外圓磨床設(shè)計

1、第1章 緒論1.1 磨床的類型與用途1.1.1 磨床的類型及其特點用磨料磨具（砂輪、砂帶、油石和研磨料等）為工具進(jìn)行切削加工的機床，統(tǒng)稱為磨床（英文為Grinding machine），它們是因精加工和硬表面的需要而發(fā)展起來的1。磨床種類很多，主要有：外圓磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床、工具磨床和用來磨削特定表面和工件的專門化磨床，如花鍵軸磨床、凸輪軸磨床、曲軸磨床等2。對外圓磨床來說，又可分為普通外圓磨床、萬能外圓磨床、無心外圓磨床、 寬砂輪外圓磨床、端面外圓磨床等以上均為使用砂輪作切削工具的磨床。此外，還有以柔性砂帶為切削工具的砂帶磨床，以油石和研磨劑為切削工具的精磨磨床等。磨床與其他機床相比，

2、具有以下幾個特點：1、磨床的磨具（砂輪）相對于工件做高速旋轉(zhuǎn)運動（一般砂輪圓周線速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上發(fā)展）；2、它能加工表面硬度很高的金屬和非金屬材料的工件；3、它能使工件表面獲得很高的精度和光潔度；4、易于實現(xiàn)自動化和自動線，進(jìn)行高效率生產(chǎn)；5、磨床通常是電動機-油泵-發(fā)動部件，通過機械，電氣，液壓傳動-傳動部件帶動工件和砂輪相對運動-工件部分組成1。1.1.2 磨床的用途磨床可以加工各種表面，如內(nèi)、外圓柱面和圓錐面、平面、漸開線齒廓面、螺旋面以及各種成形表面。磨床可進(jìn)行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以進(jìn)行各種高硬、超硬材料的加工，還可以刃磨刀具和進(jìn)行切斷等，

3、工藝范圍十分廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對機械零件的精度和表面質(zhì)量要求越來越高，各種高硬度材料的應(yīng)用日益增多。精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，使得有可能將毛坯直接磨成成品。高速磨削和強力磨削，進(jìn)一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范圍日益擴大。它在金屬切削機床所占的比重不斷上升。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家中，磨床在機床總數(shù)中的比例已達(dá)30%-40%。據(jù)1997年歐洲機床展覽會(EMO)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，25%的企業(yè)認(rèn)為磨削是他們應(yīng)用的最主要的加工技術(shù)，車削只占23%， 鉆削占22%，其它占8%；而磨床在企業(yè)中占機床的比例高達(dá)42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%3。由此可見，在精密加工當(dāng)中，有許

4、多零部件是通過精密磨削來達(dá)到其要求的，而精密磨削加工會要在相應(yīng)的精密磨床上進(jìn)行，因此精密磨床在精密加工中占有舉足輕重的作用。但是要實現(xiàn)精密磨削加工，則所用的磨床就應(yīng)該滿足以下幾個基本要求： 1.高幾何精度。 精密磨床應(yīng)有高的幾何精度，主要有砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度和導(dǎo)軌的直線度以保證工件的幾何形狀精度。主軸軸承可采用液體靜壓軸承、短三塊瓦或長三塊瓦油膜軸承，整體度油楔式動壓軸承及動靜壓組合軸承等。當(dāng)前采用動壓軸承和動靜壓軸承較多。主軸的徑向圓跳動一般應(yīng)小于1um，軸向圓跳動應(yīng)限制在23um以內(nèi)。2.低速進(jìn)給運動的穩(wěn)定性。 由于砂輪的修整導(dǎo)程要求1015mm/min，因此工作臺必須低速進(jìn)給運動，要求無

