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南京工程學(xué)院工業(yè)中心畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）
南京工程學(xué)院
工 業(yè) 中 心
本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）
題 目： 車銑復(fù)合加工機(jī)床A28電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級： D機(jī)加工122 學(xué) 號： 231120418
學(xué)生姓名： 柯珂
指導(dǎo)教師： 劉桂芝 （研究級高工）
起迄日期： 2016.2.22～2016.6.3
設(shè)計地點(diǎn)： 工程中心5號樓
畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要
摘要：
本課題研究的內(nèi)容是針對車銑復(fù)合加工機(jī)床A28電主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計。車銑復(fù)合加工集傳統(tǒng)銑削與車削加工技術(shù)于一身，可顯著提高機(jī)械加工效率、降低生產(chǎn)加工成本。所以車銑復(fù)合加工機(jī)床電主軸可以實(shí)現(xiàn)主軸的C軸功能，機(jī)床在加工時直接帶動零件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并與機(jī)床的X軸或與機(jī)床的Z軸聯(lián)動，提高機(jī)床的生產(chǎn)率。本文采用文獻(xiàn)分析法、比較法的方法，進(jìn)行車銑復(fù)合加工機(jī)床A28電主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。車銑復(fù)合加工機(jī)床電主軸取消了齒輪與帶傳動，消除機(jī)械傳動，采用內(nèi)藏式電機(jī)傳動的方式。設(shè)計過程中采用角接觸軸承，實(shí)現(xiàn)電主軸的高速、高精度性能。采用油氣潤滑的方式，使得電主軸成本變低，并且潤滑效好。采用油水的冷卻系統(tǒng)，使電主軸更加簡便，冷卻效果更好。本設(shè)計提高了機(jī)床的加工精度，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速性能，可以實(shí)現(xiàn)車銑復(fù)合加工。
關(guān)鍵詞：電主軸 車銑復(fù)合加工 高精度
畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）英文摘要
Title Milling machine tools A28 motorized spindle design
Abstract
The contents of this research is milling machine tools A28 motorized spindle structure designed for. In one, can significantly improve the collection of traditional milling machining technology for milling and turning machining efficiency, reduce production and processing costs. So milling machine tool spindle can achieve electrical spindle C-axis function, direct drive machine in the processing of parts and rotary motion of the machine or the X-axis and Z-axis machine tools, machine tools to improve productivity. In this paper, literature analysis, comparison of methods, milling machine tools A28 motorized spindle system architecture design. Milling spindle electricity use built-in motors and belt drive gear canceled, but the use of built-in motors, direct drive spindle rotational movement. The design process uses angular contact bearings, electrical spindle speed, high precision performance. Using oil-air lubrication manner that electric spindle low cost, and good lubricating effect. Using water cooling system, the electric spindle easier, better cooling effect. This design improves machining accuracy, high-speed performance of the machine, milling machining can be realized.
Keywords Electric spindle;Milling machining; High Precision
目 錄
前 言 1
第一章 緒 論 2
1.1 課題的研究背景和意義 2
1.2 車銑復(fù)合電主軸的概述 3
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 4
1.4 課題研究主要內(nèi)容 6
第二章 電主軸系統(tǒng)方案設(shè)計 7
2.1 車銑復(fù)合加工中心主傳動系統(tǒng)的要求....................................... 7
2.1.1主傳動系統(tǒng)的功能要求 7
2.1.2主傳動的動平衡要求 7
2.2 主軸部件的組成及要求....................................................................... 8
2.3 主傳動系統(tǒng)的主要參數(shù).................................... 9
2.3.1主傳動功率 9
2.3.2主軸內(nèi)徑的確定 9
2.3.3主軸強(qiáng)度的計算 10
2.4 電主軸檢測系統(tǒng)方案設(shè)計與確定........................................ 12
2.4.1車銑復(fù)合加工中心對電主軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)精度的要求 12
2.4.2 主軸準(zhǔn)停裝置的選擇.................................... 14
2.4.3電主軸水溫控制系統(tǒng)的確定 14
第三章 電主軸組件設(shè)計和選用 16
