高精度車銑復(fù)合機床電主軸部件設(shè)計

高精度車銑復(fù)合機床電主軸部件設(shè)計,高精度,復(fù)合,機床,主軸,部件,設(shè)計 本科畢業(yè)論文(設(shè)計)開題報告 論 文 題 目：高精度車銑復(fù)合機床電主軸部件設(shè)計學(xué) 院： 專 業(yè) 、 班 級： 學(xué) 生 姓 名： 年 12 月 一、選題依據(jù) 1.論文（設(shè)計）題目 高精度車銑復(fù)合機床電主軸部件設(shè)計。2.研究領(lǐng)域 機床部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 3. 論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值 車銑復(fù)合機床是在一臺機床上實現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工， 減少了工件的裝卸、更換和調(diào)整刀具的輔助時間以及中間過程產(chǎn)生的誤差，所以采用車銑加工技術(shù)不但可以大幅度提高生產(chǎn)效率，而且加工精度和加工表面的完整性都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的車削加工，是一種高金屬去除率的關(guān)鍵先進制造技術(shù)，尤其適合加工加工凸輪軸、曲軸、細長軸及薄壁套等零部件的加工，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，是機械制造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。 作為復(fù)合機床核心零件的主軸部件尤其重要，盲目使用電主軸部件的話，在高轉(zhuǎn)速下，內(nèi)置電機的自然散熱能力差，溫度容易升高，導(dǎo)致電主軸產(chǎn)生的振動、熱量直接影響主軸的運轉(zhuǎn)，大幅降低機床對產(chǎn)品的加工精度，效率和質(zhì)量，軸承的選用和配置不當(dāng)會影響主軸的剛度、轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度，所以機床主軸部件對機床以及機床的效率質(zhì)量都會有很大影響，需要設(shè)計有效的主軸部件結(jié)構(gòu)，保障整臺機床的加工精度和工作性能。 4. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 國外數(shù)控機床研制的時間比較早，1948 年，美國帕森斯設(shè)備生產(chǎn)商根據(jù)美國空軍要求，與麻省理工學(xué)院一起研制，并在 1952 年成功試制出第一臺三坐標(biāo)數(shù)控機床， 在以后的 60 年里，國外各類數(shù)控機床相繼問世；我國對數(shù)控機床的研制起步較晚， 且研制速度較慢，主要集中在 20 世紀 80、90 年代，通過引進了國外先進技術(shù)，解決了數(shù)控車床研究和生產(chǎn)上的難點和重點，在經(jīng)歷改革開放后，我國數(shù)控機床通過自主研究在各個方面都有了長足的進步和發(fā)展。 伴隨著機床的出現(xiàn)，國內(nèi)外對主軸部件的研制也從未停止過，主軸部件已經(jīng)初步成型，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，機床主軸部件從機械式主軸部件發(fā)展到電主軸，而電主軸又稱為內(nèi)置式電機主軸單元（Build-in Motor spindle），就是將高速電機置于機床主軸部件內(nèi)部，通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需的工作速度和扭矩，實現(xiàn)電機、主軸的一體化功能。 隨著多功能復(fù)合數(shù)控技術(shù)的成熟，制造業(yè)對高、精、尖數(shù)控機床的需求在不斷增加，促使越來越多的數(shù)控機床生產(chǎn)企業(yè)去開發(fā)，研制符合個性化、細分化的市場需求的數(shù)控機床，由半自動化向自動化，由單一化向復(fù)合化，由低速化向高速化，由低精度向高精度等幾個方向發(fā)展，車銑復(fù)合數(shù)控機床作為典型的多功能復(fù)合化數(shù)控機床亦是在這樣的趨勢下不斷的自我更新，迅速發(fā)展，不僅規(guī)格齊全，在硬件功能上十分完善，且軟件功能也很強大。 10 雖然車銑復(fù)合加工機床已有許久的發(fā)展歷史，技術(shù)也已經(jīng)成熟而且被國內(nèi)外用戶接受和認可，不過依然有廣闊的發(fā)展前景，它的發(fā)展趨勢如下： （1） 更高的工藝范圍。 （2） 更高的效率。 （3） 大型化。 （4） 結(jié)構(gòu)模塊化和功能可快速重組。 機床性能的提高離不開主軸部件的質(zhì)量性能，電主軸為了迎合機床和產(chǎn)品質(zhì)量等的要求也需要自己的發(fā)展方向，電主軸的發(fā)展趨勢如下： （1） 繼續(xù)向高速度、高剛度方向發(fā)展。 （2） 向高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展。 （3） 進一步向高精度、高可靠性和延長工作壽命方向發(fā)展。 （4） 電主軸內(nèi)置電機性能和形式多樣化。 （5） 向快速啟、停方向發(fā)展。 （6） 軸承及其預(yù)載荷施加方式、潤滑方式多樣化。 （7） 刀具接口逐步趨于 HSK 刀柄技術(shù)。 （8） 向多功能、智能化方向發(fā)展。 總之，車銑復(fù)合加工技術(shù)的先進理念是提高產(chǎn)品質(zhì)量和縮短產(chǎn)品制造周期，因此這些技術(shù)應(yīng)用了廣泛的領(lǐng)域，電主軸作為相應(yīng)的重要部件，也有舉足輕重的地位，但是它們還需要更多的進步，需要更先進的，更高科技的技術(shù)和更創(chuàng)新的發(fā)展。 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1. 重點解決的問題 （1） 車銑復(fù)合機床主軸系統(tǒng)設(shè)計，包括西門子內(nèi)置電機、軸承、主軸尺寸其余軸上零部件，以及控制溫度的冷卻結(jié)構(gòu)。 （2） 車銑復(fù)合機床的主軸系統(tǒng)參數(shù)選擇以及計算和主軸尺寸跨度計算。 2. 擬開展研究的幾個主要方面 （1） 了解電主軸的主要結(jié)構(gòu)和工作要求，初步設(shè)想設(shè)計方案 （2） 設(shè)計電主軸部件：西門子內(nèi)置電機、軸承、軸套、端蓋等零部件，并進行電機、軸承參數(shù)選擇和計算。 （3） 根據(jù)控制溫度設(shè)計電機軸承的循環(huán)水冷氣冷結(jié)構(gòu)，計算其他零部件的尺寸，主軸的尺寸和計算主軸跨度。 （4） 電主軸系統(tǒng)的整體三維設(shè)計、整體裝配圖設(shè)計、主要零部件設(shè)計。 3. 本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果 （1） 一套完整的電主軸系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)的裝配圖及零件圖 （2） 一份完整的高精度車銑復(fù)合機床電主軸系統(tǒng)設(shè)計的說明書 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)） （1） 查閱、整理參考文獻資料 學(xué)習(xí)掌握車銑復(fù)合機床的主要結(jié)構(gòu)和工作特點，了解電主軸系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)和工作要求，選出合適的設(shè)計方案。 （2） 機械畫圖以及選擇計算 主電機的選擇及參數(shù)計算、主軸軸承的選擇及計算、主軸各尺寸的確定及軸承跨度的計算，電主軸三維結(jié)構(gòu)裝配圖、零件圖設(shè)計畫圖 2.論文（設(shè)計）進度計劃 第 1 周 根據(jù)題目查閱車銑復(fù)合機床和電主軸的相關(guān)文獻，了解復(fù)合機床的主要結(jié)構(gòu)和工作特點。 第 2 周 了解車銑復(fù)合機床的發(fā)展概況和未來趨勢，總結(jié)解決的問題，設(shè)計的思路，預(yù)期的成果，主要的研究方法，文獻查閱綜述等內(nèi)容。 第 3 周 修改開題報告和文獻綜述，并查找并確定相關(guān)設(shè)計的外文翻譯。第 4 周 對外文進行翻譯，準(zhǔn)備開題答辯。 