加工中心電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析

ee e 畢業(yè) 論文 設(shè)計 題 目 加工中心電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計及其仿真分析 學(xué)生姓名 ee 學(xué)號 ee 所在院 (系 ) 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)班級 ee 指導(dǎo)教師 ee 完成地點(diǎn) ee 2009 年 月 20 日 ee 加工中心電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析 ee （ ee） 指導(dǎo)教師： ee 摘要 本文闡述了高速電主軸的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及趨勢，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)，分別對電主軸的主軸、電機(jī)、轉(zhuǎn)子、定子和冷卻系統(tǒng)等各零部件作了設(shè)計，產(chǎn)生了裝配圖、零件圖與設(shè)計說明書等設(shè)計文檔。最后，對電主軸的旋轉(zhuǎn)軸和軸承進(jìn)行了詳細(xì)的分析和校核，計算表明，該電主軸設(shè)計符合要求。 關(guān)鍵詞 數(shù)控機(jī)床；電主軸；主軸；軸承 ee High-Speed Electric Spindle Digital Design And Simulation Of CNC Machine Tools ee ee tutor:ee Abstrac:This 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: Electrical spindle； spindle； bearing ee 目錄 引 言 . 1 1.1 概念 . 2 1.2 電主軸的基本結(jié)構(gòu) . 3 1.3 電主軸的分類 . 4 1.4 電主軸的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 . 5 1.4.1 電主軸的研究現(xiàn)狀 . 5 1.4.2 電主軸的發(fā)展趨勢 . 5 1.5 課題研究內(nèi)容 . 6 1.5.1 通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計中一些關(guān)鍵性技術(shù)問題的解決 . 6 1.5.2 對電主軸進(jìn)行三維建模 . 6 1.6 研究的意義 . 6 2 高速電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 錯誤 !未定義書簽。 2.1 主要技術(shù)指標(biāo) . 錯誤 !未定義書簽。 2.2 電主軸的整體布局設(shè)計 . 錯誤 !未定義書簽。 2.3 軸承及其潤滑 . 錯誤 !未定義書簽。 2.3.1 軸承類型的選擇 . 錯誤 !未定義書簽。 2.3.2 軸承的布置及其預(yù)緊 . 錯誤 !未定義書簽。 2.3.3 潤滑條件的分析 . 錯誤 !未定義書簽。 2.3.4 潤滑方式的比較選擇 . 錯誤 !未定義書簽。 2.4 電主軸冷卻系統(tǒng)設(shè)計 . 錯誤 !未定義書簽。 2.4.1 電主軸的熱源分析 . 錯誤 !未定義書簽。 2.4.2 冷卻方式的選擇 . 錯誤 !未定義書簽。 2.5 電主軸的軸端設(shè)計 . 錯誤 !未定義書簽。 3 電主軸關(guān)鍵部件設(shè)計 . 錯誤 !未定義書簽。 3.1 電機(jī)設(shè)計 . 錯誤 !未定義書簽。 3.1.1 電機(jī)選型 . 錯誤 !未定義書簽。 3.1.2 過盈設(shè)計 . 錯誤 !未定義書簽。 3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 錯誤 !未定義書簽。 3.2.1 主軸平均直徑設(shè)計 . 錯誤 !未定義書簽。 3.2.2 內(nèi)孔直徑 d . 錯誤 !未定義書簽。 3.2.3 前懸伸量 a . 錯誤 !未定義書簽。 3.2.4 支承跨距 L . 錯誤 !未定義書簽。 3.3 校核及檢測 . 錯誤 !未定義書簽。 3.3.1 主軸組件的靜剛度校核 . 錯誤 !未定義書簽。 3.3.2 主軸的強(qiáng)度校核 . 錯誤 !未定義書簽。 3.3.3 主軸組件臨界轉(zhuǎn)速的校核 . 錯誤 !未定義書簽。 3.3.4 典型工藝下的徑向力計算 . 錯誤 !未定義書簽。 ee 3.3.5 主軸組件的精度設(shè)計 . 錯誤 !未定義書簽。 4.1 電主軸 結(jié)構(gòu)圖： . 錯誤 !未定義書簽。 4.2 運(yùn)用 proe 軟件完成主軸軸體的實體特征創(chuàng)建 . 錯誤 !未定義書簽。 4.3 前軸承深溝球軸承的三維模型創(chuàng)建 . 錯誤 !未定義書簽。 