毕业论文-切削刀具自动刃磨机设计-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 摘 要 车削加工是金属切削加工中最重要的工序之一，在机械制造业中占重要地位。车刀 刀刃的质量对加工工件的质量有着很大的影响。然而手工刃磨车刀的难度很大，需要专 门的知识和多年的经验。为此设计了车刀刃磨机。本刀具刃磨机由两大部分组成，分别 是磨刀头装置和刀具固定架装置。磨刀头装置可以上下左右移动，还可以调节磨刀头的 角度。刀具固定架装置可以调节刀具的安装角度，整个刀具还可以实现微动进给。通过 上述分析，设计出一台结构简单，操作方便，价格低廉的小型车刀刃磨机。 关键词： 刀具固定架；磨刀头装置；刃磨； 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 Abstract Turning processing is one of the most important processes in metal cutting, occupy the important position in the machinery manufacturing industry. Have a great influence on the quality of tool blade machining. However, hand grinding tool is very difficult, need the special knowledge and experience. This design of cutting machine. The tool grinding machine is composed of two parts, respectively is the knife head device and tool holder device. Grinding head device can move around from top to bottom, also can adjust the knife head angle. The installation angle of the cutter holder device can adjust the tool, the tool also can realize micro feeding. Through the above analysis, design a platform has the advantages of simple structure, convenient operation, small cars cheap knife mill. Keywords: tool holder; grinding head grinding device; 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 目 录 1 绪 论 1 1.1 课题研究的意义 . 1 1.2 刃磨技术的发展阶段 . 1 1.3 刀具刃磨国内外的发展 2 1.3.1 国外的发展 . 2 1.3.2 国内的发展 3 1.4 课题研究的主要内容 4 2 车刀的基本参数和刃磨工艺 5 2.1 车刀概述 . 5 2.1.1 车刀分类及用途 . 5 2.1.2 车刀的结构组成和角度关系 . 5 2.2 车刀刃磨工艺 7 2.2.1 选取砂轮 7 2.2.2 刃磨步骤 7 3.小型车刀刃磨机的设计方案 . 9 3.1 砂轮驱动形式的选取 10 3.2 进给传动装置的选取 10 3.2.1 齿轮齿条机构 10 3.2.2 丝杠螺母机构 10 3.3 导轨的选取 11 3.3.1 导向原理 . 11 3.3.2 机床导轨类型与应用 12 3.4 总体的设计 13 4 刃磨机整体设计计算 14 4.1 主要技术参数的确定 . 14 4.2 电机的选取 . 14 4.3 砂轮电机进给丝杠的计算 14 4.4 丝杠的校核 16 4.4.1 临界压缩负荷 16 4.4.2 临界转速 17 4.4.3 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 18 4.4.4 丝杠扭转刚度 19 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.5 丝杠进给传动系统变形计算 20 4.5.1 丝杠精度计算 20 5 底座机架的设计 22 5.1 机架结构类型 . 22 5.1.1 按机架外形分类 22 5.1.2 按机架的制造方法和材料分类 22 5.2 机架结构的选择 22 5.3 机架设计计算的准则和要求 23 5.3.1 机架设计的准则 . 23 5.3.2 机架设计的一般要求 24 5.4 机架的确认 24 6 砂轮的设计 25 6.1 砂轮的选择 25 6.2 砂轮的平衡方法 26 6.3 砂轮的修整 27 总 结 28 致 谢 29 参考文献 30 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 1 1 绪 论 1.1 课题研究的意义 在机械加工过程中，金属的切削及各种零件的加工对刀具的要求都越来越高。刀具 质量的好坏直接影响到加工对象的表面质量、精度及加工效率。采用先进的刀具磨刀器 和有效经济的工艺方法，刃磨出高效率、高精度、高可靠性的刀具，是切削加工技术水 平提高的一个重要保证。