M7130平面磨床主轴系统改造设计docWord格式文档下载.docx
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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
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].北京：
高等教育出版社，2001
[2]张直明等.滑动轴承的动力润滑理论[M].北京:
高等教育出版社，1986
[3]孙恭寿，冯明.液体动静压混合轴承设计[M].北京：
世界图书出版公司，1993
[4]庞志成、陈世家.液体静压动静压轴承[M].：
哈尔滨工业大学出版社，1991.
[5]张冠坤、钟洪.液体动静压轴承原理[M].北京：
科技普及出版社，1996
[6]华绍杰.液体静压技术原理及设计[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.济南数控有限公司，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.流体动静压轴承[M].北京：
科学普及出版社，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.流体静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].哈尔滨工业大学出版社,1991,12.
[13]濮良贵，纪名刚.机械设计.北京：
高等教育出版社，1996.
毕业论文（设计）评阅表
学号XXXXX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：
M7130平面磨床主轴系统改造设计
评价项目
评价内容
选题
1.是否符合培养目标，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；
2.难度、份量是否适当；
3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。
能力
1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；
2.是否有综合运用知识的能力；
3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；
4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；
5.工科是否有经济分析能力。
论文
（设计）质量
1.立论是否正确，论述是否充分，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；
2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；
3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。
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
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M7130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。
本次设计主要是对M7130平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
abstract
Withthedevelopmentofgrindingtechnology,grindingmachinesinthemachinetoolalsoaccountsforasizeableproportion.Grindingtechnologyandgrindingmachinesinthemachinerymanufacturingindustryoccupiesanextremelyimportantposition.Grindingtechnologyhasdevelopedrapidly,Playsaveryimportantroleinmachining.AstheoriginalmachineM7130usedinproductionforover30years,Spindlebeforeandaftertheclosurediskandotherpartshaveacertaindegreeofwearandtear,Easytoproducevibration,seriouslyaffectthemachineperformance.Producegrindingroughnessoflessthantheproducttechnicalrequirements,andthewearflatgreater,theobviouschatter.Thusthemachinetoolspindlesystemtransformationisofgreatvalue.Thedesign,dataanalysis,andthespindletooptimizethetransformationdesignM7130surfacegrinder.Includesurfacegrindingmachinespindlesystemhydrostaticbearingmodification,therelevantparametersofthehydrostaticbearingselectionandcalculationofthetwo,Themaincontentsofthehydrostaticbearingperformanceanalysis,andsurfacegrindingmachinespindlesystem.
Keywords:
surfacegrinderhydrostaticbearingspindlesystem
第1章概述
1.1引言
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]。
1.2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M7120磨床主轴系统。
另外，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。
1.3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。
1.4研究方法
M7130型机床是一种液压操作，电器控制，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。
1.5论文的构成及研究内容
第2章主要问题及解决方案
2.1M7130平面磨床的主要结构
M7130是卧轴圆台平面磨床:
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M71系列平面磨床，即带有卧式磨头主轴，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M71系列，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。
