车铣复合加工机床A28电主轴结构设计【说明书+CAD】
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车铣复合加工机床A28电主轴结构设计【说明书+CAD】,复合,加工,机床,A28,主轴,结构设计,说明书,CAD
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南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文） 南京工程学院 工 业 中 心本科毕业设计说明书（论文）题 目： 车铣复合加工机床A28电主轴结构设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： D机加工122 学 号： 231120418学生姓名： 柯珂 指导教师： 刘桂芝 （研究级高工） 起迄日期： 2016.2.222016.6.3 设计地点： 工程中心5号楼 毕业设计说明书（论文）中文摘要摘要：本课题研究的内容是针对车铣复合加工机床A28电主轴结构的设计。车铣复合加工集传统铣削与车削加工技术于一身，可显著提高机械加工效率、降低生产加工成本。所以车铣复合加工机床电主轴可以实现主轴的C轴功能，机床在加工时直接带动零件作旋转运动并与机床的X轴或与机床的Z轴联动，提高机床的生产率。本文采用文献分析法、比较法的方法，进行车铣复合加工机床A28电主轴系统结构的设计。车铣复合加工机床电主轴取消了齿轮与带传动，消除机械传动，采用内藏式电机传动的方式。设计过程中采用角接触轴承，实现电主轴的高速、高精度性能。采用油气润滑的方式，使得电主轴成本变低，并且润滑效好。采用油水的冷却系统，使电主轴更加简便，冷却效果更好。本设计提高了机床的加工精度，实现机床的高速性能，可以实现车铣复合加工。关键词：电主轴 车铣复合加工 高精度 毕业设计说明书（论文）英文摘要Title Milling machine tools A28 motorized spindle designAbstractThe contents of this research is milling machine tools A28 motorized spindle structure designed for. In one, can significantly improve the collection of traditional milling machining technology for milling and turning machining efficiency, reduce production and processing costs. So milling machine tool spindle can achieve electrical spindle C-axis function, direct drive machine in the processing of parts and rotary motion of the machine or the X-axis and Z-axis machine tools, machine tools to improve productivity. In this paper, literature analysis, comparison of methods, milling machine tools A28 motorized spindle system architecture design. Milling spindle electricity use built-in motors and belt drive gear canceled, but the use of built-in motors, direct drive spindle rotational movement. The design process uses angular contact bearings, electrical spindle speed, high precision performance. Using oil-air lubrication manner that electric spindle low cost, and good lubricating effect. Using water cooling system, the electric spindle easier, better cooling effect. This design improves machining accuracy, high-speed performance of the machine, milling machining can be realized.Keywords Electric spindle;Milling machining; High Precision目 录前 言1第一章 绪 论21.1 课题的研究背景和意义21.2 车铣复合电主轴的概述31.3 国内外研究现状和发展趋势41.4 课题研究主要内容6第二章 电主轴系统方案设计72.1 车铣复合加工中心主传动系统的要求.72.1.1主传动系统的功能要求72.1.2主传动的动平衡要求72.2 主轴部件的组成及要求. 