内圆磨床砂轮主轴的设计

内圆磨床砂轮主轴的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 河南科技大学毕业设计,论文， 目 录 前 言 ................................................................................................ 1 第1章 概述 ...................................................................................... 3 ?1.1课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 研究的意义 ...................................................................... 3 ?1.2电主轴的工作原理 .................................................................. 3 ?1.3电主轴的关键技术 .................................................................. 3 ?1.3.1 润滑技术 ........................................................................... 3 ?1.3.2 动态性能 ........................................................................... 4 ?1.4电主轴新技术展望 .................................................................. 6 ?1.5研究内容及创新点 .................................................................. 6 第2章 电主轴各组件的设计 ......................................................... 7 ?2.1 主轴的设计 ............................................................................. 7 ?2.1.1设计原始数据及设计......................................................... 7 ?2.1.2初定轴上零件的装配 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ................................................. 7 ?2.1.3轴上零件的定位 ................................................................ 8 ?2.1.4主轴主要尺寸的确定......................................................... 8 ?2.1.5主轴临界转速的校核....................................................... 13 ?2.2壳体的设计 ............................................................................ 14 第3章 电主轴结构设计及分析 ..................................................... 15 ?3.1 电主轴的性能参数与整体结构 ............................................ 15 ?3.2 电主轴结构设计与分析 ........................................................ 15 ?3.3 电主轴设计制造的几个关键技术问题................................. 17 第4章 高速角接触陶瓷球轴承分析 .............................................. 20 第5章 轴承系统的计算 ................................................................. 21 ?5.1 概述 ....................................................................................... 21 ?5.2 轴承径向刚度的计算 ............................................................ 21 I 河南科技大学毕业设计,论文， ?5.3 轴向预紧力 ........................................................................... 22 ?5.4 圆柱弹簧压缩(拉伸)弹簧的设计 .................................... 24 第6章 高速电主轴的装配问题 ..................................................... 28 ?6.1 概述 ....................................................................................... 28 ?6.2装配方法 ................................................................................ 28 第7章 高速电主轴的润滑 ............................................................. 30 ?7.1概述 ....................................................................................... 30 ?7.2各种润滑方式的比较 ............................................................ 30 结 论 .............................................................................................. 32 致 谢 .............................................................................................. 33 参考文献 .......................................................................................... 34 II 河南科技大学毕业设计,论文， 前 言 电主轴是高速加工机床的核心功能部件。由于电主轴性能的好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率，因此，各工业发达国家都十分关注高速电主轴的研究与发展，纷纷投入巨资，装备精良的加工和测试设备，建立恒温、洁净的装配环境，形成了不少电主轴的专业生产基地[1]。