内圆磨床主轴设计_本科毕业设计(编辑修改稿)

内圆磨床主轴设计_本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

的刀具重量、长度、直径及刀具的不平衡量有明确的限制。 因为这些参数均会影响主轴的临界转速。 (3) 动平衡 由于电主轴的转速很高，因此即使微小的动不平衡量，也会产生很大的离心力，引发振动。 对高速电主轴的动平衡要求 是很高的。 不但要求各零部件各自进行动平衡，而且装配后还要进行整体动平衡，在装夹或更换刀具后，对刀具也要进行动平衡。 有的国外产品在刀具装夹端设有在线自动平衡装置，每更换一次刀具，该装置可自动测出动不平衡量，并自动使该装置上的两个圆盘相对转动一定角度，从而达到动平衡。 对于电主轴的动平衡要求，一般都按 ISO 标准 级，即在最高转速时，由残余动不平衡量引起的振动速度最大允许值为。 电主轴新技术的展望 (1) 继续向高速重载方向发展。 德国 GMN 公司提供的产品样本上，电主轴的最高转 速为 180000r/min ,国内洛阳轴承所也有转速为 150000r/min 的电主轴产品供应。 在载荷方面，目前额定转矩最大的电主轴是瑞士 STRPTEC 公司的产品，额定转矩达 350Nm。 (2) 自动化程度将进一步提高。 电主轴属高科技产品，其自动化程度越来越高。 最新的电主轴产品有的装备了在线自动平衡装置，刀具更换后或加工过程中，由不平衡量引起的振动超过规定值时，会对不平衡量进行 在线自动平衡。 刀具的夹紧与松开也配备了自动控制的气压或液压装置。 (3) 提高动态性能及加工精度的新技术动态性能好及加工 精度高是对电主轴最根本的要求，也是电主轴生产商追求的根本目标。 由于热膨胀和转速的影响，电主轴在高速时会产生百分之几的轴向位移，即降低了加工精度。 GMN 公司及 FISCHER 公司均可提供主轴伸长的自动补偿装置。 通过直接或间接测得轴端的伸长量，相应控制机床的数控系统，由数控系统在主轴轴向进行补偿。 为解决主轴轴向伸长导致轴承负载增加的问题，一些新款电主轴的轴向预紧力是由自动控制的液压阻尼系统来施加的。 根据不同的转速，预紧力会自动调节，阻尼作用可用来降低轴承的振动水平。 6 第 2 章 主轴的设计 设计 原始数据及设计 主轴设计原始参数 表 2－ 1 主轴设计原始参数 电流 相数 旋向 功率 频率 电压 转速 12A 3 从轴伸端看 顺时针 600HZ 350 36000RPM 由于电主轴是高速运转的部件所以设计要满足如下要求： (1)使砂轮轴装配后周前端径向跳动、轴向端面跳动均不大于 ； (2)结构设计合理，初步具备精度设计的能力。 其次砂轮轴系必须满足机床的性能要求，适应工作条件，性能可靠，此外还应适应结构简单，尺寸紧凑，成本低， 效率高和操作维护方便以及具有良好的结构工艺性。 初定轴上零件的装配方案 轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。 所谓的装配方案，就是轴上主要零件的装配方向，顺序和相互关系。 电主轴轴上主要零件是转子平衡块以及轴承。 考虑它们之间安装顺序根据实际的情况可以是两端轴承固定支承，轴上从左向右依次装上平衡块，定子，平衡块。 轴上零件的定位 两端分别用轴承盖加以定位，轴上的轴承采用过盈连接防止径向转动，轴向用轴肩加以固定，定子用过盈连接固定。 具体过盈量一方面可以查阅相关的手册 ，另一方面可以参考相关的设计。 主轴主要尺寸的确定 主轴主要参数有：主轴前后支撑直径 D1 和 D2，主轴前段伸长量 a 和轴支撑跨度 L，这些参数直接影响着主轴的旋转精度和刚度。 主轴轴径的确定 按扭转强度条件计算 这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果还受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。 