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文檔簡介
1、<p><b> 摘 要</b></p><p> 本文闡述了車床電主軸的發(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)說明書等設(shè)計(jì)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(jì)算表明，該電主軸設(shè)計(jì)符合要求。</p&
2、gt;<p> 關(guān)鍵詞：車床；電主軸；主軸；軸承</p><p><b> Abstract</b></p><p> This paper describes the history, status and trends of lathe electrical spindle development, and also introduce the
3、 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
4、 cooling systems. The assembly drawings, part drawings and design specifications and other design documents is generated. Finally, the detailed analysis and verifica</p><p> Key words: lathe；electrical spin
5、dle；spindle；bearing</p><p><b> 目 錄</b></p><p> 第1章 緒論………………………………………………………………………………….. ……………………………….1</p><p> 1.1選題的目的和意義………………………………………………………………………………….. ……………………
6、………1</p><p> 1.2數(shù)控車床電主軸的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢……………………………………………………………….1</p><p> 1.3本課題主要研究內(nèi)容……………………………………………………………………………….. …………………………..4</p><p> 第2章 數(shù)控車床電主軸的介紹…………………………………………………………………
7、……………….. …5</p><p> 2.1車床電主軸的工作原理……………………………………………………………………………….. ………………………5</p><p> 2.2數(shù)控車床電主軸的特征……………………………………………………………………………….. ………………………5</p><p> 第3章 車床電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………
8、……………………………………….. ………7</p><p> 3.1電主軸結(jié)構(gòu)圖……………………………………………………………………………….. ………………………………………7</p><p> 3.2同步帶的選擇……………………………………………………………………………….. ………………………………………7</p><p> 3.3內(nèi)置編碼器的選擇……
9、………………………………………………………………………….. ……………………………11</p><p> 3.4轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………….. ……………………………12</p><p> 3.5軸承的選擇……………………………………………………………………………….. ……………………………………….14</p>&l
10、t;p> 3.6冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………….. ………………………………..16</p><p> 3.7主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)……………………………………………………………………………….. ………………………..18</p><p> 第4章 軸的校核……………………………………………………………………………….. …………………
11、……………………..25</p><p> 4.1軸的強(qiáng)度校核計(jì)算……………………………………………………………………………….. ……………………………25</p><p> 4.2軸的剛度校核計(jì)算……………………………………………………………………………….. ……………………………28</p><p> 4.3軸的CAE分析………………………………………
12、……………………………………….. ………………………………….29</p><p> 第5章 軸承的校核……………………………………………………………………………….. ……………………………………31</p><p> 5.1角接觸球軸承的校核……………………………………………………………………………….. ………………………..31</p><p> 5
13、.2深溝球軸承的校核……………………………………………………………………………….. ……………………………33</p><p> 5.3軸承的CAE分析……………………………………………………………………………….. ………………………………..34</p><p> 總結(jié)……………………………………………………………………………….. ……………………………. ……………..36&
14、lt;/p><p> 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………….. …………………………………….37</p><p> 致謝……………………………………………………………………………….. …………………………………………….39</p><p> 附錄1 電主軸的裝配圖………………………………………………………………………………..
15、 ……………..40</p><p> 附錄2 電主軸的主軸零件圖……………………………………………………………………………….. ……..41</p><p> 附錄3 電主軸的同步帶輪零件圖……………………………………………………………………………….. 42</p><p> 附錄4 電主軸的壓蓋零件圖……………………………………………………………………
16、………….. ……..43</p><p> 附錄5 電主軸的刀套零件圖……………………………………………………………………………….. ……..44</p><p><b> 第1章 緒論</b></p><p> 1.1 選題的目的和意義</p><p> 我國數(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
17、滯后，始終是制約我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展的瓶頸問題之一。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，最終離不開先進(jìn)的功能部件產(chǎn)業(yè)的支持。我國數(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)國家還存在較大差距，很難能滿足市場需求，特別是高端數(shù)控機(jī)床主要依賴進(jìn)口，已明顯制約我國國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)的發(fā)展。高速電主軸制造技術(shù)成為了決定高
18、端的數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。對決定電主軸發(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)展高速電主軸將對我國的裝備制造行業(yè)會(huì)起到強(qiáng)大的推動(dòng)作用。</p><p> 1.2 數(shù)控車床電主軸的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢</
19、p><p> 1.2.1 數(shù)控車床電主軸的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀</p><p> 國內(nèi)對電主軸技術(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，隨著國內(nèi)高速主軸軸承的開發(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
20、，它不僅能加工各種形體復(fù)雜的模具，而且開發(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。在國內(nèi)以洛陽軸承研究所(洛陽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)床研究所也開發(fā)研制了多種電主軸，并應(yīng)用于數(shù)控銑床由于近些年數(shù)控
21、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。目前國內(nèi)生產(chǎn)的磨削用電主軸的轉(zhuǎn)速在15000r/min以內(nèi)</p><p> 國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
