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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 33 頁 共 33 頁
空間凸輪精加工專用磨床主軸箱設(shè)計(jì)
目 錄
1.1 課題背景及目的 2
1.2 國內(nèi)外研究狀況 2
1.3 研究方法 3
1.4 主軸箱構(gòu)成及研究內(nèi)容 3
2.1 機(jī)床的特點(diǎn) 4
2.2 機(jī)床改造的主要任務(wù) 4
2.3 主軸系統(tǒng)改造的結(jié)構(gòu)分析及確定 5
2.4 動靜壓軸承 6
2.5 主軸箱結(jié)構(gòu)形式的選擇、分析 7
2.5.1 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 7
2.5.2 供油系統(tǒng) 8
2.5.3 供油系統(tǒng)類型的選擇與分析 8
3.1 前軸承結(jié)構(gòu) 11
3.2 后軸承結(jié)構(gòu) 17
3.3 選擇、計(jì)算供油裝置 22
參 考 文 獻(xiàn) 30
1 引言
機(jī)床運(yùn)動部件支撐的好壞，在相當(dāng)大的程度上決定著機(jī)床的性能和質(zhì)量。就其中的軸承而言，可分為兩類：一是滾動軸承；二是滑動軸承[1]。液體滑動軸承便是滑動軸承中的一種。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，一般軸承已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工藝精度和高效益的要求。近幾年來，在液體靜壓軸承和液體動壓軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的動靜壓軸承在適應(yīng)上述要求方面正嶄露頭角?；瑒虞S承可以分為流體動壓潤滑軸承（簡稱動壓軸承）、流體靜壓潤滑軸承（簡稱靜壓軸承）和動靜壓軸承[2]。這三種軸承的主要特點(diǎn)及特性簡述如下：
（1）液體純動壓軸承及其特點(diǎn)
動壓軸承是依靠被潤滑的一對固體摩擦面間相對運(yùn)動使介于固體間的潤滑流體內(nèi)產(chǎn)生壓力（這種現(xiàn)象稱為動壓效應(yīng)）以承受外載荷，從而免除固體間的相互摩擦而起到潤滑作用[3]。動壓軸承的承載能力較大，剛度較高，且有吸振能力。但是由于動壓油墨的形成與兩摩擦面間的相對運(yùn)動速度有關(guān)，當(dāng)相對運(yùn)動速度不足時（如啟動、制動、載荷大轉(zhuǎn)速低時）便不再處于完全液體摩擦狀態(tài)，造成主軸和軸承較大的摩擦和磨損。
（2）液體靜壓軸承及其特點(diǎn)
靜壓軸承是利用高壓油泵在軸和軸承之間注入高壓油，依靠油壓使軸浮起，想成完全液體潤滑油膜[4]。靜壓軸承具有摩擦阻力小,使用壽命長，轉(zhuǎn)速范圍廣，吸振性能好，回轉(zhuǎn)精度高等優(yōu)點(diǎn)。但由于油泵供油壓力的限制，靜壓軸承具有相對承載力較低，剛度較小等缺點(diǎn)。
（3）液體動靜壓軸承及其特點(diǎn)
動靜壓軸承是在靜壓軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型軸承。它是既綜合了液體動壓軸承和靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn)又克服了二者缺點(diǎn)的高技術(shù)產(chǎn)品，是液體動壓軸承和靜壓軸承的完美結(jié)合。它利用孔式環(huán)面節(jié)流和淺腔節(jié)流串聯(lián)使壓力油進(jìn)入油腔中產(chǎn)生足夠大的靜壓承載力，將主軸懸浮在高壓油膜中間，從而克服了液體動壓軸承啟動時出現(xiàn)的干摩擦，提高了主軸和軸承的使用壽命及精度保持性[5]。主軸啟動后，依靠淺腔階梯效應(yīng)形成了巨大的動壓承載力，它和靜壓承載力迭加大大提高了主軸剛度。高壓油膜的均化作用和良好的抗震性，保證主軸具有極高的旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性[6]。
1.1 課題背景及目的
在我國機(jī)械行業(yè)中五六十年代生產(chǎn)的機(jī)床占有很大的比例，因而，利用技術(shù)改裝，修理舊機(jī)床可以較好的恢復(fù)和提高機(jī)床的精度。對加速我國的機(jī)械行業(yè)技術(shù)及設(shè)備的現(xiàn)代化有著較為重要的意義。
本次設(shè)計(jì)的目的主要是利用動靜壓軸承在保證轉(zhuǎn)速和一些重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，凸輪精加工專用磨床主軸箱設(shè)計(jì)。另外，在對動靜壓軸承的有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時，對求解動靜壓軸承的壓力場分布的差分法以及求解過程中的一些具體問題進(jìn)行力所能及的研究和探討。
