（机械设计及理论专业论文）钢球硬磨机工艺与设备优化的研究.pdf

摘要 摘要 本论文是我院与无锡钢球厂的科技合作项目，对钢球生产中硬磨工艺存在的各种问 题进行深入的理论分析和研究，并提出优化改进方案。 通过对无锡钢球厂生产情况调研，以及对现有硬磨机的测绘，分析研究硬磨的成球 机理，并发现硬磨机在加工原理和机械结构上存在的缺陷；针对现有硬磨机加工原理上 的缺陷，提出固定盘开沟心槽方案，并建立钢球硬磨运动学模型分析其可行性，指出固 定盘开对称沟心槽方案在一次磨削中很难提高钢球的球形精度，而固定盘开不对称沟心 槽可显著提高钢球的球形精度，但稳定性较差；在固定盘开沟心槽方案的研究基础之上， 又提出锥形砂轮优化方案，建立钢球硬磨动力学模型分析其可行性，通过理论推导，发 现锥形砂轮的偏角在【_ 2 0 0 ，2 0 0 】时，可提高钢球的球形精度和磨削效率，并同时能达到 节能减排的效果；针对现有硬磨机机械结构上的缺陷，对主传动系统、进给系统、进料 系统等提出改进方案，并进行优化设计。 通过上述研究，最终达到提高钢球硬磨加工精度和加工效率的目的，以及实现硬磨 机节能减排的目的。 关键词：硬磨机、锥形砂轮、球形精度、磨削效率 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i si ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o o p e r a t i o np r o j e c to fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i n s t i t u t ea n dw ux is t e e lb a l lf a c t o r y t h i sp a p e rm a k ea ni n t e n s i v es t u d yo nt h ep r o b l e m so f h a r d g r i n d i n gp r o c e d u r e ，a n db r i n go u tt h eo p t i m u md e s i g nf o rh a r d g r i n d i n gp r o c e d u r e f i r s t l y , b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c ho i lt h ep r o d u c t i o ns t a t u s ，a n ds u r v e y i n g a n dc h a r t i n go nt h eb a l lg r i n d i n gm a c h i n ei nw ux is t e e lb a l lf a c t o r y , t h ep a p e ra n a l y z e b a i l i n g - u pm e c h a n i s mo fh a r d - g r i n d i n g ，a n df i n dt h eb a l lg r i n d i n gm a c h i n e sf a u l t s o i l m e c h a n i s mo fm a c h i n i n ga n dm e c h a n i c a lc o n s t r u c t i o n s e c o n d l y , i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e m so fb a l lg r i n d i n gm a c h i n eo nt h em e c h a n i s mo fm a c h i n i n g ，t h i sp a p e rb r i n go u t i m p r o v i n gp l a n sw h i c hm a k eag r o o v eo n af i x e dd i s k ，a n dt h ep a p e ri n d i c a t et h a ts y m m e t r i c a l g r o o v eh a r d l yi m p r o v et h es p h e r i c a lp r e c i s i o no fs t e e lb a l l ，a n da s y m m e t r i cg r o o v ec a n s i g n i f i c a n t l yi m p r o v es p h e r i c a lp r e c i s i o nb u ti th a sp o o rs t a b i l i t yb yt h em e t h o do fb u i l d i n g k i n e m a t i cm o d e lf o rh a r d g r i n d i n go fs t e e lb a l l t h i r d l y , t h i sp a