电主轴的设计.docx
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电主轴的设计
学士学位论文
系别：
机电工程系
学科专业：
机械设计制造及其自动化
姓名：
周志刚
运城学院
2009年5月
电主轴支承型式与润滑方式的设计
系别：
机电工程系
学科专业：
机械设计制造及其自动化
姓名：
周志刚
指导教师：
贾毅朝
运城学院
2009年5月
电主轴支承型式与润滑方式的设计
设计总说明
高速电主轴作为高速机床的核心功能部件，其性能好坏直接影响着机床的高速加工性能。
电主轴轴承的选择和配置以及相应的润滑，是保证电主轴性能的关键，具有重要的研究价值和意义。
本文在充分考虑了电主轴转速高、动平衡精度高、内装主轴电机及过盈连接等因素的基础上，介绍了高速电主轴轴承的主要润滑方式：
喷油润滑油雾润滑脂润滑油气润滑等，并着重说明了油气润滑系统的原理及设计过程；介绍了电主轴轴承的主要典型类型：
磁悬浮轴承动静压轴承陶瓷轴承等，系统分析了角接触陶瓷球轴承的性能优点及其配置形式；最后通过弹性力学和动力学理论推导得出了高速电主轴轴承内圈与转轴配合过盈量的计算公式。
本文对高速电主轴支承型式及润滑方式的研究可作为优化电主轴结构，改善机床高速加工性能的依据，有利于高速电主轴系统的整体设计及制造。
油气润滑，在学术界被称为“气液两相流体冷却润滑技术”，是一种新型的润滑技术，它与传统的单相流体润滑技术相比具有无可比拟的优越性。
它成功地解决了干油润滑和油雾润滑所无法克服的难题。
它适应了机械工业设备的最新发展的需要，尤其适用于高温、重载、高速、极低速以及有冷却水和脏物侵入润滑点的工况条件恶劣的场合。
由于它能解决传统的单相流体润滑技术无法解决的难题，并有非常明显的使用效果，大大延长了摩擦副的使用寿命，改善了现场的环境，因此正在得到越来越广泛的应用。
油气润滑系统主要由主站、两级油气分配器、PLC电气控制装置、中间连接管道和管道附件等组成。
主站是润滑油供给和分配，压缩空气处理、油气混合和油气流输出以及PLC电气控制的总成。
根据受润滑设备的需油量和事先设定的工作程序接通气动泵。
压缩空气经过压缩空气处理装置进行处理。
润滑油经递进式分配器分配后被输送到与压缩空气网络相连接的油气混合块中，并在油气混合块中与压缩空气混合形成油气流从油气出口输出进入油气管道。
在油气管道中，由于压缩空气的作用，使润滑油沿着管道内壁波浪形地向前移动，并逐渐形成一层薄薄的连续油膜。
经油气混合块混合而形成的油气流通过油气分配器的分配，最后以一股极其精细的连续油滴流喷射到润滑点。
油气分配器可实现油气流的多级分配。
由于进入了轴承内部的压缩空气的作用，即使润滑部位得到了冷却，又由于润滑部位保持着一定的正压，使外界的脏物和水不能侵入，起到了良好的密封作用。
角接触陶瓷球轴承的配置形式
成对配置的角接触球轴承用于同时承受径向载荷与轴向载荷的场合，也可以承受纯径向载荷和任一方向的轴向载荷。
此种轴承由生产厂按一定的预载荷要求，选配组合成对，提供给用户使用。
当轴承安装在机器上紧固后，完全消除了轴承中的游隙，并使套圈和纲球处于预紧状态，因而提高了组合轴承的钢性。
单列角接触球轴承以径向负荷为主的径、轴向联合负荷，也可承受纯径向负荷，除串联式配置外，其他两配置均可承受任一方向的轴向负荷。
在承受径向负荷时，会引起附加轴向力。
因此一般需成对使用，做任意配对的轴承组合，成对安装的轴承按其外圈不同端面的组合分为：
背对背配置、面对面配置、串联配置（也称：
O型配置、X型配置、T型配置）三种类型：
背对背配置，后置代号为DB（如70000/DB），背对背配对的轴承的载荷线向轴承轴分开。
可承受作用于两个方向上的轴向载荷，但每个方向上的载荷只能由一个轴承承受。
背对背安装的轴承提供刚性相对较高的轴承配置，而且可承受倾覆力矩。
面对面配置，后置代号为DF（如70000/DF），面对面配对的轴承的载荷线向轴承轴汇合。
可承受作用于两个方向上的轴向载荷，但每个方向上的载荷只能由一个轴承承受。
这种配置不如背对背配对的刚性高，而且不太适合承受倾覆力矩。
这种配置的刚性和承受倾覆力矩的能力不如DB配置形式，轴承可承受双向轴向载荷。
串联配置，后置代号为DT（如70000/DT），串联配置时，载荷线平行，径向和轴向载荷由轴承均匀分担。
但是，轴承组只能承受作用于一个方向上的轴向载荷。
如果轴向载荷作用于相反方向，或如果有复合载荷，就必须增加一个相对串联配对轴承调节的第三个轴承。
这种配置也可在同一支承处串联三个或多个轴承，但只能承受单方向的轴向载荷。
通常，为了平衡和限制轴的轴向位移，另一支承处需安装能承受另一方向轴向载荷的轴承。
关键词:
油气润滑,角接触球轴承,过盈量,配置形式
Electro-spindletypebearingdesignandlubricationmethods
GeneralDesignInformation：
High-speedelectro-spindlehigh-speedmachinetoolsasthecorefunctionalcomponents,anditsdirectimpactontheperformanceofthemachine'shigh-speedprocessingperformance.MotorizedSpindlebearings,aswellastheselectionandconfigurationofthelubricantistoensurethatthekeytotheperformanceofelectro-spindlehasimportantresearchvalueandsignificance.Inthispaper,takesfullaccountofthehighspeedmotorizedspindle,highprecisiondynamicbalance,thespindlemotorandthecontentshavebeenconnectedbysuchfactorsasearnings,basedonhighspeedelectricspindlebearinglubricationofthemainways:
fuelinjectiongasoilmistlubricatinggreaseandotherlubricantsandhighlightedtheprinciplesofoillubricationsystemandthedesignprocess;introducedthemainpowerspindlebearingtypicaltypes:
