M7130平面磨床主軸系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)【說明書+CAD】

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Grinding technology and grinding machines in the machinery manufacturing industry occupies an extremely important position. Grinding technology has developed rapidly, Plays a very important role in machining. As the original machine M7130 used in production for over 30 years, Spindle before and after the closure disk and other parts have a certain degree of wear and tear, Easy to produce vibration, seriously affect the machine performance. Produce grinding roughness of less than the product technical requirements, and the wear flat greater, the obvious chatter. Thus the machine tool spindle system transformation is of great value. The design, data analysis, and the spindle to optimize the transformation design M7130 surface grinder. Include surface grinding machine spindle system hydrostatic bearing modification, the relevant parameters of the hydrostatic bearing selection and calculation of the two, The main contents of the hydrostatic bearing performance analysis, and surface grinding machine spindle system. Keywords: surface grinder hydrostatic bearing spindle system 第1章 概述 1.1 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。但是由于動壓油膜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(shí)（如啟動、制動、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(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]。 1.2 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)的目的主要是利用靜壓軸承在保證轉(zhuǎn)速和一些重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，改裝M7120磨床主軸系統(tǒng)。另外，在對靜壓軸承的有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)，對求解靜壓軸承過程中的一些具體問題進(jìn)行力所能及的研究和探討。 1.3 國內(nèi)外研究狀況 靜壓軸承的原理早在19世紀(jì)就被發(fā)現(xiàn)，但直至20世紀(jì)50年代才在發(fā)達(dá)國家興盛起來，我國從50年代后期開始液體靜壓軸承的應(yīng)用研究工作，60年代初開始在金屬切削機(jī)床上推廣應(yīng)用，同時(shí)發(fā)展靜壓導(dǎo)軌，靜壓螺母絲桿副，和靜壓花鍵技術(shù)，并在機(jī)床上應(yīng)用這些靜壓技術(shù)。 1.4 研究方法 M7130型機(jī)床是一種液壓操作，電器控制，手動操作的平面磨床。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)行靜壓軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此來提高磨床的加工精度。 1.5 論文的構(gòu)成及研究內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)主要是對M7130平面磨床進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并進(jìn)行主軸優(yōu)化改造設(shè)計(jì)。主要包括平面磨床主軸系統(tǒng)靜壓軸承改裝、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)容是靜壓軸承的性能分析以及在平面磨床主軸系統(tǒng)中的應(yīng)用。 