在做轴的机构设计时，通常用这种方法初步估计轴径。 对于不大重要的轴，也可以作为最后计算结果。 轴的扭转强度条件为：  3TP9550000T nW    (21) 7 式中 : T —— 扭转切应力，单位为 MPa ； T —— 轴所受的扭矩，单位为 Nmm ； TW —— 轴的抗扭截面系数，单位为 3mm ； n —— 轴的转速，单位为 r/min； P —— 轴传递的功率，单位为 Kw ； d—— 计算截面处轴的直径，单位为 mm； T —— 许用扭转应力，单位为 aMP ； 轴常用的几种材料的 T 及 0A 值见表 22： 表 2－ 2 轴的材料比较 轴的材料 Q235A,20 Q275,35(1Cr18Ni9Ti) 45 40Cr,35SiMn38SiMnMo,3Cr13 T / aMP 15~25 20～ 35 25～ 45 35～ 55 0A 149～ 126 135～ 112 126～ 103 112～ 97 由上式可得轴的直径     3333 09550000 P 9550000 P Pd. . n n nTT A   （ 22） 式中  30  ，查上表。 对于电主轴由于其高速运转，所以要求所用材料具有良好的耐磨性。 又由于其工作时有较 大的力 ,所以要求内部要有一定的韧性。 在此次设计中轴的材料选用 40Cr 查表的 0A ＝ 110，由原始条件的功率为 P=,转速为 36000r/min 代入上述公式 (21)得： mmd 0 3  考虑到实际工作条件和可靠性的要求在此设计中取轴的最小直径为 25mm。 对于前端由于是空心轴所以利用公式 :  3 40 1  n PAd （ 23） 8 式中 dd1 ，即空心轴的内径 1d 与外径 d 的比值，通常取 ~ 代入 （ 2） 公式   mmd 6 0 0 0 1 0 3 4  考虑实际的情况， 在本设计中前端的轴径取 30mm。 根据电主轴的实际情况，其极限转速比较高，而且同时有轴向载荷和径向载荷的作用所以在本次设计中所选用的轴承是角接触球轴承。 对于磨床， 通过计算的 后端的直径设为 25mm。 因此，前端的 轴承 选择 的类型为 B7006C/HQ1P4。 而后端的轴承选择的类型为B7005C/HQ1P4。 表 2－ 3 轴承参数 轴承代号 D D B 额定载荷Cr(KN) a 极限转 （ r/min） 脂 油 B7006C/HQ1P4 30 55 13 15176。 37000 55000 轴的极限转速一般为轴承极限转速的 80％左右，从上表可以看出，轴的极限转速为 5500080％＝ 44000 r/min。 为了提高其运转时的精度采用双联轴承配置。 查机械设计手 册可得轴承的基本尺寸。 从而得出与轴承配合轴段的长度。 对于后端轴承轴向定位一端用轴承盖，一端用轴肩定位，轴肩的高度取 h=3mm， 得与转子配合得轴段得直径为 30mm。 对于这段轴的左端动平衡块与轴肩之间留出 1mm 的热变形余量，为了对平衡快进行轴向的定位，左端的轴肩高度 h＝ 3mm， 此时轴肩的直径为 36mm。 接着要装左端的轴承，为了拆卸的方便可在设定一个轴肩段，此轴肩段的高度 h＝ 3mm。 所以此轴段的直径为 36mm。 前端轴承的左端用螺母定位。 轴向零件的圆角和倒角尺寸可见零件图。 图 21 和图 22 为主轴的 3 维建模。 图 21 主轴 3维建模平面图 9 图 22 主轴 3维建模立体图 主轴前段悬身量的选择 主轴前段悬身量 a 是指主轴定位基面至前支撑径向支反力作用点之间的距离。 悬身量 a 决定于主轴端部的结构形式和尺寸，在满足结构尺寸的要求的前提下，应尽量减少悬身量 a ，提高主轴刚度，初步确定是可设 a =D1=35mm。 主轴支撑跨度 L 的选择 主轴的支撑跨度是指两支撑支反力作用点之间的距离，是影响主轴组件刚度的重要参数。 