2427 磁懸浮電主軸機(jī)械部分設(shè)計(jì),磁懸浮,主軸,機(jī)械,部分,部份,設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目： 數(shù)控車床電主軸設(shè)計(jì)學(xué) 號(hào)：姓 名： 班 級(jí)：07 級(jí)機(jī)械（3）班專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師：學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院答辯日期：2011 年 4 月 23 日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)摘 要本文闡述了車床電主軸的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及趨勢(shì)，并介紹了電主軸的工作原理及關(guān)鍵技術(shù)。然后，確定了合理的電主軸總體結(jié)構(gòu)，分別對(duì)電主軸的電機(jī)、編碼器、轉(zhuǎn)子、定子和冷卻系統(tǒng)等各零部件作了設(shè)計(jì)，產(chǎn)生了裝配圖、零件圖與設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)等設(shè)計(jì)文檔。最后，對(duì)電主軸的旋轉(zhuǎn)軸和軸承進(jìn)行了詳細(xì)的分析和校核，計(jì)算表明，該電主軸設(shè)計(jì)符合要求。關(guān)鍵詞：車床；電主軸；主軸；軸承畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)IAbstractThis paper describes the history, status and trends of lathe electrical spindle development, and also introduce the working principle and key technology of electrical spindle. Then, the reasonable structure of the electrical spindle is determined. The structure of main components is designed, such as axis, encoders, rotor, stator and cooling systems. The assembly drawings, part drawings and design specifications and other design documents is generated. Finally, the detailed analysis and verification of the axis and bearing are made. The calculation result shows that the design of electrical spindle meets the requirements.Key words: lathe；electrical spindle ；spindle；bearing畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)II目 錄第 1 章 緒論………………………………………………………………………….. ….11.1 選題的目的和意義……………………………………………………………………………11.2 數(shù)控車床電主軸的國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)………………………………………….11.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容…………………………………………….. …………………………..4第 2 章 數(shù)控車床電主軸的介紹………………………………………………………………………………….. …52.1 車床電主軸的工作原理……………………………………………………………………………….. ………………………52.2 數(shù)控車床電主軸的特征……………………………………………………………………………….. ………………………5第 3 章 車床電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………….. ………73.1 電主軸結(jié)構(gòu)圖……………………………………………………………………………….. ………………………………………73.2 同步帶的選擇……………………………………………………………………………….. ………………………………………73.3 內(nèi)置編碼器的選擇……………………………………………………………………………….. ……………………………113.4 轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………….. ……………………………123.5 軸承的選擇……………………………………………………………………………….. ……………………………………….143.6 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………….. ………………………………..163.7 主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)……………………………………………………………………………….. ………………………..18第 4 章 軸的校核……………………………………………………………………………….. ………………………………………..254.1 軸的強(qiáng)度校核計(jì)算……………………………………………………………………………….. ……………………………254.2 軸的剛度校核計(jì)算……………………………………………………………………………….. ……………………………284.3 軸的 CAE 分析……………………………………………………………………………….. ………………………………….29畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)III第 5 章 軸承的校核……………………………………………………………………………….. ……………………………………315.1 角接觸球軸承的校核……………………………………………………………………………….. ………………………..315.2 深溝球軸承的校核……………………………………………………………………………….. ……………………………335.3 軸承的 CAE 分析……………………………………………………………………………….. ………………………………..34總結(jié)……………………………………………………………………………….. ……………………………. ……………..36參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………….. …………………………………….37致謝……………………………………………………………………………….. …………………………………………….39附錄 1 電主軸的裝配圖……………………………………………………………………………….. ……………..40附錄 2 電主軸的主軸零件圖……………………………………………………………………………….. ……..41附錄 3 電主軸的同步帶輪零件圖……………………………………………………………………………….. 42附錄 4 電主軸的壓蓋零件圖……………………………………………………………………………….. ……..43附錄 5 電主軸的刀套零件圖……………………………………………………………………………….. ……..44畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)0第 1 章 緒論1.1 選題的目的和意義我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程充分證明，數(shù)控機(jī)床電主軸發(fā)展的滯后，始終是制約我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展的瓶頸問(wèn)題之一。高速電主軸的功能部件跟不上，發(fā)展數(shù)控機(jī)床將成為空話。