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摘要 基于c a x a 电子图板实现磨床动静压磨头参数化设计 摘要 本文基于c a x a 二次开发平台e b a d s ，应用v c + + 编程语言，开发 出能够实现动静压磨头结构设计和绘图的参数化系统。动静压技术作为最 近二十年来发展起来的新型技术，已成为当前磨床磨头领域的主流技术。 本文对动静压技术作了理论分析，并基于用户生产实际，掌握用户需求， 分析动静压磨头结构，建立图形之间的拓扑关系，确定动静压磨头参数， 进行动静压磨头结构设计及参数化。 本文采用面向对象的程序设计方法，使用v c + + 作为二次开发语言 和开发环境，编译、连接和调试均在v i s u a l c + + 6 0 环境下进行，添加菜 单、对话框、图像、快捷键等资源均使用可视化编辑，充分体现了面向对 象编程的设计思想。 本课题是与企业进行合作，为企业开发出的结构设计和参数化系统， 因此有很强的针对性和应用性。本系统实现了动静压磨头的结构设计，用 户在测绘图基础上进行结构设计，通过输入参数，确定动静压磨头的结构。 本系统开发的界面面向用户需求，具有界面友好，结构清晰，能满足多种 需求，便于用户操作的特点。 本系统的建立，能够大大提高动静压磨头设计工作效率，使设计人员 从复杂的绘图中解脱出来，将主要精力用于结构设计上来。 北京化- t 大学硕：卜学位论文 关键词：c a c a 二次开发，v c + + ，磨床动静压磨头，参数化 i i 摘要 p a r a m e t e l u cd e s i g nt h ed y n a m i ca n ds t 2 气t i c g r i n g i n gh e a db a s e do nc a x ae l e c t r o n i cb o a r d a b s t r a c t u s i n gv c + + ，b a s e do nt h es e c o n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fc a x a e l e c t r o n i cb o a r d ，t h i sp a p e rd e v e l o p e dp a r a m e t r i cs y s t e mw h i c hc a nd e s i g nt h e d y n a m i ca n ds t a t i cg r i n d i n gh e a ds t r u c t u r ea n dp a r a m e t r i cg r a p h i c a san e w d e v e l o p i n g t e c h n o l o g y i nr e c e n tt w o d e c a d e s ，t h ed y n a m i ca n d s t a t i c t e c h n o l o g yh a sb e c o m et h em a i nt e c h n o l o g yi nd y n a m i ca n ds t a t i cg r i n d i n g h e a da r e a b a s e do f ft h et h e o r yo fd y n a m i ca n ds t a t i ct e c h n o l o g ya n dt h e r e q u i r e m e n t so fp r o d u c t i o na n du s e r s ，t h i sp a p e ra n y l y z e dt h es t r u c t u r eo f d y n a m i ca n ds t a t i cg r i n d i n gh e a d , b u i l d e dt h et o p o l o g i c a l r e l e a t i o no ft h e g r a p h i c ，c o n f i r m e dt h ep a r a m e t e r so fd y n a m i ca n ds t a t i cg r i n d i n gh e a d ， d e s i g n e dt h ed y n a m i ca n d s t a t i cg r i n d i n gf i e a ds t r u c t u r ea n dp a r a m e t r i z e di t u s i n g a no b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o dv c 抖a st h es e c o n d d e v e l o p m e n tl a n g u a g ea n dd e v e l o p m e n ti n v i r o n m e n t ，c o m p i l i n g ，d e b u g g i n g