【JX330】M7130平面磨床主轴系统改造设计[FY+RW]
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【JX330】M7130平面磨床主轴系统改造设计[FY+RW],jx330,m7130,平面磨床,主轴,系统,改造,设计,fy,rw
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湘潭大学兴湘学院本科生毕业设计（论文） 1 提高刀具表面的抗粘性能力通过 纳米 /微质感 技术 械 工 程 学院 ， 工程 系 ,丘 吹田 ， 大阪 565日 本大 阪 大 学 研究 生院 提交，日本大阪。 铝合金复合材料的需求迅速增加，特别是在交通运输业，这种需求是由于作为一种高强度质量比和高耐腐蚀性等关键优势。 然而，铝屑容易 依附在 切割工具 的边缘 ，常常导致工具破损。为了解决这个问题，我们已经利用飞秒激光技术开发出纳米 /微质感表面刀具 。 实验表明，利用这种技术在 端面铣削时 ，工具表面的光滑性和抗粘接性能有着显著提高。 1 介绍 铝合金有 着多种优势，包括高质量比和高耐腐蚀性。因此，铝合金的需求迅速增加，尤其是在运输业。铝合金与钢相比，由于其硬度低，易于切割，但这种优势在某些应用中有时会因为其熔点低，延展性高，导致铝芯片工具的切削刃降低，从而导致机床故障。工具的 许多不同的 切屑参数 已得到改善，如几何形状，表面涂层 2 ，及 精加工 。 例如 ，类金刚石碳（金刚石）涂层刀具具有极低的摩擦 而 被应用在干燥或 接近 干切削铝合金 3，但在实际使用中 ， 铝芯片类金刚石涂层工具 无法避免的在 切削液 中工作。 此外，刀具破损经常发生在切削过程 ， 深孔钻削 ，铣削，攻牙 ，它的 切削点是很难直接提供切削液。 为解决 上述问题 ，我们采用了表面工程的方法，即，一个功能化工具表面的纹理 。我们开发了一种微结构的刀具，以确定刀具前刀面保持在切削液中 7，显着改善刀具前刀面的摩擦， 切削力和 摩擦系数 ， 刀 附 性 尚未调查 。 在这项研究中，我们评估了微粗糙表面抗粘性的影响和开发技术，以提高使用更精致的表面纹理。 基于我们 的研究结果 ， 我们开发了一个与 纳米 /微质感 表面的切削工具，以改善所需的抗粘结效果。 我们 也评估了 相应的切削性能。 湘潭大学兴湘学院本科生毕业设计（论文） 2 2 刀具表面微结构 削刀具与微表面纹理 图 1。以前开 发的微粗糙表面的切削工具（大写：示意图 ;： 像） 7。 图 1 显示 一个原理图说明和扫描电子显微镜（扫描）（日立高新科技公司， 像的切割工具与微质感分段金刚石涂层 7。 我们 在 准备 的 工具基础上 8。首先 ，通过 等离子体增强化学气相沉积（ 法在 硬质合金刀具 的前刀面 均匀涂布类金刚石膜 ， （住友电工超硬合金株式会社， 接下来，用钨铁丝网涂层刀具的表面，作为一个面具，以创建一个网格。 在利用 金刚石涂层的化学气相沉积法 再涂上第二层 ， 使得 类金刚石薄膜的部分 尺寸 为 150毫米 x 150 毫米 x 米，间距为 80 毫米的 深 栅 槽 ， 削实验程序 铝合金 用立式加工中心进行切割实验（山崎马扎克公司， 验装置如图所示图 2 。 图 3 显示了单个插入刀具的几何形状。 刀具的中心 对 应 工件的中心线。表 1 列出了切削条件。 乳化型切削液（ 限公司， 心 供 分钟的流量。测功机（奇石有限公司， 9257B） 设置测量工件切削力 的 三个 组成部分 。 湘潭大学兴湘学院本科生毕业设计（论文） 3 图 2。面铣测试的实验装置。 图 具 的几何形状。 切割 900 米后，观察评估刀具前刀 面工具表面的附着力。 电镜扫描图像 （图 4）证实，芯片粘附发生前刀面上，更具体地说，该凹槽被掩埋在附近的 尖端上 。 刀 理论计算约为 180 毫米，这表明该段 有 足够大的（ 150 毫米 150 毫米）工具 。 凹槽是如此之广，芯片材料很容易进入沟槽和堵塞。 湘潭大学兴湘学院本科生毕业设计（论文） 4 图 4。切割工具切割 900 米后微质感表面。 3。 纳米 /微质感 表面切割工具 考虑到上述结果，我们举例设计了新的纹理刀具表面： 1）提高并保留足够的工具和芯片之间的流体和一个稳定的流体膜润滑 ; 2）通过降低刀具表面和芯片之间的接触面积，而减少摩擦。然 后通过 纳米 /微 沟槽 技术，而制造出的刀具表面，以达到这些目的。 通过 激光诱导周期性 表面结构技术来生 产 纳米 /微沟槽 9 , 10前刀面上的切削工具。 在线偏振飞秒激光脉冲的照射下，而引起的入射激光脉冲和表面散射光，在等离子体波之间的干扰下而使得表面存在缺陷。 精确的 固定槽自组织通过调整略高于消融阈值低剂量激光能量，与间隔规则的结构是相同 的 或小于激光 的 波长。 应用这一 技术， 在 切削工具 的 前刀面上使用 钛蓝宝石 激光系统定期产生 100米和 700 纳米 /微沟槽 （佳能机械 ;峰值 波长为 800 纳米，脉冲宽度 150 ，循环频率 1 冲能量 300 兆焦耳） 如图 5 所示 ，纳米 /微沟槽形成正弦 这被认为是最大限度地减少刀具表面和芯片之间的接触。 