lw-97电主轴轴承的结构设计

电主轴轴承的结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 孙涛, 秦录芳 (徐州工程学院 机电工程学院,江苏 徐州 221008) 电主轴由于采用内置式交流高频电动机直接驱动, 其电动机转子与主轴是一体的,无中间传动环节,使其具 有运动部件质量小、运动惯性小、高运动速度和高加速度 等特点,已大量应用于并联运动机床及高速切削机床中。 电主轴是高速机床的“心脏”部件,是一个复杂的系 统。电主轴的设计,通常要针对一定的主轴性能要求,包 括回转精度、动平衡精度、转速、变速范围、套筒温升、噪 声、刚度、振动速度和使用寿命值等,其设计包括多方面 的内容,本文主要从轴承设计的几个侧重点进行介绍。 1 轴承的选择 电主轴的轴承应满足高速运动的要求,具有较高的 回转精度和较低的温升,同时具有尽可能高的轴向和径 向精度、足够的承载能力等。目前在高速主轴单元采用较 多的支承轴承主要有:陶瓷轴承,动静压轴承和磁浮轴承。 1.1 轴承型式的确定 (1)陶瓷轴承:由于滚珠轴承在运转过程中,滚珠既有 自转又有公转,会产生离心力和陀螺力矩。计算公式如下: 离心力Fc= ! 12 !D3bdm"2m (1) 式中:ρ-滚珠材料的密度,kg/m3;Db-滚珠的直径,m;dm- 滚珠轴承的节圆直径,m;ωn-滚珠的公转角速度,rad/s。 陀螺力矩Mg=J"m"bsinβ (2) 式中:J-滚珠的转动惯量,kg·m2;ωb-滚珠的自转速度, rad/s;β-滚珠自转轴与坐标平面之间的夹角,rad。 通过式(1)、式(2)可以发现,滚珠的离心力与其轴承 转速的平方成正比,滚珠的陀螺力矩与其自转速度和轴 承转速的乘积成正比。随着轴承转速的提高,滚珠将产生 巨大的离心力和陀螺力矩,会对轴承产生很大的接触应 力,加剧轴承的温升和磨损,降低轴承的使用寿命[1]。 为了减少离心力和陀螺力矩,根据以上两公式,通常 采用减少滚珠直径和选用轻质材料来制造滚珠这两种方 法。滚珠直径的减少会降低轴承刚度,且结构形式复杂, 现用氮化硅陶瓷材料取代轴承钢制成滚动轴承的滚动 体,称为陶瓷轴承。 与钢质球相比,陶瓷球具有诸多优点:质量轻,材料 密度仅为3.218×103kg/cm3,只相当于钢球的40%;弹性模 量高,E=3.22×107MPa,为钢球的1.5倍;线膨胀系数低, α=3.2×10-6/℃,约为钢球的25%;硬度高,能达到HV1600- 1700,约为钢球的 2.3倍;同时还具有耐高温、不导电、不 导磁、导热率低等一系列优良特性。陶瓷轴承和同规格、 同一精度等级的钢质滚动轴承相比,虽然价格约为钢质 球轴承的 2~2.5倍,但速度可提高 60%,温升降低 35%~ 60%,寿命可提高3~6倍,可见其性能价格比高。 迄今,陶瓷滚动轴承允许的工作极限 dmn(dm:轴承节 圆直径,n:主轴转速)可高达3.0×106。由于陶瓷轴承采用小 直径密珠精密钢轴承的结构形式和尺寸系列,同时因其结 构简单、成本低、刚度大、高速性好、使用维护方便,国内外 广泛选用混合陶瓷球滚动轴承作为支承方式。当前或在相 当长一段时间里,仍然是电主轴的首选主轴部件。 (2)动静压轴承:动静压轴承是一种综合了动压轴承 和静压轴承优点的新型多油楔油膜轴承,避免了静压轴 承高速下发热严重和供油系统庞大复杂,克服了动压轴 承启动和停止时可能发生的干摩擦的弱点,有很好的高 速性能,而且调速范围宽[2]。它结构紧凑,动、静态刚度较 高,但其价格较高,使用维护较为复杂, 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化程度低,在 超高速主轴单元中应用较少。 (3)磁浮轴承:磁浮轴承是利用多副在圆周上互为 180°可控电磁铁产生径向方向相反的吸力,将主轴悬浮 摘 要:对电主轴单元中轴承的结构设计进行讨论,分析了轴承在满足一定性能前提下,其设计的步骤和方法;对其设 计的内容,包括轴承的选择、轴承预加载荷的确定、轴承润滑方式的选择进行了介绍。 关键词:电主轴;轴承;预加载荷;润滑 中图分类号:TH133.3 文献标识码:A 文章编号:1002-2333(2008)06-0006-02 StructureDesignofMotorizedSpindleBearing SUNTao,QINLu-fang (XuzhouInstituteofTechnology,Xuzhou221008,China) Abstract:Thepaperanalysesthestepsandmethodsofmotorizedspindlebearingdesignonthepreconditionsof meetingcertainperformancebydiscussingstructuredesignofmotorizedspindlebearing.Itintroducesthebearing designedcontentsthatincludethebearingselection,determinationofthebearingpreloadandselectionoflubrication inspindlebearing. Keywords:motorizedspindle;bearing;preload;lubrication 专 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 报道 SPECIAL REPORT 机械零部件 机械工程师 2008年第6期6 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1 各种不同润滑方式的比较[5] dmn 轴承温升 特点 用途 油脂润滑 最低 高 无须润滑装置, 密封简单,冷 却性能差。 