刀具成本在综合加工成本中占有重要的位置，如何利用刀具的 寿命， 缩减和提高磨刀的时间和效率， 刃磨出符合实际要求的各种刀具， 降低刀具成本， 以提高工作效率，是企业需要重点研究的重要问题。 随着科技的发展，对制造精度的要求也越来越高，因此刀具刃磨的精度要求也越来 越高，在砂轮机上手工刃磨刀具，虽然简便易行，但刃磨的质量要取决于操作者的技术 水平，而且手工磨修刀具的难度很大，需要专门的知识和多年的经验。 本设计设计了一个小型车刀刃磨机，可轻易的磨出各种角度。磨刀最重要的是要磨 好刀尖，工件已加工表面的光洁度几乎完全决定于刀尖的刃磨质量，本磨刀机可把刀尖 磨出标准的圆弧形状，从而保证了加工工件的光洁度。这是手工刃磨难以做到的。 1.2 刃磨技术的发展阶段 高质量、高耐用度刀具的生产要求，高效的、高精度的刀具修模要求，促使刀具刃 磨机床的多功能结构由简单到复杂， 自动化程度由低到高不断发展。 刀具刃磨机床的发 展经历了如下三个阶段：磨刀机-手动工具磨床-数控工具磨床 1.磨刀机 磨刀机是最早开发的， 结构最简单最小型的手动刀具刃磨机床。 其典型机型主要由 机体，驱动电机，砂轮，轴向可微调主轴，砂轮整形器，悬装式分度头，照明等组成。 磨刀机制造精度不高， 而且在刀具刃磨过程中全部靠手动操作。 一般没有精密度定为装 夹机构和检测装置。 2.手动工具磨床 手动工具磨床制造精度比磨刀机高， 功能结构也相比磨刀机复杂。 一般均有五个自 由度以上，移动均采用手摇滑台机构，旋转均采用带刻度的回转台。大多数采用模块化 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 2 设计， 针对不同刃磨对象选择相应的装夹刃磨附件， 依靠相应的机械结构来实现刃磨功 能。 3.数控工具磨床 数控工具磨床是精度效率高、制造修磨范围广的刀具刃磨机床。数控工具磨床与 手动工具磨床最大区别是抛弃了手动工具磨床的手摇滑台以及特制的复杂工艺装备附 件， 机械结构大为简化。 手动工具磨床上的特殊机构和通过人为操作所实现的刀具刃磨 形式，在数控工具磨床上则通过数控系统控制联动轴之间的柔性协调运动来轻松实现。 1.3 刀具刃磨国内外的发展 1.3.1 国外的发展 对于车刀以及其他复杂形状刀具的刃磨技术和控制研究方面，国内外已有许多专 家。做了不少的研究，也开发出了一些的刀具刃磨设备。 在国外，对立车刀及其他复杂刀具磨削工艺和数控工具磨床的研究开发早，己经发 展到了很高的水平。 对于车刀刀刃的磨削 90%以上是在数控工具磨上进行的， 基本上实 现了一次装件自动完成刀刃的全部磨削。有的数控工具磨还实现了自动上工件(被磨刀 具)、自动磨削、自动修整砂轮、自动补偿、自动工件的全过程自动化。 数控工具磨床的发展经历了从低档到高档的过程，由三轴数控发展到了六轴、八轴 数控，并且己开发出十轴以上的多轴数控，多轴联动的数控工具磨床，还开发出不经铣 制，直接磨出容屑槽和刀刃的整体、强力磨削的数控工具磨床。 德国 WALTER 公司的五轴 HELITRONICP OWERP RODUCTIONC NC 工具磨床， 可用于制造各种金属切削刀具。机床配有测量定位系统，将测头固定安装在磨头上，用 于实现刀具定位，可缩短磨削周期。该机床采用 WALTER 公司自己开发的专用数控系 统 HMC500 及其软件。 除了能提供各种通用刀具磨削软件外， 它还开发了一种新的 “灵 活编程”软件，通过该软件可以把刀具磨床变成能够设计刀具的磨床。 瑞士 SC HNEEBERGER 公司的五轴五联动 GEMIN CNC 工具磨床，主要用于生产 和修磨各种不同形状的小尺寸刀具，能自动测量，自动上下料，实现了无人操作。机床 配有自动测量系统，方便刀具的安装及磨削，它采用一个固定安装的三维测头，既可用 于测定刀具毛坯几何形状，在刀具重磨前测量又可用来保证刀具磨削质量。 还有，美国的 HUFFMAN 公司的 HS-87R 型数控工具磨床，瑞士 STRAUSAK 公 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 3 司的 57W /CNC-4G 四轴数控磨床， 日本牧野公司的 NX-40 型十轴数控工具磨床等都是 性能优越的数控机床。 1.3.2 国内的发展 国内在数控工具磨床的研究方面开发起步较晚，可以说是从 80 年代中后期才开始 的，其研究、开发还处于样机或单台极少量试生产阶段。国内有几家研制的数控工具磨 床，其 CNC 系统都是从国外引进，使机床售价大大的提高，从而影响这些数控工具磨 床的推广和应用。 在数控系统方面，北京航空航天大学在 80 年代就开展了数控刀具刃磨机的研制工 作，己开发了几种型号的数控刀具刃磨机。在已有的研究成果上，还开发了一套性能优 越的数控刀具刃磨机数控系统。该大学在国家“八五”和“863”计划中承担了高性能 开放式数控系统的开发任务。开发出了的基于 Windows 操作系统的开放式数控系统 CH-2010,在车床、 铣床、 加工中心、 凸轮磨床等多种机床上获得成功应用。 “华 中 2 000 型 工具磨床专用数控系统”是在国家“八五”重点攻关项目 “数控万能工具磨床产品 开发”科研成果的基础上，成功开发出的用于各种回转刀具磨削加工的集成化 CNC 系 统。在数 控 磨 床方面，武汉机床厂研制的 MH6030 型刀具磨削中心，该机床采用 8050M 数控系统，实现六轴主联动控制。该机床适用于加工复杂工具、复杂刀具如模 具铣刀等，还适用于磨削加工复杂的中小型零件。 