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畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書
電主軸的機械設(shè)計
The Mechanic Designs Of Electric Spindles
系（院）名稱： 機 械 工 程 系
專業(yè)班級：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師姓名：
指導(dǎo)教師職稱：
2008年 05 月
電主軸的機械設(shè)計
摘要 本文主要介紹了電主軸的工作原理、軸的設(shè)計、軸承技術(shù)以及關(guān)鍵技術(shù)等。電主軸就是直接將空心的電動機轉(zhuǎn)子裝在主軸上，定子通過冷卻套固定在主軸箱體孔內(nèi)，形成一個完整的主軸單元，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動主軸運轉(zhuǎn)。它主要應(yīng)用在復(fù)合加工機床、多軸聯(lián)動、多面體加工機床和并聯(lián)機床中。本設(shè)計通過利用網(wǎng)絡(luò)工具、圖書館的書籍和各類期刊、雜志查閱了電主軸的相關(guān)知識，確定本設(shè)計符合要求，滿足需要。設(shè)計方法有：查閱資料產(chǎn)生電主軸機械設(shè)計的基本思路，確定合理的電主軸結(jié)構(gòu)；重點對電主軸的軸進(jìn)行了設(shè)計，對軸承進(jìn)行了分析選配，確定了電主軸軸承的選配原則；且充分利用相關(guān)知識按要求對本課題進(jìn)行具體設(shè)計。
本設(shè)計采用的方法是理論設(shè)計與經(jīng)驗設(shè)計相結(jié)合的方案，所運用的資料來源廣泛，內(nèi)容充足。實現(xiàn)本方案的可行性高。實踐表明，所設(shè)計的MS24015銑床主軸滿足使用要求。
關(guān)鍵詞 電主軸 定子 轉(zhuǎn)子 關(guān)鍵技術(shù) 動平衡
The mechanic designs of electric spindles
Abstract The designs and working principle of electric spindles 、bearing technical as well as crucial technology and so on was introduced in this paper . Electrical spindles is being made by a direct motor rotor of be hollow pack in main shaft on and stator knows super-cooling but cover fixes, which form a complete unit of main shaft in the casing hole of main shaft, and then the electricity rotor directly drive the operation of main shaft. Its main application is being compound process machine tool and much axle to unite to move, polyhedron processing machine tool and the machine tool of parallel connection in. This design cut the related knowledge of central fuselage according with requirement through using network tool and magazines , each kind of periodical and the books in the library and then determining the design, which satisfies the needs. The design method is as follows: First, look up information to produce the basic thought of the electrical mechanical design of main shaft, determine the reasonable electrical structure of main shaft. Then, the key axle for electrical main shaft is designed, and analyze and choose the match for bearing, the electrical bearing of main shaft choose to match principle have determined; Use related knowledge finally fully press requirement for this program carry out specific design.
The method of designing adopted the scheme theoretical design and experience design, and the data sources utilized was adequate content extensively. Feasibility of realize the scheme is high. Practice shows that the MS24015 main shaft of milling machine design satisfies the request.
Keywords: Electrical main shaft Stator Rotor
Crucial technology Dynamic balancing
II
引 言
2005年，我國機床產(chǎn)值達(dá)到了51億美元，躍居世界第三，其中數(shù)控機床產(chǎn)量達(dá)59600臺。在長足發(fā)展的背后，與發(fā)達(dá)國家機床產(chǎn)業(yè)相比，差距依然明顯，尤其是以電主軸為代表的關(guān)鍵功能部件，無論是從產(chǎn)品品種、技術(shù)水平、可靠性和產(chǎn)業(yè)化程度等方面均與國外有明顯差距，不得不60%依靠進(jìn)口，成為我國數(shù)控機床發(fā)展的軟肋。
電主軸實際上是諸多學(xué)科、眾多高新技術(shù)應(yīng)用的綜合體，它涉及機械、電子、自動控制等。由于在高速軸承技術(shù)、精密加工技術(shù)、電機技術(shù)、驅(qū)動控制技術(shù)上與國外先進(jìn)水平有差距，才影響了國產(chǎn)電主軸的市場競爭力。
由于高速加工不但可以大幅度提高加工效率，而且還可以顯著提高工件的加工質(zhì)量，所以其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，特別是在航空航天、汽車和模具等制造業(yè)中。于是，具有高速加工能力的數(shù)控機床已成為市場新寵。目前，國內(nèi)外各著名機床制造商在高速數(shù)控機床中廣泛采用電主軸結(jié)構(gòu)，特別是在復(fù)合加工機床、多軸聯(lián)動、多面體加工機床和并聯(lián)機床中。電主軸是高速數(shù)控加工機床的“心臟部件”，其性能指標(biāo)直接決定機床的水平，它是機床實現(xiàn)高速加工的前提和基本條件。
本畢業(yè)設(shè)計主要介紹了電主軸的工作原理、軸的設(shè)計、軸承技術(shù)以及關(guān)鍵技術(shù)等。電主軸就是直接將空心的電動機轉(zhuǎn)子裝在主軸上，定子通過冷卻套固定在主軸箱體孔內(nèi)，形成一個完整的主軸單元，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動主軸運轉(zhuǎn)。它主要應(yīng)用在復(fù)合加工機床、多軸聯(lián)動、多面體加工機床和并聯(lián)機床中。