a n dl i n k i n gi nt h ee n v i r o n m e n to fv c + + 6 0 ，u s i n gv i s u a le d i ti na d d i n gt h e r e s o u r c e so fm e n u ，d i a l o g ，b i t m a p ，h o tk e y , t h ep a p e re m b o d i e dt h ed e s i g n i d e ao ft h eo b je c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g t h i ss t r u c t u r ed e s i g na n dp a r a m e t r i cs y s t e mi sd e v e l o p e df o rac o m p a n y , h i 北京化工大学硕： j 学位论文 s oi th a sp e r t i n e n c ea n da p p l i c a b i l i t y b a s e do ns u r v e ym a pt h r o u g hp a r a m e t e r i n p u t t e dt h es t r u c t u r ed e s i g no fd y n a m i ca n ds t a t i cg r i n d i n gh e a dc a nb e r e a l i z e di nt h i ss y s t e m t h es y s t e mh a sm a n ya d v a n t i g e ss u c ha s ：f r i e n d l y i n t e r f a c e ，c l e a rs t r u c t u r ea n dc o n v e n i e n ti no p e r a t i o n t h i ss y s t e mc a ne n h a n c ew o r k i n ge f f i c i e n c yo fd e s i g n e r so nd e s i g n i n g t h ed y n a m i ca n ds t a t i cg r i n d i n gh e a d ，s ot h ed e s i g n e rc a nb ee c t r i c a t e df r o m c o m p l i c a t e dd r a w i n g k e y w o r d s ：c a x as e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，v c + + ，d y n a m i c a n ds t a t i c g r i n d i n gh e a d ，p a r a m e t e r i z e i v 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 第一章绪论 1 1 课题的提出的背景 第一章绪论 磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的精密机床，广泛应用于零件的精加 工，尤其是淬硬钢件和高硬度等特殊的精加工。随着零件对精度要求的提高，磨床在 金属切削机床中发挥越来越重要的作用【l 】。其中，对于磨床精度起着决定作用的是磨 床的主轴系统，磨床主轴支承系统的核心是轴承【2 】，磨床设备的精度、寿命和可靠性 在很大程度上取决于轴承性能的高低。而传统的磨床大多采用的是动压轴承或静压轴 承支撑【3 卅。虽然动压轴承结构简单，但它受速度的限制，启动和停车时不能产生油膜 润滑，精度寿命有限，楔型间隙很小，这就给轴承的制造增加了较大的困难。而静压 轴承虽然油膜压力与速度无关，受节流器结构的影响，轴承间隙都较大，但静压轴承 承载能力取决于供油的最大压力，抗过载能力差。 我国目前拥有上千万台装备有动压轴承和静压轴承的各种型号的旧磨床【5 】，它们 因使用年久，精度严重下降，不能满足加工精度要求。其中很多主轴轴瓦磨损严重，无 调整余量，即使修理也很难达到原来磨床性能和要求。如果添置新磨床，费用太高， 因此对旧磨床进行改造具有重要意义。 近十几年来，动静压轴承得到了广泛的发展，被广泛应用于改造旧磨床1 6 j 。它综 合了静压轴承和动压轴承的优点，在高速时以动压为主，在低速时又以静压为主，即 使在零速下也能使被支承轴浮起，大大降低供给系统的功率损耗，保证了系统的运动 精度，提高了设备的使用寿命【7 1 。因此，近年来人们对该技术进行许多研究，使之逐 步运用于精密加工机械及高速、高精度设备的设备中，如：外圆磨床、内圆磨床、平 面磨床、无心磨床、龙门磨床、轧辊磨床、齿轮磨床、精密车床等。到目前为止，动 静压磨头技术已相对比较成熟，在旧磨床改造方面做出了很大贡献。改造后的旧磨床 在长期使用的过程中，各项指标都能够达到原设计要求，且维护费用便宜，耐用稳定 性也很好。 