电主轴的研究工作在国外开展较早，现在已进入实际应用阶段。我国自上世纪70 年代初期自行研制内磨砂轮电主轴开始，发展至今，高速电主轴的各项性能指标与国外尚有一定的差距。为了加快我国电主轴技术的发展与应用，研发具有自主知识产权的性能优异的高速电主轴显得十分迫切。本课题即是基于以上分析所设立的。 其工作原理就是电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子冷却套固定在主轴箱体孔内，形成完整的主轴单元。通电后直接带动主轴运转。省去了带轮或齿轮传动，实现了机床的零传动，提高了效率。 电主轴具有其他传动无法比拟的优势，首先，它没有中间传动环节，因此结构上更加紧促，缩小了机床的占用空间。其次，它转速高，缩短了加工时间，但同时也提高了对零件的加工质量和精度。再次，由于没有中间齿轮等传动环节，因此传动中能量损耗小，效率高。最后，电主轴结构简单，维修起来更加方便。 目前国内外的电主轴专业生产厂家多达几十家，以德国的 GMN 公司与瑞士 FISCHER 公司最 为著名。GMN 公司还兼产机床用精密主轴轴承，其最高精度(UP 级)高于 ISO 和 ABEC 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的最高精度(P2 和 ABEC9)，本研究所使用的混合陶瓷球轴承即选用该公司的产品。瑞士 IBAG 公司电 主轴产品的质量也比较好，该公司最近推出了以油为介质的静压轴承电主轴和商品化的磁悬浮轴承 电主轴。德国 CYTEC 公司只有 15 年的电主轴生产历史，近来推出高达 800N?m 的大转矩电主轴和 装备有自行开发的环形力矩伺服电动机的双摆角电主轴而引人注目。 国内电主轴的生产以洛阳轴承研究所最为有名，在上世纪 70 年代初即开始研发内孔磨削用电 主轴，80 年 1 河南科技大学毕业设计,论文， 代，曾经从德国 GMN 公司引进过生产电主轴的技术。近来，该所开发的加工中心、高 速铣床和车床用电主轴，已与国产高速机床和国产并联(虚拟轴)机床配套，投入使用。迄今已发 展到 100 多个品种的电主轴，功率从 0.2~75kW，最高转速可达 150000 r/mi n。同时，该所还兼营精密机床用主轴轴承，且有少量出口。 2 河南科技大学毕业设计,论文， 第1章 概述 ?1.1课题研究的意义 电主轴是高速加工机床的核心功能部件。由于电主轴性能的好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率，因此，各工业发达国家都十分关注高速电主轴的研究与发展，纷纷投入巨资，装备精良的加工和测试设备，建立恒温、洁净的装配环境，形成了不少电主轴的专业生产基地[1]。电主轴的研究工作在国外开展较早，现在已进入实际应用阶段。我国自上世纪70年代初期自行研制内磨砂轮电主轴开始，发展至今，高速电主轴的各项性能指标与国外尚有一定的差距。为了加快我国高速加工技术的发展与应用，加速数控机床产品的更新换代，研发具有自主知识产权的性能优异的高速电主轴显得十分迫切。本课题即是基于以上分析所设立的。 ?1.2电主轴的工作原理 电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子冷却套固定在主轴箱体孔内，形成完整的主轴单元。通电后直接带动主轴运转。省去了带轮或齿轮传动，实现了机床的零传动，提高了效率。 ?1.3 电主轴的关键技术 ?1.3.1 润滑技术 主轴轴承常见的润滑方式有脂润滑、喷射润滑、环下润滑、油雾润滑及油气润滑等。脂润滑不需任何附加设备，但只用于低速场合。喷射润滑是直接用高压润滑油对轴承进行润滑和冷却，功率消耗大，成本高。环下润滑是一种改进的润滑方式，分为环下油润滑和环下油气润滑。油或油气从轴承内圈喷入轴承内，在离心力的作用下，润滑油更易于到达轴承润滑区，因而比 3 河南科技大学毕业设计,论文， 普通的喷射润滑和油气润滑效果好，可进一步提高轴承的转速。而对于角接触陶瓷球轴承转速比较高，如果采用普通油气润滑，将造成润滑结构复杂，轴承不易标准化，装配困难。考虑到经济性市场上的电主轴多为油雾润滑方式。 油雾润滑方式的优点可以概括为:(1)油雾能随压缩空气弥散到所有需要润滑的磨擦部位。可以获得良好而均匀的润滑效果;(2)压缩空气比热小、流速高，很容易带走磨擦所产生的热量。(3)大幅度降低了润滑油的耗量。(4)较稀油循环润滑系统结构简单轻巧，占地面积小，动力消耗低，维护管理方便，易于实现自动控制，成本低;(5)由于油雾具有一定的压力，因此可以起良好的密封作用，避免了外界的杂质、水分等侵入磨擦副。 ?1.3.2 动态性能 追求优良的动态性能是研发高速电主轴最根本的目标，动态性能的好坏是衡量电主轴质量的最重要指标。其动态性能的好坏，主要体现在以下几个方面。 (1) 刚度和精度电主轴的刚度包括径向刚度与轴向刚度，是以轴端的测量值来表示的。影响电主轴刚度因素主要有轴的材料与结构、轴承及轴承座刚度及前后支承轴承的配置方式等。刚度的数学表达式为: dF ( 1-1) K=dδ 其中F:载荷;δ:变形。在材料力学中，可近似地认为悬臂梁自由端的挠度与载荷成线性关系，但在电主轴中，这样近似将带来较大误差。电主轴长度相对较短，长径比较小，轴端悬伸长度也较短，因此，轴本身的刚度与支承部位的总刚度(包括轴承及轴承座的刚度)处于同一量级，轴承的刚度变化将直接影响电主轴的刚度。而轴承的刚度是随轴承预紧力及转速的变化而变化的。预紧力增大时，轴承的轴向及径向刚度均增大;而转速升高时，传统上都认为轴承刚度降低，即所谓的刚度软化。但本文第三章的研究结果表明，随转速升高，轴承的轴向及径向刚度均是先下降而后升高，而且轴向刚度变化尤甚，先小幅降低之后明显呈上升趋势。高速时轴承轴向刚度值远大于低速时的刚度值。因此电主轴的刚度应区分为低速工况(或静态)刚度与高速工况刚度，二者在数值上有明显的差异。 4 河南科技大学毕业设计,论文， 电主轴的精度主要体现在轴端受加工载荷时的变形大小(电主轴的刚度)、运转时的端面跳动及圆跳动量以及因热膨胀引起的轴向伸长量等。电主轴的精度与制造精度、轴承精度、装配精度、预加载荷及转速大小有关。电主轴的最终精度有时可以等于或高于单个轴承的精度，这是由于装配工人在装配时，将单个轴承的误差进行相互补偿及恰当施加预紧载荷的结果[8]。高速电主轴的生产对设计水平、制造工艺、工人技艺和装配环境(洁净度、温度)均有严格的要求，并不是任何一个制造企业都能够生产性能优异的电主轴。 (2) 临界转速 临界转速是电主轴的一个重要参数，它是指电主轴的转子—轴承系统发生共振时对应的转速。由于转轴是连续质量分布系统，因此在理论上有无限多个临界转速。电主轴工作时，应严格控制最高转速在其第一阶临界转速之下，一般不超过一阶临界转速的70%。因此临界转速决定着电主轴的最高工作转速，影响着电主轴的振动水平，临界转速的计算与研究是电主轴设计的必要环节。影响电主轴临界转速的因素主要有:转轴结构、轴承布置方式、轴承刚度、刀具(或砂轮)参数等。电主轴生产厂家向用户提供的技术资料中都对安装在电主轴上的刀具重量、长度、直径及刀具的不平衡量有明确的限制。因为这些参数均会影响主轴的临界转速。 (3) 动平衡 由于电主轴的转速很高，因此即使微小的动不平衡量，也会产生很大的离心力，引发振动。对高速电主轴的动平衡要求是很高的。不但要求各零部件各自进行动平衡，而且装配后还要进行整体动平衡，在装夹或更换刀具后，对刀具也要进行动平衡。有的国外产品在刀具装夹端设有在线自动平衡装置，每更换一次刀具，该装置可自动测出动不平衡量，并自动使该装置上的两个圆盘相对转动一定角度，从而达到动平衡。对于电主轴的动平衡要求，一般都按ISO标准G0.4 级，即在最高转速时，由残余动不平衡量引起的振动速度最大允许值为 0.4mm/s 。 5 河南科技大学毕业设计,论文， ?1.4电主轴新技术展望 (1) 继续向高速重载方向发展。