82.3 主传动系统的主要参数.92.3.1主传动功率92.3.2主轴内径的确定92.3.3主轴强度的计算102.4 电主轴检测系统方案设计与确定.122.4.1车铣复合加工中心对电主轴系统旋转精度的要求122.4.2 主轴准停装置的选择.142.4.3电主轴水温控制系统的确定14第三章 电主轴组件设计和选用163.1 电主轴受力分析及主轴最佳支承计算163.2 确定主轴切削扭矩173.3 主轴的材料以及结构尺寸的设计183.4 主轴前后轴承寿命计算.183.5 主轴轴承的选用和配置方式213.6 主轴轴承间隙的调整和预紧23第4章 润滑、密封和冷却254.1 主轴轴承的润滑254.2 电机的冷却264.3 主轴的密封26第五章 技术经济分析285.1 技术经济分析的目的与意义285.2 成本材料分析285.2.1 非标准件285.2.3 标准件295.3 课题技术经济成本计算依据305.3.1 成本计算依据305.4 课题技术经济成本计算31第六章 结 论33致 谢34参 考 文 献35附录A 主轴箱装配图及各零件图36前 言本文是对车铣复合加工机床A28电主轴结构进行设计和研究。作为复合加工技术的一种，铣车复合加工要求有很高的加工效率和加工精度。 车铣复合加工主要是使机床主轴实现c轴功能，机床在加工时直接带动零件作旋转运动并与机床的X轴或与机床的Z轴联动，实现插补，完成零件的铣削功能。车铣复合电主轴与传统方式相比，车铣复合电主轴采用内装式电机，取消了齿轮传动，皮带传动等中间传动设备，实现机床的“零传动”1。车铣复合电主轴在高速下因热而会产生故障，因此限制了车铣复合电主轴的有效应用。本车铣复合加工机床电主轴由于是内置电动机2，电机运转的过程中所以会产生的热量而且轴承转动也会摩擦发热，使得电主轴的发热量很大，由此产生的很大热变形大大导致车铣复合加工机床的加工精度降低的更多。因此对于车铣复合电主轴系统结构来说，冷却是主要方面，选择良好的冷却方式极为重要。本文首先从电主轴的电机的结构方面进行归纳，比较系统的叙述了电主轴的设计理论。主要根据轴的主要参数选择电机型号，主轴的刚度也影响电主轴的工作性能，在设计主轴部件过程中，需要考虑、传动力、扭矩的作用，来决定主轴部件参数。主轴轴承的径向刚度是随着轴承预紧力的增加而增大，所以主轴刚度也会随着主轴前轴承刚度的增加而明显增大。在电主轴中，主轴前轴承对主轴的刚度影响是比较大的，所以轴承预紧力变大，主轴的刚度也明显加大，但是主轴后轴承对主轴刚度的影响并不大3。本课题主要的研究方面主要还有选择良好的支承跨距。角接触球轴承是电主轴选择的最好选择，并且选择正确的主轴轴承配置方式，影响轴承寿命的主要原因主要是主轴的温升，采用合适的控制温升系统很关键。主轴的润滑和密封的合理选择也是电主轴的关键所在4，为提高加工精度和降低电机的热量则需要选择良好的冷却方式。第一章 绪 论1.1 课题的研究背景和意义车铣复合加工技术是20世纪80年代工业历史上发展起来的一种新型的数控加工技术，他是近代发展的主要标志，标志着现代数控加工技术的飞跃性发展，并成为20世纪90年代各个国家想整设计研究和发展的重要方向。车铣复合加工是指将车床加工与铣床加工结合在一起5，利用车铣复合运动对零件进行加工，可以实现零件的全部加工和一次性加工的先进加工技术，适用于一些薄壁零件间的粗精加工，还是用于航天行业，军事行业等大型产品的加工，也。采用铣车复合加工技术不但提高了机床的生产率，而言的话。车铣复合加工技术是一种高金属去除率的“整体制造”技术，是新时代成长的标志，所以目前数控技术发展的重要方向就是车铣复合加工技术的实现6。在当今市场一些工业发达国家对于车铣复合加工技术的应用相当熟练，处于高应用状态。德国就会专门建立研究机构,从事车铣复合加工的设计与研究,并且德国的研究技术都在全球处于最前端的位置。美国在一些实际应用中就比较突出，比如航空行业，军事产品制造等。使用车铣复合加工技术为了节省一半以上的生产时间，而尺寸和切削刀具的数量大大减少，成本是传统加工的百分之一左右。车铣复合加工机床的主要特点功能运用的范围广而且结构之间也很紧凑。因此，车床铣削机床的要求比普通机床的更高。为了使车铣机床可实现高速，高效率的一些关键技术，主要有以下5个方面7：1.电主轴；2.双边重心驱动技术；3双功能铣车转台；4摆头动力刀塔，铣车复合加丁中心电主轴热态；5轻量化设计。 这其中，车铣复合加工机床种主要的功能部件就是电主轴了，并且电主轴的性能直接影响车铣复合加工机床的工作性能，车铣复合加工机床电主轴在运转过程中会产生大量的热量，加大电主轴的温升和热变形，从而降低整个加工机床的精度。零件加工过程中，电主轴的高速旋转，产生大量的热能产生热变形，整个热变形产生误差占到整个机床加工误差的百分之四十到百分之七十。现在车型复合加工技术的发展最关键的就是抑制温升、减小热变形。国内在电主轴研究和发展方面重要认识比较晚，国内电主轴技术的落后是导致中国铣车复合加工技术落后重要原因。