数控专用磨床头架及尾架设计50

上海理工大学毕业设计（论文）目 录摘 要ABSTRACT第一章 绪 论11.1概述11.2本论文的工作和意义2第二章 数控专用磨床头架部分设计32.1 头架的概述32.2头架设计的基本要求42.2.1传动系统要达到一定的转速范围42.2.2主轴系统要有良好的回转精度和足够的刚度42.2.3头架要有减少温升和振动的措施42.3 主轴系统设计72.3.1一般外圆磨床头架主轴系统设计72.3.2专用数控外圆磨床头架主轴系统设计72.4皮带传动设计92.4.1皮带传动的特点92.4.2三角皮带的选用102.5电动机分类与选用112.5.1电动机介绍112.5.2电动机的选用12第三章 数控专用磨床尾架设计143.1尾架的概述143.2尾架套筒组件的结构形式比较143.3尾架压缩弹簧的设计和选用15第四章 主轴与轴承计算校核184.1头架主轴设计计算184.2轴承的失效形式与寿命计算204.2.1滚动轴承的主要失效形式204.2.2 轴承的寿命计算20第五章 数控专用磨床头架与尾架零件的建模235.1零件的建模235.2零件的装配25第六章 SolidWorks运动仿真的简单介绍28356.1 Animator 具有的特点286.2 运动仿真的过程286.3动画向导30第七章 结束语32谢辞33参考文献34第一章 绪 论1.1概述 用磨料磨具（砂轮、砂带、油石和研磨剂等）为工具进行切削加工的机床，统称磨床。磨床是金属切削机床中的一个大类，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。磨床可以加工内外圆柱面、圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形面，还可以刃磨刀具和进行切断等工作，其应用范围十分广泛。磨床主要用于零件的精加工，尤其是淬硬钢和高硬度特殊材料零件的精加工。目前也有不少用于粗加工的高效磨床。由于现代机械产品对机械零件的尺寸精度和表面质量的要求愈来愈高，各种高硬度材料的应用日益增多，以及精密毛坯制造工艺的发展，使很多零件可以不经其它切削加工而直接由磨削加工制成成品。因此，磨床的应用范围日益扩大，在金属切削机床中的比重亦不断上升。为了适应磨削各种不同形状的工件表面及生产批量的要求，磨床的种类繁多，主要类型有：各类内、外圆磨床、各类平面磨床、工具磨床、刀具刃磨磨床以及各种专门化磨床。我们日常所指的机床及设备，按照加工性质不同，可分为冷，热加工两种。冷加工设备常见的有各种金属切削机床和挤压设备等；热加工设备常见的有铸造，锻造和焊接等等。由于金属切削机床的加工形式和使用范围比较广，并且生产的品种又较多（达数千种），因而它是机械制造工业中的主要技术装备。在一般机械制造工厂里，金属切削机床约占所有设备的60%左右。但是，无论是铸，锻，挤压成型，或是车、铣、刨、钻等切削加工，一般都难以达到高光洁度和高精度，经常要用磨削方法来完成。因此，磨床与其他金属切削机床相比，它的拥有量大，产量高，品种多，这是其他机床所不及的。据统计，目前世界上各种机床的产量和品种中，磨床约占30%左右，其拥有量约占机床总数的20%以上（仅次于车床），有些工厂（如飞机，汽车，轴承制造业等）占55%以上。随着现代工业技术的发展，磨床的需求量正在不断增长。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。同时数控磨床的显著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%。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%。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。1.2本论文的工作和意义通过参与上海第三机床厂数控专用磨床头架及尾架设计工作，进一步培养综合运用所学专业知识技能的能力，基本上能独立地完成本项目的设计要求。通过与企业工程技术人员的密切接触与交流，了解生产企业的设计规范，尽快适应企业对工程设计人员的要求，做到能解决实际设计生产中的遇到的各种问题。要求了解和掌握现代设计技术的方法和手段及先进制造技术的发展方向。第二章 数控专用磨床头架部分设计2.1 头架的概述 头架（也叫工件架、床头箱）是机床的一个重要部件。在内圆、外圆、螺纹磨床以及曲轴、轧辊、花键轴、齿轮等磨床中，由头架与尾架组合，对工件起支承、定心、夹持及带动回转等作用。 