4.3.1 軸承外圈的創(chuàng)建 . 錯誤 !未定義書簽。 4.3.2 軸承內(nèi)圈的的創(chuàng)建 . 錯誤 !未定義書簽。 4.3.3 前軸承滾動體的創(chuàng)建 . 錯誤 !未定義書簽。 4.3.4 前軸承保持架的創(chuàng)建 . 錯誤 !未定義書簽。 4.4 前軸承的裝配 . 錯誤 !未定義書簽。 4.5 后軸承圓柱滾子軸承的組裝圖 . 錯誤 !未定義書簽。 4.6 前后蓋的創(chuàng)建 . 錯誤 !未定義書簽。 4.7 前后軸承座的創(chuàng)建 . 錯誤 !未定義書簽。 4.8 定子與轉(zhuǎn)子的創(chuàng)建 . 錯誤 !未定義書簽。 4.9 電主軸組裝圖 . 錯誤 !未定義書簽。 4.10 電主軸運(yùn)動 . 錯誤 !未定義書簽。 致謝 . 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻(xiàn) . 錯誤 !未定義書簽。 ee 引 言 隨著 機(jī)床技術(shù)、高速切削技術(shù)的發(fā)展和實際應(yīng)用的需要，對機(jī)床電主軸的性能也提出了越來越高的要求，因此電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 向高速、大功率方向發(fā)展。隨著刀具技術(shù)、高速技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，要求機(jī)床電主軸的轉(zhuǎn)速越來越高； 向低速、大扭矩方向發(fā)展。要求電主軸在能夠?qū)崿F(xiàn)較高轉(zhuǎn)速的同時，低速段要求盡可能大的輸出扭矩，以滿足在同一臺機(jī)床上進(jìn)行低速重切削和高速精加工的要求； 向高精度、高剛度方向發(fā)展。精密數(shù)控機(jī)床需要主軸有高回轉(zhuǎn)精度、高剛度，因此要求電主軸采用精度高、內(nèi)徑盡可能大、高速性能好的軸承和先進(jìn)的潤滑 技術(shù)、如陶瓷球軸承、電磁軸承及油氣潤滑方法等； 向精確定向 (準(zhǔn)停 )方向發(fā)展。加工中心等數(shù)控機(jī)床由于自動換刀、剛性攻絲及精確傳動的需要，要求電主軸能夠?qū)崿F(xiàn)切向準(zhǔn)停功能； 向快速起、停方向發(fā)展。為了縮短輔助時間，提高效率，要求數(shù)控機(jī)床電主軸的起、停時間越短越好，因此需要很高的起停加速度； 向超高速方向發(fā)展。對于某些特殊零件的加工和特殊行業(yè)，要求切削工具的轉(zhuǎn)速越高越好，如微型軸承的小孔磨削加工，油泵油嘴的小孔磨削加工等所用的電主軸轉(zhuǎn)速都已經(jīng)達(dá)到 150000r min； 向多功能、智能化方向發(fā)展。在多功能方面，有角 向停機(jī)精確定位 (準(zhǔn)停 )、 C 軸傳動、換刀中空吹氣、中空通冷卻液、軸端氣體密封、低速轉(zhuǎn)矩放大、軸向定位精密補(bǔ)償、換刀自動動平衡技術(shù)等。在智能化方面，主要表現(xiàn)在各種安全保護(hù)和故障監(jiān)測診斷措施，如換刀聯(lián)鎖保護(hù)、軸承溫度監(jiān)控、電機(jī)過載和過熱保護(hù)、松刀時軸承卸荷保護(hù)、主軸振動信號監(jiān)測和故障異常診斷、軸向位置變化自動補(bǔ)償、砂輪修整過程信號監(jiān)測和自動控制、刀具磨損和損壞信號監(jiān)控等。 以高速切削速度、高進(jìn)給速度、高加工精度為主要特征的高速加工技術(shù)是當(dāng)代四大先進(jìn)制造技術(shù)之一，是制造技術(shù)生產(chǎn)第二次革命性飛躍的一項高新技術(shù)。各國都 競相發(fā)展自己的高速加工技術(shù)，高速加工技術(shù)的成功應(yīng)用產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)展和應(yīng)用高速加工技術(shù)的前提是必須有優(yōu)良的高檔數(shù)控機(jī)床。而高速主軸系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心功能部件之一，其性能好壞在很大程度上決定了整臺數(shù)控機(jī)床的核心精度和生產(chǎn)效率。 高速切削加工技術(shù)作為集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)，有著強(qiáng)大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。要應(yīng)用和發(fā)展高速加工技術(shù)，首先必須有性能優(yōu)良的高速數(shù)控機(jī)床，而高速電主軸是數(shù)控機(jī)床的核心，電主軸性能的好壞將直接決定高速數(shù)控機(jī)床的性能。