高精度金刚石工具磨床主轴系统设计与研究

摘要

在超精密切削加工中，高精度的金刚石刀具是不可或缺的。金刚石刀具的刃口质量、刃口钝圆半径及刀尖圆弧半径对切削加工起着至关重要的作用，然而金刚石的高硬度和高耐磨等特性使其加工变得极其困难。目前国外在高精度的金刚石刀具及刃磨设备方面对中国实行技术封锁，国内在此领域的研究相对落后。因此本文对高精度金刚石工具磨床中关键部件主轴系统进行了研究与设计，为我国在此领域的发展提供了一定的理论基础。
　　本文首先对金刚石工具磨床主轴系统的机构进行了研究与结构设计，提出了详细的设计方案。本文将主轴系统机构的设计分为三部分:主轴回转机构、高度调整机构和角度调整机构。主轴系统采用高精度的角接触球轴承，兼顾高转速和高刚度的要求。高度调整机构和角度调整机构分别采用螺纹传动和蜗轮蜗杆传动，能充分满足刃磨运动的基本要求。特别是巧妙地利用套筒和花键的传动连接机构，解决了角度调整和高度调整机构之间的干涉问题。
　　其次本文根据赫兹接触理论和轴承发热公式，量化地分析了轴承预紧力对轴承刚度和主轴发热量的影响，分析结果表明轴承预紧力对主轴系统的刚度和发热量有显著影响。并根据主轴系统刚度和发热量的设计要求，计算出了最佳预紧力的大小。
　　然后利用ANSYS软件对主轴系统进行了三维建模和有限元仿真分析。其中对主轴系统进行了模态分析、静力分析和谐响应分析，分析结果证明所设计的主轴系统能满足刃磨要求。分析中发现主轴系统的薄弱环节在前轴承和砂轮处，经过改进可以显著提高主轴的动静态性能。此外还通过分析轴承预紧力变化对主轴系统模态的影响，进一步证明了主轴最佳预紧力的合理性。
　　最后，本文绘制了主轴系统的装配图示意图，并总结了课题所做工作的不足，为以后的相关研究提出了一些建议。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 金刚石刀具工艺研究

1．3 国内外金刚石刀具刃磨设备研究对比

1．4 本课题的研究目的、意义和主要研究内容

2 金刚石刀具刃磨设备关键技术研究

2．1 电火花刃磨设备关键技术研究

2．2 机械刃磨设备主轴关键技术研究

2．3 金刚石工具磨床主轴系统性能的分析方法

2．4 本课题对金刚石工具磨床主轴系统的设计要求

本章小结

3 高精度金刚石工具磨床主轴系统的设计

3．1 主轴-轴承系统设计

3．1．1 主轴系统轴承的选择

3．1．2 轴承配合选择

3．1．3 轴承原始游隙选择

3．1．4 轴承的润滑和密封

3．2 主轴传动系统的设计

3．3 主轴系统角度和高度调整结构的设计

3．3．1 主轴系统角度调节机构

3．3．2 主轴系统升降机构设计

本章小结

4 主轴系统轴承预紧力的研究

4．1 轴承预紧方式的选择

4．2 轴承预紧力对主轴系统的影响

4．2．1 轴承预紧力对轴承刚度的影响

4．2．2 轴承预紧力对轴承发热量的影响

4．3 最佳预紧力的选择

本章小结

5 主轴系统的有限元仿真分析

5．1 主轴系统的建模

5．2 ANSYS单元参数的确定

5．3 主轴系统的有限元分析

5．3．1 主轴系统的模态分析和静力分析

5．3．2 轴承预紧力对主轴动态性能的影响

5．3．3 主轴系统的谐响应分析

本章小结

结论与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