3.1 電主軸受力分析及主軸最佳支承計算 16
3.2 確定主軸切削扭矩 17
3.3 主軸的材料以及結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計 18
3.4 主軸前后軸承壽命計算..................................... 18
3.5 主軸軸承的選用和配置方式 21
3.6 主軸軸承間隙的調(diào)整和預(yù)緊 23
第4章 潤滑、密封和冷卻 25
4.1 主軸軸承的潤滑 25
4.2 電機(jī)的冷卻 26
4.3 主軸的密封 26
第五章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 28
5.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的目的與意義 28
5.2 成本材料分析 28
5.2.1 非標(biāo)準(zhǔn)件 28
5.2.3 標(biāo)準(zhǔn)件 29
5.3 課題技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本計算依據(jù) 30
5.3.1 成本計算依據(jù) 30
5.4 課題技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本計算 31
第六章 結(jié) 論 33
致 謝 34
參 考 文 獻(xiàn) 35
附錄A 主軸箱裝配圖及各零件圖 36
前 言
本文是對車銑復(fù)合加工機(jī)床A28電主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和研究。作為復(fù)合加工技術(shù)的一種，銑車復(fù)合加工要求有很高的加工效率和加工精度。 車銑復(fù)合加工主要是使機(jī)床主軸實(shí)現(xiàn)c軸功能，機(jī)床在加工時直接帶動零件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并與機(jī)床的X軸或與機(jī)床的Z軸聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)，完成零件的銑削功能。車銑復(fù)合電主軸與傳統(tǒng)方式相比，車銑復(fù)合電主軸采用內(nèi)裝式電機(jī)，取消了齒輪傳動，皮帶傳動等中間傳動設(shè)備，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的“零傳動”[1]。車銑復(fù)合電主軸在高速下因熱而會產(chǎn)生故障，因此限制了車銑復(fù)合電主軸的有效應(yīng)用。
本車銑復(fù)合加工機(jī)床電主軸由于是內(nèi)置電動機(jī)[2]，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中所以會產(chǎn)生的熱量而且軸承轉(zhuǎn)動也會摩擦發(fā)熱，使得電主軸的發(fā)熱量很大，由此產(chǎn)生的很大熱變形大大導(dǎo)致車銑復(fù)合加工機(jī)床的加工精度降低的更多。因此對于車銑復(fù)合電主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說，冷卻是主要方面，選擇良好的冷卻方式極為重要。
本文首先從電主軸的電機(jī)的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行歸納，比較系統(tǒng)的敘述了電主軸的設(shè)計理論。主要根據(jù)軸的主要參數(shù)選擇電機(jī)型號，主軸的剛度也影響電主軸的工作性能，在設(shè)計主軸部件過程中，需要考慮、傳動力、扭矩的作用，來決定主軸部件參數(shù)。主軸軸承的徑向剛度是隨著軸承預(yù)緊力的增加而增大，所以主軸剛度也會隨著主軸前軸承剛度的增加而明顯增大。在電主軸中，主軸前軸承對主軸的剛度影響是比較大的，所以軸承預(yù)緊力變大，主軸的剛度也明顯加大，但是主軸后軸承對主軸剛度的影響并不大[3]。
本課題主要的研究方面主要還有選擇良好的支承跨距。角接觸球軸承是電主軸選擇的最好選擇，并且選擇正確的主軸軸承配置方式，影響軸承壽命的主要原因主要是主軸的溫升，采用合適的控制溫升系統(tǒng)很關(guān)鍵。主軸的潤滑和密封的合理選擇也是電主軸的關(guān)鍵所在[4]，為提高加工精度和降低電機(jī)的熱量則需要選擇良好的冷卻方式。
第一章 緒 論
1.1 課題的研究背景和意義
車銑復(fù)合加工技術(shù)是20世紀(jì)80年代工業(yè)歷史上發(fā)展起來的一種新型的數(shù)控加工技術(shù)，他是近代發(fā)展的主要標(biāo)志，標(biāo)志著現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)的飛躍性發(fā)展，并成為20世紀(jì)90年代各個國家想整設(shè)計研究和發(fā)展的重要方向。車銑復(fù)合加工是指將車床加工與銑床加工結(jié)合在一起[5]，利用車銑復(fù)合運(yùn)動對零件進(jìn)行加工，可以實(shí)現(xiàn)零件的全部加工和一次性加工的先進(jìn)加工技術(shù)，適用于一些薄壁零件間的粗精加工，還是用于航天行業(yè)，軍事行業(yè)等大型產(chǎn)品的加工，也。采用銑車復(fù)合加工技術(shù)不但提高了機(jī)床的生產(chǎn)率，而言的話。車銑復(fù)合加工技術(shù)是一種高金屬去除率的“整體制造”技術(shù)，是新時代成長的標(biāo)志，所以目前數(shù)控技術(shù)發(fā)展的重要方向就是車銑復(fù)合加工技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[6]。
在當(dāng)今市場一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家對于車銑復(fù)合加工技術(shù)的應(yīng)用相當(dāng)熟練，處于高應(yīng)用狀態(tài)。德國就會專門建立研究機(jī)構(gòu),從事車銑復(fù)合加工的設(shè)計與研究,并且德國的研究技術(shù)都在全球處于最前端的位置。美國在一些實(shí)際應(yīng)用中就比較突出，比如航空行業(yè)，軍事產(chǎn)品制造等。使用車銑復(fù)合加工技術(shù)為了節(jié)省一半以上的生產(chǎn)時間，而尺寸和切削刀具的數(shù)量大大減少，成本是傳統(tǒng)加工的百分之一左右。
車銑復(fù)合加工機(jī)床的主要特點(diǎn)功能運(yùn)用的范圍廣而且結(jié)構(gòu)之間也很緊湊。因此，車床銑削機(jī)床的要求比普通機(jī)床的更高。為了使車銑機(jī)床可實(shí)現(xiàn)高速，高效率的一些關(guān)鍵技術(shù)，主要有以下5個方面[7]：
1.電主軸；
2.雙邊重心驅(qū)動技術(shù)；
3．雙功能銑車轉(zhuǎn)臺；
4．?dāng)[頭動力刀塔，銑車復(fù)合加丁中心電主軸熱態(tài)；
5．輕量化設(shè)計。