咸阳机床厂 MK6025/3 三轴联动数控万能工具磨床是最近研制成功的新一代工具 磨床，该机床采用了华工 I 型数控系统，配有华中理工大学各种刀具加工软件，该软件 还可以针对用户自己的要求进行自行编程并设计所需软件。 该机床能自动完成各类普通 及复杂刀具的刃磨或重磨，解决了普通工具磨床需要附件才能完成的复杂刃磨问题;配 备测量系统，在数控系统测量软件支持下，将被磨刀具的有关几何参数(如螺旋角或导 程)及安装位置(如始点位置)等参数自动输入计算机系统， 自检测系统可以自动判断加工 刀具的起始点，自动生成加工程序并实现整个加工过程的自动磨削。还有 营 口 冠华 机床厂的 M6025K 万能工具磨床和武汉机床附件厂的 GW-1 万能磨刀机， 均为普通型工 具刃磨机床。 国内各大中型机械厂，对车刀类的刃磨，主要由工人在万能工具磨床上进行手工刃 磨。工人劳动强度大，刃磨效率和精度低。刀具重磨时，刀具的刃形受到磨损或严重的 破坏，使得手工刃磨时不容易控制，没法保证刀具的重磨质量。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 4 在车刀刃磨技术及控制技术研究方面，国内起步较晚，而且相关设备和数控系统主 要依靠进口和与国外企业合作开发，因而，多数局限于一些复杂刃形如球头车刀等的制 造和建模，或者直接依赖进口特定的大型数控加工机床。 国外对刀具刃磨的研究虽然起步较早，但所开发的设备主要是三轴、多轴联动的大 型数控工具磨床或磨削加工中心。对于通用型的车刀刃磨，进口该设备成本过高，不合 乎国情。 1.4 课题研究的主要内容 (1)查阅相关书籍资料，了解关于刀具刃磨机床的基本原理，确认设计总体方案。 (2)方案确认后，对整个刃磨机进行设计计算。 (3)完成刃磨机工程图纸的绘制。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 5 2 车刀的基本参数和刃磨工艺车刀的基本参数和刃磨工艺 2.1 车刀概述 2.1.1 车刀分类及用途车刀分类及用途 车刀的种类如下图 2-1 所示： 图 2-1 常用车刀分类 a) 90偏刀 b)75外圆车刀 c)45外圆、端面车刀 d)切断刀 e)内孔车刀 f)成形刀、g)螺纹车刀 其用途分别如下： 90车刀(外圆车刀) 又叫偏刀，主要用于车削外圆、阶台和端面；45车刀(弯头 车刀) 主要用来车削外圆、端面和倒角；75车刀 用于车削外圆；切断刀 用于切 断或车槽；内孔车刀 用于车削内孔；成形车刀 用于车削成形面；螺纹车刀 用于车 削螺纹。 2.1.2 车刀的结构组成和角度关系车刀的结构组成和角度关系 金属切削种类繁多，形状各异。但就其切削部分而言，都可以看成是由外圆车刀 演变而成。 1、车刀的组成 车刀的结构组成见下图 2-2 所示 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 6 图 2-2 车刀结构组成 车刀由刀头和刀杆两大部分组成。刀杆是刀具上夹持部分组成。刀头直接担负 切削工作，它由以下部分组成 (1)刀面 a.前刀面新切屑流出的表面。 b.后刀面与加工表面相对的表面。 c.副后刀面与工件已加工表面相对的表面。 (2)刀刃 a. 主切削刃 前刀面与主后刀面相交形成的切削刃。 b. 副切削刃 前刀面与副后刀面相交形成的切削刃。 (3)刀尖 主切削刃与副切削刃的的交点。 2、刀具角度 为了表示刀具空间集合形状及位置，需通过刀具几何角度来表示。再表达刀具 几何角度时，仅靠刀头上的几个面是不够的，还需要建立几个坐标平面，以便与刀 具刀头上的各个面组成相应的角度。车刀的主要角度见下图 2-3 所示： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 7 图 2-3 刀具的主要角度 2.2 车刀刃磨工艺 2.2.1 选取砂轮 目前常用的砂轮有两种；一种是氧化铝砂轮，氧化铝砂轮多呈白色其砂粒韧性好， 比较锋利，但硬度稍低（即砂轮磨粒容易从砂轮上脱落） ，适用于刃磨高速钢车刀和硬 质合金车刀的刀柄部分，氧化铝砂轮又称白刚玉砂轮；另一种是碳化硅砂轮，其砂粒硬 度高，切削性能好，但较脆，适用于刃磨硬质合金材料的刀具，该砂轮外表颜色一般是 绿色。 砂轮的粗细以粒度来表示； GB/T2477-1983中规定了砂轮分为41个粒度号， 如 “60#、 80#、120#、 ”等。粒度号越大砂轮越细，反之粒度号越小则砂轮越粗。粗磨车刀的刀柄 时一般应选用 60#以下砂轮，精磨车刀的硬质合金时应选 80#或 120#砂轮（即粗磨车刀 时使用粒度号小的砂轮；精磨车刀时使用粒度号大的砂轮） 。 2.2.2 刃磨步骤 下面以 90硬质合金（YT15）外圆车刀为例，介绍手工刃磨车刀的方法，总体的 刃磨步骤如下图 2-4 所示。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 8 图 2-4 车刀刃磨步骤图 a)磨前刀面 b)磨主后刀面 c)磨副后刀面 d)磨刀尖圆弧 1) 先磨去车刀前面、后面上的焊渣。 2) 粗磨主后面和副后面的刀柄部分。 刃磨时，在略高于砂轮中心的水平位置处将车刀翘起一个比刀体上的后角大 2 3的角度，以便再刃磨刀体上的主后角和副后角。 3) 粗磨刀体上主后面 磨主后面时，刀柄应与砂轮轴线保持平行，同时将刀体底平面向砂轮方向倾斜一个 比主后角大 2的角度。刃磨时，先把车刀已磨好的后隙面靠在砂轮的外圆上，以接近 砂轮中心的水平位置为刃磨的起始位置，然使刃磨位置继续向砂轮靠近，并作左右缓慢 移动。