M7130具有以下特点：
（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。
M7130卧轴矩台平面磨床主要由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮箱、立柱、操作手柄等构成，外形结构如图2.1所示
图2.1卧轴平面磨床外形结构图
1-立柱；
2-滑面；
3-砂轮箱；
4-电磁吸盘；
5-工作台；
5-床身
2.2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
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2.6.3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2.6：
图2.6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：
Pa=（1.2～1.5）Ps，一般油泵的额定输出流量Qp=（1.5～2）L/min。
油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
一般采用精度0.1～0.2㎜的网式滤油器。
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0.02㎜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，其过滤精度为0.005～0.01mm，也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M7130的原有装置，为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。
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。
第3章静压轴承的有关参数选择及计算
已知条件：
主轴转速：
n＝1440r/min
泵供油压力：
Ps=1.5MPa
图3.1主轴系统装配图
说明：
本次设计采用板式小孔节流的形式，节流小孔直径为Φ0.5mm，这种节流具制造简单，反应灵敏，不易堵塞等优点。
另外，即使同一种节流形式，轴承结构不一样时，其性能差别较大。
平面磨床M7130主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节流径向静压轴承5和7，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3和8，分别布置在前轴承的前端面和后端面的后端面。
考虑到转子悬伸所造成的挠度并不大，可以去掉电动机转子后端的支承，这样有利于减小主轴支承的同轴度误差。
在改装中，主轴直径从原来Φ70mm增加到Φ75mm,前后轴承跨距从原来的680mm缩短至280mm，砂轮悬伸长度从原来的160mm缩短至130mm。
从而有利于减少主轴挠度，提高主轴刚度。
显然，主轴支撑经改装后，有利于克服机床原结构上的缺点。
3.1静压轴承结构
图3.2前轴承结构示意图
3.2选择静压轴承参数
1）轴承内径D
根据主轴尺寸，即可确定轴承内径：
D=75mm
R=37.5mm
2）轴承的宽度：
根据经验，轴承宽度应满足条件：
B/D=0.8～1.5
取：
B前=80mm
长径比：
B：
D=80：
75=1.07
在B/D=0.8～1.5内，满足要求。
3）节流比：
∵对于小孔节流静压轴承来说，轴承节流比最佳值为截流比β=1.71，但在实际调整过程中，由于节流比随温度的变化而变化，无法保证最佳状态，因此只要油温在20°
C—50°
C。
范围时，能保证节流比相应地在β=1.5-3范围内变化，就可以认为节流比达到最佳状态。
∴取β=1.71
4）轴承的间隙h0：
∵50≤D≤100，且轴转速较高n=1440r/m
根据经验取：
h0=（0.00025～0.0004）D
取：
h0=0.025mm
5）轴承轴向封油面的宽度C1周向封油边宽度b1
C1=b1≈0.1D
=0.1×
75
=7.5mm
油腔的轴向宽度L=B-2C1=65mm
6）动力黏度n
∵轴承用油选为N3粘度等级的主轴油，又运动粘度为v=2.9-3.5mm2/s
∴动力黏度η50℃=2.8x10-2=Pa·
s，ρ50℃=836kg/m3
7）周向回油槽尺寸
∵D=75mm
∴回油槽宽b2=4mm回油深槽深z2=0.8mm
8）轴承油腔的周向包角2θ1
∵2θ1=600-700
∴选2θ1=650
9）油腔深度t
t=（30-60）h0∴油腔深度t=2mm
10）轴承材料选用锡青铜
3.3计算节流小孔直径d0和轴承间隙h0
1.油腔压力PR
2.油腔的封油边流出的流量QR
3.流过节流小孔的流量Qf
流过节流小孔的流量Qf可由下式给出：
4.静压腔的封油边流出的流量QR与流过节流小孔的流量Qf相等Qf=QR，则
把己知参数值代入，可得
计算一组
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;
当d0=0.05cm，h0=0.004cm=0.04mm时，静压油腔压力的计算过程如下:
解此二次方程得:
满足节流比最佳状态
3.4.验算油膜刚度
（1）油腔的有效承载面积
式中
——油腔包角的一半；
——油腔中线到周向回油槽的边的夹角，见图3-2。
本计算中
（2）小孔节流的油膜刚度
小孔节流的油膜刚度
可由下式给出：
=N/cm
≈344N/μm
满足设计要求。
3.5径向轴承流量
（1）通过一个小孔节流器的流量
=0.325L/min
（2）4个径向油腔的流量
（3）2个径向轴承的流量
3.6径向静压轴承各设计参数取值如下
轴承直径D=75mm=7.5cm，半径R=37.5mm=3.75cm；
轴承宽度B/D=0.8～1.5B前=80mm=8cm；
轴向封油边C1=b1≈0.1D=0.1×
75=7.5mm=0.75cm；
周向封油边b1=7.5mm=0.75cm；
静压腔的轴向宽度l=6.5cm
油腔包角2θ1=65º
；
油腔深度t=2mm=0.2cm；
回油槽宽x深=4mmx0.8mm=；
轴承半径间隙h0=0.004cm=0.04mm；
小孔节流的最佳节流比β=1.70；
节流小孔直径d0=0.05cm;
小孔流量系数a=0.7
采用N3粘度等级号主轴油参数η50℃=2.8x10-2=Pa·
s，
ρ50℃=0.836kg/L
供油压力Ps=1.5MPa。
油腔压力Pr=0.88MPa
第四章静压轴承的有关参数选择及计算
4.1.止推轴承结构
图4.1止推轴承结构示意图
4.2止推轴承的基本参数
止推轴承的基本参数，如图4.1所示。
R1到R2和R3到R4是静压止推轴承的内外封油边，R2到R3是静压止推轴承的油腔
图中各参数的取值如下：
r1=3.25cm
r2=3.9cm
r3=4.6cm
r4=5.25cm
间隙h0z=0.003cm
小孔节流器直径d0z=0.05cm
4.3止推轴承节流比的确定
从止推轴承油腔流出的流量
——止推轴承间隙，
——止推轴承油腔压力。
流经节流小孔的流量
式中a——小孔流量系数a=0.7
——小孔直径
=0.05cm
——润滑油密度
=0.836㎏/L。
=
即
解此二次方程，得
此压力合适。
节流比
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