p e rb r i n go u tt h ep l a n so f t a p e r - g r i n d i n gw h e e l ，f i n di tc a ni m p r o v et h es p h e r i c a lp r e c i s i o n ，g r i n d i n ge f f i c i e n c yo fs t e e l b a l l ，a n dr e a l i z ee n e r g y s a v i n gi nt h er a n g eo ft a p e r - g r i n d i n gw h e e l sa n 百e sf r o m 一2 0 0 t o 2 0 0 l a s t l y , i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m so fb a l lg r i n d i n gm a c h i n eo nt h em e c h a n i c a l c o n s t r u c t i o n ，t h i sp a p e rd ot h eo p t i m i z e dd e s i g nf o rm a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，f e e ds y s t e m ， s u p p l y i n gs y s t e m a n ds oo n i naw o r d ，t h er e s e a r c ha c h i e v ee v e n t u a l l yt h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gm a c h i n i n gp r e c i s i o n a n de f f i c i e n c y , a n de n e r g y - s a v i n g k e y w o r d s ：b a l lg r i n d i n gm a c h i n e ，t a p e r - g r i n d i n gw h e e l ，s p h e r i c a lp r e c i s i o n ，g r i n d i n ge f f i c i e n c y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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，也不包含本人为获得江南 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已在论文中作了明确的说明并表示谢意 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 盘善刍：导师签名： 。 日期： 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 1 1 1 钢球的重要性 球轴承是各类机械装备十分重要的基础件，也是汽车、军工、航天等机械工业中不 可或缺的重要零件。随着现代科学技术的发展，我国对高端机械装备的需求量都在高速 的增长，对机械零部件的制造精度提出了越来越苛刻的要求，这样就迫切需要大量高性 能、高精度的球轴承投放市场，以满足汽车、军工、航天、机械等行业的需求，不断促 进我国的国防工业、汽车工业、航天工业的技术进步，提高我国的国际竞争力。 大量试验表明，钢球质量的好坏直接影响轴承性能。其各项技术指标主要包括：钢 球形状误差、钢球表面粗糙度、钢球表面缺陷等。 钢球形状误差对轴承性能的影响 钢球的形状误差是影响轴承振动和噪音的重要原因之一。形状误差越大，轴承的振 动也就越大。轴承旋转时，由于钢球形状误差的存在，使钢球中心位置不断发生改变，从 而引起了轴承的低频振动和噪音。 钢球表面粗糙度对轴承性能的影响 钢球的表面粗糙度指的是钢球表面除球形误差、波纹度以外的表面微观不平度。钢 球表面粗糙度对轴承的中、高频振动有很大影响，使轴承产生杂音。钢球表面粗糙度对 轴承振动的影响远大于套圈沟道表面，其值越大，轴承的振动也就越高，因此必须严格 控制钢球的表面粗糙度。 钢球表面缺陷对轴承性能的影响 钢球的表面缺陷指的是由机械加工、生锈腐蚀或原材料引起的钢球表面的裂纹、划 痕、锈蚀和凹陷。由于钢球的表面缺陷会引起轴承的脉冲型振动，使轴承旋转时产生振 动和噪音，因此钢球不允许有表面缺陷。脉冲的周期与轴承转速成反比，振幅与缺陷的 尺寸大小有关。通过测试发现，钢球表面缺陷越大，轴承振动值越高。 1 1 2 钢球的加工工艺 钢球生产工艺和生产设备是保证钢球生产效率和质量的重要因素。钢球生产工艺流 程：备料一冷镦球坯一光球一淬火、回火一硬磨一研磨一清洗一外观一精研一清洗、涂油、 包装( 图1 1 ) 。现分别进行介绍： 1 冷镦：钢球冷镦工序一般为钢球加工的首道工序。对这道工序来说冷镦工序设备 冷镦机非常重要，钢球在钢球冷镦工序的模具内挤压成形。