当砂轮磨至刀刃处既可结束。这样可同时磨出 Kr=90的主偏角和主后角。 4) 粗磨刀体上的副后面 磨副后面时，刀柄尾部应向右转过一个副偏角 Kr 的角度，同时车刀底平面向砂 轮方向倾斜一个比副后角大 2。具体刃磨方法与粗磨刀体上主后面大体相同。不同的 是粗磨副后面时砂轮应磨到刀尖处为止。 如此， 也可同时磨出副偏角 K r 和副后角 。 5) 粗磨前刀面 以砂轮的端面粗磨出车刀的前面，并在磨前面的同时磨出前角 。 6) 磨断屑槽 解决好断屑是车削塑性金属的一个突出问题。若切削连绵不断、成带状缠绕在工件 或车刀上，不仅会影响正常车削，而且会拉毛已加工表面，甚至会发生事故。在刀体上 磨出断屑槽的目的就是当切屑经过断屑槽时，使切削产生内应力而强迫它变形而折断。 7）精磨主后面和副后面 精磨前要修整好砂轮，保持砂轮平稳旋转。刃磨时将车刀底平面靠在调整好角度的 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 9 托架上，并使切削刃轻轻地靠住砂轮的端面上，并沿砂轮端面缓慢地左右移动，使砂轮 磨损均匀、车刀刃口平直。 8) 磨负倒棱 刀具主切削刃担负着绝大部分的切削工作。为了提高主切削刃的强度，改善其受力 和散热条件，通常在车刀的主切削刃上磨出负倒棱（见下图） 。负倒棱的倾斜角度 f 一般为-5-10，其宽度 b 为走刀量的 0.50.8 倍，即 b=（0.50.8）f。 对于采用较大前角的硬质合金车刀，及车削强度、硬度特别低的材料，则不宜采用 负倒棱。 刃磨负倒棱时，用力要轻微，要使主切削刃的后端向刀尖方向摆动。刃磨时可采用 直磨法和横磨法。为了保证切削刃的质量，最好采用直磨法。 9） 磨过渡刃 过渡刃有直线型和圆弧型两种。其刃磨方法与精磨后刀面时基本相同。刃磨车削较 硬材料车刀时，也可在过渡刃上磨出负倒棱。 10) 车刀的手工研磨 在砂轮上上磨的车刀，其切削刃有时不够平滑光洁。若用放大镜观察。可以发现其 刃口上呈凹凸不平状态。使用这样的车刀车削时，不仅直接影响工件的表面粗糙度，而 且也会降低车刀的使用寿命。若是硬质合金车刀，在切削过程中还会产生崩刃现象。所 以的工刃磨的车刀还应用细油石研磨其刀刃。研磨时，手持油石在刀刃上来回移动。要 求动作平稳、用力均匀。 研磨后的车刀，应消除在砂轮上刃磨后的残留痕迹，刀面表面粗糙度值应达到 Ra0.40.2 m。 3.小型车刀刃磨机的设计方案 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 10 3.1 砂轮驱动形式的选取 目前机械设备的主要驱动形式有三大类：液压驱动、气动驱动和电机驱动。 液压驱动具有输出功率大、控制精度高、可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹 控制等优点。但是液压传动有较多的能量损失(泄漏损失、压力损失等)，传动效率相对 低。液压传动需要配套设备如：液压站、各种液压控制阀等，它适用于重载、低速驱动， 成本较高。这种驱动方式显然不适合。 气动驱动功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小，成本低。但是由于 气体压缩性大，精度低，低速时不易控制，需要专门的气源输送站。所以这种驱动方式 和液压驱动一样，不适合。 电机驱动与气动驱动和液压驱动相比，具有能精确定位，反应灵敏，可实现高速、 高精度的连续轨迹控制，伺服性好等优点；另外结构简单、易于控制、使用维修方便、 不污染环境，因此本设备采用电机驱动。 3.2 进给传动装置的选取 3.2.1 齿轮齿条机构 此机构的特点是制造简单，成本低。一般由于结构上和降速的需要，齿轮的齿数都 做得很少（如在 C620-1 型车床上用 12 齿） ，因此啮合系数小，加上有齿侧间隙，所以 传动的平稳性较差，特别在速度很低时更为明显。它主要用于速度比较高些，而精度又 不需要太高的普通机床进给系统中。 齿轮齿条由于不能自锁， 在垂直移动时用它不可靠。 有的机构，如龙门铣床，为了提高它的平稳性，才用蜗杆和斜齿条传动。不适合本次设 计。 3.2.2 丝杠螺母机构 丝杠螺母传动的特点有如下几点： （1） 本身降速比大，因此在中速和低速移动部件上，无需采用降速很大的减速机 构。但是由于本身降速比大，这就不适合于高速运动。如果移动速度较高时，丝杠转速 高，磨损就快。因此这种机构使用于中、低速的机床上。 （2） 能传递较大的轴向力。因本身的转速比大，因而传递的力大，而回转丝杠所 需的里比较小，适用于重型机床和加紧机构。 （3） 移动准确，运动平稳。因丝杠和螺母接触面积大，且连续接触，故传递比较 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 11 平稳。提高丝杠的精度比提高齿条的精度容易。因此，易作为精密机床的执行机构和调 整机构。 （4） 传递效率低， 能自锁。 传递的效率一般为 50%左右， 因此不宜用在主传动中。 丝杠螺母机构用于垂直移动部件能有自锁作用，防止部件下滑。 因此本次刃磨机选用丝杠螺母传动形式。 3.3 导轨的选取 机床的工作部件是沿着导轨的表面运动的。导轨是保证工作台、刀架、溜板等运动 方向的导向面，为了使工作部件沿着一定的方向运动和承受一定的力矩，一般机床都是 二根导轨组合而成，某些大型机床为了保证工作部件的刚度，也有用三根导轨的（如大 型的龙门刨床等） 。 