图11所示为立式铣车复合加工中心整体结构图。 图1.1立式铣车复合加工机床整体结构图1-Y轴直线导轨;2-立柱;3-A轴刀架滑板装置;4-A轴铣车刀架；5-中空滚丝杠副；6-螺旋排屑装置；7-回转工作台；8-转台底座；9-底座1.2 车铣复合电主轴的概述现代机床普遍精度不高，效率低，所以导致产品水平不高，但车铣复合加工机床电主轴具有动平衡的能力，降低主轴振动对加工精度的影响，并且电主轴的结构简单并紧凑而且体积小重量轻。是复合机床主轴单元的理想结构。数控车床只能做轴向加工，主轴并不具备c轴功能，当需要进行工件表面加工的时候，就需要用到c轴功能，所以需用到车铣复合加工机床车铣复合加工机床电主轴系统是由内藏式电主轴及高精度速度与位置反馈装置组成，使机床的主轴具有C轴功能，机床在加工时直接带动零件作旋转运动并与机床的X轴或与机床的Z轴联动，实现插补，完成零件的铣削加工8。所谓车铣复合加工，就是使机床主轴具有复合加工的功能，主轴具有C轴功能，通过C轴传动机构中的齿轮与主轴上的齿轮啮合实现C轴功能，但齿轮之间的啮合，会导致两个齿轮的齿顶相碰，使机床出现故障,。用机械传动的方式实现C轴功能，主要是在不用改变主轴箱的基础上，增加一个C轴主轴箱就行，不过C轴控制箱传动轴只能通过锥形环联轴套与主轴后端相连，使用的场合比较少，用起来十分麻烦9。为了更好的实现C轴功能的方式主要有三种。第一种由电主轴直接驱动，电主轴的驱动惯性小，传动链的间隙彻底的消除了，当切削材质较软的材料和较小零件时，如加工铝及铝合金、铜及铜合金等零件时零件表面的加工质量都会显著提高，在切削一些高硬质材料的零件同样满足切削要求。第二种是伺服主轴电机由带轮驱动，用带轮驱动方式转矩要比主轴的转矩大，所以只能加工一些较大的零件。第三种用进给伺服电机经减速器驱动。运用减速器进行C轴功能的时候，有减速器的减速比会很大，导致主轴的扭矩也会变大，为了保持加工精度，机床的旋转速度要求都会很高，会导致C轴出啊动系统直接与工件主轴脱离，不然会成为车削障碍的。对比三种方式,电主轴驱动的方式实现C轴功能是最好不过的。1.3 国内外研究现状和发展趋势 20世纪80年代，电主轴已经呈现快速发展的的趋势，我国最早电主轴应用在磨床行业，因此，电主轴技术是越来越重要，更是对复合加工机床等高档机床更重要。现在数控化行业快速发展，对机床的加工精度和高速加工的要求也越来越高所以在电主轴应用也越来越多，国外主要从事电主轴方面制造的主要有以下几家：德国GMN、瑞士IBAG、 日本大限等，其中更是以GMN、IBAG等几家的电主轴技术水平成为全球最先进发展标志。这些公司生产的电主轴和国内生产的电主轴相比有以下几个特点10：(1)大功率、高转速(2)精密装配与精密加工工艺水平高 （3)高速和高刚性轴承。在国外高刚度和高速轴承主要在在高精密高速主轴使用。主轴承是液体动压轴承和陶瓷轴承。(4)配套控制系统水平高一些工业发达的国家都开始研究并发展和生产各种商品化的加工机床。所以我国与国外的电主轴技术有很大的差距，国产电主轴在性能当面和质量绵绵与国外比较都是有很大的差距的。国内与国外的电主轴的产品的差距主要体现在以下几个方面11：1.在电主轴的大转矩低速方面，与国外相比国内目前最多也就在100Nm以内。国外电主轴低速段的输出转矩可以达到300N m以上,最高也可以达到600Nm以上。2.在电主轴带的高速方面,我国电主轴的最高转速为150000r / min，国外的高速电主轴的转速已经达到75000r/min，不过我国大多数在20000r/min以下。3.在电主轴的润滑方面，我国电主轴主要还是油雾润滑和油雾润滑，这是在我国主要的两种润滑方式，不过国外对润滑的研究就更加先进了，为了满足电主轴高速高精度的要求，用的是尤其润滑的方式。4.在电主轴的性能和功能方面，在我国，电主轴主要还是用于不同机床，应用的不够全面，但是与国内不同的是，国外早已在高速、高精度、和多功能方面发展了。5.在电主轴的轴承选用方面，国外高速轴承电主轴应用的很多，但是在国内我们对于电主轴的应用还是不够全面，对于电主轴的研究还是欠缺许多。6.在与电主轴配合装配方面，如快速启动与停止技术、主轴C轴传动技术、停机角向准确定位(准停)技术等，国内电主轴发展技术太慢，远远跟不上国外的发展与进步，满足不了国内现在数控市场应用的需要。7.在生产的零件质量，大小，数量的方面，在我国有很多大的企业针对电主轴进行设计、研究和制造，但那是在我国电主轴 还主要应用于磨床的方面。在国内，电主轴在数控机床上应用，还处于最开始的阶段，尤其在研究和设计方面还处于最基础的阶段，并没有产生没有多大进步，因此与国外的先进水准比较存在较大滞后，远远比不上国外的产品。并且国外的企业在电主轴关键部件的研究上有很高的创新性，在国际上，电主轴中的编码器，道具接口等主要部件产品都是国外企业自主设计，研究并制造的，这就是国外最重要的地方。电主轴技术的发展趋势表现在以下几个方面12：1.继续向高速度、高刚度方向发展；由于现在电主轴越来愈注重主轴当刚度的影响，所以都会增加主轴刚度，所以主轴刚度的增加也满足了数控机床高速高精度的要求。现代数控机床在实际应用出高速是主要条件，并且当今主轴轴承和器润滑技术的发展等些主要的技术的发展，数控机床已经是当今最主要的应用机床。