具体过程为：进料一切断和 送料一镦压成型一推出球坯。 甫大学碗学口文 2 光球或锉削：光球机内的两块铸铁磨球圆板将玲镦球毛坯加压锉磨。去除球坯上 的外环带和两极点。具体过程为：球坯在上、下锉盘问运动上下锉盘的工作表面类似 洗衣服用的搓板。锉削时，下锉盘旋转，上借助油压施加工作压力，并通过机床的循环 机构使整批球坯不断受到锉盘齿的挤压和切削。 3 热处理：将球装入热处理炉内加以渗碳后淬火再回火使球具有一定的渗碳层及硬 度、韧性和压碎值。先进的锕珠滚珠生产设备是滚珠热处理生产线的一个重要的因素， 这样可以使滚珠生产上料到加热滚珠淬火，滚珠清洗，滚珠回火均有电脑控制滚珠 生产设备精确的温控系统保证了滚珠的硬度均匀，滚珠的金相组织全部可达到l i 级。 4 硬磨：硬磨的主要作用在于消除光磨缺陷，以及去除热处理中产生的表面氧化、 脱碳、变形及组织缺陷，进一步提高精度和表面质量。硬磨工序采用砂轮加工钢球，不 但大大提高了钢球生产磨削的速度，而且钢球生产工序中的硬磨生产线的圆度可达到 25 a ，铺球表面光洁，且钢球表面无烧伤，先进的钢球生产进口硬磨机床均带有砂轮自动修 整器使生产出来的钢球可达到很高精度的钢球生产要求。 5 精磨：一般钢球生产的精磨工序采用树脂砂轮加工钢球。其加工过程可由电脑经 自动测量系统自动控制钢球生产。钢球生产工序中的精磨加工是未来钢球生产加工的发 展方向。 6 精研；将研磨球胚在精研机内精研磨，使球达到成品索需要的精度和光洁度。一 般能达到g 5 级质量的钢珠少数达到g 3 级，其钢珠圆度，钢珠表面粗糙度，钢珠直 径变动量以及钢珠波纹度均依靠钢珠生产中的精密机床的精度来保证。钢珠生产工序中 的精研工序是优质钢球生产中必不可的钢球生产工序。 7 抛光清洗：将球倒入抛光滚捕内转动并用抛光清洗剂加水清洗使球面清洁光亮。 8 外观选别：用人工日视检查球面有无任何瑕疵，并用千分计比较仪量测真圆度、 批直径变动量及用面粗糙度仅测表面粗糙度作为最终检验 9 防锈处理、包装- 将钢球涂上防锈油后装 纸箱或编织袋后打包。 四【瓤 圈l 1 钢球生产的各个工序图 这其中的每一道工序都对最终钢球的加工质量都有着重要的影响，本论文侧重于研 究硬磨工序。其中硬磨加工的目的是进一步消除前工序机械加工的缺陷和在热处理时产 生的脱碳、氧化、表层组织的屈氏体，进一步提高钢球的尺寸精度、球形精度和表面质 量，为以后终加工工序打好基础。 1 1 3 课题来源 本课题来源于无锡钢球厂。无锡钢球厂是江苏省高新技术企业，是我国钢球企业的 骨干企业，全国十大钢球厂之一( 排名第三) 。公司自上世纪九十年代，从日本引进了 一条g 5 级钢球专用生产线，也是国内唯一一家企业从国外引进的一条整套生产线并派 遣技术骨干到日本学习先进的生产技术，不断消化吸收国外先进工艺和管理技术。近几 年来与日本椿本集团( 国际第二大钢球制造企业) 在中国太仓投建的t h t 椿中专业钢 球制造企业的生产合作技术指导和钢球性能的免费测试，使公司的工艺技术水平和管理 水平有了新的提高，公司的钢球制造质量已接近和达到了国内外的先进水平，在国内同 行业中处于领先水平享有较高的声誉，新进的生产线制造的g 5 级钢球已广泛的被客户 用于替代进口产品。 本课题应无锡钢球有限公司的要求，开发研究g 3 级高精度球轴承钢球的生产加工 设备。尤其是对是对钢球加工中的硬磨工序进行研究，对硬磨加工的原理进行深入探讨， 并在此基础上对硬磨机的结构进行改进，以达到提高钢球生产效率和质量的要求。 1 2 国内外研究现状及课题意义 1 2 1 国外硬磨机研究现状 9 0 年代钢球加工的两大新特点：加工工序越来越少，过去的光磨、软磨、研i 、研 i 和精研工序到现在的光球、硬磨、精磨和精研四道工序，机床加工能力大大提高。如 德国s m s 公司的一条年产4 亿粒7 9 3 75m m g 5 级钢球生产线，仅需要3 台光球机，3 台硬磨机床，3 台精磨机床和6 台精研机床即可满足要求。加工效率与过去相比，提高 了3 0 4 0 。 目前，国外用于钢球硬磨工序的磨球机，均带有砂轮修整器。当砂轮沟深超过球径 的三分之一时，启动砂轮修整器，使砂轮沟始终保持在被加工钢球直径的三分之一深度。 国外的硬磨机床自动化程度高，它能自动加压。启动机床后，压力随输球环转速逐步增 加，当达到工作压力后，则自动保持此工作压力。加工过程中，机床由自动测量和控制 系统监控，每隔一定间隔由自动测量装置测量球径变化，并可相应地对机床转速和压力 进行调整，加工完毕后，可将整个加工过程的数据打印出来，有助于管理人员对整个工 序进行定量控制眩1 。 国外很多学者长期从事轴承球加工的研究，研究内容包括精密轴承球和陶瓷球加工 机理和工艺的研究，以及包括轴承球用材料的研究和砂轮材料的研究等。 1 2 2 国内硬磨机的研究现状 我国轴承工业于1 9 5 0 年开始起步建设，经过半个世纪的发展，已经形成了比较系 统完整的生与技术体系。