机床上常用的导轨通常都是由二根导轨组成，而且常常配置着镶条或压板，以调整 导轨面的间隙或防止颠覆。 3.3.1 导向原理 图 3-1 导向原理 对于直线运动的导轨，为了使运动部件只沿着一个方向运动，导轨必须限制运动部 件绕 X、Y、Z 三根轴线的转动和两个方向的移动。并且导轨必须只具有单方向的导向 性。 由平面所组成的导轨。每根导轨都是由二个窄长的平面组成，他限制了 X 向和 Z 向的移动及 Z 轴和 X 轴的转动。但由于导轨面很窄，所以还不能限制绕 Y 轴的转动。 为此，我们通常增加了一个平面或加宽一个导轨面来限制其绕 Y 轴转动。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 12 由圆柱所组成的导轨。单根圆柱只能限制 X 向和 Z 向的移动及绕 X 轴和 Z 轴的转 动。加键以后可以限制绕 Y 轴的转动。一般情况都采用双圆柱式，这样即满足了导向 要，同时受力情况也好。 3.3.2 机床导轨类型与应用 1、三角形导轨因为三角形导轨靠三角形的两个侧面导向，当导轨磨损后，工 作台（或溜板等）会自行下沉，不会出现间隙，可保持原有的导向性，因而对加工精度 影响较小，常用于精度要求较高的机床上。但它制造比较麻烦，要求较高。 三角形导轨的两导轨面之间的夹角，取决于机床的工作要求。当导轨面的高度一定 时，增大夹角可以增大导轨的承载面积，以提高其承载能力。例如重型机床一般取夹角 为 110 120 （龙门铣床就是 110 ） ，一般机床取夹角为 90 （如车床、磨床等） ，精密机 床往往取较小的夹角，如滚齿机立柱上的导轨就是 70 。因为角度小一些，导向精度就 高一些。 2、平导轨制造和维修都比较方便，刚度好，在不增加导轨高度的条件下能不 受限制地增大导轨的宽度，故承载能力大。现代机床已广泛采用，如镗床、铣床等。它 的缺点是侧表面磨损后不能自动补偿， 而且调整间隙也比较麻烦， 同时它容易积存赃物， 要有很好的防护。 3、燕尾形导轨它的优点是能承受颠覆力矩，结构紧凑，调整间隙方便，特别 适用于层次较多的不运动部件上，如车床刀架，铣床工作台等。但它制造比较困难，刚 度差，摩擦力大，存油性能差，所以只适用与受力不大，移动速度不高，精度要求不高 的导轨。目前有逐渐被平导轨所代替的趋势。 4、圆柱形导轨它制造简单，容易保证精度，但磨损后间隙难于调整，所以仅 适用于受轴向载荷为主的机床上，如拉床、冲床等。 根据上面的分析可以看出：四种导轨的结构形式都可以分为凹形与凸形两大类。凸 形导轨的主要特点是不容易积存切削和赃物，也不容易保存润滑油，故只能用作低速运 动部件的导轨，如车床、铣床、镗床等。而凹形导轨刚好相反，他容易存油，故可以作 高速运动部件的导轨，如磨床、龙门刨床等，但它也容易积存切屑和赃物，故必须很好 的保护。 综合上面的分析，本设计中选用三角形导轨和双圆柱形导轨 选用三角形导轨来导向是因为： 三角形导轨靠三角形的两个侧面导向， 当导轨磨损后， 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 13 工作台会自行下沉，不会出现间隙，可保持原有的导向性，因而对加工精度影响较小， 制造比较简单。 3.4 总体的设计 该机器是属于小型的工具机械，设计要求机构简单、结构紧凑、外形小、体积小、 质量轻、方便搬运、操作简单，使得加工效果好、效率高。其结构总图如下图 3-2 所示： 图 3.1 机床总体布局图一 砂轮直接连接在电机主轴上，电机座通过三角形导轨、丝杠螺母和手轮实现左右方 向移动，同时还可以实现升降和俯仰运动。刀具可以调节角度同时还可以微动进给，本 装置的优点是通过更换刀具夹具可以适应不同形式的刀具，达到万能的效果。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 14 4 刃磨机整体设计计算 4.1 主要技术参数的确定 根据金属切削手册和金属切削原理及刀具设计查得： 1. 目前大多数车刀的刀高为 10mm30mm,故确定本设计中车刀刃磨机的刀高范围为 10mm30mm。 2. 刀具前后角范围为：015o ，故确定本设计中车刀刃磨机的范围为： 015o 3. 刀尖圆弧范围：R0.45mm 4.2 电机的选取 合理地确定磨床的电动机功率砂轮架电动机功率，若功率选的过大，则消耗电力 多，造成浪费；选用的过小，则又使机床的使用效能受到限制。 在确定电动机功率时，选用公式：NNN 切损电 ； （4-1） 式中：N电-砂轮架电动机功率, Kw N切-磨削功率, Kw N损-损耗功率, Kw 根据对设计提出的要求，本设计磨削机上采用 GBD # 80 1 ZRABW125x63x25 砂轮， 砂轮线速度 V=35 m/s；磨削深度 t 从 0.02 mm0.1mm。 z p=0.60.7。 代入计算公式计算： .0 . 6 * 3 50 . 7 * 3 5 0 . 2 0 . 2 3 1 0 21 0 21 0 2 z p V N 切 Kw 根据经验公式，估计空载时所消耗的功率 0.010.02kw; 则 NNN 切损电 =0.230.25 Kw 根据上述的估算，并考虑机床的效率，应选用 0.25 Kw 的电动机比较合适。 选取电动机型号：YS-71L 1-2。上海革新电机厂。 防护等级 IP44，工作方式 1 S，冷却方法 IOC41,绝缘等级 E 级。 4.3 砂轮电机进给丝杠的计算 1、 拟定设计参数： 估算砂轮结构总重量：50KG 手轮直径：90mm 有效传动距离：270mm 2、确定丝杠的工作负载 工作负载是指机器工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力。