高精度高刚度静压轴承的设计.doc

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高精度高刚度静压轴承的设计

毕业设计（论文）

摘要

静压轴承是滑动轴承的一种，是利用压力泵将压力润滑剂强行泵入轴承和轴之间的微小间隙的滑动轴承。

静压轴承和滚动轴承相比，它的振动小，加工工作表面精度要求高而且它回转轻巧，空气粘度低，摩擦小，发热和变形也小，适用于高速、高精度的场合。

而且它耐寒耐热，具有独特的干净和方便特性，对环境无污染，其无需考虑密封问题。

本文为了使主轴部件适合超精密切削加工的要求，研究了多种高精度高刚度流体静压轴承。

首先，分析了超精密机床对主轴系统的要求，并根据超精密加工切削力的大小进行主轴刚度分析。

同时研究了驱动电机类型和驱动方式的选择原则。

其次，给出了小孔节流型液体静压和气体静压轴承的工程计算方法，并分别计算液体静压径向和止推轴承以及气体静压径向和止推轴承的承载能力和刚度。

同时简要介绍了新型多孔质气体静压轴承。

最后，根据上述研究成果，给出了三种流体静压轴承的优缺点，为超精密机床主轴箱的选择提供了重要依据。

关键词：

静压轴承；高精度；高刚度；主轴

Abstract

Hydrostaticbearingisaslidingbearing,istheuseofapressurepumppumpsthepressurelubricantintothebearingandtheshafttoforceasmallgapbetweentheslidingbearing.Hydrostaticbearingandtherollingbearingcompare,itsvibrationsmall,theprocessingactivefaceprecisionrequestsmoreoverittorotatehighdexterously,airviscositylow,rubsslightly,givesoffheatanddistortsalsoslightly,issuitabletoishighspeed,thehighaccuracysituation.Moreoveritcoldresistantheat-resisting,hasuniqueiscleanandtheconvenientcharacteristic,doesnothavethepollutiontotheenvironment,itdoesnotneedtoconsiderthesealquestion.

Thisarticleinordertocausethemainaxleparttosuittheultraprecisemachiningtherequest,hasstudiedthemanykindsofhighaccuracyhighrigidityhydrostaticpressurebearing.

First,hasanalyzedtheultraprecisionmachinetooltothemainaxlesystemrequest,andcarriesonthemainaxlerigidityanalysisaccordingtotheultrapreciseprocessingsize.Simultaneouslyhasstudiedtheactuationelectricalmachinerytypeandthedrivetypeselectionprinciple.Next,hasproducedtheeyeletreducingexpensesliquidstaticpressureandthegasstaticpressurebearingengineeringcalculationmethod,andseparatelycalculatestheliquidstaticpressureradialdirectionandthethrustbearingaswellasthegasstaticpressureradialdirectionandthethrustbearingcapacityandtherigidity.Simultaneously,thenewporousnaturegasstaticpressurebearingisintroducedbriefly.Finally,accordingtotheaboveresearchresults,hasproducedthreekindofhydrostaticpressuresbearinggoodandbadpoints,hasprovidedtheimportantbasisfortheultraprecisionmachinetoolheadstockchoice.

Keywords:

