木工机械用高速电主轴设计与性能分析

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1、第二章木工机械用高速电主轴的结构设计木工切削机床由于与普通的金属切削机床的工作条件不一样，加工的材料是木材或者木质复合材料，木材纤维与金属材料不同，没有均匀的金相组织，而是具有一定的方向性，加工时切削力的波动较大。／j口7-环境粉尘比较多，木材加工不允许液体润滑与冷却以防止污染成品。因此木工电主轴要经过特殊设计，它与金属切削电主轴相比，大致有以下特点：1、金属切削电主轴允许采用冷却液对切削区进行冷却和排屑以及对轴承进行油润滑和对电机定子进行强制冷却，而木材很容易受液体污染，所以木工机械一般要求采用强力抽风设备来抽取切屑过程中

2、产生的粉尘，采用风冷方式来对电主轴进行散热。2、主轴密封要求比一般电主轴要求更高。因为木工机械和金属切削用的加工对象不一样，切削过程中会产生大量的粉尘，因此木工机械用电主轴的使用环境比金属切削电主轴要恶劣，密封要求就更高。3、木工机床由于工作环境、外型和生产成本的因素，决定了木工机械用高速电主轴不能完全使用和金属切削用高速电主轴一样的轴承。磁浮轴承价格昂贵，控制系统复杂，发热问题不易解决，通常只用在特殊的场合，在超高速主轴单元上大面积推广并不实用∞3。空气动静压轴承是～种综合了动压轴承和静压轴承优点的新型多气腔轴承，但是这种

3、轴承必须专门进行设计，单独生产，标准化程度低，维护也困难。目前，只在超高速微小切削电主轴上采用。角接触球轴承可同时承受径向和轴向载荷，具有刚度高，高速性能好，结构简单紧凑，标准化程度高，便于维修和更换等优点，因此在电主轴中得到最广泛的应用。但滚球高速运转时会产生巨大的离心力和陀螺力矩，其所造成的动载荷常常超过机床的切削负荷，引起主轴振动和寿命下降。解决这一技术难题的最佳方案是采用混合式陶瓷球轴承。即滚球用Si。N4陶瓷材料制造，而轴承的内、外圈仍采用刚质材料。混合陶瓷球轴承可以安全地采用脂润滑，能很好的满足生产要求。为了提高

4、轴承的刚度和承载能力，可以两个或多个混合陶瓷球轴承组配使用。2．1主轴设计针对木工机械用高速电主轴的特性，完成轴承的选型，配置，完成主轴主要结构参数的计算，完成电主轴单元的初步结构计算。主轴设计工作大致路线如下图。4广东工业大学工学硕士学位论文2．1．1主轴的选材木工机械和金属切削用的加工对象不一样，切削过程中会产生大量的粉尘，因此木工机械用电主轴的使用环境比金属切削电主轴要恶劣。木工切削机床由于与普通的金属切削机床的工作条件不一样，加工的材料是木材或者木质复合材料，木材纤维与金属材料不同，没有均匀的金相组织，而是具有一定的

5、方向性，加工时切削力的波动较大。普通主轴的设计要求不能满足木工机械用电主轴特点。必须要针对木材加工的特点来进行设计。轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较小，所以应用较为广泛。常用的碳素钢有30---50钢，最常用的是45钢。为保证其力学性能，应进行调质或正火处理。不重要的或受力较小的轴以及一般的传动轴可以使用Q235～Q275钢。合金钢具有较高的机械强度，可淬性也较好，可以在传递大功率并要求减少质量和提高轴颈耐磨性时使用。常用的合金钢有38CrMnAl、12CrNi2、12CrNi3、20

6、Cr、400r和38SiMnMo等。本设计主要是设计木加工的高速电主轴，选用的材料为38CrMnAl。这种材料，表面有第二章木工机械用高速电主轴的结构设计较高的硬度，耐磨，内部的综合的机械性能优良。具有良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。广泛应用于轴类、活塞类零配件和汽车、飞机各种特殊耐磨零配件等。即能满足木工机械切削条件，又具有一定的经济性。2．1．2主轴前轴颈直径D1：在确定主轴参数时，要从静刚度条件出发来决定主轴参数，也就是说，主轴的计算主要是从刚度观点来考虑。一般认为，刚度够了强度也就够了，刚度足够则主轴的

7、抗振性能好，维持几何中心位置的能力强，从而对被加工件的几何精度、表面粗糙度和生产率的提高都直接起着良好的作用。关于确定主轴前轴颈直径D1的方法有很多，在本设计中参考了国内外电主轴生产厂家技术资料，根据本课题所需要选用的电机，拉刀结构，风扇等外购件的尺寸参数，来初步确定该设计的主轴当量直径。2．1．3前端切削力P根据木材加工典型切削条件下，现就本课题的电主轴在进行精加工时，即主轴转速为25000r／min，分析在切削力作用下主轴的承载情况。切削力(圆周平均切削力)可用下式计。尸=—2x9155-

8、7上式中P一切削力，单位：N凡一电机的额定功率，单位：KW玑一主传动系统的效率，r／=0．98耽一主轴转速，单位：r／min及一计算直径，单位：mm；Dc2(o·5～o·6)D一，D础一最大加工尺寸2．1．4主轴前伸量确定主轴前支承点到主轴前端的距离称为前悬伸，前后支承点之间的距离称为跨距