5、爬行和無沖擊現(xiàn)象并能平穩(wěn)工作。3.減少振動。 精密磨削時如果產(chǎn)生振動，會對加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響。故對于精密磨床，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮減少振動。4.減少熱變形。 精密磨削中熱變形引起的加工誤差會達(dá)到總誤差的50，故機床和工藝系統(tǒng)的熱變形已經(jīng)成為實現(xiàn)精密磨削的主要障礙。1.1.3 外圓磨削和端面外圓磨床1.外圓磨削在外圓磨削過程中，工件是安裝在兩頂尖的中心之間，砂輪旋轉(zhuǎn)是引起切削旋轉(zhuǎn)的主要來源和原因?；镜猛鈭A磨削方法有兩種，即橫磨法磨外圓和縱磨法磨外圓，如圖11和圖12所示。事實上，外圓磨削可以通過其他以下幾種方法來實施：（1）傳遞方法：在這種方法中，磨削砂輪和工件旋轉(zhuǎn)以及徑向進(jìn)給都應(yīng)滿足所有的整

6、個長度，切削的深度是由磨削砂輪到工件的縱向進(jìn)給來調(diào)整的。（2）沖壓切削方法：在這種方法中，磨削是通過砂輪的縱向進(jìn)給和無軸向進(jìn)給來完成的，正如我們所看到的，只有在表面成為圓柱的寬度比磨削輪磨損寬度短時，這種方法才能完成。圖11 橫磨法磨外圓圖12 縱磨法磨外圓（3）整塊深度切削方法：除了在磨削過程中，要進(jìn)行間隙調(diào)整外，這種方法與傳遞方法很相似，同時這種方法具有代表性，除了磨削短而粗的軸。2.端面外圓磨床及其特點端面外圓磨床是外圓磨床的一種變形機床，它宜于大批量磨削帶肩的軸類工件，有較高的生產(chǎn)率。它的特點如下（1）這種磨床的布局形成和運動聯(lián)系與外圓磨床相似，只是砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜一角度

7、（通常10，15，30，45），如圖13所示，數(shù)控端面外圓磨床MKS1632A的砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜30。為避免砂輪架與工件或尾架相碰，砂輪安裝在砂輪架的右邊，從斜向切入，一次磨削工件外圓和端面。（2）由于它適用于大批量生產(chǎn)，所以具有自動磨削循環(huán)，完成快速進(jìn)給（長切入）-粗磨-精磨無花磨削。由定程裝置或自動測量控制工件尺寸。（3）裝有砂輪成型修整器，按樣板修整出磨削工件外圓和端面的成型砂輪，為保證端面尺寸穩(wěn)定及操作安全，一般具有軸向?qū)Φ堆b置。圖13 砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜一角度1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢隨著機械產(chǎn)品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應(yīng)用增多，磨

8、削加工技術(shù)正朝著超硬度磨料磨具、開發(fā)精密及超精密磨削（從微米、亞微米磨削向納米磨削發(fā)展）和研制高精度、高剛度、多軸的自動化磨床等方向發(fā)展4，如用于超精密磨削的樹脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至4m；使用電主軸單元可使砂輪線速度高達(dá)400m/s，但這樣的線速度一般僅用于實驗室，實際生產(chǎn)中常用的砂輪線速度為4060m/s；從精度上看，定位精度2m，重復(fù)定位精度1m的機床已越來越多；從主軸轉(zhuǎn)速來看，8.2kw主軸達(dá)60000r/min，13kw達(dá)42000r/min，高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛性上看，已出現(xiàn)可加工60HRC硬度材料的加工中心。北京第二機床廠引進(jìn)日本豐田工機公司先進(jìn)技術(shù)