近年来，我国钢球质量标准已逐步过渡到了国际i s o 标准，企业 和科研部门采取了一系列科技攻关和技术进步措施，这为我国钢球生产赶上世界先进水 平起到了较大的推动作用同时，三期技术改造期间，行业先后组织召开了8 次钢球专业攻 3 江南大学硕士学位论文 关会议，推广学习国外先进技术，研究制定了行业技术攻关目标，计划和措施，组织企业和 机床厂消化吸收引进的设备和技术，使钢球生产逐步缩d , y 同国外先进水平的差距，成为 排名于日本、美国和德国之后世界第四轴承生产大国，取得了举世瞩目的成就。 图2 硬磨机开放式结构 图3 硬磨机封闭框架式结构 国内大部分钢球厂中高端的钢球硬磨设备大多是在8 0 年代初引进的国外加工设备 卧式硬磨机。卧式钢球硬磨机的主机结构基本上分为两大类型，一是开放式结构( 图 2 ) ，二是封闭框架式结构( 图3 ) 。硬磨机在磨球过程中，钢球球坯被夹在转动砂轮板和固定 光球板之间，由液压系统提供给砂轮板对钢球球坯高达3 0 t 以上的工作压力。根据作用力 与反作用力的原理，球坯对磨板施以反向推力。同时，转动砂轮带动球坯绕主轴轴线旋转， 球坯在转动砂轮板及固定光球板的摩擦力作用下，在绕主轴轴线公转的同时，又绕自轴线 自转，从而完成切削过程。但这种硬磨加工设备与目前国外的先进硬磨加工设备相比，加 工精度低、效率低。且在总加工留量上，由于受机床、材料、模具的限制要普遍大于国 外，造成资源的浪费，能源消耗过多好，。 近几年，国内对硬磨机的研究多侧重于硬磨成球影响因素的分析、硬磨烧伤问题的 分析以及对砂轮的材料、固定盘的形状一些探讨。而目前在我所查找的资料范围内，没 有硬磨机成球机理方面或硬磨机结构改进方面的研究。 国内外对硬磨机理论和结构方面的研究资料相对较少，由于硬磨机的结构与光磨机 和研磨机有类似之处，因此有关这两台机床上的研究成果也可借鉴于硬磨机研究。在研 磨方面国内研究资料相对比较多，对研磨状态的运动学，有进行深入的探讨，并对同轴 三研磨方式进行了深入的研究，以及在此基础上对研磨机进行改进。对于硬磨状态的研 究可借鉴上述研究成果。 1 2 3 课题意义 目前，我国现代科学技术在日新月异的发展，使得高端机械装备的需求量在高速的 增长，对机械零部件的制造精度提出了越来越高的要求，市场迫切需要大量的高性能、 高精度轴承的投放，以满足各行业的需求。但由于受钢球质量的影响，国产轴承还不能 满足这一要求，就现在的国内生产钢球的企业来说，无论是加工精度还是能源的损耗， 都与国外相差很远，在国内使用的高精度钢球主要是依靠进口，国产的钢球还不能满足 某些领域的高精度钢球的大量应用，尤其是g 3 级钢球。g 3 级钢球是目前钢球生产的最 高精度级别。钢球精度等级划分见表1 1 、表1 2 所示。 4 第一章绪论 形状误差和表面耀糙度单位为徽米 球直径变动重 球形误差表蕊疆挞度 等级 y m 舶 f 蚺x 抛x眦x g 3o 佣 0 0 80 0 1 0 g s o 1 3 o 1 3 0 0 1 4 g 1 0 o 2 50 2 s0 0 2 0 g 1 6o 。圣 使4o 0 2 5 g 2 0 o 5o 50 0 3 z g z 40 6o 6o 0 4 0 g 2 8o 7 o 7 0 0 5 0 g 4 0 ll0 0 6 0 g 6 01 5 1 50 0 8 0 g l 2 5 2 5 0 。l o o g 2 0 0 aso 。1 5 0 注；袤巾示德朱考虑袭函缺跟，蹰此测缴中应屠开这样的缺陷。 表1 1 钢球的形状和表面粗糙度 分选公差和规值 单位为微米 球撒直径变动筮 等级 y 加l 规僮阀距优先规值 分规值 问距 分规德 m 矗x g 3o 1 30 55 ，一o 5 ，0 。+ o 5 + 5o 1一o 2 ，- - 0 1 o + o 1 ，+ o 2 g 5o 2 5l5 ，一l o + l ”，+ 5仉2 一o 4 一o 2 。o + 仉2 + o 4 g 1 0o ，5l9 ，一l ，o + 1 ，+ 9o 2- - 0 1 一o 2 o + o 2 + o 4 g 1 60 82一1 0 ，一2 ，0 十2 ，| - l oo 4一o 8 一o i 0 ，+ o - 4 ，+ o 8 g 2 0 l2 1 0 ，一2 o 。+ 2 。+ 1 0 o 一o 8 ，一o t0 ，+ o | i ，十o 8 g 2 41 221 2 ，一2 ，o ，+ 2 + 1 20 i 一o 8 一o 1 o ，+ o 4 + o ，8 g 2 81 4 2 1 2 一2 。o ，+ 2 一4 - 1 2 o 一o 8 一o 1 0 t + 0 i + 0 8 g 4 02 4 1 6 ，一4 0 ，+ 4 ，+ t 6 良8 一1 6 一o s 0 + 0 g - 4 - 1 6 g 6 036一1 8 ，一6 to - i - 6 一，十1 8 1 2 2 4 一1 2 ，o + 1 2 + 2 4 g 1 0 051 04 0 。一l o ，o + 1 0 - i - 4 02一4 2 o ，+ 2 ，+ l g 2 1 0 1 56 0 。一1 5 o + 1 5 + 6 03一6 一3 o + 3 + 6 表1 2 钢球的分选公差和规值 g 3 级钢球广泛应用于精密仪器、先进武器中的高精轴承中。可以说，能否实现批 量生产g 3 级钢球直接关系到我国装备制造业乃至国防工业的快速发展。