空間凸輪精加工專用磨床主軸箱設(shè)計(jì),空間,凸輪,精加工,專用,磨床,主軸,設(shè)計(jì) 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(guó)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?jī)?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(dòng)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(dòng)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(dòng)軸承；二是滑動(dòng)軸承[1]。液體滑動(dòng)軸承便是滑動(dòng)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(dòng)壓軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的動(dòng)靜壓軸承在適應(yīng)上述要求方面正嶄露頭角?；瑒?dòng)軸承可以分為流體動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承（簡(jiǎn)稱動(dòng)壓軸承）、流體靜壓潤(rùn)滑軸承（簡(jiǎn)稱靜壓軸承）和動(dòng)靜壓軸承[2]。這三種軸承的主要特點(diǎn)及特性簡(jiǎn)述如下： （1）液體純動(dòng)壓軸承及其特點(diǎn) 動(dòng)壓軸承是依靠被潤(rùn)滑的一對(duì)固體摩擦面間相對(duì)運(yùn)動(dòng)使介于固體間的潤(rùn)滑流體內(nèi)產(chǎn)生壓力（這種現(xiàn)象稱為動(dòng)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(rùn)滑作用[3]。動(dòng)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(dòng)壓油墨的形成與兩摩擦面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不足時(shí)（如啟動(dòng)、制動(dòng)、載荷大轉(zhuǎn)速低時(shí)）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(rùn)滑油膜[4]。靜壓軸承具有摩擦阻力小,使用壽命長(zhǎng)，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(duì)承載力較低，剛度較小等缺點(diǎn)。 （3）液體動(dòng)靜壓軸承及其特點(diǎn) 動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)壓軸承啟動(dòng)時(shí)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(dòng)后，依靠淺腔階梯效應(yīng)形成了巨大的動(dòng)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(guó)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(duì)加速我國(guó)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(dòng)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(duì)動(dòng)靜壓軸承的有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)，對(duì)求解動(dòng)靜壓軸承的壓力場(chǎng)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(guó)內(nèi)外研究狀況 七十年代末，與國(guó)內(nèi)外學(xué)者同時(shí)提出動(dòng)靜壓軸承結(jié)構(gòu)，在國(guó)內(nèi)首先開發(fā)了動(dòng)靜壓軸承主軸系統(tǒng)，并形成批量生產(chǎn)；在國(guó)際上首次提出圓錐浮環(huán)動(dòng)靜壓軸承，徑向—推力聯(lián)合浮環(huán)動(dòng)靜壓軸承結(jié)構(gòu)；在國(guó)際上首次得到了有限長(zhǎng)滑動(dòng)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(duì)靜壓軸承在高速使得動(dòng)壓效應(yīng)，引起重視如何很有效的利用節(jié)省能源是個(gè)值得重視的問題，對(duì)磨床而言高速旋轉(zhuǎn)所帶來的動(dòng)靜壓效應(yīng)是個(gè)不可忽視的問題，并在動(dòng)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(dòng)剛度，而油腔的結(jié)構(gòu)確實(shí)決定動(dòng)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(guó)家體制改革的深入和動(dòng)靜壓技術(shù)的成熟，設(shè)備改造的需求促使我國(guó)液體動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(guó)動(dòng)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(guó)的動(dòng)靜壓軸承發(fā)表的文章及應(yīng)用情況中看出，如對(duì)外節(jié)流的奪油鍥東京滑動(dòng)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(guó)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(shí)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(guó)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(tái)的潤(rùn)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(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)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(dòng)靜壓軸承的壓力場(chǎng)分布和靜態(tài)特性參數(shù)）。 1.4 論文的構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容 本次設(shè)計(jì)主要是對(duì)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(dòng)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?jī)?nèi)容是動(dòng)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(tái)的潤(rùn)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(tái)的縱向移動(dòng)，砂輪架快速進(jìn)退，砂輪自動(dòng)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(tái)手動(dòng)機(jī)構(gòu)，砂輪架手動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)和腳踏尾架頂尖后退裝置。頭架在逆時(shí)針方向90度范圍內(nèi)可作任意角度調(diào)整。擺動(dòng)頭架或工作臺(tái)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(dòng)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(dòng)，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(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行改造是很有價(jià)值的。 本次設(shè)計(jì)主要任務(wù)是： 利用動(dòng)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(duì)動(dòng)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(dòng)靜壓軸承，在零速時(shí)與固定節(jié)流靜壓軸承相似，旋轉(zhuǎn)時(shí)類似于靜壓軸承與動(dòng)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(gè)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(tái)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(dòng)壓軸承運(yùn)行時(shí)的狀態(tài) 原機(jī)床主軸采用動(dòng)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(shí)，軸和軸承間有一間隙h0，稱為設(shè)計(jì)間隙。