這其中，車銑復(fù)合加工機(jī)床種主要的功能部件就是電主軸了，并且電主軸的性能直接影響車銑復(fù)合加工機(jī)床的工作性能，車銑復(fù)合加工機(jī)床電主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生大量的熱量，加大電主軸的溫升和熱變形，從而降低整個加工機(jī)床的精度。零件加工過程中，電主軸的高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生大量的熱能產(chǎn)生熱變形，整個熱變形產(chǎn)生誤差占到整個機(jī)床加工誤差的百分之四十到百分之七十。現(xiàn)在車型復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展最關(guān)鍵的就是抑制溫升、減小熱變形。國內(nèi)在電主軸研究和發(fā)展方面重要認(rèn)識比較晚，國內(nèi)電主軸技術(shù)的落后是導(dǎo)致中國銑車復(fù)合加工技術(shù)落后重要原因。圖1．1所示為立式銑車復(fù)合加工中心整體結(jié)構(gòu)圖。
圖1.1立式銑車復(fù)合加工機(jī)床整體結(jié)構(gòu)圖
1-Y軸直線導(dǎo)軌;2-立柱;3-A軸刀架滑板裝置;4-A軸銑車刀架；
5-中空滾絲杠副；6-螺旋排屑裝置；7-回轉(zhuǎn)工作臺；8-轉(zhuǎn)臺底座；9-底座
1.2 車銑復(fù)合電主軸的概述
現(xiàn)代機(jī)床普遍精度不高，效率低，所以導(dǎo)致產(chǎn)品水平不高，但車銑復(fù)合加工機(jī)床電主軸具有動平衡的能力，降低主軸振動對加工精度的影響，并且電主軸的結(jié)構(gòu)簡單并緊湊而且體積小重量輕。是復(fù)合機(jī)床主軸單元的理想結(jié)構(gòu)。數(shù)控車床只能做軸向加工，主軸并不具備c軸功能，當(dāng)需要進(jìn)行工件表面加工的時候，就需要用到c軸功能，所以需用到車銑復(fù)合加工機(jī)床車銑復(fù)合加工機(jī)床電主軸系統(tǒng)是由內(nèi)藏式電主軸及高精度速度與位置反饋裝置組成，使機(jī)床的主軸具有C軸功能，機(jī)床在加工時直接帶動零件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并與機(jī)床的X軸或與機(jī)床的Z軸聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)，完成零件的銑削加工[8]。
所謂車銑復(fù)合加工，就是使機(jī)床主軸具有復(fù)合加工的功能，主軸具有C軸功能，通過C軸傳動機(jī)構(gòu)中的齒輪與主軸上的齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)C軸功能，但齒輪之間的嚙合，會導(dǎo)致兩個齒輪的齒頂相碰，使機(jī)床出現(xiàn)故障,。用機(jī)械傳動的方式實(shí)現(xiàn)C軸功能，主要是在不用改變主軸箱的基礎(chǔ)上，增加一個C軸主軸箱就行，不過C軸控制箱傳動軸只能通過錐形環(huán)聯(lián)軸套與主軸后端相連，使用的場合比較少，用起來十分麻煩[9]。
為了更好的實(shí)現(xiàn)C軸功能的方式主要有三種。第一種由電主軸直接驅(qū)動，電主軸的驅(qū)動慣性小，傳動鏈的間隙徹底的消除了，當(dāng)切削材質(zhì)較軟的材料和較小零件時，如加工鋁及鋁合金、銅及銅合金等零件時零件表面的加工質(zhì)量都會顯著提高，在切削一些高硬質(zhì)材料的零件同樣滿足切削要求。第二種是伺服主軸電機(jī)由帶輪驅(qū)動，用帶輪驅(qū)動方式轉(zhuǎn)矩要比主軸的轉(zhuǎn)矩大，所以只能加工一些較大的零件。第三種用進(jìn)給伺服電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動。運(yùn)用減速器進(jìn)行C軸功能的時候，有減速器的減速比會很大，導(dǎo)致主軸的扭矩也會變大，為了保持加工精度，機(jī)床的旋轉(zhuǎn)速度要求都會很高，會導(dǎo)致C軸出啊動系統(tǒng)直接與工件主軸脫離，不然會成為車削障礙的。對比三種方式,電主軸驅(qū)動的方式實(shí)現(xiàn)C軸功能是最好不過的。
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
20世紀(jì)80年代，電主軸已經(jīng)呈現(xiàn)快速發(fā)展的的趨勢，我國最早電主軸應(yīng)用在磨床行業(yè)，因此，電主軸技術(shù)是越來越重要，更是對復(fù)合加工機(jī)床等高檔機(jī)床更重要。現(xiàn)在數(shù)控化行業(yè)快速發(fā)展，對機(jī)床的加工精度和高速加工的要求也越來越高所以在電主軸應(yīng)用也越來越多，國外主要從事電主軸方面制造的主要有以下幾家：德國GMN、瑞士IBAG、 日本大限等，其中更是以GMN、IBAG等幾家的電主軸技術(shù)水平成為全球最先進(jìn)發(fā)展標(biāo)志。這些公司生產(chǎn)的電主軸和國內(nèi)生產(chǎn)的電主軸相比有以下幾個特點(diǎn)[10]：
(1)大功率、高轉(zhuǎn)速
(2)精密裝配與精密加工工藝水平高
（3)高速和高剛性軸承。在國外高剛度和高速軸承主要在在高精密高速主軸使用。主軸承是液體動壓軸承和陶瓷軸承。
(4)配套控制系統(tǒng)水平高
一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國家都開始研究并發(fā)展和生產(chǎn)各種商品化的加工機(jī)床。所以我國與國外的電主軸技術(shù)有很大的差距，國產(chǎn)電主軸在性能當(dāng)面和質(zhì)量綿綿與國外比較都是有很大的差距的。國內(nèi)與國外的電主軸的產(chǎn)品的差距主要體現(xiàn)在以下幾個方面[11]：
1.在電主軸的大轉(zhuǎn)矩低速方面，與國外相比國內(nèi)目前最多也就在100Nm以內(nèi)。國外電主軸低速段的輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到300N m以上,最高也可以達(dá)到600Nm以上。
2.在電主軸帶的高速方面,我國電主軸的最高轉(zhuǎn)速為150000r / min，國外的高速電主軸的轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到75000r/min，不過我國大多數(shù)在20000r/min以下。
3.在電主軸的潤滑方面，我國電主軸主要還是油霧潤滑和油霧潤滑，這是在我國主要的兩種潤滑方式，不過國外對潤滑的研究就更加先進(jìn)了，為了滿足電主軸高速高精度的要求，用的是尤其潤滑的方式。
4.在電主軸的性能和功能方面，在我國，電主軸主要還是用于不同機(jī)床，應(yīng)用的不夠全面，但是與國內(nèi)不同的是，國外早已在高速、高精度、和多功能方面發(fā)展了。
5.在電主軸的軸承選用方面，國外高速軸承電主軸應(yīng)用的很多，但是在國內(nèi)我們對于電主軸的應(yīng)用還是不夠全面，對于電主軸的研究還是欠缺許多。
6.在與電主軸配合裝配方面，如快速啟動與停止技術(shù)、主軸C軸傳動技術(shù)、停機(jī)角向準(zhǔn)確定位(準(zhǔn)停)技術(shù)等，國內(nèi)電主軸發(fā)展技術(shù)太慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上國外的發(fā)展與進(jìn)步，滿足不了國內(nèi)現(xiàn)在數(shù)控市場應(yīng)用的需要。
