M8820砂輪軸接頭強度的校核分析

皇天鳴

(洛陽LYC軸承有限公司 球軸承廠，河南 洛陽 471039)

1 問題的提出

采用M8820擺頭磨床粗磨22316C外滾道時，常出現砂輪軸接頭(圖1)斷裂現象，斷裂大部分發生在砂輪軸的砂輪退刀槽處。此處為應力集中點，若再加上軸的強度不足，很容易產生斷裂。由此，有必要對砂輪軸接頭進行強度校核，并在分析的基礎上加以改進。

圖1 改進前砂輪軸接頭結構示意圖

2 磨削力計算

砂輪在磨削工件時，磨粒與工件之間產生磨削力，為了實際的需要(加工精度)和便于分析，通常將磨削力F分解為3個相互垂直的分力，其中徑向力Fy是作用于工件半徑方向的分力，是砂輪對工件的壓力，是磨削力的主要分力。因此，在進行磨削力的計算時，一般應核算Fy的大小[1]。

Fy=9.81CfyZ′0.7B0Ky,

(1)

式中：Fy為徑向磨削力，N；Cfy為切削力影響系數；Z′為單位寬度磨削量，mm2/min；B0為砂輪寬度，mm；Ky為砂輪硬度系數。Cfy，Ky值見表1。

表1 Cfy，Ky數值表

磨削時每個磨粒的切削深度和切削寬度相差不大，試驗證明，切削深度ap、縱向進給量fz和工件轉速nw對磨削力的影響基本相同，所以在計算磨削力時，可用砂輪每毫米寬度每分鐘切下的金屬量Z′作為計算單位，即

(2)

式中：Dw為工件外圓或內圓的直徑，mm；縱向進給量fz為

fz=(0.2～0.8)B0。

(3)

以實際加工22316C/01為例進行磨削力的計算，其中，Cfy=0.17，B0=56 mm，Ky=1.10，Dw=170 mm，nw=200 r/min，ap=0.50 mm，fz=0.6×56=33.6 mm/r。計算得Z′=32 044.245 07 mm2/min，Fy=146.5 kN。

3 砂輪軸接頭強度校核

由M8820加工原理和圖1可知，在切削力的作用下，加工外滾道時砂輪軸接頭可以簡化為一個懸臂梁，如圖2所示。

圖2 砂輪軸接頭簡化結構

砂輪軸接頭軸頸受彎曲應力的作用，砂輪軸為實心軸時，抗彎截面模量W=πd3/32≈0.1d3。因此，砂輪軸直徑的計算公式為[2]

(4)

式中：M為作用于軸上的最大彎矩，M=Fy×28=4.102×106N·mm；[δ]為軸使用材料的許用彎曲應力，MPa。

實際所用砂輪軸接頭材料為20#鋼，滲碳后調質處理，經查許用彎曲應力[δ]=650 MPa，由(4)式得，d≥18.48 mm。而實際用砂輪軸退刀槽處直徑d=18 mm，顯然砂輪軸接頭退刀槽處斷裂是由于此處彎曲強度不足造成的。

4 改進措施

改進前砂輪軸接頭上安裝的砂輪采用螺母固定，剩余的砂輪外徑均在55 mm左右。改進后的砂輪軸接頭結構如圖3所示，加大了外徑尺寸，并將原來的螺母固定砂輪改為內螺釘(M16)固定，不僅增加了砂輪軸的強度，提高了安全性能，而且提高了砂輪的有效利用率。砂輪軸外徑根據砂輪的孔徑進行確定。對于空心軸，其外徑d2為

圖3 改進后的砂輪軸接頭結構

(5)

式中：d2為外徑；α=d1/d2；d1為內徑。

進行彎曲強度校核，得出d2≥28.86 mm，小于實際外徑(32 mm)，完全能夠滿足強度的要求，消除了安全隱患，提高了生產效率，試運行良好。