德国 GMN 公司提供的产品样本上，电主轴的最高转速为180000r/min ,国内洛阳轴承所也有转速为 150000r/min 的电主轴产品供应。在载荷方面，目前额定转矩最大的电主轴是瑞士STRP-TEC公司的产品，额定转矩达350N?m。 (2) 自动化程度将进一步提高。电主轴属高科技产品，其自动化程度越来越高。最新的电主轴产品有的装备了在线自动平衡装置，刀具更换后或加工过程中，由不平衡量引起的振动超过规定值时，会对不平衡量进行 在线自动平衡。刀具的夹紧与松开也配备了自动控制的气压或液压装置。 (3) 提高动态性能及加工精度的新技术动态性能好及加工精度高是对电主轴最根本的要求，也是电主轴生产商追求的根本目标。由于热膨胀和转速的影响，电主轴在高速时会产生百分之几的轴向位移，即降低了加工精度。GMN公司及 FISCHER 公司均可提供主轴伸长的自动补偿装置。通过直接或间接测得轴端的伸长量，相应控制机床的数控系统，由数控系统在主轴轴向进行补偿。为解决主轴轴向伸长导致轴承负载增加的问题，一些新款电主轴的轴向预紧力是由自动控制的液压阻尼系统来施加的。根据不同的转速，预紧力会自动调节，阻尼作用可用来降低轴承的振动水平。 ?1.5研究内容及创新点 本课题的研究内容: (1)设计MD150W36/8.5型高速磨削用电主轴。(2)分析对比不同的润滑方式并选择。(3)对弹簧预紧力进行分析与计算。 4)对轴承的选择分析与比较。(5)对轴的直径进行计算。 课题的创新点有两个: (1)所设计用的轴承采用的是陶瓷球轴承代替传统用的钢球轴承。(2)考虑了轴承刚度和温度是高速电主轴的重要指标，将使用油雾润滑代替我国传统的脂润滑提高转速。 6 河南科技大学毕业设计,论文， 第2章 电主轴各组件的设计 ?2.1 主轴的设计 ?2.1.1设计原始数据及设计 表,2,1,主轴设计原始参数 电流 相数 旋向 功率 频率 电压 转速 从轴伸端看顺 19A 3 600HZ 350 36000RPM 8.5 Kw 时针 由于电主轴是高速运转的部件所以设计要满足如下要求: mm(1)使砂轮主轴旋转精度不大于0.002，端面跳动量不大于 mm0.002。(2)所设计的主轴能带动砂轮精确旋转。(3)砂轮主轴合理的安装在磨床规定的空间位置。 其次砂轮轴系必须满足机床的性能要求，适应工作条件，性能可靠，此外还应适应结构简单，尺寸紧凑，成本低，效率高和操作维护方便以及具有良好的结构工艺性。 ?2.1.2初定轴上零件的装配方案 轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。所谓的装配方案，就是轴上主要零件的装配方向，顺序和相互关系。电主轴轴上主要零件是转子平衡块以及轴承。考虑它们之间安装顺序根据实际的情况可以是两端轴承固定支承，轴上从左向右依次装上平衡块，定子，平衡块。具体的装配方案如下图: 装轴承 后端前端 图2-1 轴上零件的装配 7 河南科技大学毕业设计,论文， ?2.1.3轴上零件的定位 两端分别用轴承盖加以定位，轴上的轴承采用过盈连接防止径向转动， 轴向用轴肩加以固定，定子用过盈连接固定。具体过盈量一方面可以查阅相 关的 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 ，另一方面可以参考相关的设计。 ?2.1.4主轴主要尺寸的确定 主轴主要参数有:主轴前后支撑直径D和D，主轴前段伸长量a和主12轴支撑跨度L，这些参数直接影响着主轴的旋转精度和刚度。 (1)主轴轴径的确定 轴的直径可用下面公式进行粗估计算: P9550000Tn,,,,,,, (2-1) T3W0.2dT MP,式中:——扭转切应力，单位为; aT T ——轴所受的扭矩，单位为; Nmm, 3W ——轴的抗扭截面系数，单位为mm; T n ——轴的转速，单位为r/min; P ——轴传递的功率，单位为; Kw d——计算截面处轴的直径，单位为mm; MP,,, ——许用扭转应力，单位为; aT A,,,轴常用的几种材料的及值见表(2-2): 0T 表(2,2)轴的材料比较 Q275,35 20Cr,35SiMn Q235-A,20 45 轴的材料 (1Cr18Ni9Ti) 38SiMnMo,3Cr13 ,,MP,/ 15~25 20,35 25,45 35,55 aT A 149,126 135,112 126,103 112,97 0 由上式可得轴的直径 9550000P9550000PP33,,,Ad.330 ,,0.2.n0.2nn,,,,TT 3式中，查上表。 ,,A,9550000/0.2,T0 8 河南科技大学毕业设计,论文， 对于电主轴由于其高速运转，所以要求所用材料具有良好的耐磨性。又由于其工作时有较大的力,所以要求内部要有一定的韧性。在此次设计中轴的 A材料选用20Cr查表的,110，由原始条件的功率为P=8.5KW,转速为0 36000RPM代入上述公式 (2-1)得: 8.53d,，,1106.8mm 36000 考虑到实际工作条件和可靠性的要求在此设计中取轴的最小直径为30mm。 对于前端由于是空心轴所以利用公式: P3 d,A04，，n1,, d1d式中,,，即空心轴的内径与外径的比值，通常取,,0.5~0.6。 d1d 8.53代入式的 dmm,，,1107.1436000*(10.6), 考虑实际的情况，在本设计中前端的轴径取30mm。根据电主轴的实际情况，其极限转速比较高，而且同时有轴向载荷和径向载荷的作用所以在本次设计中所选用的轴承是角接触球轴承。对于磨床，有经验所得，前后轴承 mm一般选择一样，所以前后端的直径均设为30,选择的轴承的类型为B7006C/HQ1P4。 图2-2 轴承的示意图 9 河南科技大学毕业设计,论文， 表(2,3)轴承参数 D D B a 轴承代号 额定载荷极限转速(r/min) Cr(KN) 脂 油 B7006C/HQ1P4 30 55 13 9.1 15? 37000 55000 轴的极限转速一般为轴承极限转速的80,左右，从上表可以看出，轴的极限转速为55000×80,,44000 r/min。 为了提高其运转时的精度采用双联轴承配置。查机械设计手册可得轴承的基本尺寸。从而得出与轴承配合轴段的长度。对于后端轴承轴向定位一端 mm用轴承盖，一端用轴肩定位，轴肩的高度取h=3，得与转子配合得轴段得 mm直径为36mm。对于这段轴的左端动平衡块与轴肩之间留出1的热变形余 mm量，为了对平衡快进行轴向的定位，左端的轴肩高度h,3，此时轴肩的 mm直径为42。接着要装左端的轴承，为了拆卸的方便可在设定一个轴肩段， mmmm此轴肩段的高度h,3。所以此轴段的直径为36。前端轴承的左端用螺母定位。轴向零件的圆角和倒角尺寸可见零件图。 在实际中电主轴的受力是很小的，而且设计时考虑较大的安全系数，所以对于轴的强度校核可以不进行。 (2)主轴前段悬身量的选择 a主轴前段悬身量是指主轴定位基面至前支撑径向支反力作用点之间的 a距离。悬身量决定于主轴端部的结构形式和尺寸，在满足结构尺寸的要求 a的前提下，应尽量减少悬身量，提高主轴刚度，初步确定是可设a=D=30mm。 1 (3)主轴支撑跨度L的选择 主轴的支撑跨度是指两支撑支反力作用点之间的距离，是影响主轴组件刚度的重要参数。 主轴组件刚度主要取决于主轴自身的刚度和主轴支撑的刚度。主轴自己的刚度与支承跨度成反比，，即主轴轴径，悬身量确定以后，跨距越大，主轴端部变形越大，主轴弹性变形引起的主轴端部变形，则随着跨度的增大而减小，跨度越大，轴承刚度对主轴的影响越小。 