7.在生產(chǎn)的零件質(zhì)量，大小，數(shù)量的方面，在我國有很多大的企業(yè)針對電主軸進(jìn)行設(shè)計、研究和制造，但那是在我國電主軸 還主要應(yīng)用于磨床的方面。在國內(nèi)，電主軸在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用，還處于最開始的階段，尤其在研究和設(shè)計方面還處于最基礎(chǔ)的階段，并沒有產(chǎn)生沒有多大進(jìn)步，因此與國外的先進(jìn)水準(zhǔn)比較存在較大滯后，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上國外的產(chǎn)品。并且國外的企業(yè)在電主軸關(guān)鍵部件的研究上有很高的創(chuàng)新性，在國際上，電主軸中的編碼器，道具接口等主要部件產(chǎn)品都是國外企業(yè)自主設(shè)計，研究并制造的，這就是國外最重要的地方。
電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下幾個方面[12]：
1.繼續(xù)向高速度、高剛度方向發(fā)展；由于現(xiàn)在電主軸越來愈注重主軸當(dāng)剛度的影響，所以都會增加主軸剛度，所以主軸剛度的增加也滿足了數(shù)控機(jī)床高速高精度的要求?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在實(shí)際應(yīng)用出高速是主要條件，并且當(dāng)今主軸軸承和器潤滑技術(shù)的發(fā)展等些主要的技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)是當(dāng)今最主要的應(yīng)用機(jī)床。
2.向主軸高速并且功率大的方向和主軸低速且大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展。根據(jù)要求現(xiàn)代數(shù)控復(fù)合機(jī)床就要滿足低速大轉(zhuǎn)矩和高速功率大。
3.向著提高機(jī)床工作時間，提高機(jī)床的可靠性和機(jī)床的精度方向發(fā)展。現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床市場的精度和可靠性要求越來越高。而目前的精密主軸軸承、先進(jìn)的潤滑方法和預(yù)負(fù)荷的特殊方法，使電主軸的壽命得到了改善，電主軸的可靠性得到了提高。
4.向快速啟、停方向發(fā)展。
5.主軸軸承的潤滑方式和軸承載荷的多種化。在當(dāng)今市場中，潤滑方式有油脂、油霧、油氣等。油脂潤滑是現(xiàn)在市場最主要的潤滑方式，油氣潤滑主要應(yīng)用于告訴場合和安全節(jié)約資源的場合，因此油氣潤滑的潤滑方式得到廣泛應(yīng)用；在滾動軸承中，使使用也壓得方式對軸承施加壓力，而且還可以根據(jù)周周負(fù)載的載荷和主軸反饋的負(fù)載大小。因此可以讓軸承的性能更加全面。
1.4 課題研究主要內(nèi)容
本課題的研究內(nèi)容主要以車銑復(fù)合，高速，高精度的電主軸為主要研究目標(biāo)。從實(shí)現(xiàn)電主軸的車銑復(fù)合，高速，高精度入手。
1、復(fù)合機(jī)床電主軸向高速化、高精度發(fā)展，所以電主軸的冷卻和潤滑是一個問題，對冷卻系統(tǒng)和潤滑方式進(jìn)行研究。
2、計算確主軸切削扭矩，分析主軸的剛性和剛度，計算主軸的最佳支撐跨距，分析主軸實(shí)際支撐跨距。
3、研究軸承的潤滑和磨損，還有主軸軸承預(yù)緊力影響剛度。從而對機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)的理解和分析。
4、根據(jù)主軸直徑選擇合理的軸承，研究軸承配置方式來減輕軸承預(yù)緊力，并研究軸承的使用壽命，選擇合適的方式提高軸承壽命。
5、車銑復(fù)合加工是我國現(xiàn)在主要的發(fā)展方向，車銑復(fù)合加工主要是使主軸具有C軸的功能。為實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工機(jī)床C軸功能，機(jī)床在加工時直接帶動零件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并與機(jī)床的X軸或與機(jī)床的Z軸聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)。比較三種實(shí)現(xiàn)c軸功能的方法，選擇出電主軸驅(qū)動的方式是實(shí)現(xiàn)C軸功能最好的方式。
第二章 電主軸系統(tǒng)方案設(shè)計
2.1 車銑復(fù)合加工中心主傳動系統(tǒng)的要求
2.1.1主傳動系統(tǒng)的功能要求
車銑復(fù)合加工機(jī)床具有較高的精度及豐富的加工性能，特別適用于軍工，航天，航空等復(fù)雜零件加工。當(dāng)機(jī)床進(jìn)行銑削加工時，工作臺會作為主軸，也就是具有C軸功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的銑削加工。當(dāng)機(jī)床進(jìn)行車削加工時工作臺只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，對旋轉(zhuǎn)的位置不進(jìn)行控制。作為C軸時時工作臺需要的驅(qū)動扭矩小，而作為車削運(yùn)動旋轉(zhuǎn)時需要的驅(qū)動扭矩較大。具有更大的調(diào)速范圍并實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。
2.1.2主傳動的動平衡要求
主軸的動平衡就是指主軸的動態(tài)平衡,主要就是主軸在旋轉(zhuǎn)的過程中產(chǎn)生振動的程度。電主軸中，轉(zhuǎn)子按主軸軸線旋轉(zhuǎn)，并轉(zhuǎn)子軸向分布質(zhì)量不均勻，導(dǎo)致離心力的產(chǎn)生，這種離心力就會讓主軸產(chǎn)生振動，從而對主軸的軸承產(chǎn)生較大的磨損，影響軸承的使用壽命，并且主軸產(chǎn)生振動也會發(fā)出噪聲。
去重法和增重法是使主軸動平衡常用方法。去重法主要用于小型主軸的場合。這種方法就是在電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝一個去重盤，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)自和主軸其他重要部件安裝在主軸，當(dāng)主軸產(chǎn)生振動產(chǎn)生的時候，切除去重盤上的不平衡量保證主軸的動平衡。增重法是一種新型的動平衡方法，主要用于高速和無框架電機(jī)場合。再點(diǎn)擊兩端安裝平衡盤，在平衡盤上設(shè)計有螺紋孔，在螺紋空內(nèi)擰進(jìn)螺釘，控制擰入落定的深度和回轉(zhuǎn)位置來使主軸實(shí)現(xiàn)動平衡。如圖2.1所示。電主軸的主軸是轉(zhuǎn)軸，電主軸的最終精度是和轉(zhuǎn)軸的精度息息相關(guān)的。轉(zhuǎn)軸的位置、尺寸和形狀精度的要求都很高。主軸在進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生離心力，導(dǎo)致主軸會發(fā)生抖動，影響電主軸的加工精度，所以轉(zhuǎn)軸和安裝在主軸上的零件都要滿足動平衡能力。
圖2.1
2.2 主軸部件的組成及要求
1、主軸