1.2 國內(nèi)外研究狀況
七十年代末，與國內(nèi)外學(xué)者同時提出動靜壓軸承結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)首先開發(fā)了動靜壓軸承主軸系統(tǒng)，并形成批量生產(chǎn)；在國際上首次提出圓錐浮環(huán)動靜壓軸承，徑向—推力聯(lián)合浮環(huán)動靜壓軸承結(jié)構(gòu)；在國際上首次得到了有限長滑動軸承的Navier—Stokes解。在理論研究和應(yīng)用研究上均有所突破。
隨著靜壓軸承的應(yīng)用和研究的深入，對靜壓軸承在高速使得動壓效應(yīng)，引起重視如何很有效的利用節(jié)省能源是個值得重視的問題，對磨床而言高速旋轉(zhuǎn)所帶來的動靜壓效應(yīng)是個不可忽視的問題，并在動態(tài)的性的研究中得到不同的截流器雖然靜態(tài)油墨的港督不同，但在高頻下游幾乎相同的動剛度，而油腔的結(jié)構(gòu)確實(shí)決定動剛度的主要因素，于是展開了磨床東靜壓軸承的研究。
八十年代中期，隨著國家體制改革的深入和動靜壓技術(shù)的成熟，設(shè)備改造的需求促使我國液體動靜壓軸承主軸部件出現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn)：北航成立的背景中航設(shè)備改造研制廠從對于航空系統(tǒng)的企業(yè)中的舊設(shè)備技術(shù)改造入手，逐漸形成磨床，金剛鏜床主軸軸承單元商品化進(jìn)入小批生產(chǎn)。上海機(jī)床廠在七十年代末期起對各類磨機(jī)進(jìn)行改造，效果顯著，上海引進(jìn)設(shè)備維修中心、德堡及有限公司對扎混跡磨床等各類磨床及多軸鏜床等進(jìn)口進(jìn)行改造收效良好；廣州機(jī)床廠的需也供應(yīng)部分主軸部件商品。
我國動靜壓軸承的現(xiàn)狀來看應(yīng)屬世界先進(jìn)水平，這可以從各國的動靜壓軸承發(fā)表的文章及應(yīng)用情況中看出，如對外節(jié)流的奪油鍥東京滑動軸承來說：無論是日本的豐田、琦玉大學(xué)的結(jié)構(gòu)及美國的專利，雖然有些類似于HSDB-R類中的油腔內(nèi)回油等某些結(jié)構(gòu)，但發(fā)表的時間要比HSDB-R 遲的多，結(jié)構(gòu)布局上從在許多不到之處。在應(yīng)用上比國外多得多。
1.3 研究方法
機(jī)床床身剛性及熱變形都優(yōu)于M1432A，工作臺的潤滑為小孔節(jié)流卸荷形式。砂輪主軸加粗，電機(jī)功率加大。砂輪架油池溫升小，磨削率高。本次設(shè)計(jì)主要是在此機(jī)床的基礎(chǔ)上對主軸系統(tǒng)進(jìn)行動靜壓軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此來提高磨床的加工精度。（利用差分法求解動靜壓軸承的壓力場分布和靜態(tài)特性參數(shù)）。
1.4 論文的構(gòu)成及研究內(nèi)容
本次設(shè)計(jì)主要是對空間凸輪精加工專用磨床主軸箱進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并進(jìn)行主軸優(yōu)化改造設(shè)計(jì)。主要包括外圓磨床主軸系統(tǒng)靜壓軸承改裝、動靜壓軸承的有關(guān)參數(shù)選擇及計(jì)算兩大內(nèi)容，主要研究內(nèi)容是動靜壓軸承的性能分析以及在外圓磨床主軸系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2 外圓磨床主軸系統(tǒng)靜壓軸承改裝
該機(jī)床床身剛性及熱變形都優(yōu)于M1432A，工作臺的潤滑為小孔節(jié)流卸荷形式。砂輪主軸加粗，電機(jī)功率加大。砂輪架油池溫升小，磨削率高。
2.1 原機(jī)床的特點(diǎn)
機(jī)床工作臺的縱向移動，砂輪架快速進(jìn)退，砂輪自動周期進(jìn)給等均由按鈕操作電氣、液壓控制。機(jī)床具有工作臺手動機(jī)構(gòu)，砂輪架手動進(jìn)給機(jī)構(gòu)和腳踏尾架頂尖后退裝置。頭架在逆時針方向90度范圍內(nèi)可作任意角度調(diào)整。擺動頭架或工作臺或砂輪架的角度即可磨削不同錐度的內(nèi)外圓錐形工件。將砂輪架體殼上的內(nèi)圓磨架翻下即可磨削內(nèi)圓零件。自有6套內(nèi)圓磨桿供選擇使用。機(jī)床采用具有各運(yùn)動部件的電器，液壓聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，能確保操作安全。砂輪架，內(nèi)圓磨俱都裝有可靠的安全護(hù)罩。
2.2 原機(jī)床改造的主要任務(wù)
