購買設計請充值后下載，，資源目錄下的文件所見即所得，都可以點開預覽，，資料完整，充值下載可得到資源目錄里的所有文件。。?！咀ⅰ浚篸wg后綴為CAD圖紙，doc,docx為WORD文檔，原稿無水印，可編輯。。。具體請見文件預覽，有不明白之處，可咨詢QQ:12401814
南京工程學院工業(yè)中心畢業(yè)設計說明書（論文）
南京工程學院
工 業(yè) 中 心
本科畢業(yè)設計說明書（論文）
題 目： 車銑復合加工機床A28電主軸結構設計
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： D機加工122 學 號： 231120418
學生姓名： 柯珂
指導教師： 劉桂芝 （研究級高工）
起迄日期： 2016.2.22～2016.6.3
設計地點： 工程中心5號樓
畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要
摘要：
本課題研究的內容是針對車銑復合加工機床A28電主軸結構的設計。車銑復合加工集傳統(tǒng)銑削與車削加工技術于一身，可顯著提高機械加工效率、降低生產加工成本。所以車銑復合加工機床電主軸可以實現主軸的C軸功能，機床在加工時直接帶動零件作旋轉運動并與機床的X軸或與機床的Z軸聯動，提高機床的生產率。本文采用文獻分析法、比較法的方法，進行車銑復合加工機床A28電主軸系統(tǒng)結構的設計。車銑復合加工機床電主軸取消了齒輪與帶傳動，消除機械傳動，采用內藏式電機傳動的方式。設計過程中采用角接觸軸承，實現電主軸的高速、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。本設計提高了機床的加工精度，實現機床的高速性能，可以實現車銑復合加工。
關鍵詞：電主軸 車銑復合加工 高精度
畢業(yè)設計說明書（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 車銑復合電主軸的概述 3
1.3 國內外研究現狀和發(fā)展趨勢 4
1.4 課題研究主要內容 6
第二章 電主軸系統(tǒng)方案設計 7
2.1 車銑復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.................................... 9
2.3.1主傳動功率 9
2.3.2主軸內徑的確定 9
2.3.3主軸強度的計算 10
2.4 電主軸檢測系統(tǒng)方案設計與確定........................................ 12
2.4.1車銑復合加工中心對電主軸系統(tǒng)旋轉精度的要求 12
2.4.2 主軸準停裝置的選擇.................................... 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 主軸的材料以及結構尺寸的設計 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 主軸軸承間隙的調整和預緊 23
第4章 潤滑、密封和冷卻 25
4.1 主軸軸承的潤滑 25
4.2 電機的冷卻 26
4.3 主軸的密封 26
第五章 技術經濟分析 28
5.1 技術經濟分析的目的與意義 28
5.2 成本材料分析 28
5.2.1 非標準件 28
5.2.3 標準件 29
5.3 課題技術經濟成本計算依據 30
5.3.1 成本計算依據 30
5.4 課題技術經濟成本計算 31
第六章 結 論 33
致 謝 34
參 考 文 獻 35
附錄A 主軸箱裝配圖及各零件圖 36
前 言
本文是對車銑復合加工機床A28電主軸結構進行設計和研究。作為復合加工技術的一種，銑車復合加工要求有很高的加工效率和加工精度。 車銑復合加工主要是使機床主軸實現c軸功能，機床在加工時直接帶動零件作旋轉運動并與機床的X軸或與機床的Z軸聯動，實現插補，完成零件的銑削功能。車銑復合電主軸與傳統(tǒng)方式相比，車銑復合電主軸采用內裝式電機，取消了齒輪傳動，皮帶傳動等中間傳動設備，實現機床的“零傳動”[1]。車銑復合電主軸在高速下因熱而會產生故障，因此限制了車銑復合電主軸的有效應用。
本車銑復合加工機床電主軸由于是內置電動機[2]，電機運轉的過程中所以會產生的熱量而且軸承轉動也會摩擦發(fā)熱，使得電主軸的發(fā)熱量很大，由此產生的很大熱變形大大導致車銑復合加工機床的加工精度降低的更多。因此對于車銑復合電主軸系統(tǒng)結構來說，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的結構方面進行歸納，比較系統(tǒng)的敘述了電主軸的設計理論。主要根據軸的主要參數選擇電機型號，主軸的剛度也影響電主軸的工作性能，在設計主軸部件過程中，需要考慮、傳動力、扭矩的作用，來決定主軸部件參數。主軸軸承的徑向剛度是隨著軸承預緊力的增加而增大，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)很關鍵。主軸的潤滑和密封的合理選擇也是電主軸的關鍵所在[4]，為提高加工精度和降低電機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