图2-1所示为万能外圆磨床外形。在床身顶面前部的纵向导轨上装有工作台，台面上装着头架和尾架，床身的内部用作液压油的油池。被加工工件支承在头架和尾座顶尖上，或夹持在头架卡盘中，由头架带动其旋转。尾座可在工作台上纵向移动调整位置，以适应装夹不同长度工件的需要。工作台由液压传动装置驱动沿床身导轨作纵向往复运动；也可用手轮操纵调整其位置。工作台由上下两层组成，上工作台可相对于下工作台在水平面内偏转一定角度，以便磨削锥度不大的外圆锥面。装有砂轮主轴及其传动装置的砂轮架，安装在床身顶面后部的横向导轨上，利用横向进给机构可实现周期或连续的横向进给运动以及调整位置。图2-1 万能外圆磨床示意图一般外圆磨床的头架主轴是不回转的，它的结构较简单，层次少，刚性好。因此磨削工件的精度和光洁度也较高。此次设计的数控专用磨床头架要在水平面内带动水晶工件一起回转，为了实现头架主轴在水平面内的回转，主轴的两端由轴承支承，因此结构比一般外圆磨床复杂，但是刚性就稍差一些。但因为此次设计的数控专用外圆磨床是加工圆柱水晶的机床，由于工件是水晶，所以相对来说尺寸较小，因而对刚性的要求并不是太高。对于大型外圆磨床来讲，在加工重量大的工件时，为了减少头架主轴的负荷，需要采用中心架（拖架）来支承工件，这时头架只起定心和带动工件回转的作用。这样的磨床头架主轴端部是顶尖。而根据此次设计的需要，水晶的重量和尺寸大小都相对较小，所以磨床头架主轴端部的平顶杆是一个平面，如果是尖顶，无法有更多的接触面积来夹紧工件。2.2头架设计的基本要求2.2.1传动系统要达到一定的转速范围由于通用磨床加工对象的范围较广，例如图2-1这台万能外圆磨床可磨工件的直径范围是8320毫米，推荐磨削直径范围也有40200毫米。如果头架只有一档转速，那么在磨削最大直径和最小直径的工件时，其线速度要相差几十倍，这就不能符合实际使用要求。对于专用磨床，由于加工对象的尺寸、形状一般较固定、单一，因此其头架转速往往根据加工工件的具体要求设计特定的一、二种转速，或调速范围很小的转速级。这次设计的数控专用磨床加工的是水晶，加工对象的尺寸大小差异不大，所以其线速度相差的也不多，所以头架没有必要要设计成调速头架，而是安装了三相电动机，并且通过有两档转速的皮带轮来调节主轴转速。这样头架的机械结构尺寸和复杂程度大大减小了。2.2.2主轴系统要有良好的回转精度和足够的刚度头架主轴系统的回转精度和刚度，会直接影响工件的尺寸精度和几何精度，因此必须对回转精度和刚度提出一定的要求。一般磨床主轴的回转精度要求为0.007毫米，刚度要求不小于15公斤/微米；精密磨床主轴的回转精度为0.005毫米，刚度不小于50公斤/微米。提高旋转精度还有其他措施：即设置皮带轮卸荷装置，见图2-2，皮带轮不直接装在主轴上，而是通过滚针把皮带轮的重力传递到了箱体左端盖上。因为左端盖与箱体连接，所以力就传递到了箱体上。并增加了皮带轮端盖结构， 图2-2 卸荷机构采用平键连接的方式带动主轴旋转。虽然结构上 比较复杂，但这样减少了主轴变形和轴承受力。2.2.3头架要有减少温升和振动的措施头架经过一段时间运转后，由于运动零件的摩擦和其他原因产生热量，会使头架热变形。尤其是“活顶尖”磨削的头架发热更厉害，发热的结果会使头架主轴中心产生位移，这是由于头架体壳的底面由工作台定位，中间由定位头定位，所以受热后只能向上和向两侧膨胀，从而使主轴中心向上和向砂轮架方向位移。若磨削时工件仅由头架上的卡盘夹持，主轴的热位移仅影响工件的尺寸精度。若工件采用头、尾架顶尖顶住磨削时，由于尾架发热少，套筒中心几乎不位移，结果头架主轴中心的热位移会使头、尾架顶尖中心的连线与工作台导轨不平行，影响工件的几何精度。一般主轴向上的位移y对工件精度影响不大，而向砂轮架方向的位移x会使工件呈锥形。位移变化可见图2-3图2-3 头架主轴因热变形产生位移对外圆床头架作热变形实验，结果显示几乎每台磨床的头架都有热变形，有的上母线位移量y达到0.02毫米以上，侧母线位移量x达到0.015毫米。例如M1432A万能外圆磨床的头架，由皮带轮带动拨盘旋转，一小时以后头架温升6.8，测得顶尖侧母线位移量x为0.0055毫米，上母线位移量y达到0.010毫米。从下图2-4可以算出头架主轴中心位移对工件尺寸的影响：设要求磨出的工件半径为R1，主轴热变形后实际磨出的工件半径为r1，其误差值R为: R=b-a=b-=b-b; (2-1)由于e/b1,上式可以简略为R=b-b= (2-2)式中: a为R砂+ r1(毫米); b为R砂+R1(毫米); e为工件(主轴)中心位移值(毫米)。