我國(guó)數(shù)控機(jī)床整體技術(shù)水平的發(fā)展和提高，最終離不開(kāi)先進(jìn)的功能部件產(chǎn)業(yè)的支持。我國(guó)數(shù)控機(jī)床經(jīng)歷了二十多年的發(fā)展歷程,形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模，具備了進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)。但在數(shù)控機(jī)床品種、質(zhì)量和性能等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在較大差距，很難能滿足市場(chǎng)需求，特別是高端數(shù)控機(jī)床主要依賴進(jìn)口，已明顯制約我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)的發(fā)展。高速電主軸制造技術(shù)成為了決定高端的數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)決定電主軸發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)要進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，特別是在電主軸應(yīng)用中的關(guān)鍵部件諸如復(fù)合陶瓷軸承、內(nèi)置式無(wú)外殼電機(jī)、性能優(yōu)良的伺服控制器、高精度位置編碼器、氣密封裝置等進(jìn)行自主研發(fā)，改變這些關(guān)鍵部件主要靠進(jìn)口的局面。高速電主軸也是高端的數(shù)控機(jī)床的核心，大力發(fā)展高速電主軸將對(duì)我國(guó)的裝備制造行業(yè)會(huì)起到強(qiáng)大的推動(dòng)作用。1.2 數(shù)控車床電主軸的國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 數(shù)控車床電主軸的國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)電主軸技術(shù)的研究始于 20 世紀(jì) 60 年代，主要用于零件內(nèi)表面磨削，這種電主軸的功率低，剛度小，并且它采用無(wú)內(nèi)圈式向心推力球軸承，限制了高速電主軸的產(chǎn)業(yè)化。到 80 年代，隨著國(guó)內(nèi)高速主軸軸承的開(kāi)發(fā)成功，研制出一系列高剛度、高速電主軸，廣泛應(yīng)用于各種內(nèi)圓磨床和各個(gè)機(jī)械制造領(lǐng)域。在 90 年代以后由磨用電主軸轉(zhuǎn)向銑用電主軸，它不僅能加工各種形體復(fù)雜的模具，而且開(kāi)發(fā)了用于木工機(jī)械用的風(fēng)冷式高速銑用電主軸，推動(dòng)了高速電主軸在切削中的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)以洛陽(yáng)軸承研究所(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司)為代表，早在 1958 年就研制出了磨用電主軸之后又研發(fā)了大功率、高轉(zhuǎn)速系列電主軸，磁懸浮和氣靜壓電主軸等，并將電主軸在 90 年代應(yīng)用于大型數(shù)控銑床，加工中心和數(shù)控車床，是我國(guó)電主軸技術(shù)的引領(lǐng)者。廣州工業(yè)大學(xué)高速加工和機(jī)床研究所也開(kāi)發(fā)研制了多種電主軸，并應(yīng)用畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)1于數(shù)控銑床由于近些年數(shù)控加工技術(shù)的飛速發(fā)展，在軍工、基礎(chǔ)裝備制造，航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω咚匐娭鬏S的迫切需要，國(guó)內(nèi)的電主軸研究也得到了很大的發(fā)展。同濟(jì)大學(xué)、北京機(jī)床研究所和上海機(jī)床廠在高速電主軸方面也取得了很大的成就。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的磨削用電主軸的轉(zhuǎn)速在 15000r/min 以內(nèi)；加工中心用電主軸的轉(zhuǎn)速最高30000r/ min，轉(zhuǎn)矩達(dá) 200N·m 的加工中心用電主軸轉(zhuǎn)速只有 4000r/min；車削用電主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 12000r/min，最大功率只有 11kw。在電主軸的潤(rùn)滑方面，國(guó)外普遍采用先進(jìn)的油氣潤(rùn)滑技術(shù)，而我國(guó)主要以油脂潤(rùn)滑和油霧潤(rùn)滑為主。國(guó)外電主軸最早用于內(nèi)圓磨床，上世紀(jì) 80 年代，隨著數(shù)控機(jī)床和高速切削技術(shù)的發(fā)展和需要，逐漸將電主軸技術(shù)應(yīng)用于加工中心、數(shù)控銑床等高檔數(shù)控機(jī)床。目前電主軸已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床最主要功能部件之一，世界上形成許多著名的機(jī)床電主軸功能部件專業(yè)制造商，它們生產(chǎn)的電主軸功能部件已經(jīng)系列化。具有代表性有美國(guó)福特公司和 Ingerso1l 公司聯(lián)合推出的 HVM800 臥式加工中心的大功率電主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá) 15000r/min 由靜止升至最高轉(zhuǎn)速僅需 15s。瑞士 IBAG 公司在電主軸行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先現(xiàn)在被公認(rèn)為代表了行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。IBAG 公司提供的電主軸已經(jīng)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化電主軸最大轉(zhuǎn)速可達(dá) 140000r/min，直徑范圍 33 到 300mm，功率范圍125W-SOkW,扭矩范圍 0.02～300N·m。日本三井精機(jī)公司生產(chǎn)的 HT3A 臥式加工中心采用陶瓷軸承支承的電主軸,主軸轉(zhuǎn)速達(dá) 40000r/min 此外還有瑞士的 Fisher 公司、德國(guó)的 GMN 公司、Hofer 公司、西門(mén)子、意大利的 Faemat 公司和 Gamfior 公司等，這些公司生產(chǎn)的電主軸有以下特點(diǎn)：(l) 功率大、轉(zhuǎn)速高。 (2) 采用高速、高剛度軸承。國(guó)外高速精密主軸上采用高速、高剛度軸承，主要有陶瓷軸承和液體動(dòng)靜壓軸承，特殊場(chǎng)合采用空氣潤(rùn)滑軸承和磁懸浮軸承。(3) 精密加工與精密裝配工藝水平高。(4) 配套控制系統(tǒng)水平高。這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤(rùn)滑與精密控制系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補(bǔ)償精密控制系統(tǒng)等 [1]。1.2.2 數(shù)控車床電主軸的國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)（1）向高速度、高剛度方向發(fā)展隨著主軸軸承及其潤(rùn)滑技術(shù)、精密加工技術(shù)、精密動(dòng)平衡技術(shù)、高速刀具及其接口技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床用電主軸高速化已成為目前發(fā)展的普遍趨勢(shì)。電主軸的功率和轉(zhuǎn)速是受電主軸體積及軸承限制的，D mN 值是反映電主軸剛度和轉(zhuǎn)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)2速的一個(gè)重要的綜合特征參數(shù)，D mN 值越大，其電主軸性能越。