（机械工程专业论文）珩磨机往复系统的研究与开发.pdf

摘要 本论文介绍了珩磨机的发展以及珩磨加工的特点，总结了现有的珩磨机往 复系统：平行盘往复机构、曲柄连杆往复机构、液压往复机构以及正在开发的 滚珠丝杠往复结构。这些往复结构适用于加工不同加工参数范围的零件，所以 新开发的滚珠丝杠往复的珩磨机拓宽了我厂珩磨机的加工范围。虽然伺服电机 驱动滚珠丝杠运动在加工中心等机床上使用非常普遍，但由于珩磨机的往复系 统与加工中心等滑台的运动要求截然不同，所以，在开发设计的过程中，着重 傲了如下工作：1 ) 对滚珠丝杠副进行计算和校核。2 ) 伺服电机的选择和校核 3 ) 控制系统的选择和实现。最终，成功开发该珩磨机并实现了商品化。 关键词珩磨机；滚珠丝杠；往复系统 北京工业大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rm m 山c e dt h ed e v e l o p m e n to fh o n i n gm a c h i n ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e h o n i n g i ts u m m a l 诬dt h ee x i s t i n gr e c i p r o c a t i n gs y s t e mw h i c hh a v ep a r a l l e lp l a t er e c i p r o c a t i n g s y s t e m , c o n n e c t i n gr o dr e c i p r o c a t i n gs y s t e m , h y d r a u l i cr e c i p r o c a t i n gs y s t e ma n dd e s i g n i n gb a l l s c r wr e c i p r o c a t i n gs y s t o n l t h ed i v e r s er e c i p r o c a t i n gs y s t g m sa u s e df o rh o n i n gt h ep a r t s w h i c hp a r a m e t e r sr a n g ei sd i v e r s e s o t h em a c h i n eu s e db a l l $ a 删r e c i p r o c a t i n gs y s t e mw i d e n s t h em a c h i n i n gr a n g eo f o u rh o n i n gm a c h i n e t h es c f v om o t o rd r i v i n gb a l l 船r e wi su s e dw i d e l y i nt h em a c h i n ec e n t e ra n ds oo n , b u tt h em o t i o nt y p ea n dr e q u e s ti sd i f f e t c n tb d h ”mt h eh o n i n g n m c h i n ea n dm a c h i n ec c n 眦s o i nt h ep l o c d k so f d e v e l o p m e n ta n dd e s i g m n gw ee m p h a s i z et h e w o r ks u c ha s ，1 ) c a l c u l a t ea n dc h e c kt ot h eb a l l 辩2 ) s e l e c ta n dc h e c kt h es c mm o t o r 3 ) s e l e c ta n d 把a l i o f c o n t r o ls y s t e m f i n a l l y , d e s i g n e d 垃h o n i n gm a c h i n ea n dm a d et h em a c h i n e b e i n gm a r k e t a b l es u c c e f u u y k e y w o r d sh o n i n gm a c h i n e ；b a l ls c r e w ；r e c i p r o c a t i n gs y s t e m 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：宣丛z 日期：塑笙塑垄厨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：宣丝，蕴 导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 珩磨是对工件表面进行光整和精整的超精加工方法。按加工的表面可分为 内圆珩磨，外圆珩磨、平面珩磨、锥面珩磨等；按加工表面的微观结构可分为 普通珩磨、平顶珩磨和激光珩磨等。