（机械工程专业论文）涡轮增压器喷嘴环组件叶片专用磨床的设计与研究.pdf

摘要 随着环保越来越被人们重视，内燃机的排量限制也趋于严格。涡轮增压器 作为一种能在不增加燃料消耗的情况下，进一步增加输出功率的唯一机械装置， 被广泛研究与采纳。 涡轮增压器喷嘴环组件是用在一种可变截面的涡轮增压器【l 】上的，通过喷 嘴环组件中叶片的开闭，带来进气通道截面的变化，从而控制涡轮增压器中进 气量与压缩量，使涡轮增压器和发动机达到最佳匹配。本文主要的内容是针对 喷嘴环组件中叶片设计出一台专用磨床，解决其加工存在的问题并提高其制造 精度。 本文对常用的几种磨削工艺方案的对比和分析，找到他们的优缺点，再针 对叶片的材料和结构特点，将以上工艺方案进行重新整合和优化，提出了一种 新型的磨削工艺方案。从磨削工艺方案的角度出发，通过查手册和计算得到主 要的磨削参数，然后确定各个部分的布置形式，逐步的完善机床的各部分结构 和布局，最后绘制出机床的整体方案图。 基于总体方案的布置，针对主要的部件进行内部的结构设计。采用多形式 对比分析，确定大致结构。再按照设计手册的要求，结合磨削工艺参数的实际 情况设计并校核了主要运动件，最后绘制出内部结构图。 + 最后从经济性的角度出发，对该专用磨床的大型结构件床身进行有限元分 析和优化设计。借助c a d 软件建立了床身的参数化建模，并针对其三维模型进 行了有限元分析，了解了其动静态特性并给予评估。通过评估结果的要求，设 定动、静态优化指标对床身进行回溯设计。借助c a e 软件平台使其满足设计要 求，最终找到边界条件下的最优解，重新升级床身模型。 本文主要是针对叶片加工在现有加工工艺上存在的问题设计出了一台专用 磨床，克服了叶片在通用磨床上的精度以及效率问题。此外针对设计过程中， 依靠经验和类比而设计的结构部件床身，进行了分析和优化，使其满足设计要 求的同时降低了生产成本。 关键词：工艺分析，砂带无心磨削，结构设计，优化设计 a b s t r a c t w i t hm o r ea n dm o r ep e o p l et op a ya t t e n t i o nt oe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a n d t h ei n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n ee m i s s i o n sr e s t r i c t i o n sa l s ot e n dt ob es t r i c t l y t u r b o c h a r g e r s ，雏ak i n dm e c h a n i c a ld e v i c e ，w h i c hc a l li n c r e a s et h eo u t p u tp o w e r w i t h o u ta n yi n c r e a s ei nf u e lc o n s u m p t i o n ，h a sb e e nw i d e l ys t u d i e da n da d o p t e d t u r b o c h a r g e rc o m p o n e n t sa r eu s e di nt h en o z z l er i n gav a r i a b l eg e o m e t r y s e c t i o no nt h et u r b o c h a r g e r , t h r o u g ht h en o z z l er i n gi no p e na n dc l o s et h el e a v e so f t h ec o m p o n e n t s ，b r i n gi n l e tc h a n n e ls e c t i o nc h a n g e ，s oa st oc o n t r o lt h es u b s y s t e mo f t u r b o c h a r g e ra n dc o m p r e s s i o n , m a k et h et u r b o c h a r g e r sa n de n g i n et o a c h i e v et h e b e s tm a t c h t h i sp a p e rm a i n l yi st h ec o n t e n to ft h en o z z l er i n go fb l a d e sf o r c o m p o n e n td e s i g no n es p e c i a l i z e dg r i n d e r ，s o l v et h ep r o b l e m sw h i c he x i s t i n gi nt h e p r o c e s s i n ga