目前，我国已 经能够批量生产g 5 级钢球，但g 3 级钢球还不能批量生产，仍需大量进口。这一方面 是由于发达国家对我国实行技术封锁，另一方面是由于国内企业在钢球生产设备的研究 上投入不足。因此，大力研发高精度钢球生产工艺及设备是十分必要的。 国内钢球硬磨工序与国外的先进技术相比还有不少差距，存在钢球磨削精度、效率 低、能耗高等问题。因此，为了减少与国外先进技术之间的差距，对硬磨成球原理进行 深入的研究和对硬磨机结构进行改进是很有意义的。 5 江南大学硕士学位论文 1 3 课题研究的内容和方法 1 研究现有硬磨机的结构、工作原理，发现分析存在的问题； 对现有硬磨机的加工原理及机械结构进行深入研究，及分析影响硬磨机加工精度和 加工效率的因素，并从中发现探讨硬磨机存在的缺陷。 2 。对硬磨机砂轮磨削系统的优化设计 提出固定盘开槽的优化方案，并通过建立钢球硬磨的运动学模型，借助m a t l a b 数学处理工具，分析优化方案对钢球加工精度的影响。 提出锥形砂轮的优化方案，并通过引入磨削力的概念建立钢球硬磨的动力学模型， 借助m a t l a b 和a d m a s 仿真软件，讨论锥形砂轮对钢球加工精度和效率的影响。 3 根据硬磨机理，对现有硬磨机机械结构部分进行优化改进 硬磨机的主传动系统、进给系统、进料系统等主要组件提出改进方案，并借助c a t i a 三维软件进行优化设计。 6 第二章对现有硬亩机的研究 第二章对现有硬磨机的研究 2 1 现有硬磨机的简介 图21 为国内现有硬磨机的大体结构，下文分别从硬磨机的主要结构、安装、适用 范围、技术参数、传动系统等对其进行大体的介绍。 1 主传动装置2 头架3 尾架4 进出球口5 砂轮修整器 闰2 1 现有硬磨机三维圈 2 1 1 硬磨机结构 1 总体分布 本机床为卧式布局( 图22 ) ，机床的床身为一长方形封闭式l 型铸铁构件。床身 右端上部安置着尾架体部分，在床身中部上面是两条直线滚动导轨副，导轨上放置者头 架体的移动部分，在床身左端上面是头架体的定位座及加压油缸，两部分靠上、下两个 活塞杆的螺纹联接在一起。床身前侧面右端用螺钉固定着料盘。床身后侧面左端用螺钉 固定着主传动系统，机床的电气箱固定在液压箱上面，安放在床身前面左端，床身后面 的中部有一出水口，位于机床后面的冷却液箱和这个出水口相连。 围22 硬磨机外观图 江南大学硕士学位论文 2 主传动装置 主传动装置通过调节板固定在主传动底座上，电动机经过减速箱，再经过一对皮带 轮减速后，带动头架主轴旋转。通过调节变频器，即可获得所需转速。底座上有两个螺 杆，利用螺杆推移减速器，可以达到调整三角皮带松紧的目的。 3 头架( 参见图2 3 ) 头架是该机床的心脏，固定在床身上面左端，分固定和移动两部分。固定部分利用 定位键和螺钉固定在床身左端，移动部分利用螺钉固定在床身六个直线导轨滑块上面。 移动部分和固定部分利用上、下两个活塞杆的螺纹通过活络接头柔性联接在一起。卸荷 皮带轮将主传动的运动通过花键副带动主轴旋转。压力油进入定位座上、下两个油缸内 推动活塞杆前进、后退，主轴和砂轮盘亦作相应移动。 图2 3 硬磨机的头架 4 尾架( 参见图2 1 ) 尾架利用定位键通过螺钉固定在床身上面右端，固定盘联接在尾架上。 5 进出球口( 参见图2 1 ) 进球口分前后两部分，前部分由流球板联接两块壁板后固定在尾架体开口处。后部 分由底板联接壁板后通过角座固定在料盘上。流球板前端面与固定板侧面相平齐，底板 与料盘相衔接。 出球口联接在尾架体上，根据加工钢球直径的大小，左右可以进行调节，后部伸到 料盘内。 6 砂轮修整器( 参见图2 1 ) 砂轮修整器为液压驱动，油缸设在固定于尾架体开口处的支架上；在压力油的作用 下，活塞杆将运动传给拉杆，再经拉杆带动金刚石修整器作直线往复运动以完成对砂轮 的修整。调节支架的位置可使金刚石修整块压向或离开砂轮，调节金刚石修整块后的螺 钉可调齐金刚石修整块，以保证修出的砂轮表面平整。 2 1 2 硬磨机的安装和使用范围 机床的安装不需要地脚螺钉固定，直接摆放在地基上，地基为混凝土地面，根据土 壤性质，一般混凝土深度不小于4 0 0m i l l 。 8 第二章对现有硬磨机的研究 主机、进料系统等主要部件的安装可参见图2 4 ，料盘与床身采用4 - - m 1 6 6 0 螺栓 紧固，对机床进行调平，水平仪放在头架体上部的工艺平面上，调整床身和料盘以及主 传动下面的减震垫铁使其在纵向和横向均为0 0 4 1 0 0 0 。 机床系轴承厂和专业钢球制造厂加工钢球的专用机床，适用于直径5 3 0 咖的钢球 的硬磨或软磨加工。 