第一章 電主軸概述
1.1電主軸工作原理
高速電主軸電機的繞組相位互差120°，通以三相交流電后，三相繞組各自形成一個正弦交變磁場，這三個對稱的交變磁場互相迭加，合成一個強度不變，磁極朝一定方向恒速旋轉(zhuǎn)的磁場，磁場轉(zhuǎn)速就是電主軸的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機的同步轉(zhuǎn)速n由輸入電機定子繞組電流的頻率f和電機定子的極對數(shù)P決定（n=60f/p）。電主軸就是利用變換輸入電動機定子繞組的電流的頻率和激磁電壓來獲得各種轉(zhuǎn)速。在加速和制動過程中，通過改變頻率進(jìn)行加減速，以免電機溫升過高。由于電機旋轉(zhuǎn)磁場的方向取決于輸入定子三相交流電的相序，故改變電主軸輸入電流的相序，便可改變電主軸的旋轉(zhuǎn)方向。
電主軸是最近幾年在數(shù)控機床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術(shù)，它與直線電機技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將會把高速加工推向一個新時代。 電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置。而電主軸本身就是直接將空心的電動機轉(zhuǎn)子裝在主軸上，定子通過冷卻套固定在主軸箱體孔內(nèi)，形成一個完整的主軸單元，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動主軸運轉(zhuǎn)。
電主軸所融合的技術(shù)：
高速軸承技術(shù)：電主軸通常采用復(fù)合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限。
高速電機技術(shù)：電主軸是電動機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電動機。關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動平衡；
潤滑：電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑；也可以采用脂潤滑，但相應(yīng)的速度要打折扣。所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個叫定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時會因油的阻力而發(fā)熱。
冷卻裝置：為了盡快給高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。
內(nèi)置脈沖編碼器：為了實現(xiàn)自動換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實現(xiàn)準(zhǔn)確的相角控制以及與進(jìn)給的配合。
自動換刀裝置：為了應(yīng)用于加工中心，電主軸配備了自動換刀裝置，包括碟形簧、拉刀油缸等；
高速刀具的裝卡方式：廣為熟悉的BT、ISO刀具，已被實踐證明不適合于高速加工。這種情況下出現(xiàn)了HSK、SKI等高速刀具。
高頻變頻裝置： 要實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用一高頻變頻裝置來驅(qū)動電主軸的內(nèi)置高速電動機，變頻器的輸出頻率必須達(dá)到上千或幾千赫茲。
1.2電主軸的主要參數(shù)
1.2.1電主軸主要參數(shù)
電主軸的主要參數(shù)有：(1)主軸最高轉(zhuǎn)速和恒功率轉(zhuǎn)速范圍：(2)主軸的額定功率和最大扭矩：(3)主軸前軸頸直徑和前后軸承的跨距等。其中主軸最高轉(zhuǎn)速、前軸頸直徑和額定功率是基本參數(shù)。電主軸通常裝備在高速加工中心上，在設(shè)計電主軸時要根據(jù)用戶的工藝要求，采用典型零件統(tǒng)計分析的方法來確定這些參數(shù)。機床廠對同一尺寸規(guī)格的高速機床，一般會分兩大類型，即“高速型”和“高剛度型”分別進(jìn)行設(shè)計。前者主要用于航空、航天等工業(yè)加工輕合金、復(fù)合材料和鑄鐵等零件：后者主要用于模具制造、汽車工業(yè)中高強度鋼或耐熱合金等難加工材料和鋼件的高效加工。在設(shè)計電主軸時，還要注意選擇有較好扭矩———功率特性和有足夠?qū)捳{(diào)速范圍的變頻電動機及其控制模塊。
1.2.2電主軸優(yōu)點
一般說來 ,高速機床都是數(shù)控機床和精密機床 ,其傳動結(jié)構(gòu)的最大特點是實現(xiàn)了機床的“零傳動”。從機床的主傳動系統(tǒng)來看 ,這種傳動方式取消了從主電動機到主軸之間一切中間的機械傳動環(huán)節(jié) (如皮帶、齒輪、離合器等 ) ,實現(xiàn)了主電動機與機床主軸的一體化。這種傳動方式有以下優(yōu)點 :(1)機械結(jié)構(gòu)最為簡單 傳動慣量小 ,因而快速響應(yīng)性好 ,能實現(xiàn)極高的速度、加 (減 )速度和定角度的快速準(zhǔn)停 (Ｃ軸控制 )。(2)采用交流變頻調(diào)速和矢量控制的電氣驅(qū)動技術(shù) ,輸出功率大 ,調(diào)速范圍寬。有比較理想的扭矩———功率特性 (圖1-1右) ,一次裝夾既可實現(xiàn)粗加工又可進(jìn)行高速精加工。
圖1-1 扭矩—功率特性
電主軸的剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、快速響應(yīng)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)極高的轉(zhuǎn)速和加、減速度及定角度的快速準(zhǔn)停（C軸控制），調(diào)速范圍寬。不同類型輸出功率相差較大，高速加工機床主軸需要在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)升降速，并在指定 位置快速準(zhǔn)停。這就需要主軸有很高的角減速度和角加速度。如果通過皮帶等中間環(huán)節(jié)，不僅會在 高速狀態(tài)下打滑、產(chǎn)生振動和噪音，而且增加轉(zhuǎn)動慣量，給機床快速準(zhǔn)停造成很大困難。目前，多數(shù)高速機床主軸采用內(nèi)裝式主軸電機一體化的主軸單元，即所謂內(nèi)裝式電機主軸，簡稱“電主軸”。它采用無外殼電機，將帶有冷卻套的電機定子裝配 在主軸單元的殼體內(nèi)，轉(zhuǎn)子和機床主軸的旋轉(zhuǎn)部件做成一體，主軸的變速范圍完全由變頻交流電機控制，使變頻電機和機床主軸合二為一。高速電主軸結(jié)構(gòu)特點高速電主軸要獲得好的動態(tài)性能和使用壽命，必須對高速電主軸各個部分進(jìn)行精心設(shè)計和制造。
它按應(yīng)用于不同機床中分為 :鉆銑主軸、加工中心主軸、雕刻機主軸、磨床用電主軸等。
1.3電主軸裝配注意問題
1.3.1軸承的安裝
1.安裝
軸承屬于精密的機械部件，在安裝前請勿打開包裝，避免生銹。對已經(jīng)脂潤滑的軸承及雙側(cè)具油封或防塵蓋，密封圈軸承可直接安裝，不必清洗。 軸承的安裝過程中，必須掌握一個原則，即只能通過相應(yīng)套圈來傳遞安裝力或力矩。
(1) 壓入配合
軸承內(nèi)圈與軸使緊配合，外圈與軸承座孔是較松配合時，可用壓力機將軸承先壓裝在軸上，然后將軸連同軸承一起裝入軸承座孔內(nèi)，壓裝時在軸承內(nèi)圈端面上，墊一軟金屬材料做的裝配套管(銅或軟鋼)。