在需要珩磨工艺的摩擦副中，圆柱面的配 合最多，例如，各种发动机的缸体，汽车制动泵，油泵，油缸，阀体等。而在 圆柱面的配合中，需要珩磨的就是内孔。所以应用范围最广泛，占绝大多数的 珩磨工艺就是内圆珩磨。本文研究的往复运动就是内圆珩磨的主运动之一 1 1珩磨加工的发展 珩磨加工与其它机械加工方法相比，是一种比较新型的机械加工方法，它 起源于二十世纪初期。( 德国人称珩磨加工于1 9 1 0 1 9 1 2 年起源于德国，美国 人称珩磨加工于1 9 1 9 年由美国人h u t t o 发明，日本人则称其起源于1 9 0 6 年。) 珩磨加工的优越性最早是在发动机行业中为人们所认识，那时仅仅是用手电钻 式的人工珩削，油石为弹簧式自由扩张，珩磨只能提高工件内孔表面的粗糙度。 1 9 2 4 年，开始发展了油石的液压扩展机构，自动测量也开始出现，珩磨机 床开始向自动机床发展。 1 9 3 8 年，珩磨进给机构进一步改善，开始控制油石的进给速度，并能补偿 油石磨损，加工精度进一步提高。 1 9 5 2 年开始出现了完全电子补偿的电子油石扩张机构，机电一体化的珩磨 机床出现。 近半个世纪以来，珩磨技术的发展更加迅速，珩磨理论的研究越加深入， 珩磨机床更向专业化发展，珩磨工艺应用也越加广泛，出现了一些新的珩磨工 艺，像激光珩磨、挤压珩磨、超声波振动珩磨等新的珩磨工艺。但现在使用中 占大多数的还是传统的普通珩磨和平顶珩磨，其发展主要体现在加工精度、表 面质量、加工效率和自动化等方面。 珩磨加工在我国是二十世纪四十年代开始应用的，当时只有为数很少的几 家工厂有为数很少的进口珩磨机床，有的厂家用手电钻来进行手工珩磨。从1 9 5 5 年开始，一些厂家生产简易珩磨机床，从1 9 5 8 年开始，沈阳第二机床厂先后仿 北京工业大学工程硕士学位论文 制生产了m 4 2 1 6 、m 4 2 2 0 、m 4 2 5 0 等中型立式珩磨机床，1 9 6 6 年宁夏大河机床 厂第一次自行设计制造了m 4 2 1 5 珩磨机。1 9 6 5 年北京第三机床厂生产了m 4 2 5 立式珩磨机，我国还有德州机床厂、芜湖重型机床厂等机床厂家也生产了一些 立式和卧式珩磨机床，近年来还有一些公司生产简易的卧式珩磨机床。 1 2珩磨加工的特点 总得来说，珩磨加工主要有如下的四大特点： 1 ) 珩磨加工可以获得高的表面质量。 在珩削中，通过改变油石的粒度以及切削压力的大小，可以极方便的获得 需要的表面粗糙度，一般粗糙度可达到r a 0 4 o 0 1 2 i _ u n ，r z 值可以达到0 1 岫1 以上。珩磨加工时，油石与工件的接触面积大，切削温度低，切削压力为一般 磨削的1 2 ，切削热仅是磨削的1 1 5 0 0 l 3 0 0 0 ，通常切削区的温度在5 0 1 5 0 ，因而被加工工件的热变形小，变质层薄同时，因为珩磨是用固定磨粒 的油石切削，不象研磨加工的表面容易存在嵌砂现象，也不象挤压加工依靠把 前道工序的刀痕压倒，塑性变形而产生极厚的硬化应变层。因而珩磨比一般磨 削、研磨、挤压加工的表面质量好，适用于精密偶件的配合面的加工，使配偶 件在相互运动时噪音小，摩擦系数小，精度稳定，使用寿命高。特别是珩削中， 通过改变旋转及往复运动的比值，可以在被加工表面获得不同交叉角的网纹， 有利于润滑油膜的形成，在高温、高速的运动副摩擦面上，珩磨加工的这一特 点是其他加工方法不能比拟的。 2 ) 珩磨加工可以获得高的形状精度。 一般孔的珩磨加工，圆度可以达到0 0 0 5 m m 0 0 0 1 r a m ，甚至0 0 0 0 2 r a m ， 圆柱度可达0 0 1 m m 0 0 0 1 r a m 。合理的设计珩磨具，珩削也可以提高零件内孔 的直线度精度。 3 ) 珩磨加工可以获得高的切削效率 珩磨是大面积接触的多刃切削，因而具有较高的金属去除率，可以去除较 大的余量，这是研磨加工不能相比的。在内孔加工时，由于珩磨刀具只承受扭 矩而不受弯矩，因而特别适合于加工长径比大的内孔或小孔。一般切削金属去 除率很易达到2 k g h 。大余量切削金属去除率能达到5 0k g h 。 4 ) 珩磨加工成本低廉。 第1 章绪论 由珩削的成型原理所确定，珩磨加工的精度主要是由油石和工件互研达到 的，并不完全依靠于机床的运动精度，一般在工件的夹具或珩磨头连接部分采 用浮动连接，因而对机床的精度要求较低，由表1 所列几种珩磨机床的加工精 度及机床精度与磨床的对比，可以看出在相近的加工精度下，珩磨机床的精度 只有磨床的1 ，3 l ，7 。 