本研究旨在根據(jù)實際需求，以加工中心電主軸系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能分析為重點(diǎn)，對電主軸的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，對提高電主軸的性能有十分重要的意義；除此之外本課題的研究意義還在于分析電主軸高速運(yùn)行中的兩大變形問題 振動變形和熱變形，為優(yōu)化電主軸結(jié)構(gòu)和改善電主軸的動態(tài)特性、熱態(tài)特性提供必要的理論依據(jù)，為高速電主軸的研究開發(fā)和應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。 ee 1 電主軸相關(guān)概念 1.1 概念 眾所周知，隨著電氣傳動技術(shù)的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大化的簡化，基本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機(jī)床主軸由內(nèi)置式電動機(jī)直接驅(qū)動，從而把機(jī)床 主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動”。這種將電動機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，成為內(nèi)置電動機(jī)驅(qū)動主軸，俗稱“電主軸”。由于當(dāng)前電主軸主要采用的是交流高頻電動機(jī)，故也稱為“高頻電主軸”。 電主軸是一種智能型功能部件，采用無外殼電動機(jī)，將帶有冷卻套的電動機(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動機(jī)控制，使變頻電動機(jī)和機(jī)床主軸合二為一。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪聲低以及響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，它不但轉(zhuǎn)速高、功率大，還具有一系列控制 主軸溫升與振動等機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的功能，可確保其高速運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性與安全性。使主軸可以減少帶輪傳動和齒輪傳動，簡化機(jī)床設(shè)計，易于實現(xiàn)主軸定位。電主軸是數(shù)控機(jī)床高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)，可以說，它是高速、高效、高精度機(jī)床技術(shù)發(fā)展的核心，它的出現(xiàn)使以往在金屬切削機(jī)床技術(shù)發(fā)展過程中出現(xiàn)的諸多問題迎刃而解。在高速加工時，采用電主軸幾乎是唯一的選擇，也是最佳選擇。 電動機(jī)內(nèi)置于主軸部件后，不可避免地將會發(fā)生發(fā)熱的問題，從而需要設(shè)計專門用于冷卻電動機(jī)的油冷或水冷系統(tǒng)。高頻電動機(jī)要有變頻器類的驅(qū)動器，以實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的變換。 高速軸承有時要有專門的潤滑裝置。為了保證高速回轉(zhuǎn)部件的安全，還要有報警及停車用的傳感器及其控制系統(tǒng)等一系列支持電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的外圍設(shè)備和技術(shù)。因此，“電主軸”的概念不應(yīng)簡單地理解為只是一根主軸套筒，而是一個完整的、在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控下的子系統(tǒng)，如圖 1.1 所示的是完整電主軸的系統(tǒng)和圖 1.2 所示的電主軸。 圖 1.1 完整的電主軸系統(tǒng) ee 圖 1.2 電主軸 1.2 電主軸的基本結(jié)構(gòu) 高速電主軸要獲得好的動態(tài)性能和使用壽命，必須對電主軸各個部分進(jìn)行精心設(shè)計和制造。電主軸基本結(jié)構(gòu)原理如圖 1.3 所示。 圖 1.3 電主軸的結(jié)構(gòu)原理圖 軸殼 軸殼是高速主軸的主要部件。軸殼的尺寸精度和位置精度直接影響主軸的綜合精度。通常將軸承座孔直接設(shè)計在軸殼上。電主軸為加裝電動機(jī)定子，必須開放一端。大型或特種電主軸，為方便制造、節(jié)省材料，可將軸殼兩端均設(shè)計成開放性。高速、大功率和超高速電主軸，應(yīng)該嚴(yán)格ee 控制整機(jī)裝配精度。 轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)軸是高速電主軸的主要回轉(zhuǎn)主體，其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。當(dāng)轉(zhuǎn)軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，由偏心質(zhì)量引起的振動，嚴(yán)重影響其動態(tài)性能。