10 河南科技大学毕业设计,论文， 根据叠加原理，主轴最大变形量是在刚性支承上弹性主轴引起的主轴端部, ,,变形和主轴弹性支承引起的端部变形的代数和，力学模型如下: 12 (a) (b) (c) 图2-3主轴的弯矩图 图中(a)所示为弹性主轴在在刚性支承上的简图，有材料力学知识可知: ,当端部受力为F时，主轴的端部变形为，则: 1 2Fa,,，()La (2-2) 13EI 图b，c所示为弹性支承刚性主轴受力简图，R，R为前后支承的支反力，AB ,,K，K为前后支承的刚度，它们的变形量分别为，，则: AB2122RRFaFaAB,,,，,,,(1) 2221KKLKKLBAAB 11 河南科技大学毕业设计,论文， ,刚性主轴支承引起的变形为: 2 2aaFaFa2 ,,,,，，,，，(1)(1)221222LLKLKLAB 主轴端部总挠度为: 2，，FaFaaK22A ,,,()(1)(),，,，，，，La12,,3EIKLKLAB，， 32，，KFaLFaa2A即: ,(1)(1)1,，，，，，,,23EIaKKLLAB，， 主轴组件在结构设计中的最佳跨距的合理计算确定会对主轴的性能产生很大影响，因此准确的计算最佳跨距是主轴组件设计中的一个相当重要的问题。目前国内外对主轴最佳跨距的传统计算方法主要采用的是图解法，这种方法存在计算精度低，而且受到计算线图中有关数值范围的限制等缺点。这里提出一种计算机床主轴最佳跨距的新方法，即通过引人相关参数和变量，建立新的计算关系式，再利用平方根迭代法使之达到所需的计算精度，最后根据建立的相关参数与主轴最佳跨距的关系式求出主轴最佳跨距。 可以证明，式(3.3-8)这个三次方程只存在唯一的正实根，但求解此方程非常麻烦，因此传统的计算方法就是采用图解法近似求出最佳跨距L。现在采0用一种新的方法求解，首先令: K6EI6EIAm,n,，(1) aKKKAAB 3LmLnmn,,,,,0(0,0)则式(2-4) 变为 00 L0再引入一个相关变量: J,3 3即: L,Jnn0 1,32将式(2-6)代入(2-5)整理后得: JJmn,,,10 1,33令: 则式(2-7)变为: JPJ,,,10 Pmn, 1()Ji，1J1,,,因为: 23JJJi2 12 河南科技大学毕业设计,论文， J11i，1,,, 由式(2-8)可知:当P>0时，J恒大于1，所以，故迭3JJ22i代式(2-9)是收敛的，且当P值越大，J值越大。这样可以根据平方根迭代 JP,，1(/3)公式(3.3-14)令迭代初值,进而推到出二次迭代的公式为 0 3 JP,，1 3，P 三次迭代公式为: 3，PJP,， 22PP，，33 依次类推可推到出迭代四次、五次等的计算公式，一般迭代三次即可满足要求，然后将迭代结果代入式(2-6)即可求出最佳跨距L。 本设计中: 98,6EI62101012.5610，，，，,2 m2.118610,,,，,36aK301024910，，，1 98,6EI62101012.5610K，，，，,32 n(1)(11)1.2710,，,，，,，6KK24910，11 22,,33 pmn,,，,，，,,2.11861021.271031.8066，， 331.8066，，pJp,，,，,1.80661.489 222pp，，，，，331.806631.80663 3,33LJn,,，，,1.4891.2710161.24mm 2 由于轴上零件的分布，初设L=180mm轴上其他尺寸，在零件图中将会看到。 ?2.1.5主轴临界转速的校核 P 查机械设计手册得，主轴的临界转速公式: 1935, EI ,,946(1,2,3),nkcrkk3wL00 13 河南科技大学毕业设计,论文， L180在所设计的结构中,,,, 0.67L2700 P查机械设计手册表19.5-3取。又知: ,,13.7061935, 334Lmm,270，，。 EPa,，21010MImm,，1.256100 根据轴的结构得: 2222,,,,,,，，，，，，，，28383037362425，，，,,4444,3,, w,，，，,7.8109.820.42N0222,,，，，，，，3613330522010,,,，，，,,,,444 所以轴的临界转速为: EI210103125.6103，，， ,n,,，,94694613.706105034.7crkk33wL20.42(270)，00 nn,,,360000.7578776.02因为轴的转速所以不会产生剧烈震动而破0crk 环机器的正常运转。 ?2.2壳体的设计 在此设计中前端的轴半径为15mm，而机床设计要求的电主轴外径要求 mmmmmm为106。选用的轴承类型为B7006C/HQ1P4其D为55,d为30，(D-d) mmmm/2=12.5;这样留给剩余部分的厚度为53,12.5,15,25.5;从结构设计可以看出在轴承上方要布置进油孔以及隔水套，轴承的外套的最薄处厚度是mm3，因此轴承外套是一个薄壁零件，为了保证其具有足够的刚度壳体的厚 mm度应该远远大于3，另一方面为保证外壳的刚度在此设计中外部套体的厚 mm度设计为15。可以满足其要求。 14 河南科技大学毕业设计,论文， 第3章 电主轴结构设计及分析 ?3.1 电主轴的性能参数与整体结构 电主轴的性能参数表,3-1) 参数 设计 轴向预轴向静刚轴向窜动 基础油 噪声 名称 转速 紧力 度 量 36000 (A) >50 数值或要 205N <80 dB <1.5 (μm) 10#抗磨油 r/min (N/μm) 求 参数 设计 润滑 冷却 径向 主轴内孔主轴端面 名称 功率 方式 水流量 静刚度 跳动量 跳动量 >85 (N/ 数值或要 8.5 kW >4 (l/min) < 2 (μm) < 2 (μm) 油,雾 m) 求 表(3-1)列出了拟开发的 MD150W36/8.5型高速磨削用电主轴的各项性能参数。 电主轴的机械结构并不算复杂，但由于其应用于高速精密加工，故对其高速工况的运转精度有很高的要求，相应地对制造工艺要求也比较严格，另外，设计中还必须考虑内置电动机散热、 高速主轴的动平衡、主轴支承方式、轴承预紧方式及轴承润滑等技术难题。 ?3.2 电主轴结构设计与分析 如图3-1所示:(件1)为砂轮接头，其主要的作用是连接磨削工具砂轮。最左端的保护盖(件3)为保护件，以防灰尘进入轴承内部。因为电主轴轴承为高精密件，电主轴装配车间对空气的洁净度是有一定要求的，灰尘的存在会影响轴承的寿命。曲路密封盖(件2)拧紧在转轴上，与密封盖之间形成迷宫密封，也是为了保持主轴轴承内部洁净。主前支承是一对串联的角接触混合陶瓷球轴承，夹在两个轴承之间的环状零件是隔套，隔套上有喷嘴， 15 河南科技大学毕业设计,论文， 在喷嘴的两个侧面上开有6个沿周向均布的小孔，向其两侧的轴承喷射油气。后轴承预紧时，其轴承内圈对转轴施加向右的拉力，通过旋在转轴左端的曲路密封盖(件 2)将拉力传递到前轴承 图3-1 电主轴结构示意图 的内圈上，而前轴承外圈沿轴向是固定的，因此，前轴承也受到了与后轴承同样大小的预紧力。件(5)为防水套，循环水沿冷却水套外壁流动以冷却电 9)是堵头，其机。件(6)为隔水套，其主要作用是将水与零件隔离。件( 主要作用是把水路和油路分别隔开，形成回路。件(10)为平衡块，其主要是通过在其上钻孔使轴达到动平衡，保证其旋转的精度。件(11)和件(12)是转子和定子，其主要是形成轴的转动。件(14)是定子防水套，其主要作用是防止水进入定子，引起短路。件(16)是弹簧，其主要作用是形成合适的预紧力。拧紧螺母时，由于弹簧座固定在套筒上，不能移动，所以会将弹簧垫沿轴向向右拉紧。弹簧垫的侧面被六根弹簧支撑住，以抵抗轴向拉力。弹簧垫与后轴承室由螺栓刚性联接，因此，弹簧垫会拉动后轴承室向右移动,从而实现对后轴承的预紧。同时拉动壳体向右运动，拉动前轴承实现对前轴承的预紧。进而实现双向预紧。螺母压紧形成的预紧力作用在轴承外圈上，实现了后轴承的预紧。另外，滚动导套可以使转轴热伸长时能够向右端膨胀，使热伸长量不会影响加工精度。由于保证加工精度的需要，应保证后轴室能够在轴向移动，但高速转轴同时要求轴承在径向有较高的刚度，轴承、轴承座及外套之间均不能有间隙，加上滚动导套可以在过盈配合下实现移动。件(22)和件(27)分别为油管和水管接头，其主要作用是连接油管和水管。 16 河南科技大学毕业设计,论文， ?3.3 电主轴设计制造的几个关键技术问题 (,)电主轴的热稳定性分析 电主轴的内部热源有两个，一个是内置电机，另一个是主轴轴承。