有因为x=，所以R=x；从以上的计算分析可以看出，侧母线的位移量x等于工件半径误差值；而上母线的位移量y对工件直径几乎没有影响，但在磨外锥体时，会使锥体母线形成中间凹的双曲线。在磨削工件内锥孔时，主轴中心的位移（包括头架中心与砂轮架中心不等高误差），既影响工件的锥度，又影响其几何形状精度，使锥孔母线形成中间凸的双曲线，造成孔与轴配合接触不好。图2-4 头架主轴中心位移对工件的影响设计头架时，为了减少热变形的影响，可从减少发热和加快散热两方面来提出措施。为了减少发热，首先应该用发热少的动力源，而且选用电动机的功率要足够，防止过载后发热，引起不必要的机床与加工工件的误差。另外在传动中尽量采用效率高的传动副，对于蜗轮蜗杆副和螺旋齿轮副等传动效率低的机构，应尽量少用。主轴旋转也是头架主要热源之一，尤其是采用滑动轴承的头架，因为滑动轴承摩擦系数大，所以一般比较滚动轴承发热厉害，特别在轴承间隙过小的情况下发热就更厉害；滚动轴承的头架如果轴承装配不好或者预加负荷过大，也会使头架发热增加，因此在主轴轴承装配时必须注意装配质量。对于滑动轴承一般都采用浸油润滑，而滚动轴承涂上锂基润滑脂可，以减少轴承的摩擦发热。此次选用滚动轴承也是考虑到了机床发热的原因。在不影响刚性的前提下，头架体壳的壁厚尽量设计的薄一点，这样可使头架散热快，减小温升和变形。这次设计所涉及到的是水晶的工件，所以无论是对磨床的刚度还是发热的影响都是比较小的。对于发热比较厉害的头架，最好能在体壳上制出散热片、百叶窗等通风散热结构。头架振动不但影响工件的表面光洁度，而且影响几何精度，使表面形成多角形，因此在设计头架时，必须尽量减少头架的振动和采取必要的防振动措施。头架上的旋转零件如果不平衡，则在回转时（特别是在高速旋转时），更容易引起振动，因此需要注意回转零件的平衡。对于头架电动机，在装配前必须先进行动平衡，装配时在电动机的底座下面垫一层橡皮或者硬木，可起吸振和防振作用。对于大功率的电动机，由于振动较大，还可以采用分离式传动（即电动机不装在头架上），比如 M82100大型曲轴磨床头架，就是采用这种传动结构。设计头架时，除应满足上述要求外，还要使头架的结构和制造简单，使用与维修方便。2.3 主轴系统设计 2.3.1一般外圆磨床头架主轴系统设计一般外圆磨床头架的主轴不需要转动，则主轴直接固定在体壳上。主轴轴颈的固定形式有单支承、双支承两种。一般情况下，规格较小的磨床，趋向于采用单支承，而规格大的磨床大多用双支承。采用单支承主轴的结构，制造较简单。但是必须满足轴颈支承长度大于轴颈直径1.5倍的原则，即L1.5D。如图2-5如果轴颈尺寸较大，其支承长度L较长，则可在体壳内孔中段设计适当长度的沉割槽，这样可以保证轴颈与孔接触良好。如图2-6 图2-5 主轴轴颈与支承长度关系 图2-6 带沉割槽的主轴孔2.3.2专用数控外圆磨床头架主轴系统设计（1）主轴的特点这台数控专用磨床的头架主轴是需要转动的，所以除了主轴系统除了主轴、轴承两个基本的零件外，还有螺母、垫圈、密封环及轴承盖等零件组成。外圆磨床的头架主轴系统与砂轮架主轴系统相比，除有其共性外，还有一些特点：(1) 砂轮架主轴转速高，头架主轴转速低，但是后者的回转精度要求比前者高。因为它比砂轮架主轴更直接影响工件的精度。(2) 砂轮架主轴在工作时必须旋转，而头架主轴在工作时有时需要回转，有时不需要回转。(3) 砂轮架主轴没有调速要求，头架主轴要有一定的调速范围。(4) 砂轮架主轴是实心的，而头架主轴则是空心的，可以作为磨内孔零件时的冷却液通道或拆卸顶尖的辅助孔。（2） 主轴轴颈尺寸与跨距的确定主轴是保证回转精度的关键零件，除主轴支承轴颈的精度外，其刚度是影响回转精度的主要因素。主轴只有在足够刚度的前提下，才能保证精度要求。提高主轴刚性的主要措施有：加大支承轴颈D、缩短悬伸长度a和合理确定支承跨距L。主轴的支承跨距一般取L=(34.5)D; 而支承轴颈D是根据顶尖大端尺寸d来定的,一般取D=(1.52)d, 头架主轴的悬伸长度a与支承跨距L之比为a/L=1/21/3。不过具体尺寸还应该按实际情况而定。（3） 轴承的选用与设计合理选用轴承类型对主轴系统的回转精度有很大的影响，头架常用的轴承有滚动、滑动和液体静压轴承等，但它们的要求与结构和砂轮架轴承不同：砂轮架轴承主要保证主轴的高速旋转，而头架轴承主要保证主轴的回转精度。由于滚动轴承具有“三小、二便、一简单”的优点，即：摩擦损耗小，启动力矩小和轴向尺寸小，选购方便，维修保养方便，结构简单。