动静压轴承既可在老旧设备改造方面起到巨大的作用( 目前国内已有数千台磨床 进行了改造，收到了良好的效益) ，同时也可为新机床配套( 上海机床厂、北京第二 机床厂的外圈磨、北京机电研究院的内圆磨) 【8 】。但是由于新、老磨床的类型型号繁 多，而且动静压轴承的结构可多样化( 某厂从德国引进的一台轧辊磨床磨头的动静压 轴承采用三个油腔和一个动压圆柱面) ，动静压轴承技术仍在发展之中，新的动静压 轴承的结构不断出现。如果对每一种磨床的动静压轴承进行单独设计，必然会存在重 复设计的部分，导致工作量很大。与此同时，c a d 技术已发展相当成熟，已广泛应 用于产品设，如果对于动静压磨头进行参数化设计，根据新旧磨床的型号，通过输入 设计的参数，便可以在很短的时间内设计出所需要的动静压磨头，大大的提高了设计 北京化工大学硕士学位论文 效率和准确率。正因为如此，提出本课题：动静压磨头( 动静压轴承和主轴) 参数化 设计。 1 2 课题的意义及主要研究内容 1 2 1 选题意义 自8 0 年代以来，参数化、变量化技术【9 】逐渐成为学术界、产业界的研究热点许多 学者从不同的应用领域、不同的理论背景提出了许多参数化模型和求解算法。目前， 支持零件几何外型变化的参数化设计技术相对成熟，在此基础上，支持产品设计的参 数化模型及相关算法也成为c a d c a m 领域研究热点。支持产品设计的参数化模型， 包括建立产品模型的方式，模型中表达功能和几何信息的映射、蕴含在模型中的知识 信息，进行知识推理，对产品参数化模型进行求解等，都已有了很好的研究。 在机械领域，c a d 技术的应用使机械工程发生的最重大变化，尽管机械产品五 花八门，复杂机械要有上百、上千个零部件组成，实现系列化、全参数化是十分繁杂 的工作，也是十分必要的工作。但到目前为止，我们已经对机械零件很好的实现了参 数化。目前，机械产品主要集中在齿轮、轴承、轴、减速箱、零件的装配等标准件及 非标准件等的参数化设计上，但对于动静压轴承和轴结合起来进行参数化设计，国内 还很少有研究。 现阶段对于c a d 参数化方法，大多是对a u t o c a d 采用其本身自带的二次开发语 言进行二次开发 1 0 - 1 2 】，对于国产c a d 软件的开发则比较少。但与此同时，国产c a d 软件正在越来越被广泛使用，如北航海尔开发的c a x a 软件，其绘图方式十分符合中 国人的习惯，在机械领域得到了广泛的应用。 北京环岛新特机电设备技术有限公司在设计动静压主轴系统方面具有丰富的经 验和成熟的技术，在国内同行业处于领先水平。本课题正是北京环岛新特机电设备技 术有限公司需求的基础上展开与其展开的合作，因此具有很强的针对性和应用性。 1 2 2 本课题主要研究内容 动静压轴承吸取了动压轴承和静压轴承的优点，既解决了静压轴承庞大复杂的供 油系统，又克服了动压轴承启动停止时的干摩擦，并保证了抗振性、动态刚性等性能。 这种轴承组成的轴系应用广泛，适用于各种进口、国产磨床及其它精密机床，但目前 无统一的设计标准，设计方法也不很完善。为了提高动静压磨头的设计水平和实现计 算机辅助制造( c a m ) ，本课题提出了以下主要研究内容：动静压磨头结构设计及最 优参数的确定，动静压磨头的参数化设计，动静压磨床参数化系统在产品应用过程中 2 第一章绪论 的改进。 具体研究内容如下： ( 1 ) 动静压磨头结构设计及最优参数的确定 在实际生产中，不同种类的磨床动静压磨头结构往往不相同，在参数化过程中， 对于不同种类的动静压磨头参数要根据实际需求来确定。本课题中，所要参数化的磨 床种类分为外圆磨床系列、内圆磨床系列、平面磨床系列。零件的位置、结构、尺寸， 将最终影响到动静压磨头的性能高低。因此，本课题在产品测绘的基础上，合理设置 参数，使结构设计过程与实际相符，具有更强的适应性。 ( 2 ) 动静压磨头的参数化设计 动静压磨头的参数化设计是本课题的主要研究内容。通过对动静压磨头的结构分 析以及性能分析，通过确定不同元素之间的拓扑关系( 装配图与零件、零件内部结构) ， 应用尺寸驱动的原理，基于c a c a 二次开发平台，使用v c h 6 0 作为开发语言，进 行动静压磨头的参数化。在参数化过程中，充分考虑到用户的需求，开发出人性化界 面，界面简单、友好，易于操作，同时又能实现丰富的功能。 ( 3 ) 动静压磨头系统在产品应用中的改进 由于此课题是北就环岛新特机电设备技术有限公司合作开发的系统，只有在实际 的产品设计中才能更好地发现其中存在的不足，同时也会因公司产品种类、结构、参 数的变化而要对软件作出必要的修改，从而使软件界面人性化，功能强大化，设计合 理化，更好的为公司设计出优秀的产品。 1 2 3 研究方案 动静压磨头参数化设计步骤如下： ( 1 ) 程序系统分析。根据用户的需求，确定动静压磨头参数化系统的功能，并做可行 性分析。 ( 2 ) 总体设计。根据动静压磨头的工作原理，确定动静压磨头参数化系统的结构。 ( 3 ) 详细设计。分析图形之间的拓扑关系，建立数学模型，确定动静压磨头参数化的 算法，为编写程序做具体准备。 ( 4 ) 编写程序。运用v c + + 6 0 ，基于c a x a 电子图板二次开发平台e b a d s ，进行程 序编写。 ( 5 ) 程序调试。程序编写完成后，进行调试。 ( 6 ) 程序系统的运行和维护。将动静压磨头参数化系统交给用户，在实际应用中使用 程序，并发现其中问题，进行维护。 3 北京化工大学硕士学位论文 1 3 本论文的结构安排 全文共分五章： 第一章为绪论。主要介绍课题提出的背景，选题的意义，本课题主要的研究内容， 同时论文的结构安排。 第二章为动静压磨头技术的理论研究，对动静压技术的发展、理论、应用作一介 绍。同时，针对本课题的研究内容，对动静压磨头进行设计。 第三章为动静压磨头的参数化模型的建立。通过对机械c a d 系统开发的方法的 研究，分析开发需求，选择开发平台及开发语言。分析动静压磨头结构，确定参数化 参数，进行结构设计，最终建立起参数化模型。 第四章为动静压磨头参数化过程。介绍参数化流程，建立参数化程序，确定系统 界面，进行代码的编写。编译、链接、运行程序，进入参数化界面，进行参数化绘图。 第五章对本课题所作研究进行了概括性的总结，并提出了有待进一步研究和解 决的问题，同时，对本课题作了一下展望。 4 第二章动静压磨头技术的理论研究 第二章动静压磨头技术的理论研究 磨床的动静压磨头( 主轴系统) 是磨床实现旋转运动的执行件，是磨床的上一个 关键组件【1 3 1 。动静压磨头由主轴、动静压轴承、安装在主轴上的传动件、密封件等组 成。主轴系统带动刀具完成工件表面磨削运动，所传递的功率占整台机床功率的8 0 左右。在工作过程中，动静压床头是刀具的支承件，承受切削力、进给力、驱动力和 刀具的重力，并保证与磨床其他有关组件、部位有精确的相对位置，而且要在受力和 热变形的情况下带着作均匀、准确的旋转，其旋转的速度很大程度上影响着磨床的加 工质量和生产率。 磨床用于零件的半精加工或精加工，通常转速较高、载荷较小。动静压床头要求 有较高的旋转精度、较小的变形、运转要平稳，以保证工件获得较高的加工精度和表 面光洁度。以m 1 4 3 2 a 型外圆磨床为例，转速为1 6 7 0 , , - 19 9 0 r m i n ，电动机功率为4 千 瓦。 2 1 主轴设计 主轴的结构形状主要决定于主轴上所安装的传动件、轴承和密封件等零件的类型、 数目、位置和安装定位方法等，同时还要考虑主轴加工和装配的工艺性。动静压磨头 主轴上安装有左右端盖、前后轴承、止推轴承、调整垫、套筒等。 2 - 1 1 主轴端部的形状 主轴端部的形状取决于机床的类型、安装夹具或刀具的形式，并应保证卡盘或刀 具安装可靠、定位准确、连接牢固、装卸方便和能传递一定的扭矩。对于动静压磨头， 为了在砂轮主轴上安装砂轮，保证其对中精度和工作安全可靠，主轴端部一般做成锥 度为1 ：5 或1 ：1 0 的锥形，并用月牙键传递扭矩。 2 。1 2 主轴外径d 主轴直径对刚度影响较大，惯性矩j 与直径d 的四次方成正比，主轴本身的变形 与直径的四次方成反比的减小。当轴承类型不变，其弹性系数k 也随着d 的增加而 减小，即轴承变形引起的主轴端部位移也减小。因此，直径d 选得越大，变形越小。 但是，主轴直径越大，与之相配的轴承等有关零件的尺寸越大，要达到相同的允差， 制造就较困难，材料重量也增加。同时，加大直径还要受到轴承所允许的d n 一( d 为 轴颈直径，n m a x 为主轴最高转速) 的限制，甚至为磨床结构所不允许。目前，对于外 5 北京化工大学硕士学位论文 圆磨床，根据最大磨削d m a x 确定砂轮主轴前轴轴颈直径d 1 ，d m a x - - 2 0 0 、3 2 0 、5 0 0 m m 时，万能外圆磨床的d 1 分别是巾5 0 - - 6 5m i l l 、巾6 5 8 0m l n 、巾8 0 - - - 1 0 0 m m 。 2 1 3 主轴材料与热处理 主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素确定。 材料刚性可通过弹性模量e 反映，对于动静压磨头，由于采用滑动轴承，为了减少磨 损，轴颈必须有很高的硬度。对于重负荷或中重负荷，局部要求高硬度的工作条件， 常用材料为2 0 c r ，4 0 c r ，经渗碳、淬火回火或调频淬火处理，硬度一般在h r c 5 0 以 上；对于中重负荷，耐磨好，要求强度高变形小的场所，常用材料为3 8 c r m o a l a ， 采用氮化处理，硬度一般要达到h v l l 0 盼1 2 0 0 。 2 1 4 主轴技术要求 主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴和轴承相连接处的表面几何形 状误差和光洁度关系到接触刚性，零件接触表面形状越准确、光洁度越高，则受力后 接触变形越小，亦即接触刚性越高。因此，对主轴设计必须提出一定的技术要求。 支承轴颈是主轴的工作基面、工艺基面和测量基面。主轴工作时，以轴颈作为工 作基面进行旋转运动；加工主轴时，为了保证锥孔和轴颈中心同心，一般都以轴颈作 为工艺基面来最后精磨锥孔；在检查主轴精度时，以轴颈作为测量基面来检验各部分 的同心度和垂直度。