电主轴将电机集成于主轴内部，无疑在其内部增加了一个热源。电机的发热主要有定子绕组的铜耗及转子绕组的铁损发热，其中定子绕组的发热约占电机发热总量的三分之二以上。另外电机转子在主轴内部的高速搅动，使内腔中的空气也会发热，这些热源产生的热量主要通过主轴壳体和主轴向外散发。而内置电机的两边就是主轴轴承，电机的发热会直接影响轴承的润滑效果，热量积累过多时，甚至会烧坏电机。另一方面，电机的发热会使主轴伸长，影响加工精度。许多精密机床在开始加工前，要空运转一段时间，目的是让机床主轴达到热平衡，然后才开始加工，以免主轴的热膨胀影响加工精度。因此，在设计中，必须要设置良好的电机冷却系统。 本设计采用了外循环水冷却系统，在主轴外设有冷却水箱和冷却水循环泵，在内置电机定子的外面加一铝质的外套，外套的外壁开有螺旋槽。电主轴工作时，循环水泵连续地将冷却水压入电主轴内，在螺旋槽流动，并形成循环，将电机产生的热量带到电主轴外，达到冷却电 机的目的。电主轴的轴承也是主轴内部主要热源之一。由于电主轴的转速很高dm?n值大，滚珠与滚道之间的相对滑动速度很大,摩擦发热非常严重。另外，高转速导致很高的离心力，因此，更加剧了摩擦生热。 实际调查表明，轴承温度过高是导致轴承失效的最主要原因。因此，电主轴的开发应充分考虑电主轴的散热问题。轴承的散热主要是通过油,气润滑方式来实现的。压缩空气携带着小油滴被连续地喷入轴承，油滴起到润滑的作用，大部分压缩空气经回气管流出，部分压缩空气从轴端的间隙中溢散出来，同时带走轴承产生的热量。通过改变压缩空气的压力及流量，可调节冷却效果。 (,)在很高的转速下，主轴运转部分微小的不平衡量都会引起巨大的离心力，造成主轴的振动，影响加工精度和表面质量。因此，在设计及制造工艺上都应尽可能减小不平衡质量。对于高速电主轴，动平衡精度一般应达 17 河南科技大学毕业设计,论文， 到 G01,G0.4(，e 为质量中心与回转中心之间的距离，ω为转轴的G=e, 角速度)级。本设计确定的动平衡精度为 G0.4 级。 为达到动平衡精度要求，首先要在设计上尽量使各转动件实现自身的平衡，其次轴上各转动件包括加工时轴端安装的砂轮在安装前都要分别进行各自的动平衡，装配完毕后再进行整体动平衡。在设计电主轴时，必须严格遵守结构对称原则，轴上的运转部件与轴之间应避免采用键联接的形式。电主轴结构中与主轴连接的最主要的转动部件是内置电机的转子。该转子与主轴之间以过盈配合来传递扭矩，其过盈量按最大扭矩计算，并同时考虑转速对转子产生的离心力作用，因为离心力较大时，使转子本体有径向膨胀的趋势，会抵消部分过盈量。另外，配合面的粗糙度也是计算过盈量所必须考虑的。在转子与主轴装配前，转子硅钢片的外径应预留一定的加工余量，用热压法装配完毕后，再对转子外径进行精车，以减小偏心质量。在电机转子的两个端盖上对称地加工出16个小螺纹孔，根据动平衡机的测试结果，在螺纹孔内旋入螺钉，并调节至适宜深度，达到完全动平衡后，再用环氧树脂将平衡螺钉固化。 (,) 轴承类型、润滑方式及轴向预紧 用于高速电主轴的轴承类型主要有角接触混合陶瓷球轴承、磁悬浮轴承、动静压轴承等，其 优缺点在绪论中已经论述。本设计采用角接触混合陶瓷球轴承，而不采用常规的全钢轴承。在第三章中对陶瓷球与钢球轴承进行了全面对比分析，从理论上证实了选用陶瓷球轴承的合理性和优越性。润滑方式选用油雾润滑，究竟如何选取油雾润滑参数(包括空气压力、空气流量、润滑油量、润滑油粘度、添加剂种类 及添加比例等)才能达到最佳润滑及冷却效果，国内还没有积累比较成熟的经验，相关的设计多以定性分析油雾润滑的优越性及使用效果为主，很少涉及技术参数的选取。但是，在电主轴的应用中，普遍采用的是油雾润滑。 针对油雾润滑参数如何选择的问题，本研究课题拟采用参考对比来确定。为了提高轴承的刚度，抑制振动及高速回转时滚珠公转和自转的滑动，提高轴的回转精度，应用在主轴中的角接触滚动轴承均需预紧。预紧的方式主要有恒位置预紧和恒力预紧。恒位置预紧是将轴承内外圈在轴向固定，以初始预紧量确定其相对位置，高速运转时不能自动调节预紧量。但随着转速的升高，轴承本身的热膨胀、离心力的作用及轴承座的变 形等因素的影响，会使 18 河南科技大学毕业设计,论文， 轴承的预紧力急剧增加，将严重影响轴承寿命。 在高速运转时，轴承内圈会沿预紧力的反方向移动。在恒位置预紧时，这无疑会导致轴承预紧力的增加。但恒位置预紧方式具有较高的刚度，在较低转速的主轴上，仍得到广泛应用，但在高速电主轴中，则应采取恒力预紧的方式。恒力预紧是一种利用弹簧或者液压系统对轴承施加轴向力从而实现预紧的一种方式。在高速运转中，弹簧或液压系统能吸收导致轴承预紧力增加的过盈量，可以保证轴承预紧力的恒定。但是，由于弹簧或液压系统的轴向变形，会导致主轴的轴向刚度降低，尤其在低速重载时，会导致运转精度及表面质量下降。但高速磨削一般载荷不大，由磨削力所引起的预紧结构的轴向变形较小，又由于液压系统较复杂，成本较高，因此，本设计采用弹簧预紧。通过调节压紧弹簧的螺母来改变预紧力的大小。预紧力先暂定为250N，具体多大预紧力为最佳，只能以刚度要求和温升限制来确定。 电主轴其轴承平均寿命3000小时以上。临界转速尤其是第一阶临界转速是高速主轴的一个重要参数，一般主轴的最高工作转速不能超 过其第一阶临界转速的70%。本课题所开发的电主轴，最高转速为36000r/min，则其第一阶临界转速应在70000r/min 以上。影响临界转速的因素是很多的，如转轴的结构、轴承及轴承座的刚度、轴承的布置形式、端部刀具(砂轮)参数等。要优化电主轴的结构，提高其临界转速，应建立高速主轴临界转速计算的物理及数学模型，综合分析各参数对临界转速的影响能力。上述的各影响因素中，轴承的支承刚度分析是一个难点，但却是研究主轴动态性能的必要条件，目前还没有成熟的分析方法，也没有定量研究的结论可供参考，所以只能靠经验所得～ 19 河南科技大学毕业设计,论文， 第4章 高速角接触陶瓷球轴承分析 随着工程技术的发展，以 Si3N4为材料的角接触陶瓷轴承正日益广泛地被用作超高速加工主轴、航空发动机、精密机械马达及高速透平机等转动件的支承轴承。Si3N4材料许多性能明显优于轴承钢，更适合用作轴承材料。由于制造工艺的难度及经济方面的考虑，以滚珠材料为陶瓷、内外圈材料仍为轴承钢的混合陶瓷轴承的应用更为普遍。本研究中的高速电主轴的轴承即选用混合陶瓷球轴承。 表(4,1)轴材料承比较 性能指密度/线膨胀系数弹性模量硬度抗弯强度冲击韧性 /(GPa) /(HV10) /(MPa) /(MN?m) 标 (Kg/m3) /(?)-1 Si3N4 3240 3.2×10-6 314 1600 700 70.26 陶瓷 7.85 12.5×10-6 206 700 2500 200.30 轴承钢 热导率极限工作温 泊松比 磁性 绝缘性 耐腐蚀性 /[W/(m?K)] 度/(?) Si3N4 32 1080 不导磁 不导电 好 陶瓷 40 120 轴承钢 导磁 导电 导电 表中列出了Si3N4陶瓷与轴承钢各性能指标的对比情况。Si3N4材料的密度只有钢的41%，在高速运转时可大幅降低钢球受到的离心力，从而减小滚珠对轴承外圈的压力，利于实现高速性能;Si3N4 陶瓷的热膨胀系数只有轴承钢的1/4，许用工作温度达1000?，即使在较大温度变化范围内，滚道间隙的变化也很小，特别适用于高速发热转子及航天器的大温差操作条件;陶瓷的弹性模量是轴承钢的1.5倍，硬度是轴承钢的2倍多，相同负荷下，陶瓷球的变形较小，因而可显著提高轴承的刚度，从而提高转子,轴承系统的动态性能，所以本设计选择高速角接触混合陶瓷轴承。 20 河南科技大学毕业设计,论文， 第5章 轴承系统的计算 ?5.1 概述 超高速加工是机械制造业近年发展起来的一项高新技术，而电主轴是高速加工机床的核心功能部件，它正向着高速化方向发展。因此，研究分析电主轴的动态性能变得越来越重要，而临界转速特性，尤其是一阶临界转速特性，是电主轴动态性能的一个重要指标，分析计算临界转速是电主轴动态设计的一个重要环节。