CM-2型万能工具磨床工件头及进给机构设计毕业设计.doc

沈阳建筑大学毕业设计 1 目录 第一章第一章 前言前言1 第二章第二章 磨床概述磨床概述2 2.1 磨床及磨削机理概述.2 2.1.1 磨床的发展现状2 2.1.2 磨削技术的现状及发展趋势4 2.1.3 磨削机理8 2.2 万能工具磨床的定义、组成及特点 10 2.2.1 工具磨床的定义10 2.2.2 工具磨床的组成10 2.3 工具磨床的工艺范围及发展方向 11 2.3.1 工艺范围11 2.3.2 发展方向11 第三章第三章 万能工具磨床设计步骤万能工具磨床设计步骤13 3.1 工件头主要零部件的设计 13 3.1.1 电机的选择13 3.1.2 皮带和塔轮的设计13 3.2 纵向进给主要零部件的设计 14 3.2.1 纵向丝杠轴的设计和校核14 3.2.2 纵向进给主轴轴承的选用和校核21 3.2.3 纵向进给锥齿轮的设计及绘制23 3.3 横向进给主要零部件设计及旋转工作台装配原理 29 3.3.1 横向进给总体设计29 3.3.2 螺旋传动设计计算29 3.3.3 回转座导轨的设计32 3.3.4 旋转工作台装配原理33 第四章第四章 经济技术分析经济技术分析35 第五章第五章 结论结论36 参考文献参考文献37 谢辞谢辞38 附录一：中文译文附录一：中文译文 附录二：英文原文附录二：英文原文 沈阳建筑大学毕业设计 1 CM-2 2 型万能工具磨床工件头及进给机构设计型万能工具磨床工件头及进给机构设计 第一章第一章 前言前言 机械加工的精度由人和设备两方面来决定，设备的精度主要由刀具精度、传递精 度、设备本身的震动等因素来决定，而刀具是工装的重要组成部分，它对于生产的顺 利进行及生产效率、产品的精度保证起着至关重要的作用。因此一款高精度的工具磨 床可以大大提高生产质量。本次设计课题为万能工具磨床的工作台的设计，通过一学 期的设计，对万能工具磨床的相关知识有了更清晰的认识。 本设计严格按照万能工具磨床的设计准则，力求在设计过程中保证磨床的高强度、 高精度、高生产率。为了使设计更好的联系生产实际，在保证本设计方案的可行性和 可靠性的同时力求设计方案具有合理的经济性，避免了一些毫无价值的设计。因此同 种机构的设计提出集几种不同的方案，通过准确的论证得出了最合理的方案，保证了 方案的可行性和经济性。 在工作台纵向移动机构的设计的方案中，用两个手轮来实现，在工作的时候两个 手柄互锁，一个工作的时候另一个是被锁紧的，两个手轮的工作方式各不相同，左边 手轮转动带动轴上的丝杠转动，齿轮轴相当于个螺母与它配合实现纵向的移动，前边 的手轮工作时轴上的齿轮与另个齿轮轴配合，那个齿轮轴再与丝杠配合来实现工作台 的纵向移动。在满足装置的功能要求的基础上，运用创新设计是本次设计的一个特点。 在工作台横向移动的设计方案中，由空间上垂直的两个转动手轮实现，一个手轮带动 连接与其上的涡轮，再经丝杠和螺母的配合完成的，另个手轮是对横向移动进行微调 的，它前端的蜗杆和蜗轮配合，大手轮每转一周实现工作台 3mm 前进，小手轮每转一 周实现 0.3mm 前进。在工作台的旋转机构的设计中，工作台的回转座与磨床的箱体连 接在一起，达到了设计的目的。 本次设计的另外一个就是对机构中的一些重要部件的参数进行了科学的选择，并 且粗略的介绍了参数的选择过程，因为选定合适的部件的参数，不管是对整个磨床的 精度要求还是对磨床的安全系数、使用寿命都有着直接的影响。 沈阳建筑大学毕业设计 2 第二章第二章 磨床概述磨床概述 2.1 磨床及磨削机理概述磨床及磨削机理概述 2.1.1 磨床的发展现状磨床的发展现状 磨床是金属切削机床中的一个大类，以精度高、品种多样，是能源、交通、冶金、 航天、军工等行业精密加工必备的设备之一。 为适应市场多变形势的需求，磨床行业近年来加强了产品结构调整，使老产品不 断更新，并开发了一批适销对路的高效、精密、数控磨床及各类专用磨床新产品，使 中国磨床市场迅速活跃起来，表现在磨床的产量、销售量都在迅速增长。同时数控磨 床的显着增长优化了磨床的产品结构，在销售总额中的占有率正快速提高。 “九五”期 间磨床产量的数控化率为 6.5%，产值的数控化率为 17.1%，而 2001 年分别为 8.8%和 21.3%。 根据中国机床工具工业协会磨床分会统计，现有磨床专业生产企业约 30 多家，根 据其中 19 家主要企业有关的资料统计，以下将对中国磨床市场的现状和展望进行分析。 中国磨床市场的产量和销售量随市场经济体制的建立和不断完善，以及企业制度改革 的深化，磨床制造企业和其它企业一样，不断加强适应市场的能力。在“以中国的装 备装备中国”政策的激励下，磨床生产与市场的需求情况发生很大的变化。近几年来， 市场对磨床的需求量不断增长，磨床的产量与销售量也在逐年增长。1998 年2001 年 平均年产量的增长速度为 23.9%。2000 年磨床产量比 1999 年增加 56.9%，2001 年又在 2000 年的基础上稍有增加，年产量近 11,000 台。数控磨床的发展速度更快，产量上升 的幅度较大，1998 年2001 年的平均产量增长率为 79.3%，2000 年比 1999 年增长 99.5%，2001 年在 2000 年的基础上，又增加了 37.1%，数控磨床产量超过 1,000 台。 