車銑復合加工技術是20世紀80年代工業(yè)歷史上發(fā)展起來的一種新型的數控加工技術，他是近代發(fā)展的主要標志，標志著現代數控加工技術的飛躍性發(fā)展，并成為20世紀90年代各個國家想整設計研究和發(fā)展的重要方向。車銑復合加工是指將車床加工與銑床加工結合在一起[5]，利用車銑復合運動對零件進行加工，可以實現零件的全部加工和一次性加工的先進加工技術，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)等大型產品的加工，也。采用銑車復合加工技術不但提高了機床的生產率，而言的話。車銑復合加工技術是一種高金屬去除率的“整體制造”技術，是新時代成長的標志，所以目前數控技術發(fā)展的重要方向就是車銑復合加工技術的實現[6]。
在當今市場一些工業(yè)發(fā)達國家對于車銑復合加工技術的應用相當熟練，處于高應用狀態(tài)。德國就會專門建立研究機構,從事車銑復合加工的設計與研究,并且德國的研究技術都在全球處于最前端的位置。美國在一些實際應用中就比較突出，比如航空行業(yè)，軍事產品制造等。使用車銑復合加工技術為了節(jié)省一半以上的生產時間，而尺寸和切削刀具的數量大大減少，成本是傳統(tǒng)加工的百分之一左右。
車銑復合加工機床的主要特點功能運用的范圍廣而且結構之間也很緊湊。因此，車床銑削機床的要求比普通機床的更高。為了使車銑機床可實現高速，高效率的一些關鍵技術，主要有以下5個方面[7]：
1.電主軸；
2.雙邊重心驅動技術；
3．雙功能銑車轉臺；
4．擺頭動力刀塔，銑車復合加丁中心電主軸熱態(tài)；
5．輕量化設計。
這其中，車銑復合加工機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合加工機床的工作性能，車銑復合加工機床電主軸在運轉過程中會產生大量的熱量，加大電主軸的溫升和熱變形，從而降低整個加工機床的精度。零件加工過程中，電主軸的高速旋轉，產生大量的熱能產生熱變形，整個熱變形產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?，F在車型復合加工技術的發(fā)展最關鍵的就是抑制溫升、減小熱變形。國內在電主軸研究和發(fā)展方面重要認識比較晚，國內電主軸技術的落后是導致中國銑車復合加工技術落后重要原因。圖1．1所示為立式銑車復合加工中心整體結構圖。
圖1.1立式銑車復合加工機床整體結構圖
1-Y軸直線導軌;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-回轉工作臺；8-轉臺底座；9-底座
1.2 車銑復合電主軸的概述
現代機床普遍精度不高，效率低，所以導致產品水平不高，但車銑復合加工機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，并且電主軸的結構簡單并緊湊而且體積小重量輕。是復合機床主軸單元的理想結構。數控車床只能做軸向加工，主軸并不具備c軸功能，當需要進行工件表面加工的時候，就需要用到c軸功能，所以需用到車銑復合加工機床車銑復合加工機床電主軸系統(tǒng)是由內藏式電主軸及高精度速度與位置反饋裝置組成，使機床的主軸具有C軸功能，機床在加工時直接帶動零件作旋轉運動并與機床的X軸或與機床的Z軸聯動，實現插補，完成零件的銑削加工[8]。
所謂車銑復合加工，就是使機床主軸具有復合加工的功能，主軸具有C軸功能，通過C軸傳動機構中的齒輪與主軸上的齒輪嚙合實現C軸功能，但齒輪之間的嚙合，會導致兩個齒輪的齒頂相碰，使機床出現故障,。用機械傳動的方式實現C軸功能，主要是在不用改變主軸箱的基礎上，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]。
為了更好的實現C軸功能的方式主要有三種。第一種由電主軸直接驅動，電主軸的驅動慣性小，傳動鏈的間隙徹底的消除了，當切削材質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量都會顯著提高，在切削一些高硬質材料的零件同樣滿足切削要求。第二種是伺服主軸電機由帶輪驅動，用帶輪驅動方式轉矩要比主軸的轉矩大，所以只能加工一些較大的零件。第三種用進給伺服電機經減速器驅動。運用減速器進行C軸功能的時候，有減速器的減速比會很大，導致主軸的扭矩也會變大，為了保持加工精度，機床的旋轉速度要求都會很高，會導致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,電主軸驅動的方式實現C軸功能是最好不過的。
1.3 國內外研究現狀和發(fā)展趨勢