激光辐照前 ， 以 抛光金刚石切割工具 的 前刀面的表面粗糙度为 40（峰谷） 湘潭大学兴湘学院本科生毕业设计（论文） 5 图 5。新开发的工具纳米 /微质感表面 使用表 1 中列出的切削条件下进行了初步的切割与抛光，和表面的切削刀具和刀具与凹槽平行尖端实验。 刀具的前刀面坚持以芯片质感打磨工具（图 6）类似的方式，显示反胶的效果没有得到充分的晋升时只修改表面纹理。 然后 ，在切削刀具 的 表面 利用 电弧离子镀 类金刚石薄膜涂层 以 提高抗胶粘性 。 涂层降低了 10 毫米或更小的沟槽深度。 图 6。扫描电镜图像 为 切割 900 米前刀面涂层刀具。 湘潭大学兴湘学院本科生毕业设计（论文） 6 表 1 切削条件。 工件 75 毫米的 210 毫米古河天空铝业公司 工具 硬质合金 住友电工硬质合金有限公司， 几何刀具 轴向前角 ，普遍径向前角，倾角，顶角，克刀具直径 20 一 3。 45 80削速度切削深度进给率切削长度 380m/ mm/180m x 5, 10 削液 乳液型近地物体的有限公司 ， 00， 供给率 。刀具性能 估防粘连。 三种类型的刀具进行了评价： （ 1）的类金刚石涂层刀具沟槽平行于切削刃（平行槽工具）； （ 2）的类金刚石涂层刀具沟槽垂直于切削刃（ 正交槽工具 ）； （ 3）传统的金刚石涂层工具与抛光表面（抛光工具） ， 如图 7 所示 ，切割 1800 米 后 使用扫描电子显微镜和能量色散 X 射线光谱（能谱）分析前刀面切割工具 和对 性能进行了评价。图 8 显示图形为 前刀面上铝原子浓度， 定量衡量一个 像。 湘潭大学兴湘学院本科生毕业设计（论文） 7 图 7。切削刀具切割后 前刀面 （左：扫描电镜图像；右： 像） 图 8 切削刀具 前刀面上 的铝原子 湘潭大学兴湘学院本科生毕业设计（论文） 8 从图 6 和 7，我们发现，类金刚石涂层 铝 附着力降低。 图 7 和 8 证 明 ，刀具表面纳米 /微有很好的防粘性能，特别是纳米 /微沟槽平行 的 主切削刃。更具体地说， 抛光工具粘连面积减少三分之一。 增加纳米 /微槽方向上性粘连可描述如下 ， 在 正交槽工具 下 ，芯片刀具前刀面总是与面接触， 从而 增加芯片的粘附，导致 切割工具芯片的接口上的油膜破裂 。 在平行槽工具的情况下， 芯片接触到 刀具前刀面 ， 避免了芯片的附着力和工具芯片的接 口切割液的断续。 利用光学显微镜（ 公司， 切割距离 180 米后进行工具表面的观察，评估切割进步的附着力的变化， 图 9 为计算的显微图像分析。显示了中铝粘连面积的变化。 在新开发的工具 中， 粘附地区 略有增加。特别是，平行槽工具长约八分之一的地区相比。 图 9。变化的粘附区与切割刀面距离 切割后 1800 米 后， 在正交方向切割边缘测量刀具前刀面 的 截面轮廓 ， 如图 10 所示 ，前刀面上的抛光工具集结 在 边缘 米 处 产生，而这是开发工具可以忽略不计的。 图 10。切削刀具后刀面 的 截面轮廓 湘潭大学兴湘学院本科生毕业设计（论文） 9 最后 ，高倍率 察，以确定详细的刀具表面的附着力（图 11）， 从这个数据 ，我们证实了切割 1800 米 后 纳米 /微沟槽不被粘附。 图 11。切割 1800 米后平行 于 开发工具 的 前刀面与纳米 /微沟槽 的 边缘 价刀具表面的润滑性 进行了切削剪切角和切削力的评估，以确定对切削性能的影响。 众所周知， 剪切角随刀具前刀面上的摩擦 而 减少 ， 立体切割后逼近二维切割，下面是剪切角 F 的有效二维切割计算公式， ， 其中 切割比例， H 是 变形的 芯片厚度， 芯片的厚度， a 是倾角。 H 是以小时计算， 用每隔 2 毫米的千分尺。 获得 高于纳米 /微抛光工具 剪切角 的开发工具，实现良好的工具表面的润滑性，如图12 所示。 图 12。在刀具旋转时剪切角的变化 切削力，刀具前刀面的摩擦系数在计算时使用的措施。 结果 在图 13 表明显示，纳 湘潭大学兴湘学院本科生毕业设计（论文） 10 米 /微显 著 改善表面润滑性。 此外 ，我们证实，在整个实验 中 低摩擦系数保持不变。 图 13。刀面的摩擦系数 5。结论 纳米 /微质 表面切削工具被开发出来，改善了铝合金切割的抗粘接性能。 特别是，我们也开发了有一个深 100米和 700 纳 纳米 /微质 刀面的切削刀具。 纳米 /微质感和金刚石涂层大大提高 抗粘接性能和刀具表 面的润滑。平行于主切削刃的纳米 /微沟槽开发工具，最需要改进的为其抗粘接性能。 鸣谢 这项工作 由日本教育部支持 ， 用于文化，体育，科学和技术科学研究（ 21560123，2009） 湘潭大学兴湘学院本科生毕业设计（论文） 11 参考文献 1拜恩克 ， 2003） 先进的切割工艺 机械工程研究所 52（ 2） :483 2克洛克楼， 里奇 1998） ， 改进切割改编的涂层系统的过程 。机械工程研究所 47（ 1） :65 3 ， T（ 2008）最低数量的水铝 - 硅合金类金刚石碳涂层钻头使用的润滑钻。国际机床杂志与制造 48:1429 4吉村 H， T，森胁大前研一氮， 下松井中号，清水米（ 2006）近干切削铝合金的研究。国际 - 日本机械工程师 C 系列 49（ 1） :83 5 莱恩 1999）结构，纹理或工程曲面。 