由于中国经济保持稳定的发展势头，磨床市场的需求量表现出强有力的上升趋势， 1998 年2001 年的销售量平均增长率为 27.8%，1999 年磨床销售量比 1998 年猛增 40.1%，而 2000 年磨床销售量比 1999 年增加 35.3%，2001 年与 2000 年磨床销售基本 持平在磨床销售量中，磨床的数控化率已由 1998 年的 3.0%上升到 2001 年的 8.7%，而 磨床销售额的数控化率已由 1998 年的 11.5%上升到 2001 年的 20.2%。 中国磨床的进出口情况磨床和数控磨床的产量和销售量正在快速增长，进口磨床 沈阳建筑大学毕业设计 3 和数控磨床的数量也在大幅度增加。这说明在中国现代化建设中，磨床及数控磨床的 市场空间不断扩大，需求量逐年上升。海关提供的磨床进口量不包括砂轮机和抛光机。 1998 年2001 年磨床进口量平均增长率为 19.1%。2000 年进口量和进口额分别比 1999 年增加 23.2%和 15.2%，2001 年的进口量近 10,000 台，进口额 3.06 亿美元。数控磨床 是进口的主要产品，也是国内市场消费不断扩大的重点产品。2000 年进口数控磨床 912 台，进口额为 0.85 亿美元，分别比 1999 年增加 34.7%及减少 6.6%。2001 年进口 数控磨床 1,315 台，进口额 1.51 亿美元，比 2000 年分别增加 44.2%及 77.6%。在进口 磨床中，数控磨床份额大幅度上升，2001 年磨床进口量和进口额的数控化率分别为 13.2%和 49.3%。近几年，磨床的出口量有所减缓，出口额稍有上升，而磨床出口量和 出口额的数控化率均有提高。1999 年磨床出口量和出口额的数控化率分别为 2.9%和 13.5%，2001 年则达到 5.8%和 18.3%。 中国磨床市场看好在国家拉动内需方针指导下，固定资产投资加大，老设备改造 和更新加速，给磨床企业的发展带来了极好的机遇。1999 年中国市场磨床交易总量达 15,000 台以上，2001 年磨床交易总量实现 22,000 台以上。数控磨床的交易更有较大 幅度的增加，逐渐成为受市场客户青睐的主流产品，平均年递增 36.8%，远远高於磨床 交易量年递增率 18.5%。2001 年数控磨床交易量达到 2,200 台以上，数控磨床交易量 占磨床交易量的 10.5%。1999 年至 2001 年磨床交易量 59,088 台，国内销售量、进口 量、出口量在交易量中的平均占有率分别为 48.5%、43.9%、7.6%。1999 年至 2001 年 数控磨床交易总量为 5,115 台，数控磨床国内销售、进口量、出口量平均占有率分别 为 40.3%、56.7%、3.0%，由此可知进口数控磨床占很高比率。2 中国磨床市场的基本特征： 通用磨床产品在磨床市场中占据主要份额。通用磨床产品大多在基型产品的基础 上发展起来，具有质量稳定、性能可靠、技术成熟的特点，因而仍是客户乐于选择的 走俏产品；产品品牌效应显着，倍受客户青睐。不管是国内品牌产品还是国外品牌产 品，都是客户的首选对象。品牌产品经过专业生产企业多年努力不断改进形成，也经 受了客户多年使用的考验才被公认，一谈到购买某种磨床，马上就会想到要购那家企 业的品牌产品。近几年机床工具行业中的磨床生产企业，都在认真开展创品牌活动， 以提高市场竞争力；服务要到位是磨床市场另一显着特点。由于市场经济逐步完善， 客户出于对自身利益的保护，不仅对磨床产品本身的质量、功能、价格和交货期有明 确的要求，而且对于售前、售中和售后的服务都有明显或潜在的要求。这些客户的全 沈阳建筑大学毕业设计 4 方位服务要求都要得到满足，任何一个环节失误，都将导致失去一块市场；由于被磨 削零件的形状及精度要求来高，一台磨床往往不能解决所有问题，客户自然提出利用 成套设备来满足零件加工的要求，这样既保持精度及质量，又能提高效率，也可提高 客户自身的竞争能力，因此近年磨削成套设备在磨床制造行业中崛起；客户在价格比 较中选择满意的磨床产品，是市场经济的特征。客户基于自身的经济利益，总是希望 花最少的钱，买到最适合的产品，这就要求磨床制造企业在保磨床产品的质量、精度、 稳定性、可靠性、服务到位的条件下，力图降低制造成本。不论是国内还是国外产品， 是国内客户还是国外客户，在市场经济中都显示这基本特征；多档次、多品种的磨床 产品在市场共存。中国地域广大，东西部发展不平衡，随市场经济体制改革的深化， 多种所有制形式已客观存在，不同规模产生不同层次的需求，不同客户对磨床产品的 档次提出不同的要求。因此，不同档次、不同品种的磨床产品在市场中都有立足之地； 数控磨床正在迅速崛起，在磨床市场所占的份额不断增长。随中国经济建设的发展， 科学技术和国防事业的发展，国内外市场对数控磨床及数控磨削成套设备的需求就更 加迫切。由于国内及国外的数控系统日趋成熟，使磨床制造企业可与国际同步选用数 控系统，使客户使用起来加倍放心，为数控技术在磨床及磨削成套设备上的应用创造 了客观条件；中国加入 WTO 后，中国磨床市场将进一步对国外开放，国外产品进入中 国市场的步伐在加快，国外企业家会纷纷来中国投资、办企业，在中国生产磨床以降 低成本，国内磨床市场的竞争将会更激烈。机遇与挑战是并存的，由于中国进入 WTO， 国外磨床市场也对中国开放，中国磨床也有出口竞争的机遇；缩短交货期是客户关注 的问题。