选定导轨为滑动导 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 15 轨，取摩擦系数为 0.05。 max 00.05 500 25N FFG 拉 (4-2) 3、确定丝杠的螺纹中径 2 25 0.80.82.3 2 1.5 F dmm p （4-3） 式中：F为轴向载荷，N p为许用比压， 2 /N mm ， 1.5p 因为是整体式螺母，取2 故初选 2 10,4dmm pmm 4、螺母高度的计算 2 2 1836Hdmm 5、基本牙型高度 1 H 1 0.50.5 42HPmm 6、手轮驱动力计算 图 4-1 丝杠受力图 丝杠传递力的计算如图所示，当用 P 力去转动半径为 R 的手轮时，所产生的扭距 M 使丝杠中径 r 出产生切向力 Q ,计算公式计算如下： *MP R rr Q （4-4） 这个 Q 力可使螺母获得轴向牵引力 W： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 16 *wQ ctg （4-5） 考虑摩擦力，则 *()wQ ctg 将 Q 带入，得 * () P R r Qctg （4-6） 式中： W轴向牵引力，N P转动手轮的力,N r丝杠中径,mm 螺旋升角， “+”号表示右旋螺纹逆时针旋转， “-”表示右旋螺纹顺时针旋 转。 -摩擦角，以知梯形螺纹摩擦角 cos () f arctg 。 查表得，丝杠螺母的摩擦系数 f=0.15，梯形螺纹的齿形半角=15 o ， 所以， 0.15 cos15 ()8 50arctg 。 又因为，丝杠中径 r=10mm,螺距 S=4mm，手轮半径 R=20mm，则螺母的轴向牵引力 为： 1*20 .(8 50)11.7 102 S Wctgarctgkg r 当时，丝杠螺母机构具有自锁性，它能使导轨不因为振动而造成偏移。 4.4 丝杠的校核 丝杠副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有频率，其扭转刚度 影响扭转固有频率。承受轴向负荷的丝杠副的拉压系统刚度 Ke 由丝杠本身的拉压刚度 Ks，丝杠副内滚道的接触刚度 Kc，轴承的接触刚度 KB，螺母座的刚度 KH，按不同支 承组合方式的计算而定。扭转刚度按丝杠的参数计算。 4.4.1 临界压缩负荷 丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大，采用两端固定的支承方式并对丝杠进行预 拉伸，可以最大限度地发挥丝杠的潜能。 临界压缩负荷按下式计算： 2 1 1max 2 0 cr fEI FKFN L (4-7) 式中 E材料的弹性模量 E钢=2.1 1011(N/m2)； L0最大受压长度(m)； 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 17 K1安全系数，取 K1=1/3； Fmax最大轴向工作负荷(N)； f1丝杠支承方式系数；(支承方式为双固双固时，f1=4，f2=4.730) I丝杠最小截面惯性矩(m4)： 44 20 (1.2) 6464 w Iddd (4-8) 式中 d0丝杠公称直径(mm)； 41284 3.14 (14 1.2 3.969)102.7 10 64 Im 经过设计论证丝杠全长为 mm500L 2118 max 26 4 3.142.1 102.7 101 2554.325 500103 NFN cr F 可见 cr F远大于 max F，临界压缩负荷满足要求。 4.4.2 临界转速 22 222 2max 22 30 9910 cr cc ff dEI nkn LAL (4-9) 式中 A丝杠最小横截面： 2642 2 21.9 107.8 10 44 Adm c L临界转速计算长度： 取 1 0 . 4 c LLm， 2 k安全系数，一般取 2 0.8k ； 材料的密度： 33 7.85 10/kg m； 2 f丝杠支承方式系数，查表得 2 4.730f ， max 2 2 cr nminr23650 1 01. 0 730. 49910n 满足要求。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 18 4.4.3 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度 Ke的计算公式： 两端固定： 1 11111 (/) 4 eBcHS Nm KKKKK （4-10） 式中 Ke 丝杠副的拉压系统刚度(N/m)； KH螺母座的刚度(N/m)； Kc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m)； KS丝杠本身的拉压刚度(N/m)； KB轴承的接触刚度(N/m)。 （1）丝杠副内滚道的接触刚度可查丝杠副型号样本； （2）轴承的接触刚度可查轴承型号样本； （3）螺母座的刚度可近似估算为 1000； （4）丝杠本身的拉压刚度。 对丝杠支承组合方式为两端固定的方式： 6 10/ s AEl KNm ala (4-12) 式中 A丝杠最小横截面， 22 2( ) 4 Admm ； E材料的弹性模量，E=2.11011(N/m2)； l两支承间距(m)； a螺母至轴向固定处的距离(m)。 