1 电器液压系统2 主机3 料盘4 小冷却液箱5 大冷却液箱 图2 4 硬磨机平面布置图 2 1 3 硬磨机的主要技术参数 加工钢球直径 砂轮盘尺寸( d d x h ) 固定盘尺寸( d x d x h ) 砂轮和固定盘问最大距离 砂轮盘行程 两盘间最大压力 主轴中心高 输球料盘最大装球量 固定研磨板开口尺寸 砂轮盘最高转速 输球料盘转速 主电机 减速机 料盘齿轮减速电动机 9 由5 一由3 0衄 8 0 0 4 2 0 x1 0 0衄 8 0 0 x 4 2 0 x 8 0衄 1 7 0衄 2 5 0衄 1 0 0k n 9 9 0 m m 4 0 0 k g 8 0 0 ( 特殊定货)砖 2 3 5 ( 上开1 8 5 下开5 0 ) 衄 1 2 0 r m i n ( 无级) 0 0 3 - 0 3 r m i n ( 无级) 型号y d 2 2 5 s - 8 6 4 转速7 5 0 1 0 0 0 1 5 0 0r r a i n 功率1 4 1 8 5 2 4k w 型号z d y l 6 0 - 5 6 一i i 型号u 8 - o 7 5 - 9 8 江南大学硕士学位论文 迸给系统电机 修整器油泵电机 机床外形尺寸l b x h 2 1 4 硬磨机的传动系统 转速9 6r r a i n 功率0 7 5 k w 型号p x l 9 0 - 2 5 6 b l a c 7 0 6 4 一a c 3 l 转速2 0 0 0r r a i n 功率1 6 k w 型号y 8 0 1 4 转速1 4 5 0 功率0 5 5 3 4 5 8 3 4 7 5 1 5 6 5 机床传动系统主要分砂轮盘的旋转和输球料盘的回转运动。头架体在机床导轨上的 往复运动由固置在定位座上的滑动丝杠来驱动。 i 砂轮盘的旋转 该传动系统由放置在床身后部的y d 2 2 5 s 8 6 4 电动机通过联轴器传递给 z d y l 6 0 5 6 i i 减速机，再经过一对皮带轮带动主轴旋转。通过调节，即可获得所需的 转速。 2 输球料盘的回转 该系统由置于料盘底座下部的u 8 0 7 5 9 8 齿轮减速器电动机经过一对链轮传递到 蜗杆减速箱减速，再经过一对直齿轮啮合减速后，带动料盘旋转。交流电机由变频器控 制，以实现料盘在o 0 3 0 3 r m i n 的范围内的无级调速。 2 1 5 硬磨机主要部件的安装 1 固定盘与进口球的安装 首先将已开沟槽的进球口前段用螺钉固定在尾架体缺口处，使流球板沟槽与研磨盘 沟槽相对齐，将进球口后段用螺钉固定在料盘上的底座上，调整下部螺钉使进球口底板 圆弧与料盘缺口处圆弧相吻合，然后调整料盘纵、横两个方向，使进球口前、后两段衔接 良好，锁进料盘，并根据实际加工情况修整喇叭口，使磨盘沟槽与流球板沟槽充分吻合。 2 砂轮修整器的安装 进出球口、流球板装好后，将砂轮修整器部分安装在尾架体缺口处，由于采用的是 锥形砂轮，在安装时要加调整块，调节好其前后位置即可。 3 砂轮的粘接与安装 砂轮粘接时应发泡层向上，因制造厂只保证发泡层以下一定深度的砂轮粒度、硬度。 粘接剂的成份按环氧树脂e - 4 4 ：6 5 0 聚酰胺树脂= l ：o 7 的比例调匀；砂轮接盘用汽油清 洗清除油污脏物，砂轮也进行同样的清洗。涂粘接剂前，再都用丙酮清理一次，待丙酮 挥发干净后，将接盘和砂轮贴合后，加重物压力，静置固化至少2 4 h 。固化时间与室温 高低有关。将粘好的砂轮吊装在转动盘上，紧固转动盘背面的螺钉即可。 1 0 咖蚶m 第二章对现有硬磨机的研究 2 1 6 钢球的硬磨步骤 在确定机床能正常工作的的前提下，在完成砂轮盘的压沟后，准备硬磨磨削，主要 分以下步骤： 1 装球：将同规格的同批钢球装入料盘。 2 修正器调整：调整修正器使修正块与固定板间的距离为2 5 d 3 装上出球口，使之保持松开状态，点动主轴使两研磨盘之间布满钢球，此时两 研磨盘问的压力以能带动钢球转动为宜。调整出球口使铲球板紧靠砂轮盘端面 并紧固。 4 加压：调节进给压力，使板间压力在2 0 - 2 5 k n 之间为宜。 5 启动水泵。 6 启动料盘。 7 启动主轴 8 启动砂轮修正器。 9 调节料盘转速，调节冷却液流量使流球板每条沟槽中钢球不得重叠并均匀分布 1 0 调整工作压力，加大压力到工艺规定压力。 1 1 当钢球达到规定尺寸和表面质量后，按总停按钮，整机停机工作。 1 2 降低压力，点动主轴，使两板问钢球全部回到输球料盘。 1 3 卸球 2 2 钢球硬磨成球的机理 2 2 1 硬磨加工的工作原理 被加工的钢球首先装入输球盘中，然后通过送料装置进入固定盘和砂轮工作面上的 沟槽中。砂轮和固定盘借助于液压装置对钢球施以磨削压力，砂轮不停地转动，带动钢 球沿着沟槽旋转。经过砂轮沟槽的钢球受到一次磨削循环之后，由挡球刀板将钢球收集， 并通过回球槽又回到输球盘中。由输球盘不停地转动，钢球又进行第二次磨削。如此连 续循环加工，直到使钢球尺寸、球形精度和表面质量达到技术要求为止。 2 2 2 硬磨成球的基本条件 虽然球坯的硬磨过程受诸多因素的影响，但其成圆的基本条件可以总结为以下两点 们 1 切削等概率性：即每粒钢球，钢球表面上每个质点都有相同的切削加工概率。这就 要求加工中每粒钢球进入磨削滚道的次数和时间相同；而且要求砂轮转圈，单个 钢球表面上每个质点都有相同的切削加工概率。 2 磨削尺寸选择性：即加工过程中，磨大球不磨或少磨小球：磨长轴方向，不磨或少 磨短轴方向。 上述两点是钢球成圆的基本条件，两个条件对钢球精度水平的影响，可以用显著 江南大学硕士学位论文 性来表示，显著性愈强则钢球加工效率及几何精度愈高。钢球加工设备的设计都以提高 这两个条件的显著性为目标。 钢球加工的循环方式所决定了磨削的等概率性，而磨板与钢球之间的相互作用则 决定了磨削尺寸的选择性。