22、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。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
23、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、德國的GMN公司、Hofer公司、西門子、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。國外高速精密主軸上采用</p>
24、;<p> 1.2.2數(shù)控車床電主軸的國內(nèi)外的發(fā)展趨勢</p><p> ?。?）向高速度、高剛度方向發(fā)展</p><p> 隨著主軸軸承及其潤滑技術(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。電主軸的功率和轉(zhuǎn)速是受電主軸體積及軸承限制的，DmN值是反映電主軸剛度和轉(zhuǎn)速的一個(gè)重要的綜合特征參數(shù)，Dm
25、N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。</p><p> ?。?）向高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展</p><p> 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
26、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。</p><p> ?。?）電機(jī)形式與控制方式多樣化方向發(fā)展</p><p> 主軸電機(jī)方面：目前國內(nèi)外主軸電機(jī)常見的是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，但由于其結(jié)構(gòu)和特性的限制，運(yùn)行
27、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，針對感應(yīng)電動(dòng)
28、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)問題。</p><p> 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。目前國內(nèi)市場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
29、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合的應(yīng)用到普通場合的特殊要求的應(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。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)合軸承和油氣潤滑技術(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
30、，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]。</p><p> 1.3 本課題主要研究內(nèi)容</p><p> ?。?）數(shù)控車床電主軸總體方案設(shè)計(jì)；</p><p> ?。?）根據(jù)產(chǎn)
31、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；</p><p> ?。?）繪制裝配圖及其他零件圖；</p><p> ?。?）撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書1份，撰寫其他相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)文檔。</p><p> 第2章 數(shù)控車床電主軸的介紹</p><p> 2.1 車床電主軸的工作原理 </p><p> 電主軸作為加
32、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)。</p><p> 2.2 數(shù)控車床電主軸的特征</p><p><b> （1）
33、高回轉(zhuǎn)精度</b></p><p> 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；</p><p><b> ?。?）高剛度</b></p><p> 主軸剛度反映
34、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；</p><p><b> （3）抗振性強(qiáng)</b></p><p> 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
35、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)；</p><p><b> ?。?）電機(jī)特性優(yōu)良</b></p><p> 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
36、小切削量的高轉(zhuǎn)速要求。對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；</p><p><b> （5）熱特性穩(wěn)定</b></p><p> 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]。</p><p>
37、; 第3章 車床電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p> 3.1 電主軸結(jié)構(gòu)圖</p><p> 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</p><p> 圖3.1 車削中心電主軸結(jié)構(gòu)示意圖</p><p> 電主軸由
38、主軸及主軸箱本體、輔助裝置、檢測裝置組成。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。</p><p> 3.2 同步帶的選擇</p><p> 3.2.1
39、同步帶介紹</p><p> 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有相對滑動(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)：</p><p> 傳動(dòng)準(zhǔn)確，無滑動(dòng)，能達(dá)到同步傳動(dòng)的目的；</p><p> (2)傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98?%；</p><p> (3)速比范圍大
40、，允許線速度也高；</p><p> (4)傳遞功率范圍大，從幾十瓦到幾百千瓦；</p><p> (5)結(jié)構(gòu)緊湊，還適用于多軸傳動(dòng)。</p><p> 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(節(jié)線長度)中心距、帶寬及主、從動(dòng)帶輪齒數(shù)，直徑等參數(shù)。</p><p> 3.2.2 同步帶計(jì)算</p><p>
41、 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，以此來設(shè)計(jì)電主軸的同步帶。</p><p><b> 求設(shè)計(jì)功率Pd</b></p><p> Pd=K0Pm=1.6×12.5=20 kw</p><p> 式中K0載荷修正系數(shù)（由表3.1得）</p><p>
42、表3.1 載荷修正系數(shù)K（部分）</p><p><b> 確定帶的型號(hào)和節(jié)距</b></p><p> 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</p><p> n1=n2×i0=3100r/min，由圖3.2查的帶的型號(hào)為H型，對應(yīng)節(jié)距Pb=12.7mm(見表3.2)</p><p&
43、gt; 圖3.2 通過功率找同步帶型號(hào)</p><p> (3) 選擇小帶輪齒數(shù)</p><p> 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=3.1</p><p> Z2=62, 取標(biāo)準(zhǔn)帶輪齒數(shù)Z2=60</p><p> (4) 確定帶輪節(jié)圓直徑：
44、</p><p> d1=PbZ1／π=80.892mm</p><p> d2= PbZ2／π=242.675mm</p><p> (5) 確定同步帶的節(jié)線長度Lp</p><p> Lp=2acosφ+π(d2+d1) ／2+πφ(d2-d1) ／180 （3-2）</p><p>
45、 式中：φ==9.31?(以a=500mm代入)</p><p> 則Lp=1521.102 選擇最接近計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(見表3.4) Lp=1524.00mm</p><p> (6) 計(jì)算同步帶齒數(shù)Zb</p><p> Zb=Lp／Pb=1524.00/12.70=120</p><p> (7) 傳動(dòng)中心距a的計(jì)算</
46、p><p> a=Pb(Z2-Z1) ／2πcosθ （3-3）</p><p> 式中：inVθ=π=3.1416 inVθ=tgθ-θ用逐步逼近法計(jì)算，θ=1．3518(弧度)代入上式:</p><p> a=Pb(Z2-Z1) ／2πcosθ=373.53mm</p><p> 表3.