由于機(jī)床為五、六十年代產(chǎn)品，已在生產(chǎn)中使用了三十余年，主軸前、后封由盤等零件均有一定程度的磨損，易產(chǎn)生振動，嚴(yán)重影響機(jī)床性能。產(chǎn)生磨削粗糙度達(dá)不到產(chǎn)品技術(shù)要求，且磨損平面有較大、明顯的振紋。因而對機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行改造是很有價值的。
本次設(shè)計(jì)主要任務(wù)是：
利用動靜壓軸承在保證轉(zhuǎn)速和一些重要結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改裝M1432B磨床的主軸系統(tǒng)，另外，在對動靜壓軸承的有關(guān)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
磨床改裝后的特點(diǎn)是：
1、采用有腔動靜壓軸承，在零速時與固定節(jié)流靜壓軸承相似，旋轉(zhuǎn)時類似于靜壓軸承與動壓軸承共同作用。
2、保留了原機(jī)床砂輪架殼體，前后軸承裝載一個套筒內(nèi)，便于整體拆裝，為修理提供方便。
3、本次設(shè)計(jì)采用圓臺內(nèi)部節(jié)流的形式。
2.3 主軸系統(tǒng)改造的結(jié)構(gòu)分析及確定
圖2.1 動壓軸承運(yùn)行時的狀態(tài)
原機(jī)床主軸采用動壓軸承支撐。如圖2.1，O1是圓的中心，O2是軸承內(nèi)孔的中心，當(dāng)O1O2重合時，軸和軸承間有一間隙h0，稱為設(shè)計(jì)間隙。軸承運(yùn)行時，軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)，在載荷W的作用下，軸心O1和軸心O2相互偏離，我們稱ｅ=O1O2為偏心距。O1O2與載荷W的夾角a稱為偏位角。潤滑油從供油系統(tǒng)中進(jìn)入油腔內(nèi)。由于潤滑油具有粘性，潤滑油將隨軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)入間隙內(nèi)，順著旋轉(zhuǎn)方向，間隙越來越小，潤滑油被擠壓，而產(chǎn)生壓力，直道間隙最小處，潤滑油被擠得越來越厲害，油膜壓力因而越來越大。這些油膜壓力的總和就形成軸承的承載力與外載荷W平衡。經(jīng)過間隙最小h min 處后，間隙越來越大，潤滑油不再被擠壓，油膜壓力因而消失。這些油膜壓力作用在軸上的總和形成軸承的承載能力以平衡外載荷。從上面動壓軸承的運(yùn)行機(jī)理中，可以看出動壓軸承的一些特點(diǎn)：
① 具有一定的初始間隙h0；
② 所用的潤滑油有一定的黏度；
③ 軸表面和軸承表面有一定的相對速度；
④ 工作時，有一個偏心距。
這四個基本特征中，少了任何一項(xiàng)都不能形成動壓效應(yīng)，因而也就不成為動壓軸承。動壓軸承存在著低速是不能夠產(chǎn)生完整的流體膜而處于邊界潤滑的狀態(tài)，形成軸與軸承間的干摩擦，降低機(jī)器的加工精度[7]。
針對上面動壓軸承的缺點(diǎn)，改進(jìn)的方法有：使用①靜壓軸承支承；②動靜壓軸承支承。
2.4 動靜壓軸承
我們知道動壓和靜壓軸承分別依靠軸轉(zhuǎn)動和外供壓力油在軸承間形成一層壓力油膜，從而處于液體摩擦下工作的。動壓軸承結(jié)構(gòu)簡單，但油膜的形成和保持無一定的條件，故使用范圍受一定的限制。靜壓軸承雖然使用廣泛，但油膜的動力效應(yīng)沒有利用，這一點(diǎn)在使用場合有為明顯[8]。
圖2.2 軸承油腔示意圖
動靜壓軸承兼有動壓和靜壓軸承優(yōu)點(diǎn)。如圖2.2所示，它既有動壓腔，又有靜壓腔，當(dāng)靜止或旋轉(zhuǎn)速低于臨界值時，靜壓供油系統(tǒng)向靜壓腔送入高壓油，將軸托起并承受載荷，使軸承處于完全液體摩擦狀態(tài)，這樣避免了在啟動，停車和低速運(yùn)行時的干摩擦或半干摩擦狀態(tài)，減少了其動力矩和軸承的磨損，當(dāng)軸在高速下運(yùn)轉(zhuǎn)時，由動壓油系統(tǒng)向動壓腔送入低壓油，使軸承在動壓效應(yīng)下工作[9]。若動壓效應(yīng)仍不能形成足夠的承載能力，則可同時向動壓和靜壓腔供油，使軸承同時具備動壓效應(yīng)和靜壓效應(yīng)兩種作用，提高軸承承載能力。
有上述動靜壓軸承的工作原理可看到，動靜壓軸承結(jié)構(gòu)上具有如下的特點(diǎn)：
1、與動壓軸承相比，具有靜壓腔。
2、與靜壓軸承相比，具有足夠大的動壓滑動面，靜壓腔個數(shù)較少，尺寸較小。
3、可同時具有兩套供油系統(tǒng)，且靜壓系統(tǒng)壓力較高。
4、靜壓腔的個數(shù)和配置比較靈活，對不同的場合有更大的適應(yīng)性。