影响这两个条件实现水平的因素有很多，影响程度也不相 同。 2 2 3 硬磨成球的影响因素 1 机床结构与输球方式 钢球加工设备有卧式、立式两种。立式机床输球方式主要为水平输球环；而卧式机 床则有多种输球方式：输球桶、提升料斗以及水平或倾斜放置的料盘等。 立式机床的磨盘水平放置，切削过程中不受重力、离心力变化的影响，压力通过弹 簧作用在固定盘上，呈“浮动”定位，使被磨钢球受力均匀，因而有良好的磨削尺寸选 择性，能更好、更快地修正钢球的几何误差，并能生产g 5 级精密钢球。但其存在的问 题是：在出球口堆积处容易产生“死角”，影响加工的等概率性，限制了钢球装球量。 因而立式机床更适用于钢球的后工序精加工。 卧式机床利用盘的开口高度差，通过适宜的溜球角度及长度使进出球比较均匀顺 畅，提高了钢球磨削的等概率性。特别是倾斜料盘的输球方式，进一步增加了溜球长度 和储球堆积高度，使钢球高效率、大批量加工得以实现。其存在问题是主轴水平放置， 重量较大的磨板悬空在轴的一端，形成悬臂梁，磨盘对钢球的作用力不均匀，影响了磨 削尺寸选择性，因而卧式机床更适用于钢球前工序粗加工或半精加工。 对于硬磨机，通常采用卧式机床的结构。 2 机床精度的影响 机床精度除主轴的制造装配精度、端跳和径跳外，还包括两磨盘的平行度和同心度。 机床精度是引起加工振动的根源，同时也使钢球受力运动无规则，丧失钢球磨削的尺 寸选择能力，使钢球表面质量与几何精度受到破坏。即使改变加工参数，延长加工时间 也不能使其有效改善。因而提高机床精度是改善钢球加工质量的最有效手段，但过分追 求机床精度会增加机床制造与维修的成本。 3 磨盘参数的影响 在压力、转速等机床加工参数一定时，钢球尺寸磨削量与固定盘沟槽半径厶的平方 呈正比，见图2 5 ( 硬磨情况与此类似) 。当固定盘外径k 一定时，减少内径厶可增加 沟槽数量，但对整体切削效率影响不大，而各沟槽尺寸磨削量的差异形成了钢球尺寸相 互差。显然，当厶。厶过大时将造成钢球与沟槽长期处于不吻合磨合状态，影响切削的 等概率性，不利于钢球几何精度与表面质量的提高。 1 2 第二章对现有硬磨机的研究 】 萋1 i ： 璺 擎 世 k ，= 1 7 8 4 ，丸，削l = 3 2 3 6 l 图2 5 不i 司沟径钢球尺寸磨削量 此外，钢球经过溜球槽及分配器时，在重力作用下，以近似均匀的间隔和速度排列 进入砂轮盘沟槽，砂轮转速一定时，各沟槽的线速度与沟径厶成正比。在机床转速较低 的情况下，进入外沟的钢球运动较平稳，但在内沟的钢球，其线速度低，因而钢球进入 沟槽不能拉开正常间隙，造成球与球连在一起滚动，形成线状烧伤；而转速过高时，则 外沟线速度过高，钢球无法顺利进入沟槽，在盘口外极易形成表面物理伤( 啃伤、碰划 伤等) 及点状烧伤。若固定盘k k 比值过大，难以选择协调内、外沟适宜的砂轮转速， 造成钢球球表面质量的破坏。因此，固定盘厶k 值的选择对硬磨钢球的质量的作用是 不可忽视的，其发展趋势是k k 逐渐减少，大约在1 7 2 2 ，其中立式设备较卧式设备 更小一些。 4 力日工参数的影响 钢球硬磨的加工参数有砂轮的特性、沟槽模板的材料、磨削液、主轴的转速、砂轮 的转速、砂轮对钢球的压力大小等等，合理地选择加工参数是保证钢球磨削效率、改善 几何精度和提高表面质量的重要条件。 。 提高砂轮转速能增加钢球磨削加工效率，因此，在条件允许时应尽可能地提高转速。 但实践中，砂轮转速提高会造成钢球进出球口加速度增加，使钢球进、出不顺畅或断流， 冲击钢球表面，造成表面碰伤及点状烧伤。 压力太小，一方面不易形成较好的接触磨削弧，固定盘的沟槽不能对钢球形成有效 的约束，钢球打滑，运动无规则，造成线状烧伤，另一方面会使钢球磨削效率降低；而 压力过大，则严重破坏了钢球表面吸附切削液所形成的适宜润滑膜，影响了钢球运动灵 活性，造成表面质量恶化，同时也使砂轮失去磨削的尺寸选择性，几何精度变差。 2 3 卧式硬磨机成球机理 对于硬磨机的成球机理，应从钢球加工的等概率性和尺寸选择性来分析，即分析硬 磨机是如何实现两个基本条件的。 江南大学硕士学位论文 2 3 1 切削等概率性的实现 一方面，机床采用循环磨削方法。钢球被装入料盘后，随料盘转动开始循环，并从 固定盘槽口下沿，经流球板进入滚道磨削。一圈磨完后，再从槽口上沿流出，重新进入 料盘。过程如图2 6 所示。这种循环磨削方法，使得每粒钢球进入磨削滚道的次数和时 间尽可能的相同。而且由于钢球在输球盘中互相搅拌，使钢球有机会进入其它沟槽里磨 削，这样就形成了砂轮和固定盘的所有沟槽与钢球一致，保证钢球得到较好的球精度和 尺寸精度。 另一方面，针对单个钢球而言。将钢球视作刚体，并将钢球在硬磨中的运动简称为 钢球的硬磨运动。现分析单个钢球的硬磨运动情况( 见图2 7 ) 。设钢球的半径为r ，钢 球球心到砂轮回转中心的距离为l 。当砂轮以绋旋转时，钢球在砂轮摩擦牵引下，绕主 轴轴线以角速度以公转；另外，由于球上各点的线速度不同，使钢球绕通过球心的某轴 线产生自转运动织。而自转织又可分为绕水平轴的滚转t - o ，和绕垂直轴的枢转纰。