因此，必須對轉(zhuǎn)軸 進(jìn)行嚴(yán)格的動平衡，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。 軸承 高速電主軸的核心支承部件是高速精密軸承。這種軸承具有高速性能好、動負(fù)荷承載能力高、 潤滑性能好、發(fā)熱量小等優(yōu)點(diǎn)。電主軸主要適用的軸承類型有滾動軸承、液體軸承、氣體軸承和磁懸浮軸承等。 定子與轉(zhuǎn)子 高速電主軸的定子由具有高磁導(dǎo)率的優(yōu)質(zhì)矽鋼片疊壓而成，疊壓成型的定子內(nèi)腔帶有沖制鉗線槽。轉(zhuǎn)子是中頻電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)子鐵心、鼠籠、轉(zhuǎn)軸三部分組成，其功能是將定子的電磁場能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。由于電主軸單元式機(jī)械主軸和電動機(jī)轉(zhuǎn)子的合成體，因此其 精度要求高于一般主軸，加工難度大，需要很好地工藝分析和正確的工藝路線。 軸端結(jié)構(gòu) 隨著機(jī)床向高速、高精度、大功率方向發(fā)展，沿用多年的標(biāo)準(zhǔn)化的 7/24 錐連接已不能適應(yīng)高速機(jī)床主軸的要求，它限制了主軸轉(zhuǎn)速和機(jī)床精度的進(jìn)一步提高。分析表明， 25-50%的刀尖變形來源于 7/24 錐連接，只有 40%左右的變形來源于主軸和軸承。因此，必須開發(fā)新的適合高速主軸要求的主軸軸端結(jié)構(gòu)。目前，對主軸與刀具連接研究較成功的設(shè)計主要有兩大類型：一種為采用新思路的替代型設(shè)計，如圖 1.4 所示的美國的 WSU 系列。 圖 1.4 HSK 刀 柄與主軸連接 1.3 電主軸的分類 機(jī)床電主軸所采用的軸承類型可分為滾動軸承電主軸、液態(tài)軸承電主軸、氣體軸承電主軸和磁懸浮軸承電主軸等。電主軸按照電機(jī)的類型又可分為異步型電主軸和永磁性同步電主軸等。 除此之外，按應(yīng)用范圍可以分為以下 4 大類： 磨削用電主軸：它是目前國內(nèi)最主要應(yīng)用的電主軸類型，也是國內(nèi)外最早研發(fā)應(yīng)用的類型，主要用 于軸承行業(yè)套圈內(nèi)磨工序。 銑削用電主軸：這類電主軸分精密雕銑用電主軸、大型數(shù)控銑用電主軸以及加工中心用電主軸三大類。 ee 車削用電主軸：這類電主軸是工件電主軸。由于消除了皮帶傳動的弊端， 車削用電主軸能適應(yīng)高速、高精度旋轉(zhuǎn)，并且高速旋轉(zhuǎn)振動極小，這對高精度車加工及工件表面粗糙度的提高是十分有利的。鉆削用電主軸。這類電主軸主要是指 PCB 板高速孔化所使用的電主軸。 1.4 電主軸的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.4.1 電主軸的研究現(xiàn)狀 數(shù)控機(jī)床電主軸是一種直接依賴于高速精密軸承技術(shù)、高速電機(jī)與驅(qū)動技術(shù)、油 -氣潤滑與冷卻技術(shù)、精密制造與裝配技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，以及內(nèi)置脈沖編碼器技術(shù)、自動換到技術(shù)、在線自動動平衡技術(shù)、軸向定位精密補(bǔ)償技術(shù)、溫升與振動檢測技術(shù)、軸端氣密與錐孔吹凈技術(shù)、故障檢測診斷技術(shù)、各種 安全保護(hù)技術(shù)等相關(guān)配套技術(shù)的高度機(jī)電一體化的數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件。目前，國產(chǎn)電主軸的種類和各項性能指標(biāo)與國外尚有較大差距，在此領(lǐng)域的研究還相對落后，高檔數(shù)控機(jī)床用電主軸幾乎完全依 賴進(jìn)口。大多數(shù)中高檔數(shù)控機(jī)床配套電主軸采用的主要是日本、德國或中國臺灣地區(qū)的產(chǎn)品。電主軸技術(shù)發(fā)展的滯后已經(jīng)成為制約我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)，乃至整個制造業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。作為數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，讓國產(chǎn)電主軸擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，不斷提高機(jī)床主軸單元的加工精度、轉(zhuǎn)速、功率、剛度和可靠性，趕超世界先進(jìn)水平，是我國機(jī)械裝備制造業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。 