9、并與之合作生產(chǎn)的GA（P）6263數(shù)控外圓/數(shù)控端面外圓磨床，砂輪架采用原裝進(jìn)口，砂輪線速度可達(dá)60m/s，砂輪架主軸采用高剛性動靜壓軸承提高旋轉(zhuǎn)精度，采用日本豐田工機公司GC32ECNC磨床專用數(shù)控系統(tǒng)可實現(xiàn)二軸（X和Z）到四軸（X、Z、U和W）控制。此外，對磨床的環(huán)保要求越來越高，絕大部分的機床產(chǎn)品都采用全封閉的罩殼，絕對沒有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機和切削液處理機系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對環(huán)保越來越高的要求。第2章 設(shè)計任務(wù)書1.畢業(yè)設(shè)計題目MKS1632A數(shù)控高速端面外圓磨床及其砂輪架設(shè)計2.畢業(yè)設(shè)計目的本課題旨在讓學(xué)生綜合運用大學(xué)四年所學(xué)的知識，設(shè)計數(shù)控端面外圓磨床MKS16

10、32A及其砂輪架，樹立理論聯(lián)系實際的作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。該課題要求繪制磨床總體布局裝配圖、砂輪架部件裝配圖、磨床液壓系統(tǒng)圖和磨床零件圖，最后撰寫設(shè)計說明書。此外，要求學(xué)生跟隨指導(dǎo)老師和研究生參與部分科學(xué)研究，進(jìn)行磨削溫度的測試實驗并撰寫科研報告。3.任務(wù)與要求：（1）機床總體布局裝配圖（0#）；（2）部件裝配圖（砂輪架0#）；（3）零件圖 (3#)；（4）液壓傳動圖（1#）；（5）電氣控制圖 （1#）；（6）撰寫科研報告；4.用途和規(guī)格（1）加工對象 A 帶軸肩的多臺階軸（如齒輪軸） B要求端面外圓一次完成的零件 C 帶較大端面的盤類零件 D 作一般外圓磨床（2）主要規(guī)格 A加工直徑20mm

11、-320mmB 最大加工長度為750mm C 最大加工重量200D 砂輪線速度60m/s E 機床中心高1095mmF工件轉(zhuǎn)速范圍30300rpm（3）主要運動 A 砂輪轉(zhuǎn)動 B 工件轉(zhuǎn)動C工作臺縱向移動D砂輪架斜向進(jìn)給運動 E砂輪修整器斜向進(jìn)給運動 F砂輪修整器旋轉(zhuǎn)運動5.設(shè)計重點與難點（1）磨床總體布局中各部件尺寸的確定；（2）砂輪架主軸和軸承的設(shè)計和選用；（3）皮帶的選用和帶輪的設(shè)計；（4）磨床液壓系統(tǒng)的設(shè)計；（5）磨削溫度科研報告。6.擬采用的途徑與手段（1）查閱國內(nèi)外磨床相關(guān)資料，確定磨床總體布局中各部件（如砂輪架、頭架和尾架等）尺寸；（2）檢驗主軸前端擾度，確保主軸剛度；（3）砂輪

12、架采用靜動壓軸承以提高旋轉(zhuǎn)精度，增強抗振性，延長軸承的使用壽命；（4）采用皮帶和花鍵副帶動主軸旋轉(zhuǎn)，減少主軸變形，使載荷分布均勻；（5）采用Auto CAD繪制裝配圖和零件圖；（6）參看液壓工程方面的資料，設(shè)計磨床液壓系統(tǒng)的設(shè)計；（7）參考磨削溫度測試研究論文，認(rèn)真、虛心向指導(dǎo)老師和研究生學(xué)習(xí)，進(jìn)行大量的磨削溫度的測試實驗。第3章 磨床總體布局3.1 磨床總體設(shè)計1.加工零件的工藝分析（表面形狀，尺寸，材料，技術(shù)條件，批量，加工余量等）；2.調(diào)查研究 比較國內(nèi)，外同類機床，經(jīng)驗總結(jié)，進(jìn)行改革創(chuàng)新；3.圖紙設(shè)計（總圖，部件裝配圖，零件圖，工藝卡，目錄，標(biāo)準(zhǔn)件，外購件目錄，鑄件，鍛件目錄，說明書，

