机床高速电主轴的结构设计(编辑修改稿)

机床高速电主轴的结构设计(编辑修改稿)内容摘要：

式中： ρ 电机转子材料密度， 7800kg/m^3； ω 转子角速度， 720π /s； γ 主轴材料泊松比， ； kc 安全因子，取 5； Mt 主轴的转矩，由前可知 Mtmax = mm μ 配合表面的摩擦系数，此处取 E 主轴材料的弹性模量，查表后取 *100000N/mm B 配合面的接触长度， 130mm； r 电机转子的内孔半径， r=29mm； ce 电机转 子的内外径比， ce=； ci 主轴的内外径比， ci=； 整体过盈量Δ =Δ s+Δ d，由上面的式子可以看出，动态分量Δ d的值与转速的平方成正比，主要由离心力确定，因此在转速较低时，动态分量相对来说很小，可以忽略不计，主轴的过盈量主要由静态分量来确定，而在较高转速时，主轴和转子会因离心力的作用产生膨胀，过盈量会有较大变化，因此主要由动态部分确定。 静态分量最小值： Δ smin = ； 动态分量最小值： Δ dmin = ； 故而Δ min = Δ b=,圆整为 21微米。 4 高速电主轴的结构设计 Dm 参考国内外现有的关于电主轴设计资料，同时根据本设计中的设计要求，同时结合《机械工程手册 5》中机械零部件设计部分的设计方法中给定的经验公式，主轴外圆平均直径初步设计的公式如下： 式中： D 空心轴外径， mm； T 轴的额定转矩， N mm； [σ ] 轴材料许用切应力， Mpa； γ 内外圆直径比。 根据第一章所述，轴的额定功率为 22 kW，最高转速为 20200 rpm，可求得轴需要传递的转矩 T=P/2*π /20200=17519 N mm；因主轴系统需要满足一定的刚度，轴体材料选择20CrMnTi，其需用切应力 [σ ]=40~52Mpa，本设计中取 [σ ]=45 Mpa，预选主轴的平均内径20mm,转子内径为 58mm，则主轴的最大外圆直径为 D=68mm，取主轴平均外径 Dm=50mm，γ =，代入公式得 D=Dm= 取主轴外圆平均直径 50mm，前轴承处的直径 D1=45mm，后轴承处的直径 D2=40mm。 内孔直径 d 12 查阅《机床设计手册 3》，取 d=24mm 悬伸量 a 悬伸 量对整个系统的刚度影响非常大，在满足刀具安装、轴端设计以及轴承选型的前提下，尽可能缩小悬伸量的大小，此处初选为 48mm。 支撑跨距 L 最佳支撑跨距可以实现主轴部件的最大静刚度，因此，选择合理的跨距是主轴组件设计中一个相当重要的问题。 跨距 L 的选择对电主轴的影响是双向的，如果 L 较小，则轴承的变形会对主轴前端的位置产生较大的影响，如果 L 过大，则主轴会产生较大的变形。 在对轴进行设计时，支撑跨距应在合理跨距范围之内，如果结构上不允许，则需对相关参数进行重新设计。 对电主轴而言，支承跨距跟轴承刚度有直接的短息 ，所以首先确定轴承的型号并进行刚度计算。 轴承的选型 轴承的刚度对支撑跨距有较大的影响，因此首先 helicopter 选择轴承的类型和型号。 根据第二章对轴承的探讨，轴承都选用 B 级混合陶瓷轴承，采用油气润滑的方式，前端为双联配置的的角接触球轴承，后端为双联配置的圆柱滚子轴承。 结合本设计的实际情况，选择日本 NSK 公司的 45BER10S 作为前端轴承， N1008MRKR 作为后端轴承，其最高速度在合适的润滑及散热条件下分别可达到 31500rpm 和 25000rpm。 轴承的刚度计算 在已知轴向 预紧力的前提下，前轴承的径向刚度 Kr 可按下式求出： 式中： z 轴承滚动体的数目； α 接触角； Db 滚动体直径； f0 混合陶瓷球轴承材料修正系数； F0 预紧力。 根据 NSK公司的产品参数表以及相关资料查的： z=25，α =25176。 ， Db=， f0=，F0=200N，计算得出 Kr=。 对于后轴承，其径向刚度 Kr 可按下式计算： 其中的系数为： 式中： Fr 轴承承受的径向力； Z 滚动体数目，为 20； 13 L 有效接触长度，为 11； R R2 内外滚道半径， R1 为 ， R2 为 0mm； r 滚动体半径，为 ； α 润滑油粘压系数，为 *10^(8)； η 0 润滑油粘度，为 40； ni 内圈转速，为 25000； γ 系数，为。 E’ 为内外圈和滚动体的当量弹性模量，为 *10^(11)。 代入各项参数，计算得出 Kr=。 支承跨距 L 的计算 根据相关文献，最佳跨距跟前悬伸之间可用如下关系式表示： 式中： a 前悬伸量。 为 48； K1 前支撑刚度，为 ； K2 后支承刚度，为 ； η 系数，约等于。 代入公式后解得 l0/a=，所以最佳跨距 l0==，根据电机的整体长度参数 185mm，取 L 为 205mm，在合理跨距范围之内。 校核和检测 主轴的静刚度校核 电主轴的刚度会直接影响加工精度，刚度不足时会造成尺寸误差和形状误差的增加，还可能导致震颤，影响使用寿命，因此对电主轴组件进行静刚度校核。 主轴单元的径向刚度可按下式进行计算： 根据之前所计算的参数，代入 后解得 K=。 参考国内外电主轴厂家的技术资料，计算结果表明该电主轴的结构设计能够满足静刚度要求。 主轴的强度校核 电主轴在工作时的受力情况如下图所示： 主轴可按弯扭合成强度校核， d 值满足以下条件即可： 式中： 14 M 轴计算截面 bb 上的合成弯矩， M=72716N mm； α 根据弯矩性质而定的折合系数，取 1； T 轴计算截面上的的转矩，取电机的最大扭矩 mm； [ς 1] 许用切应力，查的 [ς 1]=60MPa； γ 内外轴颈比，已知γ =。 代入后解得 d=，最小轴颈 dmin=40d，故而主轴的强度满足使用要求。 主轴临界转速的校核 电主轴在运转过程中，振幅随着转速的增大而增大，达到某一值时，振幅达到最大值，发生共振，极大的影响加工精度和使用性能。 故而需要计算其临界转速。 一阶临界转速可按下式计算： 式中： nk 轴的一阶临界转速； n01 不装零件时的轴的临界转速； n1 装有 1 个旋转零件的临界转速； ni 装有 i个旋转零件的临界转速。 