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引 言
2005年，我國機(jī)床產(chǎn)值達(dá)到了51億美元，躍居世界第三，其中數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)床發(fā)展的軟肋。
電主軸實(shí)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(jī)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(jī)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(jī)床已成為市場新寵。目前，國內(nèi)外各著名機(jī)床制造商在高速數(shù)控機(jī)床中廣泛采用電主軸結(jié)構(gòu)，特別是在復(fù)合加工機(jī)床、多軸聯(lián)動、多面體加工機(jī)床和并聯(lián)機(jī)床中。電主軸是高速數(shù)控加工機(jī)床的“心臟部件”，其性能指標(biāo)直接決定機(jī)床的水平，它是機(jī)床實(shí)現(xiàn)高速加工的前提和基本條件。
本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要介紹了電主軸的工作原理、軸的設(shè)計(jì)、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(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)。它主要應(yīng)用在復(fù)合加工機(jī)床、多軸聯(lián)動、多面體加工機(jī)床和并聯(lián)機(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)的同步轉(zhuǎn)速n由輸入電機(jī)定子繞組電流的頻率f和電機(jī)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(jī)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(jī)溫升過高。由于電機(jī)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(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)，它與直線電機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)技術(shù)：電主軸是電動機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動機(jī)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(jī)。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(yùn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jī)，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(jì)電主軸時要根據(jù)用戶的工藝要求，采用典型零件統(tǒng)計(jì)分析的方法來確定這些參數(shù)。機(jī)床廠對同一尺寸規(guī)格的高速機(jī)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(jì)。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(qiáng)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(jì)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(jī)及其控制模塊。
1.2.2電主軸優(yōu)點(diǎn)
一般說來 ,高速機(jī)床都是數(shù)控機(jī)床和精密機(jī)床 ,其傳動結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動”。從機(jī)床的主傳動系統(tǒng)來看 ,這種傳動方式取消了從主電動機(jī)到主軸之間一切中間的機(jī)械傳動環(huán)節(jié) (如皮帶、齒輪、離合器等 ) ,實(shí)現(xiàn)了主電動機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。這種傳動方式有以下優(yōu)點(diǎn) :(1)機(jī)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(shí)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(shí)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(jī)床主軸需要在極短的時間內(nèi)實(shí)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(jī)床快速準(zhǔn)停造成很大困難。目前，多數(shù)高速機(jī)床主軸采用內(nèi)裝式主軸電機(jī)一體化的主軸單元，即所謂內(nèi)裝式電機(jī)主軸，簡稱“電主軸”。它采用無外殼電機(jī)，將帶有冷卻套的電機(jī)定子裝配 在主軸單元的殼體內(nèi)，轉(zhuǎn)子和機(jī)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(jī)控制，使變頻電機(jī)和機(jī)床主軸合二為一。高速電主軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jì)和制造。
它按應(yīng)用于不同機(jī)床中分為 :鉆銑主軸、加工中心主軸、雕刻機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)，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(yùn)行狀態(tài)、補(bǔ)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?yàn)檩S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(jì)
2.1電主軸軸的設(shè)計(jì)
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?yàn)椋?
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(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)和E點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)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(shí)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(kuò)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(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)。除Co外，幾乎所有合金元素溶于奧氏體后都會降低原子擴(kuò)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(qiáng)，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(qiáng)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(qiáng)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(jī)械性能及經(jīng)濟(jì)性等因素，選用時注意如下幾點(diǎn)：
（1） 碳鋼有足夠高的強(qiáng)度，對應(yīng)力集中敏感性較低，便于進(jìn)行各種熱處理及機(jī)械加工，價(jià)格低、供應(yīng)充足，故應(yīng)用最廣。一般機(jī)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(jī)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(qiáng)化處理，可以提高用碳鋼或合金鋼制造的軸的強(qiáng)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(jī)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(qiáng)度鑄鐵的機(jī)械強(qiáng)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(jià)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(jì)
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)，就是在滿足強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(fèi)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(qiáng)度。
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須在經(jīng)過初步強(qiáng)度計(jì)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(shí)際工作中，承受各種載荷。設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)算內(nèi)容通常為強(qiáng)度計(jì)算、剛度計(jì)算和臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算。
1.軸的強(qiáng)度計(jì)算--按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算
該方法只按軸所受的扭矩來計(jì)算軸的強(qiáng)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(jì)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(jì)算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)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(jì)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(qiáng)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(jì)，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(qiáng)度條件對軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。一般的軸使用這種方法計(jì)算即可。其計(jì)算步驟如下：
?作出軸的計(jì)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(jì)算時，常將軸上的分布載荷簡化為集中力,其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點(diǎn)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(diǎn)與軸承的類型與布置方式有關(guān)。
在作計(jì)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(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計(jì)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(jì)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(qiáng)度計(jì)算公式，圖中把T折算為αT)。
?作出計(jì)算彎矩圖