13、裝箱單，合格證）；4.制造，裝配，調(diào)試；5.小批量生產(chǎn)，設(shè)計改進(jìn)；、總體設(shè)計注意事項1.保證機床滿足加工精度要求，剛性，穩(wěn)定性好；2.傳動系統(tǒng)力求簡短；3.操作調(diào)整方便；4.安全保護(hù)，冷卻液供給，回收，廢渣的排除。3.3 磨床總體布局設(shè)計3.3.1 加工零件帶軸肩的多臺階軸，精度IT7以下，Raa0.4，材料45#，40cr，球墨鑄鐵等；3.3.2 初步估計組成部分a.床身；b.工作臺面；c頭架；d尾架；e砂輪架；f 修整器；g 測量裝置；h 砂輪進(jìn)給電機；I 修整器進(jìn)給電機；j 電器框；k工作臺進(jìn)給電機；l 工件旋轉(zhuǎn)電機；m 潤滑冷卻裝置；n數(shù)控裝置；3.3.3 總體布局初步設(shè)計1.T型床身

14、；2.工作臺移動；3.工作臺型面采用傾斜10的型面；4.砂輪架主軸與床身導(dǎo)軌傾斜30角； 5.頭尾架中心線平行；6.采用成型砂輪修整器（金剛石滾輪），采用MARPPOS公司軸向，徑向測量儀，配用該公司E5數(shù)控框（如圖31所示）來控制軸向尺寸，徑向尺寸，測量儀布置在橫梁上；圖31 E5數(shù)控框7.數(shù)控系統(tǒng)的四坐標(biāo)軸X軸：砂輪架進(jìn)給 Y軸：修整器進(jìn)給Z軸：工作臺移動 W軸：工件旋轉(zhuǎn)各軸采用交流伺服電機，通過精密無間隙彈性連軸器直接與滾珠絲桿相連；8.液壓油箱單獨（減小熱變形，簡化機床結(jié)構(gòu)，易實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，便于維修）；9.電器框與機床采用空中走線；10.機床前防護(hù)罩采用全封閉結(jié)構(gòu)；3.3.4 縱

15、向與橫向尺寸的確定1.縱向尺寸工件最大長度 ；頭架長度 ；尾架長度 ；上臺面長度 ；下臺面長度 ；床身長度 ；后床身長度 （考慮砂輪架和修整器大小按經(jīng)驗給定）；整個床身寬度 （視覺效果）；砂輪架中心與機床床身對稱線相距圖32 磨床縱向尺寸2.橫向尺寸1）畫出橫向尺寸床身的V型導(dǎo)軌作為橫向尺寸的基準(zhǔn)，畫出床身的平面導(dǎo)軌作為高度尺寸的基準(zhǔn)線，根據(jù)確定的工作臺參數(shù)，導(dǎo)軌參數(shù)B1，B2中心畫出左視圖2）確定上，下工作臺厚度和寬度（1）厚度：用類比法上工作臺 中心（31）下工作臺 中心 （32）為工作臺導(dǎo)軌的中心距，工作臺導(dǎo)軌選用8075250取 250=75mm250=95mm（2）寬度 （33） 3

16、）確定頭，尾架頂尖中心位置頂尖中心安排在V型導(dǎo)軌的中心線上，這樣有利于磨削最小直徑工件的，砂輪架趨近于工作臺不致相碰。缺點是使導(dǎo)軌的承載壓力較大，故常適當(dāng)加寬V型導(dǎo)軌的寬度。4）確定頭尾架頂尖中心至床身底面的高度H1左右1根據(jù)工人身高，經(jīng)驗。類比取5）工作臺回轉(zhuǎn)中心位置B96）確定機床總高H 所以H取2000mm。3.3.5 砂輪架相關(guān)尺寸設(shè)計（1）砂輪架導(dǎo)軌（V平導(dǎo)軌）100904001考慮到砂輪的大小及重量與砂輪架的穩(wěn)定性，取L中心=500mm，從而可定出砂輪架的寬度約為600mm，導(dǎo)軌為0.15MPa 的卸荷導(dǎo)軌。圖33 砂輪架的導(dǎo)軌（2）砂輪架橫向行程長度 （34）式中為砂輪架快速進(jìn)退