20世紀80年代，電主軸已經呈現快速發(fā)展的的趨勢，我國最早電主軸應用在磨床行業(yè)，因此，電主軸技術是越來越重要，更是對復合加工機床等高檔機床更重要?，F在數控化行業(yè)快速發(fā)展，對機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水平成為全球最先進發(fā)展標志。這些公司生產的電主軸和國內生產的電主軸相比有以下幾個特點[10]：
(1)大功率、高轉速
(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)達的國家都開始研究并發(fā)展和生產各種商品化的加工機床。所以我國與國外的電主軸技術有很大的差距，國產電主軸在性能當面和質量綿綿與國外比較都是有很大的差距的。國內與國外的電主軸的產品的差距主要體現在以下幾個方面[11]：
1.在電主軸的大轉矩低速方面，與國外相比國內目前最多也就在100Nm以內。國外電主軸低速段的輸出轉矩可以達到300N m以上,最高也可以達到600Nm以上。
2.在電主軸帶的高速方面,我國電主軸的最高轉速為150000r / min，國外的高速電主軸的轉速已經達到75000r/min，不過我國大多數在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床，應用的不夠全面，但是與國內不同的是，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用的很多，但是在國內我們對于電主軸的應用還是不夠全面，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、主軸C軸傳動技術、停機角向準確定位(準停)技術等，國內電主軸發(fā)展技術太慢，遠遠跟不上國外的發(fā)展與進步，滿足不了國內現在數控市場應用的需要。
7.在生產的零件質量，大小，數量的方面，在我國有很多大的企業(yè)針對電主軸進行設計、研究和制造，但那是在我國電主軸 還主要應用于磨床的方面。在國內，電主軸在數控機床上應用，還處于最開始的階段，尤其在研究和設計方面還處于最基礎的階段，并沒有產生沒有多大進步，因此與國外的先進水準比較存在較大滯后，遠遠比不上國外的產品。并且國外的企業(yè)在電主軸關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品都是國外企業(yè)自主設計，研究并制造的，這就是國外最重要的地方。
電主軸技術的發(fā)展趨勢表現在以下幾個方面[12]：
1.繼續(xù)向高速度、高剛度方向發(fā)展；由于現在電主軸越來愈注重主軸當剛度的影響，所以都會增加主軸剛度，所以主軸剛度的增加也滿足了數控機床高速高精度的要求?，F代數控機床在實際應用出高速是主要條件，并且當今主軸軸承和器潤滑技術的發(fā)展等些主要的技術的發(fā)展，數控機床已經是當今最主要的應用機床。
2.向主軸高速并且功率大的方向和主軸低速且大轉矩方向發(fā)展。根據要求現代數控復合機床就要滿足低速大轉矩和高速功率大。
3.向著提高機床工作時間，提高機床的可靠性和機床的精度方向發(fā)展。現在數控機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、先進的潤滑方法和預負荷的特殊方法，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。在當今市場中，潤滑方式有油脂、油霧、油氣等。油脂潤滑是現在市場最主要的潤滑方式，油氣潤滑主要應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，而且還可以根據周周負載的載荷和主軸反饋的負載大小。因此可以讓軸承的性能更加全面。
1.4 課題研究主要內容
本課題的研究內容主要以車銑復合，高速，高精度的電主軸為主要研究目標。從實現電主軸的車銑復合，高速，高精度入手。
1、復合機床電主軸向高速化、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，分析主軸實際支撐跨距。
3、研究軸承的潤滑和磨損，還有主軸軸承預緊力影響剛度。從而對機床主軸結構的理解和分析。
4、根據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、車銑復合加工是我國現在主要的發(fā)展方向，車銑復合加工主要是使主軸具有C軸的功能。為實現復合加工機床C軸功能，機床在加工時直接帶動零件作旋轉運動并與機床的X軸或與機床的Z軸聯動，實現插補。比較三種實現c軸功能的方法，選擇出電主軸驅動的方式是實現C軸功能最好的方式。
第二章 電主軸系統(tǒng)方案設計
2.1 車銑復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