根據(jù)已作出的總彎矩和扭矩圖，求出計(jì)算彎矩Mca，并作出Mca圖，Mca的計(jì)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(jì)算彎矩時，必須計(jì)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(qiáng)度的校核
已知軸的計(jì)算彎矩后，即可針對某些危險(xiǎn)截面（即計(jì)算彎矩大而直徑可能不足的截面）作強(qiáng)度校核計(jì)算。按第三強(qiáng)度理論，計(jì)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(jì)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(jì)的軸強(qiáng)度裕度不大，在加上有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，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(jì)
隨著機(jī)床向高速、高精度、大功率方向發(fā)展，機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳遞，用在刀柄上作標(biāo)記的方法實(shí)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(shí)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(shí)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(kuò)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(jì)
高速主軸單元是機(jī)床實(shí)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(shí)現(xiàn)很高的極限轉(zhuǎn)速。對電主軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)的轉(zhuǎn)子安裝在主軸上，它與主軸的結(jié)合面要傳遞電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。第三，主軸在高速下運(yùn)轉(zhuǎn)時，動平衡要求非常高，電機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)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(jì)中采用了新型的過盈聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)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(diǎn)：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(shí)踐證明，過盈聯(lián)結(jié)特點(diǎn)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(xiàng)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(xiàng)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(yùn)用的機(jī)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(jī)座作相對旋轉(zhuǎn)、擺動等運(yùn)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(jì)。
3.1.1類型的選擇
1.在機(jī)械設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)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(jì)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(shí)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(jì)算
3.2.1滾動軸承壽命計(jì)算
滾動軸承在運(yùn)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(diǎn)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(jì)算的依據(jù)。軸承發(fā)生點(diǎn)蝕破壞后，在運(yùn)轉(zhuǎn)時通常會出現(xiàn)較強(qiáng)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(diǎn)蝕之前，軸承的轉(zhuǎn)數(shù)或相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)小時數(shù)。滾動軸承的承載能力計(jì)算主要是指軸承的壽命計(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)算公式確定。
滾動軸承壽命計(jì)算中的一項(xiàng)重要內(nèi)容是進(jìn)行當(dāng)量動載荷的計(jì)算和軸向力Fa的計(jì)算。
3.2.2電主軸軸承靜載荷及極限轉(zhuǎn)速
1． 靜載荷計(jì)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(jì)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(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)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(yùn)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(jī)械設(shè)計(jì)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(shí)際許用轉(zhuǎn)速值可按下式計(jì)算 N0=f1·f2·N0 式中 N-實(shí)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(jì)
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(jì)，才能保證軸承的正常工作。軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)軸系支點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)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(qiáng)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(qiáng)，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(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量。
實(shí)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(diǎn)的潤滑油量，可靠性極高。實(shí)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(jī)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(jī)殼向外擴(kuò)散，必須加以控制，否則電主軸將因熱量積聚而使主軸的機(jī)械效率下降、主軸精度喪失、破壞電機(jī)線圈絕緣層的介電強(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)原理
平衡機(jī)是測量旋轉(zhuǎn)物體(轉(zhuǎn)子)不平衡量大小和位置的機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子、機(jī)床主軸、內(nèi)燃機(jī)曲軸、汽輪機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)。
根據(jù)平衡機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)常采用去重法。該法是在電機(jī)的轉(zhuǎn)子兩端設(shè)計(jì)有去重盤，當(dāng)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)(Frameless spindle motor)上常采用的方法。電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩端設(shè)計(jì)有平衡盤，平衡盤的圓周方向設(shè)計(jì)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(yùn)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(yùn)動控制
在數(shù)控機(jī)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(jià)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(jī)的控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法來實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jià)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(diǎn)技術(shù)。
設(shè)計(jì)小結(jié)
本設(shè)計(jì)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(yùn)動控制），以及電主軸安裝實(shí)例，設(shè)計(jì)出與銑床配套的，符合要求的電主軸機(jī)械部分。
本設(shè)計(jì)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(jì)優(yōu)點(diǎn)以及裝配中需要注意的問題。
2. 軸的設(shè)計(jì)，包括軸材料的選擇；軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；校核；軸端形式以及過盈連接裝置的設(shè)計(jì)。
3.軸承的設(shè)計(jì)，包括軸承的選擇，校核及組合設(shè)計(jì)。
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(yùn)動控制。
本設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)床提出了更高要求．這就需要可以高速運(yùn)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(diǎn)，可以減少齒輪傳動，簡化機(jī)床外形設(shè)計(jì)，易于實(shí)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(jī)械設(shè)計(jì)”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(shí)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(shí)、對事業(yè)無私奉獻(xiàn)的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、刻意創(chuàng)新”的治學(xué)精神，及淵博的知識和獨(dú)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(shí)，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。”路漫漫其修遠(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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