因此，在保證電主軸高轉(zhuǎn)速的前提下，加大主軸直徑，提高其剛性，也是電主軸技術(shù)發(fā)展的方向之一。（2）向高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床需要同時(shí)能夠滿足低速粗加工時(shí)的重切削、高速切削時(shí)精加工的要求，因此機(jī)床電主軸應(yīng)該具備低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率的性能。高速電主軸的大功率化已是國(guó)際機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向。近年大功率半導(dǎo)體器件有了飛躍性發(fā)展，已經(jīng)完全可以滿足現(xiàn)有的電主軸應(yīng)用場(chǎng)合所要求的功率等級(jí)，這為高速電主軸的大功率化奠定了基礎(chǔ)。德國(guó) GMN 公司的電主軸低速粗加工時(shí)的重切削力可達(dá)1250N·m,高速切削時(shí)精加工最大輸出功率可到 150kW。（3）電機(jī)形式與控制方式多樣化方向發(fā)展主軸電機(jī)方面：目前國(guó)內(nèi)外主軸電機(jī)常見(jiàn)的是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，但由于其結(jié)構(gòu)和特性的限制，運(yùn)行狀態(tài)改變時(shí)導(dǎo)致電機(jī)很難在最佳效率點(diǎn)運(yùn)行，功率因數(shù)低、效率低。雖然采用變頻調(diào)速、矢量控制、功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)改善了電機(jī)系統(tǒng)的效率，但由于感應(yīng)電機(jī)的工作原理決定其運(yùn)行效率的提高是有限的，特別是在位置和速度要求非常高的高精度高速電主軸系統(tǒng)中應(yīng)用有時(shí)很難滿足系統(tǒng)要求。因此選用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，轉(zhuǎn)矩密度高，控制精度高的永磁電機(jī)代替感應(yīng)電動(dòng)機(jī)也將是電主軸發(fā)展的一個(gè)重要方向。在主軸電機(jī)控制方面：采用矢量控制已經(jīng)被大多數(shù)高速電主軸生產(chǎn)廠家所采用，針對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)采用自適應(yīng)控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、定子優(yōu)化控制等措施不斷提高感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在電主軸的應(yīng)用性能。對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)在低速粗加工時(shí)的重切削多采用恒轉(zhuǎn)矩控制方式,高速切削時(shí)精加工采用恒功率控制，在擴(kuò)大永磁電機(jī)在弱磁區(qū)域的同時(shí)提高穩(wěn)定性也將成為高速電主軸研究熱點(diǎn)問(wèn)題。此外，柔性主軸及其軸承彈性支承技術(shù)的研究也將進(jìn)一步深化。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的軸承多以用高速角接觸球軸承支承，氣靜壓方式將逐漸取代角接觸球軸承成為主流方式。另外隨著磁懸浮技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，在滿足成本要求的情況下，磁懸浮軸承將由一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用到普通場(chǎng)合的特殊要求的應(yīng)用。提高高速電主軸動(dòng)平衡等級(jí)，降低振動(dòng)，使電主軸壽命更長(zhǎng)。在保證轉(zhuǎn)速的情況下，應(yīng)盡量降低電主軸的整體振動(dòng)。主軸單元的自動(dòng)平衡裝置也將因高速電主軸的振動(dòng)指標(biāo)更高而不斷的更新和完善。潤(rùn)滑技術(shù)不斷改進(jìn)，預(yù)負(fù)荷施加技術(shù)不斷進(jìn)步。陶瓷球復(fù)合軸承和畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)3油氣潤(rùn)滑技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得軸承發(fā)熱更小，而且更能適應(yīng)高速需要。在非接觸式軸承中，磁浮和氣浮軸承不斷發(fā)展，已有系列產(chǎn)品出現(xiàn)。軸承預(yù)負(fù)荷施加方式上，過(guò)去主要使用剛性預(yù)負(fù)荷，不斷發(fā)展為彈性預(yù)負(fù)荷，后又出現(xiàn)智能預(yù)負(fù)荷方式，使軸承承載性能更優(yōu)。油氣潤(rùn)滑方式和成本更低的非接觸式軸承技術(shù)也將是高速電主軸發(fā)展的方向 [1]。1.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容（1）數(shù)控車床電主軸總體方案設(shè)計(jì)；（2）根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，進(jìn)行工藝分析、結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)計(jì)算和校核；（3）繪制裝配圖及其他零件圖；（4）撰寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū) 1 份，撰寫(xiě)其他相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)文檔。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)4第 2 章 數(shù)控車床電主軸的介紹2.1 車床電主軸的工作原理 電主軸作為加工中心的核心部件，它將機(jī)床主軸與交流伺服電機(jī)軸合二為一，即將主軸電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，并經(jīng)過(guò)精確的動(dòng)平衡校正，具有良好的回轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性，形成一個(gè)完美的高速主軸單元，也被稱為內(nèi)裝式電主軸，其間不再使用皮帶齒輪傳動(dòng)副，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸系統(tǒng)的“零傳動(dòng)” ，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。2.2 數(shù)控車床電主軸的特征（1）高回轉(zhuǎn)精度車削中心的主軸是裝夾工件的基準(zhǔn)，并將運(yùn)動(dòng)傳遞給工件，因此主軸的回轉(zhuǎn)精度直接影響加工精度。為保證電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的回轉(zhuǎn)精度，其關(guān)鍵零件必須進(jìn)行精加工和超精加工，選用尺寸和精度等級(jí)合適的軸承，采用合理的裝配方案；（2）高剛度主軸剛度反映主軸單元抵抗外載荷的能力。尤其，進(jìn)行車削粗加工時(shí)，切削量較大，主軸要承受很大的徑向力。為了保證加工精度、避免振動(dòng)，要求電主軸具備較高的剛度，特別是徑向剛度；（3）抗振性強(qiáng)機(jī)床工作時(shí)，主軸部件不僅受靜態(tài)力的作用，同時(shí)還受其他沖擊力和交變干擾力的作用而產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)是主軸動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)，振動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生噪聲，并直接影響工件的表面加工質(zhì)量，振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生崩刃和打刀現(xiàn)象。