17、的行程，一般取。此處取。 （35）（取373）（3）砂輪架高度和長度砂輪架箱體導(dǎo)軌的高度h3，砂輪底板滑臺高度h4，砂輪中心距砂輪底面高度h5，與后床身頂面至平導(dǎo)軌的高度h0，為避免上，下工作臺運動時與箱體相碰，安裝在后床身上的墊板頂面需低于上下工作臺的頂面，同時考慮橫向進(jìn)給機構(gòu)穿過床身的位置等，根據(jù)經(jīng)驗 取砂輪架中心距后床身頂面砂輪架底座安裝修整器，內(nèi)有傳動絲桿取后床身進(jìn)給導(dǎo)軌內(nèi)裝絲桿取圖34 砂輪架的高度和寬度砂輪架底板長度： 取=900mm砂輪架導(dǎo)軌長度取 （4）砂輪架主軸電機的選擇用類比法，砂輪架主軸電機的功率取15kw；計算法 （36） 3.按照機床動作所要求的速度和作用的力等進(jìn)行計

18、算。4.選用標(biāo)準(zhǔn)的或設(shè)計專用的液壓元件，并按照機床布局來確定各元件的組合形式，進(jìn)行閥板設(shè)計。5.繪制液壓元件的連接總圖油路裝配圖。上述步驟是相互聯(lián)系交替進(jìn)行的，往往需要幾次反復(fù)，才能完成。3.機床需要的液壓部分1）機床測量儀的進(jìn)給和退出，徑向測量儀的垂直橫向進(jìn)給和退出，尾架的松開；2）潤滑部分。a.床身的滾珠絲桿b.砂輪架的滾珠絲桿c.砂輪修整器的滾珠絲桿，間隙供油d.砂輪架的卸荷e.床身導(dǎo)軌的潤滑f.砂輪修整器直線導(dǎo)軌的間隙供油3）動靜壓軸承a.砂輪架主軸軸承部分b.砂輪修整器主軸軸承部分4.擬訂液壓原理圖機床液壓系統(tǒng)的擬訂，要與機械，電器配合，將各個液壓回路進(jìn)行組合，達(dá)到總體設(shè)計所需要的動

19、作循環(huán)程序。具體原理圖見MKS1632A高速數(shù)控端面外圓磨床液壓圖結(jié)論經(jīng)過三個多月的努力，我順利完成了畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)，對磨床的設(shè)計過程有了一個基本的認(rèn)識，特別對數(shù)控高速端面外圓磨床MKS1632A的設(shè)計過程有了深刻和清晰的了解。這次畢業(yè)設(shè)計是對我大學(xué)四年所學(xué)知識的一次綜合應(yīng)用，它涉及到機械制圖、機械制造技術(shù)、機械原理、機械設(shè)計、機械裝備設(shè)計、液壓系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)控技術(shù)、互換性和測量技術(shù)、單片機、電子信息技術(shù)等多門課程的內(nèi)容，使我對知識的綜合知識的運用有了很大的提高。本次設(shè)計的數(shù)控高速端面外圓磨床MKS1632A可以同時加工帶軸肩類零件的外圓和端面，從而提高了磨削效率，減少加工時間，節(jié)省工件的生產(chǎn)成