机械工程研究所 48（ 2） :5416，哥斯达黎加 ， 卡 2008）在曲面设计功能性能的进展。机械工程研究所 57 纪事（ 2） :750 7：榎 T，青木，大竹氮（ 2007）微结构表面与刀具的发展。日本交易 国税发 日本机械工程师学会 C 系列 73（ 729） :288 8青木，大竹氮（ 2004） 碳薄膜的摩擦学性能。国际摩擦学 37:9419 哲 t， 激光诱导纳米结构的自组织形成 2009 年）。史册 国税发 机械工程研究所 58（ 1） :201 10川原，泽，森（ 2008）双向旋转水润滑性能对 面周期结构的影响。日本摩擦学学会摩擦学 3（ 2） :12211斯蒂芬森 S（ 1996） 金属切削理论与实践。 版社 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）任务书 论文（设计）题目： 面磨床主轴系统改造设计 学号： 2008963333 姓名： 刘佩 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 系主任： 一、 主要内容及基本要求 本课题完成对 面磨床主轴系统的分析设计，主要完成静压轴承主要技术参数确定。需编写相应的设计说明书，并用二维软件绘制总装配图以及非标准件零件图。 二、重点研究的问题 利用静压轴承在保证转速和一些重要结构的基础上改装 床的主轴系统，另外，在对静压轴承的有关尺寸进行设计计算 ，确定合理的轴承结构形式和尺寸，节流器，工作参数，润滑油的粘度以及供油系统。同时必须满足下面要求： 三、进度安排 序号 各阶段完成的内容 完成时间 1 收集资料，查询相关文献 2012 年 2 月中旬 2 掌握磨床工作原理和技术要求，进行方案构思和设计 2012 年 3 月中旬 3 完成主要零件设计计算 2012 年 4 月上旬 4 绘制装配图和零件图草图 2012 年 4 月下旬 5 完成装配图和零件图的设计 2012 年 5 月上旬 6 写毕业设计说明书及英文文献翻译 2012 年 5 月下旬 7 交毕业设计说明书，准备答辩 2012 年 5 月下旬 8 答辩 2012 年 5 月 31 号 四、应收集的资料及主要参考文献 1 孙桓，陈作模 主编 . 机械 原理 （第七版） M 高等教育出版社 ， 2001 2 张直明等 M 高等教育出版社， 1986 3 孙恭寿，冯明 M 世界图书出版公司 ， 1993 4 庞志成、陈世家 M .： 哈尔滨工业大学出版社， 1991. 5 张冠坤、钟洪 M 科技普及出版 社， 1996 6 华绍杰 M： 郑州工学院 ， 1984 7 王同全、王兰 小节流液体动静压轴承混合轴承的设计计算与制造 2005. 8 叶元烈 . 机械传动装置设计手册 M ： 河南科学技术出版社 ， 1997. 9 张冠坤、钟洪 M 学普及出版社， 1988. 10 丁振乾 . 流体静压轴承 M .：上海科学技术出版社 ， 1986. 11 张冠坤、钟洪 压 动静压轴承 设计使用手册 . 北 京 电子工业大学 出版社， 2007. 12 庞志成， 陈世家 . 液体静压动静压轴承 M 1991,12. 13 濮良贵，纪名刚 北京：高等教育出版社， 1996. 目录 摘要 . 1 第 1 章 概述 . 错误 !未定义书签。 言 . 错误 !未定义书签。 课题背景及目的 . 错误 !未定义书签。 国内外研究状况 . 错误 !未定义书签。 研究方法 . 错误 !未定义书签。 文的构成及研究内容 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 主要问题及解决方案 . 错误 !未定义书签。 面磨床的主要结构 . 错误 !未定义书签。 平面磨床 原理 . 错误 !未定义书签。 机床改造的主要任务 . 错误 !未定义书签。 主轴系统改造的结构分析及确定 . 错误 !未定义书签。 压轴承 . 错误 !未定义书签。 静压轴承 . 错误 !未定义书签。 轴系统结构形式的选择、分析 . 错误 !未定义书签。 主要结构设计要求 . 错误 !未定义书签。 供油系统 . 错误 !未定义书签。 供油系统类型的选择与分析 . 错误 !未定义书签。 第 3 章 静压轴承的有关参数选择及计算 . 错误 !未定义书签。 压轴承结构 . 错误 !未定义书签。 择静压轴承参数 . 错误 !未定义书签。 算节流小孔直径 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 径向轴承流量 . 错误 !未定义书签。 径向静压轴承各设计参数取值如下 . 错误 !未定义书签。 第四章 静压轴承的有关 参数选择及计算 . 错误 !未定义书签。 止推轴承结构 . 错误 !未定义书签。 推轴承的基本参数 . 错误 !未定义书签。 止推轴承节流比的确定 . 错误 !未定义书签。 止推轴承流量 . 错误 !未定义书签。 推轴承的刚度 . 错误 !未定义书签。 止推轴承的设计参数 . 错误 !未定义书签。 第五章 供油泵及供油泵电机的选择 . 错误 !未定义书签。 总流量 Q . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 油泵电机的选择 . 错误 !未定义书签。 第六章 . 错误 !未定义书签。 能器 . 错误 !未定义书签。 油器的过滤精度 . 错误 !未定义书签。 第七章 轴承功率消耗计算 . 错误 !未定义书签。 向轴承发热（功率消耗 ) . 错误 !未定义书签。 止推轴承的内摩擦 . 错误 !未定义书签。 承的总摩擦功率 . 错误 !未定义书签。 第八章 静压轴承的装配特点与轴承节流比的调整 . 错误 !未定义书签。 压轴承的装配特点 . 错误 !未定义书签。 承节能比的调整方法 . 错误 !未定义书签。 参 考 文 献 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 摘要 随着磨削技术的发展，磨床在加工机床中也占有相 当大的比例。磨削技术及磨床在机械制造业中占有极其重要的位置。磨削技术发展很快，在机械加工中起着非常重要的作用。由于原机床 生产中使用了三十余年，主轴前、后封由盘等零件均有一定程度的磨损，易产生振动，严重影响机床性能。产生磨削 粗糙度 达不到产品技术要求，且磨损平面有较大、明显的振纹。因而对机床主轴系统进行改造是很有价值的。本次设计主要是对 面 磨床进行数据分析，并进行主轴优化改造设计。主要包括 平面 磨床主轴系统静压轴承改装、静压轴承的有关参数选择及计算两大内容，主要研究内容是静压轴承的性能分析以 及在 平面 磨床主轴系统中的应用。 关键词 ： 平面磨床 静压轴承 主轴系统 of in a in an a in As 7130 in 0 a of to of is of to 7130 of of of 湘潭大学兴湘学院 毕业设计说明书 题 目： 面磨床主轴系统改造设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 2008963333 姓 名： 刘佩 指导教师： 张高峰 完成日期： 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）任务书 论文（设计）题目： 面磨床主轴系统改造 设计 学号： 2008963333 姓名： 刘佩 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 系主任： 一、 主要内容及基本要求 本课题完成对 面磨床主轴系统的分析设计，主要完成静压轴承主要技术参数确定。需编写相应的设计 说明书，并用二维软件绘制总装配图以及非标准件零件图。 二、重点研究的问题 利用静压轴承在保证转速和一些重要结构的基础上改装 床的主轴系统，另外，在对静压轴承的有关尺寸进行设计计算 ，确定合理的轴承结构形式和尺寸，节流器，工作参数，润滑油的粘度以及供油系统。同时必须满足下面要求： 三、进 度安排 序号 各阶段完成的内容 完成时间 1 收集资料，查询相关文献 2012 年 2 月中旬 2 掌握磨床工作原理和技术要求，进行方案构思和设计 2012 年 3 月中旬 3 完成主要零件设计计算 2012 年 4 月上旬 4 绘制装配图和零件图草图 2012 年 4 月下旬 5 完成装配图和零件图的设计 2012 年 5 月上旬 6 写毕业设计说明书及英文文献翻译 2012 年 5 月下旬 7 交毕业设计说明书，准备答辩 2012 年 5 月下旬 8 答辩 2012 年 5 月 31 号 四、应收集的资料及主要参考文献 1 孙桓 ，陈作模 主编 . 机械 原理 （第七版） M 高等教育出版社 ， 2001 2 张直明等 M 高等教育出版社， 1986 3 孙恭寿，冯明 M 世界图书出版公司 ， 1993 4 庞志成、陈世家 M .： 哈尔滨工业大学出版社， 1991. 5 张冠坤、钟洪 M 科技普及出版 社， 1996 6 华绍杰 M： 郑州工学院 ， 1984 7 王同全、王兰 小 节流液体动静压轴承混合轴承的设计计算与制造 2005. 8 叶元烈 . 机械传动装置设计手册 M ： 河南科学技术出版社 ， 1997. 9 张冠坤、钟洪 M 学普及出版社， 1988. 10 丁振乾 . 流体静压轴承 M .：上海科学技术出版社 ， 1986. 11 张冠坤、钟洪 压 动静压轴承 设计使用手册 . 北京 电子工业大学 出版社， 2007. 12 庞志成， 陈世家 . 液体静压动静压轴承 M 1991,12. 13 濮良贵，纪名刚 北京：高等教育出版社， 1996. 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）评阅表 学号 2008963333 姓名 刘 佩 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 面磨床主轴系统改造设计 评价项目 评 价 内 容 选题 现学科、专业特点和教学计划 的基本要求，达到综合训练的目的； 量是否适当； 研、社会等实际相结合。 