1.4.2 電主軸的發(fā)展趨勢 從當(dāng)前電主軸在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用來看，國際上電主軸的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 向高速 /超高速方向發(fā)展。由于高速切削個實際應(yīng)用的需要，數(shù)控機(jī)床電主軸高速化是普遍發(fā)展趨勢。例如，鉆、銑用電主軸，瑞士 IBAG 公司生產(chǎn)的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到 14000r/min，日本的 SEIKI SEIKI公司生產(chǎn)的更是達(dá)到 26000r/min；加工中心用電主軸，瑞士 FISCHER 公司生產(chǎn)的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到42000r/min，意大利 CAMFROR 公司生產(chǎn)的達(dá)到 75000r/min。 向大功率方向發(fā)展。隨著大局 技術(shù)、高速進(jìn)給技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，要求機(jī)床電主軸的轉(zhuǎn)速越來越高，功率越來越大，一般可達(dá)到 20-50kW。例如，瑞士 STEP-TEC 公司生產(chǎn)的加工中心電主軸達(dá)到 42000r/min、 65kW（ S1）。據(jù)報道，瑞士 IBAG 公司生產(chǎn)的電主軸的功率更是高達(dá) 80kW。 向大扭矩方向發(fā)展。在要求電主軸能夠?qū)崿F(xiàn)較高轉(zhuǎn)速的同時，低速段要求盡可能大的輸出扭矩，以滿足能在同一機(jī)床上進(jìn)行低速重切削和高速精加工的要求。例如，德國 GMN 公司、意大利 MHOR 公司和瑞士 STEP-TEC 公司等生產(chǎn)的加工中心用電主軸，其低速段的輸出扭矩可以 達(dá)到 200 mN 以上，最高工作轉(zhuǎn)速達(dá)到 75000r/min。據(jù)報道，德國 CYTEC 的車床電主軸最大扭矩更是達(dá)到了 800 mN 。 向高精度、高剛度和高可靠性方向發(fā)展。精密數(shù)控機(jī)床需要主軸有高的回轉(zhuǎn)精和剛度，因此，要求電主軸采用精度高、內(nèi)徑盡可能大、高速性能好的軸承和先進(jìn)的潤滑技術(shù)，如陶瓷球軸承混合軸承、電磁軸承，采用油 -氣潤滑方法以及可調(diào)智能預(yù)負(fù)荷施加方式等。例如，瑞士 STEP-TEC 公司生產(chǎn)的電主軸還加裝速度傳感器，降低了軸承振動加速度水平；安裝振動檢測模塊，監(jiān)視和限制主軸的振動，延長了電主軸的壽命。刀具借口趨于 HSK 技術(shù)，提高了動、靜態(tài)剛性連接、重復(fù)定位精度和可靠性，如瑞士 IBAG 公司生產(chǎn)的產(chǎn)品、德國 CYTEC 公司生產(chǎn)的產(chǎn)品等。 向精確定向方向發(fā)展。加工中心等數(shù)控機(jī)床由于自動換刀，剛性攻螺紋及精確傳動的需要，要求電主軸能夠?qū)崿F(xiàn)切向準(zhǔn)停功能。 向快速啟動、停轉(zhuǎn)方向發(fā)展。為了縮短輔助時間，提高效率，要求數(shù)控機(jī)床電主軸的啟動、停轉(zhuǎn)時間越短越好，因此，需要很高的啟、停加速度。目前，國外電主軸的加、減速度已達(dá)到 1g 以上，ee 全速啟動、停轉(zhuǎn)時間在 1s 以下，大大縮短了輔助時間，提高了加工效率。 向多功能、智能化方向發(fā)展。在多功能方面 ，如在國外電主軸廠商陸續(xù)開發(fā)了角向停機(jī)及確定為、 C 軸傳動、快速自動換刀、換刀中空吹氣、中空通過冷卻液、軸端氣體密封、低速扭矩放大、軸向定定位精密補(bǔ)償、換刀自動動平衡等電主軸配套功能。在智能化方面，主要表現(xiàn)在各種安全保護(hù)技術(shù)和故障監(jiān)測診斷措施的發(fā)展，如換刀連鎖保護(hù)、電機(jī)過載過熱保護(hù)、砂輪修整過程信號監(jiān)測和自動控制、刀具磨損和損害信號監(jiān)測、主軸振動監(jiān)測和故障異常診斷等。例如，瑞士 STEP-TEC 公司的電主軸安裝有診斷模塊，維修人員可以通過紅外接口讀取數(shù)據(jù)，識別過載，統(tǒng)計壽命。 此外，高速電主軸也越來越多的開始采 用工程陶瓷、碳纖維等新材料作為其支承及旋轉(zhuǎn)部件材料，以提高其性能。 1.5 課題研究內(nèi)容 本課題以高速、大功率的銑削加工中心用電主軸為研究目標(biāo)，以提高主軸系統(tǒng)性能為目的，從主軸結(jié)構(gòu)、動態(tài)特性、熱態(tài)特性等幾個方面對電主軸進(jìn)行研究。 