因此，電主軸的抗振性要強(qiáng)；（4）電機(jī)特性優(yōu)良車削中心要求有較廣的加工范圍，這就要求電主軸既要有優(yōu)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轉(zhuǎn)矩調(diào)速，保證低速時(shí)有較大的輸出轉(zhuǎn)矩，滿足低速大進(jìn)給的切削要求；而高速段采用恒功率調(diào)速，可滿足小切削量的高轉(zhuǎn)速要求。對(duì)一些低速要求高的電主軸，應(yīng)采用高性能的矢量變頻器控制；畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)5（5）熱特性穩(wěn)定由于電主軸是將高速電機(jī)置于機(jī)床主軸部件內(nèi)部，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子和軸承的的發(fā)熱量很大，并引起熱變形，直接影響機(jī)床的工作性能和加工精度，因此要求電主軸的熱態(tài)性能穩(wěn)定 [2]。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)6第 3 章 車床電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 電主軸結(jié)構(gòu)圖1—主軸箱體　2—主軸前軸承　3—主軸　4—冷卻液進(jìn)口　5—主軸前軸承座　6—前軸承冷卻套　7—定子 8—轉(zhuǎn)子　9—定子冷卻套　10—冷卻液出口　11—主軸后軸承圖 3.1　車削中心電主軸結(jié)構(gòu)示意圖電主軸由主軸及主軸箱本體、輔助裝置、檢測(cè)裝置組成。電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用壓配方法與主軸做成一體，主軸則由前后軸承支撐。轉(zhuǎn)子定子通過(guò)冷卻套安裝于主軸單元的殼體中。主軸的變速由主軸驅(qū)動(dòng)模塊控制，而主軸單元內(nèi)的溫升由冷卻裝置控制。在主軸的后面裝有松刀油缸、旋轉(zhuǎn)接頭；前端的內(nèi)錐孔和端面用于安裝刀具、刀具夾爪；中間有刀具拉桿、刀具夾緊彈簧。3.2 同步帶的選擇3.2.1 同步帶介紹同步帶傳動(dòng)是一種新型的機(jī)械傳動(dòng)。由于它是一種嚙合傳動(dòng)，因而帶和帶輪之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，從而使主從輪間的傳動(dòng)達(dá)到同步。同步帶傳動(dòng)和 V 帶、平帶相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)傳動(dòng)準(zhǔn)確，無(wú)滑動(dòng)，能達(dá)到同步傳動(dòng)的目的；(2)傳動(dòng)效率高，一般可達(dá) 98?%；畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)7(3)速比范圍大，允許線速度也高；(4)傳遞功率范圍大，從幾十瓦到幾百千瓦；(5)結(jié)構(gòu)緊湊，還適用于多軸傳動(dòng)。同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)目的是確定帶的型號(hào)節(jié)距帶長(zhǎng)(節(jié)線長(zhǎng)度)中心距、帶寬及主、從動(dòng)帶輪齒數(shù)，直徑等參數(shù)。3.2.2 同步帶計(jì)算一臺(tái)額定功率為 12.5kw，轉(zhuǎn)速為 1000r/min 的異步電機(jī)，一天工作 8 個(gè)小時(shí)以上，以此來(lái)設(shè)計(jì)電主軸的同步帶。(1) 求設(shè)計(jì)功率 PdPd=K0Pm=1.6×12.5=20 kw式中 K0 載荷修正系數(shù)（由表 3.1 得）表 3.1　載荷修正系數(shù) K（部分）原 動(dòng) 機(jī)運(yùn) 轉(zhuǎn) 時(shí) 間（小時(shí)/日）工 作 機(jī)3~5 8~10 16~24帶式輸送機(jī)，烘干機(jī)，杠車床，帶鋸，篩選機(jī) 1.2 1.4 1.6液體攪拌機(jī)，鉆床，車床，龍門(mén)刨床，造紙機(jī) 1.4 1.6 1.8牛頭刨床，磨床，銑床，鉆鏜床，紡織機(jī)械 1.5 1.7 1.9(2) 確定帶的型號(hào)和節(jié)距由于電主軸是內(nèi)裝式電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速就是主軸轉(zhuǎn)速，所及小齒輪轉(zhuǎn)速n1=n2×i0=3100r/min，由圖 3.2 查的帶的型號(hào)為 H 型，對(duì)應(yīng)節(jié)距 Pb=12.7mm(見(jiàn)表3.2)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)8圖 3.2　通過(guò)功率找同步帶型號(hào)(3) 選擇小帶輪齒數(shù)由小帶輪轉(zhuǎn)速 n1=3100r/min 和 H 型帶，查表 3.3 得小帶輪最小許用齒數(shù)Z1=20，則 Z2=iZ1，其中 i=n1／n2=3.1Z2=62, 取標(biāo)準(zhǔn)帶輪齒數(shù) Z2=60(4) 確定帶輪節(jié)圓直徑：d1=PbZ1／π=80.892mmd2= PbZ2／π=242.675mm(5) 確定同步帶的節(jié)線長(zhǎng)度 LpLp=2acosφ+π(d2+d1) ／2+πφ(d2-d1) ／180 （3-2）式中：φ= =9.31?(以 a=500mm 代入)ad21sin1?則 Lp=1521.102 選擇最接近計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng) (見(jiàn)表 3.4) Lp=1524.00mm(6) 計(jì)算同步帶齒數(shù) ZbZb=Lp／Pb=1524.00/12.70=120(7) 傳動(dòng)中心距 a 的計(jì)算a=Pb(Z2-Z1) ／2πcosθ （3-3）式中：inVθ=π =3.1416 inVθ=tgθ-θ 用逐步逼近法計(jì)算， θ=1．3518(弧度)代Z1-zb?入上式:a=Pb(Z2-Z1) ／2πcosθ=373.53mm畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)9表 3.2　七種同步帶型號(hào)的主要參數(shù)帶型號(hào)節(jié)距Pd(mm)基準(zhǔn)寬度bэ?(mm)拉力 T?（ N）質(zhì)量（Kg/m）帶寬bэ（mm ）MXL 2.032 6.4 20 0.010 3.0 4.8 6.4XXL 3.175 6.4 31 0.010 3.0 4.8 6.4XL 5.080 9.5 50.17 0.022 6.4 7.9 9.5L 9.525 25.4 244.46 0.095 12.7 19.1 25.4H 12.700 76.2 2100.85 0.44819.1 25.4 38.1 50.8 76.2XH 22.227 101.6 4048.90 1.484 50.8 76.2 101.6XXH 31.750 127.0 6398.03 2.47350.8 76.2 101.6127.0表 3.3　帶輪最少許用齒數(shù)帶 型 號(hào)小帶輪轉(zhuǎn)速（ r/min） MXL XL L H XH XXH900 以下 10 10 12 14 22 22900~1200 以下 12 10 12 16 24 241200~1800 以下 14 12 14 18 26 261800~3600 以下 16 12 16 20 30 ——3600~4800 以下 18 15 18 22 —— ——(8) 確定同步帶設(shè)計(jì)功率為 Pd 時(shí)所需帶寬(a). 計(jì)算所選型號(hào)同步帶的基準(zhǔn)額定功率 PoPo=(Ta-mv2)v／1000 　(kw) （3-4）式中：Ta——許用工作拉力，查表 3.2 得 Ta=2100.85 Nm——單位長(zhǎng)度質(zhì)量，查表 3.2 可得 m=0.448Kg/mV——線速度 (m/s)V= =6.35 (m/s) （3-5）??2103??PbZ畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)10表 3.4　標(biāo)準(zhǔn)同步帶的節(jié)線長(zhǎng)度 (部分)節(jié)線長(zhǎng)度 節(jié)線長(zhǎng)度上的齒數(shù)基本尺寸（m）極限偏差（mm）MXL XXL XL L H XH XXH1422.40 ±0.81 —— 641447.80 ±0.81 —— 1141524.00 ±0.81 160 1201600.02 ±0.86 126 721676.40 ±0.86 132帶入上式的 Po=13.23 (kw)(b). 