能力 合归纳资料的能力； 究方法和手段的运用能力； 论文 （设计）质量 述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范 ； 无观点提炼，综合概括能力如何； 无创新之处。 综 合 评 价 该生选题符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；立论正确，论述充分，结构严谨合理；设计、计算、分析处理科学；图表图纸完备、整洁、正确，引文规范；体现该生具有一定的查阅文献、综合归纳资料的能力和有综合运用知识的能力，以及一定的设计研究能力。 评阅人： 2012 年 5 月 28 日 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 2008963333 姓名： 刘佩 专业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 37 页 图 表 4 张 论文（设计）题目： 面磨床主轴系统改造设计 内容提要： 本次 设计主要是对 面 磨床进行数据分析，并进行主轴优化改造设计 。 主要包括 平面 磨床主轴系统静压轴承改装、静压轴承的有关参数选择及计算两大内容 ， 由于主轴系统采用动压轴承，尽管 动压轴承的承载能力较大，刚度较高，且有吸振能力 ， 但由于 由于动压油 膜 的形成与两摩擦面间的相对运动速度有关，当相对运动速度不足时 （如启动、制动、载荷大转速低时）便不再处于完全液体摩擦状态，造成主轴和轴承较 大的摩擦和磨损。 针对这种 情况对 主轴 进行 优化改造设计 ，把 动压轴承 改造 为静压轴承， 因为 静压轴承是利用高压油泵在轴和 轴承之间注入高压油，依靠油压使轴浮起， 变 成完 全液体润滑油膜 4。 这样 使得磨床主轴寿命更长。 指导教师评语 。 指导教师： 年 月 日 答辩简要情况及评语 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 答辩委员会主任： 年 月 日 目录 摘要 . 1 第 1 章 概述 . 3 言 . 3 课题背景及目的 . 4 国内外研究状况 . 4 研究方法 . 4 文的构成及研究内容 . 4 第 2 章 主要问题及解决方案 . 5 面磨床的主要结构 . 5 平面磨床 原理 . 6 机床改造的主要任务 . 7 主轴系统改造的结构分析及确定 . 8 压轴承 . 9 静压轴承 . 10 轴系统结构形式的选择、分析 . 11 主要结构设计要求 . 11 供油系统 . 12 供油系统类型的选择与分析 . 12 第 3 章 静压轴承的有关参数选择及计算 . 16 压轴承结构 . 17 择静压轴承参数 . 17 算节流小孔直径 . 19 . 21 径向轴承流量 . 22 径向静压轴承各设计参数取值如下 . 23 第四章 静压轴承的有关参数选择及计算 . 24 止推轴承结构 . 24 推轴承的基本参数 . 24 止推轴承节流比的确定 . 25 止推轴承流量 . 26 推轴承的刚度 . 26 止推轴承的设计参数 . 27 第五章 供油泵及供油泵电机的选择 . 28 总流量 Q . 28 . 28 油泵电机的选择 . 28 第六章 . 29 能器 . 29 油器的过滤精度 . 29 第七章 轴承功率消耗计算 . 30 向轴承发热（功率消耗 ) . 30 止推轴承的内摩擦 . 31 承的总摩擦功率 . 32 第八章 静压轴承的装配特点与轴承节流比的调整 . 33 压轴承的装配特点 . 33 承节能比的调整方法 . 33 参 考 文 献 . 34 致 谢 . 35 1 摘要 随着磨削技术的发展，磨床在加工机床中也占有相当大的比例。磨削技术及磨床在机械制造业中占有 极其重要的位置。磨削技术发展很快，在机械加工中起着非常重要的作用。由于原机床 轴前、后封由盘等零件均有一定程度的磨损，易产生振动，严重影响机床性能。产生磨削 粗糙度 达不到产品技术要求，且磨损平面有较大、明显的振纹。因而对机床主轴系统进行改造是很有价值的。本次设计主要是对 床进行数据分析，并进行主轴优化改造设计。主要包括 平面 磨床主轴系统静压轴承改装、静压轴承的有关参数选择及计算两大内容，主要研究内容是静压轴承的性能分析以及在 平面 磨床主轴系统中的应用。 关键词 ： 平面 磨床 静压轴承 主轴系统 2 of in a in an a in As 7130 in 0 a of to of is of to 7130 of of of 3 第 1 章 概述 言 机床 运动部件支撑的好坏，在相当大的程度上决定着机床的性能和质量。就其中的轴承而言，可分为两类：一是滚动轴承 ； 二是滑动轴承 1。液体滑动轴承便是滑动轴承中的一种。随着现代科学技术的飞速发展，一般轴承已经不能满足现代工艺精度和高效益的要求。近几年来，在液体静压轴承和液体动压轴承的基础上发展起来的动静压轴承在适应上述要求方面正崭露头角。滑动轴承可以分为流体动压润滑轴承（简称动压轴承）、流体静压润滑轴承（简称静压轴承）和动静压轴承 2。这三种轴承的主要特点及特性简述如下： （ 1）液体纯动压轴承及其特点 动压轴承是依 靠被润滑的一对固体摩擦面间相对运动使介于固体间的润滑流体内产生压力（这种现象称为动压效应）以承受外载荷，从而免除固体间的相互摩擦而起到润滑作用 3。 