但是其旋转精度与使用寿命和承载刚性都比滑动轴承低，因此适用于一般精度要求的头架。一般头架主轴上所用的轴承精度要求在D级以上，并进行预加负荷以提高轴承刚性，保证回转精度。此外，除保证主轴支承轴颈和轴承的精度外，固定轴承或对轴承预加负荷的零件（如螺母、挡圈、轴承盖等），也必须保证一定的精度，否则也会影响主轴的回转精度。最常见的上述三种零件提出端面与外圆（或内圆）不垂直，紧固后使轴承变形，影响主轴回转精度，因此需对这些零件提出端面与外圆(或内孔)垂直或两端面平行的要求等。此外还可以采用下面这个结构减小轴承的变形：采用十字垫圈结构，即在两只平垫圈之间夹一只十字型的特种垫圈，以消除因螺母的螺纹与端面的不垂直引起主轴和轴承的变形。如图2-7图2-7 十字垫圈消除主轴和轴承的变形另外可以采用压力油调整轴承间隙，减小螺母对轴承的紧固力，以减少主轴和轴承的变形。如在装配调整圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承的间隙时，原来用拧螺母的方法使轴承预紧，螺母的紧固力很大，如在主轴与轴承锥孔间注入压力油，使轴承内孔微量胀大，不但能在移动轴承时起润滑作用，而且使螺母用很小的紧固力就能把轴承的间隙（或过盈）调整好。由于滑动轴承的旋转精度高，承载刚性大，因此多用于精度要求高或者大型磨床的头架，其加工和装配的工艺性较复杂，除要求前后轴承同心、间隙相等、主轴和轴承有一定的接触面积要求外，还必须保证主轴轴承间在热态（头架工作一段时间后，达到热平衡状态）时有微量的间隙，一般约为0.002毫米，太大会影响主轴回转精度，而太小又容易出现“咬刹”现象。头架滑动轴承与砂轮架滑动轴承在结构上最大的不同点是：轴承一般都采用整体式，而且上面没有形成油楔的油槽，这是由于头架主轴的转速较低，即使轴承上有油槽结构也难以形成油楔。所以在在头架轴承上一般只有用于润滑主轴轴承表面的螺旋形油槽。静压轴承一般也用于高精度和大型磨床的头架，它的结构和砂轮架静压轴承相同，具有回转精度高，承载能力大、刚性好、低速时没有爬行现象等优点。采用滚动轴承时，其主要优点是它能在工作速度和载荷变化范围很大的情况下稳定地工作，作为主轴轴承的滚动轴承，一般都可以调整间隙，使其在无间隙或者有预加载荷条件下工作，有利于提高其回转精度和刚度。滚动轴承的摩擦系数很小，因此空转功率消耗较小，润滑条件比较简单。数控专用磨床头架采用的是两端定位-调隙支承方式是将两个轴向定位约束分别安置在轴两端的支承上，它通常由两个圆锥滚子轴承或者两个角接触轴承组成。这种轴承既能承受大的径向力，也能承受大的轴向力，通常用于径向和轴向均有外载荷的场合。此次采用的方案是一端装有一对深沟球轴承，另一端装有两对角接触轴承背对背的放置。装配时用螺母或者其他方法调节轴承圈，保证所需的轴向间隙或者轴向预紧。由于其间隙可以调整，这种支承方式特别适合于传动精度要求高的场合。它一般无轴向刚体位移，但当轴的热膨胀比支承它的壳体热膨胀大时，会引起附加轴向力。可以借可调节的轴承轴向间隙，来平衡轴和壳体的变形差额。所以选用C6202（GB/T276-95）以及C202 （GB/T292-94）轴承。2.4皮带传动设计2.4.1皮带传动的特点常见的有级调速机构有宝塔皮带轮、齿轮或链轮传动。在外圆磨床头架传动中，目前大多采用平皮带或者三角皮带传动，而对于有严格传动比要求的螺纹磨床以及头架尾架之间有同步传动要求的曲轴磨床，则采用齿轮或链轮传动。(1) 由于皮带具有弹性，可起缓冲、吸振作用；因此传动平稳、噪音少，适用于中、高速度的传动。（v=525米每秒）；(2) 适宜于两轴中心距较大的传动；(3) 在过载传动时，皮带能自动在皮带轮上打滑，避免损坏其他有关传动零件；(4) 结构简单、成本低，制造、保养、维修和更换均方便；(5) 由于皮带在传动时会伸长和打滑，所以不能用于传动比有严格要求的机构。并且其外形尺寸较大，传动效率也较低。由于皮带轮具有上述特点，故在磨床头架传动中被广泛采用。2.4.2三角皮带的选用 三角皮带的型号，是根据电动机的功率来确定的，其型号可从表2-1中查得；传动功率(千瓦)型号传动功率(千瓦)型号0.3750.75 O3.757.45A、B0.752.25 A7.4518.5 B、C2.253.75 A、B18.537.5 C、D表2-1 三角皮带型号选用推荐表由于头架的三相电动机是0.12千瓦的，故选用O型皮带，再根据表2-2查得皮带轮的槽型尺寸。槽型 L b e f h O8.5 2.5 12 8 10 A143.5161012.5 B1452012.516表2-2 三角皮带轮槽型尺寸表三角皮带的根数Z是按功率与速度来确定的。