主軸的主要尺寸參數(shù)包括：主軸的直徑、主軸內(nèi)孔直徑、主軸的懸伸長度和主軸的支承跨距。要確定各個主軸的合理的參數(shù)，要根據(jù)比較主軸的剛度，主軸結(jié)構(gòu)上工藝性能和主軸部件的適用范圍內(nèi)的懸伸長度和支承跨距。通常根據(jù)主軸的剛度。耐磨性、熱處理變形大小和載荷等因素確定。根據(jù)比較所以主軸材料選擇20GrMnTi是最合適的。
2、主軸軸承
電主軸主要支承部件是精密高速軸承。軸承具有高速性能，動載荷承載能力高，發(fā)熱量小，潤滑性能好等優(yōu)點(diǎn)。車銑復(fù)合加工機(jī)床具有高精度，高速度的要求。所以要選擇滾動軸承，綜合比較角接觸球軸承是最好的選擇。并且軸承之間的配置方式進(jìn)行要求，選擇正確的配置方式。
3、軸殼
電主軸的主要部件軸殼。軸殼的位置精度和尺寸精度直接影響主軸的綜合精度。
4、主軸的潤滑與密封裝置
主軸在高速回轉(zhuǎn)中，要保證零件的高精度，必須保持良好的潤滑性與密封性能。選擇良好的潤滑方式是最主要的要求。
2.3 主傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)
2.3.1主傳動功率
主軸端部尺寸GB/T 5900.1-2008 A28
根據(jù)表2-1
表2-1主軸端部尺寸
選擇主軸前軸直徑D1=130mm；主軸后軸直徑 D2=110mm
根據(jù)對比，主軸在強(qiáng)度一定下，空心軸的重量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比實(shí)心軸小，小了大約有三分之一，不僅減輕了主軸的重量而且也節(jié)約材料。改為空心軸主要是因?yàn)榕まD(zhuǎn)圓截面上的切應(yīng)力是按照主軸半徑呈線性分布的，主軸中心線周圍的切削應(yīng)力都會很小，發(fā)揮不了主軸材料的基本特性。當(dāng)把實(shí)心主軸改為空心主軸的時候，就是相當(dāng)于把主軸中心線周圍的材料往周邊偏移，然后導(dǎo)致主軸截面的極慣性矩抗扭截面系數(shù)，使主軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度得到了提高。空心中適用于一些使用大型軸的場合或者有主軸重量要求的場合中。需要注意的是，空心軸的壁厚也不能過薄，以免導(dǎo)致軸產(chǎn)生局部變形產(chǎn)生裂紋，從而降低軸的承載能力。因此，本車銑復(fù)合加工機(jī)床的電主軸的主軸一采用空心軸。
2.3.2主軸內(nèi)徑的確定
查詢機(jī)械設(shè)計手冊6.1-85由圖可知，當(dāng)時，內(nèi)孔直徑的對主軸的剛度是沒有影響的，因此主軸內(nèi)孔直徑d的極限dmax為：dmax<0.7D
此時K空>0.7K實(shí)，即剛度削弱小于25%。若孔徑再大，主軸剛度就會急劇下降。所以選擇0.5~0.6，式中d1為前軸頸內(nèi)孔直徑。
所以選擇內(nèi)孔直徑的：前內(nèi)孔直徑d1=100mm、后內(nèi)孔直徑 d2=85mm
根據(jù)主軸參數(shù)前軸直徑D1=130mm、后軸直徑D2=110mm
2.3.3主軸強(qiáng)度的計算
扭矩計算：
(2-1)
P—主軸的功率
n—主軸的轉(zhuǎn)速
(2-2)
主軸的極慣性矩計算：
(2-3)
D—主軸直徑
d—主軸內(nèi)孔直徑
前軸的極慣性矩：
(2-4)
后軸的極慣性矩：
(2-5)
主軸的抗扭界面系數(shù)計算：
(2-6)
D—主軸直徑
前軸的抗扭截面系數(shù)：
(2-7）
后軸的抗扭截面系數(shù)：
(2-8)
主軸的強(qiáng)度計算：
(2-9)
T—主軸的扭矩
Wt—主軸的抗扭矩截面系數(shù)
主軸前軸強(qiáng)度：
(2-10)
主軸后軸強(qiáng)度：
(2-11)
表2-2電機(jī)參數(shù)
表2-3電機(jī)型號
如表2-2和表2-3，根據(jù)主軸直徑和內(nèi)孔直徑選擇電機(jī)型號Siemens 1PH2184，功率范圍p=14.5—17.kw，選擇最大的電機(jī)功率p=17.7kw、轉(zhuǎn)速 n=600r/min
以上公式均引用于機(jī)床設(shè)計手冊第三冊
2.4 電主軸檢測系統(tǒng)方案設(shè)計與確定
2.4.1車銑復(fù)合加工中心對電主軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)精度的要求
主軸系統(tǒng)是機(jī)床的重要部件。所以主軸系統(tǒng)對主軸系統(tǒng)對于高速、精密的數(shù)控機(jī)床就顯得特別重要。主軸系統(tǒng)普遍采用內(nèi)置電動機(jī)，而且內(nèi)置電動機(jī)是現(xiàn)代國際數(shù)控機(jī)床的最新發(fā)展方向，電機(jī)定子安裝在主軸箱體的孔中，電機(jī)與主軸是一體的，所以取消了機(jī)械傳動并消除機(jī)械間隙。電主軸在如今數(shù)控市場應(yīng)用的越來越廣泛。
電主軸中電機(jī)轉(zhuǎn)自和主軸由于是直接接觸的，電機(jī)工作會產(chǎn)生大量的熱量，熱量會傳遞給主軸箱，導(dǎo)致電主軸的精度，速度受到影響，所以必須選擇合適的溫升系統(tǒng)。
主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生空載運(yùn)動，主軸端面定位面的徑向跳動、端面跳動和軸向竄動值。
電機(jī)的轉(zhuǎn)子一般是處在前軸承和后軸承之間的，電機(jī)轉(zhuǎn)子是與主軸過盈配合的，由于是過盈配合，所以轉(zhuǎn)子與主軸之間產(chǎn)生較大的摩擦力，以摩擦力來傳遞扭矩。不過轉(zhuǎn)子內(nèi)孔與主軸配合面之間有很大的過盈量，所以采用熱裝方式，加熱電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配主軸。在電主軸的后端部會裝有一個位置和速度反饋裝置，讓主軸呈現(xiàn)主軸回轉(zhuǎn)全閉環(huán)狀態(tài)。
影響電主軸的旋轉(zhuǎn)精度的因素可以分為五類：
（1）工作環(huán)境的影響 ，電主軸的潤滑，負(fù)載
（2）主軸系統(tǒng)的組件，包括主軸本身、軸承等相重要組件的幾何精度及其裝配精度
（3）隨機(jī)因素影響
（4）熱變形，電主軸在回轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生熱量，然后導(dǎo)致熱變形
電主軸的回轉(zhuǎn)因素有許多，而且也特別復(fù)雜，所以在做精確計算時候無法考慮所有因素。所以為了對主軸系統(tǒng)進(jìn)行精確的系統(tǒng)計算，對以下方面進(jìn)行了考慮：
（1）工作溫度環(huán)境溫度低于20℃
（2）主軸部件在力的作用下，產(chǎn)生的變量可以不考慮
（3）采取正確的裝配方式
（4）合適的潤滑方式
主軸組件的幾何誤差會由于主軸的受力不同對主軸回轉(zhuǎn)精度的影響也會不一樣。如圖2.4 所示主軸值金額帶著道具進(jìn)行回轉(zhuǎn)切削運(yùn)動，刀具也會受到切削反力的作用，并且會隨著主軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，所以導(dǎo)致主軸上的某一地方也會繞著滾動軸承旋轉(zhuǎn)。
圖2.4
圖2.5
軸承的誤差的類型有很多所以對回轉(zhuǎn)精度也會產(chǎn)生不同的影響。如圖 2.5所示軸承本身的誤差可以分為四種：