动压轴承的承载能力较大，刚度较高，且有吸振能力。但是由于动压油 膜 的形成与两摩擦面间的相对运动速度有关，当相对运动速度不足时（如启动、制动、载荷大转速低时）便不再处于完全液体摩擦状态，造成主轴和轴承较大的摩擦和磨损。 （ 2）液体静压轴承及其特点 静压轴承是利用高压油泵在轴和轴承之间注入高压油，依靠油压使轴浮起，想成完全液体润滑油膜 4。静压轴承具有摩擦 阻力小 ,使用寿命长，转速范围广，吸振性能好，回转精度高等优点。但由于油泵供油压力的限制，静压轴承具有相对承载力较低，刚度较小等缺点。 （ 3）液体动静压轴承及其特点 动静压轴承是在静压轴承的基础上发展起来的一种新型轴承。它是既综合了液体动压轴承和静压轴承的优点又克服了二者缺点的高技术产品，是液体动压轴承和静压轴承的完美结合。它利用孔式环面节流和浅腔节流串联使压力油进入油腔中产生足够大的静压承载力，将主轴悬浮在高压油膜中间，从而克服了液体动压轴承启动时出现的干摩擦，提高了主轴和轴承的使用寿命及精度保持性 5。 主轴启动后，依靠浅腔阶梯效应形成了巨大的动压承载力，它和静压承载力迭加大大提高了主轴刚度。高压油膜的均化作用和良好的抗震性，保证主轴具有极高的旋转精度和运转平稳性 6。 4 课题背景及目的 在我国机械行业中五六十年代生产的机床占有很大的比例，因而，利用技术改装，修理旧机床可以较好的恢复和提高机床的精度。对加速我国的机械行业技术及设备的现代化有着较为重要的意义。 本次设计的目的主要是利用静压轴承在保证转速和一些重要结构基础上，改装外，在对静压轴承的有关结构尺寸进行设计的 同时，对求解静压轴承过程中的一些具体问题进行力所能及的研究和探讨。 国内外研究状况 静压轴承的原理早在 19 世纪就被发现，但直至 20 世纪 50 年代才在发达国家兴盛起来，我国从 50年代后期开始液体静压轴承的应用研究工作， 60年代初开始在金属切削机床上推广应用，同时发展静压导轨，静压螺母丝杆副，和静压花键技术，并在机床上应用这些静压技术。 研究方法 器控制，手动操作的 平面 磨床。工作台的润滑为小孔节流卸荷形式。砂轮主轴加粗，电机功率加大。砂轮架油池温升小 ，磨削率高。本次设计主要是在此机床的基础上对主轴系统进行静压轴承优化设计，以此来提高磨床的加工精度。 文的构成及研究内容 本次设计主要是对 面 磨床进行数据分析，并进行主轴优化改造设计。主要包括 平面 磨床主轴系统静压轴承改装、静压轴承的有关参数选择及计算两大内容，主要研究内容是静压轴承的性能分析以及在 平面 磨床主轴系统中的应用。 5 第 2 章 主要问题及解决方案 卧轴圆台平面磨床 :适用于磨削圆形薄片工件 ,并可利用工作台倾斜磨出厚薄不等的环形工件。卧轴矩台平面磨床，国家标为 带有卧式磨头主轴，矩形工作台的平面磨床。主要功能是用砂轮的周边磨削工件的平面，也可以用砂轮的端面磨削工件的槽和凸缘的侧面，磨削精度和光洁度都较高。适宜于磨削各种精密零件和工模具，可供机械加工车间、机修车间和工具车间作精密加工使用。中国传统的卧轴矩台平面磨床是从原苏联引进并消化改进的 列，特点是磨床主轴侧挂， 主轴采用轴瓦支承，适合粗加工重切削。近年来欧美国家更流行是十字鞍座结构的卧轴矩台平面磨床，主轴采用精密精珠轴承支承，更适合于精密磨削 。 （ 1）机床布局采用立柱右置，磨头、拖板与立柱的结构有新的突破，整机刚性更好。 （ 2）磨头采用国际通行的滚动轴承结构形式。 （ 3）机床的垂直、横向进给运动采用滚珠丝杠副，进给灵敏度高。 （ 4）工作台纵向运动由叶片泵驱动，运动平稳，噪声小。油池配有冷却装置，温升低，热变形小。 （ 5）磨头垂直运动有快速升降装置，操作方便，横向运动由变频电机驱动，可无级调速。 （ 6）机床的垂直、横向进给部分留有伺服电机安装位 置，根据需要可配置数控系 统成为数控机床。 作台、电磁吸盘、砂轮箱、立柱、操作手柄等构成，外形结构如图 6 图 卧轴平面磨床外形结构图 123455平面磨床 原理 工作台上装有电磁吸盘，用以吸持工件。工作台在床身导轨上作往复运动（纵向运动）。固定在床身上的立柱上带有导轨，滑座在立柱导轨上作垂直运动；而砂轮 箱在滑座的导轨上作水平运动（横向运动），砂轮箱内装有电动机，电动机带动砂轮作旋转运动。 平面磨床在加工工件过程中，砂轮的旋转运动是主运动，工作台往复运动为纵向进给运动，滑座带动砂轮箱沿立柱导轨的运动为垂直进给运动，砂轮箱沿滑座导轨的运动为横向进给运动。 工作时，砂轮旋转，同时工作台带动工件右移（如图 工件被磨削。然后工作台带动工件快速左移，砂轮向前作进给运动，工作台再次右移，工件上新的部位被磨削。这样不断重复，直至整个待加工平面都被磨削。 7 图 形工作台平面磨床工作图 1 砂轮； 2 主运动； 3 纵向进给运动； 4 工作台； 5 横向进给运动 6 垂直进给运动 机床改造的主要任务 由于机床为五、六十年代产品，已在生产中使用了三十余年，主轴前、后封由盘等零件均有一定程度的磨损，易产生振动，严重影响机床性能。产生磨削 粗糙度达不到产品技术要求，且磨损平面有较大、明显的振纹。因而对机床主轴系统进行改造是很有价值的。 