可降低35%60%。(4)热稳定性好由于si3n4，这样是轴承的预紧力稳定，即热稳定性好。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内置主轴电机，正确设计电机的电磁参数是十分重要的：首先其磁通密度要高，以增大单位体积输出功率，缩小定转子体积。其次，电机的机械特性电气特性，需要和高速加工相适应，满足机床在宽调速范围内对功率和扭矩的要求。再次，转子在高速旋转时应有足够的强度。另外由于电主轴是在高频窄波下工作的，通常在其外壳产生强烈的感应电流。对定子进行屏蔽，采用特殊浸漆工艺，外壳接地也是必要的。内置主轴电机有两种驱动和控制方式：变频器控制和矢量控制。对于普通变频器，其控制特性为恒扭矩控制，输出功率与转速成正比。这种驱动器在低速时不够稳定，不能满足进行粗加工时大扭矩的要求，也不具备主轴准停和c轴控制功能，单价便宜，一般用于磨床和普通的高速铣床等。矢量控制驱动器的控制特性是：低速段为扭矩驱动，中、高速段为恒功率控制。这种驱动器在零转速时仍有很大的扭矩，加上电主轴本身结构简单，惯性小，因此启动时可是电主轴瞬间(12s)达到最高速。这种驱动器用角度传感器实现角位置和转动速度的反馈和闭环控制，可实现主轴准停和c轴控制，适用于高档数控铣床、高速加工中心和车削中心等。本课题选用日本fanuc公司生产的b160ll/13000i型内装式主轴电机。该电机可以采用双绕组(y，y接法)，使用转速范围切换控制可实现低速大扭矩、高速大功率。并且采用交流变频调速和矢量控制的电气驱动技术，输出功率大，调速范围宽，有比较理想的特性曲线。电机安装形式采用目前较为流行的，电机置于前、后轴承之间的结构。其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度高，出力大。3.2.3 主轴轴承的预紧与刚度为了提高轴承的刚度，抑制振动及高速回转时滚珠公转和自转的滑动，提高轴的回转精度等，在主轴上使用的滚动轴承均需预紧。轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚动体与滚道接触。预紧后，滚动体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将更多，各滚动体的受力将更为均匀。这些都有利于提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方面都有滚动体支承，可以提高抗振性。但是，预紧后发热较多，温升较高；且太大的预紧将使轴承寿命下降，故预紧要适量。预紧的方式主要有定位预紧和定压预紧。定位预紧是将轴承内外圈在轴向固定，以初始预紧量确定其相对位置，运转过程中预紧量不能自动调节。随着转速的提高，轴承滚子发热膨胀、内外圈温差增大、滚子受离心力及轴承座的变形等因素影响，使轴承预紧力急剧增加，这是超高速主轴轴承破坏的主要原因。但这种预紧方式对增加轴承刚度更为有效，即定位预紧时由负荷引起的位移较小；定压预紧是一种利用弹簧或者液压系统对轴承实现预紧的方式。在高速运转中，弹簧或液压系统能吸收引起轴承预紧力增加的过盈量，以保持轴承预紧力不变，这对超高速主轴特别有利。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性，所以定压预紧一般用在超高速、载荷较轻的磨床主轴或者轻型超高速切削机床主轴上。一般情况下，轴承手册中预紧力表所载为一对轴承背靠背(或面对面)的预紧力。对于多联组配的轴承，应乘以下列系数：三联为1.35；四联，三个同向与第四个背靠背为1.60；四联，两两同向，相互背靠背为2.00。这些数值只是装配前的预紧力。装配后，由于过盈，内圈将胀大，外圈将缩小，故预紧力将加大。装配以后的预紧力可按下式计算：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本电主轴在设计时要求其动平衡精度达到g0.4级，这是电主轴在高速运转时保持良好动态性能的一个重要技术指标。为此，本电主轴采用严格的对称性设计原理，取消机床主轴与电机转子之间的一切键联接和螺纹联接，用过盈配合所产生的结合力来传递电动机的扭矩。