表1 - 1 珩磨机床与磨床精度对比( m m ) 珩磨机床磨床 机床加工孔径精，高精 加工孔径( 5 0一般级 5 0 2 5 0 极 加工o ：0 0 0 3o ：0 0 0 50 ：0 0 0 50 ：0 0 0 2 精度租糙度：r a 0 2粗糙度：r a 0 4租糙度：r a 0 ，8租糙度：r a 0 2 主轴跳动：主轴跳动：主轴跳动：0 0 0 7主轴跳动： 旋 0 0 1 50 0 3砂轮轴跳动：o 0 0 5o 0 0 3 机 转 o j d 0 5 床 砂轮轴跳动： 精 度 0 0 0 5 移主轴移动：主轴移动：工作台移动；工作台移动： 动 o 2 1 0 0 0 ( 折算、o 1 6 1 0 0 0 ( t 斤算)0 0 5 1 0 0 0 ( 折算)o 0 3 1 0 0 0 ( 折算) 从上述珩磨加工的特点，可以看出，珩削是一种提高工件表面质量、几何 形状精度、尺寸精度的高效率、低成本的加工方法，珩削与其他切削加工相比 有许多独到之处。 1 3 珩磨机和珩磨工艺的国内外水平分析 1 3 1 国内珩磨机和珩磨工艺水平分析 北京第三机床厂建于1 9 5 9 年，是机械部重点骨干企业和特定振兴企业，是 以生产加工中心、钻削加工中心等机电一体化产品、组合机床、专用机床、珩 磨机床、装配生产线和普通钻床产品为主的机床制造企业。1 9 6 5 年生产了 m 4 2 5 ，1 9 7 1 年生产了m 4 2 2 ，1 9 7 5 年生产了m 4 2 5 b ，1 9 9 0 年生产了2 m k 2 2 5 ， 1 9 9 4 年生产了2 m k 2 2 5 1 ，1 9 9 6 年开发了两轴三工位数控立式珩磨机2 m i c 2 6 5 和高速液压往复珩磨机2 m k 2 2 8 ，本世纪以来开发了b 3 h m 系列产品，现已达 北京工业大学工程硕士学位论文 十多种。现在的主流产品都采用模块化设计。各种模块见表2 所示。 表1 2 珩磨机基本功能模块 p c 伺服定量进给：由5 0 p c 伺服定量进给：巾8 0 进给箱模块 液压单进给 液压双进给 平行盘机构 曲柄连杆机构 往复模块 液压往复机构 滚珠丝杠往复机构 固定工作台 升降工作台 工作台模块 旋转工作台 移动工作台 宁夏大河机床厂1 9 6 5 成立，主要生产珩磨机床、立式钻床、数控机床， 组合和专用机床，该企业1 9 6 6 年生产了m 4 2 1 5 珩磨机，之后又相继生产了缸 套珩磨机、缸体珩磨机、平顶珩磨机、多轴珩磨机等。1 9 7 8 年宁夏成立了珩磨 机床专业研究所，负责我国的珩磨机床的行业工作。2 0 0 3 年1 0 月，根据国家 对国有大中型企业实行规范的改制要求，原宁夏大河机床厂实行分立改制，原 宁夏大河机床厂改制组建为两个民营性质的股份制企业宁夏中卫大河机床 有限责任公司和宁夏银川大河数控机床有限公司 北京第三机床厂和宁夏大河机床厂是国家指定生产珩磨机床的两个企业， 分工为，北京第三机床厂生产巾5 0 以下珩磨机床，宁夏大河机床厂生产巾5 0 以 上珩磨机床，北京第三机床厂机械式往复、定量进给的技术比较成熟，宁夏大 河机床厂液压往复、定压进给的技术比较成熟。现在这两个厂是国产珩磨机床 的主要厂家，都向高精机床的方向发展。 另外，国内一些企业如德州机床厂、芜湖恒升重型机床有限公司、云南丽 江机床有限公司、苏州信能精密机械有限公司、台州市新潮珩磨设备制造有限 公司、南京新科发机电设备制造有限公司等公司也曾生产或正在生产一些立式 或卧式珩磨机，但规模上不够大，技术上不够先进。合资企业上海善能机械有 限公司也生产卧式珩磨机，一些大学和企业也研究一些珩磨技术和珩磨工艺。 4 第1 章绪论 总体来说，国内的珩磨技术与国外还是有一定的差距，主要有( 1 ) 珩磨 工艺上的差距。珩磨强国在珩磨工艺的研究上很到位，因为任何一种机床都是 为一种工艺服务的。而我们在工艺方面功力不够，所以我们在机床设计上就会 有许多盲区。( 2 ) 珩磨机的自动化程度不高。主要是指在生产线上，甚至是无 人车间配套的珩磨机，这样的珩磨机我们的开发能力还比较弱，主要是工件传 动、定位，加工节拍、时序控制、功能部件等方面，我们还有一定的差距。( 3 ) 关主件的加工能力不够。国外一些先进的结构，在我们这里不一定能实现，就 因为我们关主件的加工能力不够，同时给我们的装配带来不便，我们的产品往 往不是装配，而是“配装”。 1 3 2 国外珩磨机和珩磨工艺水平分析 能代表国外珩磨机和珩磨工艺水平的公司主要有德国的g e h f i n g 公司、 n a g e l 公司、k a d l a 公司，美国的善能公司，日本的日进制作所等公司等。 1 9 2 6 年c w g e h d n g 在萨勒河畔瑙姆堡市建立了以他的名字命名的公司， 生产少量的标准的和特殊的珩磨工具。1 9 3 5 年，格林生产了第一台加工发动机 缸体的珩磨机。到现在，它的产品遍布全世界， 德国n a g e l 机床工具制造有限公司创建于1 9 4 0 年，专注于珩磨和超精 磨两大领域的技术研究，柔性自动线珩磨系统，n a g e l 的珩磨机可用于加工 的典型汽车零部件有：发动机缸体孔、曲轴孔、缸套、连杆、变速箱齿轮、制 动泵等 k a d l a 公司成立于1 9 5 9 年，开始生产珩磨工具，1 9 6 9 年生产珩磨机。 善能公司1 9 2 4 年成立，总部位于美国密苏里州圣路易市，经过近八十年 的发展，善能公司已成为世界上最大的从事珩磨技术的专业化公司。产品涵盖 各种规格的珩磨机床、发动机再制造设备、磨料、工具、测量仪表、切削液等 辅件。 