轴承内圆磨床自动上下料系统设计

机电工程学院毕 业 设 计 说 明 书设计题目: 轴承内圆磨床自动上下料系统设计 学生姓名：学 号：专业班级：指导教师：08 年 5 月 目 次1 轴承内圆磨床自动上下料系统概述11.1 课题的来源与意义11.2 课题研究现状和发展趋势2 1.3 课题的设计任务与技术要求52 轴承内圆磨床总体设计与布局72.1 轴承内圆的磨削原理与特点72.2 轴承内圆磨床的加工对象，范围及要求82.3 机床的主要运动参数分析92.4 影响机床加工精度和效率的工艺因素102.5 机床主要部件结构方案评价1126 机床的工作循环过程1227 机床的造型设计132.8 机床的总体布局 15 3 轴承内圆磨床自动上下料系统设计 163.1 上下料方案设计163.2 上料机构“双料”故障的成因和预防173.3 输料槽的设计233.4 气缸的选择23设计总结27致谢29参考文献3011 轴承内圆磨床自动上下料系统概述1.1 课题的来源与意义1.1.1 课题的来源现今轴承生产中，套圈磨削工艺及专用磨床不能满足高精度，高效率的要求，与国外相比存在着一定的差距。工艺设备的落后是国产轴承精度低，性能差，成本高以及在国际市场上竞争力低的主要原因。在所有轴承加工设备中，内表面磨床的水平具有表征意义。这主要是磨削孔径限制了砂轮尺寸及相应的系统结构和几何参数，从根本上限制了工艺系统的的刚性。内圆磨削速度要从砂轮主轴的转速的提高寻找出路，相应的就带来了高速主轴轴承的制造，应用装配技术和高速下的振动及动平衡一系列要求。轴承套圈内径公差严格，在大批量与高效率的生产条件下，难以用定程控制尺寸，必须配用各式主动测量系统，从而增加了内圈磨床结构及尺寸的复杂性。该课题来源于生产实践。在深沟球轴承内圈的加工中，内圆磨削是一道关键工序。其原因是：受孔径限制，砂轮尺寸小，砂轮消耗快，影响磨削效率和质量。现代磨削技术在不断的发展和提高，对于轴承内圈内圆的磨削，越来越要求磨床具有高精度、高效率和高可靠性，而传统的手动和半自动内圆磨床难以满足使用要求，因此设计开发全自动内圆磨床则显得尤为重要。1.1.2 课题的背景与意义轴承内圆内圈磨床是指用于磨削轴承内圆的专用磨床。五十年代，开始逐步发展了切入式轴承专用内圆和外圆磨床；至八十年代，随着机床基础元件技术的发展，特别是电子技术的高速发展，轴承套圈内圆和外圆磨床的技术的日趋完善，相继出现了 PC 和 CNC 控制轴承套圈内圆和外圆磨床及 CAC 控制的轴承套圈内圆磨床，使现代控制技术与先进的机床功能组件相得益彰，大大提高了机床的自动化程度、可靠性、工作精度和生产效率。迄今为止，较著名的轴承磨床制造厂主要有：美国的勃兰恩特、希尔德；西德的奥佛贝克；意大利的西马特、法米尔、诺瓦；日本的精工精机、东洋工业公司；东德的柏林机床厂、卡尔马克思城磨床厂等。本课题为生产轴承的企业提出的实际课题。小型深沟球轴承是使用量较大的轴2承产品。其生产方式为大批量生产。由于行业的竞争日益激烈，生产厂家特别重视产品的质量和加工效率。在深沟球轴承内圈的加工工序中，内圈磨削是一种瓶颈工序，也是关键工序。传统的手动和半自动内磨床难以满足使用要求。因此，有必要设计开发以提高加工效率和质量为目的的全自动轴承内圈内圆磨床。通过设计改进的预期成果是将此深沟球轴承内圆磨床制造出来并投入到实际生产轴承圈的生产中，达到提高精度、加工效率和质量的目的。1.1.3 课题设计要解决的问题轴承加工是以大批量为特征的，因此加工设备不仅要保证轴承所要求的各项精度而且效率也是一个很重要的指标。所以上下料的辅助时间是可以考虑缩短来提高效率的。而随着轴承工业的发展，对轴承磨床的加工精度也提出了更高的要求。尺寸精度是轴承加工中控制的一项关键之一。所以我们有必要去对上下料及进给进行研究。在学校翻阅图书馆大量文献，研究出初步的设计方案。去工厂进行实地考察，结合书本知识，得出最佳设计方案。根据任务分工，我主要负责设计机床的上下料系统。设计过程中，通过翻阅大量的通用机床的设计资料，并总结设计机床的主要特点，从而得出了该机床的上下料装配图和机床装配图。虽然各种机床的功能和要求不同，但就其磨削原理而言，同属于内表面磨削，其运动方式和总体布局也基本相同，大多数部件通用。