軸承運(yùn)行時(shí)，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(rùn)滑油從供油系統(tǒng)中進(jìn)入油腔內(nèi)。由于潤(rùn)滑油具有粘性，潤(rùn)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(rùn)滑油被擠壓，而產(chǎn)生壓力，直道間隙最小處，潤(rùn)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(rùn)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(dòng)壓軸承的運(yùn)行機(jī)理中，可以看出動(dòng)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(rùn)滑油有一定的黏度； ③ 軸表面和軸承表面有一定的相對(duì)速度； ④ 工作時(shí)，有一個(gè)偏心距。 這四個(gè)基本特征中，少了任何一項(xiàng)都不能形成動(dòng)壓效應(yīng)，因而也就不成為動(dòng)壓軸承。動(dòng)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(rùn)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(duì)上面動(dòng)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(dòng)靜壓軸承支承。 2.4 動(dòng)靜壓軸承 我們知道動(dòng)壓和靜壓軸承分別依靠軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)壓軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)力效應(yīng)沒有利用，這一點(diǎn)在使用場(chǎng)合有為明顯[8]。 圖2.2 軸承油腔示意圖 動(dòng)靜壓軸承兼有動(dòng)壓和靜壓軸承優(yōu)點(diǎn)。如圖2.2所示，它既有動(dòng)壓腔，又有靜壓腔，當(dāng)靜止或旋轉(zhuǎn)速低于臨界值時(shí)，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(dòng)，停車和低速運(yùn)行時(shí)的干摩擦或半干摩擦狀態(tài)，減少了其動(dòng)力矩和軸承的磨損，當(dāng)軸在高速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由動(dòng)壓油系統(tǒng)向動(dòng)壓腔送入低壓油，使軸承在動(dòng)壓效應(yīng)下工作[9]。若動(dòng)壓效應(yīng)仍不能形成足夠的承載能力，則可同時(shí)向動(dòng)壓和靜壓腔供油，使軸承同時(shí)具備動(dòng)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(dòng)靜壓軸承的工作原理可看到，動(dòng)靜壓軸承結(jié)構(gòu)上具有如下的特點(diǎn)： 1、與動(dòng)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(dòng)壓滑動(dòng)面，靜壓腔個(gè)數(shù)較少，尺寸較小。 3、可同時(shí)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(gè)數(shù)和配置比較靈活，對(duì)不同的場(chǎng)合有更大的適應(yīng)性。 從理論上講，液體動(dòng)靜壓軸承既兼有液體動(dòng)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(dòng)壓軸承啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)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(dòng)后通過動(dòng)壓油楔形成的動(dòng)壓承載能力和靜壓腔形成的靜壓承載能力；通過動(dòng)力潤(rùn)滑擠壓效應(yīng)和多腔對(duì)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(dòng)靜壓軸承雖然具有良好的抗振性能，但長(zhǎng)期的劇烈振動(dòng)肯定會(huì)影響軸承的使用性能，這種受迫振動(dòng)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(dòng)平衡裝置和改進(jìn)磨削精度和磨削表面質(zhì)量、又不會(huì)影響軸承的使用壽命[10]。 通過以上的動(dòng)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(duì)M1432B主軸系統(tǒng)采用動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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??； ⑥ 噪聲小。 在設(shè)計(jì)主軸系統(tǒng)時(shí)，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(duì)舊機(jī)床進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)，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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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(jiǎn)單的，對(duì)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(dòng)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(jiǎn)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(rùn)滑油清潔度高、溫升抵、壓力穩(wěn)定、工作可靠等[13]?；疽笥校? 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(rùn)滑油，壓力脈動(dòng)不宜過大，通常為3%左右； ②能確保潤(rùn)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(dòng)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(jiǎn)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(gè)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)小，效率高，壽命長(zhǎng)。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(shí)，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(duì)動(dòng)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(rùn)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(dòng)主軸，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中油泵壓力下降到一定程度時(shí)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(gè)油腔裝置一個(gè)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(rùn)滑油 靜壓軸承系統(tǒng)使用的潤(rùn)滑油，除應(yīng)具有良好的抗氧化性、抗氣泡性外，特別要求潤(rùn)滑油清潔、無雜質(zhì)[15]?；旧犀F(xiàn)有各類牌號(hào)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(dòng)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(rùn)滑油泄出，密封元件的選擇原則與強(qiáng)迫潤(rùn)滑動(dòng)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(duì)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(dòng)要求，可使用密封圈進(jìn)行密封。 g、驅(qū)動(dòng)裝置 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(duì)于這些元件的設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量使其對(duì)成、均質(zhì)、并經(jīng)嚴(yán)格的動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)。 