staticpressurebearing，highaccuracy，highrigidity，mainaxle

目录

1绪论 1

1.1课题背景 1

1.1.1概述 1

1.1.2国外超精密机床的发展情况 1

1.1.3国内超精密机床的发展情况 2

1.2超精密加工机床的主轴部件技术 3

1.3论文选题的技术指标 4

2超精密复合加工机床主轴设计 5

2.1主轴系统的基本要求 5

2.2超精密机床主轴的研究 6

2.2.1主轴刚度分析 6

2.2.2主轴结构及其驱动系统 7

3液体静压轴承的性能分析 11

3.1引言 11

3.2液体静压轴承简介 12

3.2.1液体静压轴承的工作原理 12

3.2.2液体静压轴承的优缺点 16

3.2.3液体静压轴承的分类 17

3.2.4液体静压轴承的应用 18

3.3小孔节流液体静压轴承的工程计算 19

3.3.1径向轴承的计算 19

3.3.2止推轴承的计算 23

3.4液体静压轴承技术的展望 26

4气体静压轴承的性能分析 28

4.1气体轴承的发展概况 28

4.1.1国外气体润滑轴承的发展概况 28

4.1.2国内气体润滑轴承的发展概况 29

4.2气体轴承简介 29

4.2.1气体轴承的现状 29

4.2.2气体轴承的特征 30

4.2.3气体静压轴承的分类 31

4.3小孔节流气体静压轴承的工程计算 34

4.3.1径向轴承的计算 34

4.3.2止推轴承的计算 41

4.4多孔质材料轴承简介 44

4.4.1多孔质材料及其主要性能 44

4.4.2多孔质材料加工方法 45

4.5气体轴承目前存在的问题 47

结论 48

经济性分析 49

参考文献 50

致谢 52

51

1绪论

1.1课题背景

1.1.1概述

精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。

随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。

目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。

我国目前已是一个“制造大国”，制造业规模名列世界第四位，仅次于美国、日本和德国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。

但我国还不是一个“制造强国”，与发达国外相比仍有较大差距。

我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进口的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。

目前我国每年需进口大量国内尚不能生产的精密数控机床设备和仪器，例如，2003年我国进口了价值41.6亿美元的机床，而出口机床仅为3.8亿美元，且主要为低精度的普通机床。

2004年我国进口机床为57.8亿美元，出口机床仅为5.2亿美元。

2005年我国机床总产值约为50亿美元，出口机床为8亿美元，而进口机床则达到67亿美元。

由于国外一些重要的高精度机床设备和仪器对我国实行封锁禁运，而这些精密设备仪器正是我国发展国防工业和尖端技术所迫切需要的，因此，为了使我国的国防和科技发展不受制于人，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工技术，争取尽快将我国的精密和超精密加工技术水平提升到世界先进水平。

1.1.2国外超精密机床的发展情况

研发超精密机床是发展超精密加工的重要前提条件。

近年来发达国家已成功开发了多种先进的超精密加工机床。

超精密机床的发展方向是：

进一步提高超精密机床的精度，发展大型超精密机床，发展多功能和高效专用超精密机床。

美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。

早在20世纪50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”（Singlepointdiamondturning）或“微英寸技术”（1微英寸＝0.025μm），并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等。

美、英、德等国在上世纪七十年代（日本在八十年代）即开始生产超精密机床产品，并可批量供货。

在大型超精密机床方面，美国的LLL国家实验室于1986年研制成功两台大型超精金刚石车床：

一台为加工直径2.1m的卧式DTM-3金刚石车床，另一台为加工直径1.65m的LODTM立式大型光学金刚石车床。

其中，LODTM立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。

美国后来又研制出大型6轴数控精密研磨机，用于大型光学反射镜的精密研磨加工。

英国的Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐标联动数控磨床（工作台面积2500mm×2500mm），可加工（磨削、车削）和测量精密自由曲面。

该机床采用加工件拼合方法，还可加工出天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜。

日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但却是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。

日本的研究重点不同于美国，前者是以民品应用为主要对象，后者则是以发展国防尖端技术为主要目标。

因此，日本在用于声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。

1.1.3国内超精密机床的发展情况

在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运限制，我国进口国外超精密机床严重受限。

但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后，西方国家马上对我国开禁，我国现在已经进口了多台超精密机床。

我国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床，如北京机床研究所研制的加工直径800mm的超精密车床和哈尔滨工业大学研制的超精密车床，这两台机床均有两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统，可以加工非球回转曲面；还有哈尔滨工业大学研制了加工KDP晶体大平面的超精密铣床。

KDP晶体可用于光学倍频，是大功率激光系统中的重要元件。

必须承认，在超精密机床技术方面，我们与国外先进水平相比还有相当