計(jì)算小帶輪嚙合齒數(shù) ZmZm= — （Z2-Z1）=8.62>6 21ZaPb2?(c). 確定實(shí)際所需帶寬 bэP≈PoKzKw （3-6）式中： P——帶所能傳遞功率 kwKz——嚙合系數(shù)，因 Zm>6 故 Kz=1Kw—— 查表 3.2，H 型帶 bэ?=76.20mm14.)(??b將 P 式代入 P≥Pd則 bэ≥bэ ? =26.65mm 取標(biāo)準(zhǔn)帶寬 38.1mm 見(jiàn)表 3.214./)(OZdK(9) 驗(yàn)算=22.15 > 20 kw10)(2vbmTPaWZ????額定功率大于設(shè)計(jì)功率，則帶的傳動(dòng)能力已足夠，所選參數(shù)合格 [4]。3.3 內(nèi)置編碼器的選擇為了提高機(jī)械裝置的加工精度，必須提高檢測(cè)元件和檢測(cè)系統(tǒng)的精度。其中以畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)11旋轉(zhuǎn)編碼器，線性編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器，測(cè)速發(fā)電機(jī)等比較普遍。本人在電主軸設(shè)計(jì)的內(nèi)置編碼器是屬于旋轉(zhuǎn)編碼器的。它的特點(diǎn)是：非接觸式，無(wú)摩擦和磨損，體積小，重量輕，機(jī)構(gòu)緊湊，安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，其具有高精度，大量程測(cè)量等。旋轉(zhuǎn)編碼器非常適合測(cè)速度，可無(wú)限累加測(cè)量。3.4 轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計(jì)高速電主軸的定子由具有高導(dǎo)磁率的優(yōu)質(zhì)矽鋼片迭壓而成。迭壓成型的定子內(nèi)腔帶有沖制嵌線槽。轉(zhuǎn)子是中頻電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，它的功能是將定子的電磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。它能帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、鼠籠、轉(zhuǎn)軸三部分組成。此次設(shè)計(jì)的電主軸電機(jī)轉(zhuǎn)子的基本尺寸為：轉(zhuǎn)子的外徑 2b＝126.5mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)孔直徑 2a＝85.5mm，轉(zhuǎn)子的軸向長(zhǎng)度為 346mm，轉(zhuǎn)子配合面的有效接觸長(zhǎng)度B＝300mm 。主軸配合面的基本尺寸為：外徑 2a＝ 85.5mm，內(nèi)孔直徑為2c＝46mm。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為 8000r／min，所以其最大角速度 ωmax 為 837.3 rad／ s。額定功率為 12.5 kW，額定轉(zhuǎn)矩為 114 Nm，電主軸的結(jié)構(gòu)如圖 3.3 所示。Ce= = =0.6759 （3-7）ba06325.47Ci= = =0.5380　 （3-8）c電機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸均為鋼質(zhì)材料，材料的彈性模量 E＝2.1×10 11N／m 2，泊凇比υ＝0.3 ， 主軸配合面間的摩擦系數(shù) μ＝0.09，電機(jī)轉(zhuǎn)子襯套材料的許用應(yīng)力［ σ］為287N／mm 2，主軸材料的許用應(yīng)力［σ］為 567 N／mm 2。要滿足電主軸的高速性能，電機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸配合面間的動(dòng)態(tài)過(guò)盈分量的最小值Δdmin 可由下式求得：Δ dmin= =0.0205　 （3-9）2322 )1)(31(ECeaivw???要滿足電主軸的扭矩傳遞能力，電機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸配合面之間的靜態(tài)過(guò)盈分量的最小值 Δsmin 可由下式求得：Δsmin= ( + )=0.00245 （3-EBaMtvKc??)1(2?2Ce?21i?10）根據(jù)計(jì)算可知，高速電主軸要求的動(dòng)態(tài)過(guò)盈量 Δdmin 是其要求的靜態(tài)過(guò)盈量的畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)126倍多，由此可見(jiàn)，高速主軸的過(guò)盈量主要由動(dòng)態(tài)過(guò)盈量確定。高速電主軸的最小過(guò)盈量 Δmin 為：圖 3.3　電主軸的結(jié)構(gòu)Δmin＝Δ dmin＋Δ smin＝0.02295　（mm） （3-11）據(jù)此，在 GD－Ⅱ型電主軸設(shè)計(jì)中，主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子的配合采用 Φ66H6／s6 的過(guò)盈配合，這種配合的實(shí)際最小過(guò)盈量為 0.040mm(＞0.02295　mm)，能滿足電主軸的高速傳動(dòng)要求。其實(shí)際的最大過(guò)盈量為 0.078mm，配合面實(shí)際產(chǎn)生的最大正壓力為：p max= =93.6 (N/mm2) （3-12）aCeiE)1)(v-22mx??電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)孔配合面上具有最大的切向拉應(yīng)力 σθemax 和最大的徑向壓應(yīng)力σremax，其值為：σθemax (r=a)=-pmax=-93.6 (N/mm2) （3-13）σremax (r=a)= =191.9 (N/mm2)　 （3-14）2max1)(CieP??畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)13主軸的 σri（r）和 σθi（r）均為壓應(yīng)力，其中主軸的配合面上具有最大的徑向壓應(yīng)力 σrimax，在主軸內(nèi)孔壁處具有最大的切向壓應(yīng)力 σθimax，其值為：σrimax (r=a)=-pmax=-93.6 (N/mm2) （3-15）σθimax (r=c)= =-263.4 (N/mm2) （3-16）2max1CiP?電主軸的裝配應(yīng)力分布如圖 3.4 所示。由此可見(jiàn)，電主軸的危險(xiǎn)點(diǎn)在電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)，根據(jù)第三強(qiáng)度理論：σr3=σθemax-σremax=285.5 (N/mm2)電機(jī)轉(zhuǎn)子襯套材料的許用應(yīng)力［σ］為 287　N／mm ，σ r3＜［σ］ ，使用安全。圖 3.4　主軸與轉(zhuǎn)子過(guò)盈配合的應(yīng)力分布3.5 軸承的選擇3.5.1 軸承的選擇按軸系零件軸向定位方法的不同，軸的支承結(jié)構(gòu)可分為三種基本型式：兩端固定支承，一端固定、一段游動(dòng)支承和兩端游動(dòng)支承。本設(shè)計(jì)采用兩端固定支承。采用兩端固定支承時(shí)，應(yīng)留出適當(dāng)?shù)妮S向間隙，以補(bǔ)償工作時(shí)軸的熱伸長(zhǎng)量，同時(shí)應(yīng)提供適當(dāng)?shù)拈g隙調(diào)整方法。我采用的是角接觸軸承，所以可利用調(diào)整墊片或螺紋件來(lái)調(diào)整軸承的游隙，以保證軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。