影响电主轴临界转速的因素很多，轴承的径向刚度、轴向预紧力与刀具组件参数的变化均会不同程度地引起电主轴临界转速的变化。在高速工况下，轴承的径向刚度随转速的升高呈非线性变化，不能简单地将轴承刚度按常数处理,围绕高速主轴的动态特性问题，国外学者早已开展研究。国内学者的相关研究工作则较少，在部分问题所得出的结论甚至相互矛盾。对于提高预紧力可提高轴承刚度，进而能提高转子的临界转速，有关研究国内外学者也已做了不少工作，所采用的方法多为实验测定或近似的数值计算。 ?5.2 轴承径向刚度的计算 B7006C/HQ1P4型角接触陶瓷球轴承与同规格钢制滚动轴承的径向刚度在不同轴向预紧力下随转速的升高而变化的情况。轴承径向刚度随转速的升高而非线性变化，总的变化趋势为先下降后上升。在 75000r/min 以下，陶瓷球轴承的刚度下降趋势比钢球轴承要缓慢， 转速与轴向预紧力对轴承径向刚度的影响即陶瓷球轴承的径向刚度性能优于钢球轴承。当转速高于某一临界值时，轴承径向刚度的变化趋势 将由下降转为上升。对于钢球轴承，径向刚度相对转速的变化由下降变为上升的临界点在 25000r/min 左右，而陶瓷球轴承则在 100000r/min 以上。另外，预紧力的增加可明显提高轴承径向刚度，在较低转速时效果尤为明显。在轴向预紧力205N，转速由 0 升至 21 河南科技大学毕业设计,论文， 36000r/min 时，陶瓷球轴承的径向刚度由 1.38×108N/m 降至 0.84×108N/m，降幅达39%，当转速增至 100000r/min 时，对应径向刚度为 0.46×108N/m，降幅为67%。由此可知，在研究高速主轴的临界转速时，必须计及转速对轴承径向刚度的影响，而不能按静态时的常量处理。 ?5.3 轴向预紧力 合适的预紧可以增加轴承的刚度，提高旋转精度，降低振动噪声，延长使用寿命。机床主轴用角接触轴承，由于常常处于高速轻载状态，适当的预紧可以防止轴承高速旋转时钢球发生公转打滑及陀螺旋转现象，减小钢球的自旋滑动。从而减少轴承内部的摩擦和发热，延长轴承的使用寿命。 图5-1 定位预紧 图5-2 定压预紧 如图所示角接触轴承常用的预紧方式有定压预紧和定位预紧定位预紧是通过预选定的内外圈隔套或垫圈使组配轴承内圈之间和外圈之间处于，某一固定的位置，从而使轴承获得合适的预紧。定位预紧的轴承在使用过程中，其相对位置是不会改变的，由于工作温度的变化会引起轴及轴承座的尺寸以及组配轴承间的定位部件尺寸发生变化，因此，直接影响到轴承预紧力的变化。 定压预紧是利用螺旋弹簧，碟形弹簧等预紧装置，使轴承得到合适的预紧。由于弹簧的刚性一般比轴承的刚性小的多，因此，定压预紧轴承其相对位置在使用过程中会随转速及外载的变化而有所改变。但是预紧力的大小是由预紧装置本身决定的，所以，其值基本不变，并且也不受工作温度的影响。 22 河南科技大学毕业设计,论文， 预紧的方法和预紧力大小的选择对预紧的效果影响很大。对机床主轴轴承来说，当要求高刚度时宜采用定位预紧;而当轴承处于高速运转状态时，为防止或减小滚动体的公转打滑以及陀螺运动时轴承应采用合适的定压预紧。就本设计而言对于高速电主轴应采用定压预紧。 预紧力的确定可以根据赫兹弹性接触理论，点接触球轴承在外部轴向载 F荷的作用下的轴向变形,a由下式计算: a 23 (5,1) &F,caa 式中c---由轴承材料,类型,结构和尺寸等决定的常量 单套角接触球轴承可以承受径向的一个方向的轴向载荷,在径向载荷作用的下,轴承内部产生一个沿轴向方向作用的分力,必须有另一相对的外力来平衡.另外,为提高主轴系统的支承刚度,机床主轴轴承通常采用双联,三联,甚至更多联组配使用。 本研究设计的使用双联轴承。 预紧力的计算: 轴承在安装时，有轻中重三种预紧方式，由于内径与轴和外径与轴承座紧配合，使轴承产生变形实际上达到预紧载荷比下表中的预载荷数值高。钢质轴和钢质或铸铁轴承座(配合公差分别为js4和js5)，安装的预载荷可以按下式计算: GG,fff (5,2) m12A,B,C Gf式中::安装轴承的预载荷,f: 轴承系数, :接触角修正系数。 m1 :预载荷修整系数，轴承系数见图5-3， f2 图5-3 轴承系数 23 河南科技大学毕业设计,论文， 表(5,1)轴承预载荷 f f轴承系列 预载荷级别 21 A B C 719AC 1 0.92 1 1.08 719C 1.1 0.92 1 1.08 70AC 1 0.92 1 1.08 70C 1.07 0.92 1 1.08 72AC 1 0.92 1 1.08 72C 1.07 0.92 1 10.8 A,B,C:表示载荷的类型，A表示轻预紧;B表示中预紧:C表示重预紧。 在此设计中我们选用的轴承为B7005C/PC和B7006C/PC双联配置， 从表中查的: fff=1.3 =1.07 =0.92 12 选用中预紧双联背靠背配置 GG,fff=100×1.3×1.07×0.92×2×0.8,205N m12A,B,C ?5.4 圆柱弹簧压缩(拉伸)弹簧的设计 根据实际的使用情况及对比各种弹簧材料选用硅锰弹簧钢。弹簧设计中，旋绕比(或称弹簧指数)C是最重要的参数之一。 C=D/d，弹簧指数愈小，2 其刚度愈大，弹簧愈硬，弹簧内外侧的应力相差愈大，材料利用率低;反之弹簧愈软。常用弹簧指数的选取参见表(7)。 表(5,2)弹簧直径参数 弹簧丝直径d(mm) 0.2,0.4 0.5,1 1.1,2.2 2.5,6 7,16 18,40 C 7,14 5,12 5,10 4,10 4,8 4,6 通常选取C约等于5,8(极限状态时不小于4或不超过16)，本设计取 ，并按下式 C6, 410.6154610.615C,，, K1.253,，,，,444646CC,，, 24 河南科技大学毕业设计,论文， 算出曲度系数K的值。 根据安装空间初设弹簧中径D，根据C值估取弹簧丝直径d，并由查机械设计教材表16,2其许用应力为640MPa。弹簧则预紧力约为205N. 在此 '设计中选用6根弹簧，即每根弹簧的预紧力34.2N.试计算弹簧丝直径，由d机械设计教材式(16,3) 8CF 可得: ,,K,,2πd FKC34.21.2536，，max, dmm,,,,1.61.61.0116,64010，,, 而查机械设计手册，得弹簧的有效圈数n的公式为 GD+ff，，220 (5,3) n,48FC2 9ff而式中G为弹性模量，值为，为弹簧的最小变形量为0mm，G8010,，20 F为弹簧最大变形量为10mm, 为弹簧预紧力。代入数据算的。 n,13.52 H其中d为弹簧丝的直径，D为弹簧的中径，n为有效的圈数，为自由高度。 0弹簧总圈数与其工作圈数间的关系为: n=n+1.5~215~15.5,，，0 在此设计中取得总圈数为15圈。 圆柱弹簧受载后的轴向变形量 式中n为弹簧的有效圈数;G为弹簧的切变模量。一般情况下切变模量G为 4mm8×10 MPa。当正常工作时F=34.2N，其变形量为,10。在设计中考虑, Fmax44.5N,,mmmm其它情况留了3的压缩余量即,13。由此算的。 max 这弹簧节距t一般按下式取: 25 河南科技大学毕业设计,论文， 式中:λmax --- 弹簧的最大变形量; Δ --- 最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于0.1d，在此取 。 ,,0.3d mm。 代入数据算得:t=2 弹簧钢丝间距: δ=t-d=1mm 弹簧的自由长度: H=n?δ+(n0-0.5)d=28mm 在查机械设计教材表(5,3)所给的标准尺寸系列见下表: 表,5,3,弹簧参数 H d D n 参数 0 1.0mm 6mm 28mm 数值 13.5圈 本设计所用的弹簧为压缩弹簧，对于压缩弹簧的长度较大时，受载后容易发生图a)所示的失稳现象所以还应进行稳定性的验算。 