不装旋转零件时的临界转速由下式计算： 式中： L 轴的总长度， 320mm； K1 系数，查表取 K1=； E 主轴材料的弹性模量，取 E=*10^(5)/mm； I 主轴的平均惯性矩， I=*10^5(mm)^4； W 轴的重量，约取。 代入后解得 n01=110405rpm； 安装 1 个旋转零件的临界转速由下式计算： 式中： W1 电机转子质量，取 4kg； l 支承跨距， 205mm； K2 系数，取 ； 代入后计算得出 n1=154825rpm； 从而求出电主轴的一阶临界转速为 nk=89891rpm。 由于该电主轴设计的最高转速 20200rpm 远低于一阶临界转速，符合设计要求，不会发生同频共振。 5 总结 本设计关注了目前国内外的电主轴研究现状，结合本科期间学习的知识，根据设计任务书，在指导老师的帮助下，设计了一根结构紧凑、性能优良的电主轴。 15 参考文献 机械设计手册 机械传动设计手册 张伯霖，夏红梅，黄晓明 .高速主轴设计制造中若干问题的探讨 .广州：广东工业大学， 2020. 田华 .数控机床高速电主轴结构设计及性能分析 [D].成都：四川大学硕士论文， 2020. 黄红武，熊万里等 .高速大功 率精密电主轴中的关键技术 .湖南大学学报，2020. 潘庆志 . 加工中心电主轴系统设计与分析 [D].大连：大连理工大学硕士论文， 2020. 应一职 .大功率高速电主轴总体结构方案的创新设计 .台州职业技术学院 ,2020. 张珂，孙红．高速电主轴的原理与应用 [J]．沈阳建筑工程学院学报，1999(1)： 67— 72. 肖曙光．高速电主轴关键技术的研究 [J]．组合机床与自动化加工技术，1999(12)： 5— 10. 付华．主轴部件的动态特性分析及动力修改 [D]： (硕士学位论文 )．南京：江苏工学院， 1992. 16 附录 1 Siemens 1FE1系列电机结构示意表 17 附录 2 Siemens 1FE1系列电机性能参数表 18 附录 3 NSK BER10系列陶瓷球轴承性能参数表 19 附录 4 NSK 10系列陶瓷圆柱滚子轴承性能参数表 20 外语文献翻译 摘自 : 《制造工程与技术（机加工）》（英文版） 《 Manufacturing Engineering and Technology— Machining》 机械工业出版社 2020 年 3 月第 1 版 页— 564560P 美 s. 卡尔帕基安 (Serope kalpakjian) 施密德 (Steven ) 著 原文 ： MACHINABILITY The machinability of a material usually defined in terms of four factors: Surface finish and integrity of the machined part。 Tool life obtained。 Force and power requirements。 Chip control. Thus, good machinability good surface finish and integrity, long tool life, and low force And power requirements. As for chip control, long and thin (stringy) cured chips, if not broken up, can severely interfere with the cutting operation by being entangled in the cutting zone. Because of the plex nature of cutting operations, it is difficult to establish relationships that quantitatively define the machinability of a material. In manufacturing plants, tool life and surface roughness are generally considered to be the most important factors in machinability. Although not used much any more, approximate machinability ratings are available in the example below. Machinability Of Steels Because steels are among the most important engineering materials (as noted in Chapter 5), their machinability has been studied extensively. The machinability of steels has been mainly improved by adding lead and sulfur to obtain socalled freemachining steels. Resulfurized and Rephosphorized steels. Sulfur in steels forms manganese sulfide inclusions (secondphase particles), which act as stress raisers in the primary 21 shear zone. As a result, the chips produced break up easily and are small。 this improves machinability. The size, shape, distribution, and concentration of。