n di m p r o v et h em a n u f a c t u r i n gp r e c i s i o n i nt h ep a p e r ，w ec o n t r a s ta n dr e s e a r c hs e v e r a ln o r m a lg r i n d i n gp r o c e s sp r o g r a m ， f i n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，t h e n , a c c o r d i n gt ot h em a t e r i a la n ds t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so fl e a f , w ea b o v et e c h n o l o g yi n t e g r a t i o na n do p t i m i z a t i o n ，a n dp u t f o r w a r dan e wk i n do fg r i n d i n gp r o c e s sp r o g r a m f r o mt h ep o 试to fv i e wo ft h e g r i n d i n gp r o c e s sp r o g r a m , t h r o u g ht h ec h e c km a n u a la n dc a l c u l a t e d t h em a i n g r i n d i n gp a r a m e t e r s ，w ed e t e r m i n ev a r i o u sp a r to ft h ed e c o r a t eaf o r m ，g r a d u a l l y d e s i g na l lt h ep a r t so ft h em a c h i n es t r u c t u r ea n dl a y o u t , a tl a s t , r e n d e r i n gt h ew h o l e s c h e m ef i g u r e b a s e do nt h eo v e r a l ls c h e m eo ft h el a y o u t , w ed e s i g nm a i np a r t so ft h ei n t e r n a l s t r u c t u r e t h o u g ht h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h ef o r m ，w eg e t t i n gr o u g h s t r u c t u r e i na c c o r d a n c e 、i mt h er e q u i r e m e n t so ft h em a n u a ld e s i g n ，c o m b i n e dw i m t h ep r a c t i c a ls i t u a t i o no ft h eg r i n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，w ed e s i g na n dc h e c k e dt h e m a j o rs p o r t sp i e c e s ，d r a wt h ei n t e r n a ls t r u c t u r e f i n a l l y ，s t a r t i n gf r o mt h ee c o n o m i cp o i n to fv i e w ，w em a d ea f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n dd e s i g no p t i m i z a t i o nt ot h eb e do ft h es p e c i a lg r i n d e r w eu s i n gc a d s o f t w a r ee s t a b l i s h e dl a t h eb e do f p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n g ，a n dl e a r nt h ed y n a m i ca n d s t a t i cc h a r a c t e r i s t i ca n dg i v e se v a l u a t i o n t h r o u g ht h ee v a l u a t i o n r e s u l t s l i r e q u i r e m e n t s ，w