軸承外圈與軸承座孔緊配合，內(nèi)圈與軸為較松配合時，可將軸承先壓入軸承座孔內(nèi)，這時裝配套管的外徑應(yīng)略小于座孔的直徑。
如果軸承套圈與軸及座孔都是緊配合時，安裝室內(nèi)圈和外圈要同時壓入軸和座孔，裝配套管的結(jié)構(gòu)應(yīng)能同時押緊軸承內(nèi)圈和外圈的端面。
(2) 加熱配合
通過加熱軸承或軸承座，利用熱膨脹將緊配合轉(zhuǎn)變?yōu)樗膳浜系陌惭b方法。是一種常用和省力的安裝方法。此法適于過盈量較大的軸承的安裝，熱裝前把軸承或可分離型軸承的套圈放入油箱中均勻加熱80-100℃，然后從油中取出盡快裝到軸上，為防止冷卻后內(nèi)圈端面和軸肩貼合不緊，軸承冷卻后可以再進(jìn)行軸向緊固。軸承外圈與輕金屬制的軸承座緊配合時，采用加熱軸承座的熱裝方法，可以避免配合面受到擦傷。
用油箱加熱軸承時，在距箱底一定距離處應(yīng)有一網(wǎng)柵，用鉤子吊著軸承，軸承不能放到箱底上，以防沉雜質(zhì)進(jìn)入軸承內(nèi)或不均勻的加熱，油箱中必須有溫度計，嚴(yán)格控制油溫不得超過100℃，以防止發(fā)生回火效應(yīng)，使套圈的硬度降低。
推力軸承的周全與軸的配合一般為過渡配合，座圈與軸承座孔的配合一般為間隙配合，因此這種軸承較易安裝，雙向推力軸承的中軸泉應(yīng)在軸上固定，以防止相對于軸轉(zhuǎn)動。
軸承的安裝方法，一般情況下是軸旋轉(zhuǎn)的情況居多，因此內(nèi)圈與軸的配合為過贏配合，軸承外圈與軸承室的配合為間隙配合。
軸承安裝好后要進(jìn)行檢查，應(yīng)保證軸承安裝到位，旋轉(zhuǎn)靈活，無卡滯現(xiàn)象，如軸承安裝不當(dāng)，會使軸承溫度迅速上升而損壞，發(fā)生軸承卡死斷裂等重大事故。
2.軸承的使用和保管
(1)在軸承使用時，保持周圍環(huán)境的潔凈，不要粘上手汗和污物。規(guī)定由熟悉軸承的人員使用，特別需要小心傷、壓痕、欠損等。為保證軸承的使用性能，應(yīng)根椐設(shè)備的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，定期對軸承進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)和檢修，內(nèi)容包括監(jiān)控運行狀態(tài)、補充潤滑劑、定期拆卸檢查。
(2)軸承不得直接在地上儲存(需離地30cm以上)，避免直射光線和陰冷的墻壁。為了防止生銹，保管在溫度20℃左右、濕度65％以下的環(huán)境中，軸承放置在酸性空氣中，容易生銹、變色，要用手套、木棉回絲擦拭軸承、軸、外殼，垃圾進(jìn)入軸承內(nèi)部和配合部分是發(fā)生異常的原因，因此需要注意。
1.3.2電主軸MS24015裝配順序及工時
1. 配隔墊 0：20
2. 清洗殼體，油路 0：40
3. 試水套，清孔 0：24
4. 入定子 0：30
5. 動平衡 1：00
6. 裝軸 4：00
7. 拉軸，調(diào)試，打字
8. 接打件，焊插座 1：10
9. 包裝
可見，其中用時最長的是裝軸，因為軸的某些精度就的靠裝配來保證的。其次是動平衡。高速軸的動平衡一定要做好，否則軸的旋轉(zhuǎn)精度沒法保證。
1.3.3幾個部位的修配
一般修配的零件尺寸為尺寸鏈中的封閉環(huán)。在銑床所用電主軸MS24015中的 修配部位主要是前小蓋的高度尺寸。
第二章 電主軸軸的設(shè)計
2.1電主軸軸的設(shè)計
2.1.1電主軸軸材料的選擇
在MS24015這根銑床軸的材料我們選擇42CrMo。這是因為：
1.從微觀組織性能角度講
(1)合金元素Cr、Mo對鋼中基本相的影響
Cr、Mo屬于合金元素，這兩種元素強化效果較弱，可溶于滲碳體形成合金滲碳體或與碳形成特殊碳化物。合金滲碳體和特殊碳化物具有較高的熔點和穩(wěn)定性。在加熱至高溫時也不易溶入奧氏體，因此可起阻止奧氏體晶粒長大的作用。另外，它們又具有較高的硬度。當(dāng)它們在鋼中彌散分布時，可大大提高鋼的強度，硬度及耐磨性，而不降低韌性，這對提高工件的使用性能極為有利。
(2)合金元素Cr、Mo對相圖的影響
在碳鋼中加入合金元素，將使Fe-Fe3C相圖發(fā)生改變。加入Cr、Mo這兩種合金元素會使奧氏體區(qū)縮小。而縮小奧氏體區(qū)的合金元素，使和溫度升高，S點和E點向左上方移動。含碳量相同的合金鋼和碳鋼相比，具有不同的顯微組織。在一般的合金鋼中，雖然合金元素總量減少，但由于S點左移，在退火狀態(tài)合金鋼中珠光體的相對量較相同含碳量的碳鋼多。因此鋼的強度也較高。
(3)合金元素對鋼相變過程的影響
對于大多數(shù)合金鋼來說，所要求的性能主要是通過合金元素對相變過程的作用來實現(xiàn)的。
? 合金元素對奧氏體形成的影響
碳化物形成元素Cr、Mo，顯著降低碳的擴散速度而大大降低奧氏體的形成速度。除Mn、P外幾乎所有合金元素都能阻止奧氏體晶粒長大，起細(xì)化晶粒作用。合金元素形成物的傾向越大，所形成的碳化物的熔點越高、越穩(wěn)定，在加熱時越難溶于奧氏體中，而是存在與奧氏體晶界上，強烈地阻止奧氏體晶粒的長大。而弱碳化物形成元素Cr、Mo作用中等。
? 合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響
合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響,表現(xiàn)在改變A體等溫轉(zhuǎn)變圖的位置、形狀和改變、點。除Co外，幾乎所有合金元素溶于奧氏體后都會降低原子擴散速度，增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而使A體等溫轉(zhuǎn)變圖在溫度-時間坐標(biāo)中的位置向右移。這樣降低了鋼的馬氏體臨界冷卻速度，從而提高了鋼的淬透性。Cr、Mo就是常用的提高鋼的淬透性的合金元素。
? 合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響
合金元素對回火轉(zhuǎn)變的 影響主要表現(xiàn)在 以下三個方面；提高回火穩(wěn)定性；產(chǎn)生二次硬化；引起回火脆性。而Cr、Mo這兩種合金元素提高回火穩(wěn)定性作用較強，易產(chǎn)生二次硬化，可避免引起回火脆性。
2.從宏觀的角度講
軸材料的選擇首先應(yīng)有足夠的強度，對應(yīng)力集中敏感性低；還應(yīng)滿足剛度、耐磨性、耐腐蝕性及良好的加工性。常用的材料主要有碳鋼、合金鋼、球墨鑄鐵和高強度鑄鐵。
選擇軸的材料時，應(yīng)考慮軸所受載荷的大小和性質(zhì)、轉(zhuǎn)速高低、周圍環(huán)境、軸的形狀和尺寸、生產(chǎn)批量、重要程度、材料機械性能及經(jīng)濟性等因素，選用時注意如下幾點：
（1） 碳鋼有足夠高的強度，對應(yīng)力集中敏感性較低，便于進(jìn)行各種熱處理及機械加工，價格低、供應(yīng)充足，故應(yīng)用最廣。一般機器中的軸，可用30、40、45、50等牌號的優(yōu)質(zhì)中碳鋼制造，尤以45號鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理最常用。
（2） 合金鋼機械性能更高，常用于制造高速、重載的軸，或受力大而要求尺寸小、重量輕的軸。至于那些處于高溫、低溫或腐蝕介質(zhì)中工作的軸，多數(shù)用合金鋼制造。常用的合金鋼有：12CrNi2、12CrNi3、20Cr、40Cr、38SiMnMo等。
（3） 通過進(jìn)行各種熱處理、化學(xué)處理及表面強化處理，可以提高用碳鋼或合金鋼制造的軸的強度及耐磨性。特別是合金鋼，只有進(jìn)行熱處理后才能充分顯示其優(yōu)越的機械性能。
（4） 合金鋼對應(yīng)力集中的敏感性高，所以合金鋼軸的結(jié)構(gòu)形狀必須合理，否則就失去用合金鋼的意義。另外，在一般工作溫度下，合金鋼和碳鋼的彈性模量十分接近，因此依靠選用合金鋼來提高軸的剛度是不行的，此時應(yīng)通過增大軸徑等方式來解決。