2.向主轴高速并且功率大的方向和主轴低速且大转矩方向发展。根据要求现代数控复合机床就要满足低速大转矩和高速功率大。3.向着提高机床工作时间，提高机床的可靠性和机床的精度方向发展。现在数控机床市场的精度和可靠性要求越来越高。而目前的精密主轴轴承、先进的润滑方法和预负荷的特殊方法，使电主轴的寿命得到了改善，电主轴的可靠性得到了提高。4.向快速启、停方向发展。5.主轴轴承的润滑方式和轴承载荷的多种化。在当今市场中，润滑方式有油脂、油雾、油气等。油脂润滑是现在市场最主要的润滑方式，油气润滑主要应用于告诉场合和安全节约资源的场合，因此油气润滑的润滑方式得到广泛应用；在滚动轴承中，使使用也压得方式对轴承施加压力，而且还可以根据周周负载的载荷和主轴反馈的负载大小。因此可以让轴承的性能更加全面。1.4 课题研究主要内容本课题的研究内容主要以车铣复合，高速，高精度的电主轴为主要研究目标。从实现电主轴的车铣复合，高速，高精度入手。1、复合机床电主轴向高速化、高精度发展，所以电主轴的冷却和润滑是一个问题，对冷却系统和润滑方式进行研究。2、计算确主轴切削扭矩，分析主轴的刚性和刚度，计算主轴的最佳支撑跨距，分析主轴实际支撑跨距。3、研究轴承的润滑和磨损，还有主轴轴承预紧力影响刚度。从而对机床主轴结构的理解和分析。4、根据主轴直径选择合理的轴承，研究轴承配置方式来减轻轴承预紧力，并研究轴承的使用寿命，选择合适的方式提高轴承寿命。5、车铣复合加工是我国现在主要的发展方向，车铣复合加工主要是使主轴具有C轴的功能。为实现复合加工机床C轴功能，机床在加工时直接带动零件作旋转运动并与机床的X轴或与机床的Z轴联动，实现插补。比较三种实现c轴功能的方法，选择出电主轴驱动的方式是实现C轴功能最好的方式。第二章 电主轴系统方案设计2.1 车铣复合加工中心主传动系统的要求2.1.1主传动系统的功能要求车铣复合加工机床具有较高的精度及丰富的加工性能，特别适用于军工，航天，航空等复杂零件加工。当机床进行铣削加工时，工作台会作为主轴，也就是具有C轴功能，实现机床的铣削加工。当机床进行车削加工时工作台只做旋转运动，对旋转的位置不进行控制。作为C轴时时工作台需要的驱动扭矩小，而作为车削运动旋转时需要的驱动扭矩较大。具有更大的调速范围并实现无极调速。2.1.2主传动的动平衡要求主轴的动平衡就是指主轴的动态平衡,主要就是主轴在旋转的过程中产生振动的程度。电主轴中，转子按主轴轴线旋转，并转子轴向分布质量不均匀，导致离心力的产生，这种离心力就会让主轴产生振动，从而对主轴的轴承产生较大的磨损，影响轴承的使用寿命，并且主轴产生振动也会发出噪声。 去重法和增重法是使主轴动平衡常用方法。去重法主要用于小型主轴的场合。这种方法就是在电动机的转子上装一个去重盘，当电动机转自和主轴其他重要部件安装在主轴，当主轴产生振动产生的时候，切除去重盘上的不平衡量保证主轴的动平衡。增重法是一种新型的动平衡方法，主要用于高速和无框架电机场合。再点击两端安装平衡盘，在平衡盘上设计有螺纹孔，在螺纹空内拧进螺钉，控制拧入落定的深度和回转位置来使主轴实现动平衡。如图2.1所示。电主轴的主轴是转轴，电主轴的最终精度是和转轴的精度息息相关的。转轴的位置、尺寸和形状精度的要求都很高。主轴在进行高速运转时，会产生离心力，导致主轴会发生抖动，影响电主轴的加工精度，所以转轴和安装在主轴上的零件都要满足动平衡能力。图2.12.2 主轴部件的组成及要求1、主轴主轴的主要尺寸参数包括：主轴的直径、主轴内孔直径、主轴的悬伸长度和主轴的支承跨距。要确定各个主轴的合理的参数，要根据比较主轴的刚度，主轴结构上工艺性能和主轴部件的适用范围内的悬伸长度和支承跨距。通常根据主轴的刚度。耐磨性、热处理变形大小和载荷等因素确定。根据比较所以主轴材料选择20GrMnTi是最合适的。2、主轴轴承电主轴主要支承部件是精密高速轴承。轴承具有高速性能，动载荷承载能力高，发热量小，润滑性能好等优点。车铣复合加工机床具有高精度，高速度的要求。所以要选择滚动轴承，综合比较角接触球轴承是最好的选择。并且轴承之间的配置方式进行要求，选择正确的配置方式。3、轴壳电主轴的主要部件轴壳。轴壳的位置精度和尺寸精度直接影响主轴的综合精度。4、主轴的润滑与密封装置主轴在高速回转中，要保证零件的高精度，必须保持良好的润滑性与密封性能。选择良好的润滑方式是最主要的要求。2.3 主传动系统的主要参数2.3.1主传动功率主轴端部尺寸GB/T 5900.1-2008 A28根据表2-1表2-1主轴端部尺寸 选择主轴前轴直径D1=130mm；主轴后轴直径 D2=110mm根据对比，主轴在强度一定下，空心轴的重量是远远比实心轴小，小了大约有三分之一，不仅减轻了主轴的重量而且也节约材料。改为空心轴主要是因为扭转圆截面上的切应力是按照主轴半径呈线性分布的，主轴中心线周围的切削应力都会很小，发挥不了主轴材料的基本特性。当把实心主轴改为空心主轴的时候，就是相当于把主轴中心线周围的材料往周边偏移，然后导致主轴截面的极惯性矩抗扭截面系数，使主轴的扭转强度得到了提高。空心中适用于一些使用大型轴的场合或者有主轴重量要求的场合中。