es e tt 1 1 es t a t i ca n dd y n a m i co p t i m i z a t i o ni n d e xt or e t r o s p e c t i v e l y l a t h eb e dd e s i g n w i t ht h eh e l po fc a e s o f t w a r e ，w el e a r ns a t i s f yr e q u i r e m e n t s ，a n d f i n a l l yf o u n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h eo p t i m a ls o l u t i o n ，t ou p g r a d el a t h eb e d m o d e l t h i sa r t i c l ei sm a i n l yf o rl e a fp r o c e s s i n gp r o b l e m si nt h ee x i s t i n gp r o c e s st o d e s i g nas p e c i a lg r i n d e r ，t oo v e r c o m et h ea c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo ft h eb l a d e so n t h eu n i v e r s a l g r i n d e r i na d d i t i o n ，t h ed e s i g np r o c e s s ，s t r u c t u r a l c o m p o n e n t s d e s i g n e dt or e l yo nt h ee x p e r i e n c ea n da n a l o g yb e d ，c a r r i e do u ta n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o n ，t om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sw h i l er e d u c i n gp r o d u c t i o nc o s t s k e yw o r d s ：p r o c e s sa n a l y s i s ，s a n db e l t sw i t hc e n t e r l e s sg r i n d m g ， d e s i g nf o rs t r u c t u r e ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n i l l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的与意义 本课题研究的是内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件叶片加工的专用设 备。该叶片采用的是金属注射成型的制造工艺方法，在现有的工艺方法及加工条 件下，生产的叶片精度不够，达不到主机市场的要求，只能进入配件市场。该专 用磨床的研究旨在对成型后尺寸精度达不到要求的叶片进行再加工，使其满足叶 片销轴外圆的圆度和叶片端面与销轴的垂直度的公差要求。 近年来，机动车尾气排放造成的环境破坏问题越来越严重，汽车的节能减排 已成环保部门监管的重中之重。如何在节能减排的情况下，依旧保证发动机动力 输出和工作效率成为一大课题。涡轮增压器作为能进一步增加输出功率的唯一机 械装置，被广泛研究与采纳。涡轮增压器能在不加大发动机排量的条件下，较大 幅度提高发动机的功率及扭力2 0 到3 0 。 涡轮增压器的工作原理类似于空气压缩机的原理，涡轮增压器由泵轮和涡轮 两主要部分构成，他们由转子相连。发动机气缸燃烧后排除的废气驱动泵轮转动， 泵轮通过转子带动涡轮旋转，涡轮旋转给迸气系统增压，高压的空气进入气缸内， 是得燃料燃烧更加充分，从而达到增加发动机输出功率的目的。为了更好的匹配 空气压缩量与转速之间的关系，涡轮增压器则是采用了活动的喷嘴环组件，多个 可以绕自身轴心旋转的叶片构成的可变截面的进气通道，叶片的旋转角度的变化 带来进气通道截面的变化，从而很好的控制进气量与压缩量，使发动机和涡轮增 压器达到最佳匹配。 由于叶片在工作状态下，环境温度高，叶片受冲击载荷大，叶片材料采用的 是力学性能较好的耐温合金，而此材料属于难加工材料范畴，再加上叶片本身的 结构细小、不规则，导致了叶片在传统工艺后难以采用现有装备加工。本课题所 研究的专用磨床意在解决以上问题，该专用磨床能很好的保证叶片磨削精度，克 服叶片制造工艺中所存在的问题，提高叶片尺寸精度，使叶片的生产精度达到主 机市场的标准，还能适量扩大加工范围。 