第 5 周 了解電主軸系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和功要求，提出設(shè)計方案。 第 6、7 周 對主電機進行選擇和參數(shù)計算，確定主軸軸承及其參數(shù)計算，計算確定主軸的各尺寸和軸承跨度，計算后并進行檢驗校核。 第 8、9、10 周 用各項參數(shù)設(shè)計電主軸部件的三維結(jié)構(gòu)，利用 Solids work 作圖，進行中期檢查，修改指出的錯誤和修改不足。 第 11、12 周 設(shè)計零部件中的控制溫度的結(jié)構(gòu)，內(nèi)置電機和軸承采用螺旋循環(huán)水冷方式 ，主軸箱采用螺旋循環(huán)水冷和氣冷的方式，再用 Solids work 畫出裝配圖和關(guān)鍵零部件的零件圖。 第 13 周 整理設(shè)計資料，編寫設(shè)計說明書，完善設(shè)計說明書，做好答辯的準(zhǔn)備。第 14 周 評閱，答辯。 四、需要閱讀的參考文獻 [1]毛村.基于虛擬樣機技術(shù)的車銑復(fù)合數(shù)控機床設(shè)計[D].成都理工大學(xué),2016. 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Artificial Life and Robotics，2009.（13）：423-427. 附：文獻綜述 文獻綜述 一、車銑復(fù)合加工的發(fā)展與特點 車銑是 20 世紀 80 年代初在西方工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展起來的一種全新的機械加工方 法，1982 年，奧地利林茨機床公司（WFL）開發(fā)出了全世界第一臺車銑加工中心，經(jīng)過將近 30 年的不斷努力，車銑已經(jīng)發(fā)展到可以實現(xiàn)多種加工。隨著 CNC、機床和刀具的發(fā)展，目前許多國內(nèi)外機床廠家都推出了車削機床和車銑加工中心。 車銑加工技術(shù)是以銑刀代替車刀，通過銑刀的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件切削的一種先進加工技術(shù)，按照刀具旋轉(zhuǎn)軸線與工件旋轉(zhuǎn)軸線相對位置不同，車銑加工可主要分為軸向車銑和正交車銑。車銑運動是復(fù)合運動，是利用銑刀旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成運動來實現(xiàn)對工件的車削加工。車銑不是簡單的將車削和銑削兩種加工方法合并在一起，而是利用車銑合成運動來完成各類表面加工。在進行車銑切削時，工件不需要高速轉(zhuǎn)動，主運動是刀具的旋轉(zhuǎn)運動，從而不需要使工件高速旋轉(zhuǎn)就能實現(xiàn)高速切削， 有利于對大型回轉(zhuǎn)體工件進行高速切削，以及實現(xiàn)難加工材料的干式切削。 所以車銑加工是間斷切削加工，根據(jù)它的特點非常適合切削難斷屑材料。車銑加工極易實現(xiàn)高速切削加工，一般車銑加工中心的刀柄接口都是諸如：HSK、CAPTO 等高速加工刀柄，刀具高速旋轉(zhuǎn)，工件低速旋轉(zhuǎn)，因此其切削力比傳統(tǒng)切削加工要小很多。采用車銑加工技術(shù)不但可以大幅度提高生產(chǎn)效率，而且加工精度和加工表面的完整性都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的車削加工，是一種高金屬去除率的關(guān)鍵先進制造技術(shù)，尤其適合加工凸輪軸、曲軸、細長軸及薄壁套等零部件的加工，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，是機械制造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。 二、電主軸的工作特點 機床主軸是機床的重要部件，傳統(tǒng)機床主軸是通過中間的傳動裝置（如皮帶、齒 輪等）帶動主軸旋轉(zhuǎn)工作。而電主軸又稱為內(nèi)置式電機主軸單元（Build-in Motor spindle），就是將高速電機置于機床主軸部件內(nèi)部，通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需的工作速度和扭矩，實現(xiàn)電機、主軸的一體化功能。電主軸及驅(qū)動系統(tǒng)是一種技術(shù)含量很高的機電一體化產(chǎn)品涉及領(lǐng)域非常廣泛，是一套相對獨立完整的功能部件，它具有以下特點： （1） 結(jié)構(gòu)緊湊，機械效率高，噪聲低，熱振動小，精度高。 （2） 運行平穩(wěn)，沒有沖擊，使主軸軸承壽命得到延長。 （3） 易于實現(xiàn)高速化，動態(tài)精度和靜態(tài)精度穩(wěn)定性更好。 （4） 可在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速，以適應(yīng)各種工況和負載變化的要求。 （5） 利用電機矢量控制要求，不僅可以滿足強力切削時大扭矩的要求，還可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的 C 軸定位及傳動功能，適應(yīng)對 C 軸功能有較高要求的車削、鏜削等加工及其它數(shù)控機床的需求。 三、電主軸融合的技術(shù) （1） 高速軸承技術(shù)。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。 （2） 高速電機技術(shù)。電主軸是電機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電機的轉(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機，其關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動平衡。 （3） 潤滑。電主軸潤滑一般采用定時定量的油氣潤滑，也可以采用油脂潤滑， 但其相應(yīng)的速度要大打折扣。定時是指每隔一定的時間間隔注一次油，定量是指通過一個叫做定量閥的器件，精確的控制每次潤滑油的注油量。而油氣潤滑，通常是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。這里。油量控制顯得十分重要，過少，起 不到潤滑作用，過多，又會在軸承高速旋轉(zhuǎn)時因油的阻力而發(fā)熱。 （4） 冷卻。為了盡快給高速運行的電主軸散熱，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。 （5） 內(nèi)置編碼器。為了實現(xiàn)自動換刀以及剛性攻絲，電主軸內(nèi)需要安裝一個脈沖編碼器，以實現(xiàn)準(zhǔn)確的相位控制以及與進給的配合。 （6） 自動換刀裝置。為了適用于加工中心，電主軸配備了能進行自動換刀的裝置，包括蝶形簧、拉刀油缸等 （7） 高速刀具的裝卡方式。廣為熟悉的 BT、ISO 刀具，已被實踐證明不適合于高速加工。在此背景下出現(xiàn)了 HSK、SKI 等高速刀柄。 （8） 高頻變頻裝置。要實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用高頻變頻裝置來驅(qū)動電主軸的內(nèi)置高速電機，變頻器的輸出頻率甚至需要達到幾千赫茲。 四、我國電主軸設(shè)計研究現(xiàn)狀和差距 隨著高速加工技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各個工業(yè)部門特別是宇航和航天、汽 車、模具加工等行業(yè)，對高速度、高精度數(shù)控機床的需求迅猛增長。傳統(tǒng)的滾動軸承主軸結(jié)構(gòu)難以滿足數(shù)控車床的高轉(zhuǎn)速、高精度的要求，美國、德國、日本、瑞士、意大利等工業(yè)發(fā)達國家，都在高速數(shù)控機床上廣泛采用電主軸結(jié)構(gòu)。 我國對電主軸的研究和開發(fā)工作起始比較晚，開發(fā)了一系列的磨床電主軸、鉆小孔用的高速電主軸、小型數(shù)控銑床電主軸和在“九五”期間開發(fā)的功率為 2.5～2.9KW， 扭矩為 4～86N·m 應(yīng)用與數(shù)控車床和加工中心的電主軸，但是國產(chǎn)電主軸和國外產(chǎn)品無論在性能、品種和質(zhì)量都有較大差距，所以目前國內(nèi)的高速度、高精度的數(shù)控機床和加工中心所用的電主軸主要從國外進口，主要存在的差距有以下部分： （1） 國外電主軸低速段的輸出扭矩最大可達 300N·m，而我國目前僅在100N·m以內(nèi)。 （2） 在高轉(zhuǎn)速方面，國外用于加工中心的電主軸已達 7.5×104r/min，我國則多在 1.5×104r/min 以下。 （3） 電主軸的軸承潤滑，國外普遍采用油氣潤滑，我國仍用油脂潤滑。 （4） 其他配套技術(shù)也有較大的差距，如主軸電機矢量控制、交流伺服控制技術(shù)、精確定向技術(shù)、快速啟動和停止等。 （5） 在產(chǎn)品的品質(zhì)、規(guī)格、數(shù)量和制造規(guī)模等方面，仍然處于小量研發(fā)試制階段，沒有形成系列化、專業(yè)化，遠不能滿足國內(nèi)數(shù)控機床和加工中心發(fā)展的需求。 所以我國的電主軸技術(shù)還有很大的提升空間，需要設(shè)計更好的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高速度、高精度的高要求。 五、電主軸的發(fā)展趨勢 隨著機床技術(shù)、高速切削技術(shù)的發(fā)展實際應(yīng)用的需要，對機床電主軸的性能也 提出越來越高的要求，電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在幾個方面： （1） 繼續(xù)向高速度、高剛度方向發(fā)展。由于高速切削和實際應(yīng)用的需要，隨著主軸軸承機器潤滑技術(shù)、精密加工技術(shù)、精密動平衡技術(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)控車床電主軸高速化已成為目前發(fā)展的普遍趨勢，在電主軸的系統(tǒng)剛度方面，由于軸承及其潤滑技術(shù)的發(fā)展，電主軸的系統(tǒng)剛度越來越大，滿足數(shù)控機床高速、高效和精密加工發(fā)展的需要。 （2） 向高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展。根據(jù)實際使用需要，多數(shù)數(shù)控機床需要同時滿足低速粗加工時的重切削、高速切削時精加工的要求，因此，機床電主軸應(yīng)該具備低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率的性能。 （3） 進一步向高精度、高可靠性和延長工作壽命方向發(fā)展。發(fā)展對數(shù)控機床的 精度和可靠性提出越來越高的要求，作為數(shù)控機床核心功能部件之一的電主軸，要求其本身的精度和可靠性隨之越來越高。比如主軸徑向跳動在 0.001mm 以內(nèi)，軸向定位精度在 0.0005mm 以下，同時采用特殊的精密主軸軸承、先進的潤滑方法及特殊的預(yù)負荷施加方式，電主軸的壽命相應(yīng)的得到延長，使其可靠性越來越高。 （4） 電主軸內(nèi)置電機性能和形式多樣化。為了滿足實際應(yīng)用需求，電主軸電機的性能應(yīng)該得到改善，恒功率調(diào)速范圍需要擴大。此外出現(xiàn)了永磁同步電機電主軸， 較其他同功率的異步電機相比，尺寸小，有利于提高功率密度，易于實現(xiàn)小尺寸，大功率。 （5） 向快速啟、停方向發(fā)展。為縮短輔助時間，提高效率，要求數(shù)控機床電主軸的啟、停時間越短越好，目前，國外電主軸的啟、停加速度可達到 1g 以上，全速啟、停時間在 1s 以內(nèi)。 （6） 軸承及其預(yù)載荷施加方式、潤滑方式多樣化。除常規(guī)的鋼制滾動軸承外， 近年來陶瓷球混合軸承得到廣泛應(yīng)用。潤滑方式有油脂、油霧、油氣等，尤其是油氣潤滑方法，具有適應(yīng)高速、環(huán)保節(jié)能的特點，得到廣泛的推廣和應(yīng)用；滾動軸承的預(yù)負荷施加方式除剛性預(yù)負荷、彈性預(yù)負荷之外，又發(fā)展了一種智能預(yù)負荷方式。在非接觸形式軸承支承的電主軸方面，出現(xiàn)了磁浮軸承電主軸、氣浮軸承電主軸、液浮軸承電主軸等產(chǎn)品。 （7） 刀具接口逐步趨于 HSK 刀柄技術(shù)。機床主軸高速化后，由于離心力的作用，傳統(tǒng)的刀柄結(jié)構(gòu)已不能滿足使用的需求，需要采用 HSK 等符合高速要求的刀柄接口形式。HSK 刀柄具有突出的靜態(tài)和動態(tài)聯(lián)接剛性、大的傳遞扭矩能力、高的刀具重復(fù)定位精度和聯(lián)接可靠性，適合在高精度、高速的情況下使用。 （8） 向多功能、智能化方向發(fā)展。在多功能方面，有角向停機精確定位（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、軸向定位精度補償、換刀自動動平衡技術(shù)等。在智能化方面，主要表現(xiàn)在各種安全保護和故障監(jiān)測診斷措施，如換刀連鎖保護、軸承溫度監(jiān)控、電機過載和過熱保護、松刀時軸承卸荷保護、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。 總之，我國數(shù)控機床功能部件和技術(shù)雖然有了很大的發(fā)展，帶動了我國功能部件技術(shù)水平和產(chǎn)品檔次的提高，但遠遠不能滿足國際數(shù)控技術(shù)發(fā)展快速的需求，電主軸及其車銑復(fù)合加工技術(shù)仍存在技術(shù)水平和其他問題，要趕上國際先進水平，我們?nèi)沃氐肋h，還要不斷提高創(chuàng)新設(shè)計開發(fā)的能力。 六、本設(shè)計任務(wù)和主要內(nèi)容 高精度車銑復(fù)合機床電主軸系統(tǒng)設(shè)計，其中車銑復(fù)合電主軸部件采用西門子內(nèi)置 電機，帶 C 軸，電動機及軸承需要冷卻來控制溫度，西門子內(nèi)置電機采用螺旋式水冷以及氣冷，依靠水循環(huán)和空氣流動帶走熱量，軸承的溫度控制依靠外圍軸套的螺旋式水冷來冷卻，主軸轉(zhuǎn)速最高 3500r/min，前端規(guī)格為 A2-11，通孔要達到 e100 以上， 設(shè)計包含的運算有主電機的選擇及參數(shù)計算，主軸軸承的選擇及設(shè)計計算，主軸各尺寸的確定及軸承跨度的計算等。 摘 要 車銑復(fù)合機床是近代工業(yè)發(fā)展的標(biāo)志，基本實現(xiàn)了高速化、高精度、多功能的現(xiàn)代化要求；其中必不可少的也尤為重要的部件就是此次設(shè)計的主要結(jié)構(gòu)電主軸，其精度直接影響機床的加工精度，制造業(yè)為滿足市場需求，必須要開發(fā)研究更先進的、更自動化的電主軸部件。 此次設(shè)計完成了電主軸系統(tǒng)設(shè)計，包括電機軸承的選型以及軸承使用壽命的計算、主軸各段尺寸以及主軸強度剛度的校核、裝配二維圖、主軸零件圖和箱體零件圖，設(shè)計了主軸結(jié)構(gòu)，以及主軸工作線上的法蘭盤、隔套、螺母等零部件， 另外還設(shè)計了需要保證機床正常運行的保護設(shè)置，密封裝置和迷宮環(huán)等，箱體的冷卻降溫結(jié)構(gòu)設(shè)計等。 本次設(shè)計使用二維計算機設(shè)計軟件 AutoCAD 進行了電主軸部件結(jié)構(gòu)的裝配圖設(shè)計和使用三維設(shè)計軟件 SolidWorks 進行了箱體三維建模。本設(shè)計提高了機床加工精度，實現(xiàn)了機床的高速性能，充分體現(xiàn)出了多能化的車銑復(fù)合技術(shù)。 