3 動(dòng)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(tái)內(nèi)部節(jié)流的形式，這種節(jié)流具制造簡(jiǎn)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(shí)，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(jiǎn)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(shí)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(shí)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(duì)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(zhǎng)度： 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，軸承長(zhǎng)度應(yīng)滿足條件： L/D=0.8～1.5 取 ： L前=80mm 長(zhǎng)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 ?。? 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(cè)選取： 動(dòng)力粘度為3.35×10-8(cst)的四號(hào)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(shí)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(shí)，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(shí)剛度隨節(jié)流比的減小而增大，當(dāng)ε<0.2時(shí)，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(shì)；在偏心率相同時(shí)，節(jié)流比不同時(shí)，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(shí)，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(zhǎng)度： 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，軸承長(zhǎng)度應(yīng)滿足條件： 取則： 長(zhǎng)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(cè)選?。? 動(dòng)力粘度為3.35×10-8(cst)的四號(hào)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(dòng)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(shí)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(shí)油箱中有液溫度為 油箱油溫為 對(duì)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(duì)位移）ε分別取0.1~0.9時(shí)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(shì)。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(shì)；在偏心率相同時(shí)，節(jié)流比不同時(shí)，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(shí)，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(shì)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(shì)。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(shí)，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(shí)，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(shì)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(shí)能得到最大值；而當(dāng)偏心率相同而節(jié)流比不同時(shí)，在偏心率>0.4時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)剛度隨節(jié)流比的減小而增大，當(dāng)ε<0.2時(shí)，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(shí)，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(duì)較小一些。但是柱銷節(jié)流和小孔節(jié)流在偏心率很小時(shí)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(shí)，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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)壓軸承啟動(dòng)時(shí)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(dòng)后，依靠淺腔階梯效應(yīng)形成了巨大的動(dòng)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(dòng)平衡裝置和改進(jìn)磨削精度和磨削表面質(zhì)量、又不會(huì)影響軸承的使用壽命。 目前動(dòng)靜壓軸承的研究主要局限于圓柱動(dòng)靜壓軸承和推力動(dòng)靜壓軸承方面，但是許多場(chǎng)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(dòng)靜壓滑動(dòng)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(guó)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(duì)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(shí)，特別是有關(guān)專業(yè)知識(shí)，學(xué)會(huì)了用專業(yè)知識(shí)技術(shù)對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)分析方法，鞏固了以前所學(xué)的課本知識(shí)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(huì)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(shí)面的同時(shí)，也使自己在對(duì)待同事和態(tài)度又有了全新的認(rèn)識(shí)，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(shí)時(shí)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(cuò)，希望能得到老師及同學(xué)的批評(píng)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(gè)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(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)你會(huì)發(fā)現(xiàn)你在大學(xué)里學(xué)的專業(yè)知識(shí)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(gè)人獨(dú)立完成得，對(duì)于這點(diǎn)我感到很自豪，覺得自己正的得長(zhǎng)大了，對(duì)自己的將來更加有信心了，這將會(huì)使我在以后的工作中得到很大的幫助和鼓勵(lì)。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 濮良貴，紀(jì)名剛主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版）[M] .北京：高等教育出版社，2001 [2] 張直明等.滑動(dòng)軸承的動(dòng)力潤(rùn)滑理論[M] .北京: 高等教育出版社，1986 [3] 孫恭壽，馮明.液體動(dòng)靜壓混合軸承設(shè)計(jì)[M] .北京：世界圖書出版公司，1993 [4] 龐志成、陳世家.液體靜壓動(dòng)靜壓軸承[M] .哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1991. 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