随着环境保护逐渐被人们重视，汽车尾气排放标准将越来越全面化和严格 化，提高能源利用率的要求迫在眉睫。该项课题的研究，提高了喷嘴环组件叶片 的生产精度，有利于这项技术在汽车及其他机动车辆上的大幅推广，同时也符合 时代发展对制造业生产的要求。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题研究的现状及存在的问题 目前，这种可变几何涡轮增压器喷嘴环组件叶片国内外普遍采用耐热合金制 造，以应对叶片在高温高压下耐磨性能好，不易氧化和抗冲击和蠕变能力强的要 求。其制造工艺方法如下： 1 采用金属注射成型工艺方法【l 】制造； 2 外购各种原材料，按工艺配比混合并粉碎； 2 在相应模具中注射成型： 4 成型后进行脱脂； 5 脱脂后，在高温中烧结： 6 进行固熔正火热处理： 7 热处理后进行整形抛光，检验入库。 通过以上工艺方法，在目前的生产环境下制造出来的叶片精度达不到设计要 求，只能进入配件市场，达不到主机市场的标准。当成型后的叶片尺寸精度达不 到要求时，现有的方法是人工对已成型的叶片进行分类，找到尺寸过大的叶片， 然后人工夹持，在普通磨床上磨外圆、靠端面，以保证圆度和垂直度的要求。此 方法效率低，可靠性差，主要由工人目测以及技术熟练程度、经验来保证最终加 工效果，生产出来的叶片精度差，只能当配件使用。叶片头部重量大，体积小， 形状不规则，而销轴的另一端台阶端直径小长度短。制作的专用夹具很难保证叶 片能在加工时，能够始终绕自身销轴中心轴旋转，而且销轴本身长度短，专用夹 具的尺寸也受到严格限制。普通无心磨床上工件采用自身定位能够克服使用专用 夹具的弊端，但是由于叶片头承载了整个叶片的大部分重量，在磨削的过程中整 个叶片重力并不是落在工件支架上而是在头部，因此在磨削的时候必须有支撑。 另一方面，叶片销轴也需要保证其与端面的垂直度，这个磨削过程中同样要面临 专用夹具不便夹持的问题。 终上所述，在以上工艺方法下，对叶片再次进行加工则面临以下几个问题： 1 叶片材料为高温合金，磨削过程中易粘附堵塞砂轮； 2 叶片不便夹持，而且定位后很难保证加工过程中，叶片其始终绕自身旋 转中心转动； 3 如若靠外圆自身定位，叶片头过重，叶片如何保证加工过程中自身平衡； 4 两道工序最好采用相同的定位基准，以保证较高的加工精度。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题研究的内容及研究方法 该课题的研究内容和相应的研究方法如下： 1 首先查阅资料，提出多套可行的加工方案，对其分别作出评估，比较之 间的优劣，确立可行的磨床的加工工艺方案； 2 以各种机床设计相关手册为依托，将理论与实践经验相结合，从磨床的 加工工艺方案出发，对整机布局进行方案设计并绘制总体方案图纸： 3 在总体方案图纸的基础上，对关键部件进行内部结构设计，确定结构形 式； 4 借助c a e 软件对机床重要结构进行有限元分析，分析其静态特性和动态 特性，查找缺陷，并对结构作进一步优化设计。 拟研究的技术路线如下图所示： 图1 1 课题研究技术路线 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章叶片磨削工艺方案及成形运动分析 磨削是指用磨料、模具等切除多余材料的加工方法。其加工精度高，工艺范 围广泛，磨削的工艺方法根据加工的目的和要求有很多形式。 涡轮增压器可变喷嘴环组件叶片采用粉末冶金制造的方法，叶片形状不规 则，其后续加工存在定位和选择合理的磨削方式等困难。传统磨床很难解决加工 中存在的问题，本章提出了多种常用的磨削方案，通过比较可行性和可靠性，最 终确定该专用磨床的磨削方案及相关磨削参数，为后续机床的结构设计提供参数 依据。 2 1 叶片磨削工艺方案的确定 2 1 1 叶片材料磨削特点 涡轮增压器可变喷嘴环组件是在高温、高压、高热冲击的环境下工作，叶片 自身转动需要顺应高速、高温燃气的流动，撞击损失、摩擦损失较大，需要叶片 具备很好的高温性能，包括抗高温腐蚀、蠕变和氧化能力，高温下要保持较好的 强度和耐磨性等。 基于以上要求，叶片材料选用了镍铬铌基进耐热合金，其化学成分为：碳 o 2 0 4 ，硅0 7 5 1 7 5 ，镍1 9 2 2 ，铬2 3 2 7 ，铌0 7 一1 5 ，锰s 1 5 ，其余为 铁【1 1 。这种耐热合金具有热导率低、较高高温强度和硬度，能满足工作环境对叶 片自身的要求。 尽管此类材料有以上优点，但是也存在诸多不足之处，其磨削有以下特点【2 】： ( 1 )砂轮磨削过程中，易粘附堵塞砂轮 磨削这这种材料时，如采用砂轮磨削，则砂轮除了磨粒磨耗、磨损外，会出 现严重的粘附堵塞现象。砂轮磨粒和粘结剂表面会被磨削掉的高温合金材料粘 附，从而使得一部分的磨粒磨削能力丧失，造成砂轮的钝化。 ( 2 )磨削力大 磨削耐热合金所需要的磨削力与磨削一般钢料的磨削力相比较要大许多。