由于近几年磨床市场的形势看好，以前的库存产品已销空，磨床现买现卖、 立等可取的时代已过去。磨床制造企业基本上都是根据客户的订单、合同来组织生产， 交货期都是站在同一起跑线上，磨床制造企业要靠自身的快速反应机制和实力，来缩 短交货周期，早日实现磨床产品的价值，为客户如期争得利益和提高竞争力。 2.1.2 磨削技术的现状及发展趋势磨削技术的现状及发展趋势 国内外超精密加工技术的发展概况： 用磨料去除材料的加工方法是人类很早就开始使用的生产技艺方法，远在石器时 代，已开始使用磨料研磨加工各种贝壳、石头及兽骨等，用于生活和狩猎工具。18 世 纪中期世界上出现了第一台外圆磨床，随后又研制成功了平面磨床，1957 年研制成功 沈阳建筑大学毕业设计 5 了立方氮化硼，超硬磨料如金刚石与立方氮化硼等的应用促进了磨削技术的快速发展。 随着光学技术、电子技术、激光技术、传感技术、计算机技术及 A/D 和 D/A 技术等各 种技术的突飞猛进，现代磨削技术也将发生着巨大的变化。 精密、超精密家技术在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重 要的作用。目前，国内外文献中涉及的精密、超精密加工，一般是指微米级（形状尺 寸误差为 30.3m、表面粗糙度为 Ra0.30.03m） 、和亚微米级（形状尺寸误差为 0.30.03m、表面粗糙度为 Ra0.030.005m）和纳米级（形状尺寸误差小于 0.03m、 表面粗糙度小于 Ra0.005m）精度的加工。为了实现这些加工所采取的工艺方法和技 术措施，则称为精密、超精密加工技术。超精密加工的历史可以追溯到 50 年代末期。 美国、英国、日本、荷兰、瑞士等工业发达的国家在宇航、计算机、原子能、宇宙探 测，特别是在军事工业的推动下，积极开展了超精密加工技术的研究工作。其中，美 国起着先导作用，经过了几十年的努力，在超精密加工各项关键技术领域取得了大量 突破性成果，例如：研制成功高性能的超精密机床（以 DTM3 为典型代表） ，纳米级 （约几十纳米）刃口半径的单晶金刚石刀具，纳米级粒度的金刚石砂轮等。这些成果 应用后，使得超精密加工的精度和质量提高到很高的水平，产生了巨大的经济效益和 社会效益。 超精密加工主要包括以下三了领域： （1）超精密切削 又称单点金刚石车削（SPDT） 。金刚石超精密切削主要用于对有色金属（包括铜、 铝及其合金、银、金、非电解镍等）和塑料等材料的表面质量要求非常高的超精密零 件进行“镜面加工” ，如计算机磁盘、光学系统的反射镜（平面、球面及非球面）和多 面棱镜；也可以进行大型零件和复杂形状零件的超精密加工。 （2）超精密磨削与研磨 作为传统超精密加工工艺的磨削，在超精密加工研究的初期，曾一度被国内外研 究者所忽视。主要原因在于：砂轮切削刃高度沿颈向分布的随机性和磨损的不规律性。 随着砂轮精密修整技术的解决及超微细粒度砂轮的使用，超精密镜面磨削逐渐受到人 们的重视。精密和超精密磨削具有广泛的应用范围，可用于超精密金刚石车削无法实 现的黑色金属、硬质合金、工程陶瓷、光学玻璃、蓝宝石、光学晶体、单晶硅、砷化 镓等材料的超精密加工。现在，超精密磨削可达到 0.1m 以下的加工精度和 沈阳建筑大学毕业设计 6 Ra0.003m 左右的表面粗糙度。 超精密研磨取得了巨大的发展，已经形成了一个规模宏大的技术群，达到最好的 形状精度和最小的表面损伤。典型的代表有：化学机械研磨、弹性发射加工（EEM） ， 悬浮抛光、磁性流体研磨和磁性磨料研磨等。 （3）超精密特种加工 超精密特殊加工工艺涉及范围广，包括：激光束加工、电化学喷射加工、电火花 加工、电化学加工、LIGA 技术（Lithographic Galvanoformung Affirming）和扫描隧道 显微加工技术等。其中，电子束和离子束加工实现了集成电路线宽小于 0.1m；电火花 加工得到了尺寸为几十微米的零件；LIGA 技术可批量生产各种金属及其合金、陶瓷、 玻璃等材料制成的高度达数百微米、加工精度为 0.1m 的三维立体微结构；扫描隧道 显微加工可以用来进行单个原子的去除、添加和移动，是目前所谓的最极限的加工技 术的代表。我国在精密和超精密加工方面的研究也取得了一些可喜的成绩。如我国已 经能够制造高精度车床、磨床和铣床，并对超精密磨削的一些相关的技术，如金刚石 砂轮的设计与制造、超精密切削机理、超精密加工的测量技术和环境条件的控制、超 精密机床的设计和制造等方面做了深入系统的研究。但从整体水平看，与国外相比还 有相当大的差距，许多领域尚属空白，大量设备和一起需要进口，同时，超精密加工 的尖端部分与宇航、军事、核能等国防工业密切相关。基于这些原因，我国十分重视 超精密加工技术的研究。在“八五”和“九五”规划中，都将超精密加工的研究放在 重要的地位。 硬脆材料精密超精密磨削技术的现状： 目前，超光滑表面超精密研磨加工技术、硬脆材料的塑性磨削技术、超光滑表面 超精密磨削技术、纳米加工技术以成为超精密加工技术开发研究的热点。对于结构陶 瓷、光学材料、硬质合金等硬脆材料来说，精密超精密磨削技术是实现超精密加工的 最佳有效手段，世界上窳惰工业发达的国家率先进行了这方面的研究工作。 超精密磨削机床 精密和超精密磨床是保证精密、超精密磨削精度的关键，为此，工业发达的国家 首先将重点放在开发研制高精密的加工设备上。