關(guān)鍵詞：車銑復(fù)合機床；電主軸設(shè)計；主軸；結(jié)構(gòu)設(shè)計 I ABSTRACT CNC Turn-minllling lathe is the symbol of the modern industrial development， It has basically realized the modernization requirements of high speed, high precision and multi-function; the essential part of which is the main component of this design is the main structure electric spindle. Its precision directly affects the machining precision of the machine tool. In order to meet the market demand, the manufacturing industry must develop more advanced, more personalized, and more self. The motorized electric spindle. This design has completed the design of the electric spindle system, including the selection of the motor bearing and the calculation of the bearing life, the dimension of the spindle and the checking of the stiffness of the spindle strength, the assembly two-dimensional diagram, the main shaft part drawing and the box part drawing, the structure of the spindle, the flange, the spacer, and the nut on the spindle working line. And other components, in addition, we also designed the protection settings to ensure the normal operation of machine tools, sealing devices and labyrinth rings, and so on. This design uses the two-dimensional computer design software AutoCAD to carry out the assembly drawing design of the electrical spindle component structure and the 3D modeling of the box by using the 3D design software SolidWorks. This design improves the machining accuracy of machine tools, realizes the high speed performance of machine tools, and fully embodies the technology of multi turn milling and milling. Key Words：CNC Turn-milling lathe；Motor Spindle；Machine tool； Structural design 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 選題的目的、背景和意義 1 1.2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1 1.3 研究的主要內(nèi)容 5 2 電主軸系統(tǒng)設(shè)計方案 6 2.1 電主軸設(shè)計要求及選擇方案 6 2.2 主軸部件的組成及要求選型 7 3 電機、軸承、主軸的選型及參數(shù)確定 8 3.1 電機的選擇 8 3.2 主軸各徑向尺寸的確定 10 3.3 軸承的選擇 12 3.4 主軸軸向各尺寸確定 13 3.5 主軸各參數(shù)計算 14 3.6 軸承壽命計算 16 4 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 18 4.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 18 4.2 箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計 23 4.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 25 5 結(jié)論 27 參考文獻 28 附錄 1：外文翻譯 29 附錄 2：外文原文 38 致 謝 43 高精度車銑復(fù)合機床電主軸部件設(shè)計 1 緒論 1.1 選題的目的、背景和意義 本題目來于生產(chǎn)現(xiàn)場工程實際問題，本次設(shè)計的主體機床是大連機床廠有限集團公司生產(chǎn)車間的一臺車銑復(fù)合機床——DTM-B70S。DTM-B70S 系列機床由大連機床集團自主研發(fā)，是基于標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化、系列化設(shè)計理念的第三代多功能車銑復(fù)合加工中心（以下簡稱車銑中心）。可以根據(jù)市場需求，通過不同的模塊組合，可以構(gòu)成雙主軸、雙刀架、單或者中心架的車銑中心，以及不帶刀庫的車銑中心，是一款有多種配置形式的，以車削為主的高端數(shù)控車銑床?？刂戚S數(shù)為五軸（X、Y、Z、B、C）聯(lián)動，也可以簡化至四軸（X、Y、Z、C）、甚至可以三軸（X、Y、C）聯(lián)動控制的機床，該系列機床適用于各種金屬軸類零件外圓、端面、螺紋、沉槽、內(nèi)孔的車削加工以及平面、鍵槽的銑削加工，能夠完成需要多軸聯(lián)動才能加工的各種曲面，既能高效率的粗加工，又能高質(zhì)量的精加工，特別適合用在軍工、航空、航天等企業(yè)，適合加工形狀復(fù)雜、加工精度要求較高的零件。該機床合理地整合了 B 軸、銑削軸、正副軸、中心架等功能組合，將使機床擁有更強勁的復(fù)合加工能力，僅通過一次裝夾就可以實現(xiàn)3 臺普通設(shè)備的生產(chǎn)量，大大節(jié)省輔助裝卡時間，有效減少二次裝卡誤差，提高加工質(zhì)量，減少人工成本，大幅度提高生產(chǎn)效率和機床使用率，真正高效率實現(xiàn)一機功能集成化，多工序工藝復(fù)合化。 1.2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 車銑復(fù)合加工技術(shù)是20 世紀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)，它是近代工業(yè)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 90 年代各個國家設(shè)計研究和發(fā)展的重要方向。 車銑加工技術(shù)是以銑刀代替車刀，通過銑刀的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件切削的一種先進加工技術(shù)，按照刀具旋轉(zhuǎn)軸線與工件旋轉(zhuǎn)軸線相對位置不同，車銑加工可主要分為軸向車銑和正交車銑。車銑運動是一種復(fù)合運動，是應(yīng)用銑刀旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成運動來實現(xiàn)對工件的車削加工。車銑不是簡單的將車削和銑削兩種加工方式合并在一起，而是操縱車銑合成運動來完成各種曲面大概加工。在進行車銑切削時，工件不需要高速轉(zhuǎn)動，主運動是刀具的旋轉(zhuǎn)運動，從而不需要使工件高速旋轉(zhuǎn)就能實現(xiàn)高速切削，有利于對大型回轉(zhuǎn)體工件進行高速切削，以及實現(xiàn)難加工材料的干式切削。 因為車銑加工是間斷性切削加工，按照它的特點最適合切削難斷屑材料。車銑加工極易實現(xiàn)高速切削加工，一般車銑加工中心的刀柄接口都是諸如：HSK、CAPTO 等高速加工刀柄，刀具高速旋轉(zhuǎn)，工件低速旋轉(zhuǎn)，因此其切削力比傳統(tǒng)切削加工要小很 43 多。采用車技加工技術(shù)不但可以大幅度提高生產(chǎn)效率，而且加工精度和加工表面的完整性都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的車削加工，是一種高金屬去除率的關(guān)鍵先進制造技術(shù)，尤其適合加工加工凸輪軸、曲軸、細長軸及薄壁套等零部件的加工，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，是機械制造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，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)的實現(xiàn)。 車銑復(fù)合加工機床的主要特點是功能應(yīng)用范圍廣而且結(jié)構(gòu)也很緊湊。因此車銑復(fù)合機床的要求要比普通機床的要求高很多，為了使機床可以實現(xiàn)高速，高效率的一些關(guān)鍵技術(shù)，主要有以下 5 個方面： 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. 