耐 热合金在高切削温度下仍旧能保持较高的强度和硬度，材料的切削变形功较大， 这与耐热合金的合金元素特性密切相关。而且钝化后的砂轮会使磨削力进一步增 大，这就加快了砂轮的损耗。 ( 3 )磨削温度高 4 武汉理工大学硕士学位论文 磨削这种耐热合金产生的热量比磨削普通钢料产生的热量大得多。方面， 磨削过程中，由于耐热合金易与砂轮磨粒粘附，已磨削掉的合金材料粘附在砂轮 磨粒上，又再次与待加工的耐热合金材料表面接触磨削，两者之间的摩擦系数增 大，同时该合金材料本身磨削加工力大，产生了大量的热；另一方面，材料具备 较低的导热率，磨削产生的热量不能及时散发，集中在了被磨工件的表面处，导 致了加工处的温度过高。 ( 4 )较差的表面质量 基于以上磨削过程中磨削力大、温度高，磨削过后的工件表面质量很难得到 保障。此外，加工过程中的冷作硬化现象也导致了工件表面质量的降低。 耐热合金因其优良的高温性能，被广泛的应用于各个领域。但是，这种材料 是属于难加工材料的范畴，加工过程会面临很多问题。而所研究的加工叶片除了 以上材料本身的加工特性，还有自身结构问题需要解决。 2 1 2 叶片结构磨削特点 这种喷嘴环叶片外形基本类似，各种规格的叶片仅在尺寸大小、叶片三维曲 面形状方面发生变化。本文以d j 4 9 1 这种规格的叶片为例，作为待加工叶片来 展开整台磨床的设计和研究。叶片的结构如图2 1 所示： ( a ) 图2 1 叶片结构图 ( b ) 从上图可以看出，这种叶片由叶片头和圆柱销轴两部分构成，叶片头侧面为 三维曲面，以顺应高速、高温、高压的燃气流动的，叶片头端面为普通平面，且 与圆柱销轴垂直：圆柱销轴与叶片头相连，由圆角平滑过渡，圆柱销轴的末端有 一小段台阶轴。整个叶片的绝大部分重量是由叶片头承担的。 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 2 所示，是这种型号叶片的部分二维设计图纸： 广咂圃 i n o i 6 3 ：0 0 5i o 4 - 1 n 芦 否 旦窖绝 参 i 上f 0 0 1 3 1 a i 一 吐 划 童 景 4 1 2 士o 0 0 7 r o 2m a x 吣胛卢 ，一 3 一d 盘l= i o 溉龇i 声 图2 2d j 4 9 1 叶片部分设计图纸 经过传统工艺制造后的叶片不能满足图纸中对销轴垂直度和销轴外圆圆度 以及表面粗糙度的设计要求，这就是专用磨床需要解决的加工问题。由图纸可知， 外圆圆度为o 0 0 7 m m 、垂直度为0 0 1 3 m m ，叶片销轴的圆度是自为基准，而垂直 度是以叶片头下端面a 做设计基准，这两个形位公差的数值都是微米级的，外 圆及端面的表面粗糙度为0 8 ，精度要求比较高。 销轴的待磨削段长度只有l o m m ，比较短，直径4 2 m m ，属于细短轴。叶片 在工作状态下，是绕自身销轴作回转运动的，而从叶片头端面的不规则图形是很 难直接找到销轴的回转中心的，这就意味着磨削外圆时，从叶片头方面着手来寻 找定位基准是非常困难的，而且，叶片头侧面为不规则三维曲面，采用常规夹具 很难定位及夹紧。叶片下端的台阶轴与待加工销轴同心，可以考虑用来做定位基 准，常规夹具也比较容易实现，但是只有3 2 r a m ，非常短，而且叶片重心偏离较 远，夹紧时必须要有辅助支撑。叶片端面可以与销轴互为定位基准，端面的磨削 则可以将加工后的销轴作定位基准，以此来保证垂直度的要求。 2 1 3 几种常用的磨削工艺方案 磨削加工根据被加工对象的工艺目的以及加工要求的不同已经逐步形成多 6 武汉理工大学硕士学位论文 种加工形式的加工工艺。针对该喷嘴环组件叶片的磨削特点，以下列举出几种常 用的外圆、端面的磨削工艺方案【4 1 。 2 1 3 1 砂轮外圆磨削 砂轮外圆磨削主要是针对各种圆柱体、台阶轴等轴类零件的外圆面，磨削精 度可达到i t 5 i t 6 ，表面粗糙度能达到l ho 8 0 2 1 t m 。 外圆纵向磨削 磨削时，砂轮旋转，工件则以自身轴线做回转中心旋转，两者之间做相对运 动。通常有两种磨削方式，一种为砂轮仅作回转运动，工件纵向迸给进行磨削； 另一种为工件不动，砂轮纵向往进行磨削。其磨削简图如下所示： ( a ) 工件移动 图2 3 外圆纵向磨削示意图 ( b ) 砂轮移动 纵向磨削时，砂轮整个宽度上的磨粒工作状况不同，处于相对纵向运动前端 的磨粒最先与工件接触，起主要磨削作用，切除工件大部分的余量；位于相对运 动后面的磨粒再与工件表面接触时，磨削余量已经大大减少，该部分的磨削主要 是减小工件表面粗糙度，提高工件表面磨削质量。纵向磨削背吃刀量和磨削力都 较小，因此磨削温度也低，磨削表面散热好，质量高、加工精度好，在实际生产 中多应用于细长轴等刚性较差的工件；但是，加工时需要多次走刀磨削，而且砂 轮整个宽度上的磨粒只有前端起磨削作用，磨削效率低，只有在单件及小批量生 产才采用这种磨削方式。 