從理論上講，液體動靜壓軸承既兼有液體動壓的特點(diǎn)也兼有液體靜壓的特點(diǎn)，又克服了兩者的缺點(diǎn)，它利用毛細(xì)血管節(jié)流器油腔產(chǎn)生一定的靜壓承載能力，克服了動壓軸承啟動和制動時出現(xiàn)的情況，避免了軸承磨損，從而提高了主軸和軸承的使用壽命及精度保持性；軸承的油腔采用淺腔結(jié)構(gòu)，主軸啟動后通過動壓油楔形成的動壓承載能力和靜壓腔形成的靜壓承載能力；通過動力潤滑擠壓效應(yīng)和多腔對置結(jié)構(gòu)有極大地增加了主軸的剛度；高壓油膜的均化作用和良好的抗震性能保證主軸具有很高的旋轉(zhuǎn)精度和用轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。
動靜壓軸承雖然具有良好的抗振性能，但長期的劇烈振動肯定會影響軸承的使用性能，這種受迫振動干擾力主要來自于上下不平衡旋轉(zhuǎn)零件（砂輪、皮帶輪等）所產(chǎn)生的周期變化的慣性力和不均切削是的交變的切削力，通過調(diào)整主軸動平衡裝置和改進(jìn)磨削精度和磨削表面質(zhì)量、又不會影響軸承的使用壽命[10]。
通過以上的動軸承和靜壓軸承的結(jié)構(gòu)、功能等有缺點(diǎn)的比較，決定對M1432B主軸系統(tǒng)采用動靜壓軸承進(jìn)行改進(jìn)。
2.5 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的選擇、分析
2.5.1 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求
動靜壓主軸系統(tǒng)是由主軸、軸承、節(jié)流器、供油系統(tǒng)、密封元件、驅(qū)動裝置、軸上附件及主軸箱體等組成，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要要求有：
① 系統(tǒng)具有足夠的動靜態(tài)剛度及承載能力；
② 主軸回轉(zhuǎn)精度高；
③ 制造、裝配、調(diào)整工藝簡便，制造成本低；
④ 穩(wěn)定性好。包括系統(tǒng)工作可靠，密封可靠，零件變形小等；
⑤ 功率消耗小；
⑥ 噪聲小。
在設(shè)計(jì)主軸系統(tǒng)時，首先根據(jù)被磨削零件的工藝要求，提出設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行方案討論，選擇適用的軸承類型，確定合理的機(jī)構(gòu)形式和主要尺寸[11]。對舊機(jī)床進(jìn)行技術(shù)改造時，則應(yīng)參照原機(jī)床主軸即殼體的結(jié)構(gòu)狀況。在滿足使用要求的前提條件下，以少更換零件為宜。
1） 動靜壓軸承的支承問題：
綜合考慮、分析加工、裝配的難易程度，決定采用套筒式安裝軸承（在主軸滿足剛度條件下）。套筒的長度和外徑，由套筒的最小厚度和主軸的剛度來決定。一般在滿足主軸剛度條件下取套筒壁厚大于20mm。
2） 主軸
動靜壓主軸軸承系統(tǒng)的主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求與動壓軸承系統(tǒng)類同，即其內(nèi)容包括確定主軸軸頸，跨度等各尺寸及尺寸精度，選自材料及熱處理等[12]。其要求為主軸結(jié)構(gòu)盡量簡單的，對稱性好，材料均質(zhì)，熱變性小等。外圓磨床M1432B主軸承受徑向載荷和一定的軸向載荷，動靜壓軸承可采用向心推力軸承（圓柱平面向心推力軸承、圓錐軸承、球面軸承）和向心軸承與止推軸承的混合使用型，其結(jié)構(gòu)、制造、主軸的結(jié)構(gòu)要求都較簡單，適宜選用。根據(jù)軸承形式，即可確定軸的結(jié)構(gòu)尺寸.(見零件圖：軸)
3） 軸承
機(jī)床動靜壓主軸軸承通常僅保留主軸繞其軸線的旋轉(zhuǎn)的自由度，其余5個自由度均受軸承約束。向心軸承與推力軸承的混合使用形式可以滿足上述要求。
2.5.2 供油系統(tǒng)
供油系統(tǒng)是動靜壓軸承系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，油泵的壓力或流量是軸承承載能力的來源，除要求有足夠的流量及壓力外，還要求供給軸承的潤滑油清潔度高、溫升抵、壓力穩(wěn)定、工作可靠等[13]。基本要求有：
①在工作溫度范圍內(nèi)，能保證供給所需的壓力及流量的潤滑油，壓力脈動不宜過大，通常為3%左右；
②能確保潤滑油清潔；
③有安全保護(hù)措施，以免某些偶然因素造成斷油而使軸承損壞；
④有利于系統(tǒng)散熱或控制溫升；
⑤占地面積不宜過大。
2.5.3 供油系統(tǒng)類型的選擇與分析
a、動靜壓軸承的供油方式種類
1）恒壓供油 2）恒流量供油
考慮實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)情況，采用恒壓供油系統(tǒng)供油。供油系統(tǒng)簡圖如右圖：
1、油箱；2、吸油過濾器；3、油泵； 4、單向閥； 5、粗濾油器；
6、精濾油器；7、Y60型壓力表；8、DP25-13壓力繼電器； 9、溢流閥；
圖2.3 供油系統(tǒng)
