數(shù)控磨床砂輪架部件的設(shè)計與研究

胡婷婷

（ 阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)校，阜陽236000）

1 數(shù)控磨床介紹

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。磨床可進行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以進行各種高硬、超硬材料的加工，還可以刃磨刀具和進行切斷等，工藝范圍十分廣泛。

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2—3um 以內(nèi)。

低速進給運動的穩(wěn)定性。由于砂輪的修整導(dǎo)程要求10—15mm/min，因此工作臺必須低速進給運動，要求無爬行和無沖擊現(xiàn)象并能平穩(wěn)工作。

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。

減少熱變形。精密磨削中熱變形引起的加工誤差會達到總誤差的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。

2 數(shù)控磨床磨削特點

2.1 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。基本的外圓磨削方法有兩種，即橫磨法磨外圓和縱磨法磨外圓。

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)以及徑向進給都應(yīng)滿足所有的整個長度，切削的深度是由磨削砂輪到工件的縱向進給來調(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給和無軸向進給來完成的，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。

（3）整塊深度切削方法：除了在磨削過程中，要進行間隙調(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。

2.2 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（通常10°，15°，26.23°，30°，45°），如圖1 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。

圖1 砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜一角度

圖2 E5 數(shù)控框

圖3 磨床縱向尺寸

圖4 砂輪架的導(dǎo)軌

（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。

3 磨床總體設(shè)計

3.1 磨床總體布局設(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，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；

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，冷卻液供給，回收，廢渣的排除。

3.2 總體布局初步設(shè)計

（1）T 型床身；

（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；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5—1 所示）來控制軸向尺寸，徑向尺寸，測量儀布置在橫梁上；

圖5 砂輪架的高度和寬度

（6）數(shù)控系統(tǒng)的四坐標(biāo)軸

X 軸：砂輪架進給 Y 軸：修整器進給

Z 軸：工作臺移動 W 軸：工件旋轉(zhuǎn)

（7）各軸采用交流伺服電機，通過精密無間隙彈性聯(lián)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）機床前防護罩采用全封閉結(jié)構(gòu)。

3.3 縱向與橫向尺寸的確定

3.3.1 縱向尺寸

①工件最大長度l1=750mm；

②頭架長度l2=450mm；

③尾架長度l3=320mm；

④上臺面長度l4=l1+l2+l3+100+(20～40)mm=1640mm；

⑤下臺面長度l5=l4+l4×(15%～20%)=2000mm；

⑥床身長度l6=l5+l1+400=3150mm；

⑦后床身長度l7=1600mm（考慮砂輪架和修整器大小按經(jīng)驗給定）；

⑧整個床身寬度l8=1650mm（視覺效果）；

⑨砂輪架中心與機床床身對稱線相距l(xiāng)0=l2-l3=1200mm

3.3.2 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

l'為工作臺導(dǎo)軌的中心距，工作臺導(dǎo)軌選用80mm×75mm×250mm

取h1'=0.3×250=75mm

h2'=0.38×250=95mm

（2）寬度。

B=(1/2)B+(12～30)=(1/2)×75+20=58mm

∵B4≥B6∴B4=70mm

B7=(1/2)Bl'+(12～30)=(1/2)×75+20=60mm

∵B5≥B7∴B5=70mm

B工作臺=250+70+70=390mm

3）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，故應(yīng)適當(dāng)加寬V 型導(dǎo)軌的寬度。

3.4 砂輪架相關(guān)尺寸設(shè)計

（1）砂輪架導(dǎo)軌（V—平導(dǎo)軌）10090400[1]

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。

（2）砂輪架橫向行程長度l橫。

式中S快速為砂輪架快速進退的行程，一般取60～150mm，此處取111mm。

安全系數(shù)取0.1 足夠

l橫=250+111×0.1+111=372.1（l橫取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，同時考慮橫向進給機構(gòu)穿過床身的位置等，根據(jù)經(jīng)驗