首先通過(guò)對(duì)軸的受力分析得到了軸承的大致載荷在 3000~4000N 左右，屬于中等載荷，故采用球軸承；接著看轉(zhuǎn)速，球軸承與滾子軸承相比較，有較高的極限轉(zhuǎn)速，電主軸的轉(zhuǎn)速在 1000~8000r/min，所以優(yōu)先選用球軸承。最后軸承在承受徑向載荷的同時(shí)，還有不大的軸向載荷，所以選用深溝球軸承和角接觸軸承。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)14故在主軸的兩端我分別采用了角接觸球軸承和深溝球軸承，分別見(jiàn)圖 3.5 和圖3.6。成 對(duì) 安 裝 角 接 觸 球 軸 承 （ GB/T292-1994） 可 同 時(shí) 承 受 徑 向 載 荷 和 軸 向 載 荷 。它 能 在 較 高 的 轉(zhuǎn) 速 下 工 作 ， 接 觸 角 越 大 ， 軸 向 承 載 能 力 越 高 。 高 精 度 和 高 速 軸 承通 常 取 15 度 接 觸 角 。深 溝 球 軸 承 是 最 具 代 表 性 的 滾 動(dòng) 軸 承 ， 用 途 廣 泛 。 適 用 于 高 轉(zhuǎn) 速 甚 至 極 高 轉(zhuǎn)速 的 運(yùn) 行 ， 而 且 非 常 耐 用 ， 無(wú) 需 經(jīng) 常 維 護(hù) 。 深 溝 球 軸 承 的 摩 擦 系 數(shù) 很 小 ， 極 限 轉(zhuǎn)速 也 很 高 ， 特 別 是 在 軸 向 載 荷 很 大 的 高 速 運(yùn) 轉(zhuǎn) 工 況 下 ， 深 溝 球 軸 承 比 推 力 球 軸承 更 有 優(yōu) 越 性 。圖 3.5　角接觸球軸承3.5.2 軸 承 材 料 的 選 擇目 前 ， 滾 動(dòng) 軸 承 電 主 軸 的 支 承 形 式 主 要 采 用 鋼 質(zhì) 球 軸 承 和 陶 瓷 球 混 合 軸 承 。本 人 采 用 陶 瓷 球 混 合 軸 承 。 陶 瓷 球 混 合 軸 承 與 傳 統(tǒng) 的 鋼 質(zhì) 球 軸 承 相 比 ， 具 有 密 度小 、 彈 性 模 量 大 、 熱 膨 脹 系 數(shù) 小 、 耐 高 溫 等 優(yōu) 良 物 理 性 能 和 機(jī) 械 性 能 。（ 1） 陶 瓷 球 混 合 軸 承 材 料 Si3N4， 密 度 只 有 鋼 的 40%。 在 高 速 運(yùn) 轉(zhuǎn) 時(shí) ， 可大 幅 減 小 滾 動(dòng) 體 的 離 心 力 ， 從 而 減 小 球 與 套 圈 滾 道 間 的 接 觸 應(yīng) 力 ， 延 長(zhǎng) 軸 承 的 使用 壽 命 。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)15圖 3.6　深溝球軸承（ 2） 彈 性 模 量 大 、 硬 度 高 。 與 鋼 質(zhì) 球 軸 承 相 比 ， 相 同 負(fù) 荷 下 陶 瓷 球 在 接 觸 應(yīng)力 作 用 區(qū) 域 材 料 塑 性 變 形 小 ， 使 軸 承 的 剛 度 提 高 ， 從 而 提 高 主 軸 系 統(tǒng) 的 臨 界 轉(zhuǎn) 速 。（ 3） 膨 脹 系 數(shù) 小 。 混 合 軸 承 的 工 作 游 隙 及 工 作 游 隙 的 變 化 幅 度 小 ， 導(dǎo) 致 高 速高 溫 時(shí) ， 滾 動(dòng) 體 與 溝 道 接 觸 的 最 大 接 觸 應(yīng) 力 及 接 觸 負(fù) 荷 的 變 化 幅 度 均 較 小 ， 確 保了 軸 承 運(yùn) 行 平 穩(wěn) 和 發(fā) 熱 量 的 減 少 。3.6 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電 主 軸 中 電 機(jī) 高 速 旋 轉(zhuǎn) 所 產(chǎn) 生 的 發(fā) 熱 和 軸 承 的 摩 擦 發(fā) 熱 ， 是 不 可 避 免 的 。 機(jī)床 工 作 時(shí) ， 在 內(nèi) 、 外 熱 源 的 作 用 下 ， 主 軸 系 統(tǒng) 的 各 個(gè) 部 分 會(huì) 產(chǎn) 生 不 同 程 度 的 溫 升 。升 溫 后 ， 主 軸 和 機(jī) 床 其 他 部 件 的 空 間 相 對(duì) 位 置 和 尺 寸 都 將 與 溫 升 前 不 同 ， 形 成 不同 的 溫 度 場(chǎng) ， 進(jìn) 而 產(chǎn) 生 不 同 程 度 的 熱 膨 脹 ， 導(dǎo) 致 加 工 誤 差 。 因 此 通 過(guò) 對(duì) 高 速 電 主軸 的 冷 卻 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 改 良 ， 來(lái) 控 制 電 主 軸 的 溫 升 ， 減 小 電 主 軸 的 熱 膨 脹 ， 對(duì) 于 保證 電 主 軸 性 能 和 提 高 其 使 用 壽 命 ， 是 至 關(guān) 重 要 的 。3.6.1 熱 源 的 主 要 構(gòu) 成電動(dòng)機(jī)和軸承是主要的發(fā)熱源。具體的熱源主要可分為三部分：（1）主軸電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于機(jī)床主軸的結(jié)構(gòu)中，電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的發(fā)熱，是其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的主要的熱源。（2）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在主軸殼體內(nèi)的高速攪動(dòng)，使內(nèi)腔中的空氣也會(huì)發(fā)熱，這些熱源產(chǎn)生的熱量，主要通過(guò)主軸殼體和主軸進(jìn)行散熱，所以電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量有相當(dāng)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)16一部分會(huì)通過(guò)主軸傳到軸承上去，因而影響軸承的壽命，并且會(huì)使主軸產(chǎn)生熱伸長(zhǎng)，影響加工精度。（3）隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高，主軸軸承的摩擦所產(chǎn)生的發(fā)熱量也隨之增大 [5]。3.6.2 冷 卻 系 統(tǒng) 的 冷 卻 路 線車床電主軸主要是通過(guò)在主軸殼體內(nèi)加冷卻油，并不斷的循環(huán)，把熱量帶走，來(lái)進(jìn)行冷卻的（如圖 3.7） 。其基本的冷卻路線是：首先從主軸冷卻油溫控制器流出冷卻油，經(jīng)過(guò)在靠近后端蓋 1 的冷卻環(huán)套上入水口，使冷卻油進(jìn)入后端軸承 2 的外圍，1. 后端蓋 2. 后端軸承 3. 轉(zhuǎn)子 4. 定子 5. 電機(jī)冷卻套 6.前端軸承 7.殼體機(jī)架圖 3.7　電主軸冷卻設(shè)計(jì)并對(duì)后端軸承 2 進(jìn)行冷卻。接著通過(guò)液壓把冷卻油擠向電動(dòng)機(jī)冷卻環(huán)套 5，對(duì)主軸的定子 4 、 轉(zhuǎn)子 3 和前端軸承 6 進(jìn)行冷卻，最后從殼體 7 的出水口，流回主軸冷卻油溫控制器完成循環(huán)。3.6.3 主 軸 傳 動(dòng) 的 熱 平 衡 計(jì) 算主 軸 傳 動(dòng) 由 于 效 率 低 ， 所 以 工 作 時(shí) 發(fā) 熱 量 大 。 在 閉 式 傳 動(dòng) 中 ， 如 果 產(chǎn) 生 的 熱量 不 能 及 時(shí) 散 逸 ， 將 因 溫 度 不 斷 升 高 而 使 潤(rùn) 滑 油 稀 釋 ， 從 而 增 大 摩 擦 損 失 ， 甚 至發(fā) 生 膠 合 。 所 以 ， 必 須 根 據(jù) 單 位 時(shí) 間 內(nèi) 的 發(fā) 熱 量 Φ1 等 于 同 時(shí) 間 內(nèi) 的 散 熱 量 Φ2的 條 件 進(jìn) 行 熱 平 衡 計(jì) 算 ， 以 保 證 油 溫 穩(wěn) 定 在 規(guī) 定 的 范 圍 內(nèi) [3]。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)17由 于 摩 擦 損 耗 的 功 率 ， 則 產(chǎn) 生 的 熱 流 量 為 ：)1(???Pf）（?0式中，P 為主軸傳遞的功率，KW。