轧辊磨床主轴系统设计和计算

轧辊磨床主轴系统设计和计算
摘要：重型精密轧辊磨床，是冶金行业宽厚板重型轧机大型轧辊及超大型回转类零件表面磨削加工的关键设备。

能解决国内宽厚板材支承辊制造能力不足的问题，同时可以实现大规格汽轮机低压转子的磨削等其他功能。

是冶金等行业急需的用于精密加工的关键设备。

轧辊磨床主轴系统是该机床的重要部件之一，它直接参与磨削加工，其动力学性能对磨削稳定性和磨削精度有很大影响。

因此，对主轴系统的静力学和动力学性能分析就显的非常有必要。

关键词：主轴；刀架；有限元
一、砂轮架主轴磨削力计算
已知砂轮直径d1=1200mm, 工件直径d2=3000mm,最大磨削深度 =0.05mm 砂轮线速度 =60m/s , 工件转速 =20r/min ,砂轮宽度 =100mm ,传动比
I=1.5,轴向进给量 =50mm , =21（查工艺手册）
α=0.6,β=0.4,γ=0.7,δ=0.6,ε=0.5（查工艺手册）
工件线速度=π×d2× =188m/min
主磨削力 = （见加工工艺手册-磨削部分）
= 21×
=2340N
磨削功率：P= /1000=140.4KW
我们选用1PH7228—2JF00—0HD3，480—1750—2400rpm，P=179KW＞磨削需要的功率140.4 KW,可满足使用要求。

二、砂轮架主轴有限元分析计算
砂轮架磨主轴是该机床的重要部件之一，它直接参与磨削加工，其动力学性
能对磨削稳定性和磨削精度有很大影响，因此，对主轴系统的静力学和动力学性
能分析就显的非常有必要。

1.已知条件:主轴的最大转速为1600rpm，取最大磨削力 =2340N，
轴向力。

磨削力的数学经验公式（1），是由各国学者做出了许多研究，发表了大量
数据，并且详细讨论了各种磨削条件对磨削力的影响，而提出的经验公式： =（1）
式中：表示单位磨削力，取值为453N；
磨削深度（mm）；
砂轮架横向进给率（m/min）；
工件线速度；
α、β、γ为指数
式（1）中，不同的磨削方式和材料的取值不同。

北京工业大学于1992
年提出的磨削力新算法中分别求出了公式中的系数和指数。

一般的外圆磨削中取
为453N ，α、β、γ分别取0.9、0.62、0.76。

通过对式（1）的分析可
知磨削进给量对磨削力的影响最大，工件的转速其次。

[前联邦德国]E.SACJE
表1 磨削力计算公式的指数值
各刀架重量信息统计如下表2 ：
密度
（
）
143
（
）
138
（ ）
138
（ ）
表2 刀架重量统计表（*号为我公司实验验证数据） 2.计算方法
1）用工程三维软件UG NX 7.5 Modeling 模块中创建有限元分析的三维模型，在建模过程中做了适当的简化，处理掉一些不影响整体刚度的小特征，例如起吊孔，铸造圆角等。

2）进行三维实体装配。

3）边界条件：结合部近似模拟成现实的自由度约束，其他结合面处用粘接的方式，对于静变形的计算可以这样计算，输入和输出的中间环节属于内力。

如果是动力学的计算，部件之间的结合部是关键因素，必须予以考虑。

4）赋予材料特性，见表1。

5）有限元分析软件进行仿真分析模块，在该软件中用求解器求解。

材料的定义见表2，下表3为网格类型及单元、节点个数。

表3 部件网格划分情况
3.计算结果
a.整个磨刀架、大刀架、中刀架最大变形为0.0008mm
b. 主轴的刚度为5300.5N/μm。

c.根据主轴不同的支撑情况，计算其临界转速，得到下表4
表4 磨主轴临界转速计算
从表4可以看出，临界转速远远高于磨主轴的最大转速1600rpm，所以不会
因主轴的转动引起共振，另外该主轴的静刚度为5300.5N/μm，静刚度满足要求。

自由模态振型及频率如下图2
三、砂轮架X轴进给计算
设定计算载荷W（磨头架+磨头+测量系统≈8500Kg），静压导轨μ=0.005。

滚珠丝杠选择FFZD8010-5/P3，联轴器选择：ROTEX-GS24 98ShaA-GS 6.0-
Ф48/6.0-Ф40、T额=525Nm，X轴连续进给范围0.01—1500mm/min， X轴进给电机：1FT6084-8AF71-1AL3 3000r/min、14.7Nm、，α减速器
SP140S-MF2、I=20 、，伺服惯量计算如下：
移动部件： =215.53
滚珠丝杠+联轴器： =33.6
机械折算到电机伺服惯量J机=14.2+9.07=23.27
伺服惯量比：2/3≤J机/J电≤2
J机/J电=23.27/30=0.77,满足使用要求。

J总=23.27+30=53.27 =0.005327kgm2
M=J总×n /9.6T
M加 -- 快速加速扭矩
J总—系统总惯量
N电-- 快速时电机转速
T -- 时间常数取T=0.2S
M加=0.005327×3000/(9.6×0.2)
=8.3Nm
四、通过校核计算，选用1FT6084-8AF71-1AL3 3000r/min、M=14.7Nm 满足可满足使用要求。