1、在滾動軸承中會產(chǎn)生尺寸誤差，然后導(dǎo)致軸承內(nèi)圈向某個位置偏離。一些大尺寸的滾動體會使得軸承內(nèi)圈向?qū)γ嫫x，讓軸承外圈與軸承出現(xiàn)誤差。
2、回轉(zhuǎn)性的主軸的滾到的圓度差別的影響往往是小于刀具旋轉(zhuǎn)型主軸的。有些軸承的滾到也是具有圓度誤差。在刀具旋轉(zhuǎn)型主軸當(dāng)中，刀具會受到切削力，讓主軸上的某一個位置沿著滾道滑動，并且軸承滾道的圓度誤差會直接在軸頸上反映出來，形成徑向跳動。當(dāng)遇到這種情況下，滾動體會受到主軸旋轉(zhuǎn)停止時的擠壓，增加磨損，降低軸承的壽命。
3、軸承中的滾動體是有減小摩擦和定位的作用的。不過軸承滾動體存在圓度誤差和尺寸誤差都會影響主軸的定位精度，主軸旋轉(zhuǎn)的時候同時帶動軸承內(nèi)圈回轉(zhuǎn)，軸承滾動體也隨之旋轉(zhuǎn)。在滾動軸承中是會有許多滾動體的，當(dāng)所有滾動體一起旋轉(zhuǎn)的時候，主軸的軸頸會產(chǎn)生不同位置的跳動，從而形成徑向跳動。滾動軸承中滾動體是要大于其他滾動體直徑的，當(dāng)壓力大于零界點(diǎn)的時候，主軸軸頸的回轉(zhuǎn)中心就會偏置。
4、在滾動軸承中滾道是有斜度的，并且使?jié)L動體與滾道產(chǎn)生巨大的磨損，從而影響到主軸的高速旋轉(zhuǎn)。而且滾到的斜度影響滾動體繞主軸中心公轉(zhuǎn)，使得滾動體的自傳變大，影響軸承的冷卻和潤滑。
2.4.2 主軸準(zhǔn)停裝置的選擇
主軸的準(zhǔn)停其實(shí)是指主軸的定位方向功能，也就是機(jī)床受到準(zhǔn)停裝置發(fā)放準(zhǔn)停命令的時候，主軸停止在規(guī)定的方向和位置，還保持力矩存在。在加工中心中，主軸的準(zhǔn)停功能就是自動換刀功能，使主軸與刀柄上的鍵槽對準(zhǔn)，使主軸停轉(zhuǎn)并準(zhǔn)確停在固定位置上。在車銑復(fù)合加工機(jī)床中，主軸的準(zhǔn)停功是在加工過程中，使機(jī)床可以對零件平面的銑削加工，主軸做主運(yùn)動外，可以做分度運(yùn)動和圓周進(jìn)給運(yùn)動。車銑復(fù)合加工機(jī)床進(jìn)行銑削加工時，機(jī)床主軸與C軸聯(lián)動，主軸保持緩慢旋轉(zhuǎn)或者停止?fàn)顟B(tài)，這時候主軸是作為進(jìn)給軸工作，在車削過程中，主軸是作為主運(yùn)動進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，刀架作為進(jìn)給軸進(jìn)行軸向移動。
主軸的準(zhǔn)停裝置有機(jī)械控制的主軸準(zhǔn)停裝置和電氣控制的主軸準(zhǔn)停方式。機(jī)械控制的準(zhǔn)停方式定向可靠，精確，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。電氣控制的準(zhǔn)停方式主要由安裝在主軸上的編碼器實(shí)現(xiàn)，不需要機(jī)械部件，可靠性高，準(zhǔn)停時間短，且有高的精度和剛性，
車銑復(fù)合加工電主軸的準(zhǔn)停裝置是由安裝在主軸上的編碼器實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)方式主要由光柵式編碼器、磁性式編碼器和齒輪式編碼器。本車銑復(fù)合加工機(jī)床的電主軸的設(shè)計采用的圓磁柵編碼器作為反饋元件，磁性式編碼器可以使使主軸輸出最小單位1/1000°。
2.4.3電主軸水溫控制系統(tǒng)的確定
圖2.4.3中的電動機(jī)的定子4通過一個冷卻套2固定在電主軸的主軸箱體1上。冷卻水從冷卻水進(jìn)口3流入復(fù)合電主軸的冷卻套，在電主軸中循環(huán)流淌，帶走在電主軸中產(chǎn)生的熱量，最后冷卻水從出水口6流出來。并且在機(jī)床外有一個水溫控制的裝置。這個裝置中水的溫度保持在20℃～23℃中間，如果水溫不在這個范圍內(nèi)的話，水溫控制會自動的加熱或者冷卻。電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，內(nèi)置電動機(jī)會產(chǎn)生大量的熱量，熱量傳遞到冷卻套上，冷卻再循環(huán)流淌的過程中帶走產(chǎn)生的熱量，以確保電主軸的溫升在規(guī)定之內(nèi)。
1-主軸箱體；2-冷卻套；3-冷卻水進(jìn)口；4-定子；5-轉(zhuǎn)子；6-冷卻水出口；
7-主軸；8-反饋裝置；9-主軸前軸承；10-主軸后軸承
圖2.6電主軸結(jié)構(gòu)
第三章 電主軸組件設(shè)計和選用
3.1 電主軸受力分析及主軸最佳支承計算
電主軸的受力分析如圖3.1所示
圖3.1主軸受力
主軸懸伸量a是指主軸前端面到前支撐徑向反力作用中點(diǎn)的距離。主軸懸伸量與主軸端部的結(jié)構(gòu)，大小，密封裝置和軸承的分布情況等有關(guān)所以主軸懸伸量在滿足要求下盡可能去最小值。所以選擇主軸懸伸量a=102。支撐跨距L是指主軸相鄰兩支承軸反力作用點(diǎn)之間的距離。
根據(jù)表6.1-45選出剛度:
（3-1）
D1——主軸前軸直徑
電主軸前軸剛度：
（3-2）
電主軸后軸剛度:
（3-3）
根據(jù) （3-4）
查表3-1主軸最佳跨距計算線圖
（3-5）
表3-1主軸跨距最佳計算線圖
式中E—彈性模量。鋼的
I—主軸的截面慣性矩
C—主軸的前軸剛度
a—主軸的懸伸量
選擇
初選，最佳支撐跨距
主軸部件設(shè)計通常取支撐跨距除了結(jié)構(gòu)設(shè)計原因外，從主軸旋轉(zhuǎn)精度來看，當(dāng)直徑D和跨距a一定時，L越大，則軸承的徑向跳動對主軸前端的徑向跳動影響越小。當(dāng)由于結(jié)構(gòu)的原因而需要L遠(yuǎn)大于L0時，可增加中間支撐，就是三支撐結(jié)構(gòu)。中支撐為主要支承，且取前，中支撐跨距，便可顯著增加主軸部件剛度。選擇實(shí)際跨距L0=476。
3.2 確定主軸切削扭矩
主電機(jī)主要滿足負(fù)荷切削的要求，現(xiàn)假設(shè)如下切削條件：
材料：45鋼；熱處理：正火；工件直徑：?100mm
切削速度:150r/min
切削用量：背吃刀量ap=3mm；進(jìn)給量f=1f/mm；
P=2000n/mm2
a. 主切削力
(3-6)
P—彈性模量
b. 切削扭矩
(3-7)
c. 切削功率
(3-8)
3.3 主軸的材料以及結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計
主軸的材料一般根據(jù)強(qiáng)度，耐磨性和承載能力來選擇。本設(shè)計是針對車銑復(fù)合加工機(jī)床電主軸來選擇主軸材料。所以本主軸材料選擇20GrMnTi。
圖3.2主軸結(jié)構(gòu)
如圖3.2所示，主軸的前端是根據(jù)端部尺寸GB/T 5900.1-2008-A28選擇，主軸外圈直徑、內(nèi)孔直徑以及主軸長度的選擇根據(jù)本論文第二章第三節(jié)設(shè)計選擇。在主軸1和5處會設(shè)計一段螺紋，并裝安裝鎖緊螺母，實(shí)現(xiàn)軸承的預(yù)緊；在主軸2處，設(shè)計一個平鍵連接，使主軸與法蘭座實(shí)現(xiàn)周向固定；在主軸3和5處主軸設(shè)計成臺階，實(shí)現(xiàn)主軸軸承的軸向固定。
3.4 主軸前后軸承壽命計算
主軸承受徑向力Fy計算：
(3-9)
如圖3.3所示。前后軸承所受的徑向分力計算：
(3-10）
(3-11)
圖3.3主軸徑向力
夾頭體重量計算：