日本的日进制作所成立于1 9 4 6 年，客户遍及日本各大汽车及其关联生产 厂家和工业缝纫机行业。 总体来说，国外的珩磨机产品和珩磨技术比较成熟，他们的珩磨机在可靠 性、稳定性、操作方便性、人机工程等方面做得非常到位。他们在珩磨工艺和 运动参数上的理论成果和实验性成果比较丰富。 北京工业大学工程硕士学位论文 1 4 本课题的来源和研究内容 我厂自六十年代生产珩磨机以来，至今已有四十多年的历史。在计划经济 年代，我厂的产品很单一，该产品也没有得到领导的重视，所以多年来一直没 有太大的发展，一直是单一产品闯天下。年产量只有几台，或十几台。国内大 企业所需的珩磨机基本上完全依靠进口到上世纪末，我国实行改革开放的政 策，国内的工业发展蒸蒸日上，特别是摩托车汽车行业、空调行业等发展更是 迅速。我厂所属的机床行业也有了广阔的市场，在市场经济的刺激下，我厂也 进行了结构调整，按照产品成立了几个事业部成立珩磨机事业部后，我们就 致力于新产品的开发，拓宽产品领域面对我厂珩磨机的单一品种，我们四处 调研，学习相关产品的先进结构，进行新产品的开发。1 9 9 8 年，正值原机械部 倡导“精品战略”的阶段，即要求国内骨干企业研制高档机床挡住进口产品， 北京第三机床厂作为“精品战略”的重点骨干企业，及时设置了重点攻关项目， 即多轴多工位珩磨机，并于2 0 0 0 年成功研制了第一台高档五轴六工位数控立式 内圆珩磨机，一举打破了国外在高档珩磨机技术的垄断地位，实现了高档机床 完全的自主知识产权。经过几年的努力，我厂已经开发出了一系列先进且逐步 成熟的产品，拓宽了我厂珩磨机的市场，满足了大量用户的需要。但我们并没 有满足于已取得的成果，我们的产品刚刚起步，我们还需要一步一步的往前赶， 我们的机床与国外机床的水平差距还不小 珩磨刀具的往复运动作为珩磨工艺的主要运动，不但关系到该机床的结构 特点和性能参数，而且关系到加工零件的加工范围和加工精度。所以，研究生 产珩磨机，就不能不对珩磨机的往复运动进行研究，以便针对不同的零件采用 不同的往复结构，实现产品的最优化我们决定在总结研究我厂现有的往复结 构的基础上，再开发一种全新的往复形式伺服电机带动滚珠丝杠驱动的往 复系统。这种形式在国内还没有用在珩磨机上，在国外有类同的结构，主要用 在顺序珩磨的珩磨机上。 第2 章珩磨机的往复运动 第2 章珩磨机的往复运动 2 1 珩磨加工简介 珩磨加工是一种提高工件表面质量、几何形状精度、尺寸精度的高效的、 低成本的加工方法，它是采用三块平板互研的原理加工出精密的表面。在磨削 中，把珩磨油石切削面和被加工零件表面看作为平板互相修整的过程，也就是 说珩磨油石切削被加工表面的同时，被加工表面也对珩磨油石进行修整。在珩 磨加工中能实现此原理，使轴向得到平直的表面，须满足下面三个条件： 1 ) 珩磨加工时，在珩磨头上的珩磨油石 一方面做旋转和往复运动，另一方面进行径向 进给运动，使珩磨油石与被加工表面接触，并 相互产生一定的压力，保证珩磨油石与被加工 表面的相互修整，并能进行连续切削，加工出 螺旋形交叉网纹( 见图2 - 1 ) ，实现了油石与工 件的交叉修整。 2 ) 在珩磨加工时还要使珩磨头在每一往 复行程内的转数为一非整数，因而它在每一个 行程的起始位置都与上次错开一个角度，使油 石上的每颗磨粒在加工表面上的切削轨迹不重 复，从而形成均匀交叉的珩磨网纹( 见图2 - 2 ) 。 3 ) 由于珩磨油石具有一定的长度，需保 证油石回转一转后的切削轨迹与前一转在轴向 上有一段重复( 见图2 3 ) ，使前后切削轨迹衔 接得比较平滑。 影响工件珩磨精度的因素很多，主要有如下 几种：珩磨头往复运动速度、珩磨头往复的位置、 珩磨头旋转运动速度，珩磨油石膨胀压力，珩磨 油石的材质、粒度等。 图2 - 3珩磨油石搭接图示 倒歹錾虾一卜_上 画一耄一酗 r 0 l l 蚴 姚r 1 北京工业大学工程硕士学位论文 2 2 珩磨机往复运动的类型和特点 珩磨机的往复运动是珩磨机的两个主 运动之一。在珩磨头引进工件后，往复运 动和主旋运动组合形成切削运动，珩磨油 石的膨胀形成进给运动和切削力 珩磨头运动轨迹图如图2 - 4 所示，横 坐标为时间，纵坐标为珩磨头的位置珩 磨头从初始位置0 点向下引进到上往复点 a 点，然后以往复速度在a 点和b 点之间 进行上下往复。 图2 - 4 珩磨头运动轨迹图 往复速度的平稳均匀、换向位置精度、 换向冲击、换向过程的快慢及停顿时间会影响工件的形状精度及网纹质量。 现在常见的珩磨机的往复运动有四种类型：平行盘往复机构，曲柄连杆往 复机构，液压往复机构，滚珠丝杠往复机构。 2 2 1 平行盘往复机构 它是由一个普通三相异步电机通过多级 齿轮传动带动主轴旋转和往复运动，结构见 图2 5 这种结构的优点是控制简单，通过手 轮和变速阀就能改变主轴的往复行程和往复 速度，上下换向点的位置准确，能实现盲孔 珩磨；缺点是，这种方式传递效率低，结构 大，往复行程短，往复速度曲线只能是正弦 曲线，往复和主旋的匹配不灵活，很难实现 主轴的引进工件的运动。