本次设计主要任务是：利用静压轴承在保证转速和一些重要结构的基础上改装外，在对静压轴承的有关尺寸进行设计计算 ，确定合理的轴承结构形式和尺寸，节流器 ，工作参数，润滑油的粘度以及供油系统。同时必须满足下面要求： 8 主轴系统改造的结构分析及确定 图 动压轴承运行时的状态 原机床主轴采用动压轴承支撑。 如图 的中心， 中心，当 和轴承间有一间隙 为设计间隙。轴承运行时，轴以角速度 旋转，在载荷 心 2相互偏离，我们 称 =载荷 W 的夹角 a 称为偏位角。润滑油从供油系统中进入油腔内。由于润滑油具有粘性，润滑油将随轴旋转进入间隙内，顺着旋转方向，间隙越来越小，润滑油被挤压，而产生压力，直道间隙最小处，润滑油被挤得越来越厉害，油膜压力因而越来越大。这些油膜压力的总和就形成轴承的承载力与外载荷 过间隙最小 h 后，间隙越来越大，润滑油不再被挤压，油膜压力因而消失。这些油膜压力作用在轴上的总和形成轴承的承载能力以平衡外载荷。从上面动压轴承的运行机理中，可以看出动压轴承的一些特点： 具有 一定的初始间隙 所用的润滑油有一定的黏度； 轴表面和轴承表面有一定的相对速度； 工作时，有一个偏心距。 这四个基本特征中，少了任何一项都不能形成动压效应，因而也就不成为动压轴承。动压轴承存在着低速是不能够产生完整的流体膜而处于边界润滑的状态，形成轴与轴承间的干摩擦，降低机器的加工精度 7。 针对上面动压轴承的缺点，改进的方法有：使用 静压轴承支承； 动静压轴承支承。 9 压轴承 图 液体静压轴承结构图 图 是靠外部供油系统，将具有一定压力的润滑油送入轴承的静压腔内，利用液体静压力支撑载荷的一种液体滑动轴承。它具有的特点： 1）具有多个静压油腔，否则就不能形成静压油腔之间的压力差，因而就没有承载力。 2) 主轴与轴承之间的间隙大小是一个重要的参数，它直接影响静压轴承油膜刚度等基本性能。 3） 速度范围广，主轴在静止和任意转速下，均 能获得良好的轴承性能。 4） 主轴被压力油膜包围着，阻尼性能好，具有良好的吸振能力，主轴运动平稳。 5） 压力油膜具有均化误差作用，能减少由于主轴，轴承表面粗糙度和行为误差造成的径向，轴向跳动，因此回转精度较高。 6） 静压轴承始终处于纯液体润滑状态下，精磨擦系数极小，因此，主轴启动功率小，正常使用时不会摩擦，精度保持性好，使用寿命长。 7）有自己一套供油装置，称为静压供油系统。 由于静压轴承具有许多优点，应用广，在机床上常用它作为主轴的支撑，以提高机床的加工精度与切削效率，扩大机床的转速范围， 但由于油泵供 油压力的限制，静压轴承具有相对承载力较低，刚度较小等缺点。 10 静压轴承 我们知道动压和静压轴承分别依靠轴转动和外供压力油在轴承间形成一层压力油膜，从而处于液体摩擦下工作的。动压轴承结构简单 ， 但油膜的形成和保持无一定的条件，故使用范围受一定的限制 。 静压轴承虽然使用广泛，但油膜的动力效应没有利用，这一点在使用场合有为明显 8。 图 轴承油腔示意图 动静压轴承兼有动压和静压轴承优点。如图 既有动压腔，又有静压 腔 ， 当 静止或旋转速低 于 临界值时，静压供油系统向静压腔送入高压油，将轴托起并承受载 荷，使轴承处于完全液体摩擦状态，这样避免了在启动，停车和低速运行时的干摩擦或半干摩擦状态，减少了其动力矩和轴承的磨损，当轴在高速下运转时，由动压油系统向动压腔送入低压油，使轴承在 动压 效应下工作 9。若 动压 效应仍不能形成足够的承载能力， 则 可同时向 动压 和静压腔供油，使轴承同时具备动压效应和静压效应两种作用，提高轴承承载能力。 有上述动静压轴承的工作原理可看到，动静压轴承结构上具有如下的特点： 1、与动压轴承相比 ， 具有静压腔。 2、与静压轴承相比，具有足够大的动压滑动面，静压腔个数较少，尺寸较小。 3、可同时具有两套供油系统，且静压系统压力较高。 4、静压腔的个数和配置比较灵活，对不同的场合有更大的适应性。 从理论上讲，液体动静压轴承既兼有液体动压的特点也兼有液体静压的特点，又克服了两者的缺点，它利用毛细血管节流器油腔产生一定的静压承载能力 ， 克服了动压轴承启动和制动时出现的情况，避免了轴承磨损，从而提高了主轴和轴承的使用寿命及精度保持性；轴承的油腔采用浅腔结构，主轴启动后通过动压油楔形成 11 的动压承载能力和静压腔形成的静压承载能力；通过 动力润滑挤压效应和多腔对置结构有极大地增加了主轴的刚度；高压油膜的均化作用和良好的抗震性能保证主轴具有很高的旋转精度和用转平稳性。 动静压轴承虽然具有良好的抗振性能，但长期的剧烈振动肯定会影响轴承的使用性能，这种受迫振动干扰力主要来自于上下不平衡旋转零件（砂轮、皮带轮等）所产生的周期变化的惯性力和不均切削是的交变的切削 力 ，通过调整主轴动平衡装置和改进磨削精度和磨削表面质量、又不会影响轴承的使用寿命 10。 通过以上的动 压 轴承和静压轴承 和动静 压轴承的结构、功能等 优 缺点的比较，尽管 动静压轴承 具有许多优点，但 是由于平面磨床使用 动静压轴承 ，容易使得主轴抱死，所以 决定对 轴系统结构形式的选择、分析 主要结构设计要求 静压主轴系统是由主轴、轴承、节流器、供油系统、密封元件、驱动装置、轴上附件及主轴箱体等组成，其结构设计的主要要求有： 系统具有足够的静态刚度及承载能力； 主轴回转精度高； 制造、装配、调整工艺简便，制造成本低； 稳定性好。