車銑復合加工機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，航空等復雜零件加工。當機床進行銑削加工時，工作臺會作為主軸，也就是具有C軸功能，實現機床的銑削加工。當機床進行車削加工時工作臺只做旋轉運動，對旋轉的位置不進行控制。作為C軸時時工作臺需要的驅動扭矩小，而作為車削運動旋轉時需要的驅動扭矩較大。具有更大的調速范圍并實現無極調速。
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的過程中產生振動的程度。電主軸中，轉子按主軸軸線旋轉，并轉子軸向分布質量不均勻，導致離心力的產生，這種離心力就會讓主軸產生振動，從而對主軸的軸承產生較大的磨損，影響軸承的使用壽命，并且主軸產生振動也會發(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的轉子上裝一個去重盤，當電動機轉自和主軸其他重要部件安裝在主軸，當主軸產生振動產生的時候，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場合。再點擊兩端安裝平衡盤，在平衡盤上設計有螺紋孔，在螺紋空內擰進螺釘，控制擰入落定的深度和回轉位置來使主軸實現動平衡。如圖2.1所示。電主軸的主軸是轉軸，電主軸的最終精度是和轉軸的精度息息相關的。轉軸的位置、尺寸和形狀精度的要求都很高。主軸在進行高速運轉時，會產生離心力，導致主軸會發(fā)生抖動，影響電主軸的加工精度，所以轉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包括：主軸的直徑、主軸內孔直徑、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，要根據比較主軸的剛度，主軸結構上工藝性能和主軸部件的適用范圍內的懸伸長度和支承跨距。通常根據主軸的剛度。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。車銑復合加工機床具有高精度，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
2.3.1主傳動功率
主軸端部尺寸GB/T 5900.1-2008 A28
根據表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
根據對比，主軸在強度一定下，空心軸的重量是遠遠比實心軸小，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為扭轉圓截面上的切應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力都會很小，發(fā)揮不了主軸材料的基本特性。當把實心主軸改為空心主軸的時候，就是相當于把主軸中心線周圍的材料往周邊偏移，然后導致主軸截面的極慣性矩抗扭截面系數，使主軸的扭轉強度得到了提高?？招闹羞m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，以免導致軸產生局部變形產生裂紋，從而降低軸的承載能力。因此，本車銑復合加工機床的電主軸的主軸一采用空心軸。
2.3.2主軸內徑的確定
查詢機械設計手冊6.1-85由圖可知，當時，內孔直徑的對主軸的剛度是沒有影響的，因此主軸內孔直徑d的極限dmax為：dmax<0.7D
此時K空>0.7K實，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為前軸頸內孔直徑。
所以選擇內孔直徑的：前內孔直徑d1=100mm、后內孔直徑 d2=85mm
根據主軸參數前軸直徑D1=130mm、后軸直徑D2=110mm
2.3.3主軸強度的計算
扭矩計算：
(2-1)
P—主軸的功率
n—主軸的轉速
(2-2)
主軸的極慣性矩計算：
(2-3)
D—主軸直徑
d—主軸內孔直徑
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計算：
(2-6)
D—主軸直徑
前軸的抗扭截面系數：
(2-7）
后軸的抗扭截面系數：
(2-8)
主軸的強度計算：
(2-9)
T—主軸的扭矩
Wt—主軸的抗扭矩截面系數
主軸前軸強度：
(2-10)
主軸后軸強度：
(2-11)
表2-2電機參數
表2-3電機型號
如表2-2和表2-3，根據主軸直徑和內孔直徑選擇電機型號Siemens 1PH2184，功率范圍p=14.5—17.kw，選擇最大的電機功率p=17.7kw、轉速 n=600r/min
以上公式均引用于機床設計手冊第三冊
2.4 電主軸檢測系統(tǒng)方案設計與確定
2.4.1車銑復合加工中心對電主軸系統(tǒng)旋轉精度的要求
主軸系統(tǒng)是機床的重要部件。所以主軸系統(tǒng)對主軸系統(tǒng)對于高速、精密的數控機床就顯得特別重要。主軸系統(tǒng)普遍采用內置電動機，而且內置電動機是現代國際數控機床的最新發(fā)展方向，電機定子安裝在主軸箱體的孔中，電機與主軸是一體的，所以取消了機械傳動并消除機械間隙。電主軸在如今數控市場應用的越來越廣泛。