（5） 球墨鑄鐵和高強度鑄鐵的機械強度比碳鋼低，但因鑄造工藝性好，易于得到較復(fù)雜的外形，吸振性、耐磨性好，對應(yīng)力集中敏感性低，價廉，故應(yīng)用日趨增多。
綜合宏觀和其微觀這兩方面，該銑床主軸的材料選擇42CrMo。
2.1.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)，就是在滿足強度、剛度和振動穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，根據(jù)軸上零件的定位要求及軸的加工、裝配工藝性要求，合理地定出軸的結(jié)構(gòu)形狀和全部尺寸。
軸主要由軸頸、軸頭、軸身三部分組成。軸上被支承部分叫做軸頸；安裝輪轂部分叫做軸頭；連接軸頸和軸頭的部分叫軸身。
1.零件在軸上的定位
零件在軸上的軸向定位：零件在軸上的軸向定位方法，主要取決于它所受軸向力的大小。此外，還應(yīng)考慮軸的制造及軸上零件裝拆的難易程度、對軸強度的影響及工作可靠性等因素。
常用軸向定位方法有：軸肩、套筒、圓螺母、擋圈、圓錐形軸頭等。
由于銑床所用電主軸MS24015要求轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)矩小，故軸向定位我們選擇軸肩，軸環(huán)，圓螺母定位。
（1） 軸肩：軸肩由定位面和過度圓角組成。為保證零件端面能靠緊定位面，軸肩圓角半徑必須小于零件轂孔的圓角半徑或倒角高度；為保證有足夠的強度來承受軸向力，軸肩高度值為h=(2-3)R。
（2） 軸環(huán)：軸環(huán)的功用及尺寸參數(shù)與軸肩相同，寬度b≥1.4h。若軸環(huán)毛坯是鍛造而成，則用料少、重量輕。若由圓鋼毛坯車制而成，則浪費材料及加工工時。
（3） 圓螺母：當(dāng)軸上兩個零件之間的距離較大，且允許在軸上切制螺紋時，可用圓螺母的端面壓緊零件端面來定位。
2.零件在軸上的周向定位
定位方式根據(jù)其傳遞轉(zhuǎn)矩的大小和性質(zhì)、零件對中精度的高低、加工難易等因素來選擇。常用的周向定位方法有：鍵、花鍵、彈性環(huán)、銷、過盈等聯(lián)結(jié)，通稱軸轂聯(lián)結(jié)。
由于該主軸轉(zhuǎn)速很高，在軸上不允許出現(xiàn)不對稱的結(jié)構(gòu)，而鍵、花鍵、彈性環(huán)、銷等結(jié)構(gòu)要不是出現(xiàn)不對稱結(jié)構(gòu)要不是在軸上開槽，降低軸的剛度，故軸的周向定位我們選擇過盈聯(lián)結(jié)。
另外，軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，有良好的加工和裝配工藝性，以利減少勞動量，提高勞動生產(chǎn)率及減少應(yīng)力集中，提高軸的疲勞強度。
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計須在經(jīng)過初步強度計算，已知軸的最小直徑以及軸上零件尺寸（主要是轂孔直徑及寬度）后才進(jìn)行。其主要步驟為；
①確定軸上零件裝配方案
②確定軸上零件定位方式
③確定各軸段直徑
④確定各軸段長度
⑤確定軸的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)
⑥確定軸的加工精度、尺寸公差、形位公差、配合、表面粗糙度及技術(shù)要求
⑦畫出軸的工作圖見附圖MS24015-05。
2.1.3軸的校核
軸在實際工作中，承受各種載荷。設(shè)計計算是確保軸可以承受載荷、可靠工作的重要保證。根據(jù)軸的失效形式，對軸的計算內(nèi)容通常為強度計算、剛度計算和臨界轉(zhuǎn)速計算。
1.軸的強度計算--按扭轉(zhuǎn)強度計算
該方法只按軸所受的扭矩來計算軸的強度，如果軸還受有不大的彎矩，則用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的方法予以考慮。在作軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常用這種方法初步估算軸徑。對于不大重要的軸，也可作為最后計算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為：
(2-1)
式中： ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；
T——軸所受的扭矩，N·mm；
——軸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，；
n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；
P——軸傳遞的功率,kW；
d——計算截面處軸的直徑，mm；
——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa，見下表；
軸的材料
Q235-A、20
Q275、35
（1Cr18Ni9Ti)
45
40Cr、35SiMn
38SiMnMo、3Cr13
(MPa)
15-25
20-35
25-45
35-55
A0
149-126
135-112
126-103
112-97
表2-1軸常用幾種材料的[τ]T及A0值
注：1)表中是考慮了彎矩影響而降低了的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。
2)在下述情況時，取較大值，A0取較小值：彎矩較小或只受扭矩作用、載荷較平穩(wěn)、無軸向載荷或只有較小的軸向載荷、減速器的低速軸、軸只作單向旋轉(zhuǎn)；反之， 取較小值，A0取較大值。
由上式可的軸的直徑： （2-2）式中，查上表。對于空心軸，則： （2-3）
式中β＝d1/d，即空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d之比，通常取β＝0.5-0.6。
應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)軸截面上開有鍵槽時，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。對于直徑d＞100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大3%；有兩個鍵槽時，應(yīng)增大7%。對于直徑d≤100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑應(yīng)增大5%-7%；有兩個鍵槽時，應(yīng)增大10%-15%。然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。應(yīng)當(dāng)注意，這樣求出的直徑，只能作為承受扭轉(zhuǎn)作用的軸段的最小直徑dmin。
通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸、軸上零件的位置、以及外載荷和支反力的作用位置均已確定，軸上的載荷（彎矩和扭矩）已可以求得，因而可按彎扭合成強度條件對軸進(jìn)行強度校核計算。一般的軸使用這種方法計算即可。其計算步驟如下：
?作出軸的計算簡圖（即力學(xué)模型）
軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計算時，常將軸上的分布載荷簡化為集中力,其作用點取為載荷分布段的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。通常把軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點與軸承的類型與布置方式有關(guān)。
在作計算簡圖時，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷，并將其分解為水平分力和垂直分力，然后求出各支承處的水平反力FRH和垂直反力FRV?！?