擺頭動力刀塔，銑車復(fù)合加工中心電主軸熱態(tài)； 5. 輕量化設(shè)計； 車銑復(fù)合加工機床中首要的功能部件就是電主軸，而且電主軸的性能會直接影響車銑復(fù)合加工機床的工作性能，車銑復(fù)合加工機床電主軸在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量產(chǎn)生熱變形，整個熱變形產(chǎn)生誤差占到整個機床加工誤差的百分之四十到百分之七十，現(xiàn)在車銑復(fù)合加工技術(shù)的難點就是抑制溫升、減小熱變形。國內(nèi)在電主軸研究和發(fā)展方面比較晚，國內(nèi)電主軸技術(shù)的落后是導(dǎo)致國內(nèi)車銑復(fù)合加工技術(shù)落后的主要原因。圖 1.1 所示為立式車銑復(fù)合加工中心整體結(jié)構(gòu)圖。 圖 1.1 立式車銑復(fù)合加工機床整體結(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)臺臺座；9-底座 現(xiàn)代機床普遍精度不高，效率低，所以導(dǎo)致產(chǎn)品水平不高，但車銑復(fù)合加工機床電主軸具有動平衡能力，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，這樣機床的主軸才具有 C 軸功能，機床在加工時直接帶動零件作旋轉(zhuǎn)運動，并于機床的 X 軸或與機床的 Z 軸聯(lián)動，實現(xiàn)插補，完成零件的銑削加工。 電主軸的發(fā)展十分迅猛，我國最早電主軸出現(xiàn)在 20 世紀 80 年代應(yīng)用在磨床行業(yè)上，但如今電主軸技術(shù)相對比較落后，國外相對比較發(fā)達，從事電主軸制造方面的主要公司由：德國 GMN、瑞士 IBAG、日本大限等，其中 GMN、IBAG 等幾家的電主軸技術(shù)水平已然成為全球最先進發(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： （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高精度高速主軸使用，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。 國外比較發(fā)達的國家早都已經(jīng)開始研究發(fā)展電主軸技術(shù)并且已經(jīng)生產(chǎn)了產(chǎn)品化的加工機床。所以我國與國外的電主軸技術(shù)有很大的差距，國產(chǎn)電主軸在性能方面和質(zhì)量方面不如外國領(lǐng)先，差距主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 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)矩可以達到 300Nm 以上，最高已經(jīng)可以達到 600Nm 以上。 2. 在電主軸的高速方面，我國電主軸的最高轉(zhuǎn)速為 15000r/min，國外的高速電主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到了 75000r/min。 3. 在電主軸的潤滑方面，我國電主軸主要還是油霧潤滑和脂潤滑，這是最基本的兩種潤滑方式，國外潤滑方式比較多也比較先進。 4. 在電主軸的性能和功能方面，在我國，電主軸還是用于不同機床，應(yīng)用的不夠全面，但是與國內(nèi)相比不同的是國外已經(jīng)在高速、高精度和多功能方面上發(fā)展迅速。 5. 在電主軸的軸承選用方面，國外高速軸承在主軸應(yīng)用的很多，但是國內(nèi)對此認識不夠全面，應(yīng)用的比較少見，比較欠缺。 6. 與電主軸裝配方面，比如快速停止快速啟動的技術(shù)方面，主軸 C 軸傳動技術(shù)， 準(zhǔn)停技術(shù)等，國內(nèi)電主軸技術(shù)發(fā)展太慢，跟不上國際潮流的發(fā)展與進步，更滿足不了數(shù)控市場的應(yīng)用需求。 7. 在生產(chǎn)的零件質(zhì)量、大小和數(shù)量的方面，我國有很多企業(yè)針對電主軸進行設(shè)計、研究和制造，但是我國電主軸技術(shù)還是比較集中在磨床方面，還處于最開始的階段， 在國際上，電主軸中的編碼器，刀具接口器等部件已經(jīng)非常領(lǐng)先。 隨著機床技術(shù)、高速切削技術(shù)的發(fā)展實際應(yīng)用的需要，對機床電主軸的性能也提出越來越高的要求，電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在幾個方面： （1） 繼續(xù)向高速度、高剛度方向發(fā)展。未來的機床需要制造更大的零件或者更精密的零部件，所以需要更高的轉(zhuǎn)速和更高的精度，因為電主軸對其影響很大，所以需要更高的速度和更高的剛度，在主軸軸承機器潤滑技術(shù)、精密加工技術(shù)、精密動平衡技術(shù)、高速刀具以及接口技術(shù)等方面需要更大的突破，高速已然成為目前發(fā)展的大趨勢；剛度方面主軸需要更好的材料、結(jié)構(gòu)以及軸承及其潤滑技術(shù)，這些都符合機床的發(fā)展需要。 （2） 向高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展。按照實際使用必要，通常數(shù)控機床要同時滿足低速粗加工時的重切削、高速切削時精加工的要求，所以，機床電主軸應(yīng)當(dāng)具備低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率的能力。 （3） 進一步向高精度、高可靠性和延長工作壽命方向發(fā)展。未來數(shù)控機床的精度和可靠性會有越來越高的要求，電主軸作為數(shù)控機床核心功能部件之一，它本身的精度和可靠性也要隨之提高。比如主軸徑向跳動在 0.001mm 以內(nèi)，軸向定位精度在0.0005mm 以下，同時采取特殊的精密主軸軸承、先進的潤滑方法及設(shè)計特殊的預(yù)緊力預(yù)緊方式，那么電主軸的壽命也會得到延長，它的可靠性也會隨之提高。 （4） 電主軸內(nèi)置電機性能和形式多樣化。未來實際應(yīng)用需求會提高很多，所以必須改善電主軸電機的性能，擴大恒功率調(diào)速范圍?，F(xiàn)代工業(yè)永磁同步電機電主軸的出現(xiàn)，相比于其他同功率的異步電機，尺寸小，功率高，在設(shè)計結(jié)構(gòu)和技術(shù)上真正實現(xiàn)了小尺寸大功率。 （5） 向快速啟、停方向發(fā)展。數(shù)控機床電主軸的快速啟動、快速停止時間越短 ，那么輔助時間也會減少，效率得到明顯的提高?，F(xiàn)今，國外電主軸的啟、停加速度可達到 1g 以上，全速啟、停時間在 1s 以內(nèi)，可以說是一流的水平，國內(nèi)應(yīng)該加強這方面的研究。 （6） 軸承及其預(yù)載荷施加方式、潤滑方式多樣化。鋼制滾動軸承應(yīng)用的非常廣泛，除此之外，近年來逐漸出現(xiàn)了強度更高的陶瓷球混合軸承。潤滑方式一般有油脂、油霧、油氣等，油氣潤滑方法是其中最特別，它具有適應(yīng)高速、環(huán)保節(jié)能的特點，在工業(yè)方面得到廣泛的推廣和應(yīng)用；滾動軸承的預(yù)負荷施加方式除剛性預(yù)負荷、彈性預(yù)負荷之外，又發(fā)展了一種智能預(yù)負荷方式。電主軸的支承形式方面，又生產(chǎn)了磁浮軸承電主軸、氣浮軸承電主軸、液浮軸承電主軸等精度更高的產(chǎn)品。 （7） 刀具接口逐步趨于 HSK 刀柄技術(shù)。高速轉(zhuǎn)動的機床主軸會產(chǎn)生很大的離心力，傳統(tǒng)的刀柄結(jié)構(gòu)不能滿足使用的需求，需要采用 HSK 等符合高速要求的刀柄接口形式。HSK 刀柄具有突出的靜態(tài)和動態(tài)聯(lián)接剛性，且傳遞扭矩能力強、刀具重復(fù)定位精度高、聯(lián)接可靠性高，更適合在高精度、高速的情況下使用。 （8） 向多功能、智能化方向發(fā)展。在多功能方面，有角向停機精確定位（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、軸向定位精度補償、換刀自動動平衡技術(shù)等。在智能化方面，主要表現(xiàn)在各種安全保護和故障監(jiān)測診斷措施，如換刀連鎖保護、軸承溫度監(jiān)控、電機過載和過熱保護、松刀時軸承卸荷保護、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。 