英国 CUPE（Crannied Unit Precision Engineering）精密研究中心 1992 年开发的 Nanocenter600 超精密车床带有磨头和可延 性磨削装置，具有控制实际磨削深度达亚微米级的能力，从而可进行光学和电光学元 沈阳建筑大学毕业设计 7 件的超精密磨削，达到最好的形状精度和最小的表面损伤。1994 年 CUPE 设计制造了 OAGM2500 超精密磨床，主要用语大型超精密镜面元件和加工与玻璃、陶瓷及其其他 硬脆材料光滑表面的磨削加工。1992 年，在美国芝加哥国际制造技术展览会上，日本 日立精机公司展示了所开发的 VKC45 型陶瓷磨削中心，不仅磨削精度和磨削效率很高， 而且自动化程度也很高，该项技术的应用是对陶瓷加工的一个突破。日本 Nippon Super finishing Ultramar Surface)小型超硬质材料加工专用磨床，接触刚度达 53106N/m，具有微进给系统及误差补偿装置，不仅能用于基础实验研究，也能实现 结构陶瓷等硬脆材料磨削表面粗糙度达到纳米级的水平。 超精密磨削工具 美国 LLNL 国家实验室，日本宫下实验室、难波研究室和理化研究所，英国 CUPE 研究中心等先后开发出用于硬脆材料纳米级表面超精密磨削的陶瓷、树脂、青 铜、铸铁基超微细粒度金刚石砂轮，实现了表面粗糙度在 10m 以下的超光滑表面磨削 加工。日本微细粒度及超细微粒度金刚石砂轮的研究成果处于世界领先地位，已研制 出#5，000（1.53m） 、#8，000（12m） 、#15，000（0.51.5m） ，甚至 #300，000（0.015m）等粒度号的树脂、金属结合剂金刚石砂轮。 目前，最具有代表性的新磨具是：日本东京大学的庄司克雄研制的陶瓷结合剂微 粉金刚石和立方氮化硼砂轮、日本宇都大学市田良夫研制的铜锡、铜钴锡混合 金属结合剂微粉金刚石和立方氮化硼砂轮、日本池野顺一用电池沉积法制得 1020nm 超微细磨粒的钮状小砂片，将其贴于基体上做成高浓度低结合剂超微细磨粒磨具、日 本物理化学研究所研制的铸铁结合剂微粉金刚石和氮化硼砂轮等，已对硬脆材料成功 地加工出表面粗糙度 Ra 小于 10nm 的光滑表面。目前，国外在磨削硬脆材料超光滑表 面时使用微细金刚石砂轮已经非常普遍，其磨料粒度尺寸为 0.0110m。日本的大森 整博士也曾进行过 3000，000#，即 5nm 粒度金刚石超精密磨削结构陶瓷、光学玻璃的 实验研究，取得了比较理想的磨削效果，磨削表面粗糙度 Ra 达 0.971nm。美、英、德、 法、韩、瑞士等国也已经采用了该项技术。国内最近几年也展开了微细粒度金刚石工 具的研究工作，清华大学研制了树脂结合剂微粉金刚石砂轮并进行了相关的磨削研究 工作，河南荣阳金刚石厂，苏州砂轮厂等的单位先后开发出了铸铁基超磨料微粉砂轮， 都已得到实际应用。日本理化学研究所的大森整、东京大学的中川威雄于 1987 年开发 了对铸铁纤维、铸铁结合剂超硬磨料砂轮进行在线电解修整（ELID）磨削的技术，随 沈阳建筑大学毕业设计 8 着现代技术的发展，在 60 年代初逐步形成的超精密加工技术已经获得了惊人的进步和 广泛的应用。作为传统的精密加工方法的磨削，具有天然的近缘条件向超精密方向发 展，现在超精密磨削已经成为超精密加工的主要领域之一。目前，超精密磨削大多使 用金刚石或 CBN（立方氮化硼）微粉砂轮。早期镜面磨削使用树脂结合剂，借助其弹 性使磨削过程稳定。但是树脂结合剂耐热性差，在高温下，结合剂与磨料的结合强度 低，不能发挥超硬磨料的高效切削性能。最近几年，随着铸铁结合剂金刚石微粉砂轮 和在线电解修整（ELID）技术的发展，铸铁结合剂砂轮的应用日益广泛。铸铁结合剂 砂轮是一种适应目前发展需要的新型砂轮，主要有以下几个特点： （1）采用是高浓度的金刚石磨料。 （2）采用了硬料填充结合剂不易磨损，对磨粒的把持能力强，能充分发挥金刚石 磨料的磨削能力，而且有利于散热。 （3）可以在从低速到高速的较宽磨削速度范围下工作，不会限制磨削用量的选择。 （4）可以选择的磨粒范围比较广，能适应各种磨削。 铸铁结合剂金刚石微粉砂轮能够应用与超精密镜面磨削需要解决的关键在于砂轮 的修整（整形和修锐）技术。对于砂轮的整形，由于铸铁结合剂的硬度较高，若沿用 以往应用于树脂砂轮的炭化硅，钢玉磨条或砂轮磨削的方法则整形效率低，精度差， 一般不易达到超精密镜面磨削对砂轮形状的要求，由于电火花加工不受被加工材料硬 度的影响，没有机械力的作用，非常适合于高硬度材料的加工去除。实验证明，电火 花整形法非常使用于铸铁结合剂金刚石砂轮的整形，具有整形速度、装置简单、便于 实现等优点。9 磨床是金属切削机床中的中的一个大类，以精度高、品种多著称，是能源、交通、 冶金、航天、军工等行业精密加工必备的设备之一。随着各种技术突飞猛进的发展， 现代的磨削技术也将发生翻天覆地的变化。 2.1.3 磨削机理磨削机理 砂轮是有磨粒、结合剂和孔隙三要素组成。磨粒的硬度很高，具有锋利的刃尖， 当砂轮高速旋转时，其表面上无数锋利的磨粒，就象一把多刃刀具，从工件上切除一 层薄薄的金属，形成精确光洁的加工表面。磨削时，砂轮的圆周速度很高，普通磨削 沈阳建筑大学毕业设计 9 为 30-50 米/秒，高速磨削大于 45-60 米/秒.同时砂轮磨粒具有多刃性和微刃性，以及在 磨削过程中的自锐作用，使新的磨粒不断地参加磨削。因此，磨削加工只有下列特点: 1.