①h6=110～150mm 取h6=130mm

②砂輪架中心距后床身頂面

h7=h1-h2+h6=1095-740+485mm

③砂輪架底座安裝修整器，內(nèi)有傳動絲桿

取h4=120mm

④后床身進給導(dǎo)軌內(nèi)裝絲桿

取h3=190mm

h5=h7-h3-h4=485-120-190=175

⑤砂輪架底板長度l9：

l9≥（1.5～2）l中心

=（1.5～2）×500

=750～1000

∴取l9=900mm

⑥砂 輪 架 導(dǎo) 軌 長 度 l10≥l9+l橫+（50～80）

=900+373+80=1353mm

∴取l10=1305mm

（4）砂輪架主軸電機的選擇

①用類比法，砂輪架主軸電機的功率取15kW；

取N電=15kW

3.5 頭架相關(guān)尺寸的確定①長，寬，高：440mm×400mm×411mm[1]②主軸錐孔：莫氏5#錐孔

通過以上計算頭架中心高取180mm

⑤交流伺服電機選擇

用類比法，交流伺服電機選擇IFT5076-DA(D1 18N-M)電機

砂輪磨削工件需要的功率

交流伺服電機通過20/38 的雙楔齒輪帶傳遞給工件，即

N實=18×38/20=34.2N.m/s＞l4∴合格

⑥主軸不旋轉(zhuǎn)，主軸靠撥盤帶動旋轉(zhuǎn)

3.6 砂輪修整器

伺服電機--- 絲桿--- 修整器

直線滾動導(dǎo)軌

主軸直徑D=50mm，采用液體動壓軸承(16r/min6.3MPa)

修整速度=(1/3～1/5)V砂

修整器直徑φ70～φ120，故V線=12～19m/s

修整器行程為160mm

4 砂輪架設(shè)計的基本要求

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，因此對砂輪架設(shè)計提出的基本要求也是針對主軸軸承部分的。

砂輪架設(shè)計應(yīng)滿足以下幾點基本要求[1]：

1.主軸旋轉(zhuǎn)精度高，旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定；

2.主軸軸承系統(tǒng)剛性好；

3.振動小，發(fā)熱低，不漏油；

4.裝配制造簡單，調(diào)整維修方便。

5 砂輪架主軸初步設(shè)計

5.1 砂輪架主軸的強度校核

進行軸的強度校核時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況采取相應(yīng)的計算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對砂輪架主軸來說，由于采用了卸荷皮帶輪裝置，砂輪架主軸主要承受扭矩，應(yīng)該按照扭轉(zhuǎn)強度計算，且在選取許用應(yīng)力時應(yīng)該選取較小值。砂輪架主軸材料采用42MnVB，并進行淬火，故選取許用應(yīng)力為40MP。

軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為

τT——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（單位為MP）

T——軸所受扭矩（單位為N·mm）

WT——軸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)（單位為mm3）

P——軸傳遞的功率（單位為kW）

n——軸的轉(zhuǎn)速（單位為r/mm）

d——計算界面處的直徑（單位為mm）

[τT]——許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（單位為r/mm）

由上式可得軸的直徑為

由上述計算可以得知砂輪架最小直徑為31.02mm，考慮到砂輪架的剛度等因素，取主軸的最小直徑為60mm。砂輪架主軸的尺寸如圖6 所示。

圖6 砂輪架主軸尺寸示意圖

5.2 主軸剛度校核

5.2.1 當(dāng)量直徑

因為是階梯軸，所以用當(dāng)量直徑法做近似計算當(dāng)量直徑為：

5.2.2 允許撓度

允許撓度[y]=0.0002L ＜0.0002×660=0.132mm

5.2.3 計算主軸前端撓度值

P——載荷（單位為kg）（150/9.8）

l——軸兩端的跨距（單位為cm）（66.00）

a——懸伸長度（單位為cm）（13.2）

E——材料的彈性模數(shù)（單位為kg/cm2）（21.02）

I——截面慣性矩（cm2））

又因為[y]=0.135，0.01＜0.135，即＜[y]，由上述校核可以得知，主軸剛度符合要求。

一般存在一個使主軸前端撓度最小，即剛性最好的支撐跨距L。由經(jīng)驗得知，L 為（3～6）D 時，主軸前端撓度最小，D=120mm，L 為360～720mm，取L 為640mm。

