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主轴
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电主轴的机械设计（含CAD图纸和说明书）,主轴,机械设计,CAD,图纸,说明书
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引 言 2005年，我国机床产值达到了51亿美元，跃居世界第三，其中数控机床产量达59600台。在长足发展的背后，与发达国家机床产业相比，差距依然明显，尤其是以电主轴为代表的关键功能部件，无论是从产品品种、技术水平、可靠性和产业化程度等方面均与国外有明显差距，不得不60%依靠进口，成为我国数控机床发展的软肋。 电主轴实际上是诸多学科、众多高新技术应用的综合体，它涉及机械、电子、自动控制等。由于在高速轴承技术、精密加工技术、电机技术、驱动控制技术上与国外先进水平有差距，才影响了国产电主轴的市场竞争力。 由于高速加工不但可以大幅度提高加工效率，而且还可以显著提高工件的加工质量，所以其应用领域非常广泛，特别是在航空航天、汽车和模具等制造业中。于是，具有高速加工能力的数控机床已成为市场新宠。目前，国内外各著名机床制造商在高速数控机床中广泛采用电主轴结构，特别是在复合加工机床、多轴联动、多面体加工机床和并联机床中。电主轴是高速数控加工机床的“心脏部件”，其性能指标直接决定机床的水平，它是机床实现高速加工的前提和基本条件。 本毕业设计主要介绍了电主轴的工作原理、轴的设计、轴承技术以及关键技术等。电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。它主要应用在复合加工机床、多轴联动、多面体加工机床和并联机床中。第一章 电主轴概述1.1电主轴工作原理 高速电主轴电机的绕组相位互差120，通以三相交流电后，三相绕组各自形成一个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相迭加，合成一个强度不变，磁极朝一定方向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。异步电动机的同步转速n由输入电机定子绕组电流的频率f和电机定子的极对数P决定（n=60f/p）。电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。在加速和制动过程中，通过改变频率进行加减速，以免电机温升过高。由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。 电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。 电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。而电主轴本身就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。电主轴所融合的技术： 高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限。 高速电机技术：电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡； 润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。 冷却装置：为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。 内置脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。 自动换刀装置：为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等； 高速刀具的装卡方式：广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀具。 高频变频装置： 要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。1.2电主轴的主要参数 1.2.1电主轴主要参数 电主轴的主要参数有：(1)主轴最高转速和恒功率转速范围：(2)主轴的额定功率和最大扭矩：(3)主轴前轴颈直径和前后轴承的跨距等。其中主轴最高转速、前轴颈直径和额定功率是基本参数。电主轴通常装备在高速加工中心上，在设计电主轴时要根据用户的工艺要求，采用典型零件统计分析的方法来确定这些参数。机床厂对同一尺寸规格的高速机床，一般会分两大类型，即“高速型”和“高刚度型”分别进行设计。前者主要用于航空、航天等工业加工轻合金、复合材料和铸铁等零件：后者主要用于模具制造、汽车工业中高强度钢或耐热合金等难加工材料和钢件的高效加工。在设计电主轴时，还要注意选择有较好扭矩功率特性和有足够宽调速范围的变频电动机及其控制模块。 1.2.2电主轴优点 一般说来 ,高速机床都是数控机床和精密机床 ,其传动结构的最大特点是实现了机床的“零传动”。从机床的主传动系统来看 ,这种传动方式取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节 (如皮带、齿轮、离合器等 ) ,实现了主电动机与机床主轴的一体化。这种传动方式有以下优点 :(1)机械结构最为简单 传动惯量小 ,因而快速响应性好 ,能实现极高的速度、加 (减 )速度和定角度的快速准停 (轴控制 )。(2)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。有比较理想的扭矩功率特性 (图1-1右) ,一次装夹既可实现粗加工又可进行高速精加工。 图1-1 扭矩功率特性 电主轴的刚性好、回转精度高、快速响应性好，能够实现极高的转速和加、减速度及定角度的快速准停（C轴控制），调速范围宽。