但过盈配合面应力的大小直接影响电主轴的性能。过盈量过大不仅降低了主轴与转子的装配性能，而且会影响主轴配合面的配合质量；过盈量过小则会影响主轴传递扭矩的能力。因此为了保证高速切削条件下主轴的运动精度和传动能力，必须对电机转子与机床主轴间的过盈量进行设计与校核，以适应高速电主轴设计工作的需要。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 由上式可知，静态分量与主轴的传动能力有关，它与主轴的转矩成正比；而动态分量主要是由离心力确定的，它与主轴转速的平方成正比。当主轴速度较低时，动态分量可以忽略不计，主轴的过盈量由静态部分确定；但在高速情况下，主轴过盈量受离心力的影响较大，因此高速主轴的过盈量主要由动态部分确定。3.3主轴润滑与冷却系统的设计3.3.1 主轴的润滑主轴轴承常见的润滑方式有脂润滑、喷射润滑、环下润滑、油雾润滑及油气润滑等。脂润滑不需任何设备，是低速主轴普遍采用的润滑方式。喷射润滑是直接用高压润滑油对轴承进行润滑和冷却，功率消耗大，成本高，在缸值大于的高速主轴中有所应用。环下润滑是一种改进的润滑方式，分为环下油润滑和环下油气润滑。油或油气从轴承内圈喷入轴承内，在离心力的作用下，润滑油更易于到达轴承润滑区，因而比普通的喷射润滑和油气润滑效果好，可进一步提高轴承的转速，如普通油气润滑条件下，角接触陶瓷球轴承的值为左右，采用加大油气压力的方法可将值提高到，而采用环下油气润滑则可达到。其结构上要求采用空心轴，轴承内圈上开通孔。缺点是结构复杂，轴承不易标准化，装配困难。油雾润滑是将润滑油(如透平油)经压力空气雾化后对轴承进行润滑的。这种方式实现容易，设备简单，油雾既有润滑功能，又能起到冷却轴承的作用，但油雾不易回收，对环境污染严重，故逐渐被新型的油气润滑方式所取代。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。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。油气润滑有如下优点：(1)可以准确提供最佳润滑油量。由于润滑油是一滴一滴进入压缩空气管道的，且不随空气流失，因此可按弹性流体动压润滑理论计算的最佳油量精确供油，大大减少了润滑油需要量，且发热量小；(2)流动的空气对轴承和主轴电机均有良好的冷却效果；(3)不断向轴承输送新的润滑油，故无须担心油的劣化；(4)压缩空气使轴承内部保持一定的正压，可防止外界固体杂质(如灰尘)或水蒸汽进入主轴内部：(5)油气始终处于分离状态，这有利于润滑油的回收，而对环境却没有污染；本课题采用油气润滑方式。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。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 主轴的密封对于高速电主轴来说，精密轴承会因为有各种小颗粒的进入而影响到精度和寿命，从而大大影响电主轴的性能。电主轴一般采用气密封，在机床加工时和停机半小时内，始终在吹压缩空气，其中作用有两部分，其一、保持主轴内部与外部始终形成压力差，保证加工区域的乳化液和切屑不要进到主轴前端的轴承里面，起到保护主轴轴承作用；其二、把电主轴的定子和转子之间水雾吹走，使其空间始终保持干燥，起到保护电主轴电机的作用。3.4其他关键部分设计3.4.1 主轴的动平衡在很高的转速下，主轴运转部分微小的不平衡量都会引起巨大的离心力，造成主轴的振动，影响加工精度和表面质量。因此，在设计及制造工艺上都应尽可能减小不平衡质量，轴上零件不宜采用键连接和螺纹连接，而尽量采用过盈连接。对于高速电主轴，动平衡精度一般应达到g1g0.4。本设计确定的动平衡精度为g0.4级。为达到动平衡精度要求，首先要在设计上尽量使各转动件实现自身的平衡，其次，轴上各转动件包括加工时轴端安装的砂轮在安装前都要分别进行各自的动平衡，装配完毕后再进行整体动平衡。电主轴结构中与主轴连接的最主要的转动部件是内置电机的转子。