1.5.1 通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計中一些關(guān)鍵性技術(shù)問題的解決 如主軸單元結(jié)構(gòu)參數(shù)靜態(tài)估算、電機(jī)的選型和冷卻、軸承選型、潤滑冷卻、動平衡設(shè)計等，完成電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 1.5.2 對電主軸進(jìn)行三維建模 利用 proe 軟件對設(shè)計的電主軸進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動。 1.6 研究的意 義 高速切削加工技術(shù)作為集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)，有著強(qiáng)大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。要應(yīng)用和發(fā)展高速加工技術(shù)，首先必須有性能優(yōu)良的高速數(shù)控機(jī)床，而高速電主軸是數(shù)控機(jī)床的核心，電主軸性能的好壞將直接決定高速數(shù)控機(jī)床的性能。本研究旨在根據(jù)實際需求，以加工中心電主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能分析為重點(diǎn)，對電主軸的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，對提高電主軸的性能有十分重要的意義；除此之外本課題的研究意義還在于通過電主軸動態(tài)特性、熱態(tài)特性的有限元分析，分析電主軸高速運(yùn)行中的兩大變形問題 振動變形和熱變形，為優(yōu)化電主軸結(jié) 構(gòu)和改善電主軸的動態(tài)特性、熱態(tài)特性提供必要的理論依據(jù)，為高速電主軸的研究開發(fā)和應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。 2.電機(jī)選擇 2.1 電動機(jī)選擇 （倒數(shù)第三頁里有東東） ee 2.1.1 選擇電動機(jī)類型 2.1.2 選擇電動機(jī)容量 電動機(jī)所需工作功率為： wdPP ； 工作機(jī)所需功率wP為： 1000FvPw ； 傳動裝置的總效率為： 4321 ； 傳動滾筒 96.01 滾動軸承效率 96.02 閉式齒輪傳動效率 97.03 聯(lián)軸器效率 99.04 代入數(shù)值得： 8.099.097.099.096.0 2244321 所需電動機(jī)功率為： kWkWFvP d 52.10601 0 0 08.0 401 0 0 0 01 0 0 0 dP略大于dP即可。 選用同步轉(zhuǎn)速 1460r/min ； 4 級 ；型號 Y160M-4.功率為 11kW 2.1.3 確定電動機(jī)轉(zhuǎn)速 取滾筒直徑 mmD 500 m in/6.125500 1 0 0060 rvn w 1.分配傳動比 （ 1）總傳動比 62.116.125146 0 wmnni(2)分配動裝置各級傳動比 取兩級圓柱齒輪減速器高速級傳動比 03.44.101 ii 則低速級的傳動比 88.203.4 62.110112 i ii 2.1.4 電機(jī)端蓋組裝 CAD 截圖 圖 2.1.4 電機(jī)端蓋 2.2 運(yùn)動和動力參數(shù)計算 ee 2.2.1 電動機(jī)軸 mNrkWnPTnnppmd81.689 5 50m in/1 4 6052.10000002.2.2 高速軸 mNrkWnpTnnppmd09.68146041.1095509550m in/146041.101111412.2.3 中間軸 mNrrkWnpTinnppp6.2632.36210.1095509550m in/2.362m in/03.4146010.1097.099.052.10222011232001122.2.4 低速軸 mNrkWnpTinnppp8.735955076.12569.99550m in/76.12588.22.36269.997.099.010.10333122332102232.2.5 滾筒軸 mNrkWnpTinnppp72076.12549.995509550m in/76.12549.999.099.069.944423344220334ee 3.齒輪計算 3.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1按傳動方案，選用斜齒圓柱齒輪傳動。 2絞車為一般工 作機(jī)器，速度不高，故選用 7 級精度（ GB 10095-88）。 3材料選擇。由表 10-1 選擇小齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為 280 HBS，大齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為 240 HBS，二者材料硬度差為 40 HBS。 4選小齒輪齒數(shù) 241 z，大齒輪齒數(shù) 76.9603.4242 z。取 972 z 5初選螺旋角。