47、2 七種同步帶型號(hào)的主要參數(shù)</p><p> 表3.3 帶輪最少許用齒數(shù)</p><p> (8) 確定同步帶設(shè)計(jì)功率為Pd時(shí)所需帶寬</p><p> (a). 計(jì)算所選型號(hào)同步帶的基準(zhǔn)額定功率Po</p><p> Po=(Ta-mv2)v／1000 (kw) （3-4）</p>
48、;<p> 式中：Ta——許用工作拉力，查表3.2得Ta=2100.85 N</p><p> m——單位長度質(zhì)量，查表3.2可得m=0.448Kg/m</p><p> V——線速度 (m/s)</p><p> V==6.35 (m/s) （3-5）</p><p>
49、; 表3.4 標(biāo)準(zhǔn)同步帶的節(jié)線長度(部分)</p><p> 帶入上式的Po=13.23 (kw)</p><p> (b). 計(jì)算小帶輪嚙合齒數(shù)Zm</p><p> Zm=—（Z2-Z1）=8.62>6 </p><p> (c). 確定實(shí)際所需帶寬bэ</p>
50、;<p> P≈PoKzKw （3-6）</p><p> 式中： P——帶所能傳遞功率 kw</p><p> Kz——嚙合系數(shù)，因Zm>6 故Kz=1</p><p> Kw——查表3.2，H型帶bэ?=76.20mm</p><p><
51、b> 將P式代入P≥Pd</b></p><p> 則bэ≥bэ?=26.65mm 取標(biāo)準(zhǔn)帶寬38.1mm 見表3.2</p><p><b> (9) 驗(yàn)算</b></p><p> =22.15 > 20 kw</p><p> 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)
52、合格[4]。</p><p> 3.3 內(nèi)置編碼器的選擇</p><p> 為了提高機(jī)械裝置的加工精度，必須提高檢測元件和檢測系統(tǒng)的精度。其中以旋轉(zhuǎn)編碼器，線性編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器，測速發(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)簡單，其具有高精度，大量程測量等。旋轉(zhuǎn)編碼器非常適合測速度，可
53、無限累加測量。</p><p> 3.4 轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計(jì)</p><p> 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。</p><p> 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＝1
54、26.5mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)孔直徑2a＝85.5mm，轉(zhuǎn)子的軸向長度為346mm，轉(zhuǎn)子配合面的有效接觸長度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。</p><p> Ce===0.6759
55、 （3-7）</p><p> Ci===0.5380 （3-8）</p><p> 電機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸均為鋼質(zhì)材料，材料的彈性模量E＝2.1×1011N／m2，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／mm2，主軸材料的許用應(yīng)力［σ］為567 N／mm2。
56、</p><p> 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)過盈分量的最小值Δdmin可由下式求得：</p><p> Δdmin==0.0205 （3-9）</p><p> 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)過盈分量的最小值Δsmin可由下式求得： Δsmin=(+)=0.002
57、45 （3-10）</p><p> 根據(jù)計(jì)算可知，高速電主軸要求的動(dòng)態(tài)過盈量Δdmin是其要求的靜態(tài)過盈量的6</p><p> 倍多，由此可見，高速主軸的過盈量主要由動(dòng)態(tài)過盈量確定。高速電主軸的最小過盈</p><p><b> 量Δmin為：</b></p><p> 圖3.3 電主
58、軸的結(jié)構(gòu)</p><p> Δmin＝Δdmin＋Δsmin＝0.02295 （mm） （3-11）</p><p> 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的過盈配合，這種配合的實(shí)際最小過盈量為0.040mm(＞0.02295 mm)，能滿足電主軸的高速傳動(dòng)要求。其實(shí)際的最大過盈量為0.078mm，配合面實(shí)際產(chǎn)生的最大正壓力
59、為： pmax==93.6 (N/mm2) （3-12）</p><p> 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）</p><p> σremax (r=
60、a)==191.9 (N/mm2) （3-14）</p><p> 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）</
61、p><p> σθimax (r=c)==-263.4 (N/mm2) （3-16）</p><p> 電主軸的裝配應(yīng)力分布如圖3.4所示。</p><p> 由此可見，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
62、的許用應(yīng)力［σ］為287 N／mm，σr3＜［σ］，使用安全。</p><p> 圖3.4 主軸與轉(zhuǎn)子過盈配合的應(yīng)力分布</p><p><b> 3.5 軸承的選擇</b></p><p> 3.5.1軸承的選擇</p><p> 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
63、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)整墊片或螺紋件來調(diào)整軸承的游隙，以保證軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p> 首先通過對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
64、，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。</p><p> 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，分別見圖3.5和圖3.6。成對安裝角接觸球軸承（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
65、。</p><p> 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。</p><p> 圖3.5 角接觸球軸承</p><p> 3.5.2軸承材料的選擇</p><p
66、> 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。</p><p> ?。?）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，延長軸承的使用壽命。</p><p
67、> 圖3.6 深溝球軸承</p><p> （角接觸球軸承000r/min