外圆切入磨削 磨削时，工件仅作回转运动，砂轮旋转，并做横向进给对工件进行切削，其 磨削简图如下所示： 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 外圆切入磨削示意图 切入磨削时，砂轮在整个宽度上的磨粒工作状况是一样的，同时与待加工表 面接触，进行磨削，克服了纵向磨削时只有前端磨粒参与主要磨削的弊端，磨削 的效率大大提高，适用于大批量生产。但是，此种磨削对砂轮表面的磨粒均匀程 度要求很高，因为磨削时，一旦砂轮修整不当或整个宽度上的砂粒磨损程度不一 时，砂轮外形失真，无论是工件几何形状度还是表面粗糙度都会受到影响，使磨 削质量降低。当整个宽度的砂粒连续参与横向切入时，该磨削方法还存在排屑的 问题。除此之外，该方式磨削加工过程中发热量大、相对散热差，极易损坏工件 表面，降低加工质量。 2 1 3 2 砂轮端面磨削 平面磨削主要用在平面磨床上磨削平面、沟槽等。平面磨削分为两种，一种 是周边磨削，用砂轮外圆表面对工件待加工表面磨削；一种是端面磨削【3 1 ，采用 用砂轮端面进行磨削。 端面纵向磨削 磨削时，工件自身绕轴心旋转，并和工作台一起纵向进给，砂轮仅作定轴转 动，依靠砂轮端面与工件端面接触磨削，其加工简图如下： 图2 6 端面纵向磨削示意图 8 武汉理工大学硕士学位论文 此种加工方式，砂轮的端面和工件端面是直接接触切削，砂轮的端面平整度 要求很高。砂轮端面与工件的接触面大，即磨削过程中进行磨削的磨粒也多，磨 削效率高。而且，纵向磨削时，工件主要受到轴向力，工件弯曲变形小，加工的 刚性好，因此可以采用较大的磨削用量，生产效率也高。这种方式的缺点是磨削 热大，会损伤工件表面，降低质量，同时排屑困难，因而要求加工过程中要有充 分的磨削液进行冷却和冲洗。 此种加工方式一般适用于精度较低、余量较大的工件生产。此外，如果待加 工工件端面和销轴垂直度有要求时，该方式还可以与纵向外圆磨削工艺相结合， 实现在一个加工工位上同时完成“磨外圆、靠端面 。 端面切入磨削 磨削时，工件定轴转动，砂轮旋转，横向移动对工件端面进行切削。其加工 示意图如下： 图2 7 端面切入磨削示意图 根据此工件的特征，选用碟形砂轮端面切入磨削。此方法与端面纵向磨削相 比，磨削接触面积小，同时处于磨削工作状态的砂粒数少，效率较低，但是排削 条件较好，发热量少，一般适用于小批量生产。磨削过程中，工件主要受磨削扭 转力矩，工件在加工过程中的变形程度小、刚性好，精度高适用于精磨。碟形砂 轮外边缘教薄，磨削后端面和销轴之间的过渡圆弧也较小，工艺性好。 2 1 3 3 无心磨削 无心磨削【4 1 是工件靠自身外圆定位，工件不定固定的回转中心线，在磨削的 过程中自己找正，其磨削加工图如下： 9 武汉理工大学硕士学位论文 砂少 工件 导轮 ：潍心 1一 i ，硒 ( )( h _ - _ 夕( j _ jl _ jl 卜- 一 一、 - ，一- _ 、 厂 f 、 i 厂 图2 8 无心磨削示意图 无心磨削工件靠自身外圆为基准，适用于本身不易夹持的加工工件。磨削加 工过程中，一方面，砂轮径向进给，磨削外圆；另一方面，工件在有倾角导轮的 摩擦下，始终有一个轴向力使工件在轴向上自动进给。无心磨削支持刚度好，工 件变形小，加工精度高，并且生产效率高，适用于大批量生。 2 1 3 4 砂带磨削 砂带磨削【5 】其实是采用粘满尖锐磨粒的砂带代替砂轮对工件进行磨削。其磨 削过程跟砂轮磨削一样，都分为弹性摩擦变形、刻划、切削三个阶段。 砂带磨削需要有接触轮和张紧轮，砂带套在接触轮的外边缘对工件进行磨 削，磨削过程中可以通过控制接触轮运动来控制砂带与工件间的接触磨削力与磨 削用量，同时，与带传动类似，要使得砂带与接触轮之间不会打滑，需要张紧轮 张紧砂带，使其具备一定的初拉力。其加工示意图如下： 图2 9 砂带磨削示意图 砂带磨削速度快，效率高。同时，因为其磨削过程中，磨削完的砂带部分要 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 绕接触轮和张紧轮一个整周期才会再次参与磨削，磨削散热条件好，m - t 精度高。 设备结构较简单，接触轮通常工况下不易损坏；传动链短，有很好的磨削的稳定 性。辅助的时间少，工件工位确定后，加工过程中若砂带损坏，可多次更换砂带， 减掉了砂轮磨削修整工作环节。 2 1 4 叶片磨削工艺方案的比较与确定 结合叶片材料和结构的磨削特点，分别对以上加工外圆和端面的磨削工艺方 法进行比较分析其优缺点。 2 1 4 1 外圆磨削工艺方案的确定 磨外圆的方法有四种，分别是砂轮外圆纵向磨削、砂轮外圆切入磨削、砂轮 无心磨削和砂带磨削。再从加工工件的定位加紧方式着手，可以看出无心磨削时 是依靠工件自身外圆定位，而其余的加工方式均采用一端夹持、一端辅助支撑的 方式。而加工工件的结构磨削特点可以看出，工件短、尺寸小、叶片头为不规则 形状，一方面通过夹持叶片头去找到回转中心很困难，另一方面工件销轴直径小、 长度短，整个销轴外圆都是待加工区域，仅仅留有后端细、短阶梯轴可供夹持， 空间较小。因此，选用无心磨削的定位方式。 