图5-4 稳定性实验 为了便于制造和避免失稳现象出现，通常建议弹簧的长径比b=H/D按下0列情况取为: 弹簧两端均为回转端时，b?2.6;弹簧两端均为固定端时，b?5.3 ;弹簧两端一端固定而另一端回转时，b?3.7。 H280本设计中弹簧长径比为: b,,,,4.663.7d6 26 河南科技大学毕业设计,论文， F所以要进行稳定性计算，并限制弹簧载荷F小于失稳时的临界载荷。cr F一般取F=/(2,2.5)，其中临界载荷可按下式计算: cr F,CkH (5-4) crB0 C图(5-5)不稳定系数 B C式中，为不稳定系数，由上图查取。 B FF44.5N,C0.28,,查图得而， ,,K3420maxBF, ,3FCKH0.283420281026.8F44.5N,,，，，,,, crBF0max FFFF>，应重新选择有关参数，改变b值，提高的大小，使其大于crcrmax之值，以保证弹簧的稳定性。但是受结构限制而不能改变参数时，就应该加装图b)、c)所示的导杆或导套，以免弹簧受载时产生侧向弯曲。 导杆或导套与弹簧间的间隙按下表选取。 表(5-4)弹簧间隙参数 中径>120~ ,5>5~10 >10~18 >18~30 >30~50 >50~80 >80~120 D/mm 150 间隙 0.6 1 2 3 4 5 6 7 c/mm 所以取导套与弹簧间隙为1mm。 27 河南科技大学毕业设计,论文， 第6章 高速电主轴的装配问题 ?6.1 概述 电主轴是一个高速运转的部件，其不仅各个零件的精度有很高的要求而且对各个零件的安装要求也很高。如果安装精度不好可能会造成电主轴工作时的振动，进而影响了加工的精度，造成零件的损坏。因此对电主轴的装配问题的研究是十分必要的。 ?6.2装配方法 1)清洗全部主轴零件，并晾干。 2)刮净定子内外径漆皮。清洗，晾干。 3)定子由壳体前大孔装入，引线由壳体后端出线孔穿出。边送装定子，边牵引出线，直至定子组装到位。顶紧侧面顶丝。 4) 定子引线从后大盖穿出。后配合孔涂干干净稀油。对位放正后大盖。壳体上各水，油道均放入相应的“0”形密封圈。推入后大盖，拧紧螺钉。 5) 用兆欧表检测定子对地绝缘。要求大于100M。 , 6) 用干净白绸布擦净壳体前后轴承座孔和转轴。将转轴穿入壳体。用合适的垫块支承转轴后端面，使转轴前轴肩高出壳体前座孔内断面1,2mm。保持转轴与壳体垂直，稳定。 7)用干净油枪向前轴径和大盖座孔壁喷射少量干净稀油。 8)按轴承组合顺序及方向，顺次将前轴承组合压入主轴前端。 9)主轴水平置于工作台上，将转轴与前轴承组合推入座孔，使轴承外圈断面与座孔底部端面贴合。 10)装前小盖，上紧螺钉，前小盖与壳体断面留出0.1,0.3mm缝隙。拧紧后间隙消除。 11)用两脚板上紧前锁紧右旋螺母。 28 河南科技大学毕业设计,论文， 12)将经标定的预紧系统(弹簧用少量润滑脂粘入清洁的后轴承弹簧安放孔没内)，用专用螺钉锁为一体。 13)轴承座组合，滚动导套用专用胎具送入主轴壳体后端安装孔。应保证正常工作时，轴承座后断面与导套端面齐平。由于推送后轴承座时，轴承座的前进速度是导套前进速度的一倍;因此，设计胎具时应注意相关的尺寸链。注意:后轴承座上油雾进气孔应与轴壳油雾通道相对应。 14)主轴垂直倒置于支承上，用干净油枪向后轴承座孔和转轴后轴承挡均匀喷射少量干净稀油，顺次装入后轴承组。轴承内圈靠后轴肩端面。 15)主轴平卧工作台上用专用卡扳锁紧左旋后锁紧螺母。 16)均匀的松开并卸去后轴承座上三条专用于安装的螺钉，使后轴承在预紧弹簧的推动下缓慢后移，直至后轴承座内端面与轴承外圈紧贴。 17)主轴垂直倒立在工作台上，轴端穿入支承座孔内。微调后轴承座油雾进气孔，使之与主轴后端盖上进油嘴对齐。 18)主轴壳体端面上进出水，进油孔口分别加装合适的“0”型密封圈，对位装入后大盖，电机引线由出线孔穿出。上紧螺钉。 19)拧动主轴，手感装配质量。 20)安装防尘罩，接插件。 当然上述的装配方法是经过长期的实践总结出来的一般方法，如果具体当中有其它好的符合实际的方法可以不拘泥于上述操作。 29 河南科技大学毕业设计,论文， 第7章 高速电主轴的润滑 ?7.1概述 电主轴是一个高速运转的部件，因此其磨擦和磨损是一个重要的问题。据估计，世界上在工业方面约有三分之一到二分之一的能量消耗于摩擦过程中。为了替换易损零件，我国每年要用一大批钢材去制作配件，而磨损件又占了其中很大的比例。磨损会表面形状和尺寸遭到缓慢而连续的破坏，使机器的效率及可靠性降低，从而丧失原有的工作性能，最终还可能导致零件的突然破坏。不过人们为了控制摩擦，磨损，提高机器效率，减少能量损失，降低材料消耗，保证机器工作的可靠性，已经找到了一个有效的手段——润滑。 ?7.2各种润滑方式的比较 在摩擦表面间加入润滑剂不仅可以降低摩擦，减轻磨损，保护零件不遭锈蚀，而且在采用循环润滑时还能起到散热降温的作用。由于液体的不可压缩性，润滑油膜还具有缓冲，吸振的能力。使用膏状的润滑脂，既可以防止内部的润滑剂的外泄，又可以阻止外部杂质浸入，避免加剧零件的磨损，起到密封作用。固体润滑剂有较大的阻力，对于高速运转的电主轴一般选用油雾润滑。 油雾是指在高速空气喷射流中悬浮的油颗粒。油雾润滑系统是将由管线引来的干燥压缩空气通入油雾发生器，利用文氏管或涡旋效应，借助压缩空气载体将润滑油雾化成悬浮在高速空气(约6,/s以下，压力约为2.5,5KPa)喷射流中的微细油颗粒，形成干燥油雾，再用润滑点附近的凝缩嘴，使油雾通过节流达到0.1MPa压力，速度提高到40,/s以上(形成的湿油雾直接引向各润滑点表面，形成润滑油膜，而空气则逸出大气中(油雾润滑系统的油雾颗粒尺寸一般为1,3μ,，空气管线压力为0.3,0.5MPa，输送距离一般不 30 河南科技大学毕业设计,论文， 超过30m。 油雾润滑系统中油雾能随压缩空气弥散到所有需要润滑的磨擦部位。可以获得良好而均匀的润滑效果它压缩空气比热小、流速高，很容易带走磨擦所产生的热量大幅度降低了润滑油的耗量，同时较稀油循环润滑系统结构简单轻巧，占地面积小，动力消耗低，维护管理方便，易于实现自动控制，成本低。由于油雾具有一定的压力，因此可以起良好的密封作用，避免了外界的杂质、水分等侵入磨擦副。所以本设计采用油雾润滑。 31 河南科技大学毕业设计,论文， 结 论 电主轴是一个高速运转的部件，它对各部份的要求十分严格，因此在设计中主要从以下几个方面去设计 (1)电主轴长度的确定:运用最佳跨距的设计方法，使电主轴在满足要求的情况下，有最合理的布局，从而节省了材料，提高了电主轴的性能。 (2)在轴承的选择方面，选择高速角接触陶瓷轴承，它因密度小，在高速运转时离心力小，从而有利于提高电主轴的高速性能，它热膨胀系数小，适用于高速，发热量大，温差大的环境，从而保证了加工精度，另外，这类轴承弹性模量和硬度高，所以相同载荷下变形小，因而提高了转子——轴承系统的动态平衡。 (3)在整个装配结构中，采用弹簧预紧，形成可调节的合适的预紧力，并配以滚动导套，当轴有热变形时，轴右移过程中不影响加工精度。 (4)在轴承的装配问题上，采用选配法，将每个轴承的内外径进行测量，根据实测值，将精度高的轴承装再离砂轮近的地方，这样能够减少整个系统的误差，提高机床加工精度。 (5)整个系统采用循环水冷却，使转子轴承——系统的温度不止过高而加大轴的变形从而影响加工精度。 (6)本设计进行了主轴临界转速的校核，有效地防止了轴因出现共振而发生剧烈震动，从而造成加工件的报废。 但是本设计尚有不足的地方，一方面整个系统采用油雾润滑，造成润滑油的浪费以及对空气的污染，使工作环境恶化，另一方面，因为条件的限制，只对热稳定性和动平衡进行了定性的分析，这些方面仍需进一步的完善。 32 河南科技大学毕业设计,论文， 参考文献 [1] 西北工业大学机械原理及机械零件教研组编.濮良贵，纪名刚主编.机械设计 (第七版).北京.高等教育出版社.2000 [2] 现代实用机床设计手册编委会组编.现代实用机床设计手册.北京.机械工业出版社.2006 [3] 机械设计手册编委会组编.徐灏主编.机械设计手册.北京机械工业出版社.1995 [4] 张伯霖，夏红梅，黄晓明. 