5.3 傳動裝置設(shè)計

為了提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度，皮帶輪不直接裝在主軸上，而是裝在單獨的支架上，并用花鍵套帶動主軸旋轉(zhuǎn)，即采用卸荷皮帶輪的方案，如圖7 所示。這個方案的優(yōu)點是，減少了主軸的變形，同時還提高了承載能力。

圖7 卸荷皮帶輪

圖8 小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸

5.3.1 電動機的選擇

通過以上計算，取N電=15kW，選擇Y100L—4型電動機。

5.3.2 皮帶設(shè)計

1）皮帶材料的選用

皮帶材料選用聚氨酯。

2）設(shè)計計算

已知小帶輪轉(zhuǎn)速，即n1=1500r/min，傳動比i=2.5。

（1）計算功率

工作情況系數(shù)KA為1.1，故

PCa=KAP=1.5×1.1=16.5kW

（2）由PCa和n1選擇帶型

由于PCa=16.5kW，n1=1500r/min，取帶型為L 型。

（3）確定帶輪基準(zhǔn)直徑

取主動輪基準(zhǔn)直徑D1=80mm。

4）驗算帶速

V=6.28 m/s ＜30 m/s，所以帶速合格。

（5）初定軸向間距

由公式（4—5）

0.7（D1+D2）＜a0＜2（D1+D2），

可知196＜a0＜560，取a0=400。

（6）所需基準(zhǔn)帶長

取相近的基準(zhǔn)帶長Ld=1250 mm[6]。

（7）實際軸向間距

所以皮帶的實際軸向間距取＝401mm。

（8）多楔帶每楔的基本額定功率P1

可以查得P1＝0.34kw。

（9）小帶輪的包角

（10）多楔帶楔數(shù)的確定

得Kb=4.6×10-3

Ki=1.14，代入△P 的計算公式中，得△P＝0.849kW。

又已知Kα＝0.955，Kl＝1.00，得：

由此可以確定，取Z＝15。

5.3.3 帶輪設(shè)計

1）帶輪設(shè)計的要求：

（1）質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)工藝性好，無過大的鑄造應(yīng)力；

（2）質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)速高時要經(jīng)過動平衡校正；

（3）槽輪工作面要經(jīng)過精細加工，以減少帶的磨損；

（4）輪槽的尺寸和角度應(yīng)有一定的精度，以使載荷分布均勻。

2）帶輪的材料選用

帶輪的材料選用HT200。

3）帶輪的結(jié)構(gòu)

（1）小帶輪直徑D≤（2.5～3）d（d 為軸的直徑），所以采用實心式。

（2）大帶輪D2=200＜300，所以采用腹板式結(jié)構(gòu)。

4）小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸

da=d+2h

其中da——帶輪的外徑，

d——軸的直徑，

h——基準(zhǔn)線上槽深。

da=d+2h=80+2×3=86mm

db=(1.8～2)da=1.9×86=163.4mm，圓整后得db＝165mm

L=(1.5～2)da=1.6×86=137.6

B=(Z-1)P+2g，

其中Z——多楔帶的楔數(shù)，

P——多楔帶的槽間距，

g——第一槽對稱面到端面的距離。

B=(Z-1)P+2g=(15-1)×4.9+2×10=88.6mm

5）大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸

da=d+2h=200+2×3=206mm

db=(1.8～2)da=1.9×206=391.4mm

L=(1.5～2)da=1.6×206=329.6mm

6 結(jié)論

在數(shù)控高速端面外圓磨床MKS1632A 的設(shè)計過程中，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、皮帶和皮帶輪的設(shè)計等用到了大量的計算。本次設(shè)計的數(shù)控磨床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)成本。