选定磨削定位方式后，需要选择合适的磨具材料。该工件是高温合金，通过 以上工件材料磨削特点的分析，若采用普通砂轮磨削的方式，则对砂轮的要求很 高，通常加工刀具材料有硬质合金、立方氮化硼【7 】；若采用砂带磨削的方式，则 一般选用锆刚玉砂带。针对高温合金比较容易粘砂轮这一特性，选用砂带的磨削 方式。 将砂带磨削和无心磨削的加工方式相结合，在无心磨削的基础上加以改进。 沿用无心磨削的定位方式，但是将无心磨削的砂轮用砂带结构去替代。同时，由 于工件轴向方向上的加工长度短，砂轮的宽度足以一次磨削外圆，工件无需做轴 向移动，把导轮的倾角去掉，使其和工件的叶片头端面平行，而在工件轴向方向 上设置支撑件，控制工件的轴向位置。 2 1 4 2 端面磨削工艺方案的确定 端面磨削的方法有两种，端面纵向磨削和端面切入磨削。该叶片的加工精度 较高，表面质量要求很高，因此，选用端面切入磨削，并采用锆刚玉碟形砂轮。 而工件的定位方式则采用和磨外圆相同的定位方式，因此，需外加一个压轮，该 压轮主要起辅助定位的作用，相当于无心磨削中的砂轮，但是不起磨削作用。 2 1 4 3 最终机床磨削工艺方案的确定 武汉理工大学硕士学位论文 外圆和端面的磨削工艺方案大致确定后，尽可能的将两者相结合起来，最好 做到两个加工工位在同一台机床上完成，省去中间的下料、上料、重新定位的环 节，既保证加工精度同时节省加工工时。 比较两个磨削工艺方案，发现两者的定位方式是一致的，工件都是在托板上， 而且都是导轮摩擦带动工件旋转进行磨削。如果把两个导轮合并成一个导轮，两 个加工工位分处导轮两边，这样在同一个导轮的带动下，两个加工工位处的磨削 可以同时进行。另外，在磨削端面工位处，在不妨碍碟形砂轮磨削的情况下，额 外加一个旋转的压轮，起径向定位的作用，同时也带动工件旋转。初步方案如下 图所示： 56 7 8 9 图2 1 0 砂带磨削初步方案示意图 1 一接触轮：2 砂带；3 一导轮：4 一碟形砂轮； 5 、6 托板：7 一压轮；8 、9 一工件； 接下来，进一步发现，工件在左右两个工位处相对于中间导轮的位置是一样 的。左边的工件在磨削外圆完毕后，如果中间的导轮能够通过旋转带动使其绕导 轮半周到达上图右边端面磨削工位处，接着参与端面磨削，就将两个加工串联起 来了。设想在导轮外圈有一个定位轮，定位轮上围绕导轮中心线开数个对称的小 槽，当加工时，小槽的上下壁替代托板起定位作用，加工完毕后，定位轮旋转， 将左边加工完的工件带到右边加工处，完成自动传输工作。但是在传输过程中， 小槽不足以保证工件周向位置，考虑到砂带磨削时，砂带与工件在接触轮的作用 下才参与磨削，因此，把砂带展开，未参与磨削的砂带部分可以绕在定位轮，这 样就起到叶片传输过程中的周向固定的作用。同时根据砂带设计要求布置四个滚 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 轮，其中两个保证砂带与定位轮的间距，另外一个做张紧轮，一个做主动轮，满 足砂带磨削设计的基本原理。而右端的端面磨削工位，则采用对称的方式布置， 用丝带替换掉砂带。 根据以上想法，把导轮经过更改，得到以下最终磨削工艺方案，如下图所示： l 厂厂。 u 1 ，j 3 0 ：1 ，一 二 1 一 工 、 ， 、，、7 j l ，表示工件第i 次谐波振幅磨削磨坏掉了；卢，= l ，表示前后无 变化；j l l ， l ，成圆过程好。 通过以上分析，得知叶片外圆要想采用无心磨削的磨削方案，必须要有合适 的中心高。以下由计算法确定中心高h 【4 1 。 厅= 蠡y 桀粼 公式中d 。砂带在接触点处的弧度直径即为接触轮直径 d 。工件直径 d ，导轮直径 y 工件与砂轮、导轮接触点的切线角 在这里，按以= 1 5 0 m m ，d 。= 4 2 m m ，d ，= 4 0 0 m m ，y = 5 。，由以上公式计算得 h = 4 8 5 m m 。折算至小槽水平线的倾角9 为： 舻a r c 酊n 云乞= a r c s m 仉0 2 4 - 1 3 8 0 一t 一 22 2 3 本章小结 本章详细的对叶片材料和结构特点进行了阐述，同时讨论了叶片在加工过程 中所面临的困难和所需要考虑的问题，并结合以上结论对各种常用的叶片磨削工 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 艺方案进行分析和比较。通过对各种磨削工艺方案的整合，在此基础之上，提出 了砂带无心磨削的加工工艺方案，并对其应用无心磨削原理的成型过程进行了运 动分析，并通过计算得到了部分参数。本章的内容为下一步的机床整体方案设计 打下设计基础。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章机床总体方案设计 叶片的磨削加工是通过机床的各个机械结构有序的按照既定运动轨迹来实 现的，因此，合理机械结构设计是叶片加工成形的关键。上一章，重点讨论了该 工件的磨削工艺方案，简要的描述了工件与磨具、支撑件之间的位置关系。