(3-12)
圖3.4夾重體受力分析
如圖3.4所示夾頭體的受力分析，G在兩個軸承處支承的分力計算：
(3-13)
(3-14)
圖3.5主軸軸承受力分析
如所示3.5所示，主軸前后軸承處所受切削力的計算：
(3-15)
(3-16)
兩個軸承處承受的總徑向力計算：
(3-17)
(3-18)
圖3.6軸承支反力
如圖3.6所示，主軸軸承所承受的支反力計算：
(3-19)
(3-20)
表3-2 主軸平均轉(zhuǎn)速分析
轉(zhuǎn)速r//min
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
與機(jī)床總運(yùn)轉(zhuǎn)時間之比
0.1
0.1
0.15
0.15
0.15
0.15
0.1
0.1
根據(jù)表3-2求平均轉(zhuǎn)速
(3-21)
角接觸球軸承壽命計算公式：
(3-22)
查軸承型號表206-8
主軸前軸承額定靜載荷：
(3-23)
主軸后軸承額定靜載荷:
(3-24)
前軸承壽命:
(3-25)
后軸承壽命:
(3-26)
前軸承型號:
130×180×24/ B71926E.T.P4S.UL（FAG）
后軸承型號:
110×170×28/ B7022C.T.P4S.UL（FAG）
3.5 主軸軸承的選用和配置方式
電主軸的軸承承主要有滾動軸承、流體靜壓軸承和磁懸浮軸承。電主軸的主要支撐元件是滾動軸承。電主軸結(jié)構(gòu)基本上都是采用角接觸球軸承支撐?軸承的配置形式也是取決于載荷的方向、大小以及主軸的工作要求。根據(jù)軸系零件定位形式不一樣，軸的支撐結(jié)構(gòu)可分為三種型式：兩端游動支承，一端固定、一段游動支撐和兩端固定支撐。
電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用兩端固定支承，在采用兩端固定支承時，應(yīng)該留出適當(dāng)?shù)拈g隙，用來補(bǔ)償工作時軸的熱伸長量，同時應(yīng)該提供適當(dāng)?shù)恼{(diào)整間隙方法。我采用角接觸軸承，可以通過調(diào)整螺母來調(diào)整軸承之間的間隙，讓主軸能夠?qū)崿F(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
首先通過對電主軸的受力分析，得到軸承大約承受3000N到4000N之間的載荷，屬于中等載荷。故采用球軸承，并且電主軸有較高的極限轉(zhuǎn)速，電主軸的轉(zhuǎn)速在0r/min到4000r/min之間，所以優(yōu)先選用球軸承。在球軸承中，角接觸球軸承承受徑向力和軸向力，本設(shè)計主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，也會產(chǎn)生軸向力和徑向力，綜合比較下，角接觸球軸承是最好的選擇方式。
如圖3.7所示，根據(jù)接觸角的不同會有許多差距，當(dāng)?shù)妮S向剛度較所以徑向剛度和允許的轉(zhuǎn)速也會很低。當(dāng)?shù)臅r候，主軸轉(zhuǎn)速可以更高些，不過會導(dǎo)致軸向剛度較低，常用于軸向載荷小的場合。
圖3.7角接觸球軸承的型號
最后通過對主軸的受力分析，剛度分析。如圖3.8所示主軸后軸采用兩個背對背的角接觸球軸承，如圖3.9所示主軸前軸主要采用背對背和串聯(lián)三個的角接觸球軸承。
圖3.8 電主軸后軸軸承裝配 圖3.9 電主軸前軸軸承裝配
3.6 主軸軸承間隙的調(diào)整和預(yù)緊
角接觸球軸承通常為點(diǎn)接觸，剛度較也會比較低。為了提高軸承的承載能力和剛度，常用多聯(lián)組配的辦法。如圖3.10所示的是在當(dāng)今應(yīng)用中最主要的三種裝聯(lián)配置方式，分別是面背對背、面對面、串聯(lián)三種。
背靠背 面對面 串聯(lián)
圖3.10軸承的裝配方式
軸承在預(yù)緊之后，兩個再在一起的軸承之間就會不存在間隙了，軸承中滾動體在不同位置上支承主軸導(dǎo)致主軸的精度得到提高。軸承中的滾道是不可以保持標(biāo)準(zhǔn)圓形的，滾動體的直徑也是不能保持相等，所以結(jié)果就是軸承在預(yù)緊前只能保持少量滾道和滾動相接觸。軸承預(yù)緊后，會使得軸承的滾道和滾動體受到壓力導(dǎo)致變形，并且讓受力的滾動體變多并且受力變得也很均勻。明顯的提高軸承的使用壽命、回轉(zhuǎn)精度精度、剛度。不過軸承預(yù)緊后，會使熱量增加，發(fā)熱的會更多，導(dǎo)致溫升提高；從而軸承預(yù)緊會導(dǎo)致軸承壽命下降，所以要合理的軸承預(yù)緊。
如圖3.11所示，角接觸球軸承是在軸向力Fa0的作用下（圖a），使內(nèi)，外圈產(chǎn)生軸向錯位實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。多聯(lián)角接觸球軸承是根據(jù)預(yù)緊力組配的。并且現(xiàn)在的軸承廠規(guī)定了輕預(yù)緊、中預(yù)緊、重預(yù)緊三種級別預(yù)緊。軸承廠在內(nèi)圈（背靠背圖b）或 外圈（面對面圖c）組配，圖c的斷面根據(jù)預(yù)緊力磨去。裝配時擠緊，便可得到預(yù)定的預(yù)緊力。在軸向載荷作用下，不受力側(cè)軸承的滾動體與滾道不能脫離接觸。而滿足這個條件的最小預(yù)緊力，雙聯(lián)組配為最大軸向載荷的35%；三聯(lián)組配為最大軸向載荷的25%。
（a） （b） （c）
圖3.11軸承的預(yù)緊
以上公式都選自機(jī)床設(shè)計手冊第三冊和現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床第二版
第4章 潤滑、密封和冷卻
4.1 主軸軸承的潤滑
主軸軸承的潤滑方式有：油脂潤滑方式、油液循環(huán)潤滑方式、油霧潤滑方式、油氣潤滑方式等方式。
(1)油脂潤滑方式 油脂潤滑是目前運(yùn)用在主軸軸承最多的一種方式。所用的油脂種類：高級鋰基油脂或德國產(chǎn)NBU-15型油脂。主軸前端的密封方式采用迷宮式密封方式；后端密封，則既可以使前端類似方式，也可以使特殊密封圈密封。
(2)油液循環(huán)潤滑方式 油液潤滑主要是在機(jī)床轉(zhuǎn)速中等的場合。例如THM6350型精密臥式加工機(jī)床主軸后支承，就是采用這種強(qiáng)制冷卻的有液循環(huán)潤滑方式。
(3)油霧潤滑方式 采用油霧潤滑方式，冷卻效果好。油霧潤滑通常利用空氣對軸承產(chǎn)生壓力，但油霧容易被吹出，污染環(huán)境，與油脂潤滑相比，摩擦力矩和溫升都大。
(4)油氣潤滑方式 油氣潤滑方式主要是為了方便高速主軸潤滑而研究開發(fā)的新型潤滑方式。供油量比油霧潤滑少，但可準(zhǔn)確供給極少量的油液，且對油的粘度和極壓添加劑不受控制。當(dāng)油氣潤滑空氣壓力高和流量大的時候可產(chǎn)生冷卻作用。比且油氣潤滑可以防止冷卻液和雜志顆粒進(jìn)進(jìn)入主軸軸承。但是油氣潤滑的成本很高，油氣潤滑原理圖如4.1所示。
圖4.1油氣潤滑原理圖
綜上所述，要保證電主軸的高精度，高速要求以及考慮對成本的分析，油脂潤滑是最好選擇。
4.2 電機(jī)的冷卻
內(nèi)置式電動機(jī)組成主要是帶冷卻套的定子和空心轉(zhuǎn)子，帶冷卻套的定子是直接安裝在主軸的殼中的，而空心轉(zhuǎn)子通過過盈配合的形式直接套裝在主軸上，從而導(dǎo)致變頻電動機(jī)和主軸的是合為一體的。車銑復(fù)合電主軸因?yàn)槭遣捎脙?nèi)置式主軸結(jié)構(gòu)，所以電動機(jī)是在電主軸箱體內(nèi)，電主軸內(nèi)部不能裝電扇散熱，所以導(dǎo)致電主軸內(nèi)部散熱條件較差．因而這樣需要一一些冷卻措施降低電主軸電機(jī)的發(fā)熱。