b、供油系統(tǒng)主要組件的選擇：
1. 油箱及管道：
1） 油箱及整個液壓回路必須密封良好；
2） 液壓回路須防止空氣進(jìn)入，并須消除儲藏空氣的地方；
3） 節(jié)流器后面的管通應(yīng)有足夠的剛度，不宜采用塑料、橡膠等剛度較差的油管；
4） 油管必須十分清潔，最好經(jīng)酸流清除氧化皮等雜物；
5） 油箱內(nèi)壁應(yīng)涂以具有良好耐油性的涂料，并應(yīng)便于換油和清洗；
油箱要有足夠的容量。
2 油泵
動靜壓軸承供油系統(tǒng)的油泵要求轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，噪聲和壓力波動小，效率高，壽命長。各種齒輪泵、葉片泵及螺桿泵均能滿足使用要求[14]。在供油系統(tǒng)具有良好的過濾措施時，以葉片泵最為理想。一般油泵的額定輸出壓力：Pa=(1.2～1.5)Ps，一般油泵的額定輸出流量Qp=1.5～2)ΣQ。油泵額定輸出壓力與流量系數(shù)不宜取得太大。以減少不必要的功率消耗及溫升。
3 濾油器
濾油器是供油系統(tǒng)中的重要元件，它直接影響軸承的正常工作，引起節(jié)流器阻塞，主軸及軸承的磨損甚至損壞等，因此對動靜壓軸承供油系統(tǒng)中的濾油器有更高的要求，一般經(jīng)過過濾器后，潤滑油中雜質(zhì)的顆粒尺寸小于軸承最小油膜厚度的一半。
c、供油系統(tǒng)的過濾器的選擇：
1） 進(jìn)油濾油器
一般采用精度0.1～0.2㎜的網(wǎng)式濾油器。以防止油泵的堵塞。
2) 粗濾油器：
通常采用線隙式濾油器。以防止精濾油器堵塞但又不引起過大的壓力損失，其過濾精度為0.02㎜左右
3）精濾油器
用來保證軸承及節(jié)流器的正常工作，一般采用紙質(zhì)濾油器，其過濾精度為0.005～0.01mm，也可采用線隙式濾油器，但在其外層包1～2層綢布，也有良好的過濾作用。
d、壓力繼電器及壓力表
壓力繼電器應(yīng)使油泵建立一定壓力后才允許啟動主軸，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中油泵壓力下降到一定程度時自行停車，以保護(hù)軸承不致?lián)p壞。壓力繼電器通常設(shè)置在節(jié)流器前的管道上，如有特殊需要亦可在每個油腔裝置一個壓力繼電器，但必須嚴(yán)格防止漏油，消除貯藏空氣的地方容積應(yīng)盡量小。
壓力表用以指示供油壓力或油腔壓力，與壓力繼電器相同，壓力表裝置在節(jié)流器前的管道上，應(yīng)盡量少裝指示油腔壓力的壓力表的。
e、潤滑油
靜壓軸承系統(tǒng)使用的潤滑油，除應(yīng)具有良好的抗氧化性、抗氣泡性外，特別要求潤滑油清潔、無雜質(zhì)[15]。基本上現(xiàn)有各類牌號的高速機(jī)油、主軸油和防銹機(jī)械油均能滿足使用要求。
f、密封
動靜壓主軸軸承系統(tǒng)要求有良好的密封措施，以防外界異物入侵及內(nèi)部潤滑油泄出，密封元件的選擇原則與強(qiáng)迫潤滑動壓軸承類同，一般情況下使用接觸式密封元件[16]。常用骨架式密封圈。對于臥軸結(jié)構(gòu)，當(dāng)油面低于主軸的情況，可用各種非接觸密封形式，常用味螺旋槽密封，其中以兩段旋向相反的螺旋槽分別起到防塵及防滲的形式最廣。
根據(jù)以上原則，采用螺旋槽密封的端蓋。端蓋與套筒接觸外無移動要求，可使用密封圈進(jìn)行密封。
g、驅(qū)動裝置
驅(qū)動裝置采用原外圓磨床M1432B的原有裝置，為了使主軸系統(tǒng)能與驅(qū)動裝置相配合，主軸上部分均采用原有結(jié)構(gòu)，這樣便于保證裝配要求。
主軸箱體及主軸附件的設(shè)計(jì)
主軸采用套筒式是為了便于裝配和互換。采用套筒式比直接把主軸及軸承安裝在機(jī)床上時經(jīng)濟(jì)得多[17]。
h、主軸附件設(shè)計(jì)包括
調(diào)節(jié)墊圈、前后端蓋等元件的設(shè)計(jì)。對于這些元件的設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量使其對成、均質(zhì)、并經(jīng)嚴(yán)格的動平衡實(shí)驗(yàn)。
3 動靜壓軸承的有關(guān)參數(shù)選擇及計(jì)算
已知條件：
主軸轉(zhuǎn)速：n＝1450r/min
泵供油壓力：Ps=20kgn