第2章 主要問題及解決方案 2.1 M7130平面磨床的主要結(jié)構(gòu) M7130 是臥軸圓臺平面磨床:適用于磨削圓形薄片工件,并可利用工作臺傾斜磨出厚薄不等的環(huán)形工件。臥軸矩臺平面磨床，國家標(biāo)為M71系列平面磨床，即帶有臥式磨頭主軸，矩形工作臺的平面磨床。主要功能是用砂輪的周邊磨削工件的平面，也可以用砂輪的端面磨削工件的槽和凸緣的側(cè)面，磨削精度和光潔度都較高。適宜于磨削各種精密零件和工模具，可供機(jī)械加工車間、機(jī)修車間和工具車間作精密加工使用。中國傳統(tǒng)的臥軸矩臺平面磨床是從原蘇聯(lián)引進(jìn)并消化改進(jìn)的M71系列，特點(diǎn)是磨床主軸側(cè)掛，主軸采用軸瓦支承，適合粗加工重切削。近年來歐美國家更流行是十字鞍座結(jié)構(gòu)的臥軸矩臺平面磨床，主軸采用精密精珠軸承支承，更適合于精密磨削。 M7130具有以下特點(diǎn)： （1）機(jī)床布局采用立柱右置，磨頭、拖板與立柱的結(jié)構(gòu)有新的突破，整機(jī)剛性更好。 （2）磨頭采用國際通行的滾動軸承結(jié)構(gòu)形式。 （3）機(jī)床的垂直、橫向進(jìn)給運(yùn)動采用滾珠絲杠副，進(jìn)給靈敏度高。 （4）工作臺縱向運(yùn)動由葉片泵驅(qū)動，運(yùn)動平穩(wěn)，噪聲小。油池配有冷卻裝置，溫升低，熱變形小。 （5）磨頭垂直運(yùn)動有快速升降裝置，操作方便，橫向運(yùn)動由變頻電機(jī)驅(qū)動，可無級調(diào)速。 （6）機(jī)床的垂直、橫向進(jìn)給部分留有伺服電機(jī)安裝位置，根據(jù)需要可配置數(shù)控系統(tǒng)成為數(shù)控機(jī)床。 M7130臥軸矩臺平面磨床主要由床身、工作臺、電磁吸盤、砂輪箱、立柱、操作手柄等構(gòu)成，外形結(jié)構(gòu)如圖2.1所示 圖2.1 臥軸平面磨床外形結(jié)構(gòu)圖 1-立柱；2-滑面；3-砂輪箱；4-電磁吸盤；5-工作臺；5-床身 2.2 平面磨床原理 工作臺上裝有電磁吸盤，用以吸持工件。工作臺在床身導(dǎo)軌上作往復(fù)運(yùn)動（縱向運(yùn)動）。固定在床身上的立柱上帶有導(dǎo)軌，滑座在立柱導(dǎo)軌上作垂直運(yùn)動；而砂輪箱在滑座的導(dǎo)軌上作水平運(yùn)動（橫向運(yùn)動），砂輪箱內(nèi)裝有電動機(jī)，電動機(jī)帶動砂輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 平面磨床在加工工件過程中，砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是主運(yùn)動，工作臺往復(fù)運(yùn)動為縱向進(jìn)給運(yùn)動，滑座帶動砂輪箱沿立柱導(dǎo)軌的運(yùn)動為垂直進(jìn)給運(yùn)動，砂輪箱沿滑座導(dǎo)軌的運(yùn)動為橫向進(jìn)給運(yùn)動。 工作時(shí)，砂輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)工作臺帶動工件右移（如圖2.2所示），工件被磨削。然后工作臺帶動工件快速左移，砂輪向前作進(jìn)給運(yùn)動，工作臺再次右移，工件上新的部位被磨削。這樣不斷重復(fù)，直至整個(gè)待加工平面都被磨削。 圖2.2 矩形工作臺平面磨床工作圖 1—砂輪；2—主運(yùn)動；3—縱向進(jìn)給運(yùn)動；4—工作臺；5—橫向進(jìn)給運(yùn)動 6—垂直進(jìn)給運(yùn)動 2.3 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(jià)值的。 本次設(shè)計(jì)主要任務(wù)是：利用靜壓軸承在保證轉(zhuǎn)速和一些重要結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改裝M7130磨床的主軸系統(tǒng)，另外，在對靜壓軸承的有關(guān)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定合理的軸承結(jié)構(gòu)形式和尺寸，節(jié)流器，工作參數(shù)，潤滑油的粘度以及供油系統(tǒng)。同時(shí)必須滿足下面要求： 1.要求靜壓軸承具有良好的油膜剛度以及足夠的承載能力。 2.盡量減少系統(tǒng)的功率損失及溫升。 2.3 主軸系統(tǒng)改造的結(jié)構(gòu)分析及確定 圖2.3 動壓軸承運(yùn)行時(shí)的狀態(tài) 原機(jī)床主軸采用動壓軸承支撐。如圖2.3，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(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 靜壓軸承 圖2.4 液體靜壓軸承結(jié)構(gòu)圖 圖2.4為液體靜壓軸承，它是靠外部供油系統(tǒng)，將具有一定壓力的潤滑油送入軸承的靜壓腔內(nèi)，利用液體靜壓力支撐載荷的一種液體滑動軸承。它具有的特點(diǎn)： 1）具有多個(gè)靜壓油腔，否則就不能形成靜壓油腔之間的壓力差，因而就沒有承載力。 2) 主軸與軸承之間的間隙大小是一個(gè)重要的參數(shù)，它直接影響靜壓軸承油膜剛度等基本性能。 