總之，我國數(shù)控機床功能部件和技術(shù)雖然有了很大的發(fā)展，帶動了我國功能部件技術(shù)水平和產(chǎn)品檔次的提高，但仍然存在很多問題，要趕上國際先進水平，還要不斷提高創(chuàng)新設(shè)計開發(fā)的能力。 1.3 研究的主要內(nèi)容 本課題的研究主要內(nèi)容以車銑復(fù)合、高速、高精度的電主軸為主要研究對象，從而實現(xiàn)電主軸的各項功能以及要求。主要有以下幾個方面： 1. 根據(jù)復(fù)合機床電主軸高速高精度和設(shè)計參數(shù)，確定電主軸系統(tǒng)設(shè)計方案； 2. 計算主軸強度剛度； 3. 研究軸承的使用壽命； 4. 設(shè)計適合電主軸的箱體，提高穩(wěn)定性。 5. 設(shè)計電主軸部件結(jié)構(gòu)，包括細節(jié)結(jié)構(gòu)，如密封結(jié)構(gòu)、定位結(jié)構(gòu)等。 2 電主軸系統(tǒng)設(shè)計方案 2.1 電主軸設(shè)計要求及選擇方案 設(shè)計參數(shù)：車銑復(fù)合電主軸部件采用西門子內(nèi)置電機，帶 C 軸，電動機以及軸承需要冷卻來控制溫度，要求主軸轉(zhuǎn)速最高 3500r/min，主軸前端規(guī)格為 A2-11，主軸通孔要達到Φ100 以上。 2.1.1 主傳動系統(tǒng)的功能要求 車銑復(fù)合加工機床有極高的加工準(zhǔn)確性及豐富的工作形式，軍工，航天，航空等需要車銑復(fù)合機床加工其中的復(fù)雜以及精度高的零部件。當(dāng)機床主軸固定，工作臺旋轉(zhuǎn)時，工作臺則起到了 C 軸的作用，可以對工件進行銑削。當(dāng)機床車工件時主軸只做扭轉(zhuǎn)運動，對主軸扭轉(zhuǎn)的位置不進行控制。作為 C 軸進行銑削加工時，工作臺驅(qū)動扭矩比較小，但是作為車削運動旋轉(zhuǎn)時，機床需要的驅(qū)動扭矩較大。這樣，機床就具有更大的調(diào)速范圍并實現(xiàn)無極調(diào)速。 實現(xiàn) C 軸功能的方式通常有三種，第一種是電機直接安裝在主軸上；第二種是伺服主軸電機經(jīng)減速器驅(qū)動；第三種是用進給伺服電機經(jīng)減速器驅(qū)動，這里設(shè)計采用的是第一種，把電機直接安裝在主軸上，因為電主軸和電機是接觸的，所以電主軸傳動比比較小，傳動結(jié)構(gòu)之間的誤差徹底的消除了，其工件表面的加工精度和質(zhì)量都會比其他方式或者機床的高很多，其實不僅這些小的零件的加工，包括一些復(fù)雜或者體積比較大的零件也可以實現(xiàn)其功能。 2.1.2 主傳動的動平衡要求 主軸的動平衡就是指機床在正常運轉(zhuǎn)過程中主軸各部件產(chǎn)生的動態(tài)平衡，簡而言之主要就是機床工作時主軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生振動的程度。在正常工作的電主軸系統(tǒng)中，電機的轉(zhuǎn)子以主軸軸線旋轉(zhuǎn)， 高速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生離心力，離心力會讓主軸發(fā)生偏移，產(chǎn)生振動，振動會對主軸的軸承以及軸上其他部件造成較大的損壞，從而影響它們的正常使用，振動會使部件之間的間隙越來越大，產(chǎn)生噪音。 2.1.3 主軸以及軸承的降溫 主軸尤其時電機處軸承處專門設(shè)計了進水孔裝置，通過水循環(huán)冷卻的方法使電機和軸承達到降溫的效果，并且電機以及軸承處設(shè)置了測溫孔，及時了解電機軸承的溫度，一旦發(fā)現(xiàn)問題可以及時處理。 2.1.4 主軸系統(tǒng)中的密封裝置 軸的前端設(shè)計法蘭盤，軸的后端由于放置了編碼器，所以安裝了編碼器防護罩來防止外物進入，并且保護編碼器，中間還設(shè)計了迷宮環(huán)，防止水雜物進一步進入電機， 軸承以及連接處都設(shè)置了隔套，并且主軸下方還設(shè)計了通孔，主軸工作時進入的水可 以通過箱體下部的通孔流出箱體，造成不必要的麻煩。 2.2 主軸部件的組成及要求選型 2.2.1 主軸 電主軸的主要參數(shù)包括：主軸直徑、軸內(nèi)孔直徑、軸懸長度和支撐跨距，要先了解主軸各個結(jié)構(gòu)上工藝性能、主軸的部件的適用懸伸長度范圍和支承跨距范圍。再進行主軸的剛度計算、剛度強度校核、熱處理方式選擇和分析主軸載荷等，根據(jù)以上所考慮的因素，結(jié)合國內(nèi)外相同規(guī)格的機床我們選用主軸材料為 45 號剛。 2.2.2 主軸軸承 高速軸承是電主軸主要支承部件，需要承受較大的載荷。高速軸承顧名思義其允許的轉(zhuǎn)速高、精度高、傳動性能強、熱變形小、變形量小等等，這些特點非常適用于高精度車銑復(fù)合加工機床，此次設(shè)計采用高速的滾動軸承。綜合比較選擇并集合參考國內(nèi)外其他相近機床選擇角接觸球軸承和圓柱滾子軸承配合，并對軸承之間的配置方式進行選擇。 2.2.3 箱體 箱體主要是包容電主軸，另外在結(jié)構(gòu)上要滿足機床和主軸的載荷，需要一定的剛度強度。必要的時候需要設(shè)計降溫結(jié)構(gòu)來消除電機工作產(chǎn)生的熱量，保證電機的正常運轉(zhuǎn)。 2.2.4 主軸的潤滑與密封裝置 高精度高轉(zhuǎn)速高效率需要電主軸內(nèi)部的結(jié)構(gòu)得到強力的保護，需要設(shè)計密封裝置和選擇潤滑方式，來保證零部件的正常使用，增加其使用壽命。 3 電機、軸承、主軸的選型及參數(shù)確定 3.1 電機的選擇 參考國內(nèi)外相同規(guī)格的機床參數(shù)，初定本機床的主軸參數(shù)如下： 主軸轉(zhuǎn)速：4000r/min 主軸功率扭矩：45kW / 770Nm 主軸通孔直徑;Φ104mm 主軸頭尺寸：A2-11 西門子內(nèi)置電機的選擇及其參數(shù)： 綜合上述條件根據(jù)電機最高轉(zhuǎn)速 3500r/min，功率 45kW，查閱 SINUMERIK 840 機床設(shè)備產(chǎn)品樣本內(nèi)置電機選型表，如下圖 3.1 所示。 圖 3.1 西門子內(nèi)置電機選型表 根據(jù)西門子樣本中標(biāo)準(zhǔn)型 SIMOTICS M-1FE1 同步內(nèi)置電機（水冷）選型中選出最佳的三個型號主電機分別是： 1FE1144-8WV 的額定功率 P=35.1kW，額定扭矩 M=430Nm； 1FE1145-8WE 的額定功率 P=48kW，額定扭矩 M=585Nm； 1FE1147-8WS 的額定功率 P=64.4kW，額定扭矩 M=820Mm。 查詢以上三種電機轉(zhuǎn)子護套（圖 3）的內(nèi)徑尺寸： 圖 3.2 標(biāo)準(zhǔn)型 SIMOTICS M-1FE1 同步內(nèi)置電機（水冷）尺寸圖 圖 3.3 標(biāo)準(zhǔn)型 SIMOTICS M-1FE1 同步內(nèi)置電機（水冷）尺寸表 三種主電機的轉(zhuǎn)子護套尺寸分別為： 1FE1144-8WV 轉(zhuǎn)子護套尺寸為Φ150.3mm； 1FE1145-8WE 轉(zhuǎn)子護套尺寸為Φ150.3mm、Φ140.3mm 和 Φ125mm； 1FE1147-8WS 轉(zhuǎn)子護套尺寸為Φ150.3mm 和Φ140.3mm。 綜合功率扭矩及其成本使用范圍初步預(yù)選 1FE1145-8WE 電機。 在圖 3.3 中，我們可以得出 1FE1145-8WE 型號的西門子內(nèi)置電機尺寸為： 總長度=390mm； 外徑總長=310mm； 定子外徑=280mm； 轉(zhuǎn)子內(nèi)徑帶護套選擇=140.3mm。 3.2 主軸各徑向尺寸的確定 已知：主軸前端規(guī)格選擇為 A2-11，主軸通孔要達到Φ100 以上以及選出來的主電機的各尺寸。 查圖 3.4 可得主軸前端頭的各個尺寸： 圖 3.4 A1、A2 型主軸端部尺寸 主軸前端尺寸查表確定后，就可以確定主軸前軸直徑 D1 和主軸后軸直徑 D2，電機總長為 390mm，可以把電機的內(nèi)徑尺寸Φ140.3mm 作為平均主軸尺寸 D，已知在結(jié)構(gòu)上三者有如下關(guān)系： （3.1） 或 （3.2） （3.3） 式中：——主軸各段的直徑和長度； L——主軸全長。 得： 選擇主軸前端直徑=160mm， =125mm。 主軸內(nèi)孔要求Φ100mm 以上，國內(nèi)外機床的通孔直徑在Φ104mm 左右，所以本設(shè)計機床電主軸的中間內(nèi)孔直徑選擇Φ102mm。 