?作出彎矩圖
根據(jù)上述簡圖，分別按水平面和垂直面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別作出水平面上的彎矩MH圖和垂直面上的彎矩MV圖，然后按下式計算總彎矩并作出M圖。
?作出扭矩圖
作出軸所受的扭矩圖（為了使扭矩圖符合下述強度計算公式，圖中把T折算為αT)。
?作出計算彎矩圖
根據(jù)已作出的總彎矩和扭矩圖，求出計算彎矩Mca，并作出Mca圖，Mca的計算公式為：
(2-4)
式中α是考慮扭轉(zhuǎn)和彎矩的加載情況及產(chǎn)生應(yīng)力的循環(huán)特征差異的系數(shù)。因通常由彎矩所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對稱循環(huán)的變應(yīng)力，而扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力則常常不是對稱循環(huán)的變應(yīng)力，故在求計算彎矩時，必須計及這種循環(huán)特性差異的影響。即當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時取α≈0.3；扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，取α≈0.6；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力亦為對稱循環(huán)變應(yīng)力時，則取α＝1。
2.強度的校核
已知軸的計算彎矩后，即可針對某些危險截面（即計算彎矩大而直徑可能不足的截面）作強度校核計算。按第三強度理論，計算彎曲應(yīng)力：
(2-5)
式中： W——軸的抗彎截面系數(shù)m，各種截面計算公式見表。
[σ-1]——軸的許用彎曲應(yīng)力，其值按表選用。
由于心軸工作時只承受彎矩而不承受扭矩，所以在應(yīng)用上式時，應(yīng)取T＝0，亦即Mca=M。轉(zhuǎn)動心軸的彎矩在軸截面上所引起的應(yīng)力是對稱循環(huán)變應(yīng)力；對于固定心軸，考慮起動、停車等的影響，彎矩在軸截面上所引起的應(yīng)力可視為脈動循環(huán)變應(yīng)力,所以在應(yīng)用上式時,其許用應(yīng)力應(yīng)為[]([]為脈動循環(huán)變應(yīng)力時的許用彎曲應(yīng)力),[]≈1.7[[]。
因所設(shè)計的軸強度裕度不大，在加上有實際經(jīng)驗，故此軸不必在進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改。最后繪制軸的零件圖（見附手工圖MS24015-05）
2.2電主軸軸端的設(shè)計
隨著機床向高速、高精度、大功率方向發(fā)展，機床的結(jié)構(gòu)剛性越來越好，而主軸與刀具的結(jié)合面多年來仍沿用標(biāo)準(zhǔn)化的7/24錐度配合。分析表明，刀尖25%～50%的變形來源于7/24錐度連接，只有40%左右的變形源于主軸和軸承。 高速加工要求確保高速下主軸與刀具連接狀態(tài)不能發(fā)生變化。但是，高速主軸的前端由于離心力的作用會使主軸膨脹(如圖2-1)，
圖2-1 軸端錐孔
由于高速主軸組件對動平衡要求非常高，所以刀具及夾緊機構(gòu)也需精密動平衡。但是，傳遞轉(zhuǎn)矩的鍵和鍵槽很容易破壞動平衡。結(jié)合面的公差帶會使刀具產(chǎn)生徑向跳動，引起不平衡。鍵是用來傳遞轉(zhuǎn)矩和進(jìn)行角向定位的，有人試圖研究一種刀/軸連接方式能在連接處產(chǎn)生很大的摩擦力來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳遞，用在刀柄上作標(biāo)記的方法實現(xiàn)安裝的角向定位，達(dá)到取消鍵的目的。
在眾多的高速刀/軸連接方案中，已被DIN標(biāo)準(zhǔn)化的HSK短錐刀柄結(jié)構(gòu)比較適合高速主軸。這種刀柄采用1∶10的錐度，比標(biāo)準(zhǔn)的7/24錐度短，錐柄部分采用薄壁結(jié)構(gòu)，刀柄利用短錐和端面同時實現(xiàn)軸向定位(如圖2-2)。這種結(jié)構(gòu)對主軸和刀柄連接處的公差帶要求特別嚴(yán)格，僅為2～6μm，由于短錐嚴(yán)格的公差和具有彈性的薄壁，在拉桿軸向拉力的作用下，短錐會產(chǎn)生一定的收縮，所以刀柄的短錐和法蘭端面較容易與主軸相應(yīng)的結(jié)合面緊密接觸，實現(xiàn)錐面與端面同時定位，因而具有很高的連接精度和剛度。當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時，盡管主軸軸端會產(chǎn)生一定程度的擴張，使短錐的收縮得到部分伸張，但是短錐與主軸錐孔仍保持較好的接觸，主軸轉(zhuǎn)速對連接性能影響很小。
圖2-2軸向定位
2.3電主軸過盈聯(lián)結(jié)裝置的設(shè)計
高速主軸單元是機床實現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵。采用電主軸結(jié)構(gòu)，取消了一切中間傳動環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)很高的極限轉(zhuǎn)速。對電主軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要考慮以下幾個問題：首先，它是一種精密部件，主軸軸承需要調(diào)整或更換，要求軸上零件便于裝拆。其次，主軸軸承是在預(yù)緊力作用下工作的，軸承的定位元件在高速下需承受一定的軸向力；電機的轉(zhuǎn)子安裝在主軸上，它與主軸的結(jié)合面要傳遞電機的轉(zhuǎn)矩。第三，主軸在高速下運轉(zhuǎn)時，動平衡要求非常高，電機轉(zhuǎn)子與機床主軸之間不宜采用鍵聯(lián)結(jié)來傳遞扭矩。為了解決上述問題，我們在電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了新型的過盈聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計成階梯套的形式。階梯過盈套作為定位緊固元件，與螺紋聯(lián)結(jié)及鍵聯(lián)結(jié)相比有以下優(yōu)點：①不會在軸上產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，因而對軸的旋轉(zhuǎn)精度沒有影響。②易保證零件定位端與軸心線的垂直度，對軸承預(yù)緊時，不會引起軸承受力不均，不影響軸承的壽命。③過盈套質(zhì)量均勻，主軸動平衡易得到保證。④常用熱套法進(jìn)行安裝，注入壓力油的方法進(jìn)行拆卸，對主軸無損害。⑤定位可靠，可提高主軸的剛度。實踐證明，過盈聯(lián)結(jié)特點適合于對旋轉(zhuǎn)精度要求很高的高速主軸精密零件的定位與扭矩傳遞。
第三章 電主軸軸承技術(shù)
高速加工技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，它不僅可獲得更大的生產(chǎn)率，而且還可獲得很高的加工質(zhì)量，并可降低生產(chǎn)成本，因而被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的先進(jìn)制造技術(shù)之一。在先進(jìn)工業(yè)國家，此項技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天及模具行業(yè)。在近五年中，我國的該項技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步。
3.1 電主軸軸承的選擇