需要注意的是，空心轴的壁厚也不能过薄，以免导致轴产生局部变形产生裂纹，从而降低轴的承载能力。因此，本车铣复合加工机床的电主轴的主轴一采用空心轴。2.3.2主轴内径的确定查询机械设计手册6.1-85由图可知，当时，内孔直径的对主轴的刚度是没有影响的，因此主轴内孔直径d的极限dmax为：dmax0.7K实，即刚度削弱小于25%。若孔径再大，主轴刚度就会急剧下降。所以选择0.50.6，式中d1为前轴颈内孔直径。所以选择内孔直径的：前内孔直径d1=100mm、后内孔直径 d2=85mm根据主轴参数前轴直径D1=130mm、后轴直径D2=110mm2.3.3主轴强度的计算扭矩计算： (2-1) P主轴的功率 n主轴的转速 (2-2) 主轴的极惯性矩计算： (2-3) D主轴直径 d主轴内孔直径 前轴的极惯性矩： (2-4) 后轴的极惯性矩： (2-5)主轴的抗扭界面系数计算： (2-6) D主轴直径 前轴的抗扭截面系数： (2-7） 后轴的抗扭截面系数： (2-8) 主轴的强度计算： (2-9) T主轴的扭矩 Wt主轴的抗扭矩截面系数主轴前轴强度： (2-10)主轴后轴强度： (2-11)表2-2电机参数 表2-3电机型号 如表2-2和表2-3，根据主轴直径和内孔直径选择电机型号Siemens 1PH2184，功率范围p=14.517.kw，选择最大的电机功率p=17.7kw、转速 n=600r/min以上公式均引用于机床设计手册第三册2.4 电主轴检测系统方案设计与确定2.4.1车铣复合加工中心对电主轴系统旋转精度的要求主轴系统是机床的重要部件。所以主轴系统对主轴系统对于高速、精密的数控机床就显得特别重要。主轴系统普遍采用内置电动机，而且内置电动机是现代国际数控机床的最新发展方向，电机定子安装在主轴箱体的孔中，电机与主轴是一体的，所以取消了机械传动并消除机械间隙。电主轴在如今数控市场应用的越来越广泛。电主轴中电机转自和主轴由于是直接接触的，电机工作会产生大量的热量，热量会传递给主轴箱，导致电主轴的精度，速度受到影响，所以必须选择合适的温升系统。主轴的旋转精度是指主轴在运转过程中发生空载运动，主轴端面定位面的径向跳动、端面跳动和轴向窜动值。电机的转子一般是处在前轴承和后轴承之间的，电机转子是与主轴过盈配合的，由于是过盈配合，所以转子与主轴之间产生较大的摩擦力，以摩擦力来传递扭矩。不过转子内孔与主轴配合面之间有很大的过盈量，所以采用热装方式，加热电机转子装配主轴。在电主轴的后端部会装有一个位置和速度反馈装置，让主轴呈现主轴回转全闭环状态。影响电主轴的旋转精度的因素可以分为五类： （1）工作环境的影响 ，电主轴的润滑，负载（2）主轴系统的组件，包括主轴本身、轴承等相重要组件的几何精度及其装配精度 （3）随机因素影响 （4）热变形，电主轴在回转过程中会产生热量，然后导致热变形电主轴的回转因素有许多，而且也特别复杂，所以在做精确计算时候无法考虑所有因素。所以为了对主轴系统进行精确的系统计算，对以下方面进行了考虑： （1）工作温度环境温度低于20（2）主轴部件在力的作用下，产生的变量可以不考虑（3）采取正确的装配方式（4）合适的润滑方式主轴组件的几何误差会由于主轴的受力不同对主轴回转精度的影响也会不一样。如图2.4 所示主轴值金额带着道具进行回转切削运动，刀具也会受到切削反力的作用，并且会随着主轴的旋转而旋转，所以导致主轴上的某一地方也会绕着滚动轴承旋转。 图2.4 图2.5轴承的误差的类型有很多所以对回转精度也会产生不同的影响。如图 2.5所示轴承本身的误差可以分为四种： 1、在滚动轴承中会产生尺寸误差，然后导致轴承内圈向某个位置偏离。一些大尺寸的滚动体会使得轴承内圈向对面偏离，让轴承外圈与轴承出现误差。 2、回转性的主轴的滚到的圆度差别的影响往往是小于刀具旋转型主轴的。有些轴承的滚到也是具有圆度误差。在刀具旋转型主轴当中，刀具会受到切削力，让主轴上的某一个位置沿着滚道滑动，并且轴承滚道的圆度误差会直接在轴颈上反映出来，形成径向跳动。当遇到这种情况下，滚动体会受到主轴旋转停止时的挤压，增加磨损，降低轴承的寿命。3、轴承中的滚动体是有减小摩擦和定位的作用的。不过轴承滚动体存在圆度误差和尺寸误差都会影响主轴的定位精度，主轴旋转的时候同时带动轴承内圈回转，轴承滚动体也随之旋转。在滚动轴承中是会有许多滚动体的，当所有滚动体一起旋转的时候，主轴的轴颈会产生不同位置的跳动，从而形成径向跳动。滚动轴承中滚动体是要大于其他滚动体直径的，当压力大于零界点的时候，主轴轴颈的回转中心就会偏置。4、在滚动轴承中滚道是有斜度的，并且使滚动体与滚道产生巨大的磨损，从而影响到主轴的高速旋转。而且滚到的斜度影响滚动体绕主轴中心公转，使得滚动体的自传变大，影响轴承的冷却和润滑。2.4.2 主轴准停装置的选择主轴的准停其实是指主轴的定位方向功能，也就是机床受到准停装置发放准停命令的时候，主轴停止在规定的方向和位置，还保持力矩存在。在加工中心中，主轴的准停功能就是自动换刀功能，使主轴与刀柄上的键槽对准，使主轴停转并准确停在固定位置上。在车铣复合加工机床中，主轴的准停功是在加工过程中，使机床可以对零件平面的铣削加工，主轴做主运动外，可以做分度运动和圆周进给运动。