能使工件获得很高的加工精度 2-1 级或更高)，以及很高的光洁度，普通磨削为 7-9，精密磨削为 10-11，超精磨削为 12-13，镜面磨削为 14； 2.能够磨削硬度很高的淬硬钢、硬质合金或其他硬度很高的金属材料和非金属材料； 3.磨削速度高，砂轮与下件的接触面积大，在磨削区内由于磨削产生大量的热，故 磨削温度很高，需充分供给冷却液，增强润滑，带走热量; 4.砂轮表面的磨粒，使用段时间后会钝化，因此，在磨削过程中要经常修榷砂轮; 5.砂轮属于非均切削工具，安装前要经过仔细的静平衡，以减少机床的振动; 6.通常磨削作为静加工序，磨削加工留量比其他切削加工留量要少得多。 普通磨削用得最多的磨料是白钢玉(氧化铝)，近年来出现了多种新磨料，如白钢玉、 人造命刚石和立方氮化硼等。由于磨料和结合剂不断的取得进展，发展了多种新型砂 轮，促进了新的磨削工艺和磨床的出现，使磨削加工范围不断扩大，从传统的精加工 领域进入到粗加工领域。采用强力磨削工艺，还可以部分地代替车，铣加工。对精铸 或精缎的工件直接磨削，粗、精工序可一次完成，不仅能够满足精度要求，而且有很 高的生产效率。 磨削的全过程表现为，力和热的作用，以磨削力一磨削时砂轮与工件间发生切削 作用和摩擦作用，在砂轮和工件上分别，作用着大、小相等方向相反的力，这种相互 作用的力称为磨削力。磨削热一磨削时产生的热量较车削、铣削大，热量转入砂轮， 磨悄或被切削液带走，然而砂轮是热的不良导体，因此几乎 8i116 的热量转入工件和 磨屑，磨削区域的瞬间高温可烧伤工件的表层，并使磨屑时特别注意对工件的冷却。 切削液一过去又称冷却液，主要用来降低度磨削热和减小庞大磨削过程中的摩擦。切 削液的主要作用是:冷却，润滑，清洗，防锈在切削过程中，把切削液直接浇注在砂轮 和下件接触的地方，以达到切削液的作用保证零件加工的质量。5 磨削加工的特点及磨削过程和特点 (1) 砂轮是由磨料和结台刘粘结而成的特殊多刃具，在砂轮表面每平方厘米面积上 约有 601400 颗磨料，每颗磨粒相当于一个刀齿，磨粒是一种高硬度的非金属品体， 它不但可磨削铜，铸铁等较软的材料，而且还可以加工各种淬火钢的零件，高速钢刀 具和硬质合金等硬材料以及超硬材料。 沈阳建筑大学毕业设计 10 (2) 砂轮具有较高的周线速长一般 35m/s 左右，砂轮在磨削时除了对工件表面有切 削作用外，还有强烈的挤压和摩擦作用，在磨削区域瞬时溢度高达 1(?U(左右。 (3) 砂轮工作面经修正手，可形成极细微的刃口以切除工件表面极薄的金属层。 (4) 磨削加工能获得极高的加工精度和极细的表示粗糙度，磨削精度通常达到工 IT6IT7 公差等级，表示粗糙度可达 Ral. 250. 16um,如境磨削工件表示粗糙度为 RaO. Lum 工件表光滑如境，尺寸精度和形壮精度可达到 1um 以内，其误差相当于人体头发 丝粗细的 1/70 或更小。 (5) 砂轮在磨削时，部分磨钝的磨粒在一事实上的条件下能自动落或崩碎，从而使 砂轮保持良好的磨削性能。磨削过程一金属磨削的实质是工件被磨削的金属表层，在 无数磨粒瞬间的挤压，摩擦作用下生产变形，Ifl1 后转为磨屑，并形成光拮表示的过程。 金属磨屑过程可分为三个阶段，砂轮表示的磨粒与工件材料接触，为弹性变形成为第 一阶段，磨粒继续切入工件，工件材料进入塑性变形的第二阶段，材料晶粒发生滑移。 使塑性变形不断增大，当力达到工件的强度极限时，被磨削层材料。产生挤裂，即进 入第三阶段，最后被切离。 磨削是指用砂轮、砂带，油石或磨料等对工件表面的切削加工。通常用砂轮或砂 带作磨具进行切削加工的机床，成为磨床;用油石或磨料作磨具进行切削加工的机床， 称为研磨机床或超精磨削机床。 2.2 万能工具磨床的定义、组成及特点万能工具磨床的定义、组成及特点 2.2.1 工具磨床的定义工具磨床的定义 本次设计题目设计的万能工具磨床主要用于刃磨各种中小型工具，如铰刀、丝锥、 麻花钻头、铣刀、铣刀头、插齿刀及硬质合金刀具，也可以磨外圆、内圆和平面、磨 制样板、模具等。 2.2.2 工具磨床的组成工具磨床的组成 本万能磨床主要由以下几部分组成：砂轮头倾斜装置、鞍座进给机构装置、多用 途工作台装置、万能工作头、尾座装置)、机架机座装置、吸尘器装置与相应的附具配 合。为了磨削各类刀具，该机床配有一系列附具，如万能夹头、万能虎钳、砂轮修整 沈阳建筑大学毕业设计 11 器等。机床还各有吸尘器、加长主轴、内圆磨具等。 图 2-1 2.3 工具磨床的工艺范围及发展方向工具磨床的工艺范围及发展方向 2.3.1 工艺范围工艺范围 CM-2 万能工具及其标准附件可研磨平铣刀、立铣刀、靓性端铣刀、槽铣刀，键槽 铣刀、鸡尾铣刀、侧铣刀、锯片、错齿边铣刀、丝攻及其绞刀等刀具。 2.3.2 发展方向发展方向 除了有着普通磨床共有的发展趋势之外，万能工具磨床主要有下面的发展趋势: 1.加工要求不同，工作台纵向运动的速度必须可以调整，能实现无极变速，并在换 向时有一定的精度要求，磨床要具备这些条件，磨床的纵向往复运动采用了液压传动， 沈阳建筑大学毕业设计 12 液压传动在磨床的工作台驱动及横向快速进退等方面已广泛应用，因此，实现工作台 的无级变速是最主要的发展趋势之一。 2.