4 辅助系统的设计
耗。
循环磁化时单位质量的磁损耗：
2 (4-3) Pt=CfBmax式中：Pt——磁滞损耗功率，单位为：W； C——与电工钢牌号有关的常数； f——磁化频率，单位为s?1；
Bmax——磁感应强度的最大值，单位为：T。
a根据资料可知：由于使用的是硅钢片，因此当：Bmax=1.0～1.6T时，a=2。将：
f=1333.3Hz；C=2.2及Bmax=1.6T代入可得：
Pt=4.6KW
转子铁心的磁损耗由转差率来确定，它的值很小，可以忽略不计。 涡流损耗：
?2t2(fBmax)2 (4-4) Pw?6?rc式中：
Pw——涡流损耗功率，单位为：W； t——硅钢片厚度，单位为：mm； rc——铁心的密度，单位为：kg/m3； ?——铁心的电阻率，单位为：??m。
根据资料可知：t=0.5mm；rc=4.85g/cm3；?=9.78?10?8??m可得：
Pw?3.9KW
4.1.6 陶瓷球轴承的发热计算：
滑动轴承的摩擦损耗和所用润滑油的粘度及品质、轴颈的圆周速度、工作表面的加工质量以及轴颈直径和长度之比等因素有关。
滚动轴承的摩擦损耗可以用的数值公式为:
FPf?0.05??10?5 (4-5)
d式中：
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西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）
Pf——滚动轴承的摩擦损耗,单位为：W； F——轴承的载荷，单位为：N；
d——滚子中心所处的直径，单位为：m； ?——滚珠中心的圆周速度，单位为：m/s； 根据计算可知：F=66.4N；d=21.3mm；?=45m/s；
Pf?0.069W
因此：总的发热功率为P:
P=Pn+Pe+Pt+Pw+Pf (4-6)
=297.4KW
4.2 冷却液流量的及冷却油管直径的确定
4.2.1 引言
电主轴常用的冷却方式是利用循环冷却水降低主轴系统的温升，高速电主轴的冷却系统主要依靠冷却液的循环流动来实现。高速电主轴的冷却系统分为外水套和内水套两种：大型电主轴功率大，电动机发热量多，采用内水套式冷却系统强化电动机定子的冷却；小型电主轴采用外水套式或定子和轴承均带水套的方式冷却，此外也可以经过油冷却装置的冷却油强制性地在主轴定子外及主轴轴承外循环，带走热量。
4.2.2 冷却液流量的确定：
由于采用油冷装置，因此冷却液选用乙二醇水溶液。流量的计算如下：
Tout=Tin+
式中：
Q (4-7) ??CP Tout——冷却液出口温度，单位为：?C； Tin——冷却液入口温度，单位为：?C； ?—— 液体的密度，单位为kg/m3； ?——冷却液体流速，单位为：m/s；
Cp——冷却液体的比热容，单位为：KJ/Kg?k；
根据设计要求：电主轴的工作温度不能高于40度，因此Tout=35?C；Tin=0?C；
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4 辅助系统的设计
?=1013.34kg/m3；Cp=3.972KJ/Kg?k；将上面的数据代入，可得：
?=2.1mm/s
4.2.3 管道的尺寸确定
应根据冷却液的流速来确定，计算公式如下：
d=18.8
QV? (4-8)
式中：
d——管道的尺寸，单位为:mm； QV——Qv为流量，单位为：m3/h； ?——冷却液体流速，单位为：m/s； 流量的计算：
QV=S?? (4-9)
式中：QV——流量，单位为：m3/h； S——管道的面积,单位：m2； ?——冷却液体流速，单位为：m/s； 初定冷却管的直径：D=5mm；代入可得:
QV=1.0?10?4m3/h
将：QV=1.0?10?4m3/h，代入式d=18.8
QV?可得：
d?4.1mm；因此d=5mm满足设计要求。
4.3 润滑系统的选择：