这一 章将进一步完善方案图中各个部件的机械结构形式，并确定其相对运动关系。 3 1 机床布局形式的确定 3 1 1 机床布局概述 机床的布局主要反映了机床各个主要部件的位置关系。按照x 、y 、z 三个空 间坐标轴布置来细分，现代化的工序机床设计有以下几种结构布局形式，如图 3 1 所示。 图3 1 机床结构布局形式图 ( a ) 纵向水平布局( b ) 横向水平布局( c ) 垂直布局( d ) 垂直倾斜布局 ( e ) 水平倾斜布局( f ) 水平鼓轮布局( g ) 垂直鼓轮布局( h ) 水平圆盘式布局 ( i ) 垂直圆盘布局( j ) 垂直星形布局 武汉理工大学硕士学位论文 在设计机床的结构形式时，应先确定加工对象和加工工艺方案；而后再来确 定机床必备的运动部件；最终，结合机床总体性能要求确定这些部件的相对位置 和运动。在设计过程中，要充分考虑到“人、机、环境 之间的关系。好的布局 能够使得机床获得以下较好的综合特性： ( 1 ) 可靠性，合理的布局能很好的分配各部件之间的受力、运动方向等情 况，提高机床的刚度、强度与稳定性； ( 2 ) 方便性，既包括使用者的方便即人机之间的互动，例如上料高度、操 作方向等等，也包括后续维修者的方便，例如更换零件、拆卸装配等； ( 3 ) 经济性，通过合理的布局减少不必要的载荷，改善受力状况，相应的 减轻了部件的重量，在后续机床要大批量生产时中尤为重要； ( 4 ) 美观，好的布局能够使机床各部件看起来协调、清晰。 3 1 2 机床布局方案比较及确定 在分析整体机床布局之前，要大致确定机床的主要功能部件。砂带磨削工艺 方案( 图2 1 1 ) 中，左边部分主要是起到磨削外圆的作用，把左边的砂带、滚轮、 接触轮等零件所构成的部件，称为砂带外圆磨削磨头。而右边对称的整体部件， 称为端面磨削辅助支撑部件。中间的定位轮和导轮所在的部件，称为主轴箱部件。 碟形砂轮所在的部件，称为端面磨削磨头部件。再加上总体支撑件床身，一共有 五大部件。 由机床磨削加工工艺方案可知，机床的主轴呈水平布置，两磨头均分布在主 轴箱两侧，因此该机床采用横向水平布局。下面具体的把几大部件按照不影响磨 削加工的前提条件下组合起来，一共有以下几种典型布局： ( a ) 1 8 5 2 1 4 1 j ( b ) 武汉理工大学硕士学位论文 - 1 5 2 3 4 ( c ) 5 1 厂 32 4 图3 2 机床结构布局方案 ( d ) l 一主轴箱部件；2 一外圆磨削磨头部件；3 一端面磨削支撑部件； 4 - 端面磨削磨头部件；啉身 下面针对这四种典型布置方式，分别分析其优缺点： 如图3 2 ( a ) 所示的方案一中，外圆磨削磨头部件和端面磨削支撑部件反 向、对称布置，分布在主轴箱两侧；端面磨削磨头部件布置在支撑部件后方。其 缺点： ( 1 ) 由于外圆磨削磨头部件和端面磨削支撑部件的反向布置，拉长了操作 者与机床上料处之间的距离，又减小了操作宽度，使得操作空间狭小，不利于工 作。 ( 2 ) 由于端面磨削加工的需要，端面磨削支撑部件和端面磨削磨头部件在 俯视平面中有较大的重合，增加了端面磨削磨头部件的工作行程，也约束了空间 位置，不利于后续结构设计。 ( 3 ) 砂带和丝带更换不便，尤其是丝带，更换时要考虑到端面磨头部件的 干涉问题。 图3 2 ( b ) 所示的方案二，是将方案一中的外圆磨削磨头部件正向布置。 改善了方案一中工作空间狭小，工作距离长的问题，但是另外两点问题依旧没有 解决。 图3 2 ( c ) 所示的方案三，将外圆磨削磨头部件和端面磨削支撑部件正向 布置，并且将端面磨削磨头部件布置在前方。很好的解决了方案一的三个问题， 工作空间加大，端面磨削磨头部件的结构不受限制，丝带和砂带更换也方便。 图3 2 ( d ) 所示的方案四，是将方案三的整体布局左右镜像过来。由于通 常操作者大多数操作是靠右手完成，但是，镜像过来后，操作者被迫要改用左手， 给工作带来了不便。 通过以上四种方案的分析与比较，最终选定方案三作为机床的最终布局形 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 式。 3 2 运动过程分析 针对该机床的磨削工艺方案图( 2 1 1 ) ，以工件为参照物，随着工件在整个 加工过程中的流动，依次分析其他零件的运动方式： 上料开始时，工件在定位轮的槽中，随着定位轮开始逆时针转动，被带到外 圆磨削加工工位处，定位轮停止，完成加工前预备工作。需要注意的是在整个分 析过程中导轮一直旋转带动工件自转。 接下来开始进入外圆磨削加工过程，工件到达加工处后，外圆磨削磨头中的 接触轮开始缓慢向左径向进给，砂带在接触轮压力下逐渐与工件接触并产生磨削 力开始加工，随着接触轮到达设定的位置，工件的表面多余的材料被磨削完毕， 接触轮开始反向退回初始位置，砂带与工件之间的压力消除即磨削力消除，外圆 磨削过程完毕。 定位轮重新开始转动，到下一个待加工工件到达外圆磨削工位处后又停止， 完成一