一般可根据下列公式估算：Z=N/N0K1K2 (2-3) N-电动机功率；K1-因包角影响的修正系数；K2-因工作负荷性质影响的修正系数；N0-每根三角皮带所能传递的最大功率；K1是随着包角大小而变化的，包角=1802arcsin（D大-D小）/2A (2-4)可见包角是随着D大-D小的差值增大和中心距A减小而减小，一般角不小于120。 K2可按负荷的性质来定。如启动负荷平稳、无振动，则K2取0.90.7; 启动负荷较正常工作大得多，或有冲击和振动，则K2取0.60.4; 外圆磨床头架传动通常K2取0.8。三角皮带运动速度与传递功率N0是成正比的，即速度高，传递功率就大，这样在传递同样功率的条件下，速度高，皮带根数Z就可以少。如速度为10米/秒的外圆磨床，实际选用4根A型三角皮带，与计算值是一致的。相反，速度低时，皮带由于传递力矩一定，则传递功率小，皮带根数Z就要增多。尤其是外圆磨床头架传动的的最低速度，一般在1米/秒以下，因此皮带能传递的功率就更小，按计算所得皮带根数Z就很多，这会使皮带轮的轴向尺寸很大，造成整个部件的结构庞大，有时甚至在结构上根本无法安排。因此只能使皮带的根数减少，而用增加皮带紧张力的方法来弥补因皮带根数减少而影响所传递的功率。所以一般中、小型外圆磨床头架传动大都采用12根三角皮带，就是这个原因。当然，这会降低皮带的使用寿命并需调换。皮带长度的近似计算公式：L2A+/2（D大+D小）+ （D大-D小） /4A (2-5)L是根据皮带轮的计算直径算出的长度。皮带内圈长度L标与皮带计算长度L的关系如下式所示：L标=L-2（h0-b）（毫米） (2-6)公式中h0为皮带的厚度；b为皮带重心到顶面的距离（毫米）。 然后根据三角皮带标准长度系列参数选取与计算出的皮带内圈长度相等或相近的三角皮带标准长度。如相差较大，还需要按选取的长度反求中心距A。计算得电机带轮与主轴带轮的中心距为133毫米。2.5电动机分类与选用2.5.1电动机介绍电动机也称为“马达” 淙色的线是绝缘层 把电能转变为机械能的机器。利用电动机可以把发电机所产生的大量电能，应用到生产事业中去。构造和发电机基本上一样，原理却正好相反，电动机是通电于转子线圈以引起运动，而发电机则是借转子在磁场中之运动产生电流。为了获得强大的磁场，不论电动机还是发电机，都以使用电磁铁为宜。（1）按工作电源分类 根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。 （2）按结构及工作原理分类 电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。 同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电动机。 异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。 直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 （3）按起动与运行方式分类 电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容盍式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。 （4）按用途分类 电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。 驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。 控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。 （5）按转子的结构分类 电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。 （6）按运转速度分类 电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。 2.5.2电动机的选用最终我选用了JW5624三相异步电动机。功率120瓦，转速为1400转/分。图2-8 三相电动机因为JW系列电动机具有体积小、重量轻、价格便宜、运行可靠，结构简单坚固，外形美观等特点，起动性能好，具有效率高等特点，达到了节能效果。而且噪声低、寿命长、经久耐用。