车铣复合加工机床进行铣削加工时，机床主轴与C轴联动，主轴保持缓慢旋转或者停止状态，这时候主轴是作为进给轴工作，在车削过程中，主轴是作为主运动进行旋转，刀架作为进给轴进行轴向移动。主轴的准停装置有机械控制的主轴准停装置和电气控制的主轴准停方式。机械控制的准停方式定向可靠，精确，但结构比较复杂。电气控制的准停方式主要由安装在主轴上的编码器实现，不需要机械部件，可靠性高，准停时间短，且有高的精度和刚性，车铣复合加工电主轴的准停装置是由安装在主轴上的编码器实现。实现方式主要由光栅式编码器、磁性式编码器和齿轮式编码器。本车铣复合加工机床的电主轴的设计采用的圆磁栅编码器作为反馈元件，磁性式编码器可以使使主轴输出最小单位1/1000。2.4.3电主轴水温控制系统的确定图2.4.3中的电动机的定子4通过一个冷却套2固定在电主轴的主轴箱体1上。冷却水从冷却水进口3流入复合电主轴的冷却套，在电主轴中循环流淌，带走在电主轴中产生的热量，最后冷却水从出水口6流出来。并且在机床外有一个水温控制的装置。这个装置中水的温度保持在2023中间，如果水温不在这个范围内的话，水温控制会自动的加热或者冷却。电主轴在高速运转下，内置电动机会产生大量的热量，热量传递到冷却套上，冷却再循环流淌的过程中带走产生的热量，以确保电主轴的温升在规定之内。 1-主轴箱体；2-冷却套；3-冷却水进口；4-定子；5-转子；6-冷却水出口；7-主轴；8-反馈装置；9-主轴前轴承；10-主轴后轴承图2.6电主轴结构第三章 电主轴组件设计和选用3.1 电主轴受力分析及主轴最佳支承计算电主轴的受力分析如图3.1所示图3.1主轴受力主轴悬伸量a是指主轴前端面到前支撑径向反力作用中点的距离。主轴悬伸量与主轴端部的结构，大小，密封装置和轴承的分布情况等有关所以主轴悬伸量在满足要求下尽可能去最小值。所以选择主轴悬伸量a=102。支撑跨距L是指主轴相邻两支承轴反力作用点之间的距离。根据表6.1-45选出刚度: （3-1） D1主轴前轴直径 电主轴前轴刚度： （3-2）电主轴后轴刚度: （3-3）根据 （3-4） 查表3-1主轴最佳跨距计算线图 （3-5）表3-1主轴跨距最佳计算线图式中E弹性模量。钢的 I主轴的截面惯性矩 C主轴的前轴刚度 a主轴的悬伸量选择初选，最佳支撑跨距主轴部件设计通常取支撑跨距除了结构设计原因外，从主轴旋转精度来看，当直径D和跨距a一定时，L越大，则轴承的径向跳动对主轴前端的径向跳动影响越小。当由于结构的原因而需要L远大于L0时，可增加中间支撑，就是三支撑结构。中支撑为主要支承，且取前，中支撑跨距，便可显著增加主轴部件刚度。选择实际跨距L0=476。3.2 确定主轴切削扭矩 主电机主要满足负荷切削的要求，现假设如下切削条件：材料：45钢；热处理：正火；工件直径：100mm切削速度:150r/min 切削用量：背吃刀量ap=3mm；进给量f=1f/mm； P=2000n/mm2a. 主切削力 (3-6) P弹性模量 b. 切削扭矩 (3-7)c. 切削功率 (3-8) 3.3 主轴的材料以及结构尺寸的设计 主轴的材料一般根据强度，耐磨性和承载能力来选择。本设计是针对车铣复合加工机床电主轴来选择主轴材料。所以本主轴材料选择20GrMnTi。 图3.2主轴结构 如图3.2所示，主轴的前端是根据端部尺寸GB/T 5900.1-2008-A28选择，主轴外圈直径、内孔直径以及主轴长度的选择根据本论文第二章第三节设计选择。在主轴1和5处会设计一段螺纹，并装安装锁紧螺母，实现轴承的预紧；在主轴2处，设计一个平键连接，使主轴与法兰座实现周向固定；在主轴3和5处主轴设计成台阶，实现主轴轴承的轴向固定。3.4 主轴前后轴承寿命计算主轴承受径向力Fy计算： (3-9) 如图3.3所示。前后轴承所受的径向分力计算： (3-10） (3-11) 图3.3主轴径向力夹头体重量计算： (3-12)图3.4夹重体受力分析如图3.4所示夹头体的受力分析，G在两个轴承处支承的分力计算： (3-13) (3-14)图3.5主轴轴承受力分析如所示3.5所示，主轴前后轴承处所受切削力的计算： (3-15) (3-16) 两个轴承处承受的总径向力计算： (3-17) (3-18)图3.6轴承支反力 如图3.6所示，主轴轴承所承受的支反力计算： (3-19) (3-20)表3-2 主轴平均转速分析转速r/min5001000150020002500300035004000与机床总运转时间之比0.10.10.150.150.150.150.10.1 根据表3-2求平均转速 (3-21)角接触球轴承寿命计算公式： (3-22)查轴承型号表206-8主轴前轴承额定静载荷： (3-23)主轴后轴承额定静载荷: (3-24)前轴承寿命: (3-25)后轴承寿命: (3-26) 前轴承型号: 13018024/ B71926E.T.P4S.UL（FAG） 后轴承型号: 11017028/ B7022C.T.P4S.UL（FAG）3.5 主轴轴承的选用和配置方式电主轴的轴承承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。电主轴的主要支撑元件是滚动轴承。电主轴结构基本上都是采用角接触球轴承支撑轴承的配置形式也是取决于载荷的方向、大小以及主轴的工作要求。