所以这种结构只能 是单主轴结构、适用于直径小、深度小的精 密孔的珩磨加工。 2 2 2 曲柄连杆往复机构 图2 - 5 平行盘式往复机构 该机构由变频电机驱动曲柄连杆机构，可以实现无级变速，能与主旋速度 第2 章珩磨机的往复运动 实现灵活搭配，该结构可以由油缸驱动实现主轴的引进工件的运动，所以可以 应用在多轴多工位的机床上。结构简图见图2 - 6 。这种结构的特点是控制简单， 上下换向点的位置准确，容易实现高速往复，往复速度曲线只能是正弦曲线， 往复行程受结构限制不能太大，一般不超过8 0 m m 。 图2 6 曲柄连杆往复机构 图2 - 7 液压往复机构 2 2 3 液压往复机构 液压往复结构也有多种方式。1 ) 利用比例阀或伺服阀驱动伺服油缸带动 主轴部件往复，这种结构能实现主轴以任意速度引进到任意位置进行往复，操 作方便，但配置成本较高，容易受干扰，对用户的油源和工作环境要求高。2 ) 用专用的电液控阀控制普通油缸实现珩磨头的往复运动，靠编码器、光栅尺或 接近开关等反馈引进位置和往复行程。这种往复结构成本低，力量大，往复行 程也较长，适用于孔径大、孔深长的孔的珩磨加工。液压往复机构图见图2 7 。 2 2 4 滚珠丝杠往复机构 滚珠丝杠往复机构是用伺服电机驱动滚珠丝杠，丝杠螺母带动主轴部件进 行往复运动。这种结构能以任意速度引进到任意位置进行往复，控制比较灵活， 有利于盲孔珩磨和局部珩磨，比同性能的液压往复成本低，容易控制，清洁。 这种往复结构需要对所用的滚珠丝杠、伺服电机和控制系统进行设计计算，并 北京工业大学工程硕士学位论文 合理选用配置，才能达到理想的效果。现在主要用在一些进口的顺序珩磨的机 床上，这种顺序珩磨只需要一次往复行程，所以，滚珠丝杠和伺服电机的运行 工况要好的多，使用寿命也相对长些 2 3 珩磨机往复运动的模型 以滚珠丝杠往复机构为例，珩磨机 往复运动的理想化模型如图2 - 8 。主轴箱 带动珩磨头进行往复运动和旋转运动，珩 磨头磨削加工件，珩磨头所受的轴向力为 f 1 和f 2 ，且f 1 f 2 ，珩磨头的往复速 度为v l 和v 2 。整个往复运动部件的重量 为g ，要求珩磨头往复时在上下换向点要 平稳，无冲击；往复速度v l - - v 2 ，最大能 到2 4 m m i n ；在下换向点的重复位置精度 ( 下止点位置) v l i f 睨i 达到0 2 m m 。 图2 8 珩磨机往复运动的理想化模型 2 4 本章小结 本章介绍了珩磨原理，介绍并比较了常见的几种往复结构：平行盘往复机 构，曲柄连杆往复机构，液压往复机构，滚珠丝杠往复机构。以滚珠丝杠往复 机构为例，提出珩磨机往复运动的模型。 第3 章滚珠丝杠往复系统的开发 第3 章滚珠丝杠往复系统的开发 3 1 方案的确定 滚珠丝杠往复的珩磨机是针 对细长孔设计的，我们确定的珩 磨主参数为：最大珩孔直径为 5 0 m ，最大珩孔深度为3 0 0 r m 。 该机床方案结构如图3 一l 所示， 珩磨头的主旋运动由变频电机通 过同步齿形带、齿轮和滚珠花键 杠驱动实现；往复运动由往复伺 服电机通过连接轴、联轴节、滚 珠丝杆副驱动主轴箱实现；进给 运动由进给伺服电机通过齿轮副 和螺纹副实现进绘推杆的伸出和 缩回。本文主要介绍和研究如何 利用滚珠丝杆实现珩磨头的往复 运动，对机床的主旋运动和进给 运动不作深入的介绍。 3 2 珩磨力的计算 图3 一i 机床方案结构图 珩磨加工是珩磨油石与工件表面以面接触，并施以一定的压力，配合切削 运动，形成珩磨力。所以珩磨力的计算，与所选珩磨油石的个数、切削面积和 进给压力有关。 3 2 1 珩磨油石的选择 ( 1 ) 油石长度的选择 a 、从磨削作用来看： 三= ( + 1 n ) df t g ( e 1 2 ) ( 3 - i ) 北京工业大学工程硕士学位论文 式中上珩磨油石长度 珩磨头上的珩磨油石数量 d 被加工零件孔径 口被加工零件孔网纹的切削交叉角 按此公式计算的油石长度能保证珩磨油石在珩磨回转一周后与原位置切 削痕迹进行搭接，珩磨出的零件孔椭圆度较好，切削率高。 b 、从导向作用来看： 选择原则如表3 - 1 所示： 表3 - 1 根据导向作用选择珩磨油石的长度 珩磨对象及其工艺要求 珩磨油石长度 基本按原孔加工直线性要求珩磨 1 5 ) 为好。最短工d 一般长孔时 修整原加工孔直线性珩磨一般长 l = i 2 2 ，3 l 孔时 珩磨短孔时 3 4 1 ；一般为2 1 3 l 其中： 卜被加工孔直径卜一被加工孔长 在珩磨油石短的情况下，珩磨油石不起导向作用，所以一般采用半浮动连 接或刚性连接的珩磨头进行珩磨。 ( 2 ) 珩磨油石数量和宽度的选择 珩磨油石在珩磨头体圆周上的数量，是奇数列还是偶数列，主要根据加工 工件的形状和保证珩磨油石在被加工孔内能平稳地工作来确定。一般可按表3 2 进行选择。 