以自然冷卻方式，從箱體外壁散發(fā)到周圍空氣中去的熱流量 Φ2（單位為 W） [3]為，）（ ?????12Sd式 中 ： ——箱體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，可取 =（8.15~17.45） W/ (m2 · ?C)，當(dāng)d?周圍空氣流通良好時(shí)，取偏大值；S——內(nèi)表面能被潤(rùn)滑油所飛濺到，而外表面又可為周圍空氣所冷卻的箱體表面面積，m 2；to——油的工作溫度，一般限制在 60~70 ?C，最高不應(yīng)超過(guò) 80 ?C；ta——周圍空氣的溫度，常溫情況可取為 20?C；按熱平衡條件 Φ 1=Φ 2， 可 求 得 在 既 定 工 作 條 件 下 的 油 溫 to(單 位 為 ?C)為：（3-SPtdao??)1(0???16） 為了保持正常工作溫度所需要的散熱面積 S，當(dāng) ?C，而總效率 ，估取80?ot?=0.7，P=12.5KW ，所以?26210.56.m)(10tPSaod ??????因此只要散熱面積 S 大于 ，主軸的在工作條件下的油溫 to 就能保20.5?證在 80?C 一下，再看本人設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)的散熱面積 S:RLr???式中： r——冷卻管道的內(nèi)壁半徑 mm；R——冷卻管道的外壁半徑 mm； L——冷卻管道的長(zhǎng)度 mm；故 mm2，6108.75413.25.471.322 ????????rS?畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)18所以能證明主軸冷卻系統(tǒng)的熱平衡是穩(wěn)定的。3.7 主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有主軸前端懸伸量和主軸主支承間的跨距。這些參數(shù)直接影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度和主軸的剛度。3.7.1 主軸前端懸伸量的確定主軸的前端懸伸量主要取決于主軸端部的結(jié)構(gòu)，前支承軸承的配置和密封裝置的形式和尺寸，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。3.7.2 主軸主支承間的跨距 L 的確定主軸主支承間的跨距是主軸獲得最大靜剛度的重要條件之一?？缇噙^(guò)小，主軸的彎曲變形固然較小，但因支承變形引起主軸前端的位移量增大；反之，支承跨距過(guò)大，支承變形引起主軸前端的位移量減小了，但主軸的彎曲變形增大，也會(huì)引起主軸前端較大的位移。一般取 L=(2~3.5)a。3.7.3 主軸的構(gòu)造主軸的構(gòu)造和形狀主要決定于主軸上所安裝的刀具，夾具，傳動(dòng)件，軸承等零件的類型，數(shù)量，位置和安裝定位方法等。設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮主軸加工工藝性和裝配工藝性。本次設(shè)計(jì)的主軸為空軸，主軸的前端型式取決于機(jī)床類型，后端結(jié)構(gòu)取決于安裝刀具的型式。主軸的結(jié)構(gòu)如圖 3.8。3.7.4 主軸擋板的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 3.9，材料為 45 鋼，軸承選用角接觸球軸承，深溝球軸承。3.7.5 主軸的材料和熱處理機(jī)床主軸有較高的剛度要求，而剛度與主軸材料的彈性模量 E 值密切相關(guān)。由于各種鋼材的 E 值相差無(wú)幾（E＝2．1×10 11N／m 2） ，故影響不大。通常主軸材料根據(jù)主軸的耐磨性及熱處理后變形大小選擇。主軸選用 45 號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼，與球軸承連接的部分需調(diào)質(zhì)淬火處理。3.7.6 主軸所受外力的計(jì)算（1）車削力的計(jì)算金屬切削時(shí)，切削層及其加工表面上產(chǎn)生彈性和塑性變形；同時(shí)工件與刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)存在著摩擦力（作用在前、后刀面上的變形抗力，F(xiàn) nY 和 Fna；作用在前、后刀面上的摩擦力 FfY 和 Ffa。 ）這些力的合力 F 稱為切削合力，也稱總切削力。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)19總切削力 F 可沿 x，y，z 方向分解為三個(gè)互相垂直的分力 Fc，F(xiàn)p，F(xiàn)f ，如圖 3.10 所示。3.8　主軸結(jié)構(gòu)圖 3.9　主軸擋板圖 3.10　外圓車削時(shí)力的分解用 YT15 硬質(zhì)合金車刀縱車? b=0.637Gpa 的熱軋鋼外圓，切削速度畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)20Vc=100m/min，背吃刀量 ap=4mm，進(jìn)給量 f=0.3mm/r。車刀幾何參數(shù)Y0=10?， Kr=75?，λs=-10?， rЗ=0.5mm。表 3.5　車削時(shí)的車削力及切削功率的計(jì)算公式計(jì)算公式主切削力 Fc Fc= FCnyXpFCKVfaFC???81.9背向力 Fp Fp= PPOFO?進(jìn)給力 Ff Ff= FfnCyXpfffFff ???.切削時(shí)消耗的功率 Pc(kW) Pc= Fcvc×10-3/60切削力公式中系數(shù)和指數(shù)主切削力 背向力 進(jìn)給力加工材料刀具材料加工形式 CFc xFc yFc nFc CFp xFp yFp nFp CFf xFf yFf nFf外圓縱車、橫車及鏜孔270 1.0 0.75 -0.15 199 0.9 0.6 -0.3 294 1.0 0.5 -0.1切槽或切斷 367 0.72 0.8 0 142 0.73 0.67 0————————硬質(zhì)合金切螺紋 133 —— 1.7 0.71 —— —— —— —— —— —— —— ——外圓縱車、橫車及鏜孔180 1.0 0.75 0 94 0.9 0.75 0 54 1.2 0.65 0.2切槽或切斷 222 1.0 1.0 0————————————————結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼σb=0.637GPa高速鋼切螺紋 191 1.0 0.75 0 —— —— —— —— —— —— —— ——外圓縱車、橫車及鏜孔92 1.0 0.75 0 54 0.9 0.75 0 46 1.0 0.4 0.2硬質(zhì)合金 切螺紋 103 —— 1.8 0.82 —— —— —— —— —— —— —— ——外圓縱車、橫車及鏜孔114 1.0 0.75 0 119 0.9 0.75 0 51 1.2 0.65 0.2灰鑄鐵HBS190高速鋼 切螺紋 158 1.0 1.0 0 ————————————————根據(jù)表 3.5 得：Fc= （3-17）FCnCyXpFCKVfaFFFC????=9.81 nyfFFFC???畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)21Fp= （3-18）FPnCyXpFPKVfaCFOFOF????=9.81 O???Ff= （3-19）FfnCyXpFfffFfFf?=9.81 fKVaFfff ???所以得： FCCF16.076.034281.9????PP 5..9. Fff K4.06.01. ?切削力修正系數(shù) KFc、K Fp、K Ff是各種因素對(duì)切削力的修正系數(shù)的乘積。由表 3.6得：KFc=0．