包括系统工作可靠，密封可靠，零件变形小等； 功率消耗小； 噪声小。 在设计主轴系统时，首先根据被磨削零件的工艺要求， 提出设计技术指标，进行方案讨论，选择适用的轴承类型，确定合理的机构形式和主要尺寸 11。对旧机床进行技术改造时，则应参照原机床主轴即壳体的结构状况。在满足使用要求的前提条件下，以少更换零件为宜。 1） 静压轴承的支承问题： 综合考虑、分析加工、装配的难易程度，决定采用套筒式安装轴承（在主轴满足刚度条件下）。套筒的长度和外 径 ，由套筒的最小厚度和主轴的刚度来决定。一般在满足主轴刚度条件下取套筒壁厚大于 20 12 2） 主轴 静压主轴轴承系统的主轴结构设计内容包括确定主轴轴颈，跨度等各尺寸及尺寸精度，选自材料 及热处理等 12。其要求为主轴结构尽量简单的，对称性好，材料均质，热变性小等。根据轴承形式，即可确定轴的结构尺寸 .(见零件图：轴 ) 3） 轴承 机床静压主轴轴承通常仅保留主轴绕其轴线的旋转的自由度，其余 5 个自由度均受轴承约束。平面磨床 轴 主要 承受径向载荷 ， 轴向载荷 很小 ， 所以 静压轴承可采用 小孔节流径向静压轴承 ， 位于主轴的前面部位，两个以径向轴承轴向油面作为节流器的轴向推力轴承。 供油系统 供油系统是静压轴承系统的关键部件，油泵的压力或流量是轴承承载能力的来源，除要求有足够的流量及 压力外，还要求供给轴承的润滑油清洁度高、温升抵、压力稳定、工作可靠等 13。基本要求有： 在工作温度范围内，能保证供给所需的压力及流量的润滑油，压力脉动不宜过大，通常为 3%左右； 能确保润滑油清洁； 有安全保护措施，以免某些偶然因素造成断油而使轴承损坏； 有利于系统散热或控制温升； 占地面积不宜过大。 供油系统类型的选择与分析 a、动静压轴承的供油方式种类 1）恒压供油 2）恒流量供油 考虑实际情况和经济情况，采用恒压供油系统供油。供油系统简图如图 13 图 供油系统 b、供油系统主要组件的选择： 1. 油箱及管道： 1） 油箱及整个液压回路必须密封良好； 2） 液压回路须防止空气进入，并须消除储藏空气的地方； 3） 节流器后面的管通应有足够的刚度，不宜采用塑料、橡胶等刚度较差的油管； 4） 油管必须十分清洁，最好经酸流清除氧化皮等杂物； 5） 油箱内壁应涂以具有良好耐油性的涂料，并应便于换油和清洗； 油箱要有足够的容量。 2 油泵 静压轴承供油系统的油泵要求转速平稳，噪声和压力波动小，效率高，寿命长。各种齿轮泵、叶片泵及螺杆泵均能满足使用要求 14。在供油系统具有良好的过滤措施时，以 叶片泵最为理想。一般油泵的额定输出压力： s， 一般油泵的额定输出流量 2)L/泵额定输出压力与流量系数不宜取得太大。以减少不必要的功率消耗及温升。 3 滤油器 滤油器是供油系统中的重要元件，它直接影响轴承的正常工作，引起节流器阻塞，主轴及轴承的磨损甚至损坏等，因此对静压轴承供油系统中的滤油器有更高的要求，一般经过过滤器后，润滑油中杂质的颗粒尺寸小于轴承最小油膜厚度的一半。 c、供油系统的过滤器的选择： 1） 进油滤油器 14 一般采用精度 网式滤油器。以防 止油泵的堵塞。 2) 粗滤油器： 通常采用线隙式滤油器。以防止精滤油器堵塞但又不引起过大的压力损失，其过滤精度为 左右 3）精滤油器 用来保证轴承及节流器的正常工作，一般采用纸质滤油器，可采用线隙式滤油器，但在其外层包 1 2层绸布，也有良好的过滤作用。 d、压力继电器及压力表 压力继电器应使油泵建立一定压力后才允许启动主轴，在运转过程中油泵压力下降到一定程度时自行停车，以保护轴承不致损坏。压力继电器通常设置在节流器前的管道上，如有特殊需要亦可在每个油腔装置一个 压力继电器，但必须严格防止漏油，消除贮藏空气的地方容积应尽量小。 压力表用以指示供油压力或油腔压力，与压力继电器相同，压力表装置在节流器前的管道上，应尽量少装指示油腔压力的压力表的。 e、润滑油 静压轴承系统使用的润滑油，除应具有良好的抗氧化性、抗气泡性外，特别要求润滑油清洁、无杂质 15。基本上现有各类牌号的高速机油、主轴油和防锈机械油均能满足使用要求。 f、密封 静压主轴轴承系统要求有良好的密封措施，以防外界异物入侵及内部润滑油泄出，密封元件的选择原则与强迫润滑动压轴承类同，一般情况下使用接触式 密封元件 16。常用骨架式密封圈。对于卧轴结构，当油面低于主轴的情况，可用各种非接触密封形式，常用味螺旋槽密封，其中以两段旋向相反的螺旋槽分别起到防尘及防渗的形式最广。 根据以上原则，采用螺旋槽密封的端盖。端盖与套筒接触外无移动要求，可使用密封圈进行密封。 g、驱动装置 驱动装置采用原平面磨床 了使主轴系统能与驱动装置相配合，主轴上部分均采用原有结构，这样便于保证装配要求。 15 主轴箱体及主轴附件的设计 主轴采用套筒式是为了便于装配和互换。采用套筒式比直接把主轴及轴承安装在机床上时经济 得多 17。 h、主轴附件设计包括 调节垫圈、前后端盖等元件的设计。对于这些元件的设计，应尽量使其对成、均质、并经严格的动平衡实验。 16 第
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