表3 2 各种珩磨头直径所采用珩磨油石根数 珩磨头直径 珩磨油石根数珩磨头直径珩磨油石根数 i r m 个 l n n l个 0 2 0 以下 l 3 o1 5 0 2 5 04 1 0 中2 0 5 0 2 4中2 5 0 以上8 以上 中5 0 1 5 03 6 关于珩磨油石的宽度，在保证磨头体刚性的情况下，可以适当加宽以提高 其生产率，但珩磨油石不宜过宽，因为它处于面接触状态，如果太宽，切削时 第3 章滚珠丝杠往复系统的开发 散热性不好，切屑不易排出，珩磨油石气孔易被堵塞，因而影响加工精度和切 削性能。一般可按表3 3 进行选择，金刚石磨料的珩磨油石应选的在窄一些为 好。 总之，通常珩磨油石在孔圆周总宽度为孔圆周的1 5 3 0 为佳，一般不超 过5 0 。 根据以上珩磨油石的选择原则，选择油石长度为：1 8 0 r a m ，油石宽度为： 4 r a m ，油石个数为：4 个 表3 - 3 各种珩磨头直径所采用珩磨油石宽度( m m ) 珩磨头直径珩磨油石宽度珩磨头直径珩磨油石宽度 o i o 以下3 5中5 0 1 5 07 1 5 中l o 2 03 8 o1 5 0 2 5 0 1 1 2 0 中2 0 5 05 1 0 中2 5 0 以上1 5 以上 3 2 2 珩磨力的计算 珩磨力的计算公式如下： f n , q = ，m 爿p ( 3 2 ) f - _ = i 厂- 自彳p ( 3 3 ) ，- _ = i 厂c o s ( 口2 ) ( 3 - 4 ) f m = f x s i n ( 0 2 ) ( 3 - 5 ) 式中，- 厂圆周切削力k g f 辅自 由向切肖力k g f i u l l 计算圆周切削力珩磨系数 f - 计算轴向切削力珩磨系数 ，计算切削力珩磨系数，约为0 2 o 3 4 珩磨油石工作面积c m 2 p 珩磨油石工作压力k g c m 2 口珩磨网纹角 根据切削经验和数据统计，珩磨油石工作压力p 一般都取为1 0k g c m 2 。 将所得数据带入如上公式计算可得，所需珩磨力为：f h = 7 4 8 k g ；f u 自= 4 3 2 k g 。 北京工业大学工程硕士学位论文 3 3 滚珠丝杠的计算与选择 往复系统的结构图如图3 - 1 所示，伺服电机通过连接轴、联轴节、滚珠丝 杆副驱动主轴箱进给部件在滚动导轨上运动，往复部件的惯性负载为主轴箱进 给部件、珩磨头、主旋花键杠等，重量约为4 0 k g 。设计的最大往复速度预设为 v l = 2 = 2 4 m m i n 。 1 )确定滚珠丝杠副的导程 肛j t i 。n m ( 3 - 6 ) 式中p 滚珠丝杠副的导程衄 y f 。广一主轴最大往复速度m m i n n 。一电机最高转速r r a i n f 传动比 伺服电机额定转速为2 0 0 0 r m i n ，主轴最大往复速度为2 4 m m i n ，传动比为 l ：1 。计算可得：p b = 1 2 m m 。 2 )确定当量转速与当量载荷 珩磨加工时，各阶段丝杠转速n i _ 二l 1 0 3( 3 7 ) p 式中嘶丝杠转速r r a i n卢1 2 n 往复速度m m i n产1 ，2 n 珩磨头引进工件的速度为1 2m m i n ，珩磨头往复的速度为2 4 m r a i n 。引进 工件占用的时间比例为1 0 ，珩磨头上下往复占用的时间比例各为4 5 。 所以，n n f l 0 0 0n 2 - - - - n 3 - - 2 0 0 0 当量转速h ， l x l o 抖? 2 x 4 5 开3 x 4 5 , - = 1 0 0 + 9 0 0 + 9 0 0 = 1 9 0 0r r a i n 珩磨加工时，丝杠各阶段的轴向载荷为 珩磨头引进及引出工件时，l = g = 4 0 x 9 8 = 3 9 2n 珩磨头加工零件向下运动时，f 2f - g = ( 4 3 2 4 0 ) x 9 8 = 3 1 3 6 n 珩磨头加工零件向上运动时，f 3 = g + f - = ( 4 0 + 4 3 2 ) x 9 8 = 8 1 5 3 6 n 缱载荷蹄归盏+ 日盎+ 日盏 s ， 第3 章滚珠丝杠往复系统的开发 代入数据得：f m = 6 3 8n 3 ) 预期额定动载荷 按预期工作时间估算 预期额定动载荷c 姗= 瓠丽二l o 盟o l l ( 3 9 ) 其中n 当量转速= 1 9 0 0r m i n 厶机床寿命= 2 0 0 0 0 小时 只，广一当量载荷- - - 6 3 8n ，一负荷性质系数= 1 5 ( 伴有轻微冲击) 7 乒精度系数= o 8 ( 7 级精度) 7 卜匐。靠性系数：0 4 4 ( 可靠性9 7 物 代入数据得：c 。= 3 5 7 8 3 n 按最大负载计算 预期额定动载荷g ，；f k 。 ( 3 1 0 ) 其中r 。r - 一最大负载计算= f 3 = 8 1 5 3 6n 五预加载荷系数石- - - 4 5 ( 中预载) 代入数据得：c 口m - 3 6 6 9 1 2 n 取以上两种结果的最大值c 。, , = 3 5 7 8 3 n 4 ) 确定允许的最小螺纹底径 估算丝杠允许的最大轴向变形量 占。( 1 3 l 4 ) 重复定位精度 j 。( 1 4 1 5 ) 定位精度 其中占。最大轴向变形量p m 已知：重复定位精度2 0 m ，定位精度3 0 1 1m 所以6 。