轴颈及其定位轴肩的技术要求，就满足主轴的旋转精度要求，在 动静压磨头中，由滑动轴承的技术要求来确定，一般支承轴径部分的尺寸精度为1 级， 轴颈的几何形状允差( 椭圆度、锥度等) 通常应小于轴颈直径的1 4 - - 1 2 。 螺纹部分用于轴承的传动件，若其中心与轴颈中心不同心，会使轴承和传动件偏 斜。一般规定螺纹的精度为2 级。 2 2 动压与静压轴承 轴承是动静压磨头的最重要组成部分，它直接影响到主轴系统的刚性、回转精度、 工件的加工精度、表面质量、主轴系统的发热等。液体滑动轴承，按承载油膜的压力 产生机理可分为动压轴承、静压轴承、动静压轴承。 2 2 1 动压轴承 ( 1 ) 动压轴承的结构特点 6 第二章动静压磨头技术的理论研究 动压轴承靠主轴旋转将润滑油带入轴承间隙中，以建立油膜压力来平衡负载。动 压轴承动压油膜承载能力的形成，必须具备： 1 ) 轴承和轴之间具有一定的初始间隙h 0 ； 2 ) 轴承和旋转轴间必须要有相对滑动速度； 3 ) 润滑油具有一定的黏度； 4 ) 有一套供油装置； 5 ) 轴承在工作时有偏心距【1 4 】。 动压轴承轴与轴承的间隙较小，承载能力与油膜粘度成正比，随主轴转速的提高 而增加，启动、制动时易于发生“抱轴 现象，转速过高时可能造成轴承温升高，从 而降低其动压承载性能，因而单纯的动压轴承很难适应高速磨削加工，现在在实际中 运用较少。 ( 2 ) 动压轴承的工作原理【1 4 】 o l 是轴的中心，0 2 是轴承内孔的中心。当o l 与0 2 重合时，轴和轴承间有一间 隙l l o ，一般称h o 为初始间隙或设计间隙。轴承运行时，轴以角速度d 旋转，在载荷 w 的作用下，轴心o l 和轴心0 2 相互偏离，称e 为偏心距( e = 0 10 2 ) ，o i0 2 的连线为 偏心线。o l0 2 与载荷w 的夹角巾称为偏位角。润滑油从供油系统中进入动压油腔内。 由于润滑油具有黏性，润滑油随轴旋转进入间隙内，随着旋转方向，间隙越来越 小，润滑油被挤压而产生压力，直到间隙最小处，润滑油被挤压得越来越厉害，油膜 压力越来越大，这些油膜压力的总和就形成轴承的承载力并与外载荷w 平衡。经过 间隙最小处后，间隙越来越大，润滑油不再被挤压，油膜压力逐渐消失。在某些场合， 此区域甚至会出现真空，并使油膜破裂。因此，通常称此区域为油膜破裂区，这就是 所谓油楔效应。图2 1 所示的轴承只有一个油楔，又叫单油楔轴承。为了满足某些特 殊要求，专门设计油楔，使油楔的个数不止一个，叫多油楔轴承。 图2 - 1 动压轴承运行原理示意图 f 远2 - lt h eo p e r a t i o np r i n c i p l es c h e m a t i cd i a g r a mo fd y n a m i ca n ds t a t i cb e a r i n g 7 北京化工大学硕士学位论文 2 2 2 静压轴承 ( 1 ) 静压轴承的结构特点 液体静压轴承是利用专门的供油装置，强制把压力润滑液体送入轴和轴承的间隙 中，用液体的静压力支承载荷的一种滑动轴承。它利用静压腔之间的压力差，形成液 体静压轴承的承载力，将主轴浮升，并承受外界载荷。 图2 2 所示为液体静压轴承结构。在轴承的内圆柱面上，对称地开有4 个矩形油 腔2 和回油槽3 ，油腔和回油槽之间的圆弧4 称为周向封油面，轴承两端面和油腔之 间的圆弧面1 称为轴向封油面。主轴装进轴承以后，轴承封油面和主轴之间有一个适 量的间隙 。 液体静压轴承具有如下基本特点： 幻具有一个静压腔； b ) 具有一定的间隙； c ) 轴承的承载力与轴承的速度无关； d ) 具有能够自动调节油腔间压力差的零件一节流器； e ) 与动压轴承不同，工作时承载力不是依靠油楔效应来形成的，工作时不需要 偏心距。 f ) 需要一套静压供油系统。 图2 2 静压轴承示意图 f i g 2 - 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f s t a t i cb e a r i n g 液体静压轴承具有以下优点： a ) 摩擦阻力小 由于实现了纯液体润滑，故主轴和轴承接触表面之间的摩擦阻力小，摩擦阻力主 要是由具有一定压力的润滑油层黏性所引起的。润滑油的黏性阻力，远远小于干摩擦 和半干摩擦以及滚动摩擦的阻力。因为摩擦阻力小，所以在中低转速条件下由摩擦阻 力造成的功率消耗小，传动效率高。 b ) 使用寿命长 主轴和轴承的接触表面由一层油膜隔开，使它们不直接接触。这样，无论是长期 第二章动静压磨头技术的理论研究 正常运转或频繁地启动、停止，接触表面都不会发生磨损，故能长期保持精度。由于 接触表面不发生磨损，对轴承的材料要求较低。 c ) 转速范围广 由于轴颈的浮起是利用外来油的压力来实现的，因此，在各种相对运动度下，都 具有较高的承载能力，速度变化对油膜刚度影响小。主轴在低速或高速条件下，正反 方向转动，均能获得良好性能。 d ) 主轴回转精度高 油膜具有补偿误差作用，从而能减少主轴和轴承本身造成的误差的影响。 e ) 抗振性能好 轴承油腔内润滑油层的阻尼系数较高，有良好的吸振性能，使主轴运转平稳。 0 适应性好 适当选择油腔、封油面的结构尺寸和供油压力等参数，能使轴承的承载能力达到 所要求的数值。