電主軸中電機轉自和主軸由于是直接接觸的，電機工作會產生大量的熱量，熱量會傳遞給主軸箱，導致電主軸的精度，速度受到影響，所以必須選擇合適的溫升系統(tǒng)。
主軸的旋轉精度是指主軸在運轉過程中發(fā)生空載運動，主軸端面定位面的徑向跳動、端面跳動和軸向竄動值。
電機的轉子一般是處在前軸承和后軸承之間的，電機轉子是與主軸過盈配合的，由于是過盈配合，所以轉子與主軸之間產生較大的摩擦力，以摩擦力來傳遞扭矩。不過轉子內孔與主軸配合面之間有很大的過盈量，所以采用熱裝方式，加熱電機轉子裝配主軸。在電主軸的后端部會裝有一個位置和速度反饋裝置，讓主軸呈現主軸回轉全閉環(huán)狀態(tài)。
影響電主軸的旋轉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）隨機因素影響
（4）熱變形，電主軸在回轉過程中會產生熱量，然后導致熱變形
電主軸的回轉因素有許多，而且也特別復雜，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)進行精確的系統(tǒng)計算，對以下方面進行了考慮：
（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行回轉切削運動，刀具也會受到切削反力的作用，并且會隨著主軸的旋轉而旋轉，所以導致主軸上的某一地方也會繞著滾動軸承旋轉。
圖2.4
圖2.5
軸承的誤差的類型有很多所以對回轉精度也會產生不同的影響。如圖 2.5所示軸承本身的誤差可以分為四種：
1、在滾動軸承中會產生尺寸誤差，然后導致軸承內圈向某個位置偏離。一些大尺寸的滾動體會使得軸承內圈向對面偏離，讓軸承外圈與軸承出現誤差。
2、回轉性的主軸的滾到的圓度差別的影響往往是小于刀具旋轉型主軸的。有些軸承的滾到也是具有圓度誤差。在刀具旋轉型主軸當中，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。當遇到這種情況下，滾動體會受到主軸旋轉停止時的擠壓，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，主軸旋轉的時候同時帶動軸承內圈回轉，軸承滾動體也隨之旋轉。在滾動軸承中是會有許多滾動體的，當所有滾動體一起旋轉的時候，主軸的軸頸會產生不同位置的跳動，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，當壓力大于零界點的時候，主軸軸頸的回轉中心就會偏置。
4、在滾動軸承中滾道是有斜度的，并且使?jié)L動體與滾道產生巨大的磨損，從而影響到主軸的高速旋轉。而且滾到的斜度影響滾動體繞主軸中心公轉，使得滾動體的自傳變大，影響軸承的冷卻和潤滑。
2.4.2 主軸準停裝置的選擇
主軸的準停其實是指主軸的定位方向功能，也就是機床受到準停裝置發(fā)放準停命令的時候，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，主軸的準停功能就是自動換刀功能，使主軸與刀柄上的鍵槽對準，使主軸停轉并準確停在固定位置上。在車銑復合加工機床中，主軸的準停功是在加工過程中，使機床可以對零件平面的銑削加工，主軸做主運動外，可以做分度運動和圓周進給運動。車銑復合加工機床進行銑削加工時，機床主軸與C軸聯動，主軸保持緩慢旋轉或者停止狀態(tài)，這時候主軸是作為進給軸工作，在車削過程中，主軸是作為主運動進行旋轉，刀架作為進給軸進行軸向移動。
主軸的準停裝置有機械控制的主軸準停裝置和電氣控制的主軸準停方式。機械控制的準停方式定向可靠，精確，但結構比較復雜。電氣控制的準停方式主要由安裝在主軸上的編碼器實現，不需要機械部件，可靠性高，準停時間短，且有高的精度和剛性，
車銑復合加工電主軸的準停裝置是由安裝在主軸上的編碼器實現。實現方式主要由光柵式編碼器、磁性式編碼器和齒輪式編碼器。本車銑復合加工機床的電主軸的設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。冷卻水從冷卻水進口3流入復合電主軸的冷卻套，在電主軸中循環(huán)流淌，帶走在電主軸中產生的熱量，最后冷卻水從出水口6流出來。并且在機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的話，水溫控制會自動的加熱或者冷卻。電主軸在高速運轉下，內置電動機會產生大量的熱量，熱量傳遞到冷卻套上，冷卻再循環(huán)流淌的過程中帶走產生的熱量，以確保電主軸的溫升在規(guī)定之內。
1-主軸箱體；2-冷卻套；3-冷卻水進口；4-定子；5-轉子；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電主軸結構
第三章 電主軸組件設計和選用