从磨 削要素的角度讲：切削速度指在磨削点的砂轮与钢球公转的线速度之差，而滚转缈，提供 绕y 轴的进给速度，枢转纯提供绕z 轴进给速度。因为这些运动的共同作用，使得砂轮转 一圈，钢球表面上的每个质点具有尽可能高的加工等概率性，从而保证钢球的球形精度。 球滚出 球进入 1 固定盘基座2 砂轮基座3 流球板( 入口) 4 流球板( 出口) 5 料盘 图2 6 硬磨机原理示意图 1 4 第= 章对现有爱磨机的研究 图2 7 硬磨机成圆机理的简化模型 2 3 2 足寸选择巨的实现 在硬磨过程中，砂轮和固定盘之白j 不只夹着一个球，而是几十个，上百个。由于 单个球的球径各向不等，又各个球的球径也不完全相同，因此它们的受力肯定是不均匀 的，有的甚至不受力，有的在一个方位受力待转到另一个方位又不受力。钢球如不受力， 固压力而产生的摩擦力的约束条件也就不存在了。特别是钢球上机的初始阶段，球径相 差较大更是如此，这种不受压力或在某瞬时不受压力的钢球，因失去两个摩擦约束，故 它的运动就是不确定的了。单个钢球这种既有规律又无规律的运动构成砂轮盘内全体钢 球一种有规律的运动，磨大球不磨小球，或多磨大球少磨小球，即钢球的尺寸选择性。 2 3 3 现有卧式硬磨机存在的问题 1 加工原理存在的问题 壹i誓p ( 神滚转模型( b ) 枢转模型 图2 8 磋磨机的简化模型 现将铜球硬磨运动分解为钢球绕固定盘轨道的纯滚动( 包含钢球的公转和绕y 轴滚 转q ) 和绕z 轴枢转q 。钢球的公转和滚转的产生是由于砂轮旋转所提供的磨削力引起 的，见图28 ( a ) ，e 为钢球纯滚动的速度瞬心，显之，q = ，q = 等；绕z 轴枢转q 堡壹查兰堡兰兰些丝兰 产生是由于内、外沟壁接触点相对转轴中心的距离有差异，使之产生了两种不同的线速 度( 见图2 8 ( b ) ) ，外沟槽壁钢球接触点的线速度珞显然大于内沟壁钢球接触点的线速 度珞，这便造成了钢球绕z 轴的转动。但在两点受力状态下，由于钢球只有上下两点与 砂轮或固定盘相接触( 理想状态下) 并不与内外沟槽壁相接触，因此不能造成速度差， 钢球不能够绕z 轴转动即峨= 0 。 经过上述分析，发现在两点的受力状态下钢球只具有绕y 轴的进给速度( 滚转) ， 而没有绕z 轴进给速度( 枢转) ，且加工中砂轮与固定盘之间大约有钢球直径三分之一 的空隙( 如图2 9 所示) ，这就造成钢球存在明显的两极缺陷( 如图2 1 0 所示) 。这说 明钢球经一次循环切削其切削带为一球带，这种情况严重影响了钢球的球形精度。 在这里说明一点，在实际生产中由于钢球的自转轴会发生一定的变化，使得钢球两 极现象略有所改观的，这是主要是因为加工过程中的一些随机因素引起的： 固定盘或砂轮每一沟的沟深差、沟深的变化、球直径的变化和接触处各点对应的 钢球与沟槽曲率半径的差异等，使其接触情况包括接触弧长地不断地变化，并导致接 触力地不断变化。 由于机床的运动精度，固定盘和砂轮沟槽形状曲线的差异、相对位置的偏离、钢球 的球形误差和球直径变动量等引起球与沟之间出现错综复杂的接触，并导致接触力 地不断变化。 机床加工设备的精度及砂轮本身的物理彤态、车削精度( 主要指各沟槽问的相互 差) 、调整精度。 忘卜 圈2 9 钢球硬磨模型 2 加工参数存在问题 压力值不合理 图2 1 0 铜球硬磨后图 现实际生产中压力值并不是最优结果往往只是一些经验值，并没有进行并要的理 论推导和试验，这就使得加工过程中压力值过大或过小，从而造成了能耗高，加工效率 低的问题。 沟槽形状不合理 至三苎翌墨夏堡曼璺塑墅塞 现硬磨机广泛使用的加工模型( 如图2 1 1 ) ，其固定板中的铜球与滚道底部接触， 但该接触方向为钢球加工的误差敏感方向，容易导致钢球的尺寸误差，从而降低了钢球 的球形精度。 图21 1 现有硬磨机加f 模型 4 机床结构存在的问题 进给系统存在的问题 现有的砂轮液压进给系统很难满足自动控制的要求在整个加工过程中，需要工人 不断的进行调节，增加了工人的劳动强度，不易实现加工的自动化，难以保证加工质量， 同时为了保证砂轮的磨削压力液压系统必顽持续保压，造成电机长时间的工作，系统 耗能极大增加了生产成本液压系统的泄露严重影响工厂的加工环境。 进料系统存在的问题 现有的硬磨机在磨削过程中，内外圈滚道加工过的钢球经出球口随机无序地掉入转 动料盘中使得已经达到磨削精度或尺寸较小的钢球在滚道内重复磨削，不能保证钢球 在滚道中的加工次数均等，影响铺球加工成圆的切削等概率性和尺寸选择性，从而影响 钢球的加工质量，造成钢球无效的重复加工，严重降低了硬磨机的磨削效率。 另外。钢球经过溜球槽及分配器在重力作用下。以近似均匀的问隔和速度排列进入 磨盘沟槽，使得已经达到精度要求的钢球和未达到精度要求的钢球一起磨削，不能实现 粗、精加工的分开，造成钢球之问的啃伤、碰划伤及点状烧伤等，影响钢球的加工精度。 机床的防尘 现有的硬磨机防尘措施不佳，外界的杂物很容易进入床身导轨面、砂轮磨削表面等， 影响钢球的加工、零部件的使用寿命。 床身存在的问题 现有硬磨机的机床的导轨需要经常更换，原因是一边的导轨磨损严重，这是因为目 前国内的硬磨机大都采用高低式的床身，使得床身前座中心不位于导轨中心，导致两边 的导轨受力不均，这给进给系统驱动头架保持砂轮