合理选择节流形式、油膜厚度( 轴承间隙) 、供油压力和节流比等参 数，能使轴承的油膜刚度很大，设计合理的静压主轴单元，油膜刚度一般都大于主轴 的抗弯曲刚度。利用油膜厚度的大小和油腔压力的高低来控制工作状态，使之在最合 理的条件下工作。静压轴承能够满足轻载到重载、小型到大型、低速到中高速各类机 床和机械设备的要求。 但静压轴承具有以下缺点： a ) 需有一套可靠的供油装置，增大了机床和机械设备的空间和质量，初期成本 较高。与滚动轴承相比静压轴承的维护保养成本较高。 b ) 静压轴承的适应性好，可以有多种变化，实现标准化的难度较大，因此与滚 动轴承相比静压轴承还未有成熟的标准。 c ) 静压轴承的高速性能和做成电主轴的技术还有待研究改善，由于这个原因， 静压、动静压轴承在1 2 0 0 0r m i n 的电主轴单元中使用不多。 由于静压轴优点较多能满足高精度、高效率、大型机床和许多精密仪器、机械 设备的需要，因而得到人们的重视和使用。 ( 2 ) 液体静压轴承的工作原理 液体静压轴承按轴承结构不同，分为径向轴承、推力轴承、径向推力轴承。按供 油方式的不同，分为恒压供油静压轴承和恒流量供油静压轴承。下面对恒压供油静压 轴承作简单介绍。 图2 3 所示是目前常用的恒压供油静压轴承系统的组成示意图。它包括四个部分： 一是径向推力静压轴承；二是节流器，如小孔节流器、毛细管节流器、反馈式节流器； 三是由各种液压元件组成的供油装置；四是润滑油。 9 北京化工大学硕士学位论文 静 静压腔3静压腔4 图2 3 恒压供油静压轴承系统 f i g 2 - 3t h ec o n s t a n tp r e s u r eo i l - s u p p l i e ds y s t e mo fs t a t i cb e a r i n g 油泵未工作时，油腔内没有压力油，主轴压在轴承上。油泵启动以后，从油泵输 出具有定压力的润滑油通过各个节流器进入各节流器对应的静压油腔内。由于油腔 是对称分布的，若忽略系统自重，则主轴处于轴承的中心位置，此时，轴与轴承之间 各处的间隙相同都等于设计间隙h o ，各油腔压力p r 相等。主轴表面和轴承表面被润 滑油完全隔开，轴承处于全液体摩擦状态。 当主轴受到向下的外载荷w 作用时，主轴往油腔l 的方向产生微小位移e ，这 时油腔1 的间隙从l l o 减小到1 1 0 - e ，封油面上的油流阻力增大，从油腔经封油面流出的 流量减少。依流量连续定律，从供油系统经节流器1 进入油腔1 的流量也减少，因而 流过节流器l 产生的压力降p 也减少，故油腔1 的压力p r l - p s 一p 就增大，即p m 增大为p r l 。油腔3 的间隙因主轴有微小位移e 而增大为1 1 0 + e ，封油面的油流阻力 减小，从油腔3 经封油面流出的流量增加。依流量连续定律，从供油系统经节流器3 进入油腔3 的流量也增加。因此，流过节流器3 而产生的压力降p 增大，故油腔3 的压力p r 3 = p s - - a p 就下降，即p r 3 减小为p r 3 。设各油腔的有效承载面积为a e ， 则a e p r i 为油腔l 的承载力，a e p m 为油腔3 的承载力，二者的全力即形成静压 轴承的承载力，以承受外载荷w 。 如果轴承和节流器的参数选择合适，供油压力p s 应用适当，可使主轴的位移e 很小，例如在几微米之内，就可以产生足够的承载力以承受外载荷。若采用反馈式节 流器，甚至可以使e - - 0 ，即主轴在承受外载荷的情形下仍处于轴承的中心位置。 l o 第二章动静压磨头技术的理论研究 2 3 液体动静压轴承 2 3 1 动静压轴承的特点 动静压轴承是近年来在动压轴承和静压轴承的基础上发展起来的新型油膜轴承， 它是在在动压轴承的基础上，于适当位置开设一定的静压腔，利用动压作用和静压作 用共同承受外载荷。 动静压轴承综合了静压与动压轴承的优点，消除了动压轴承和静压轴承的不足。 其特点是采用整体式轴承与表面深浅腔结构油腔。轴承系统工作时，主轴被一层压力 油膜浮起，主轴未经电机驱动已悬浮在轴承中，避免了启动、停车时由于润滑不良而 使轴颈与轴承之间发生机械摩擦与磨损，从而提高轴承使用寿命且有良好的精度保持 性。当电机驱动主轴旋转时，轴承油腔内由于阶梯效应自然形成动压承载油膜，轴承 成为具有静压压力场的动压滑动轴承。与三块、五块瓦相比，动静压轴承为整体式结 构，轴承与箱体孔接触面积大，为刚性联接，使油膜刚度得到充分的发挥利用。主轴 工作时，油膜刚度是轴承静态刚度与动态刚度的叠加，有很强的承载能力。压力油膜 的“均化作用可使主轴回转精度高于轴颈和轴承的加工精度。 动静压轴承有以下特点： a ) 寿命长，起动力矩小，精度保持时间长。 b ) 回转精度比动压轴承好。 c ) 抗振阻尼特性比静压轴承好。 动静压轴承精度高、刚度大、寿命长、吸振抗振性能好，主要用于精密加工机械 及高速、高精度设备的主轴。既可用于旧机床改造，也可用于新机床配套。采用动静 压轴承可以完全恢复机床因主轴轴承问题而丧失的加工精度和表面粗糙度，提高机床 主轴精度和切削效率，并可多年连续使用而不需维修。