3） 速度范圍廣，主軸在靜止和任意轉(zhuǎn)速下，均能獲得良好的軸承性能。 4） 主軸被壓力油膜包圍著，阻尼性能好，具有良好的吸振能力，主軸運(yùn)動平穩(wěn)。 5） 壓力油膜具有均化誤差作用，能減少由于主軸，軸承表面粗糙度和行為誤差造成的徑向，軸向跳動，因此回轉(zhuǎn)精度較高。 6） 靜壓軸承始終處于純液體潤滑狀態(tài)下，精磨擦系數(shù)極小，因此，主軸啟動功率小，正常使用時(shí)不會摩擦，精度保持性好，使用壽命長。 7）有自己一套供油裝置，稱為靜壓供油系統(tǒng)。 由于靜壓軸承具有許多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣，在機(jī)床上常用它作為主軸的支撐，以提高機(jī)床的加工精度與切削效率，擴(kuò)大機(jī)床的轉(zhuǎn)速范圍，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)。 2.5 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2.5 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2.5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(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，停車和低速運(yùn)行時(shí)的干摩擦或半干摩擦狀態(tài)，減少了其動力矩和軸承的磨損，當(dāng)軸在高速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)向動壓和靜壓腔供油，使軸承同時(shí)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(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(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]。 通過以上的動壓軸承和靜壓軸承和動靜壓軸承的結(jié)構(gòu)、功能等優(yōu)缺點(diǎn)的比較，盡管動靜壓軸承具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于平面磨床使用動靜壓軸承，容易使得主軸抱死，所以決定對M7130主軸系統(tǒng)采用靜壓軸承進(jìn)行改進(jìn)。 2.6 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的選擇、分析 2.6.1 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 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??； 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） 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 靜壓主軸軸承系統(tǒng)的主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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。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。平面磨床M7130主軸主要承受徑向載荷，軸向載荷很小，所以靜壓軸承可采用小孔節(jié)流徑向靜壓軸承，位于主軸的前面部位，兩個(gè)以徑向軸承軸向油面作為節(jié)流器的軸向推力軸承。 2.6.2 供油系統(tǒng) 供油系統(tǒng)是靜壓軸承系統(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。 2.6.3 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)簡圖如圖2.6： 圖2.6 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 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(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)L/min。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(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]?；旧犀F(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 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)動裝置采用原平面磨床M7130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(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)。 