根据轴系零件定位形式不一样，轴的支撑结构可分为三种型式：两端游动支承，一端固定、一段游动支撑和两端固定支撑。电主轴的结构设计采用两端固定支承，在采用两端固定支承时，应该留出适当的间隙，用来补偿工作时轴的热伸长量，同时应该提供适当的调整间隙方法。我采用角接触轴承，可以通过调整螺母来调整轴承之间的间隙，让主轴能够实现正常运转。首先通过对电主轴的受力分析，得到轴承大约承受3000N到4000N之间的载荷，属于中等载荷。故采用球轴承，并且电主轴有较高的极限转速，电主轴的转速在0r/min到4000r/min之间，所以优先选用球轴承。在球轴承中，角接触球轴承承受径向力和轴向力，本设计主轴在运转的过程中，也会产生轴向力和径向力，综合比较下，角接触球轴承是最好的选择方式。如图3.7所示，根据接触角的不同会有许多差距，当的轴向刚度较所以径向刚度和允许的转速也会很低。当的时候，主轴转速可以更高些，不过会导致轴向刚度较低，常用于轴向载荷小的场合。 图3.7角接触球轴承的型号最后通过对主轴的受力分析，刚度分析。如图3.8所示主轴后轴采用两个背对背的角接触球轴承，如图3.9所示主轴前轴主要采用背对背和串联三个的角接触球轴承。 图3.8 电主轴后轴轴承装配 图3.9 电主轴前轴轴承装配3.6 主轴轴承间隙的调整和预紧角接触球轴承通常为点接触，刚度较也会比较低。为了提高轴承的承载能力和刚度，常用多联组配的办法。如图3.10所示的是在当今应用中最主要的三种装联配置方式，分别是面背对背、面对面、串联三种。 背靠背 面对面 串联 图3.10轴承的装配方式轴承在预紧之后，两个再在一起的轴承之间就会不存在间隙了，轴承中滚动体在不同位置上支承主轴导致主轴的精度得到提高。轴承中的滚道是不可以保持标准圆形的，滚动体的直径也是不能保持相等，所以结果就是轴承在预紧前只能保持少量滚道和滚动相接触。轴承预紧后，会使得轴承的滚道和滚动体受到压力导致变形，并且让受力的滚动体变多并且受力变得也很均匀。明显的提高轴承的使用寿命、回转精度精度、刚度。不过轴承预紧后，会使热量增加，发热的会更多，导致温升提高；从而轴承预紧会导致轴承寿命下降，所以要合理的轴承预紧。如图3.11所示，角接触球轴承是在轴向力Fa0的作用下（图a），使内，外圈产生轴向错位实现预紧。多联角接触球轴承是根据预紧力组配的。并且现在的轴承厂规定了轻预紧、中预紧、重预紧三种级别预紧。轴承厂在内圈（背靠背图b）或 外圈（面对面图c）组配，图c的断面根据预紧力磨去。装配时挤紧，便可得到预定的预紧力。在轴向载荷作用下，不受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱离接触。而满足这个条件的最小预紧力，双联组配为最大轴向载荷的35%；三联组配为最大轴向载荷的25%。 （a） （b） （c）图3.11轴承的预紧以上公式都选自机床设计手册第三册和现代数控机床第二版第4章 润滑、密封和冷却4.1 主轴轴承的润滑主轴轴承的润滑方式有：油脂润滑方式、油液循环润滑方式、油雾润滑方式、油气润滑方式等方式。(1)油脂润滑方式 油脂润滑是目前运用在主轴轴承最多的一种方式。所用的油脂种类：高级锂基油脂或德国产NBU-15型油脂。主轴前端的密封方式采用迷宫式密封方式；后端密封，则既可以使前端类似方式，也可以使特殊密封圈密封。(2)油液循环润滑方式 油液润滑主要是在机床转速中等的场合。例如THM6350型精密卧式加工机床主轴后支承，就是采用这种强制冷却的有液循环润滑方式。(3)油雾润滑方式 采用油雾润滑方式，冷却效果好。油雾润滑通常利用空气对轴承产生压力，但油雾容易被吹出，污染环境，与油脂润滑相比，摩擦力矩和温升都大。(4)油气润滑方式 油气润滑方式主要是为了方便高速主轴润滑而研究开发的新型润滑方式。供油量比油雾润滑少，但可准确供给极少量的油液，且对油的粘度和极压添加剂不受控制。当油气润滑空气压力高和流量大的时候可产生冷却作用。比且油气润滑可以防止冷却液和杂志颗粒进进入主轴轴承。但是油气润滑的成本很高，油气润滑原理图如4.1所示。 图4.1油气润滑原理图综上所述，要保证电主轴的高精度，高速要求以及考虑对成本的分析，油脂润滑是最好选择。4.2 电机的冷却内置式电动机组成主要是带冷却套的定子和空心转子，带冷却套的定子是直接安装在主轴的壳中的，而空心转子通过过盈配合的形式直接套装在主轴上，从而导致变频电动机和主轴的是合为一体的。车铣复合电主轴因为是采用内置式主轴结构，所以电动机是在电主轴箱体内，电主轴内部不能装电扇散热，所以导致电主轴内部散热条件较差因而这样需要一一些冷却措施降低电主轴电机的发热。到目前为止，现在电主轴基本上运用的就是冷却水循环控制系统的温升或者是运用油冷却装置控制冷却油在主轴轴承外强制冷却，这届带走电机在旋转过程中产生的热量。图4.2所示为本设计中电主轴采用的油水热交换冷却系统简图。在这个冷却系统中，直接采用冷却油水通过冷却套直接带走电主轴在旋转过程中产生热量。在冷却的过程中，要考虑电动机的绝缘安全，要对定子进行连续大量地循环油冷。冷却油从油液入口进入，把从电机钉子上产生的热量直接带走然后从出油口流出来，经过冷却交换器把水油冷却到室温，最后在流入油箱，之后经过油泵增压流到油液进口，实现电主轴的循环冷却。 