初選螺旋角 14 3.2 按 齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計 由機(jī)械設(shè)計設(shè)計計算公式（ 10-21）進(jìn)行試算，即 3 01 12 H EHd tt ZZTKd 3.2.1 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 （ 1）試選載荷系數(shù) 6.1tk1。 （ 2）由機(jī)械設(shè)計第八版圖 10-30 選取區(qū)域系數(shù) 433.2hz。 （ 3 ） 由 機(jī) 械設(shè) 計 第 八版 圖 10-26 查得 78.01 ， 87.02 ，則65.121 。 （ 4）計算 小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。 mmNmmNn pT .108.6.1460 41.10105.95105.95 451051 （ 5）由機(jī)械設(shè)計第八版表 10-7 選取齒寬系數(shù) 1d（ 6）由機(jī)械設(shè)計第八版表 10-6 查得材料的彈性影響系數(shù) MPaZe 8.189（ 7）由機(jī)械設(shè)計第八版圖 10-21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限MPaH 6001lim ；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 MPaH 5002lim 。 13 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 911 103.6153 0 08211 4 6 06060 hjLnN 912 1056.103.4 NN （ 9 ） 由 機(jī) 械 設(shè) 計 第 八 版 圖 （ 10-19 ） 取 接 觸 疲 勞 壽 命 系 數(shù)90.01 HNK ; 95.02 HNK 。 （ 10）計算接觸疲勞許用應(yīng)力。 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，由機(jī)械設(shè)計第八版式（ 10-12）得 M P aM P aSK HNH 5406009.01l i m11 ee M P aM P aSK HNH 5.52255095.02l i m22 （ 11）許用接觸應(yīng)力 M P aHHH 25.5312 21 3.2.2 計算 （ 1）試算小齒輪分度圓直徑 dt1 031 2 1t HEt d HKT ZZd 3 24 86.01046.16 = 3 41046.167 3 96.0 = 10738.1213 =49.56mm （ 2）計算圓周速度 v0 smnd t /78.3100060 56.491460100060 11 （ 3）計算齒寬及模數(shù) 11c o s 4 9 . 5 6tnt mmdm z zdm tnt11 cos 24 14cos56.49 = 24 97.056.49 =2mm h=2.25 ntm2.25 2=4.5mm hb 49.56/4.5=11.01 （ 4）計算縱向重合度 ta n31 8.0 1zd 0.318 1 24 tan 14 =20.73 （ 5）計算載荷系數(shù) K。 已知使用系數(shù) ,1KA 根據(jù) v= 7.6 m/s,7 級精度，由機(jī)械設(shè)計第八版圖 10-8 查得動載系數(shù) ;11.1Kv 由機(jī)械設(shè)計第八版表 10-4 查得 KH 的值與齒輪的相同，故 ;42.1KH 由機(jī)械設(shè)計第八版圖 10-13 查得 35.1fK 由機(jī)械設(shè)計第八版表 10-3 查得 4.1 HH KK.故載荷系數(shù) HHVA KKKKK 1 1.11 1.4 1.42=2.2 （ 6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑，由式（ 10-10a）得 311 KddttK mm11.55375.156.496.1 2.256.49 33 （ 7）計算模數(shù) zdm n 11cos mm22.224 11.5597.024 14c o s11.55 3.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計 由式（ 10-17） 3 22112 c o s FSaFadnYYzYTm K 3.3.1 確定計算參數(shù) （ 1）計算載荷系數(shù)。 ffVA KKKKK 35.14.111.1 =2.09 （ 2）根據(jù)縱向重合度 903.1 ，從機(jī)械設(shè)計第八版圖 10-28 查得螺旋角ee 影響系數(shù) 88.0Y （ 3）計算當(dāng)量齒數(shù)。 37.2691.0 24241424 97.0c o sc o s 33311 zz V 59.10691.0 971497c o sc o s 3322 zz v （ 4）查齒形系數(shù)。 