第3章 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＝1440r/min 泵供油壓力：Ps=1.5MPa 圖3.1 主軸系統(tǒng)裝配圖 說明：本次設(shè)計(jì)采用板式小孔節(jié)流的形式，節(jié)流小孔直徑為Φ0.5mm，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(shí)，其性能差別較大。平面磨床M7130主軸主要承受徑向載荷，軸向載荷很小，所以靜壓軸承可采用小節(jié)流徑向靜壓軸承5和7，位于主軸的前面部位，兩個(gè)以徑向軸承軸向油面作為節(jié)流器的軸向推力軸承3和8，分別布置在前軸承的前端面和后端面的后端面?？紤]到轉(zhuǎn)子懸伸所造成的撓度并不大，可以去掉電動機(jī)轉(zhuǎn)子后端的支承，這樣有利于減小主軸支承的同軸度誤差。在改裝中，主軸直徑從原來Φ70mm增加到Φ75mm,前后軸承跨距從原來的680mm縮短至280mm，砂輪懸伸長度從原來的160mm縮短至130mm。從而有利于減少主軸撓度，提高主軸剛度。顯然，主軸支撐經(jīng)改裝后，有利于克服機(jī)床原結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn)。 3.1 靜壓軸承結(jié)構(gòu) 圖3.2 前軸承結(jié)構(gòu)示意圖 3.2 選擇靜壓軸承參數(shù) 1）軸承內(nèi)徑D 根據(jù)主軸尺寸，即可確定軸承內(nèi)徑： D=75mm R=37.5mm 2）軸承的寬度： 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，軸承寬度應(yīng)滿足條件： B/D=0.8～1.5 取 ： B前=80mm 長徑比： B：D=80：75=1.07 在B/D=0.8～1.5內(nèi)，滿足要求。 3）節(jié)流比： ∵對于小孔節(jié)流靜壓軸承來說，軸承節(jié)流比最佳值為截流比β=1.71，但在實(shí)際調(diào)整過程中，由于節(jié)流比隨溫度的變化而變化，無法保證最佳狀態(tài)，因此只要油溫在20°C—50°C。范圍時(shí)，能保證節(jié)流比相應(yīng)地在β=1.5-3范圍內(nèi)變化，就可以認(rèn)為節(jié)流比達(dá)到最佳狀態(tài)。 ∴ 取β=1.71 4）軸承的間隙h0： ∵50≤D≤100，且軸轉(zhuǎn)速較高n=1440r/m 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取： h0=（0.00025～0.0004）D ?。? h0=0.025mm 5）軸承軸向封油面的寬度C1周向封油邊寬度b1 C1= b1≈0.1D =0.1×75 =7.5mm 油腔的軸向?qū)挾萀=B-2 C1=65mm 6） 動力黏度n ∵軸承用油選為N3粘度等級的主軸油，又運(yùn)動粘度為v=2.9-3.5 mm2 /s ∴動力黏度η50℃=2.8x10-2=Pa·s，ρ50℃=836kg/ m3 7)周向回油槽尺寸 ∵ D=75mm ∴回油槽寬b2 =4mm 回油深槽深z2=0.8mm 8）軸承油腔的周向包角2θ1 ∵ 2θ1 =600-700 ∴選2θ1=650 9）油腔深度t t=(30-60) h0 ∴油腔深度t=2mm 10)軸承材料選用錫青銅 3.3 計(jì)算節(jié)流小孔直徑d0和軸承間隙h0 1. 油腔壓力PR 2. 油腔的封油邊流出的流量QR 3. 流過節(jié)流小孔的流量Qf 流過節(jié)流小孔的流量Qf可由下式給出： 4. 靜壓腔的封油邊流出的流量QR與流過節(jié)流小孔的流量Qf相等Qf=QR，則 把己知參數(shù)值代入，可得 計(jì)算一組值，如表3-1所示。 表3-1 值 h0 0.0025 0.0028 0.0030 0.0032 0.004 0.0045 d0 0.023 0.028 0.031 0.034 0.048 0.057 取d0=0.05cm=0.5mm，h0=0.004cm=0.04mm; 當(dāng)d0=0.05cm，h0=0.004cm=0.04 mm時(shí)，靜壓油腔壓力的計(jì)算過程如下: 解此二次方程得: 滿足節(jié)流比最佳狀態(tài) 3.4.驗(yàn)算油膜剛度 （1）油腔的有效承載面積 式中——油腔包角的一半； ——油腔中線到周向回油槽的邊的夾角，見圖3-2。本計(jì)算中 （2）小孔節(jié)流的油膜剛度 小孔節(jié)流的油膜剛度可由下式給出： =344197N/cm ≈344N/μm 滿足設(shè)計(jì)要求。 3.5 徑向軸承流量 （1）通過一個(gè)小孔節(jié)流器的流量 =0.325L/min （2）4個(gè)徑向油腔的流量 （3）2個(gè)徑向軸承的流量 3.6 徑向靜壓軸承各設(shè)計(jì)參數(shù)取值如下 軸承直徑 D=75mm=7.5cm，半徑 R=37.5mm=3.75cm； 軸承寬度 B/D=0.8～1.5 B前=80mm=8cm； 軸向封油邊 C1= b1≈0.1D=0.1×75=7.5mm=0.75cm； 周向封油邊 b1=7.5mm=0.75cm； 靜壓腔的軸向?qū)挾? l=6.5cm 油腔包角 2θ1=65o； 油腔深度 t=2mm=0.2cm； 回油槽 寬x深=4mmx0.8mm=0.4cmx0.08cm； 軸承半徑間隙 h0=0.004cm=0.04 mm； 小孔節(jié)流的最佳節(jié)流比 β=1.70； 節(jié)流小孔直徑 d0=0.05cm; 小孔流量系數(shù) a=0.7 采用N3粘度等級號主軸油參數(shù) η50℃=2.8x10-2=Pa·s， ρ50℃=0.836kg/L 供油壓力 Ps=1.5MPa。 