到目前為止，現(xiàn)在電主軸基本上運(yùn)用的就是冷卻水循環(huán)控制系統(tǒng)的溫升或者是運(yùn)用油冷卻裝置控制冷卻油在主軸軸承外強(qiáng)制冷卻，這屆帶走電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量。圖4.2所示為本設(shè)計中電主軸采用的油水熱交換冷卻系統(tǒng)簡圖。在這個冷卻系統(tǒng)中，直接采用冷卻油水通過冷卻套直接帶走電主軸在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生熱量。在冷卻的過程中，要考慮電動機(jī)的絕緣安全，要對定子進(jìn)行連續(xù)大量地循環(huán)油冷。冷卻油從油液入口進(jìn)入，把從電機(jī)釘子上產(chǎn)生的熱量直接帶走然后從出油口流出來，經(jīng)過冷卻交換器把水油冷卻到室溫，最后在流入油箱，之后經(jīng)過油泵增壓流到油液進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)電主軸的循環(huán)冷卻。
圖4.2冷卻原理圖
4.3 主軸的密封
對于車銑復(fù)合電主軸來說，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，主軸箱里會產(chǎn)生許多細(xì)小顆粒物進(jìn)入軸承中，從而導(dǎo)致降低主軸軸承的精度和壽命，這樣會對主軸軸承的性能有產(chǎn)生巨大的影響。由于電主軸的電動機(jī)為內(nèi)置式電動機(jī)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中削液會少量進(jìn)入主軸，導(dǎo)致里面會過分潮濕、而且一些粉塵也會使電動機(jī)繞組的絕緣變差以至于失效，然后可能會燒毀電動機(jī)。因此電主軸必須防塵防潮而且也必須防止切削油進(jìn)入主軸。所以電主軸的密封工作是最主要的考慮的問題。
軸承的密封裝置有接觸式密封和非接觸式密封兩種。接觸式密封一般有間隙式、迷宮式、墊圈式等不同的接觸結(jié)構(gòu)。由于非接觸式的密封件和軸或者配合件有接觸，所以一般常用在高速軸承中的密封。接觸式密封包括毛毯密封、橡膠密封等。在此類密封裝置中，密封件會與其他配合件直接接觸，所以在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中會產(chǎn)生磨損，溫度會提高，一般適用于中低速的軸承密封。
迷宮式密封主要是由許多環(huán)形齒依次排開，各個環(huán)形齒之間存在著間隙，形成迷宮一樣的密封方式，這樣形成的密封方式可以是冷卻油，雜質(zhì)顆粒進(jìn)入軸承。迷宮式密封圈之間是存在間隙的，而且主軸軸承受熱膨脹的時不受影響的。適用于高速、高溫場合。所以本設(shè)計采用的是迷宮式密封圈進(jìn)行密封。如圖4.3所示。
1-法蘭座；2-主軸
圖4.3 迷宮式密封
第五章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
5.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的目的與意義
技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析是一種增加經(jīng)濟(jì)收益，促進(jìn)作技術(shù)成長的為目標(biāo)的科目，雖然在整個科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)學(xué)兩個不同的領(lǐng)域，兩者之間相輔相成，當(dāng)一個國家的技術(shù)進(jìn)步了，那就會成為國家發(fā)展重要一部分，所以經(jīng)濟(jì)的快速成長是作為技術(shù)發(fā)展的材料基地。
科技與經(jīng)濟(jì)的使用成本會計等相關(guān)信息，成本分析（人力，物力，財力）水平和結(jié)構(gòu)的變化。在當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，所以國內(nèi)也非常注重科技上的研究，但是研究成本會是最大的阻礙，在本設(shè)計車銑復(fù)合電主軸當(dāng)中，電主軸當(dāng)中電機(jī)、冷卻系統(tǒng)、潤滑和密封裝置、以及主軸軸承都需要很高的成本，所以需要做好電主軸的成本分析。做好成本分析是現(xiàn)在最關(guān)鍵組成部分，企業(yè)在做好成本分析的時候，廠家會正確的經(jīng)濟(jì)分析產(chǎn)品最開始的投入，能夠預(yù)見企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品可以給企業(yè)帶來多少利潤。一家公司如果可以合理的進(jìn)行成本分析，就可以成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)盈利的最重要的依據(jù)。
成為合格的設(shè)計人員，在相關(guān)部分的設(shè)計，但也考慮到的因素的成本，成本分析是關(guān)系到企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)利益。
5.2 成本材料分析
5.2.1 非標(biāo)準(zhǔn)件
表5-1非標(biāo)準(zhǔn)件外購費(fèi)用
序號
名稱
材料
數(shù)量
凈重（Kg）
1
法蘭盤
45
2
0.888
2
墊圈圈
45
2
0.933
3
軸
45
1
2.181
4
冷卻管道
高精度冷卻油管
2
0.69
5
軸套
45
2
0.187
6
緊定螺釘
45
1
0.0006
7
密封圈
尼龍1010
4
0.001
8
墊塊
45
2
2.04
9
平鍵
45
1
0.88
10
底板
45
1
3.002
11
接頭
45
2
0.95
45剛總凈重：G1=9.1976kg，尼龍1010件的總凈重：G2=0.004kg，高精度冷卻油管G3=1.388kg
目前，45鋼的價格為3400元/噸，尼龍1010的價格75000元/噸，LY12鋁棒的價格28000元/噸。
表5-2外購件
序號
名稱
數(shù)量
單價（元/件）
1
角接觸球軸承B71926E
3
4
2
角接觸球軸承B7022C
2
4
非標(biāo)準(zhǔn)件外購總費(fèi)用為221.5元
5.2.3 標(biāo)準(zhǔn)件
裝配圖中標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)計，如表5-3所示。
表5-3標(biāo)準(zhǔn)件外購費(fèi)用統(tǒng)計
序號
名稱
規(guī)格
數(shù)量
單價（元/件）
1
鎖緊螺母
M6×16
3
0.01
2
螺栓
M4×12
4
0.01
3
六角圓柱螺釘
M5×35
6
0.01
4
內(nèi)六圓柱 頭螺釘
M8×30
8
0.01
5
鎖緊螺母
M6×30
3
0.01
6
緊定螺釘
M835
6
1
7
六角螺母
M10
4
1
表5-3（續(xù)）
9
彈簧墊圈
16
2
0.02
10
螺栓
M4×35
6
0.01
11
圓柱銷
M835
6
0.53
12
內(nèi)六圓柱頭螺 釘
M12×30
6
0.01
13
螺母
M20
8
1