7537 K Fp =0.5509 KFf=0.7822代入上式切削力計(jì)算公式得：Fc=1620 （N） Fp=456.7 （N） Ff=783.32 （N）表 3.6　鋼和鑄鐵的強(qiáng)度改變時(shí)切削力的修正系數(shù) KmF機(jī)械材料 機(jī)構(gòu)鋼和鑄鋼 灰鑄鐵 可鍛鑄鐵系數(shù) KmFnFbmF???????673.0?nFmFHRSK???????190nFmFHBS???????150上列公式中的指數(shù) nF車削時(shí)的切削力 鉆削Fc Fp Ff M 及 F刀具材料加工材料硬質(zhì)合金 高速鋼 硬質(zhì)合金 高速鋼 硬質(zhì)合金 高速鋼 硬質(zhì)合金高速鋼結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼σb≤0.588Gpaσb>0.588Gpa0.75 0.350.751.35 2.0 1.0 1.5 0.75灰鑄鐵及可鍛鑄鐵 0.4 0.55 1.0 1.3 0.8 1.1 0.6（2） 同步帶的壓軸力壓軸力即為同步帶作用在軸上的力，是緊邊拉力和松邊拉力的矢量和，如圖3.11 所示：根據(jù)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn) JB/T7512.3-1994 壓軸力 Q 計(jì)算如下所示：畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)22Q= （N） （3-20））21(FK?圖 3-11　 同步帶的壓軸力、緊邊拉力、松邊拉力式中 KF—-矢量相加修正系數(shù)，如圖 3.12：而帶的緊邊張力和松邊張力分別由（3-20）公式所得：F1=1250Pd/V (N)F2=250Pd/V (N)圖 3.12　矢量相加修正系數(shù)式中 V 為帶速 m/s；Pd 為設(shè)計(jì)功率，Pd=K AP KW: KA為工況系數(shù)，其值如表 3.1，P 為需傳遞的名義功率 KW。所以壓軸力為：Q= =2100 (N) （3-21）VAF150（3） 轉(zhuǎn)子自身的重力畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)23由于轉(zhuǎn)子是套在主軸上的，所以主軸受到轉(zhuǎn)子的重力。轉(zhuǎn)子的外徑 R=70.7mm，而小徑 r=50mm，所以轉(zhuǎn)子的體積 V= (B 是轉(zhuǎn)子和主軸的有效接觸長(zhǎng)度)，BrR(2??V= =2.35×106 mm3 =2.35×103 cm3BrR)(2??而轉(zhuǎn)子的材料上文有提到是鋼材，ｐ=7.89 g/cm 3所以轉(zhuǎn)子的重力：G=ｐVg=181.7 (N)（4）按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算軸的最小直徑這種方法是只按軸所受的扭矩來(lái)計(jì)算軸的強(qiáng)度 [3]；（3-22）][2.0953TTdnPW?????式中： ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， Mpa；T?T——軸所受到的扭矩， N·mm；WT——軸的抗扭截面系數(shù)， mm3n——軸的轉(zhuǎn)速， r/min；P——軸傳遞的功率， kw；d——計(jì)算截面處軸的直徑， mm；[ ]——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， Mpa，見(jiàn)表 3.7。T?表 3.7　軸常用幾種材料[ ]及 A0 值T?軸的材料 Q235-A、20 Q275、 35(1Cr18Ni9Ti) 45 40Cr、35SiMn38SiMnMo、3Cr13[ ]/MPaT?15~25 20~35 25~45 35~55Ao 149~126 135~112 126~103 112~97由上式可得軸的直徑：畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)24（3-23）nPAnPdorr 3333 ][2,095][2.095?????對(duì)于空心軸，則：（3-24）)1(43???nAdo式中，β=d 1/d，即空心軸的內(nèi)徑 d1 與外徑 d 之比，本人取 0.6。所以：27.2 mm?畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)25第 4 章 軸的校核電主軸工作時(shí)，軸端會(huì)受到車刀對(duì)其的切削力，同步帶對(duì)帶輪的預(yù)緊力和不大的轉(zhuǎn)子重力。為使旋轉(zhuǎn)主軸能正常工作，要求軸具有足夠的剛度和強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和已知條件線初選軸的直徑，然后進(jìn)行剛度和強(qiáng)度方面的校核。4.1 軸的強(qiáng)度校核計(jì)算作用在主軸上的主切削力、預(yù)緊力和轉(zhuǎn)子對(duì)其的重力，使軸在垂直平面內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形，而徑向車削力使軸在水平面上產(chǎn)生彎曲變形。先求取垂直面支點(diǎn)反力和水平面支點(diǎn)反力 后，計(jì)算相應(yīng)的彎矩 和 。在轉(zhuǎn)矩 和彎矩的共同NVFNHFVMST作用下，按照第三強(qiáng)度理論軸的應(yīng)力計(jì)算公式如下。（4-1）22)(4?????ca式中的彎曲應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。到扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，取 ；當(dāng)3.0??扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取 ；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變變應(yīng)力使，6.0?則取 [3]。1??對(duì)于直徑為 的圓軸，彎曲應(yīng)力為：d（4-2）WM??扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為：（4-3）T2?將 和 代入式（4-1） ，則軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為??（4-4）????122224??????????????????WTMTWca式中： ——軸的計(jì)算應(yīng)力， Pa；ca——軸所受的合成彎矩， ， ；M2VH??mN?——軸所受的扭矩， ；TmN?畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)26——軸的抗彎截面系數(shù)， ， 。W32dW??3m——許用應(yīng)力，在抵擋工作時(shí)取 。][1??MPa40本設(shè)計(jì)中扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，所以取 。整理后式（4-4）可6.??以寫(xiě)成 [3]：（4-5）][)6.01(321342????????dTac由于同步帶起到了對(duì)主軸的減速作用，即加工工件時(shí)，是不工作的，故不考慮同步帶輪的圓周力，所以此時(shí)只有垂直方向上的皮帶預(yù)緊力 Q。在水平面上根據(jù)力平衡和力矩平衡可列出方程組：（4-6）?????? ?????)4321(F)21(F0NH2NH LLLp代入各已知參數(shù)列出： ，7.589圖 4.1　受力簡(jiǎn)圖畫(huà)出水平面的彎矩圖：圖 4.2　水平面彎矩圖在垂直面上的受力分析較為復(fù)雜其受力模型如圖 4.3。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)27圖 4.3　垂直面受力模型在垂直面上根據(jù)力平衡和力矩平衡可列出方程組：（4-7）?????????? ??????? 43F21NV2LLGQLFcNV帶入各已知參數(shù)列出： ， 。8.4376??V5.8得出力后求出彎矩圖如下：圖 4.4　垂直面彎矩圖根據(jù) 得出合成彎矩圖2HVM??圖 4.5　合成彎矩圖畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)28圖 4.6　扭矩圖將各已知參數(shù)代入式（4-5） ，得出：，故主軸][786.97614.3).0()5(59823)6.01(32 13242 ?????????? ???dTMac符合強(qiáng)度要求。4.2 軸的剛度校核計(jì)算軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長(zhǎng)的扭轉(zhuǎn)角 來(lái)表示。圓軸扭轉(zhuǎn)角 [單位為（?）/m]，扭??角 的大小和軸的長(zhǎng)度有關(guān)。為了消除長(zhǎng)度的影響，通常用