說明：本次設(shè)計(jì)采用圓臺內(nèi)部節(jié)流的形式，這種節(jié)流具制造簡單，反應(yīng)靈敏，不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)。另外，即使同一種節(jié)流形式，軸承結(jié)構(gòu)不一樣時，其性能差別較大。本次設(shè)計(jì)搞了兩套方案，涉及三種軸承的結(jié)構(gòu)形式（見圖紙），一種是軸向單腔單節(jié)流器，一種是軸向雙腔雙節(jié)流器，另一種是軸向雙腔雙節(jié)流器。不同的結(jié)構(gòu)形式，具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，顯然單腔單節(jié)流器結(jié)構(gòu)簡單，制造容易。單腔雙節(jié)流器具有不易堵塞，可靠度很高的優(yōu)點(diǎn)，同時結(jié)構(gòu)更復(fù)雜了一些，第三種結(jié)構(gòu)具有第二種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時還可以抗軸向傾覆力矩減小擾度，提高主軸精度。其它靜態(tài)特性等須計(jì)算完畢后，再給予分析和說明，由于篇幅有限，下面僅對第二種結(jié)構(gòu)為例說明計(jì)算過程。
3.1 前軸承結(jié)構(gòu)
圖3.1 前軸承結(jié)構(gòu)示意圖
選擇、計(jì)算有關(guān)前軸參數(shù)[16]
1）軸承內(nèi)徑D
根據(jù)主軸尺寸，即可確定軸承內(nèi)徑：
D=70mm
R=35mm
2）軸承長度：
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，軸承長度應(yīng)滿足條件：
L/D=0.8～1.5
取 ： L前=80mm
長徑比：
L：D=80：70=1.143
在L/D=0.8～1.5內(nèi)，滿足要求。
3）油膜厚度：
∵50≤D≤100，且軸轉(zhuǎn)速較高n=1450r/m
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?。? h0=（0.00025～0.0004）D
取： h0=0.02mm
4）節(jié)流比：
∵徑向軸承采用縫隙節(jié)流，截流比一般取0.3～0.6
取β=0.5
5）封油面的寬度
=0.1
=7mm
﹥，取b=10mm
6）粘度：
∵=1.31 β=0.5
封油面面積：
AC
=2089.3mm2
油腔面積：
=576.675mm2
摩擦面積：
=2665.975mm2
查機(jī)床手冊選?。?
動力粘度為3.35×10-8(cst)的四號主軸油
7）軸承選型：
軸向單腔雙節(jié)流器，油腔的各尺寸清見零件圖。
8）節(jié)流器的選型：
采用內(nèi)部節(jié)流器
9）腔形：
選用矩形腔形
11）由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得：
Φ0==0.7854
12）=0
13）計(jì)算油膜不均勻系數(shù)
14）計(jì)算支承流量系數(shù)
15）有效面積
16）計(jì)算油膜剛度：
無量綱剛度：
圖3.2 單腔內(nèi)部節(jié)流無量綱剛度
圖3.2為單腔內(nèi)部節(jié)流在不同節(jié)流比下的無量綱油膜剛度與偏心率的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，在節(jié)流比β>0.3時油膜剛度的無量綱隨偏心率的增大而減小，減小的幅度也越來越小，β<0.3時，油膜剛度的無量綱則隨著偏心率的增大先增大后減小，在某一點(diǎn)取得最大值。在偏心率ε>0.2時剛度隨節(jié)流比的減小而增大，當(dāng)ε<0.2時，β>0.3的剛度都是隨著節(jié)流比的增大而減小，β=0.2和=0.3的剛度則是由最小快速增大到最大。
∴油膜靜剛度為：
=
=54.368
17）計(jì)算承載能力
設(shè)計(jì)狀態(tài)?。?
無量綱承載能力：
=0.3028
圖3.3 單腔內(nèi)部節(jié)流無量綱承載力
由圖3.3可見在相同的節(jié)流比下，無量綱承載力都隨偏心率的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；在偏心率相同時，節(jié)流比不同時，無量綱承載力隨節(jié)流比的增大而升高，并且隨著偏心率的增大，承載力隨節(jié)流比增大的幅度越來越小，當(dāng)偏心率接近1時，不同節(jié)流比下的無量綱承載力都趨于一點(diǎn)。
承載能力有量綱化：
0.3028
單油腔的流量：
四油腔的流量：2.4458=9.7832=0.5870升/分
18）功耗
泵功耗：
單腔：
四腔功耗：
摩擦功耗：
單腔：
式中：為速度，
為摩擦面積，
四腔摩擦功耗：
功率比： （合適）
前軸承的總功耗為：
3.2 后軸承結(jié)構(gòu)
圖3.4 后軸承結(jié)構(gòu)示意圖
選擇、計(jì)算有關(guān)后軸承的參數(shù):
1） 軸承內(nèi)徑D：
根據(jù)主軸尺寸，確定軸承內(nèi)徑
2）軸承長度：
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，軸承長度應(yīng)滿足條件：
取則：
長徑比：
在內(nèi)，滿足要求
3）油膜厚度：
且軸轉(zhuǎn)速較高
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?。?