此外系列电动机适用于空气中不含易燃、易爆或腐蚀性气体的场所，例如金属切削、磨削、泵、风机、运输机、农业机机械等。由于JW5624是三相异步电动机。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。 第三章 数控专用磨床尾架设计3.1尾架的概述尾架是配合头架对工件起支承、定心作用的另一个主要部件，其中心高度、顶尖位置及与工作台结合面的结构形式均与头架相同。但是尾架有其自己的特点：一般外圆磨床的尾架结构较简单，尾架套筒可轴向移动但是不能回转，外形尺寸比头架小。专用数控磨床的尾架采用圆柱形套筒，由压缩弹簧顶住弹簧固定座，弹簧固定座与尾架套筒相连接。顶紧力的大小可以按被磨工件的重量、直径以及磨削用量的大小来调整，其调节方法是：转动手柄杆，带动装有齿条的尾架套筒向前移动，移动到合适位置并放置工件锁住手柄，然后调节螺杆上的捏手，以调节压缩弹簧压缩量，达到调节弹簧推力的目的。弹簧的推力克服了尾架主轴上的径向力以及轴向力，起到顶紧工件的目的。顶紧力可以通过调节弹簧弹力来控制。尾架体上设有开槽凹端紧定螺钉，限制套筒的伸出量并限制了套筒的转动。整个尾架的移动靠装在尾架体上的L形槽用螺钉，该螺钉与工作台上开的燕尾槽相嵌，螺钉上还装有锁紧尾架的螺母和垫圈。移动到合适的位置然后锁紧螺母就可以固定好整个尾架。该尾架结构简单，工艺性好，但固定用的L形槽用螺钉细而长，因此刚性较差，只能适用于受力较小的中小型磨床结构中。设计尾架时的要求：（1）体积小、重量轻，使尾架在工作台上移动轻便；（2）尾架的刚性要好，这里的刚性是指出顶尖和套筒的接触、套筒和体壳的接触以及套筒的伸出长度和支承长度外，还包括体壳的刚性要好；（3）弹簧的设计机和选择要正确。弹簧力太小，会使工件顶不牢，不但影响磨削精度，甚至会产生事故；弹簧力太大，又会使小工件或者细长轴变形；（4）结构简单，使用方便，加工和装配的工艺性要好。3.2尾架套筒组件的结构形式比较 （1）轴向固定套筒 这种尾架套筒在顶尖顶牢工件后没有伸缩余地，一般用于加工精度要求较低，支承重量较大的机床上，如车床尾架。使用时只要转动手轮，丝杆直接推动套筒顶紧工件，它的结构简单，支承重量大，但在加工时，由于切削力大，再加上套筒与体壳之间的配合间隙，往往使顶尖因振动而引起松动，因此这类尾架一般都备有套筒锁紧装置。这样一来，会使工件（尤其是细长轴）因热伸长量而弯曲，影响工件的加工精度，故这种结构对精度要求较高的中小型外圆磨床不大适用。 （2）轴向自位套筒 一般中小型外圆磨床大都采用这种结构，数控专用磨床的尾架套筒也是采用这样的结构形式。它由压缩弹簧的推力顶紧工件，这样当工件热伸长时，顶尖可自动后退，而工件冷却时，顶尖又借弹簧的作用向前移动，使顶尖始终以一定的力顶住工件，即套筒有一定的自位作用。但这种套筒的支承重量较小，且套筒的移动量也较小，特别是在设计时，必须使弹簧的推力大于磨削时工件可能产生的最大轴向力，以免发生事故。 （3）轴向微量自位套筒 规格较大的外圆磨床尾架，由于工件的重量大，切削用量大，因此产生的轴向固定形式的套筒，但因工件的精度要求较高，为了解决热伸长对磨削精度的影响，因此在丝杆的后面设置一片或数片碟型弹簧，这样可避免因操作者用力过大而损坏顶尖或中心孔，另外在磨削时能适应工件的热伸长。3.3尾架压缩弹簧的设计和选用一般中小型外圆磨床的尾架，都用弹簧的推力来支承工件，因此在设计尾架时，如何正确设计和选用弹簧合理的结构尺寸是很重要的，下面以一台外圆磨床尾架的压缩弹簧为例，说明弹簧设计的方法和步骤。假设工件的最大重量W=150公斤，尾架套筒重量W1=10公斤，切向磨削分力PZ=12Kg，径向磨削分力PY=40Kg，轴向磨削分力PX=4Kg；顶尖在支承最大轴向负荷时，套筒需要有30毫米的后退量（即弹簧压缩30毫米时不并圈），以便装卸工件；该尾架采用60顶尖，套筒的滑动摩擦系数f=0.15。在设计弹簧前，需要先求出套筒所受的最大轴向负荷。对图3-1尾架受力进行分析，尾架套筒和顶尖可能有下面两种情况承受的轴向力最大：（1） 安装工件时：尾架套筒借弹簧推力 在体壳孔内向工件方向移动，使顶尖与中心孔全部接触 这时弹簧推力P1必须克服因工件重量引起的轴向力P和套筒与体壳的摩擦力Pf 。即：P1=P+Pf=1/2Wtg30+(1/2W+W1) (3-1) f =75*0.5774+(75+10)*0.15=56Kg 图3-1 尾架受力示意图（2）磨削工件时：弹簧推力 P2 必须克服因工件重量和磨削分力引起的最大轴向力，尾架套筒不会退让，但这时套筒与体壳间的摩擦力可阻止套筒的后退。