數控磨床砂輪架部件的設計與研究

胡婷婷

（ 阜陽職業技術學校，阜陽236000）

1 數控磨床介紹

磨床可以加工各種表面，如內、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。精密磨床應有高的幾何精度，主要有砂輪主軸的回轉精度和導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小于1um，軸向圓跳動應限制在2—3um 以內。

低速進給運動的穩定性。由于砂輪的修整導程要求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象并能平穩工作。

減少振動。精密磨削時如果產生振動，會對加工質量產生嚴重不良影響。故對于精密磨床，在結構上應考慮減少振動。

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%，故機床和工藝系統的熱變形已經成為實現精密磨削的主要障礙。

2 數控磨床磨削特點

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，砂輪旋轉是引起切削旋轉的主要來源和原因?；镜耐鈭A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以及徑向進給都應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，有較高的生產率。它的特點如下:

（1）這種磨床的布局形成和運動聯系與外圓磨床相似，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 數控框

圖3 磨床縱向尺寸

圖4 砂輪架的導軌

（2）由于它適用于大批量生產，所以具有自動磨削循環，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，為保證端面尺寸穩定及操作安全，一般具有軸向對刀裝置。

3 磨床總體設計

3.1 磨床總體布局設計

（1）加工零件的工藝分析（表面形狀，尺寸，材料，技術條件，批量，加工余量等）；

（2）調查研究比較國內，外同類機床，經驗總結，進行改革創新；

（3）圖紙設計（總圖，部件裝配圖，零件圖，工藝卡，目錄，標準件，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，調試；

（5）小批量生產，設計改進；

總體設計注意事項：

（1）保證機床滿足加工精度要求，剛性，穩定性好；

（2）傳動系統力求簡短；

（3）操作調整方便；

（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）數控系統的四坐標軸

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

（7）各軸采用交流伺服電機，通過精密無間隙彈性聯軸器直接與滾珠絲桿相連；

（8）液壓油箱單獨（減小熱變形，簡化機床結構，易實現標準化，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構。

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l0=l2-l3=1200mm

3.3.2 橫向尺寸

1）畫出橫向尺寸床身的V 型導軌作為橫向尺寸的基準，畫出床身的平面導軌作為高度尺寸的基準線，根據確定的工作臺參數，導軌參數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'為工作臺導軌的中心距，工作臺導軌選用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。缺點是使導軌的承載壓力較大，故應適當加寬V 型導軌的寬度。

3.4 砂輪架相關尺寸設計

（1）砂輪架導軌（V—平導軌）10090400[1]

考慮到砂輪的大小及重量與砂輪架的穩定性，取L`中心=500mm，從而可定出砂輪架的寬度約為600mm，導軌為0.15MPa 的卸荷導軌。

（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穿過床身的位置等，根據經驗

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，內有傳動絲桿

取h4=120mm

④后床身進給導軌內裝絲桿

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 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，主軸靠撥盤帶動旋轉

3.6 砂輪修整器

伺服電機--- 絲桿--- 修整器

直線滾動導軌

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 砂輪架設計的基本要求

砂輪架是磨床上用來帶動砂輪作高速旋轉的關鍵部件，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，因此對砂輪架設計提出的基本要求也是針對主軸軸承部分的。

砂輪架設計應滿足以下幾點基本要求[1]：

1.主軸旋轉精度高，旋轉穩定；

2.主軸軸承系統剛性好；

3.振動小，發熱低，不漏油；

4.裝配制造簡單，調整維修方便。

5 砂輪架主軸初步設計

5.1 砂輪架主軸的強度校核

進行軸的強度校核時，應根據軸的具體受載及應力情況采取相應的計算方法，并恰當地選取其許用應力。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，應該按照扭轉強度計算，且在選取許用應力時應該選取較小值。砂輪架主軸材料采用42MnVB，并進行淬火，故選取許用應力為40MP。

軸的扭轉強度條件為

τT——扭轉切應力（單位為MP）

T——軸所受扭矩（單位為N·mm）

WT——軸的扭轉截面系數（單位為mm3）

P——軸傳遞的功率（單位為kW）

n——軸的轉速（單位為r/mm）

d——計算界面處的直徑（單位為mm）

[τT]——許用扭轉應力（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 當量直徑

因為是階梯軸，所以用當量直徑法做近似計算當量直徑為：

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（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 傳動裝置設計

為了提高主軸的旋轉精度，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，即采用卸荷皮帶輪的方案，如圖7 所示。這個方案的優點是，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 小帶輪的結構尺寸

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 皮帶設計

1）皮帶材料的選用

皮帶材料選用聚氨酯。

2）設計計算

已知小帶輪轉速，即n1=1500r/min，傳動比i=2.5。

（1）計算功率

工作情況系數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）確定帶輪基準直徑

取主動輪基準直徑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）所需基準帶長

取相近的基準帶長Ld=1250 mm[6]。

（7）實際軸向間距

所以皮帶的實際軸向間距?。?01mm。

（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 帶輪設計

1）帶輪設計的要求：

（1）質量小，結構工藝性好，無過大的鑄造應力；

（2）質量分布均勻，轉速高時要經過動平衡校正；

（3）槽輪工作面要經過精細加工，以減少帶的磨損；

（4）輪槽的尺寸和角度應有一定的精度，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）帶輪的結構

（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，所以采用腹板式結構。

4）小帶輪的結構尺寸

da=d+2h

其中da——帶輪的外徑，

d——軸的直徑，

h——基準線上槽深。

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，

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）大帶輪的結構尺寸

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 結論

在數控高速端面外圓磨床MKS1632A 的設計過程中，砂輪架是磨床上用來帶動砂輪作高速旋轉的關鍵部件，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。首先是根據砂輪架主軸的要求進行軸的設計，然后再選取軸承，設計皮帶和皮帶輪等等。在這個過程中，軸的撓度校核、皮帶和皮帶輪的設計等用到了大量的計算。本次設計的數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，節省工件的生產成本。