常用的润滑方式有：油脂润滑，油雾润滑和油气润滑，其中油雾润滑对环境污染大，会对工作人员造成健康伤害；油气润滑润滑效果最好，润滑的同时能对轴承进行冷却，常用于超高速电主轴，而且该润滑方式需独立设计润滑系统，成本高昂结构复杂；脂润滑是最简单的润滑方式，选择合适的润滑剂能保证轴承的稳定工作，同时由于采用陶瓷滚珠，大大减少了轴承系统的温升，加上系统额定转速为20000r/min；系统 Dn 值为4.3?105，因此选择白色特种锂基脂做为本文所设计的电主轴的润滑方式。
4.4 电主轴轴壳的尺寸
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西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）
4.4.1 引言：
轴壳是高速电主轴的主要部件。壳体的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精度。因此应该严格控制整机装配精度。
4.4.2 轴壳的尺寸
轴壳尺寸如表4-1所示：
表4-1 轴壳尺寸
名称 壳体壁厚 壳盖壁厚 地脚螺钉直径 地脚螺数目 轴承旁联接螺栓直径 连接螺栓d2的间距 定位销直径 壳座和壳盖联结螺栓直径 轴承端盖螺钉直径 壳座凸缘厚度 壳盖凸缘厚度 壳座底凸缘厚度
尺寸 10mm 10mm M12 4 M10 80mm GB/T117 10?60 M6 M6 15mm 15mm 25mm
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5 结论与展望
5 结论与展望
本论文以高速数控机床电主轴结构为设计对象，对额定工作条件下工作的数控机床电主轴的结构进行设计。通过对额定功率和额定转速的分析及计算，分别进行主轴电机驱动和控制形式的选择、混合陶瓷球轴承的选择、电主轴主轴的设计、转子定子的设计、冷却系统的设计、润滑系统的设计及电主轴轴壳尺寸使其达到相应的设计要求。通过本次设计可以清楚的了解到数控机床电主轴是一个很精密机械设备，其每一部分的精度及误差都将会影响到电主轴的工作性能。
在设计的过程中，首先根据额定功率和额定转速计算出轴端的最大的扭矩，根据转速与转矩，功率与转速的关系，选定合适的控制形式与驱动方式，其次根据转速和功率确定电主轴的最小迟寸，根据最小尺寸确定整个主轴的径向尺寸，同时为了让满足轴端最大转动惯量的要求，对整个轴的轴向尺寸进行设计，使轴端跨度及外伸满足设计要求。在主轴的尺寸确定之后，根据主轴的径向尺寸确定轴承的选择，由于数控机床电主轴的转速为20000r/min,因此轴承将产生很大热量。由此可选择由GMN公司生产的混合陶瓷球轴承，此轴承的滚珠是由陶瓷构成的，因此摩擦系数小，由摩擦产生的热量也因此降低而且为了保证轴端的最大转动惯量，轴承采用的双排列的方式。同时在主轴径向和轴向尺寸确定电主轴转子的尺寸，由于电主轴转子和主轴是由过盈配合进行驱动，因此选择合适的配合形式，在选择合适的配合形式之后，对定子进行校核，在主轴与转子的过盈量处于最大时，以确定转子不被破坏。在轴承选定之后，根据轴承所受的压力对轴承的寿命进行估算，以确定所选的轴承的寿命可以达到设计要求。由于数控机床电主轴处于密封的状态之下，而且其转速为20000r/min，因此发热量也很大，需要有专门的散热装置，根据发热分析及相应的计算，可以确定总发热量，根据总发热量确定散热系统的流速。最后设计电主轴的箱体尺寸。
在这个日新月异的时代，数控机床电主轴的转速会更高，可以达到100000r/min甚至更高，而且其发热量会越来越少，在不久的将来会出现不需要外置冷却系统的电主轴。其尺寸也会变的更小，其将代替脉冲电机或者步进电机成为工业机器人和机械臂的主要驱动装置。而且数控机床电主轴将会标准化和产业化。在数控机床电主轴系统的中，其组成的各个零部件也将会出现产业化和标准化，特别是数控机床电主轴的两大重要组成部件：空心电机和轴承。 在今后数的十年间，数控机床电主轴的发展将不可估量，其在制造领域带来的革新将会颠覆传统的制造业。虽然3D打印技术也在不断地发展中，但其也存在不少的缺陷。就大规模的制造而言，数控技术将会在未来的制造业中占有举足轻重的作用。同时，高速加工技术也将是各国在制造领域争夺的制高点。
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