往高精度高刚度方向发展，加工中心须山高精度高刚度的机床保证，精密磨床应 采用油轴承，空气轴承，磁轴承，静动压轴承，及静动超精度高刚度磨床，精密加工 心须山高精度高刚度的机床保证，精密磨床应采用油轴承，空气轴承，磁轴承，静动 压轴承，及静动压导轨，直线导轨，静动压丝杠，进给机构高建化高精密化机床结构， 采用稳定性好，抗拉性好，等花岗宕，人造花岗岩，陶瓷，微晶玻璃代替铁系材料， 增加了机床的刚度等。 沈阳建筑大学毕业设计 13 第三章第三章 万能工具磨床设计步骤万能工具磨床设计步骤 3.1 工件头主要零部件的设计工件头主要零部件的设计 3.1.1 电机的选择电机的选择 计算过程： 已知： 5714 c k15 . 0 c f n95. 0 CoF r k92. 0 CrF f k 磨削力计算： 3-1 NNkkfvkaF crco FkFr nF cpC 61.8792 . 0 95 . 0 100 1 05. 07 . 05714 15. 0 切削功率： KwvFP CCc 21 . 0 1060/ 3 kwPP cd 535 . 0 96 . 0 /5 . 2 根据本设计的要求，工作头单速 436rpm，马达的功率要求 0.535kw，由10选用 Y 系列三项异步电动机 B3 型（801-4） 3.1.2 皮带和塔轮的设计皮带和塔轮的设计 （1）V 带的设计要求 设计 V 带轮时应满足的要求有：质量小；结构工艺型号；无过大的铸造应力；质 量分布均匀；转速高是要经过动平衡；轮槽表面要作精细加工（表面粗糙度应为 3.2） ， 以减少带的摩擦和损失；各槽的尺寸应保证一定的精度，以食杂和分布较为均匀等等。 （2）带轮材料 带轮的材料主要采用铸铁，常用材料的牌号是 HT150 或这是 HT200；转速较高使 用钢（或者使用钢板冲压后焊接而成） ，小功率时候可以采用铸铝或者是塑料。根据本 砂轮头的功率及其转速，选用 HT200。 （3）结构尺寸 铸铁制 V 带轮的典型结构有以下几种形式： 沈阳建筑大学毕业设计 14 a.实心式 b. 腹板式 c.空板式 d. 椭圆轮辐式 带轮的基础直径时，可采用实心式；当时，可采用腹板式，ddd5 . 2mmdd300 当时，可采用轮辐式。1带轮的结构设计，主要是根据带轮的基准直径结mmdd300 构形式，根据带的截型确定轮槽的尺寸，带轮的其他结构尺寸可参照表 8-18 所列的经 验公式计算。确定了带传动的部分尺寸后，既可绘制出零件图，并按工艺要求标出相 应的技术要求。 3.2 纵向进给主要零部件的设计纵向进给主要零部件的设计 3.2.1 纵向丝杠轴的设计和校核纵向丝杠轴的设计和校核 主轴的设计总则：主轴设计和其他零件的设计像类似，包括结构设计和工作能力 计算两方面的内容。 轴的结构设计：轴的结构设计是根据轴上零件的安装，定位以及轴的制造工艺等 方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工 作能力和轴上零件的工作的可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。 因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。 轴的工作能力计算是指轴的刚度、强度和震动稳定性等方面的计算，在大多数情 况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度，这时只须对轴进行强度计算，以防止断裂 或者是塑性变形。而对刚度要求较高的轴(如车床主轴和细长轴)，还须进行刚度计算， 以防止工作是产生过大的弹性变形。对高速运转的轴，还应该进行震动稳定性的计算， 以防止发生共振而遭到破坏。 轴的主要材料是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数采用轧制圆钢和锻件，有的则直 接用圆钢，由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中敏感性较低，同时也可以用热处理或 化学热处理的方法提该其耐磨性和抗疲劳强度，故用碳钢制造轴尤为广泛，其中常用 的是 45 钢。合金钢比碳钢更具有更高的力学性能和更好的淬火性能，因此，在传递大 动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作 沈阳建筑大学毕业设计 15 的轴，常采用合金钢。必须指出：在一般的工作温度下。各种碳钢的和合金钢的弹性 模量均相差不多，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，根据的是强度与耐 磨性，而不是轴的弯曲或扭转刚度，但是也应当注意，在既定的条件下，有时可选择 强度较低而适当增加轴的截面面积的办法来提高轴的刚度。各种热处理(如高频淬 火渗碳，氮化等)以及表面强化处理(如喷丸，滚压等)对提高轴的疲劳强度都有着显 著的效果。高强度球墨铸铁容易做成复杂的形状，且具有价廉、良好的吸震性和耐磨 性，以及对应力集中的敏感性较低的等有点，可用于外形比较复杂的轴，综上所述， 本砂轮主轴材料采用合金钢。 (一)拟订轴上零件的装配方案 拟订轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，他决定轴的轴的基本形式， 就是预定出主要零件的装配方向。顺序和相互关系。 (二)轴上零件的定位 为了防止轴上零件受力时发生沿周向的相对运动，轴上零件除了有游动或者空转 的要求外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的位置。定位两类。利用轴肩 定位是最方便的。 零件的轴向定位：轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、和圆螺母来保证的。轴 肩分为定位轴肩和非定位两类。利用轴肩定位是最方便的可靠的方法，但采用轴肩就 必然会使轴的直径增大，而且轴肩处将因截面突变而引起应力的集中。另外，轴肩过 多时也不利于加工。因此，轴肩定位多用于轴向力较大的场合，定位轴肩的高度一般 取 h=00701d，d 为与零件相配处的零件直径4 套筒定位结构简单，定位可靠，轴上不须开槽，钻孔或切制螺纹，因而不影响轴 的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的定位如两个零件的间距较大时，不宜采 用套筒定位，以免增大套筒的质量及材料用量。因套筒与轴的配合较松，如轴的转速 很高时，也不是采用套同的定位。 轴端挡圈用于固定轴端零件，可以承受较大的轴向力。轴端挡圈可以采用单螺钉 固定，为了防止轴端挡圈转动造成螺钉松脱，可加圆柱销琐定轴端的挡圈，也可以采 用双螺钉加止动垫片防松的固定方法。 圆螺母定位可承受大的轴向力，但在轴上罗纹处有较大的应力集中，会降低轴的 疲劳强度， ，因此通常用于固定端的零件，有双圆螺母和圆螺母和止动垫圈。当轴上的 两零件的距离较大时不适宜采用套同定位，也经常采用圆螺母定位。紧固螺钉及锁紧 沈阳建筑大学毕业设计 16 挡圈等进行轴向定位，只使用于零件上的轴向力不大之处，紧定螺钉和索紧挡圈常用 于光轴上的上零件的定位。此外，对于承受冲击载荷和同心度要求较高的轴端零件， 也可采用圆锥面定位。 零件的周向定位：周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对的转动。常用的 周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉及过盈配合。 (三)各轴段直径和长度的确定 零件在轴上的定位和装拆方案确定之后，轴的大体形状就已经确定。各轴段所须 的直径与轴上的载荷大小有关。初步确定轴的直径时，通常不知道支反力的作用点， 不能决定弯矩的大小与分布情况，因此还不能按照轴所受的具体的载荷及其引起的引 力来确定轴的直径。单在轴的结构设计时，通常已能求得轴所受的扭矩。因此，在上 一步的计算中，已经按照轴的所承受的扭矩来初步估算轴所需要的最小的直径 d 曲， 再结合装配方案和定位要求，综合考虑方案，有配合要求的轴段，应尽量采用标准直 径。安装标准件(如滚动轴承、连轴器、密封圈)部位的轴径，应取为相应的标准值及所 选的配合公差。 为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在配 合轴段前应采用较小的直径，为了使与轴做过盈配合的零件容易装配，相配轴端的压 入端应制成锥度；或者是在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。 确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还保证零件所需的装配或调整空 间。轴的各段的主要长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必 要的空隙来确定的，为了保证轴向定位可靠，与齿轮和连轴器等零件的配合部分的轴 段长度一般应比轮毂短 23m。 (四)提高轴的强度的常用措施 轴和轴上的零件的结构、工艺以及轴上零件的安装布置对轴的强度有很大的影响， 所以在这些方面进行考虑，以提高轴的承载能力，减小轴的尺寸和机器的质量，降低 制造成本。 1合理布置轴上的零件以减小轴的载荷 为了减小轴所受的弯矩，传动件应尽量靠拢轴承，并尽可能不采用悬臂的形式， 力求实现支撑跨臂及悬臂长度。当转矩有一个传动件输入，而有几个传动件输出的时， 为了减小轴上的扭矩，传动件应放置在中间，而不要置于两端的一端。 2改进轴的结构以减小应力集中的影响 沈阳建筑大学毕业设计 17 轴通常是在变应力条件下工作的，轴的截面尺寸发生突变的地方要产生应力集中， 轴的疲劳破坏往往在此处发生。为了提高轴的疲劳强度，应尽量减少应力集中源和降 低应力集中的程度。为此，轴肩处应该采用较大的过度圆半径来降低应力集中的程度。 但是对于定位轴肩而言，还必须保证零件得到可靠的定位。当靠轴肩的零件的圆角半 径很小的时候，为了增大轴肩处的圆角半径可采用凹圆角或者是加装隔离杯来实现。 当轴与轮毂为过盈配合的时候，配合边缘处会产生较大的应力集中，可在轮毂上 或者是在轴上开减键槽，或者是加大配合部分的直径，由于配合的过盈量愈大，引起 的应力也越集中，因而在计中应合理选择零件与轴的结构。 用盘铣刀加工的键槽比用键槽铣刀加工的键在过度处对轴的截面削弱较为平缓， 因而应力集中比较小，渐开线的花键比矩形花键在齿根处的应力集中比较小故应尽 可能避免在轴上受载较大的区段切制螺纹。 3改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度 轴的表面粗糙度和表面强化处理方法也会对轴的疲劳强度产生影响。