不同类型输出功率相差较大，高速加工机床主轴需要在极短的时间内实现升降速，并在指定 位置快速准停。这就需要主轴有很高的角减速度和角加速度。如果通过皮带等中间环节，不仅会在 高速状态下打滑、产生振动和噪音，而且增加转动惯量，给机床快速准停造成很大困难。目前，多数高速机床主轴采用内装式主轴电机一体化的主轴单元，即所谓内装式电机主轴，简称“电主轴”。它采用无外壳电机，将带有冷却套的电机定子装配 在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电机控制，使变频电机和机床主轴合二为一。高速电主轴结构特点高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对高速电主轴各个部分进行精心设计和制造。 它按应用于不同机床中分为 :钻铣主轴、加工中心主轴、雕刻机主轴、磨床用电主轴等。1.3电主轴装配注意问题1.3.1轴承的安装1.安装 轴承属于精密的机械部件，在安装前请勿打开包装，避免生锈。对已经脂润滑的轴承及双侧具油封或防尘盖，密封圈轴承可直接安装，不必清洗。 轴承的安装过程中，必须掌握一个原则，即只能通过相应套圈来传递安装力或力矩。 (1) 压入配合 轴承内圈与轴使紧配合，外圈与轴承座孔是较松配合时，可用压力机将轴承先压装在轴上，然后将轴连同轴承一起装入轴承座孔内，压装时在轴承内圈端面上，垫一软金属材料做的装配套管(铜或软钢)。 轴承外圈与轴承座孔紧配合，内圈与轴为较松配合时，可将轴承先压入轴承座孔内，这时装配套管的外径应略小于座孔的直径。 如果轴承套圈与轴及座孔都是紧配合时，安装室内圈和外圈要同时压入轴和座孔，装配套管的结构应能同时押紧轴承内圈和外圈的端面。(2) 加热配合 通过加热轴承或轴承座，利用热膨胀将紧配合转变为松配合的安装方法。是一种常用和省力的安装方法。此法适于过盈量较大的轴承的安装，热装前把轴承或可分离型轴承的套圈放入油箱中均匀加热80-100，然后从油中取出尽快装到轴上，为防止冷却后内圈端面和轴肩贴合不紧，轴承冷却后可以再进行轴向紧固。轴承外圈与轻金属制的轴承座紧配合时，采用加热轴承座的热装方法，可以避免配合面受到擦伤。 用油箱加热轴承时，在距箱底一定距离处应有一网栅，用钩子吊着轴承，轴承不能放到箱底上，以防沉杂质进入轴承内或不均匀的加热，油箱中必须有温度计，严格控制油温不得超过100，以防止发生回火效应，使套圈的硬度降低。 推力轴承的周全与轴的配合一般为过渡配合，座圈与轴承座孔的配合一般为间隙配合，因此这种轴承较易安装，双向推力轴承的中轴泉应在轴上固定，以防止相对于轴转动。 轴承的安装方法，一般情况下是轴旋转的情况居多，因此内圈与轴的配合为过赢配合，轴承外圈与轴承室的配合为间隙配合。 轴承安装好后要进行检查，应保证轴承安装到位，旋转灵活，无卡滞现象，如轴承安装不当，会使轴承温度迅速上升而损坏，发生轴承卡死断裂等重大事故。 2.轴承的使用和保管 (1)在轴承使用时，保持周围环境的洁净，不要粘上手汗和污物。规定由熟悉轴承的人员使用，特别需要小心伤、压痕、欠损等。为保证轴承的使用性能，应根椐设备的作业标准，定期对轴承进行维护、保养和检修，内容包括监控运行状态、补充润滑剂、定期拆卸检查。 (2)轴承不得直接在地上储存(需离地30cm以上)，避免直射光线和阴冷的墙壁。为了防止生锈，保管在温度20左右、湿度65以下的环境中，轴承放置在酸性空气中，容易生锈、变色，要用手套、木棉回丝擦拭轴承、轴、外壳，垃圾进入轴承内部和配合部分是发生异常的原因，因此需要注意。1.3.2电主轴MS24015装配顺序及工时 1. 配隔垫 0：20 2. 清洗壳体，油路 0：40 3. 试水套，清孔 0：24 4. 入定子 0：30 5. 动平衡 1：00 6. 装轴 4：00 7. 拉轴，调试，打字 8. 接打件，焊插座 1：10 9. 包装可见，其中用时最长的是装轴，因为轴的某些精度就的靠装配来保证的。其次是动平衡。高速轴的动平衡一定要做好，否则轴的旋转精度没法保证。1.3.3几个部位的修配一般修配的零件尺寸为尺寸链中的封闭环。在铣床所用电主轴MS24015中的 修配部位主要是前小盖的高度尺寸。 第二章 电主轴轴的设计2.1电主轴轴的设计2.1.1电主轴轴材料的选择在MS24015这根铣床轴的材料我们选择42CrMo。这是因为：1.从微观组织性能角度讲(1)合金元素Cr、Mo对钢中基本相的影响Cr、Mo属于合金元素，这两种元素强化效果较弱，可溶于渗碳体形成合金渗碳体或与碳形成特殊碳化物。合金渗碳体和特殊碳化物具有较高的熔点和稳定性。在加热至高温时也不易溶入奥氏体，因此可起阻止奥氏体晶粒长大的作用。另外，它们又具有较高的硬度。当它们在钢中弥散分布时，可大大提高钢的强度，硬度及耐磨性，而不降低韧性，这对提高工件的使用性能极为有利。(2)合金元素Cr、Mo对相图的影响在碳钢中加入合金元素，将使Fe-Fe3C相图发生改变。加入Cr、Mo这两种合金元素会使奥氏体区缩小。而缩小奥氏体区的合金元素，使和温度升高，S点和E点向左上方移动。含碳量相同的合金钢和碳钢相比，具有不同的显微组织。在一般的合金钢中，虽然合金元素总量减少，但由于S点左移，在退火状态合金钢中珠光体的相对量较相同含碳量的碳钢多。因此钢的强度也较高。(3)合金元素对钢相变过程的影响对于大多数合金钢来说，所要求的性能主要是通过合金元素对相变过程的作用来实现的。 合金元素对奥氏体形成的影响 碳化物形成元素Cr、Mo，显著降低碳的扩散速度而大大降低奥氏体的形成速度。除Mn、P外几乎所有合金元素都能阻止奥氏体晶粒长大，起细化晶粒作用。合金元素形成物的倾向越大，所形成的碳化物的熔点越高、越稳定，在加热时越难溶于奥氏体中，而是存在与奥氏体晶界上，强烈地阻止奥氏体晶粒的长大。而弱碳化物形成元素Cr、Mo作用中等。 合金元素对过冷奥氏体转变的影响 合金元素对过冷奥氏体转变
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