已知：轴承的接触刚度mNKB1080，丝杠螺母的接触刚度mNKC7 .716， 丝杠的最小拉压刚度mNKs2 .545 min ，螺母座刚度mNKH1000。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 19 11111 4 1080716.710004 545.2 e K 324/ e KNm 丝杠系统轴向拉压振动的固有频率： / e B K rad s m (4-13) 式中 m丝杠末端的运动部件与工件的质量和(N/m)； Ke丝杠系统的轴向拉压系统刚度(N/m)。 1203srad1260 300 103248 . 9 m K w 6 e B 显然，能满足要求。 4.4.4 丝杠扭转刚度 丝杠的扭转刚度按下式计算： 4 7.84 m T d K L (4-14) 式中 m d丝杠平均直径： L丝杠长度 rmN9736 500 9 .21 84. 7K 4 T 扭转振动的固有频率: () 3 T T s wz K J JJ (4-15) 式中 JW运动部件质量换算到丝杠轴上的转动惯量(kg m2)； JZ丝杠上传动件的转动惯量(kg m2)； JS丝杠的转动惯量(kg m2)。 由文献7 ，8得： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 20 平移物体的转动惯量为： 242 2000 0.01 ()5.2 10 9.812 Jkg m 丝杠转动惯量： 42 1.6 10 z Jkg m m i n/ r42297s/rad1 .4427 10 3 64. 4 6 . 12 . 5 9736 4 T 显然，可以满足设计要求。 4.5 丝杠进给传动系统变形计算 4.5.1 丝杠精度计算 1、丝杠的轴向变形量计算 丝杠的拉伸或压缩变形量 在轴向载荷作用下，丝杠在轴线方向上被拉伸或压缩，变形量的大小与支承方式和 螺母工作位置有关。由于丝杠采用两端固定的形式，根据材料力学求解超静定计算式， 求得变形量： EALbaF/ 11 （4-16） 式中，F轴向工作载荷，N； E弹性模量，对于钢，E=20.6 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。N/错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 ； A丝杠截面积（按底径定） ，错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 ； L丝杠在支承间的受力长度，错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 ； 24 43 2 s 2 s 2 sss kggm1064.4 025.045.11085.714.3 32 1 )Ld 4 1 (d 8 1 dm 8 1 J 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 21 a,b螺母至两支承端的距离，错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 当螺母运动到两支承端中点时，变形最大，其最大变形量： EAFL4/ max11 （4-17） 丝杠底径为 21.9 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 ，F=209N，根据前面计算结果，取 L=1000 错误！错误！ 未找到引用源。未找到引用源。 ， ，代入数值，得， 4 11 9.5 10 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 丝杠扭转变形所产生的轴向变形量 丝杠工作过程中受到扭矩作用，扭转变形将引起丝杠导程发生变化。一个导程的变 化量： 00 0 22 LL L （4-18） 式中， 0 L丝杠导程，mm； 扭矩作用下丝杠每一导程长度两截面上的相对扭转角，rad。 则丝杠受扭矩作用在支承长度L上产生的轴向变形量： 0 12 0 22 LLL L （4-19） 根据材料力学公式，计算扭转角： 0 ML GJ （4-20） 式中，M丝杠的驱动扭矩，Ngmm； G剪切弹性模量，对钢，G=8.24 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。N/错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 ； L丝杠截面惯性矩，错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 。 根据进给系统设计过程中驱动电机的选择计算，已算出M=2700 Nmm，因此，得： rad1055. 0 10 32 1024. 8 1030 GJ ML 6 44 0 mm1035. 0 14. 32 1055. 0270 2 .L 4 6 12 由于丝杠较短，丝杠自重弯曲所引起的轴向变形量可以忽略不计。 故可以求得在载荷作用下，丝杠的轴向变形量： mmm9851085. 9 4 12111 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 22 满足定位精度要求。 5 底座机架的设计 在机器中支承或容纳零部件称为机架。如支承罐的塔架、容纳传动齿轮的减速器 的壳体，机床的床身等等统称为机架。 