高速电主轴设计制造中若干问题的探讨[J]. 制造技术与机床.2001 [5]严武升，刘宏. 超高速电主轴的几个问题.机械科学与技术[J]. 1998 [6] 李鹏,张中元,郝玉萍,王萍,方芳.多联角接触球轴承组配中预载荷和变形的分析.轴承.2003 [7] 王昆,何小柏,汪信远主编.机械设计课程设计手册.北京.高等教育出版社.2005 [8] 贾群义编著.滚动轴承的设计原理与应用技术.西安.西北工业大学出版社.1991 [9] 徐嘉元，曾家驹主编.机械制造工艺学.北京.机械工业出版社.2005 [10] 金属切削机床设计编写组.金属切削机床设计.上海.上海科学技术出版社.1984 [11] 甘永立主编.几何量公差与检测.上海.上海科学技术出版社.2005 [12] 李永余.张佳主编.机械制造装备设计.北京.机械工业出版社.2006 [13] 朱冬梅，胥北澜主编.画法几何及机械制图.北京.高等教育出版社 .2003 [14] 曾志新，吕明主编.机械制造技术基础.武汉.武汉理工大学出版社 .2004 [15] 李继庆，陈作模主编.机械设计基础.北京.高等教育出版社.1999 33 河南科技大学毕业设计,论文， ` 致 谢 在本人学习及开展课题研究期间，得到了本学科组许多老师的指导与帮助，尤其是我的指导老师康红艳老师。从他们的言传身教中，我不但学到了丰富的专业知识，而且掌握了科学的思维方法，培养了严谨的研究作风。因此，我首先要向本学科组及其它各位授课老师表示衷心的感谢。 另外，在近四年的学习生活中，与我班的各位同学，尤其是本学科组的同学和睦相处，互相关心，互相帮助，结下的深厚的友谊。值此毕业之际，谨祝他们生活幸福，事业有成。 最后，还要感谢我的母校，为我提供了这样一个学习及科研的环境，使我能够掌握丰富的专业知识，具备了一个本科毕业生应有的素质，并顺利地完成了各科的学习和最后的毕业设计。真诚祝愿母校兴旺发达，名甲天下。 34 河南科技大学毕业设计,论文， 内圆磨床砂轮电主轴的设计 摘要 电主轴是加工机床的核心部件，它的精度直接决定了整个机床的加工精度，因此，开发出一个拥有自主产权的高精密电主轴是机械行业的迫切需求。 针对这一需要，本文从以下几个方面去设计的:在电主轴的结构上运用最佳跨距计算方法，做出轴的最合理的结构;在布局上采用比较流行的内置电机，循环水冷却系统，角接触混合陶瓷球轴承，油雾润滑，弹簧预紧以及滚动滑套的典型形式。结构紧促缩小了主轴系统占用的空间，循环水冷却系统保证了主轴和轴承运转过程中产生的热量很快散出去，油雾润滑在带走轴承产生的热量同时对轴承进行了润滑，滚动导套使轴在温升时的伸长，不影响机床加工精度;在装配上，严格要求各个环节的精度，尤其在轴承的装配上，根据实测值，采用选配法，保证了整个系统的精度;在电主轴的性能分析上，通过定量去分析电主轴的稳定性，定性去分析其动态平衡性和热稳定性; 所设计的电主轴，减少了中间传动环节，因此使机床的结构空间减小，同时它比传统内圆磨床转速更高，能耗更小，且传动更加平稳，因此加工精度更高，在保证加工质量的同时提高了效率。 关键词:电主轴，角接触混合陶瓷球轴承，油雾润滑，选择装配法 i 河南科技大学毕业设计,论文， THE ELECTEIC SPINDLE OF INSIDE GRINGDER WHEEL DESIGN ABSTRACT Electro-spindle is the core component of machine tools ,its accuracy directly determines the machining accuracy of the machine, therefore, developing their own property rights in a high-precision electro-spindle is an urgent demand for machinery industry. In response to this need, this paper contains the following aspects: in the structure of the spindle span, the best use of the method of calculating the shaft to make the most reasonable structure; in the layout , use the more popular of c the built-in motor, cycle water cooling systems, hybrid ceramic angular contact ball bearings, oil mist lubrication, as well as spring preload of the typical form of rolling sleeve. The urgent structure reduce the space occupied by the spindle system. circulating water cooling system to ensure the heat generated by the spindle and bearing scatter out quickly.mist lubrication scatter out the heat generated by the bearings at the same time lubricate the bearings. so that when temperature rise ,the rolling Introduction sets make the elongation of axis do not affect the precision; in the assembly, the strict demands on the accuracy of all aspects, especially in the bearing assembly on the basis of measured values, using selective assembly method, to ensure the accuracy of the whole system ; in capability of analysis of the spindle, through quantitative analysis of the stability of electro-spindle, qualitative analysis of its thermal stability and dynamic balance; The designed Spindle motor reduce the transmission link in the middle, thus reducing the machine tool structure of space, while at the same time than the traditional high speed grinder, a smaller energy consumption, and the drive is ii 河南科技大学毕业设计,论文， more stable, so its machining accuracy is higher, and it improve the quality of machining and processing efficiency. KEY WORDS:electro-spindle， hybrid ceramic angular contact ball bearings， oil mist lubrication， selective assembly method iii