取
4）節(jié)流比：
因?yàn)閺较蜉S承采用內(nèi)部節(jié)流，節(jié)流比一般取0.3-0.6[12]
取
5）封油面的寬度
=0.1
=7mm
﹥，取b=10mm
6）粘度：
∵=1.31 β=0.5
封油面面積：
AC
=1889.3mm2
油腔面積：
=489.3㎜2
摩擦面積：
=2378.6㎜2
查機(jī)床手冊選取： 動力粘度為3.35×10-8(cst)的四號主軸油
7）軸承選型：
軸向單腔雙節(jié)流器，油腔的各尺寸清見零件圖。
8）節(jié)流器的選型：
采用內(nèi)部節(jié)流器
9）腔形：
選用矩形腔形
10）由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得：
Φ0==0.7854
11）=0
12）計(jì)算油膜不均勻系數(shù)
13）計(jì)算支承流量系數(shù)
14）有效面積
15）計(jì)算油膜剛度：
無量綱剛度：
∴油膜靜剛度為：
=
=54.368
16）計(jì)算承載能力
設(shè)計(jì)狀態(tài)?。?
無量綱承載能力：
=0.3028
承載能力有量綱化：
0.3028
單油腔的流量：
四油腔的流量：3.2610=13.044=0.7826升/分
17）功耗
泵功耗：
單腔：
四腔功耗：
摩擦功耗：
單腔：
式中：為速度，
為摩擦面積，
四腔摩擦功耗：
功率比： （合適）
后軸承的總功耗為：
3.3 選擇、計(jì)算供油裝置
根據(jù)供油壓力和供油量選?。ㄖ鬏S系統(tǒng)的供油壓力和流量）YB型單極葉片泵YB-6‘主要參數(shù)是：
壓力為、轉(zhuǎn)速 、驅(qū)動功0.8kw
根據(jù)葉片泵的轉(zhuǎn)速和功率選取電機(jī)：
Y90S-4型交流電機(jī)‘主要參數(shù)是：滿載時轉(zhuǎn)速1400r/min,
定功率1.1KW，效率78%，
熱平衡計(jì)算：
摩擦功耗+葉片泵功耗=
S為油箱面積，為油箱的散熱系數(shù)，一般為：
?。?
計(jì)算油箱的面積：（C為油面高度）
正常工作時油箱中有液溫度為
油箱油溫為
對一般機(jī)床最高允許溫度為，油及油箱的溫升為
依靠油箱本身即可散熱，不必外加其它輔助降溫設(shè)備。
4 無量綱承載力和剛度的計(jì)算與分析
不同節(jié)流形式下無量綱承載力與無量綱剛度與節(jié)流比及偏心率之間的關(guān)系
基本思想：
作出節(jié)流比分別為β=0.2；β=0.3；β=0.4；β=0.5；β=0.6，油膜不均勻系數(shù)取A=0.85，偏心率（相對位移）ε分別取0.1~0.9時不同節(jié)流形式下的無量綱承載力和無量綱油膜剛度與偏心率ε的曲線圖
1. 單腔毛細(xì)管、小孔、柱銷節(jié)流的無量綱承載力和無量綱油膜剛度公式如下：
毛細(xì)管： ；
小孔： ；
柱銷 ： ；
1）單腔不同節(jié)流形式下無量綱承載力的圖形
圖4.1 單腔毛細(xì)管節(jié)流無量綱承載力 圖4.2 單腔小孔節(jié)流無量綱承載力
圖4.3 單腔柱銷節(jié)流無量綱承載力
由圖4.1、圖4.2、圖4.3可以看出：毛細(xì)管、小孔、柱銷節(jié)流的無量綱承載力，有相同的變化趨勢。在相同的節(jié)流比下，無量綱承載力都隨偏心率的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；在偏心率相同時，節(jié)流比不同時，無量綱承載力隨節(jié)流比的增大而升高，并且隨著偏心率的增大，承載力隨節(jié)流比增大的幅度越來越小，當(dāng)偏心率接近1時，不同節(jié)流比下的無量綱承載力都趨于一點(diǎn)[18]。
圖4.4 單腔不同節(jié)流形勢下無量綱承載力
由圖4.4可以看出：在相同的節(jié)流比及相同的油膜不均勻系數(shù)下，毛細(xì)管、小孔、柱銷節(jié)流的無量綱承載力都隨偏心率的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。且毛細(xì)管節(jié)流的無量綱承載力低于小孔節(jié)流和柱銷節(jié)流的無量綱承載力。在偏心率<0.6時，柱銷節(jié)流大于小孔節(jié)流的無量綱承載力，當(dāng)偏心率>0.6時，柱銷節(jié)流與小孔節(jié)流的無量綱承載力越來相近，最后趨于一點(diǎn)。
2） 單腔不同節(jié)流形式下的無量綱剛度的圖形
圖4.5 單腔毛細(xì)管節(jié)流無量綱剛度
圖4.5為單腔毛細(xì)管在不同節(jié)流比下的無量綱油膜剛度與偏心率的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，整體趨勢是，在相同的節(jié)流比下，無量綱剛度隨著偏心率的增大先增大后減小，在某一偏心率值時能得到最大值；而當(dāng)偏心率相同而節(jié)流比不同時，在偏心率>0.4時，無量綱剛度隨著節(jié)流比的增大而減小，但是在偏心率ε0.4時剛度隨節(jié)流比的減小而增大。
圖4.7 單腔柱銷節(jié)流無量綱剛度
圖4.7為單腔柱銷在不同節(jié)流比下的無量綱油膜剛度與偏心率的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，在節(jié)流比β>0.3時油膜剛度的無量綱隨偏心率的增大而減小，減小的幅度也越來越小，β<0.3時，油膜剛度的無量綱則隨著偏心率的增大先增大后減小，在某一點(diǎn)取得最大值。在偏心率ε>0.2時剛度隨節(jié)流比的減小而增大，當(dāng)ε<0.2時，β>0.3的剛度都是隨著節(jié)流比的增大而減小，β=0.2和=0.3的剛度則是由最小快速增大到最大。