hybridbearingmagneticbearing,suchasceramicbearings,ceramicanalysisoftheangularcontactballbearingsandtheallocationoftheperformanceadvantagesoftheform;finalthroughthekinetictheoryofelasticityisderivedandobtainedhigh-speedelectro-spindlewiththebearinginnerringandtheshafthavetheformulaforcalculatingtheamountofsurplus.Inthispaper,high-speedelectro-spindlebearinglubricationtypeandmodeofstudycanbeusedaselectro-spindlestructureoptimizationtoimprovetheperformanceofmachinetoolsbasedonhigh-speedprocessingandisconducivetohigh-speedelectro-spindlesystem,theoveralldesignandmanufacturing.
Oillubrication,intheacademiccommunityknownasthe"Two-phaseFluidLubricationTechnology",isanewtypeoflubricationtechnology,whichwiththetraditionalsingle-phasefluidlubricationtechnologywithunparalleledadvantages.Ithassuccessfullyresolvedtheoilmistlubricationandoillubricationwillnotbeabletoovercometheproblem.Itadaptedtothemachineryofthelatestdevelopmentsinindustrialequipment,especiallyforhightemperature,heavy-duty,high-speed,verylowandthecoolingwateranddirtintrusionoflubricationpoints,poorworkingconditionsoftheoccasion.Becauseitcansolvethetraditionalsingle-phasefluidlubricationtechnologycannotsolvetheproblem,andhaveaveryclearresults,significantlyextendedthelifeoffriction,toimprovethesiteenvironment,itisbeingmoreandmorewidely.
Oillubricationsystemismainlyfromthemainstation,twooilandgasdistributor,PLCelectricalcontroldevice,intermediatepipeandpipeconnections,suchasthecompositionoftheannex.
Themainstationisthesupplyanddistributionoflubricants,compressedairtreatment,gasmixingandflowofoilandgasoutput,aswellastheassemblyofelectricalcontrolPLC.Equipmentaccordingtotheneedsoflubricationoilandworkingproceduresofpre-connectpneumaticpump.Compressedairthroughcompressedairtreatmentplantforprocessing.Lubricantsdistributorbytheprogressivedistributionofcompressedairwasfedtothenetworkconnectedwiththeoilandgasblocksinthemixedandmixedintheoilandgasblocksintheformationofoilandgasmixedwiththecompressedairstreamoutputfromtheoilandgasexportstoentertheoilandgaspipelines.Intheoilandgaspipelines,becauseoftheroleofcompressedair,sothatlubricatingoilpipelinealongthewavywalltomoveforward,andgraduallyformedathinlayerofcontinuousfilm.Mixedoilandgasblocksbytheformationofamixtureofoilandgasflowthroughthedistributionofoilandgasdistributor,andfinallytoaveryfinedropletsofthecontinuousflowinjectiontothelubricationpoint.Oilandgasdistributorcanbemulti-leveloilandgasflowdistribution.Intothebearingasaresultofcompressedairwithintherole,evenifthesitehasbeencoolinglubricationandlubricatingpartsasaresultofacertainamountofpressuretokeeptheoutsideworldcannotbethedirtandwaterintrusion,hasplayedtheroleofagoodseal.
CeramicballbearingangularcontactconfigurationoftheformPairsconfiguredforangularcontactballbearingatthesametimetobearradialloadandaxialloadofoccasions,itcanwithstandanypureradialloadandaxialloaddirection.Suchbearingsbytheproductionplantaccordingtoacertaindegreeofpre-loadrequirements,matchingpairsportfolio,availabletousers.Whenthebearingsinstalledinthefasteningmachine,thecompleteeliminationofthebearingsintheclearanceandtheballringandthekeylinkinthepre-state,therebyenhancingcompositionofbearingsteel.