滾動軸承是廣泛運用的機械支承。其功能是在保證軸承有足夠壽命的條件下，用以支承軸及軸上的零件，并與機座作相對旋轉(zhuǎn)、擺動等運動，使轉(zhuǎn)動副之間的摩擦盡量降低，以獲得較高傳動效率。常用的滾動軸承已制定了國家標(biāo)準(zhǔn)，只需根據(jù)工作條件選用合適的滾動軸承類型和型號進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)設(shè)計。
3.1.1類型的選擇
1.在機械設(shè)計中，滾動軸承選擇的一般過程如下圖所示；
圖3-1 軸承類型選擇過程示意圖
2.滾動軸承類型選擇應(yīng)注意的問題:
（1）考慮軸承的承受載荷情況
方向：受徑向力時，用向心軸承；受軸向力時，用推力軸承；徑向力和周向力聯(lián)合作用時，用向心推力軸承；
大?。菏艿捷^大載荷時，可用滾子軸承，或尺寸系列較大的軸承；受到較小載荷時，可用球軸承，或尺寸系列較小的軸承
（2）考慮對軸承尺寸的限制
當(dāng)對軸承的徑向尺寸嚴(yán)格限制時，可選用滾針軸承；
（3）考慮軸承的轉(zhuǎn)速
一般來講，球軸承比滾子軸承能適應(yīng)更高的轉(zhuǎn)速，輕系列的軸承比重系列的軸承能適應(yīng)更高的轉(zhuǎn)速；此外，各類推力軸承的極限轉(zhuǎn)速很低，不易用于高轉(zhuǎn)速的情況。
（4）考慮對軸承的調(diào)心性要求
調(diào)心球軸承和調(diào)心滾子軸承均能滿足一定的調(diào)心要求（即：軸心線與軸承座孔心線可適當(dāng)偏轉(zhuǎn)），而圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、滾針軸承滿足調(diào)心要求的能力幾乎為零。
3.1.2 軸承的工況分析
滾動軸承工作時，并非所有滾動體都同時受載。滾動體同時受載的程度與軸承所受的軸向力的大小有關(guān)。實際應(yīng)用中，一般以控制半圈滾動體受載為宜。滾動體與套圈均受交變應(yīng)力作用,其中不動圈的最低點的受力狀況最為惡劣。
向心推力軸承在純徑向力Fr的作用下會產(chǎn)生派生的軸向力Fd
(單個滾動體受力) （3-1）
當(dāng)有半圈滾動體受載時，派生軸向力如下計算：
表3-1軸承受載公式
圓錐滾子軸承
角接觸球軸承
70000C（）
70000AC（）
70000B（）
注：表中Y 和e由載荷系數(shù)表中查取，Y是對應(yīng)表中Fa／Fr＞e的Y值
Fd:內(nèi)部派生的軸向力；
Fae:外部施加于軸系的軸向力；
Fa:軸承實際所受軸向力，由于向心推力軸承在工作時是不應(yīng)沿軸向竄動的，因此Fa應(yīng)取決于Fd與Fae中較大者，即：Fa=max{Fae,Fd}即：Fa=max{Fae,Fd}
3.2 電主軸軸承的校核計算
3.2.1滾動軸承壽命計算
滾動軸承在運轉(zhuǎn)時可能出現(xiàn)各種類型的失效形式，但是套圈和滾動體表面的疲勞點蝕是滾動軸承的一種最基本和常見的失效形式，也是通常作為滾動軸承壽命計算的依據(jù)。軸承發(fā)生點蝕破壞后，在運轉(zhuǎn)時通常會出現(xiàn)較強的振動、噪聲和發(fā)熱現(xiàn)象。
滾動軸承的壽命是指軸承的滾動體或套圈首次出現(xiàn)點蝕之前，軸承的轉(zhuǎn)數(shù)或相應(yīng)的運轉(zhuǎn)小時數(shù)。滾動軸承的承載能力計算主要是指軸承的壽命計算。
圖3-2滾動軸承的壽命曲線
與一般結(jié)構(gòu)的疲勞壽命一樣，滾動軸承的疲勞壽命的離散性也是相當(dāng)大的。工程中定義具有90％可靠度的軸承壽命為軸承的基本額定壽命。
在工程實際中，通常是以軸承的基本額定動載荷來衡量一個軸承的承載能力。所謂軸承的基本額定動載荷是指:使軸承的基本額定壽命恰好為100萬轉(zhuǎn)時，軸承所能承受的載荷值，用字母C表示。軸承的基本額定動載荷是依實驗與理論分析相結(jié)合而得出的，其值可在滾動軸承手冊中查得。
一個滾動軸承的基本額定壽命(L10)與軸承的基本額定動載荷C、軸承所受的外加載荷（當(dāng)量動載荷P）等有關(guān)，可依據(jù)額定壽命計算公式確定。
滾動軸承壽命計算中的一項重要內(nèi)容是進(jìn)行當(dāng)量動載荷的計算和軸向力Fa的計算。
3.2.2電主軸軸承靜載荷及極限轉(zhuǎn)速
1． 靜載荷計算
靜載荷是指軸承套圈相對轉(zhuǎn)速為零時作用在軸承上的載荷。為了限制滾動軸承在靜載荷作用下產(chǎn)生過大的接觸應(yīng)力和永久變形，需進(jìn)行靜載荷計算。按額定靜載荷選擇軸承，其基本公式為
C0≥C0r=S0P0 (3-2)
式中C0-基本額定靜載荷，N；C0r-計算額定靜載荷，N；P0-當(dāng)量靜載荷，N；S0-安全系數(shù)。
靜止軸承、緩慢擺動或轉(zhuǎn)速極低的軸承，安全系數(shù)可參考《機械設(shè)計手冊》選取。
旋轉(zhuǎn)軸承的安全系數(shù)S0可參考表5。若軸承轉(zhuǎn)速較低，對運轉(zhuǎn)精度和摩擦力矩要求不高時，允許有較大的接觸應(yīng)力，可取S0<1。 推力調(diào)心滾子軸承，不論是否旋轉(zhuǎn)，均應(yīng)取S0≥4。軸承靜載荷安全系數(shù)S0（靜止或擺動）及旋轉(zhuǎn)軸承的安全系數(shù)S0可查《機械設(shè)計手冊》.
2.極限轉(zhuǎn)速
滾動軸承轉(zhuǎn)速過高時會使摩擦面間產(chǎn)生高溫，影響潤滑劑性能，破壞油膜，從而導(dǎo)致滾動體回火或元件膠合失效。 滾動軸承的極限轉(zhuǎn)速No是指軸承在一定的工作條件下，達(dá)到所能承受最高熱平衡溫度時的轉(zhuǎn)速值。軸承的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)低于其極限轉(zhuǎn)速。滾動軸承性能表中所給出的極限轉(zhuǎn)速值分別是在脂潤滑和油潤滑條件下確定的。
適用于0級公差、潤滑冷卻正常、與剛性軸承座和軸配合、軸承載荷P≤0.1C（C為軸承的基本額定動載荷，向心軸承只受徑向載荷，推力軸承只受軸向載荷）的軸承。 當(dāng)滾動軸承載荷P>0.1C時，接觸應(yīng)力將增大；軸承承受聯(lián)合載荷時，受載滾動體將增加，這都會增大軸承接觸表面間的摩擦，使?jié)櫥瑺顟B(tài)變壞。此時，極限轉(zhuǎn)速值應(yīng)修正，實際許用轉(zhuǎn)速值可按下式計算 N0=f1·f2·N0 式中 N-實際許用轉(zhuǎn)速，r/min；N0-軸承的極限轉(zhuǎn)速，r/min；f1-載荷系數(shù)（圖3-3）；f2-載荷分布系數(shù)（圖3-3）。
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24
圖3-3 載荷系數(shù)關(guān)系
3.3 電主軸軸承的組合設(shè)計
在確定了軸承的類型和型號以后，還必須正確的進(jìn)行滾動軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計，才能保證軸承的正常工作。軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：軸系支承端結(jié)構(gòu)；軸承與相關(guān)零件的配合；軸承的潤滑與密封；提高軸承系統(tǒng)的剛度。
3.3.1支承端結(jié)構(gòu)形式
為保證滾動軸承軸系能正常傳遞軸向力且不發(fā)生竄動，在軸上零件定位固定的基礎(chǔ)上，必須合理地設(shè)計軸系支點的軸向固定結(jié)構(gòu)。典型的結(jié)構(gòu)形式有三類。
1.兩端單向固定
普通工作溫度下的短軸（跨距L<400mm），支點常采用深溝球軸承（或角接觸球軸承、圓錐磙子軸承）兩端單向固定方式，每個軸承分別承受一個方向的軸向力。為允許軸工作時有少量熱膨脹，軸承安裝時應(yīng)留有0.25mm-0.4mm的軸向間隙（間隙很小，結(jié)構(gòu)圖上不必畫出），間隙量常用墊片或調(diào)整螺釘調(diào)節(jié).