5.1 机架结构类型 5.1.1 按机架外形分类 按机架外形分类：网架式、框架式、梁柱式、板块式和箱壳式。 5.1.2 按机架的制造方法和材料分类 按制造方法，机架可分为铸造机架、焊接机架和螺栓或铆接机架。按机架材料可分 为金属机架、非金属机架。非金属机架又可分为混凝土机架、素混凝土机座平台、花岗 岩机架、塑料机架等。 铸造机架常用材料为铸铁、铸钢和铸铝。小型设备（如仪表等）的机架则有铜制或 塑料制造。 5.2 机架结构的选择 进行机架结构形式的选择是一个较复杂的过程，对结构形式、构件截面和结点构造 等均需要结合具体的情况进行仔细的分析。对结构方案要进行技术经济比较。由于各种 设备有不同的规范和要求，制定统一的机架结构选择方法较困难。但是，可以利用结构 力学的知识提出下列一般的规则。这些规则是为了节约材料在选择形式时应遵守的一般 规律。 1结构的内力分布情况要与材料的性能相适应，以便发挥材料的优点。轴力较弯 矩能更充分地利用材料。杆件受轴力作用时，截面上的材料分布是均匀的，所有材料都 能得到充分利用。但在弯矩作用下截面的应力分布是不均匀的，所以材料的应力分布不 够经济。 机械结构中许多构件所受的都是沿垂直于杆轴的方向作用的。弯矩沿杆变化很迅 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 23 速。有垂直载荷处，弯矩曲线有曲率，且曲率与载荷集度成正比。最大的弯矩限于一小 段内，在较长段内材料不能充分利用，这是弯曲构件不经济的另一原因。 2.结构的作用在于把载荷由施力点传到基础。载荷传递的路程愈短，结构使用的材 料愈省。 3.结构的连续性可以降低内力，节省材料。 5.3 机架设计计算的准则和要求 5.3.1 机架设计的准则 1工况要求 任何机架的设计首先必须保证机器的特定工作要求。例如，保证机架上安装的零部 件能顺利运转，机架的外形或内部结构不致有阻碍运动件通过的突起；设置执行某一工 况所必须的平台；保证上下料的要求、人工操作的方便及安全等。 2刚度要求 在必须保证特定外形条件下，对机架的主要要求是刚度。例如机床的刚度决定了机 床的效率和加工的精度； 在齿轮减速器中， 箱壳的刚度决定了齿轮的啮合性及运转性能。 3强度要求 对于一般的机架，刚度达到要求，同时也能满足强度的要求。但对于重载设备的强 度要求必须引起足够的重视。其准则是在机器运转中可能发生的最大载荷情况下，机架 上任何点的应力都不得大于容许应力。此外，还要满足疲劳强度的要求。 4稳定性 对于细长的或薄壁的受力结构及受弯压结构存在失稳问题，某些板壳结构也存在 失稳问题或局部失稳问题。失稳对结构会产生很大的破坏，设计时必须校核。 5美观 目前对机器的要求不仅要求能完成特定的工作，还要使外形美观。 6其他 如散热的要求；防腐蚀及特定环境的要求；对于精密机械仪表等热变形小的要求， 等等。 5.3.2 机架设计的一般要求 在满足机架设计准则的前提下，必须根据机架的不同用途和所处环境，考虑下列各 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 24 项要求，并有所偏重。 1.机架的重量轻，材料选择合适，成本低。 2.结构合理，便于制造。 3.结构应使机架上的零部件安装、调整、修理和更换都方便。 4.结构设计合理，工艺性好，还应使机架本身的内应力小，由于温度变化引起的变 形应力小。 5.抗振性能好。 6.耐腐蚀，使机架结构在服务期限内尽量少修理。 7.有导轨的机架要求导轨面受力合理，耐磨性良好。 5.4 机架的确认 综合考虑机器的工作时所受的力，我选用机体材料 HT200 铸造机架，力学性能： b =200MPa, s =340MPa.适于制造箱体、底座类零件。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 25 6 砂轮的设计 6.1 砂轮的选择 图 6-1 碗形砂轮 GBD # 80 1 ZRABW125x63x25 砂轮的特性由磨料、粒度、硬度、结合剂和组织 5 个因素决定。 1) 磨料，常用的磨料有氧化物系、碳化物系和高硬磨料系 3 种。船上和工厂常用的是 氧化铝砂轮和碳化硅砂轮。氧化铝砂轮磨粒硬度低(HV2000-HV2400)、韧性大，适用刃 磨高速钢车刀，其中白色的叫做白刚玉，灰褐色的叫做棕刚玉。 碳化硅砂轮的磨粒硬度比氧化铝砂轮的磨粒高(Hv2800 以上) 。性脆而锋利，并且 具有良好的导热性和导电性，适用刃磨硬质合金。 其中常用的是黑色和绿色的碳化硅 砂轮。而绿色的碳化硅砂轮更适合刃磨硬质合金车刀。 2) 粒度：粒度表示磨粒大小的程度。以磨粒能通过每英寸长度上多少个孔眼的数字作 为表示符号。例如 60 粒度是指磨粒刚可通过每英寸长度上有 60 个孔眼的筛网。因此， 数字越大则表示磨粒越细。 粗磨车刀应选磨粒号数小的砂轮， 精磨车刀应选号数大( 即 磨粒细) 的砂轮。船上常用的粒度为 46 号台 0 号的中软或中硬的砂轮。 3) 硬度：砂轮的硬度是反映磨粒在磨削力作用下，从砂轮表面上脱落的难易程度。 砂 轮硬，即表面磨粒难以脱落；砂轮软，表示磨粒容易脱落。 砂轮的软硬和磨粒的软硬 是两个不同的概念，必须区分清楚。 刃磨高速钢车刀和硬质合金车刀时应选软或中软 的砂轮. 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 26 另外，在选择砂轮时还应考虑砂轮的结合剂和组织。 船上和工厂一般选用陶瓷结 合剂