5 p m 或6 。6 1 t m 取两种结果的小值6m _ 5 p m 估算最小螺杆底径 丝杠要求预拉伸，取一端固定，一端游动的支承形式 舻2 x l o j 等一o 嗍璧 m 北京工业大学工程硕士学位论文 式中，o 移动部件的重量加上轴向珩磨力为8 1 5 3 6n 上滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距离，为5 5 0 n u n 代入数值后计算得：比。i 2 3 4 m m 5 )确定滚珠丝杠副的型号 根据传动方式和使用情况，我们比较各公司的产品，选用台湾珈m i n 公司的高速化滚珠丝杠：lr 4 0 - 1 2 k 4 _ f d c ，这种滚珠丝杠采用特有的回流 单元的路径与强度设计，使受运动钢珠冲击值下降，可承受超高n 值( 指 滚珠丝杠滚珠中心圆的直径d 。和容许最大转速n 的乘积，它代表滚珠的 公转速度) 及瞬间高加减速度的操作环境。该丝杠螺距p h - - 1 2 m m ，额定动 负荷c , , = 5 0 5 0 0 n c , 。= 3 5 7 8 3 n ，螺杆底径d z = 3 2 7 西。i 2 3 4 m m 6 )确定滚珠丝杠副预紧力 ，产；r 矿 x 8 1 5 3 6 = 2 7 1 8 n ( 3 1 2 ) 7 )传动系统的刚度 传动系统的刚度用弹簧常数k 表示 厅 j e ( 3 1 3 ) 口 式中k 滚珠丝杠传动系统的弹簧常数k m m ，施加到滚珠丝杠上的负荷k g j 滚珠丝杠系统的弹性位移衄 滚珠丝杠往复系统的弹簧常数k ，可用下式计算。 土：上+ 上+ 上+ 上( 3 1 4 ) k k i x vx|xh 式中砭为螺杆的刚性 k g f m m 商r 一为螺帽的刚性 k g 矗缸m 杨一为支承轴承的刚性 k ：m m 翰一为轴承座和螺母座的刚性 k m m a ) 螺杆的刚性 安装结构图如图3 2 所示。 磁：丝 ( 3 1 5 ) 第3 章滚珠丝杠往复系统的开发 式中彳螺杆断面积m m 2 a 芦三刃d 2 ：螺杆底径m i l l 4 卜杨氏系数( 2 1 x 1 0 4 k 9 0 m m 2 ) 上安装间距衄 将d 2 = 3 2 7 ，e - - 2 1x1 0 4k g f m m z l = 5 5 0 代入公式可得 兰3 2 7 2 2 1 1 0 4 局2 生酉f 一= 3 2 0 6 6 k g f m m ”螺帽的刚性 查手册可知：k = 1 1 0 0 0 0k g f m m c ) 支承轴承的刚性 查手册可知：k o = 5 4 0 0 0k g f m m d 1 轴承座和螺母座的刚性 相对来说，非常大，可忽略。 图3 - 2 安装结构图 所以，滚珠丝杠往复系统的弹簧常数k 为 l1lll1l kx k nk | 3 2 0 6 6 1 1 0 0 0 05 4 0 0 0 7 2 = 1 7 0 3 6 k 班衄 8 )验算临界转速 随着滚珠丝杠转速的提高，逐渐接近丝杠的固定振动频率，因而发生 共振而不能继续转动，因此一定要在共振点( 临界转速) 以下使用。临界 速度按下式计算，但考虑到加工和安装的误差等，只允许取计算值的8 0 。 c = 篑等 式中广_ 临界转速 工为安装间距m i l l e 杨氏系数( 2 1 x 1 0 4k m m 2 ) ，丝杠的最小断面惯性矩 m i l l 4 北京工业大学工程硕士学位论文 仁云矸 丝杠底径衄 g 重力加速度( 9 8 1 0 3m m s 2 ) r 比重( 7 8 5 x1 0 6k 舳3 ) a 螺杆断面积衄2 a = 4 d f d z ：螺杆底径衄 与安装方法有关的系数 固定一自由时 x = 1 8 7 5 支持一支持时 - 3 1 4 2 固定一支持时 - 3 9 7 2 固定一固定时 = 4 7 3 0 代入数据胴c = 黠屠= 3 5 w 硼 2 0 0 0 r p m 9 ) 计算滚珠丝杠副的寿命 滚珠丝杠副的寿命根据基本动额定负荷c 。和轴方向所受负荷计算。 公式如下： 仁螽3 x 1 0 6 ( 3 _ 1 7 ) 式中三回转寿命转 c 卜薏本动额定负荷 k g f 尼轴向负荷 k g f 丘负荷性质系数( 伴有轻微冲击；1 5 ) 代入数据得：- - 3 7 x1 0 1 0 转 时间寿命：l h - ( 3 1 8 ) 6 0 坩 式中“时间寿命h 1 1 每分钟转数 r p m 代入数据得：l h = 3 0 8 0 0 0h 由于此计算方法没有考虑滚珠丝杠在往复换向点由于加速度造成的冲击 对滚珠丝杠的损坏，所以，此计算结果偏离现实情况比较大。需要对滚珠丝杠 第3 章滚珠丝杠往复系统的开发 往复系统进行动力学分析才能比较准确的得到一些接近实际状况的数据。 3 4 伺服电机的选择 正确选择合适的电机功率很重要，如果功率选的过大，会造成浪费，设备 投资增大，而且电动机经常欠载运行。效率及交流电动机的功率因数较低，运 行费用较高；如果功率选小了，电机将过载运行，造成电动机过早地损坏。