图4.2冷却原理图4.3 主轴的密封 对于车铣复合电主轴来说，轴承在运转的过程中，主轴箱里会产生许多细小颗粒物进入轴承中，从而导致降低主轴轴承的精度和寿命，这样会对主轴轴承的性能有产生巨大的影响。由于电主轴的电动机为内置式电动机，电机运转过程中削液会少量进入主轴，导致里面会过分潮湿、而且一些粉尘也会使电动机绕组的绝缘变差以至于失效，然后可能会烧毁电动机。因此电主轴必须防尘防潮而且也必须防止切削油进入主轴。所以电主轴的密封工作是最主要的考虑的问题。轴承的密封装置有接触式密封和非接触式密封两种。接触式密封一般有间隙式、迷宫式、垫圈式等不同的接触结构。由于非接触式的密封件和轴或者配合件有接触，所以一般常用在高速轴承中的密封。接触式密封包括毛毯密封、橡胶密封等。在此类密封装置中，密封件会与其他配合件直接接触，所以在运转的过程中会产生磨损，温度会提高，一般适用于中低速的轴承密封。迷宫式密封主要是由许多环形齿依次排开，各个环形齿之间存在着间隙，形成迷宫一样的密封方式，这样形成的密封方式可以是冷却油，杂质颗粒进入轴承。迷宫式密封圈之间是存在间隙的，而且主轴轴承受热膨胀的时不受影响的。适用于高速、高温场合。所以本设计采用的是迷宫式密封圈进行密封。如图4.3所示。 1-法兰座；2-主轴图4.3 迷宫式密封第五章 技术经济分析5.1 技术经济分析的目的与意义技术和经济分析是一种增加经济收益，促进作技术成长的为目标的科目，虽然在整个科学技术和经济学两个不同的领域，两者之间相辅相成，当一个国家的技术进步了，那就会成为国家发展重要一部分，所以经济的快速成长是作为技术发展的材料基地。科技与经济的使用成本会计等相关信息，成本分析（人力，物力，财力）水平和结构的变化。在当今社会经济快速发展，所以国内也非常注重科技上的研究，但是研究成本会是最大的阻碍，在本设计车铣复合电主轴当中，电主轴当中电机、冷却系统、润滑和密封装置、以及主轴轴承都需要很高的成本，所以需要做好电主轴的成本分析。做好成本分析是现在最关键组成部分，企业在做好成本分析的时候，厂家会正确的经济分析产品最开始的投入，能够预见企业生产的产品可以给企业带来多少利润。一家公司如果可以合理的进行成本分析，就可以成为企业实现盈利的最重要的依据。 成为合格的设计人员，在相关部分的设计，但也考虑到的因素的成本，成本分析是关系到企业带来经济利益。5.2 成本材料分析5.2.1 非标准件表5-1非标准件外购费用序号名称材料数量净重（Kg）1法兰盘4520.8882垫圈圈4520.9333轴4512.1814冷却管道高精度冷却油管20.695轴套4520.1876紧定螺钉4510.00067密封圈尼龙101040.0018垫块4522.049平键4510.8810底板4513.00211接头4520.95 45刚总净重：G1=9.1976kg，尼龙1010件的总净重：G2=0.004kg，高精度冷却油管G3=1.388kg目前，45钢的价格为3400元/吨，尼龙1010的价格75000元/吨，LY12铝棒的价格28000元/吨。表5-2外购件序号名称数量单价（元/件）1角接触球轴承B71926E 3 42角接触球轴承B7022C 2 4非标准件外购总费用为221.5元5.2.3 标准件装配图中标准件的统计，如表5-3所示。表5-3标准件外购费用统计序号名称规格数量单价（元/件）1锁紧螺母M61630.012螺栓M41240.013六角圆柱螺钉M53560.014内六圆柱 头螺钉M83080.015锁紧螺母M63030.016紧定螺钉M835617六角螺母M1041表5-3（续）9弹簧垫圈1620.0210螺栓M43560.0111圆柱销M83560.5312内六圆柱头螺 钉M123060.0113螺母M208114螺母M2221标准件的外购件费用为32.34元5.3 课题技术经济成本计算依据5.3.1 成本计算依据本次设计的总成本就是购置零件所花费的费用和加工费用。依据计算公式：零件成本=材料费用+加工工时费用材料费用=材料单次价格材料的毛坯重量毛坯的重量=净重/材料的利用率材料的利用率：455钢0.6-0.7，尼龙10100.6-0.7，高精度冷却管0.6-0.7。工时费：主要件=材料费8一般件=材料费（4-5）工时费：主要件（导料管、活塞、轴等）=材料费8一般件=材料费（45）材料费的计算45钢毛坯重量计算: (5-1) 高精度冷却管计算： (5-2)尼龙1010件计算 (5-3)(2) 工时费的计算主要的零件：主要的工时费用 (5-4)一般的零件：一般的工时费用 (5-5)热处理工时的费用热处理零件统计如表 5-4所示：表 5-4热处理零件统计序号名称材料热处理要求净重（Kg）1密封圈45表面镀锌0.9332法兰盘LY12涂灰色油漆0.8883轴45调制2.5544轴套45发蓝0.032 热处理的价格如下表 5-5 所示表 5-5目前热处理的价格序号名称单价（元/Kg）1镀锌1.12涂油漆1.53发蓝14调制1.5因此热处理加工费用为6.22
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