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的距離。主軸懸伸量與主軸端部的結構，大小，密封裝置和軸承的分布情況等有關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之間的距離。
根據表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 （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
主軸部件設計通常取支撐跨距除了結構設計原因外，從主軸旋轉精度來看，當直徑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。當由于結構的原因而需要L遠大于L0時，可增加中間支撐，就是三支撐結構。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。選擇實際跨距L0=476。
3.2 確定主軸切削扭矩
主電機主要滿足負荷切削的要求，現假設如下切削條件：
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 主軸的材料以及結構尺寸的設計
主軸的材料一般根據強度，耐磨性和承載能力來選擇。本設計是針對車銑復合加工機床電主軸來選擇主軸材料。所以本主軸材料選擇20GrMnTi。
圖3.2主軸結構
如圖3.2所示，主軸的前端是根據端部尺寸GB/T 5900.1-2008-A28選擇，主軸外圈直徑、內孔直徑以及主軸長度的選擇根據本論文第二章第三節(jié)設計選擇。在主軸1和5處會設計一段螺紋，并裝安裝鎖緊螺母，實現軸承的預緊；在主軸2處，設計一個平鍵連接，使主軸與法蘭座實現周向固定；在主軸3和5處主軸設計成臺階，實現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 主軸平均轉速分析
轉速r//min
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
與機床總運轉時間之比
0.1
0.1
0.15
0.15
0.15
0.15
0.1
0.1
根據表3-2求平均轉速
(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。電主軸結構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。根據軸系零件定位形式不一樣，軸的支撐結構可分為三種型式：兩端游動支承，一端固定、一段游動支撐和兩端固定支撐。
電主軸的結構設計采用兩端固定支承，在采用兩端固定支承時，應該留出適當的間隙，用來補償工作時軸的熱伸長量，同時應該提供適當的調整間隙方法。我采用角接觸軸承，可以通過調整螺母來調整軸承之間的間隙，讓主軸能夠實現正常運轉。
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速，電主軸的轉速在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，本設計主軸在運轉的過程中，也會產生軸向力和徑向力，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，根據接觸角的不同會有許多差距，當的軸向剛度較所以徑向剛度和允許的轉速也會很低。當的時候，主軸轉速可以更高些，不過會導致軸向剛度較低，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 主軸軸承間隙的調整和預緊
角接觸球軸承通常為點接觸，剛度較也會比較低。為了提高軸承的承載能力和剛度，常用多聯組配的辦法。如圖3.10所示的是在當今應用中最主要的三種裝聯配置方式，分別是面背對背、面對面、串聯三種。
背靠背 面對面 串聯
圖3.10軸承的裝配方式
軸承在預緊之后，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致主軸的精度得到提高。軸承中的滾道是不可以保持標準圓形的，滾動體的直徑也是不能保持相等，所以結果就是軸承在預緊前只能保持少量滾道和滾動相接觸。軸承預緊后，會使得軸承的滾道和滾動體受到壓力導致變形，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、回轉精度精度、剛度。不過軸承預緊后，會使熱量增加，發(fā)熱的會更多，導致溫升提高；從而軸承預緊會導致軸承壽命下降，所以要合理的軸承預緊。
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，外圈產生軸向錯位實現預緊。多聯角接觸球軸承是根據預緊力組配的。并且現在的軸承廠規(guī)定了輕預緊、中預緊、重預緊三種級別預緊。軸承廠在內圈（背靠背圖b）或 外圈（面對面圖c）組配，圖c的斷面根據預緊力磨去。裝配時擠緊，便可得到預定的預緊力。在軸向載荷作用下，不受力側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緊力，雙聯組配為最大軸向載荷的35%；三聯組配為最大軸向載荷的25%。