所 以，合理地对伺服电机所受的负载进行分析就很重要。 1 ) 外部负荷产生的扭矩 驴型 ( 3 1 9 ) 1 厂j 磊 ” 其中乃为由外部负荷产生的扭矩n m 凡轴向负荷 n ，导程m _ 傲率( o 9 ) 代入数据确驴坠警尝竽= 1 7 3 n m 2 ) 预压而产生的磨擦扭矩 r 威等 ( 3 - 2 0 ) 其中 t d 一为由预压而产生的磨擦扭矩 n m f 口预压量 n l 导程m k 滚珠丝杠磨擦系数( o 1 o 3 ) 代入数据确删3 掣引9 3 n m 4 ) 加速运动产生的负荷扭矩 r 尸( 五协) 二g = ( j l + j m ) 掣g ( 3 - 2 1 ) r 尸( 五协) i g =竺 掣 ( 3 一) 其中乃由于加速运动而产生的负荷扭矩n m 以加到电机上的负载惯性矩k g m 2 j m 电机转子自身的惯性矩 k g m 2 北京工业大学工程硕士学位论文 二电机轴的角加速度 t 加减速时间 g 重力加速度 加于电机的负载惯性矩j l ，用下式计算。 j l = j z + j j + m 去广 其中j ：链接轴的惯性矩k g m 2 乃连轴节的惯性矩k g m 2 以滚珠丝杆的惯性矩 k g m 2 m 往复部件的质量k g j 导程m ：! ：苎：刍：签 3 2 其中 ，连接轴的密度 k g m 3 m d s e c 2 s o c ( 3 _ 2 2 ) ( 3 2 3 ) 工j 逶援轴的长厦m 西连接轴的直径 m 代入数据确肛盟婴笋= 6 3 9 x i 旷 k g m 2 同理可得：炉型坐掣踟l o 。3 k g m 2 肛至! ! ：墅兰! ! ：! ! ! ：! 兰兰：1 8 4 x 1 0 3 k g m 2 。厂五一一 。 所以：五= 以+ 以+ 山+ 研( 上2 i t ) 2 = o 6 3 9 x1 0 3 + 5 3 xi 0 - 3 + i 8 4 x1 0 - 3 + 6 0 x ( 业) 2 2 冒 = o 0 0 8 k g m 2 电动机的转子惯量山应与负载惯量以匹配，匹配条件为o 2 5 j t , , j u i ， 如果超出这个范围，电机可能会有异常的振动，导致电机损坏。 根据惯量匹配，选择f a n u c 的交流伺服电机c im 5 0 3 0 0 0 i ，该电机转子 惯量j s r - = 0 0 1 5k g m 2 ，所以j t j ，- - - o 0 0 8 0 0 1 5 = o 5 3 。 第3 章滚珠丝杠往复系统的开发 当珩磨头以2 4 m r a i n 的速度向下运动，到下换向点后又以2 4 m r a i n 的速度 向上运动，则在换向点的冲击和加速度都最大，滚珠丝杆和电机受的扭矩也瞬 时增到最大。需要说明的是，一般的珩磨工艺珩磨头的往复速度都不必要达到 2 4 m r a i n ，也可以按珩磨头的往复速度1 6 m m i n 考虑。预设加减速时间各为 o 2 5 s ，当然，加减速时间可以根据情况通过程序进行调节。 当珩磨头以2 4 m r a i n 的速度运动时，滚珠丝杆转数为2 0 0 0 转分。此时， 在换向点滚珠丝杆和电机受的扭矩为： t = 嘎一t tj 2 t t 寸q 讨j d u g = t 产t 毋q 讨 驴掣g - - 2 1 4 6 + 0 1 9 3 + 0 0 2 3 2 1 r ( 2 _ o o ：0 - ( - 2 0 o o ) ) x 9 8 ；1 9 1 2 n m 6 0 0 5 当珩磨头以1 6 n g m i n 的速度运动时，滚珠丝杆转数为1 3 3 3 转分此时， 在换向点滚珠丝杆和电机受的扭矩为： t 司一t 寸t l l l 产，l 毋q 矿j 0 憧矿t o + t d + q 汁 驴掣g - - - 2 1 4 6 + 0 1 9 3 + 0 0 2 3 x 2 1 r ( 1 3 3 3 - ( - 1 3 3 3 ) ) 9 8 ：1 2 8 2n 血 6 0 x 0 5 从以上计算公式和计算结果可知，伺服电机在换向点所受的扭矩很大，而 且往复速度和加减速时间对电机在换向点所受的扭矩影响比较大，而在匀速运 动下，惯性扭矩为零，负载扭矩大约为2 3n m 。所以，在此往复系统中，伺服 电机需要频繁加减速换向并且受交变载荷。以珩磨头下换向点为原点，珩磨头 往复的理论位置图如图3 3 ，珩磨头往复的理论速度图如图3 - 4 ，珩磨头往复时 伺服电机理论所受扭矩图如图3 5 。 x 日点 o 喜) t m 北京工业大学工程硕士学位论文 1 1 【2 f 3 t 【4 图3 - 5 伺服电机理论扭矩图 所选择的f a n u c 的交流伺服电机qm 5 0 3 0 0 0 i 的速度扭矩图如图3 6 ， 技术指标如图3 - 7 。从图3 - 6 可知，该电机额定转速为2 0 0 0 转分，额定扭矩为 5 3n m ，从图3 7 可知，该电机瞬间输出的最大扭矩可以达到2 1 0n m 左右，大 于电机所受的最大扭矩1 9 1 2n m 3 5 伺服电机qm