2.一端雙向固定、一端游動
3.兩端游動
銑床所用電主軸MS24015的固定形式為兩端單向固定。
3.3.2軸承的配合
軸承與軸或軸承座的配合目的是把內(nèi)、外圈牢固地固定于軸或軸承座上，使之相互不發(fā)生有害的滑動。如配合面產(chǎn)生滑動，則會產(chǎn)生不正常的發(fā)熱和磨損，以及因磨損產(chǎn)生粉末進(jìn)入軸承內(nèi)而引起早期損壞和振動等弊病，導(dǎo)致軸承不能充分發(fā)揮其功能。此外，軸承的配合可影響軸承的徑向游隙，徑向游隙不僅關(guān)系到軸承的運轉(zhuǎn)精度，同時影響它的壽命。
滾動軸承是標(biāo)準(zhǔn)組件，所以與相關(guān)零件配合時其內(nèi)孔和外徑分別是基準(zhǔn)孔和基準(zhǔn)軸，在配合中不必標(biāo)注。決定配合時最主要的問題是軸承內(nèi)、外圈所承受的載荷狀態(tài)。
一般來說，尺寸大、載荷大、振動大、轉(zhuǎn)速高或工作溫度高等情況下應(yīng)選緊一些的配合，而經(jīng)常拆卸或游動套圈則采用較松的配合。
3.3.3軸承座的剛度與同軸度
軸和軸承座必須有足夠的剛度，以免因過大的變形使?jié)L動體受力不均。因此軸承座孔壁應(yīng)有足夠的厚度，并設(shè)置加強筋以增加剛度。此外，軸承座的懸臂應(yīng)盡可能縮短。
兩軸承孔必須保證同軸度，以免軸承內(nèi)外圈軸線傾斜過大。為此，兩端軸承尺寸應(yīng)力求相同，以便一次鏜孔，可以減小其同軸度的誤差。當(dāng)同一軸上裝有不同外徑尺寸的軸承時，采用套杯結(jié)構(gòu)來安裝尺寸小的軸承，使軸承孔能一次鏜出。
3.3.4軸承的潤滑
滾動軸承的潤滑主要是為了降低摩擦阻力和減輕磨損，同時也有吸振、冷卻、防銹和密封等作用。合理的潤滑對提高軸承性能，延長軸承的使用壽命有重要意義。高速電主軸的潤滑技術(shù)也基本上就是軸承的潤滑技術(shù)，我們在下一章將做詳細(xì)介紹。
第四章 電主軸關(guān)鍵技術(shù)
高速加工技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，它不僅可獲得更大的生產(chǎn)率，而且還可獲得很高的加工質(zhì)量，并可降低生產(chǎn)成本，因而被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的先進(jìn)制造技術(shù)之一。
4.1電主軸潤滑技術(shù)
高速電主軸的潤滑主要指主軸軸承的潤滑，一般以脂潤滑和油霧潤滑兩種方式為主．脂潤滑在dn值較低的電主軸中是較常見的潤滑方式．脂潤滑型高速電主軸結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，無污染，通用性強，但主軸溫升較高，工作壽命較短．
油霧潤滑具有潤滑和冷卻雙重作用，它以壓縮空氣為動力，通過油霧器將油液霧化并混入空氣流中，然后輸送到需要潤滑的地方．當(dāng)電主軸高速旋轉(zhuǎn)時，油霧可在軸承溝道內(nèi)形成流體動力潤滑油膜．油霧潤滑屬持續(xù)潤滑，油霧經(jīng)過油路，源源不斷進(jìn)入軸承，有利于高速電主軸穩(wěn)定工作．油霧潤滑所需設(shè)備簡單，維修
方便，是廣泛使用的一種高速電主軸潤滑方式。
油氣潤滑技術(shù)是利用壓縮空氣將微量的潤滑油分別連續(xù)不斷地、精確地供給每一套主軸軸承，微小油滴在滾動和內(nèi)、外滾道間形成彈性動壓油膜，而壓縮空氣則可帶走軸承運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量。
實踐表明在潤滑中供油量過多或過少都是有害的，而前兩種潤滑方式均無法準(zhǔn)確地控制供油量多少，不利于主軸軸承轉(zhuǎn)速和壽命的提高。而新近發(fā)展起來的油氣潤滑方式則可以精確地控制各個摩擦點的潤滑油量，可靠性極高。實踐證明，油氣潤滑是高速大功率電主軸軸承的最理想潤滑方法，但其所需設(shè)備復(fù)雜，成本高。由于油氣潤滑方式潤滑效果理想，目前已成為國際上最流行的潤滑方式。
我們這根銑床所用電主軸MS24015選用脂潤滑。
4.2熱源分析及冷卻
高速電主軸在將電能轉(zhuǎn)化為機械能的同時，也有一部分轉(zhuǎn)化為熱能．所有這些熱能無法通過風(fēng)扇和機殼向外擴散，必須加以控制，否則電主軸將因熱量積聚而使主軸的機械效率下降、主軸精度喪失、破壞電機線圈絕緣層的介電強度，主軸軸承也將受到損壞．
電主軸有兩個主要的內(nèi)部熱源：內(nèi)置電動機的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。如果不加以控制，由此引起的熱變形會嚴(yán)重降低機床的加工精度和軸承使用壽命，從而導(dǎo)致電主軸的使用壽命縮短。
4.3電主軸軸的動平衡
4.3.1動平衡機原理
平衡機是測量旋轉(zhuǎn)物體(轉(zhuǎn)子)不平衡量大小和位置的機器。
任何轉(zhuǎn)子在圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)時，由于相對于軸線的質(zhì)量分布不均勻而產(chǎn)生離心力。這種不平衡離心力作用在轉(zhuǎn)子軸承上會引起振動，產(chǎn)生噪聲和加速軸承磨損，以致嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能和壽命。電機轉(zhuǎn)子、機床主軸、內(nèi)燃機曲軸、汽輪機轉(zhuǎn)子、陀螺轉(zhuǎn)子和鐘表擺輪等旋轉(zhuǎn)零部件在制造過程中，都需要經(jīng)過平衡才能平穩(wěn)正常地運轉(zhuǎn)。
根據(jù)平衡機測出的數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)子的不平衡量進(jìn)行校正，可改善轉(zhuǎn)子相對于軸線的質(zhì)量分布，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動或作用于軸承上的振動力減少到允許的范圍之內(nèi)。因此，平衡機是減小振動、改善性能和提高質(zhì)量的必不可少的設(shè)備。
4.3.2平衡機的使用
主軸動平衡常用方法有兩種：去重法和增重法。小型主軸和普通電機常采用去重法。該法是在電機的轉(zhuǎn)子兩端設(shè)計有去重盤，當(dāng)電機轉(zhuǎn)子和其他零件安裝到主軸上以后進(jìn)行整體動平衡時，根據(jù)要求由自動平衡機在轉(zhuǎn)子的去重盤處切去不平衡量。增重法是近年來某些主軸電機制造商為適應(yīng)高速主軸發(fā)展的需要，在開發(fā)出商品化的無框架主軸電機(Frameless spindle motor)上常采用的方法。電機轉(zhuǎn)子的兩端設(shè)計有平衡盤，平衡盤的圓周方向設(shè)計有均勻分布的螺紋孔，轉(zhuǎn)子安裝到主軸上以后進(jìn)行主軸組件整體動平衡時，不是在平衡盤上去重，而是在螺紋孔內(nèi)擰入螺釘，以螺釘?shù)臄Q入深度和周向位置來平衡主軸組件的偏心量，如圖4-1所示。