油腔壓力 Pr=0.88 MPa 第四章 靜壓軸承的有關(guān)參數(shù)選擇及計(jì)算 4.1. 止推軸承結(jié)構(gòu) 圖4.1 止推軸承結(jié)構(gòu)示意圖 4.2 止推軸承的基本參數(shù) 止推軸承的基本參數(shù)，如圖4.1所示。R1到R2和R3到R4是靜壓止推軸承的內(nèi)外封油邊，R2到R3是靜壓止推軸承的油腔 圖中各參數(shù)的取值如下： r1=3.25cm r2=3.9cm r3=4.6cm r4=5.25cm 間隙h0z=0.003cm 小孔節(jié)流器直徑d0z=0.05cm 4.3 止推軸承節(jié)流比的確定 從止推軸承油腔流出的流量可由下式給出： 式中——止推軸承間隙，； ——止推軸承油腔壓力。 流經(jīng)節(jié)流小孔的流量可由下式給出： 式中a——小孔流量系數(shù)a=0.7 ——小孔直徑=0.05cm ——潤滑油密度=0.836㎏/L。 = 即 解此二次方程，得 此壓力合適。節(jié)流比 4.4 止推軸承流量 一個(gè)止推軸承流量可由下式給出: 4個(gè)軸向油腔的流量=4=1.32L/min 兩個(gè)止推軸承的流量可由下式給出: 4.5 止推軸承的剛度 式中；；。 370439N/cm≈370N/μm 剛度足夠。 4.6 止推軸承的設(shè)計(jì)參數(shù) r1=3.25cm r2=3.9cm r3=4.6cm r4=5.25cm 間隙h0z=0.003cm 小孔節(jié)流器直徑d0z=0.05cm。 第五章 供油泵及供油泵電機(jī)的選擇 5.1. 總流量Q Q=2.6L/min+2.64L/min=5.24L/min 軸承總流量,考慮有一定的溢流量，油泵供油流量不少于6L/min。 5.2.供油泵的選擇 選用6.3mL/r 葉片泵，其主要性能指標(biāo): 額定流量 10 L/min，8.7 L/min壓力1.5MPa時(shí)； 額定供油壓力6.3MPa； 允許最高轉(zhuǎn)速1450r/min。 5.3. 油泵電機(jī)的選擇 （1）油泵供油壓力 本設(shè)計(jì)選用供油壓力為1.5MPa，為保證有一定可調(diào)量，油泵供油壓力選為2.5 MPa。 （2）油泵供油流量 本設(shè)計(jì)所須流量為6 L/min，考慮到本設(shè)計(jì)采用N3等級主軸油，油的黏度為3 mm2/s、選用葉片泵，型號為YB1一6.3單級葉片式液壓泵。 （3）油泵電機(jī)功率 油泵電機(jī)主要參數(shù)如下 功率 1.1 kW； 轉(zhuǎn)速 1450r/min； 安裝形式V1 (采用B5形式) 型號Y908—4。 第六章.液壓元件選型說明 6.1 儲能器 在突然斷電的情況下，靜壓浮升需要的最低供油壓力不能低于0.8 MPa。希望保持在5 s內(nèi)供油壓力不低于0.8 MPa。 軸承總需求流量為： 5s內(nèi)需求潤滑油體積為 設(shè)儲能器的容積為V，充氣壓力為0.6 MPa，再充入壓力為1.5 MPa、體積為V1.5的壓力油，再放到0.8 MPa時(shí)能流出的壓力油體積為V0.8，則有： 選1 L容積的儲能器。 實(shí)際上儲能器在放油過程中，壓力從1.5 MPa 連續(xù)下降到0.8 MPa的同時(shí)，軸承的流量也從4.28L/min不斷下降，這是連續(xù)變化的過程。因此，實(shí)際的儲能器的供油時(shí)間要大于5s。 6.2 濾油器的過濾精度 一般認(rèn)為過濾精度為最小軸承工作間隙的1/3。本設(shè)計(jì)中最小軸承工作間隙為0.018mm（不允許再小）取過濾精度5μm。其他元件選型說明略。 第七章 軸承功率消耗計(jì)算 7.1 徑向軸承發(fā)熱（功率消耗) 主軸單元設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速1440r/min； 軸承線速度 徑向軸承功率消耗，由油的內(nèi)摩擦引起?？煞譃?部分: S1——油腔部分； S2——軸向封油邊部分； S3——周向封油邊部分。 油腔部分； 封油邊部分； 油腔部分； 軸向封油邊部分； 周向封油邊部分。 則： 單個(gè)徑向軸承的內(nèi)摩擦阻力可由下式給出 前后兩個(gè)徑向軸承完全相同，徑向軸承的內(nèi)摩擦阻力可由下式給出 徑向軸承的摩擦功率可由下式給出 7.2 止推軸承的內(nèi)摩擦 止推軸承的內(nèi)摩擦阻力可分為外止推面、油腔部分、內(nèi)止推面共3部分組成。 因?yàn)橹雇戚S承的線速度是隨著直徑的增加而增大的。 （9-1） 式中，。 =2N 第一部分的摩擦功率可由下式求出： 同理 7.3 軸承的總摩擦功率 泵功率 0.25kW； 總發(fā)熱功率 N=0.655+0.25=0.9kW=1.2hp。 選用2hp制冷壓縮機(jī)，從計(jì)算過程可發(fā)現(xiàn)，發(fā)熱功率與軸承半徑的立方成正比，與軸承線速度成正比。 第八章 靜壓軸承的裝配特點(diǎn)與軸承節(jié)流比的調(diào)整 8.1靜壓軸承的裝配特點(diǎn) 軸承外徑和殼體之間必須采用過盈配合，過盈量一 般要達(dá)到0.005-0.01左右，避免配合面上因有間隙而引起油路互通，影響軸承的承載能力。