圖4.8 不同節(jié)流形式下的無量綱剛度
圖4.8為單腔不同節(jié)流形式下β=0.5，A=0.85時，無量綱剛度的比較。從圖中可以看出，柱銷節(jié)流和小孔節(jié)流的無量綱剛度隨著偏心率的增大而快速地減小，而毛細(xì)管節(jié)流減小的速度要相對較小一些。但是柱銷節(jié)流和小孔節(jié)流在偏心率很小時能夠得到比毛細(xì)管節(jié)流大得多的無量綱剛度，而當(dāng)ε>0.5時，毛細(xì)管節(jié)流要優(yōu)于柱銷和小孔節(jié)流。
結(jié)束語
本設(shè)計(jì)對M1432B外圓磨床主軸系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用技術(shù)是利用動靜壓軸承代替原有的磨床部件以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，以此來提高磨床的加工精度、提高生產(chǎn)力。
動靜壓軸承是在靜壓軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型軸承。它是既綜合了液體動壓軸承和靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn)又克服了二者缺點(diǎn)的高技術(shù)產(chǎn)品，是液體動壓軸承和靜壓軸承的完美結(jié)合。它利用孔式環(huán)面節(jié)流和柱銷節(jié)流串聯(lián)使壓力油進(jìn)入油腔中產(chǎn)生足夠大的靜壓承載力，將主軸懸浮在高壓油膜中間，從而克服了液體動壓軸承啟動時出現(xiàn)的干摩擦，提高了主軸和軸承的使用壽命及精度保持性。主軸啟動后，依靠淺腔階梯效應(yīng)形成了巨大的動壓承載力，它和靜壓承載力迭加大大提高了主軸剛度。高壓油膜的均化作用和良好的抗震性，保證主軸具有極高的旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。通過調(diào)整主軸動平衡裝置和改進(jìn)磨削精度和磨削表面質(zhì)量、又不會影響軸承的使用壽命。
目前動靜壓軸承的研究主要局限于圓柱動靜壓軸承和推力動靜壓軸承方面，但是許多場合要求轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的軸承既要承受徑向載荷，又要承受軸向載荷。因此，為改進(jìn)動靜壓滑動軸承的性能，適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)器工業(yè)發(fā)展的要求，以促進(jìn)我國工業(yè)的發(fā)展。
致 謝
大學(xué)最后階段的畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束了，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對空間凸輪精加工專用磨床主軸箱設(shè)計(jì)。通過這次完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)掌握了改造設(shè)計(jì)一般方法和步驟，綜合復(fù)習(xí)了大學(xué)四年所學(xué)的部分知識，特別是有關(guān)專業(yè)知識，學(xué)會了用專業(yè)知識技術(shù)對機(jī)床設(shè)計(jì)分析方法，鞏固了以前所學(xué)的課本知識并較熟練地掌握AutoCAD制圖軟件，如何在相關(guān)網(wǎng)站查找一些相關(guān)的資料還有就是在學(xué)校圖書館也看了不少有關(guān)設(shè)計(jì)的書籍開闊了自己的視野，學(xué)會了綜合運(yùn)用分析問題的能力。
本次設(shè)計(jì)，得到了陳濤老師的直接指導(dǎo)和幫助，使我增進(jìn)知識面的同時，也使自己在對待同事和態(tài)度又有了全新的認(rèn)識，使自己受益非淺，在此我鄭重的向我的畢業(yè)設(shè)計(jì)老師和幫我的老師及同學(xué)說聲謝謝。
由于這次設(shè)計(jì)任務(wù)繁重，同時時間有限，再加上本人的水平有限，在設(shè)計(jì)過程中難免有遺漏和過錯，希望能得到老師及同學(xué)的批評指正，以使自己在今后的工作、生活中的能加以改正。
大學(xué)四年的生活馬上就要結(jié)束了，畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)四年的一個總結(jié)，在這大學(xué)四年當(dāng)中你到底學(xué)到了些什么東西，在作畢業(yè)設(shè)計(jì)時你會發(fā)現(xiàn)你會發(fā)現(xiàn)你在大學(xué)里學(xué)的專業(yè)知識實(shí)在實(shí)在是少之又少，但也學(xué)了不少東西，以前我很少獨(dú)立完成一件事情，但經(jīng)過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)完全是我一個人獨(dú)立完成得，對于這點(diǎn)我感到很自豪，覺得自己正的得長大了，對自己的將來更加有信心了，這將會使我在以后的工作中得到很大的幫助和鼓勵。
參 考 文 獻(xiàn)
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