轉(zhuǎn)軸是高速電主軸的主要回轉(zhuǎn)主體．它的制造精度直接影響電主軸的最終精度．成品轉(zhuǎn)軸的形位公差和尺寸精度要求都很高，轉(zhuǎn)軸高速運轉(zhuǎn)時，由偏心質(zhì)量引起振動，嚴(yán)重影響其動性能，必須對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行嚴(yán)格動平衡測試．部分安裝在轉(zhuǎn)軸上的零件也應(yīng)隨轉(zhuǎn)軸一起進(jìn)行動平衡測試．
圖4-1平衡螺釘擰入示意圖
4.4電主軸的運動控制
在數(shù)控機床中，電主軸通常采用變頻調(diào)速方法。目前主要有普通變頻驅(qū)動和控制、 矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動和控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制三種控制方式。
普通變頻為標(biāo)量驅(qū)動和控制，其驅(qū)動控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比。普通變頻控制的動態(tài)性能不夠理想，在低速時控制性能不佳，輸出功率不夠穩(wěn)定，也不具備C軸功能。但價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，一般用于磨床和普通的高速銑床等。
矢量控制技術(shù)模仿直流電動機的控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法來實現(xiàn)驅(qū)動和控制，具有良好的動態(tài)性能。矢量控制驅(qū)動器在剛啟動時具有很大的轉(zhuǎn)矩值，加之電主軸本身結(jié)構(gòu)簡單，慣性很小，故啟動加速度大，可以實現(xiàn)啟動后瞬時達(dá)到允許極限速度。這種驅(qū)動器又有開環(huán)和閉環(huán)兩種，后者可以實現(xiàn)位置和速度的反饋，不僅具有更好的動態(tài)性能，還可以實現(xiàn)C軸功能；而前者動態(tài)性能稍差，也不具備C軸功能，但價格較為便宜。
直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的又一種新型的高性能交流調(diào)速技術(shù)，其控制思想新穎，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔明了，更適合于高速電主軸的驅(qū)動，更能滿足高速電主軸高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍、高速瞬間準(zhǔn)停的動態(tài)特性和靜態(tài)特性的要求，已成為交流傳動領(lǐng)域的一個熱點技術(shù)。
設(shè)計小結(jié)
本設(shè)計課題研究主要內(nèi)容是通過分析電主軸的工作原理，軸承技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)（潤滑，冷卻，動平衡，運動控制），以及電主軸安裝實例，設(shè)計出與銑床配套的，符合要求的電主軸機械部分。
本設(shè)計課題研究的主要內(nèi)容如下：
1. 電主軸工作原理，包括工作原理，主要參數(shù)，設(shè)計優(yōu)點以及裝配中需要注意的問題。
2. 軸的設(shè)計，包括軸材料的選擇；軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計；校核；軸端形式以及過盈連接裝置的設(shè)計。
3.軸承的設(shè)計，包括軸承的選擇，校核及組合設(shè)計。
4.電主軸關(guān)鍵技術(shù)，包括潤滑技術(shù)，冷卻技術(shù)，動平衡以及運動控制。
本設(shè)計課題研究的意義在于作為銑床重要部分的電主軸，是一種智能型功能部件。現(xiàn)代機械制造工業(yè)向高精度、高速度、高效率的方向飛速發(fā)展，對加工機床提出了更高要求．這就需要可以高速運轉(zhuǎn)的主軸部件系統(tǒng)——高速主軸單元．電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪音低、響應(yīng)快等優(yōu)點，可以減少齒輪傳動，簡化機床外形設(shè)計，易于實現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中一種理想結(jié)構(gòu)。
致謝
在完成論文“電主軸的機械設(shè)計”之際，向辛勤培育我的導(dǎo)師王曙光老師致以衷心的感謝和崇高的敬意！
本論文在王曙光老師的悉心指導(dǎo)下完成。從論文的選題、課題的實施到論文的撰寫，導(dǎo)師都給以了細(xì)致如微的指導(dǎo)。導(dǎo)師“工作塌實、對事業(yè)無私奉獻(xiàn)的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實、刻意創(chuàng)新”的治學(xué)精神，及淵博的知識和獨到的見解，使我受益匪淺。在論文的每一處中都凝聚著導(dǎo)師們的心血和汗水。正是在導(dǎo)師們的指導(dǎo)下，我才能夠順利完成論文工作。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意! 時光如水，日月如梭，詩情畫意中的學(xué)術(shù)之旅行將結(jié)束。它短暫而充實，輕松而又愜意，猶如人生旅途劃過的一顆璀璨靚麗的流星。有太多的事歷歷在目，宛如昨日, 記憶猶新。有太多的人音容笑貌，躍然紙上，揮之不去。如余音繞梁三日不絕，又如小酌醇酒，久之彌篤，真是欲罷不能，難舍難分。惟有掩卷長嘆：“天下無不散之宴席?！甭仿湫捱h(yuǎn)兮，吾將上下而求索。我愿在未來的學(xué)習(xí)和研究過程中，以更加豐厚的成果來答謝曾經(jīng)關(guān)心、幫助和支持過我的所有領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和朋友。
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