适用低速 油雾润滑 较低 较高 灰尘和切削液 不易侵入,污染 环境,成本低。 很少采用 油气润滑 一般 较低 灰尘和切削液不易侵 入,无污染,能达到最小 油量润滑,成本较高。 广泛采用 喷射润滑 高 较低 灰尘和切削液不易侵入,需油 量大,摩擦损耗大,易漏油,成 本高,不实用于立式主轴。 特殊场合 环下润滑 较高 最低 润滑装置与主 轴结构复杂 很少采用 于空间,使轴颈与轴承之间没有机械接触的一种新型高 性能轴承。由于不存在机械接触,转轴可达到极高的回转 精度、较高的转速和较大的功率,同时具有温升低、无需 润滑、无油污染、寿命长等优点。又由于磁浮轴承轴心的 位置通过电子反馈控制系统进行自动调节,故主轴刚度 和阻尼可调,并可自动动平衡,从而将振动降至很低,使 其噪声小。由于磁浮轴承价格昂贵,控制系统复杂,长期 以来没有在超高速主轴单元上大面积推广,现已有成熟 的产品供应,具有很大的发展前景。 1.2轴承种类及配置形式的选择 (1)轴承种类的确定 机床主轴轴承常见的类型有深沟球轴承、角接触球 轴承、圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承、圆锥滚子 轴承以及推力球轴承等。其中,角接触球轴承制造精度 高、极限转速高、承载能力强,能同时承受径向和一个方 向的轴向载荷。因此,广泛地应用于高速机床主轴的支承 中。高速角接触球轴承通常采用15°和25°接触角。 角接触球轴承能承受径向和一个方向的轴向载荷, 在径向载荷作用下,轴承内部产生一个沿轴向方向作用 的力,必须有另一相对的外力(预加载荷)来平衡。另外, 为提高主轴系统的支承刚度,机床主轴轴承通常采用双 联、甚至多联的配对方式[3]。 (2)轴承配置形式的确定 电主轴一般常采用如图1所示的几种配置方式[4]。其 中,图 1(a)前后轴承均采用角接触球轴承,背对背,常适 用于负荷较小的磨削用电主轴;图 1(f)前轴承采用两个 角接触球轴承,反向组配,后轴承采用陶瓷圆柱混合轴 承,适应于高速,既提高了刚度,又简化了结构。除此之 外,还应适当减少前后支承的跨距,以增加系统刚度。 2 轴承预加载荷的选择 对于采用角接触球轴承的,必须在轴向给轴承施加一 定的预加负荷,合适的预加负荷不仅可以消除轴承的轴向 游隙,抑制滚动体的旋转滑动,减小高速旋转时轴承滚动体 与内外圈滚道接触角的变化,影响整个系统的阻尼特性,从 而提高轴承刚度和旋转精度外,还可以降低振动噪声、抑制 温升和延长疲劳寿命。但预加负荷过大,会加剧轴承的摩擦, 使温升迅速提高,可能造成烧伤,降低使用寿命。 一般采用改变轴承结构和采用预紧力补偿原理(独 立制作预紧力补偿装置)两种方法来实现预加负荷的控 制。对于第一种方法,当在转速不太高和变速范围比较小 的情况下,采用刚性预加负荷(改变内外隔圈或轴承内外 环的宽度尺寸差)来施加预加载荷,其预加载荷会随轴系 零件发热而变化;当转速较高和变速范围比较大的情况 下,采用弹性预加载荷装置(用适当的弹簧) ,可减少温度 和速度对预加载荷的影响。这种方法,控制预紧力十分有 效,操作方便,但电主轴一旦装配完成后,其预加载荷大 小无法调整,当轴承出现磨损时,更换轴承势必要重新调 整整个控制系统,这将给用户的维修带来很多不便。对于 使用性能和使用寿命要求较高的电主轴,可采用第二种 方法,自行设计和制造可调整预加载荷的装置。 有研究表明,组配轴承存在最佳预载荷值,其值与多 种因素有关。因此,在决定最佳预载荷时,应综合考虑轴 承的组配方式、工作转速、系统刚性及寿命等因素,反复 试验方可最终确定。 3 轴承润滑方式的确定 超高速主轴必须采用正确的润滑方式来控制轴承的 温升,来保证机床工艺系统的精度和稳定性。润滑方式的 选择与轴承的转速、负荷、容许温升及轴承类型有关,可 按dmn值选取。超高速主轴中,dmn值较高,通常选用不同 形式的油润滑,常用的形式有:油雾润滑、油气润滑、喷射 润滑、环下润滑等。 电主轴轴承的设计除以上所讨论的内容外,还包括 主轴与电机转子间的配合、主轴轴颈尺寸的确定等,设计 过程中还需进行主轴系统的静、动态特性分析与处理,轴 承受力分析,轴承静刚度的计算,轴承轴向预紧后的刚度 计算等工作,以保证轴承满足设计要求。 [参考文献] [1] 张伯霖,杨庆东,陈长年.高速切削技术及应用[M].北京:机械 工业出版社,2003. [2] 吕慎刚.高速电主轴振动控制技术研究[D].南京:东南大学,2006. [3] 姜韶峰.高速机床主轴轴承及其应用[J].轴承,2002(3) :1-4. [4] 周延佑,李中行.电主轴的基本参数与结构(一)[J].制造技术与 机床,2003(7) :64-67. [5] 栾景美,黄红武,等.超高速电主轴结构综述[J].精密制造与自动 化,2002,115(3) :4-8. (编辑 启 迪) 作者简介:孙涛(1980-) ,男,兰州理工大学在读硕士研究生,助教,研 究方向为机电一体化。 收稿日期:2008-03-24 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 图1 电主轴常用轴承配置形式 7机械工程师 2008年第6期 专题报道 机械零部件 SPECIAL REPORT !!!!!!!!!!