Singlerowangularcontactballbearingwithradialloadmainlytrails,axialjointload,butalsopureradialloadtobear,inadditiontotandemconfiguration,theothertwocanbeconfiguredineitherdirectionundertheaxialload.Intheradialloadtobear,itwillcauseadditionalaxialforce.Sonormallytakeintouse,soanycombinationofpairsofbearings,thebearingsinstalledinpairsaccordingtotheircombinationoftheouterringisdividedintodifferentend:
back-to-backconfiguration,face-to-faceconfiguration,seriesconfiguration（alsoknownas:
O-typeconfiguration,X-typeconfiguration,T-typeconfiguration）threetypes:
Back-to-backconfiguration,code-namedpost-DB（suchas70000/DB）,back-to-backpairofbearingtheloadbearingaxistoseparatelines.Affordableinbothdirectionsontheroleoftheaxialload,butineachdirectiononthebearingloadcanonlybemadebyabear.Installedtoprovideback-to-backbearingarelativelyhighrigidityofthebearingconfiguration,andcanwithstandoverturningmoment.
Face-to-faceconfiguration,code-namedpost-DF（suchas70000/DF）,face-to-facepairofloadbearinglinesconvergingtothebearingaxis.Affordableinbothdirectionsontheroleoftheaxialload,butineachdirectiononthebearingloadcanonlybemadebyabear.Thisconfigurationisnotasgoodasback-to-backhigh-rigidmatching,butlesssuitabletobearoverturningmoment.ThisconfigurationoftheoverturningmomentstiffnessandbearingcapacityofDBtoconfigurethantheformoftwo-waybearingscanwithstandaxialload.
Tandemconfiguration,code-namedpost-DT（suchas70000/DT）,inseriesconfiguration,theload-lineparallel,radialandaxialloadevenlysharedbythebearings.However,thebearingscanonlybeartheroleofgroupinadirectionaxialload.Iftheaxialloadintheoppositedirection,oriftherearecomplexloads,itisnecessarytoaddaseriesmatchingtherelativebearingofthethirdbearingadjustment.ThisconfigurationcanalsobesupportedbytheAgencyinthesameseriesofthreeormorebearings,butcanonlyaffordaone-wayaxialload.Typically,inordertobalanceandlimittheaxialdisplacementaxis,andtheothersupportwouldneedtoinstalltheotherdirectioncanwithstandtheaxialloadbearing.
KEYWORDS：
oillubrication,angularcontactballbearings,havesurpluscapacity,configurationform
第一章绪论
1.1课题研究的目的和意义
随着生产力水平的高速发展，高速加工逐渐成为现代机械加工新的发展方向，它所起到的作用日益为人们所重视。
在日趋激烈的市场竞争中，新材料及难加工材料层出不穷，质量要求不断提高，精度大幅提升，周期缩短，新的生产形势对生产加工提出了新的要求。
而高速加工具有切削效率高、加工表面质量高、加工精度高等优点，同时也缩短了加工时间和降低了加工成本，越来越受到人们的青睐。
机床主轴是影响高速加工的主要因素，主轴的性能在高速加工中起着举足轻重的作用。
高速、高精度电主轴是高速加工机床中的核心功能部件。
它将机床主轴的高精度与高速电动机的电磁功能有机地结合在一起，省去复杂的中间传动环节，具有调速范围广、振动噪声小、便于控制、能实现准停、准速、准位等功能，不仅拥有极高的生产效率，而且能显著地提高零件的表面质量和加工精度。
在机械制造业不断向高速、高精度、高智能化发展的今天，高速高精度电主轴已经得到了广泛的应用。
1.2课题研究的主要内容
1.2.1高速电主轴油气润滑研究
⑴润滑的作用
润滑是保证轴承正常运转的必要条件，它对于提高轴承的承载能力和使用寿命起着重要的作用。
不论采用何种形式，润滑对滚动轴承的寿命的影响表现为:
①减少金属间摩擦，减缓轴承磨损，延长轴承的使用寿命。
润滑的好坏直接影响滚动轴承的磨损，如果润滑条件足以防止滚动体和滚道间发生金属接触的话，疲劳裂纹一般出现在接触表面的内层，磨损几乎没有，但如果润滑膜的厚度不足，就会发生金属对金属的相互接触，甚至承载表面的微凸体峰尖可能发生冷焊现象。
此时接触部位的剪应力能达到使表面形成裂纹的程度，这些裂纹逐步向材料内部扩展并使接触表面开裂，此时轴承的疲劳寿命比通常发生的次表面疲劳要小很多，轴承的磨损加剧。
研究结果表明:
弹性流体动压油膜的厚度和两接触表面粗糙度均方根的和所构成的关系值是一个数值上对润滑性能关系重大的参数，此参数称为
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