由表 10-5 查得 18.2;57.2 21 YY FaFa （ 5）查取應(yīng)力校正系數(shù)。 由機(jī)械設(shè)計第八版表 10-5 查得 79.1;6.1 21 YY SaSa （ 6 ）由機(jī)械設(shè)計第八版圖 10-24c 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 MPaFE 5001 ；大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限 MPaFE 3802 ； （ 7）由機(jī)械設(shè)計第八版圖 10-18 取彎曲疲勞壽命系數(shù) 85.01 K FN ，88.02 K FN ； （ 8）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力。 取彎曲疲勞安全系數(shù) S 1.4,由機(jī)械設(shè)計第八版式（ 10-12）得 M P aM P aSFM P aM P aSFFEFNFEFNKK86.2384.138088.057.3034.1855 00.0222111（ 9）計算大、小齒輪的 FYY SaFa并加以比較。 1363.057.303 596.1592.21 11 FYY SaFa FYY SaFa 2 22 = 0 1 6 4 2.086.2 3 8 7 7 4.12 1 1.2 由此可知大齒輪的數(shù)值大。 3.3.2 設(shè)計計算 mmmmmmm n 59.1085.4342.401642.065.1* 88.08.610.22 33 23 22497.024 )14(c os10 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的法面模數(shù) mn 大于由齒面齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算 的法面模數(shù)，取 mn 2，已可滿足彎曲強(qiáng)度。但為了同時滿足接觸疲勞強(qiáng)度， 需按接觸疲勞強(qiáng)度得的分度圓直徑 100.677mm 來計算應(yīng)有的齒數(shù)。于是由 73.262 14c os11.55c os11 mdzn 取 271z ，則 81.10803.4272 z取 ;1092 z ee 3.4 幾何尺寸計算 3.4.1 計算中心距 a= mmmzzn 2.14097.013614c o s2 2)10927(c o s2 21 將中以距圓整為 141mm. 3.4.2 按圓整后的中心距修正螺旋角 06.1497.0a r c c o s2.1 4 02 2)1 0 927(a r c c o s2 )(a r c c o s 21 a mzz n 因 值改變不多，故參數(shù) 、 k 、 ZH 等不必修正。 3.4.3 計算大、小齒輪的分度圓直徑 mmmmmzdmzdnn22497.021814co s2109co s5597.05414co s227co s2211mma dd 5.1392 224552 21 3.4.4 計算齒輪寬度 mmb dd 5567.5511 圓整后取 mmmm BB 61;5612 . 低速級 取 m=3; ;303 z由 88.23412 zzi 4 2 . 8 8 3 0 8 6 . 4z 取 874 zmmmmmzd zd 261873903034433 mmmma dd 5.1752 261902 43 mmmmb dd 909013 圓整后取 mmmm BB 95,9034 ee 表 1 高速級齒輪： 名 稱 代號 計 算 公 式 小齒輪 大齒輪 模數(shù) m 2 2 壓力角 20 20 分度圓直徑 d zd m11 =2 27=54 zd m22 =2 109=218 齒頂高 ha22121 mhhh aaa齒根高 hf2)1()(21 cmchhh aff齒全高 h mchhha )2( *21 齒頂圓直徑 da *11 ( 2 )aamdhz mhzd aa )2( *22 表 2 低速級齒輪： 名 稱 代號 計 算 公 式 小齒輪 大齒輪 模數(shù) m 3 3 壓力角 20 20 分度圓直徑 d zd m11 =3 27=54 zd m22 =2 109=218 齒頂高 ha12 1 2 2a a a mh h h 齒根高 hf2)1()(21 cmchhh aff齒全高 h mchhha )2( *21 齒頂圓直徑 da *11 ( 2 )aamdhz mhzd aa )2( *22 ee 4. 軸的設(shè)計 4.1 低速軸 4.1.1 求輸出軸上的功率 p3 轉(zhuǎn)速 n3 和轉(zhuǎn)矩 T3 若取每級齒輪的傳動的效率 ,則 mNrkWnpTinnppp842.735955076.12569.99550m in/76.12588.22.36269.997.990.010.10333122332102234.1.2 求作用在齒輪上的力 因已知低速級大齒輪的分度圓直徑為 mmm zd 404101444 NNNFFFFdTFtantrt90814t a n3642t