该转子与主轴之间以过盈配合来传递扭矩，其过盈量按最大扭矩计算，并同时考虑转速对转子产生的离心力作用，因为离心力较大时，使转子本体有径向膨胀的趋势，会抵消部分过盈量。另外，配合面的粗糙度也是计算过盈量所必须考虑的。在转子与主轴装配前，转子硅刚片的外径应预留一定的加工余量，用热压法装配完毕后，再对转子外径进行精车，以减小偏心质量。为了方便动平衡，在电机转子的两个端盖上对称地加工出24个小螺纹孔。另外，在主轴的前后两端的回转端盖上也对称的加工出12个螺纹孔，留作电主轴总装后的动平衡调整。根据动平衡机的测试结果，在螺纹孔内旋入螺钉，并调节至适宜深度，达到完全动平衡后，再用环氧树脂将平衡螺钉固化。3.4.2 主轴刀柄接口形式主轴与刀具是通过刀柄连接的，选择合适的刀柄对主轴的加工精度同样非常重要。加工中心的主轴锥孔通常分为两大类，一类是锥度为7：24的通用系统。该系统包括bt、nt、cat等标准形式；另一类是锥度为1：10的hsk系统。高速加工要求确保高速下主轴与刀具连接状态不能发生变化。但是，高速主轴的前端由于离心力的作用会使主轴膨胀，然而，标准的7：24实心刀柄不会有同样的膨胀量，因此连接的刚度会下降，而且刀具的轴向位置也会发生改变。因此，传统的7：24刀柄系统不太适合于高速加工场合。目前的高速加工中，大多采用锥度1：10hsk刀柄结构。但是，近年由日本big公司开发的bigplusbt(简称bbt)刀柄结构，改变了7：24锥度刀柄在高速加工中应用的劣势。这种刀柄同样采用薄壁空心结构，刀柄在拉杆轴向拉力的作用下，锥体会产生一定的收缩，所以刀柄的锥体和法兰端面较容易与主轴相应的结合面紧密接触，实现锥面与端面同时定位，因而具有很高的连接精度和刚度。此外，这种刀柄除了具有一般两面定位(如：hsk)刀柄的高速、高刚性、高精度加工特点之外，更具有与传统bt标准的完全互换性。由于bt刀柄已经有较为成熟应用技术，故本课题决定在其基础上选用bbt刀柄，型号为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。4.3轴的有限元分析在solidworks中画好轴的零件图，然后进入simulation模块分析主轴。分析过程如下：（1）做好分析准备，为主轴插入加载基准轴和分割基准面；（2）生成静态算例；（3）定义材料属性；（4）添加约束；（5）施加扭矩；（6）施加离心力；（7）划分网格并运行分析；（8）观察vonmises应力图解6。通过观察主轴的应力分析图，图4.7所示，可以看出主轴的应力大小是由颜色来区分的，颜色从蓝色到红色应力不断变大，主轴前轴承和主轴末端是应力最集中的地方，但最大应力点的应力，未超出材料（45钢）的许须用应力。从主轴的整体可以看出主轴表面大部分都是蓝色区域，没有出现一块块的其他颜色区域，说明主轴受力较均匀。综上所述表明结构设计较合理。图4.7轴的应力分析图4.8轴的疲劳强度分析第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出现各种类型的失效形式，但是套圈和滚动体表面的疲劳点蚀是滚动轴承的一种最基本和常见的失效形式，也是通常作为滚动轴承寿命计算的依据。轴承发生点蚀破坏后，在运转时通常会出现较强的振动、噪声和发热现象。滚动轴承的寿命是指轴承的滚动体或套圈首次出现点蚀之前，轴承的转速或相应的运转小时数。滚动轴承的承载能力计算主要是指轴承的寿命计算。5.1角接触球轴承的校核轴承轴向载荷fa1=ff=783.32 (n)，径向载荷fr1=4416.3 (n)，轴承转速1000r/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lh=25000h，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lh/h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fp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lh=25000h，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