轴的表面越 粗，疲劳强度也越低，因此，合理减小轴的表面的及圆角处的加工粗糙度值，当采用 对应力集中甚为敏感的高强度材料制作轴时，表面质量尤其因该注意。 表面强化处理的方法有；表面高频淬火等热处理；表面渗碳、氮化等化学热处理： 碾压、喷丸等强化处理。通过碾压、喷丸等强化处理时，可使轴的表层产生预应力， 从而提高轴的抗疲劳能力。 (五)轴的结构工艺性 轴的结构工艺性是指轴的结构形式便于加工和装配轴上的件并且生产率高，生产 成本低。一般地说，轴的结构越简单，工艺性越好。因此，在满足使用要求的前提下， 轴的结构形式应简化。 为了便于装配零件并去除毛刺，轴段应制成 45 度的倒角，需要磨削加工的轴段， 应留有砂轮越程槽：需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽。为了减少装夹工件的时间， 同一轴上不同段的键槽应布置在轴的同一母线上。为了减少加工刀具种类和提高劳动 生产，轴上直径相近的棱角、倒角、键槽宽度、砂轮越程槽和退刀槽的宽度应尽可能 的一致。 综上所述并参照6得出轴的装配图 沈阳建筑大学毕业设计 18 图 3-1 一、纵向丝杠轴的设计计算 1、轴的编号：001 轴的名称：阶梯轴 轴的转向方式：双向旋转 轴的工作情况：无腐蚀条件 轴的转速：60r/min 功率:0.1kW 转矩：15916.67Nmm 所设计的轴是实心轴 材料牌号：45 调质 硬度(HB)：230 抗拉强度：650MPa 屈服点：360MPa 弯曲疲劳极限：270MPa 扭转疲劳极限：155MPa 许用静应力：260MPa 许用疲劳应力：180MPa 2、确定轴的最小直径如下： 所设计的轴是实心轴 A 值为：115 许用剪应力范围：3040MPa 最小直径的理论计算值： 3 5 T d d 取 18mm 满足设计的最小轴 径：16mm 3、安全系数校核如下： 疲劳强度校核如下： 3-2 S SS SS S 22 沈阳建筑大学毕业设计 19 3-3 m K S 1 3-4 m K S 1 危险截面的 x 坐标：30mm 直径：35mm 危险截面的弯矩 M：127029.7Nmm 扭矩 T：6206Nmm 有效应力集中系数（弯曲作用）：2.62 （扭转作用）：1.89 截面的疲劳强度安全系数 S：5.47 许用安全系数S：2.0 30mm 处疲劳强度校核通过 结论：疲劳强度校核通过 静强度校核计算： 3-5 S SS SS S 22 3-6 W M S max 3-7 P W T S max 危险截面的 x 坐标：30mm 直径：35mm 危险截面的弯矩 M：1270.7Nmm 扭矩 T：6206Nmm 截面的静强度安全系数：20.33 许用安全系数Ss：1.8 30mm 处静强度校核通过 结论：静强度校核通过 4、扭转刚度校核如下： G=8.1（MP） 3-8 4 1 584 i ii Id LT G 8 10 经计算轴的扭转角：0.17/m 许用扭转变形：0.9/m 沈阳建筑大学毕业设计 20 结论：扭转刚度校核通过 5、弯曲刚度校核如下： 3-9 4 1 4 I i m d l L d 挠度计算如下： X/mm i/mm 1 2.5 0.011742 2 5 0.007828 3 7.5 0.003914 4 10 0 5 30 -0.003914 6 50 -0.00757 7 70 -0.010313 8 90 -0.011683 9 110 -0.011224 10 130 -0.009115 11 150 -0.005368 许用挠度系数：0.003 最大挠度：0.011683mm 结论：弯曲刚度校核通过 6、临界转速计算如下： 当量直径60.43mm 3-10 i ii v l ld d 轴截面的惯性距 I：6546.89mm4 支承距离与 L 的比值：0.47 轴所受的重力：400N 支座形式系数 1：9.0 轴的一阶临界转速 ncr1：24934.97r/min 沈阳建筑大学毕业设计 21 3.2.2 纵向进给主轴轴承的选用和校核纵向进给主轴轴承的选用和校核 各种类型轴承的选用应从允许的空间、轴承负荷大小和方向、高速性能、旋转精 度、刚度、振动与噪音、轴向游动、摩擦力矩、安装于拆卸等方面综合考虑，全面衡 量，择优选择满足设计要求的轴承类型。 由于此进给轴主要承受轴向载荷且转速不高，故选用角接触球轴承。选用轴承标 准 GB/T292 1994，根据轴的直径知道本轴承内经为 10mm。外颈为 35mm。尺寸系列 为 02，正常结构，0 级公差，0 组游隙，所以代号为 7202c。 装配图中轴承的绘制的注意事项：轴承的配合是指内圈与轴颈及外圈域外壳孔。 轴承的内，外圈，按其尺寸比例一般认为是薄壁零件，容易变形，当他装入外壳孔或 装到轴上时，其内外圈的不圆度，将受到外壳孔及轴颈形状的影响。因此，除了对轴 承的内外经规定了直径公差之外，还规定了平均内颈和平均外颈的公差，后者相当于 轴承在正确制造的轴上或轴外壳空中装配之后，他的外径或内颈的尺寸公差，标准规 定，0，6，4，5，2 各公差等级的轴承的内颈 d，和外颈 D，的公差均为单向制，而且 统一采用上偏差为 0，下偏差为负值的分布。 滚动轴承是标准件，为了使轴承便于互换和大量生产。轴承孔与轴采用的配合用 基轴制，即以轴承内空的尺寸为基准；轴承外颈与外壳孔的配合采用基轴制，即