多年来我国一些企业采用动静 压轴承为新机床配套和进行旧机床改造，均获得了满意的使用效果和显著的经济效 益。 2 3 2 动静压轴承分类 动静压轴承按工作原理可分为三种形式【1 4 】： a ) 静压启动、动压工作型。这种类型的轴承在机器起动时先启动静压供油系统， 利用静压油腔的压力支承起静止的转子，然后起动机器，待转子达到预定转速后，启 动动压供油系统，并关闭静压供油系统，利用动压效应支承转子及其上的载荷。它启 动力矩小、起动过程无磨损，压力较高的静压供油系统无需长期工作，故多用于重型 机械，如冷轧机、大型立式车床、水轮机等。 北京化工大学硕士学位论文 b ) 动静压混合型。这类轴承在机器起动前先启动静压供油系统，利用静压油腔 的压力支承起静止的转子，然后启动机器，随着转子转速增加，动压效应增大，待达 到预定转速后，施加工作载荷，由动压与静压效应同时承受转子上的全部载荷。它具 有承载能力高、刚度大、油膜阻力大等特点，且供油压力、流量、泵功耗均比静压轴 承低，起动力矩比动压轴承低，起动过程无磨损。特别适用于高速、精密主轴轴承， 也可用于高速重载轴承。 c ) 静压工作、动压作用辅助式。这类轴承以静压工作为主，动压作用为辅。这 样做有两个目的：一是充分利用油膜动压作用，增大轴承承载能力；二是当静压作用 万一失效时，轴承有一定的保护作用。 这种轴承是按静压轴承来设计的，但保留较大的动压滑动面。这样轴承运行时， 旋转精度高，刚度大。如果静压供油系统失灵或突然停电，由于有较大的动压滑动面， 可保护轴承不受损害。 2 3 3 动静压轴承的几种典型结构 下面是几种动静压轴承的几种典型结构及特点介绍。 图2 4 无节流器动静压轴承 f i g 2 - 4t h es t a t i cb e a r i n gw i t h o u tr e s t r i c t o r 动静压轴承所采用的油腔结构、节流器与静压轴承相比均不相同。静压轴承采用 的固定节流器有“小孔 、“毛细管”等，可变节流器有“薄膜反馈 、“滑阀反馈 及 “内部反馈 等，上述节流器大多设置在轴承外部的静止部位，结构复杂，使用时常 因节流器处油流截面太小，油液杂质易堆积而发生堵塞。早期设计的动静压轴承为深 浅腔结构，分有节流器和无节流两种。 图2 4 为无节流器的动静压轴承【1 5 1 ，深腔与浅腔形成静压腔，浅腔兼备节流功能。 压力油p s 进入中间环槽后，流入深腔和浅腔，经两端的轴向封油面排出。当主轴在 轴承中高速旋转时，由于浅腔同轴向封油面的台阶及主轴中心的轴承中的微小偏心， 1 2 第二章动静压磨头技术的理论研究 自然形成楔形油膜而产生动压承载油膜。主轴只能按图2 - 4 所示w 方向旋转。 图2 5 为纯浅腔结构的动静压轴承。压力油通过环形槽进入两侧的若干浅腔。该 轴承结构简单，但静压承载力较低，可双向旋转。 i 进油 图2 _ 5 纯浅腔结构的动静压轴承 f i g 2 - 5t h es i m p l es h a l l o wp o c k e ts t r u c t i o no fd y n a m i ca n ds t a t i cb e a r i n g 上述两种动静压轴承适用于高速轻载的机床主轴，上海机床厂、北京第二机床厂 生产的m 1 4 3 2 外圆磨，咸阳机床厂生产的m g a 6 0 2 5 工具磨曾使用该类轴承。 图2 6 所示是北京航空航天大学研制的孔式环面节流深浅腔动静压轴承的结构简 图。进油孔采用由1 由1 3 小孔，小孔直径与主轴间隙组成的圆柱面和浅腔构成两次节 流。同前两种动静压轴承相比，主轴的静态承载力增强。如需进一步提高轴承承载力 ， 进油 深腔 7 7 八 钉糯 - 7 ，t ，。 | n 浅腔 4 ： 宙向 j 阳 绷 油檀一 嫩刁i广7 n 翌刍夕融乃 图2 - 6 孔式环面节流深浅腔动静压轴承 f i g 2 - 6t h eo r i f i c e t y p ea n dt o r u st h r o t t l ed e e p - s h a l l o w p o c k e to fd y n a m i ca n ds t a t i cb e a r i n g 可在轴承上开轴向回油槽( 图2 - 6 虚线所示) ，轴承的供油量会有所增加。这类轴承适 用于中速中载的机床主轴，如m g l 4 3 2 外圆磨、m m 7 1 5 0 平磨、m 1 0 8 0 无心磨、轧辊 磨等。 图2 7 为郑州工业大学研制的柱销式内反馈动静压轴承的结构简图，图2 8 为其 节流器结构图。节流器由圆台和主轴间隙构成，具有薄膜反馈、滑阀反馈及内部反馈 节流器的性能。由于节流器的阻尼是随外载荷变化的，所以轴承既具有最佳静压承载 1 3 北京化工大学硕士学位论文 能力，又可大大降低节流器的摩擦功耗，高速时还可最大限度地发挥动压效应。该轴 图2 - 7 柱销式内反馈动静压轴承 f i g 2 - 7p i ns t y l ea n di n t e r n a lf e e d b a c k o fd y n a m i ca n ds t a t i cb e a r i n g 图2 8 柱销式内反馈动静压轴承节流结构图 f i g 2 - 8p i ns t y l ea n di n t e r n a lf e e d b a c ko fd y n a m i ca n ds t a t i cb e a r i n g 承在低速及中高速时均有很强的承载能力，适用于载荷与速度变化范围大的机床主 轴。