即：P2 = P合 + PX - Pf 而 P合 = (3-2)代入公式（3-2）得：P2 = (3-3)= 0.5774 + 4 850.15 = 46.5kg比较上述两个公式中的轴向力大小可以看出，在安装工件时的轴向力最大,因此设计弹簧的最大推力P 必须满足P56kg。若已知安装弹簧的套筒内孔为38毫米，下面就根据上述已知参数，设计压缩弹簧的结构尺寸。弹簧是磨床和其他金属切削机床中广泛应用的零件之一，它主要有复位、贮能、缓冲、吸振和调压等作用。其种类一般可分为压缩弹簧、拉伸弹簧和转扭弹簧等三种，而按形状又有螺旋圆柱形、圆锥形和板状等形式。一般中小型外圆磨床的尾架大多数采用圆柱形压缩弹簧，其结构尺寸可以按工作条件用有关公式计算，但用理论公式计算弹簧的尺寸较复杂，也较麻烦，而且计算出的数值与实际使用的误差较大，所以通常按照弹簧的实际情况来选用弹簧有关的尺寸参数，一般已能满足要求。在满足P 56 Kg的条件下，查常用圆柱形压缩弹簧参数表查出钢丝直径、弹簧外径，并由此计算出弹簧圈数和自由长度。根据专用数控磨床尾架套筒内孔直径为38毫米，可初定弹簧外径D= 36毫米。由D=36毫米找到P=63Kg(56Kg), 查表得弹簧簧径为d=5毫米，弹簧节距为t =9毫米, 在P力的作用下的节距为 t1=6毫米。由此可分别算出弹簧在空载时的每圈间隙S0，和63Kg负荷时每圈的变形量f以及间隙S： S0 = td = 95 = 4毫米 f = t t1 = 96= 3毫米 S = S0f = 43=1毫米 (3-4)由于弹簧的工作负荷与弹簧每圈的变形量成正比，即： 故可计算出P1 =56Kg 工作负荷下的每圈变形量f1 ：f1 = f P1/P=3 = 2.667 毫米 (3-5)其每圈间隙S1 ：S1 = S0 f1 = 42.667 = 1.333毫米按尾架设计要求，套筒要后退30毫米，此时弹簧的每圈间隙为1.333毫米。为了保证压缩30毫米仍不并圈，则必须使弹簧工作圈数的间隙之和nS1 30毫米，如果再考虑放5毫米的余量，需使nS1 35毫米，因此这时弹簧工作圈数为：n=35/s=35/1.333 = 26.2圈，取n=27圈 类似地外圆磨床尾架压缩弹簧取11.5圈。这时弹簧的自由长度H为：H=nt + 1.5d =279 + 1.55=250.5毫米，然后圆整，取 H=250毫米。外圆磨床的弹簧长度按此计算公式取 98毫米。这样最后得外圆磨床尾架的压缩弹簧结构尺寸为：d=3毫米，D=17毫米，H=98毫米，n=11.5, t=8毫米。见图3-2图3-2 弹簧结构简图第四章 主轴与轴承计算校核4.1头架主轴设计计算一主轴的材料为40Cr钢，调质处理，查书表13-1可知:抗拉强度 980MP，屈服点=785 MP查表13-6可知：= 148 MP = 88 MP = 324 MP二按扭矩强度估算轴的最小直径头架的主轴与电动机直接相接，由于是高速轴从机构要求考虑，输入端轴颈应最小。最小直径为：d (4-1)查表13-5可得，40Cr钢取C=106，则d 106 mm = 10.07mm考虑到螺纹退刀槽的影响取最小直径d=12mm。三主轴平顶杆上的作用力的计算平顶杆所受的转矩为:T = 9.55 10 P/n = 9.55 10 0.12/140 = 8185.7 Nmm (4-2) 平顶杆的作用力：圆周力：F=2T/d=28185.7/200=81.86N (4-3)径向力：F=67.15N轴向力：F=181.9N四主轴的结构设计主轴结构设计时，需同时考虑轴系中相配零件的尺寸以及轴上零件的固定方式，按比例绘制结构草图。（1） 确定轴上零件的位置及固定方式。将主轴套筒布置在箱体的中间部分，轴承布置在套筒的两边，轴的一端通过平键与皮带轮端盖连接在一起。轴外伸的那一端安装平顶杆。主轴带轮靠平键和内六角螺钉以及箱体左端盖实现径向与轴向的固定，两端的轴承靠垫圈、套筒、轴承端盖以及支圈来实现轴向定位，靠过渡配合来实现周向固定；主轴通过轴承端盖、平键以及内六角平端紧定螺钉实现轴向定位。头架主轴前端是空心的，可以作为磨内孔零件时的冷却液通道或拆卸平顶尖的辅助孔。（2）确定各段轴的直径。将估算轴径d=12mm作为轴径最小的轴段,由于两个六角螺母要顶住皮带轮端盖，根据螺母的内径故选取d=16mm。考虑到主轴第二段轴上要有键槽装上平键与皮带轮端盖相配合，取第二段直径为d2=16mm,考虑到第三段轴的后端要装轴承以及开槽装限位垫圈，d3取16mm。