主軸內(nèi)孔直徑是根據(jù)機床類型來確定的，不同的加工方式機床主軸內(nèi)孔直徑不同，在保證了主軸剛度強度的前提條件下，我們可以減輕主軸的重量，內(nèi)徑盡可能取較大值，而主軸本身的剛度與抗彎截面慣性 I 成正比，如圖 3.5 所示（公式如 3.4）： （3.4） 圖 3.5 孔徑 d 對主軸剛度的影響曲線 由圖可選擇主軸端部的錐孔大直徑為： 196.869mm × 0.6=118.1214mm （0.5～0.6 時，內(nèi)孔 d 對主軸剛度幾乎沒影響），所以取 =120mm，根據(jù)錐度比集合結(jié)合上述選擇的 b 型端部結(jié)構(gòu)形式以及通孔Φ102mm，定錐度尾直徑為Φ104.5mm， 錐孔之后的孔直徑則為Φ106mm。 主軸懸伸量 a 是指主軸前端到主軸前支承中點的距離，確定懸伸量 a 的原則是： 滿足結(jié)構(gòu)的要求、強度要求的前提下，盡可能取小的值。這里根據(jù)軸端部與軸承的寬度以及分布暫定 a=180mm。根據(jù)設(shè)計要求以及設(shè)計經(jīng)驗支承跨距 L= 600mm。 3.3 軸承的選擇 軸承是主軸零部件中的關(guān)鍵組成部分，主軸的回轉(zhuǎn)精度大多是根據(jù)軸承所確立的，在對軸承的選型過程中必須考慮其變形程度、發(fā)熱情況和使用壽命等等，設(shè)計采用角接觸球軸承，因為機床工作會產(chǎn)生徑向載荷和軸向載荷，角接觸球軸承可以滿足這個要求，角接觸球軸承軸承在使用中成對配用。這樣還可以提高預(yù)緊力，綜合考慮我們選擇兩對角接觸球軸承放在主軸端部，另一端選擇單列圓柱滾子軸承。參考下圖3.6; 圖 3.6 軸承特點圖 設(shè)計中的軸承分布形式為三支承結(jié)構(gòu)，因為實際設(shè)計中主軸箱長度比一般的箱體長度長，主軸兩個支承之間的支承跨距 L 比最佳跨距要大很多，此時應(yīng)該考慮添加中間支承來增強主軸部件的剛度和抗震性。 根據(jù)前后軸的直徑尺寸以及國內(nèi)外相同規(guī)格機床的同類軸承，且主軸頭 A2-11， 主軸通孔Φ102mm，初步選定軸承尺寸為 7032 角接觸球軸承（4 列背靠背布置）， 計算查表以下三種基本符合要求： XCB7032-C-P4S-M 額定轉(zhuǎn)速 r=4560rpm； XCB7032-E-P4S-M 額定轉(zhuǎn)速 r=3819rpm； XCB7032-E-P4S-L 額定轉(zhuǎn)速 r=4824rpm 計算以上軸承的軸向剛度及徑向剛度： XCB7032-C-P4S-M 的軸向剛度為 469.2N/μm 徑向剛度為 2815.2N/μm； XCB7032-E-P4S-M 的軸向剛度為 1094.6N/μm 徑向剛度為 2189.2N/μm； XCB7032-E-P4S-L 的軸向剛度為 698.8N/μm 徑向剛度為 1397.6N/μm。 綜合徑軸向剛度及速度，及主軸電機的速度，綜合選擇軸承 XCB7032-E-P4S-M。參考 FAG 精密主軸軸承樣本 P187 頁。 后軸承根據(jù)轉(zhuǎn)速型式選擇單列圓柱滾子軸承 N1026-K-M1-SP，其轉(zhuǎn)速為 5000rpm， 徑向剛度為 1420 N/μm，能滿足要求。參考 FAG 精密主軸軸承樣本 P110 頁。所以最終確立軸承的型號。 3.4 主軸軸向各尺寸確定 已知懸伸量 a、主軸跨距 L、軸承寬度，計算其余主軸上的寬度，主軸端部與角接觸球軸承為實現(xiàn)夾緊和定位的作用留出 30mmΦ170mm 的尺寸，接著是 4 列角接觸球軸承，總共寬 4×38mm=152mm，其中兩兩列之間留出 30mm 寬度的尺寸放置內(nèi)外隔套把軸承分隔開，第 4 列軸承也設(shè)計軸套寬度尺寸為 30mm，隔套之后設(shè)計螺母來定位并卡緊前面的部件，螺母寬度為 35mm，已知選出的內(nèi)置西門子電機總長度為 390mm， 所以在主軸中間留出 390mm 的尺寸放置電機，為防止污染物或者贓物進入影響電機的運行和機床精度，電機之后設(shè)計迷宮環(huán)，防止贓物或者灰塵進入里邊，寬度 60mm， 之后是單列圓柱滾子軸承寬度為 33mm，且為了更好的運轉(zhuǎn)和緊湊，軸承內(nèi)圈為錐形設(shè)計，并緊跟著放入軸承外壓環(huán)保證軸承不發(fā)生軸向位移，為了測量主軸轉(zhuǎn)速，需要在軸上安置編碼器，總共寬度為 41mm，之后也放入螺母卡緊前面的部件，同樣寬度為 30mm，并留適當(dāng)尺寸 30mm，最后在主軸的尾部加入鍵寬度為 45mm，最終軸總長972.5mm。最終確定了軸上各個參數(shù)。 圖 3.7 軸結(jié)構(gòu)簡圖 3.5 主軸各參數(shù)計算 機床主軸的剛度一般滿足，不需要驗算，只需驗算徑向剛度以及計算強度。扭矩計算： （3.5） 式中：P——主軸的功率n——主軸的轉(zhuǎn)速 （3.6） 主軸的極慣性矩： （3.7） 式中：D——主軸直徑 d——主軸內(nèi)孔直徑主軸前端的極慣性矩： 主軸后端的極慣性矩： 主軸的抗扭截面系數(shù)計算： （3.8） 前軸的抗扭截面系數(shù)： 后軸的抗扭截面系數(shù)： 主軸的強度計算： 主軸前端強度： 主軸后端強度： 軸的剛度校核計算： 把階梯軸看成是光軸計算當(dāng)量直徑： 式中：——階梯軸第 i 段的長度，mm； ——階梯軸第 i 段的直徑，mm； L——階梯軸的計算長度，mm； z——階梯軸計算長度內(nèi)的軸段數(shù) 受力分析： （3.9） （3.10） 圖 3.8 主軸受力分析 已知徑向力以及支反力在軸上的尺寸，根據(jù)受力平衡和力矩為 0 算 出： 畫出力矩在軸上的大小示圖： 圖 3.9 主軸扭矩圖 最高 M 在 625 處，軸徑為Φ160mm，已知此處的 M= ， 校核公式為; （3.11） 求出直徑為的軸的 W 值： 結(jié)合上述公式得出： 所以符合要求。 3.6 軸承壽命計算 1. 根據(jù)軸承樣本選出的軸承選型中可知 N1026-K-M1-SP 的額定動載荷為 180kN， 靜載荷為 250kN，根據(jù)公式： （3.12） 式中：n——轉(zhuǎn)速 C——基本額定動載荷 P——載荷 ——這里因為是滾子軸承所以取 10/3 這里圓柱滾子軸承只受軸向力，所以 P=374.4N，帶入軸承壽命計算公式。則圓柱滾子軸承壽命=3.4× h 2. 根據(jù)軸承樣本選出的軸承型號中可知 XCB7032-E-P4S-M 的額定動載荷為270kN，額定靜載荷為 137kN，查閱機械設(shè)計書中 13-8a 的公式以及載荷系數(shù)表格可算出; （3.13） 其中查表可知 Y=0，X=1，=1.2～1.8，取值 1.5 所以 P=2511.6N，帶入軸承壽命計算公式可得 =2.4× h。 4 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 主軸頭選擇為 A2-11 的規(guī)格，已知主軸各項參數(shù)，首先確定軸上最大的部件電機的軸向裝配方式。其實合理布置的原則很簡單，主要限制傳動力引起的主軸變形，最好的結(jié)構(gòu)可以抵消切削力給軸承帶來的負荷，以下是幾種傳動件部件軸向布置方式： 圖 4.1 傳動件軸向布置形式及其特點 根據(jù)設(shè)計要求，選擇電機位于主軸中間即兩軸承之間的布置方式。 根據(jù)對比，主軸在一定強度下，空心軸的重量遠遠比實心軸小了三分之一，不但減輕了主軸的重量，材料也得到了節(jié)省。且空心軸可以提高主軸的扭轉(zhuǎn)強度適合本設(shè)計的要求，但是要注意的是，空心軸的壁厚厚度不能很小，小的話主軸承受力度不夠， 容易發(fā)生損壞，影響機床正常使用。由上述所述本設(shè)計電主軸采用空心軸的方式。 圖 4.2 空心軸 機床加工行業(yè)有很多種主軸端部結(jié)構(gòu)，通常使用的是以下幾種： 圖 4.3 主軸端部結(jié)構(gòu) 圖 a 是銑床通常的主軸端部結(jié)構(gòu)。內(nèi)孔前是 7:24 的錐孔，供插入銑刀尾部錐柄定位用。拉桿從主軸后端拉緊刀具。 圖 b 所示結(jié)構(gòu)是應(yīng)用于車床等回轉(zhuǎn)主軸。它采用長錐孔，以增加法蘭盤的定位精度和穩(wěn)定性；用錐體上的鍵傳遞轉(zhuǎn)矩，用螺栓拉緊。 圖 c 所示的主軸端部結(jié)構(gòu)形式用于鉆床和鏜床鏜桿。這類機床的孔直接加工，結(jié)構(gòu)簡單。 圖 d 是坐標(biāo)鏜床的主軸端部結(jié)構(gòu)形式。定心軸頸面 A 的直徑較大，精度高，主軸端部懸伸量較小。 圖 e 是外圓磨床砂輪主軸端部常用的結(jié)構(gòu)形式。保證其對中精度和工作安全可靠，主軸端部做成 1：5 的錐度，并用月牙鍵傳遞轉(zhuǎn)矩。 圖 f 是內(nèi)圓內(nèi)圓磨床砂輪主軸前端常用的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)主軸直徑小，以內(nèi) 徑定位。 