（a） （b） （c）
圖3.11軸承的預緊
以上公式都選自機床設計手冊第三冊和現代數控機床第二版
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床轉速中等的場合。例如THM6350型精密臥式加工機床主軸后支承，就是采用這種強制冷卻的有液循環(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。當油氣潤滑空氣壓力高和流量大的時候可產生冷卻作用。比且油氣潤滑可以防止冷卻液和雜志顆粒進進入主軸軸承。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 電機的冷卻
內置式電動機組成主要是帶冷卻套的定子和空心轉子，帶冷卻套的定子是直接安裝在主軸的殼中的，而空心轉子通過過盈配合的形式直接套裝在主軸上，從而導致變頻電動機和主軸的是合為一體的。車銑復合電主軸因為是采用內置式主軸結構，所以電動機是在電主軸箱體內，電主軸內部不能裝電扇散熱，所以導致電主軸內部散熱條件較差．因而這樣需要一一些冷卻措施降低電主軸電機的發(fā)熱。
到目前為止，現在電主軸基本上運用的就是冷卻水循環(huán)控制系統(tǒng)的溫升或者是運用油冷卻裝置控制冷卻油在主軸軸承外強制冷卻，這屆帶走電機在旋轉過程中產生的熱量。圖4.2所示為本設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過程中產生熱量。在冷卻的過程中，要考慮電動機的絕緣安全，要對定子進行連續(xù)大量地循環(huán)油冷。冷卻油從油液入口進入，把從電機釘子上產生的熱量直接帶走然后從出油口流出來，經過冷卻交換器把水油冷卻到室溫，最后在流入油箱，之后經過油泵增壓流到油液進口，實現電主軸的循環(huán)冷卻。
圖4.2冷卻原理圖
4.3 主軸的密封
對于車銑復合電主軸來說，軸承在運轉的過程中，主軸箱里會產生許多細小顆粒物進入軸承中，從而導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生巨大的影響。由于電主軸的電動機為內置式電動機，電機運轉過程中削液會少量進入主軸，導致里面會過分潮濕、而且一些粉塵也會使電動機繞組的絕緣變差以至于失效，然后可能會燒毀電動機。因此電主軸必須防塵防潮而且也必須防止切削油進入主軸。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構。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，所以在運轉的過程中會產生磨損，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，雜質顆粒進入軸承。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。所以本設計采用的是迷宮式密封圈進行密封。如圖4.3所示。
1-法蘭座；2-主軸
圖4.3 迷宮式密封
第五章 技術經濟分析
5.1 技術經濟分析的目的與意義
技術和經濟分析是一種增加經濟收益，促進作技術成長的為目標的科目，雖然在整個科學技術和經濟學兩個不同的領域，兩者之間相輔相成，當一個國家的技術進步了，那就會成為國家發(fā)展重要一部分，所以經濟的快速成長是作為技術發(fā)展的材料基地。
科技與經濟的使用成本會計等相關信息，成本分析（人力，物力，財力）水平和結構的變化。在當今社會經濟快速發(fā)展，所以國內也非常注重科技上的研究，但是研究成本會是最大的阻礙，在本設計車銑復合電主軸當中，電主軸當中電機、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。做好成本分析是現在最關鍵組成部分，企業(yè)在做好成本分析的時候，廠家會正確的經濟分析產品最開始的投入，能夠預見企業(yè)生產的產品可以給企業(yè)帶來多少利潤。一家公司如果可以合理的進行成本分析，就可以成為企業(yè)實現盈利的最重要的依據。
成為合格的設計人員，在相關部分的設計，但也考慮到的因素的成本，成本分析是關系到企業(yè)帶來經濟利益。
5.2 成本材料分析
5.2.1 非標準件
表5-1非標準件外購費用
序號
名稱
材料
數量
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
非標準件外購總費用為221.5元
5.2.3 標準件
裝配圖中標準件的統(tǒng)計，如表5-3所示。
表5-3標準件外購費用統(tǒng)計
序號
名稱
規(guī)格
數量
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
內六圓柱頭螺 釘
M12×30
6
0.01
13
螺母
M20
8
1