两端由于装的是同样内径的轴承，并且装有长套筒，16毫米的轴径一直延伸到了主轴前端的轴肩。轴肩要与端盖螺栓配合所以轴径取25mm而主轴前端的空心轴段则根据安装的平顶尖外径以及平顶尖的一端螺纹配合来确定轴径，所以依次是12mm与M6的螺纹孔。（3）选取轴承型号。初选右端两个轴承型号为超轻型的角接触球轴承，代号C46202。查机械手册可得：轴承宽度B=11mm，安装尺寸D1=16mm。左端为超轻型的深沟球轴承，代号C202。查机械手册可得，轴承宽度B=11，安装尺寸16mm。（4）确定各段轴的长度。综合考虑轴上零件的尺寸及其箱体尺寸的关系，确定各段轴的轴长。（5）画出轴的草图。如图4-1图4-1 头架主轴简图 五校核轴的强度（1）画出轴的计算简图、计算支反力和弯矩。由轴的结构简图，可确定轴承支点跨距，由此可画出轴的受力简图。水平面支反力F= F = (1/2) F= (1/2) 81.86= 40.93 N (4-4)水平面弯矩 M = F = 40.9399Nmm = 4052Nmm (4-5)垂直面支反力由静力学平衡方程可求的F = 198 N, F = 17.5 N (4-6) 垂直面弯矩M= F99=19899 Nmm=19602Nmm (4-7)M=- F99=17.599 Nmm=1732.5Nmm (4-8) 合成弯矩M= (4-9) = Nmm=20016 Nmm (4-10)= Nmm=4406.8 Nmm (2)计算当量弯矩M。转矩按脉冲循环考虑，应力折合系数为 (4-11)最大当量弯矩为M= 式中： (4-12)M= = Nmm= 20590Nmm（3）校核轴径。由当量弯矩图可知，剖面上的当量弯矩最大，为了危险截面，校核该轴截面直径 (4-13) 13.27结构设计确定的直径为25，强度足够。4.2轴承的失效形式与寿命计算4.2.1滚动轴承的主要失效形式(1) 疲劳点蚀 疲劳点蚀使轴承产生振动和噪声旋转精度下降，影响机床的正常工作，是一般滚动轴承主要的失效形式。(2) 塑性变形 当轴承转速很低( n10r/min)或者间歇摆动时，一般不会发生疲劳点蚀，此时轴承往往因为受到过大的静载荷或者冲击载荷而产生塑性变形，使轴承失效。(3) 磨损 润滑不良，杂质和灰尘的侵入都会引起磨损，使轴承丧失旋转精度而失效。4.2.2 轴承的寿命计算(一) 寿命计算中的基本概念(1) 寿命 滚动轴承的寿命是指轴承中任何一个滚动体或者体内、外圈滚道上出现疲劳点蚀前轴承转过的总圈数，或在一定转速下总的工作小时数。(2) 基本额定寿命 一批类型、尺寸相同的轴承，由于材料、加工精度、热处理与装配质量不可能完全相同，即使在同样的条件下工作，各个轴承的寿命也是不同的。在国标中规定以基本额定寿命作为计算依据。基本额定寿命是指一批相同的轴承，在同样的条件下工作，其中10%的轴承产生疲劳点蚀时转过的总转数，或在一定转速下总的工作小时数。(3) 额定动载荷 基本额定寿命为10r时轴承所能承受的载荷，称为额定动载荷，以“C”表示，轴承在额定动载荷作用下，不发生疲劳点蚀的可靠度是90%。(4) 额定静载荷 轴承工作时，受载最大的滚动体和内、外圈滚道接触处的接触应力达到一定值时的静载荷。(5) 当量动载荷 额定动、静载荷是在向心轴承只承受径向载荷，推力轴承只承受轴向载荷的条件下，根据实验确定的。实际上，轴承承受的载荷往往与上述条件不同，因此，必须将实际载荷等效为一假想载荷，这个假想载荷称为当量动载荷，以“P”表示。(二) 寿命计算在实际应用中，额定寿命长用给定转速下运转的小时数L表示。考虑到振动和冲击的影响，引入载荷因数f，见表5-1；考虑到工作温度的影响，引入了温度因数ft ，见表5-2；实用的寿命计算公式为： (4-14)若当量动载荷P与转速n均已知，预期寿命L已选定，可根据公式4-15选择轴承型号。 (4-15)由上所述，由于轴主要受到轴向力和一定的径向力作用，回转精度要求较高，因此采用深沟球轴承以及角接触轴承。(1)对于轴承的计算轴承的当量动载荷:P=x Fr + y Fa (4-16)其中x为径向载荷因数；y为轴向载荷因数；Fr为轴承承受的径向载荷；Fa为轴承承受的轴向载荷。因此,查表后可以选择C6202（GB/T276-95）以及C202 (GB/T292-94)轴承。表4-1 温度系数ft轴承工作温度100125150200250300温度系数ft10.950.900.800.700.60表4-2 载荷系数 f载荷系数无冲击或轻微冲击中等冲击强烈冲击fp1.01.21.21.81.