主轴低速重载回转时，对轴承动压承载能力要求较低，此时可采取增加轴承深腔 面积、减少浅腔面积和开设轴向回油槽的方法来满足对轴承刚度和载荷能力的要求。 由于动静压轴承是利用静压和动压的叠加作用，为了适应各类机床主轴的性能要 求，轴承的结构形式可按需要进行设计，有些接近于静压轴承，有些则更相似于动压 轴承。这里进一步说明，动静压轴承不仅比纯静压或纯动压轴承具有更好的性能，而 且能适应不同类型机床主轴工作时对刚度及承载能力的要求。 现在使用的孔式环面节流器与柱销式内反馈式节流器都加工在轴承体上，不需增 设外部油路，而且是在轴颈与轴承孔的间隙进行自然节流，工作时轴颈与轴承的相互 运动使润滑油杂质不易堆积。该类节流器使用既方便又安全，还免除了原静压轴承节 流器容易堵塞带来的麻烦。 图2 - 9 为径向止推动静压轴承的结构简图。这类轴承可以同时承受径向力和一个 方向的轴向力。它是在径向动静压轴承基础上一端增加了平面止推动静压轴承组成的 所谓联合轴承。动静压止推轴承的止推面上设有动压油腔和动静压油腔，采用孔式环 面节流器，油腔由深腔和浅腔组成。主轴轴肩与止推面被一层静压力油膜隔开，主轴 旋转时即可自然形成动压承载油膜承受轴向载荷。根据主轴结构及工作性能要求，可 1 4 第二章动静砸磨头技术的理论研究 在主轴两端各用一个联合轴承，或在主轴一端用一个联合轴承和一个平面动静压止推 轴承来实现。如果旧机床主轴本身带有止推结构，改造时可保留原结构省去动静压止 推轴承。如m q 8 2 6 0 曲轴磨床改造就利用原主轴上的止推结构。 妒瓢一 憾锄l 图2 - 9 径向止推动静压轴承 f i g 2 - 9t h er a d i c a lt h r u s to fd y n a m i ca n ds t a t i cb e a r i n g 进油l 蕊缮酶 句 潺 槽 腔 炉 拶 图2 1 0 圆锥动静压轴承 f i g 2 - 1 0t h ec o n i c a lo fd y n a m i ca n ds t a t i cb e a r i n g 图2 1 0 为郑州工业大学研制的圆锥动静压轴承的简图。它可同时承受径向力和轴 向力，只须将其放置在轴两端原径向轴承的位置上就能起到径向止推轴承的作用，既 可以省去一对止推轴承使主轴结构大为简化，还可减少总的摩擦面积，降低摩擦功耗 及减小供油量。这种轴承可以根据主轴的工作情况选配任何一种节流器，可制造成有 轴向回油槽( 图2 1 0 虚线所示) 或无轴向回油槽结构。同时该轴承的装配，调整极为 方便。由于动静压轴承的重要参数“轴承问隙”可在轴承结构设计、制造加工完成后， 在装配时通过调整圆锥轴承在主轴上的轴向位置来改变，使得轴承的承载能力、刚度、 流量处于理想状态。圆锥动静压轴承的轴向承载力不如平面止推动静压轴承，因此常 用予轴向承载要求不高的场合。由于其功耗小，特别适合于高速内圆磨头主轴系统， 如m 2 1 1 0 内圆磨头。近年来已应用在电主轴和内沟道磨床中。 1 5 北京化工大学硕十学位论文 2 4 动静压磨头的设计 动静压轴承可以在许多机械设备中使用，因此，动静压轴承结构也很多，这里只 介绍动静压技术中的共性。 2 4 1 动静压轴承基本参数的确定 ( 1 ) 动静压轴承载荷的确定 轴承需要承受的载荷是由机械设备本身决定的。主轴部件的回转精度、载荷( 切 削力) ，在磨床设计时做了规定，因而轴承的载荷也就已经决定。因此，在动静压轴 承的设计中，载荷w 是一个给定的参数。 ( 2 ) 轴承的转速 轴承的转速是同机械设备本身决定的。主轴的转速是由机床的性能要求决定的， 因此，在进行动静压轴承设计时，转速是一个已知的参数。 ( 3 ) 轴承的直径d ，长度l d ，l 一般由机械设备的整体结构决定，但是d 、l 与轴承承载力、刚性等轴承 性能有关。在进行机械整体设计时，应考虑下列原则，即轴承的比压p a 及d 、l 应满 足式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 【1 4 】： 鼢= ! r _ 2 5 m p a ( 2 1 ) d 正 三：0 4 4 1 o ( 2 2 ) 一= 1 i j 一一一l 二- 三， d 别外还可以考虑下列因素： 1 ) 从动压效应来看，轴承的承载能力与轴承直径的3 次方成正比； 2 ) 从静压效应来看，轴承的承载力与轴承直径成正比； 3 ) 轴承的摩擦功耗在转速相同的条件下与轴承直径的平方成正比； 4 ) 用于机床动静压轴承的主轴必须满足刚度设计的要求，特别是高精度机床主 轴。 ( 4 ) 初始半径间隙l l o 初始半径间隙l l o ，又叫设计问隙，是动静压轴承和所有油膜轴承的重要参数。它 对动静压轴承的承载能力、刚度、回转精度、摩擦功耗和发热、静压腔压力、流量以 及供油系统的设计有直接关系。l