主轴组件刚度主要取决于主轴自身的刚度和主轴支撑的刚度。 主轴自己的刚度与支承跨度成反比，即主轴轴径，悬身量确定以后，跨距越大，主轴端部变形越大，主轴弹性变形引起的主轴端部变形，则随着跨度的增大而减小，跨度越大，轴承刚度对主轴的影响越小。 因此根据经验，和实际的电主轴尺寸，初设，主轴支撑跨度 L=160mm。 轴的强度校核 首先，应确定磨削时的磨削力，而且磨削时轴主要受的力为切向力 Ft 和法向力 Fn ，因此查资料得，磨削力的经验公式为： afVkF ctpbtaatwtt  （ 24） afVkF pbnaanwnn  （ 25） 查表可知各个参数得， m in/25 mV w  ， m in/ mf a  ， a p ， 1400kt ，at ， bt ， ct。 代入 公式（ 24），（ 25） ，可分别计算出 Ft =150N， Fn =75N。 主轴力的简图如图 23 所示： 10 图 23 主轴受力结构简图 由静力平衡方程，求得支反力： FB ， FC = 做出剪应力图和弯 矩图，如图 24,25 所示： 图 23 主轴 受 力结构简图 图 24 剪应力图 FsABN168CA B C35 160A B C35 160 11 mmN 5 88 0MA B C图 25 弯矩图 所以，最大弯矩为： M=5880N mm 根据扭矩公式 : Me =9550000nP ，得： Me =9550000  =1500N mm Ft 产生的扭矩为 Tt =Ft *d/2=150*15=2250 N mm T=Me +Tt =1500+2250=3750 N mm 对于空心轴， W= )1(32 43  d  )1( 43 d , dd1 ，代入公式，可得： W= 根据第三强度理论公式 WTMca)( 22   ，得 ca ，因为选用的是 40Cr，所以 1 =60。 ca 〈 1 =60，因此，此轴设计的合格。 12 主轴临界转速的校核 查机械设计手册 1935P 得，主轴的临界转速公式： 3009 4 6 ( 1 , 2 , 3 )c r k k EInkwL (26) 在所设计的结构中0180 0 .6 7270LL    查机械设计手册 1935P 表 取 。 又知： 3210 10 ME Pa ， 10I m m ， 0 270L mm。 根据轴的结构得： 2 2 2 230 2 2 22 8 3 8 3 0 3 7 3 6 2 4 2 54 4 4 4 7 . 8 1 0 9 . 8 2 0 . 4 2 N3 6 1 3 3 3 0 5 2 2 0 1 04 4 4w                          所以轴的临界转速为： 3300 2 1 0 1 0 3 1 2 5 . 6 1 0 39 4 6 9 4 6 1 3 . 7 0 6 1 0 5 0 3 4 . 72 0 . 4 2 ( 2 7 0 )c r k k EIn wL       因为轴的转速 0 36000 rknn  所以不会产生剧烈震动而破环机器的正常运转。 电主轴结构设计 电主轴的性能参数与整体结构 表 24 电主轴的性能参数 参数名称 设计转速 轴向预 紧力 基础油 噪声 轴向静刚 度 轴向窜动 量 数值或要求 36000r/min 205N 10抗磨油 80 dB (A) 50 (N/μm) (μm) 参数名称 设计功率 润滑方 式 油 冷却流量 径向静 刚度 主轴内孔 跳动量 主轴端面 跳动量 数值或要求 kW 油 润滑 4 (l/min) 85(N/m) 5 (μm) 5 (μm) 13 表 24 列出了拟 设计 的 MD140W36/ 型高速磨削用电主轴的各项性能参数。 电主轴的机械结构并不算复杂，但由于其应用于高速精密加工，故对其高速工况的运转精度有很高的要求，相应地对制造工艺要求也比较严格，另外，设计中还必须考虑内置电动机散热、 高速主轴的动平。