20、本。在數(shù)控高速端面外圓磨床MKS1632A的設(shè)計過程中，郭老師讓我們四個人每人負(fù)責(zé)一部分，我負(fù)責(zé)的是數(shù)控高速端面外圓磨床MKS1632A的砂輪架部分。起初我們四個人在一起討論磨床的總體布局圖，每個人提出自己的想法，然后由大家來討論，在這樣的討論和交流中，我們都學(xué)到了不少知識，知道自己方案的優(yōu)點和缺點，最后我們討論出來一套最優(yōu)方案。本次畢業(yè)設(shè)計我負(fù)責(zé)的部件是砂輪架，砂輪架是磨床上用來帶動砂輪作高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，主要由傳動部件和主軸軸承部分組成，主軸與軸承是砂輪架的主要組成部分。首先是根據(jù)砂輪架主軸的要求進(jìn)行軸的設(shè)計，然后再選取軸承，設(shè)計皮帶和皮帶輪等等。在這個過程中，軸的撓度校核、皮帶和皮帶輪

21、的設(shè)計等用到了大量的計算。由于磨床是高精密加工機床，對各部件的設(shè)計要求都較高。為了提高旋轉(zhuǎn)精度，我主要做了以下工作：1.在選擇軸承的時候，我選用了動靜壓軸承。，動靜壓混合軸承是一種既綜合了液體動壓和靜壓軸承的優(yōu)點，又克服了兩著缺點的新型多油楔油膜軸承。它利用靜壓軸承的節(jié)流原理，使壓力油腔中產(chǎn)生足夠大的靜壓軸承載力，從而克服了液體動壓軸承啟動和停止時出現(xiàn)的干摩擦造成主軸與軸承磨損現(xiàn)象，提高了主軸和軸承的使用壽命及精度保持性；軸承油腔大多采用淺腔結(jié)構(gòu)，在主軸啟動后，依靠淺腔階梯效應(yīng)形成的動壓承載力和靜壓承載力疊加，大大地提高了主軸承載能力，而多腔對置結(jié)構(gòu)又極大地增加了主軸剛度；高壓油膜的均化作用和

22、良好的抗振性能，保證了主軸具有很高旋轉(zhuǎn)精度和運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。動靜壓軸承廣泛用于高速精密設(shè)備中.目前，在改造舊精密磨削設(shè)備方面，用得較多的是北京中航設(shè)備改造廠的WMB型表面節(jié)流液體動靜壓混合軸承。2.在砂輪架傳動裝置設(shè)計中，采用了多楔帶皮帶和多楔帶帶輪。多楔帶兼有V帶和平帶的優(yōu)點，外輪廓尺寸小，比V型帶傳動平穩(wěn)。多楔帶以平帶為基體，內(nèi)表面有等距離縱向楔型的環(huán)形帶傳動，工作面為楔側(cè)面。3.為了減少外載荷對砂輪架主軸的影響，提高砂輪架主軸的承載能力，在帶輪的安裝方面，采用了卸荷皮帶輪的方案，即多楔帶皮帶輪不是直接安裝在砂輪架主軸上，而是安裝在支架上，然后通過花鍵套來傳遞扭矩，帶動砂輪架主軸旋轉(zhuǎn)。這種方案

23、的好處是砂輪架承受的軸向力大大地減小了，砂輪架主要承受扭矩，達(dá)到減小砂輪架主軸變形、提高砂輪架主軸的承載能力和提高旋轉(zhuǎn)精度等目的。需要補充一點的是，在砂輪架主軸的設(shè)計中，因為軸的中間部分只有一部分需要進(jìn)行精加工，以便安裝動靜壓軸承，其余部分則沒有什么特殊的加工要求?？紤]到加工成本的問題，我采取將砂輪架主軸中間一部分半徑減小的方法，從而減少了精加工的長度，減小了工件的加工成本，但這樣做會減小砂輪架主軸的剛度。這次畢業(yè)設(shè)計對我大學(xué)所學(xué)的知識進(jìn)行了綜合，對我運用知識的能力有了很大提高，特別是培養(yǎng)了我理論結(jié)合實際的作風(fēng)，改變了我以前設(shè)計不切合實際的想法，很多設(shè)計力求標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。致謝經(jīng)過三個多月的努力，畢業(yè)設(shè)計已