圖 b 結(jié)構(gòu)最適應(yīng)本次設(shè)計要求，所以選擇前端錐度和后端直孔的空心軸設(shè)計結(jié)構(gòu)。 圖 4.4 空心軸內(nèi)孔設(shè)計 軸上密封裝置設(shè)計，為了防止外物雜塵進入主軸內(nèi)部，需要設(shè)計一些簡單的結(jié)構(gòu)來保證主軸的正常運行。設(shè)計的第一步是在主軸的一些階梯軸端處制造時留下一些退刀槽，結(jié)構(gòu)如下： 圖 4.5 主軸配合出密封結(jié)構(gòu)1-法蘭座；2-主軸 軸向處前端的法蘭盤設(shè)計迷宮結(jié)構(gòu)的裝置，主要通過多處坑洼來防止雜塵進入： 圖 4.6 法蘭盤上結(jié)構(gòu) 1- 密封圈；2-水循環(huán)結(jié)構(gòu) 密封圈防止外物進入機床箱體內(nèi)部，或者防止?jié)櫥挠椭舫觥＿€可以放水防塵， 水循環(huán)系統(tǒng)給主軸降溫，保證主軸正常運行。 主軸的后端直接在軸的直徑上設(shè)置簡單的迷宮環(huán)裝置，作用同上： 圖 4.7 主軸后端迷宮環(huán) 主軸部件之間設(shè)計簡單的隔套分割開各部件，結(jié)構(gòu)相對簡單。主軸最后端處設(shè)計鍵槽，來安裝剎車裝置，可以起到及時剎車防止意外。 圖 4.8 主軸后端的鍵槽 最終軸的三維結(jié)構(gòu)如下圖; 圖 4.9 主軸三維圖 圖 9 所示的是設(shè)計的主軸三維實體圖，包括第二章的計算參數(shù)以及上述的退刀槽、空心軸、鍵槽等，主軸的設(shè)計則完成。 圖 10 表示的是軸上部件法蘭盤、軸承、隔套、電機、迷宮環(huán)裝置、編碼器、編碼器內(nèi)外環(huán)、編碼器護罩以及螺母等部件裝配到電主軸上所畫的二維圖，部件分布形式就如下圖所示： 圖 4.10 部件分布圖 1- 主軸；2-前法蘭盤；3-角接觸球軸承；4-內(nèi)外隔套；5-隔套；6-螺母；7-西門子內(nèi)置電機；8-迷宮環(huán)；9-圓柱滾子軸承；10-編碼器內(nèi)外環(huán)；11-編碼器；12-螺母；13-鍵 4.2 箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計 箱體主要起到支撐和保護主軸的作用，所以必須按照主軸的尺寸設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 主軸在高速運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生大量熱量，影響主軸的正常運轉(zhuǎn)，需要設(shè)計降溫或者監(jiān)測溫度的結(jié)構(gòu)和裝置，并且箱體也需要一定的強度和剛度能夠承受住主軸的重量以及運行過程中產(chǎn)生的負荷，所以設(shè)計過程中需要注意這些問題。 箱體的空直徑以及結(jié)構(gòu)需要和主軸的結(jié)構(gòu)契合，參考主軸的直徑和結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 4.11 如下： 圖 4.11 主軸箱體的內(nèi)孔設(shè)計 箱體設(shè)計必須考慮主軸工作以及自重需要承受的強度，材料選擇是一方面，更重要的是結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以為了增強箱體的強度，為了起到支承作用，為了保持穩(wěn)定不變形，也為了節(jié)省材料，降低成本，還可以美觀箱體，我們在箱體的外部設(shè)計了筋的結(jié)構(gòu)： 圖 4.12 箱體上筋的結(jié)構(gòu) 在保證強度的原則下，在箱體的兩側(cè)挖了槽，一方面節(jié)省材料，令一方面防止應(yīng)力集中，所以必須相隔一定的距離且深度厚度有一定的尺寸限制。 主軸內(nèi)部不能是一整塊，為了承重也為了節(jié)省材料，需要設(shè)計減重設(shè)計一定的結(jié)構(gòu)來減輕箱體的重量： 圖 4.13 主軸內(nèi)部減重結(jié)構(gòu)設(shè)計 主軸除了承重包容外，為了給主軸降溫，需要設(shè)計水循環(huán)結(jié)構(gòu)來循環(huán)降溫，必要的時候需要設(shè)計測溫的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)實時監(jiān)測，設(shè)計的結(jié)構(gòu)如下： 圖 4.14 主軸內(nèi)部水循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計 主軸箱體的設(shè)計這里由于實際應(yīng)用中箱體比較復(fù)雜且不是我們研究的重點，所以我們的箱體主要參考簡單的箱體結(jié)構(gòu)，并根據(jù)上述所計算的尺寸來設(shè)計箱體結(jié)構(gòu)，主要設(shè)計的結(jié)構(gòu)如上所述，整體三維結(jié)構(gòu)如下圖： 圖 4.15 箱體三維結(jié)構(gòu)圖 4.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 將箱體與主軸按照裝配的尺寸裝配在一起，其二維裝配圖如下： 電主軸的部件包括：前法蘭盤、軸承、隔套、螺母、電機、編碼器、編碼器內(nèi)外環(huán)、迷宮環(huán)、編碼器防護罩等組成，主要工作線是電主軸，提供轉(zhuǎn)速；軸承起支承作用；法蘭盤、隔套起定位保護的作用；螺母起定位、鎖緊的作用；編碼器可以監(jiān)測轉(zhuǎn)速，編碼器內(nèi)外環(huán)以及護罩是保護編碼器；迷宮環(huán)防止雜塵進入機體；箱體包容著整個電主軸系統(tǒng)，提供穩(wěn)定性及保護。 圖 4.16 總體結(jié)構(gòu)裝配二維圖 5 結(jié)論 本次設(shè)計主要完成了電主軸部件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。 畢業(yè)設(shè)計題目是高精度車銑復(fù)合機床電主軸系統(tǒng)設(shè)計，主要進行了以下設(shè)計; 對大連機床廠原有的同規(guī)格機床的電主軸系統(tǒng)的工作原理圖紙進行查閱并收集相關(guān)資料，其中電主軸的系統(tǒng)包括：內(nèi)置電機、軸承、法蘭盤、編碼器、隔套、迷宮環(huán)以 及各個保護結(jié)構(gòu)裝置，初步確定內(nèi)置電機直接安裝在主軸上，減小傳動比，增大轉(zhuǎn)速， 初步實現(xiàn)高速的功能。 根據(jù)題目主軸端頭以及內(nèi)徑尺寸，轉(zhuǎn)速等選擇內(nèi)置電機的型號，確定電機的長寬高尺寸；查閱機床設(shè)計手冊，根據(jù)公式計算主軸前后端尺寸，選擇符合軸上直徑尺寸的軸承以及布置形式，查表選擇主軸前端的尺寸，接著按照公式或者根據(jù)經(jīng)驗對比確定主軸后端的尺寸，完成主軸尺寸設(shè)計；計算主軸的剛度強度、軸承的使用壽命。 查閱機床電主軸的設(shè)計結(jié)構(gòu)選型，設(shè)計主軸前端軸承處冷卻結(jié)構(gòu)、軸承隔套、電機后的迷宮環(huán)裝置，選擇編碼器以及編碼器內(nèi)外環(huán)的結(jié)構(gòu)、編碼器防護罩，了解相近的箱體結(jié)構(gòu)，設(shè)計符合主軸尺寸的箱體結(jié)構(gòu)，并在主軸下方設(shè)計水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，內(nèi)部設(shè)計減重結(jié)構(gòu)，外部設(shè)計筋的結(jié)構(gòu)，完成主軸與箱體的裝配。 通過此次設(shè)計取得成果是：完成了高精度車銑復(fù)合機床電主軸系統(tǒng)設(shè)計，使用CAD、Solidworks 軟件完成裝配和零件的二維、三維圖的繪制以及說明書的編寫。 雖然設(shè)計已經(jīng)完成，但是依然存在問題，最大的問題就是主軸工作過程中的降溫。由于設(shè)計經(jīng)驗不夠豐富，與企業(yè)真正應(yīng)用的設(shè)計要求還有差距，隨著不同學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗，不斷提高設(shè)計水平。 參考文獻 [1] 毛村.基于虛擬樣機技術(shù)的車銑復(fù)合數(shù)控機床設(shè)計[D].成都理工大學(xué),2016. 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