主軸與徑向軸承之 間的徑向間隙以及軸向推力軸承的軸向間隙，通過磨配 來達(dá)到要求值。另外，裝配中要保證各油孔位置正確，以 免影響潤滑油的流動。 裝配前要對全部裝配件用汽油清洗干凈。裝配后. 應(yīng)先將干凈的經(jīng)過綢布過濾的煤油注人油箱，然后開動液壓泵，便煤油在系統(tǒng)中循環(huán)流動仙，對系統(tǒng)進(jìn)行全面清洗。在沖洗過程中，要使液壓泵開停數(shù)次，并及 時(shí)對粗、精濾油網(wǎng)進(jìn)行拆洗，直到系統(tǒng)中的全部雜質(zhì)排凈為止。 必須按設(shè)計(jì)要求選用潤滑油。必須認(rèn)真檢查供油裝 置中的壓力繼電器和蓄能器能否正常工作。 8.2軸承節(jié)能比的調(diào)整方法 對于小孔節(jié)流靜壓軸承來說，由實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算都 可證實(shí)軸承節(jié)流比的最佳值為β=1.71。但是在實(shí)際調(diào)整 過程中，由于節(jié)流比會隨油溫的變化而變化，無法保持最 佳值狀態(tài)。因此，只要油溫在20 o-50 o變化時(shí)，保 證節(jié)流比相應(yīng)地在序β=1.5-3，即可以為節(jié)流比巳經(jīng)調(diào)整到最佳狀態(tài)。當(dāng)調(diào)整節(jié)流比時(shí)，主要是通過改變節(jié)流小孔直徑的大小來實(shí)現(xiàn)調(diào)整。一般對節(jié)流板半成品可以多加工幾塊以便調(diào)整中使用。在調(diào)整節(jié)流比時(shí)，若不改變軸承的間隙，那么當(dāng)軸承油腔壓力低于要求值 時(shí),應(yīng)增大節(jié)流小孔的直徑。當(dāng)軸承油虛壓力高于要求值 時(shí)，應(yīng)減小節(jié)流小孔的直徑。為了確定節(jié)流小孔直徑的合 適值，應(yīng)首先測量出軸承的實(shí)際間隙，然后結(jié)合供油壓力 情況，按有關(guān)圖表進(jìn)行選取。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 孫桓，陳作模 主編. 機(jī)械原理（第七版）[M] .北京：高等教育出版社，2001 [2] 張直明等.滑動軸承的動力潤滑理論[M] .北京: 高等教育出版社，1986 [3] 孫恭壽，馮明.液體動靜壓混合軸承設(shè)計(jì)[M] .北京：世界圖書出版公司，1993 [4] 龐志成、陳世家.液體靜壓動靜壓軸承[M] .哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1991. [5] 張冠坤、鐘洪.液體動靜壓軸承原理[M] .北京：科技普及出版社，1996 [6] 華紹杰.液體靜壓技術(shù)原理及設(shè)計(jì)[M] .鄭州：鄭州工學(xué)院，1984 [7] 王同全、王蘭 小節(jié)流液體動靜壓軸承混合軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算與制造.濟(jì)南司機(jī)數(shù)控有限公司，2005. [8] 葉元烈. 機(jī)械傳動裝置設(shè)計(jì)手冊[M] .河南：河南科學(xué)技術(shù)出版社， 1997. [9] 張冠坤、鐘洪.流體動靜壓軸承[M] .北京：科學(xué)普及出版社，1988. [10] 丁振乾. 流體靜壓軸承[M] .上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社， 1986. [11] 張冠坤、鐘洪.流體靜壓動靜壓軸承設(shè)計(jì)使用手冊. 北京：電子工業(yè)大學(xué)出版社，2007. [12] 龐志成， 陳世家. 液體靜壓動靜壓軸承[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 1991,12. [13] 曾志新，呂明.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ). 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001. [14] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì). 北京：高等教育出版社，1996. 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)是對外圓平面磨床M7130進(jìn)行靜壓軸承的改裝和優(yōu)化設(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)，得到了張老師的直接指導(dǎo)和幫助，使我增進(jìn)知識面的同時(shí)，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(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(gè)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(lì)。 34