目前，国内各厂对中高级精度轴承多采用二次磨削，为了改变这种情况，拟用一次磨削代替且达到终磨技术要求。要在大批生产高效的条件下，满足上述技术要求，从磨床设计的观点来看，可以归结为磨削几何精度、尺寸精度及效率三个方面的要求。用因果分析尺寸精度、几何尺寸及磨削效率的影响因素，从而选择最佳装夹部件方案，在考虑运动图的设计布局及造型设计，最后决定最佳的方案。1.2 课题研究现状和发展趋势1.21 课题研究现状随着轴承工业的迅速发展，对轴承磨床的加工精度、效率、可靠性提出了更高的要求。尺寸精度是轴承加工中控制的一项关键精度之一，而磨床的进给机构直接影响轴承套圈加工的尺寸精度。因此，随着轴承质量要求的不断提高，需要更加精3密高效的磨床进给机构。磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。小型深沟球轴承是使用量较大的轴承产品。其生产方式为大批量生产。由于行业的竞争日益激烈，生产厂家特别重视产品的质量和加工效率。在深沟球轴承内圈的加工工序中，内圈磨削是一种瓶颈工序，也是关键工序。传统的手动和半自动内磨床难以满足使用要求。因此，有必要设计开发以提高加工效率和质量为目的的全自动轴承内圈内圆磨床。1.2.2 课题国内外研究的概况作为整个工业基础的机械制造业，正在朝着高精度、高效率、智能化和柔性化的方向发展。磨削、超精研加工（简称“磨超加工 ”）往往是机械产品的终极加工环节，其机械加工的好坏直接影响到产品的质量和性能。作为机械工业基础件之一轴承的生产中，套圈的磨超加工是决定套圈零件乃至整个轴承精度的主要环节，其中滚动表面的磨超加工，则又是影响轴承寿命以及轴承减振降噪的主要环节。因此，历来磨超加工都是轴承制造技术领域的关键技术和核心技术。国外轴承工业，60 年代已形成一个稳定的套圈磨超加工工艺流程及基本方法，即：双端面磨削无心外圆磨削滚道切入无心磨削滚道超精研加工。除了结构特殊的轴承，需要附加若干工序外，大量生产的套圈均是按这一流程加工的。几十年来，工艺流程未出现根本性的变化，但是这并不意味着轴承制造技术没有发展。简要地说，60 年代只是建立和发展“双端面 无心外圆切入磨超精研”这一工艺流程，并相应诞生了成系列的切入无心磨床和超精研机床，零件加工精度达到 35um，单件加工时间 1318s（中小型尺寸） 。70 年代则主要是以应用60m/s 高速磨削、控制力磨削技术及控制力磨床大量采用，以集成电路为特征的电子控制技术的数字控制技术被大量采用，从而提高了磨床及工艺的稳定性，零件加工精度达到 13um，零件加工时间 1012s。80 年代以来，工艺及设备的加工精度已不是问题，主要发展方向是在稳定质量的前提下，追求更高的效率，调整更方便以及制造系统的数控化和自动化。而目前国内经过多年的发展，特别是近年主机发展的需要，从而带动了汽车轴承、精密机床轴承、铁路轴承、家电用轴承的快速发展，特别是轿车轴承发展迅猛，4这无形带动了自动轴承内圈内圆磨床的技术和硬件的更新，目前国内大部分磨床的系统由液压进给补偿系统改成步进电机进给补偿系统，步进电机替代了原来的复杂的液压进给补偿系统，将原来液压波动和机械零件加工传动链的误差消除了，并且步进电机可以把进给过程分成几个阶段，每个阶段可以选用不同的脉冲频率控制进给速度，可以用脉冲数来控制机床工作台精进给，大大提高了轴承的精度。不过相比国外先进的伺服电机控制系统，能将快跳油缸和谐波减速器去掉，采用滚珠丝杠和伺服电机直联结构，使得机械系统误差最小，步进电机又在抗干扰能力和重复定位精度能力上比伺服电机上差了一截，以致国内的轴承在寿命和可靠度上面还是比不上国外，不过相信随着轴承工业的进一步发展，我们与国外的差距会越来越来小。十八世纪 30 年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。这些磨床是在当时现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成的，它们结构简单，刚度低，磨削时易产生振动，要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。1876 年在巴黎博览会展出的美国布朗-夏普公司制造的万能外圆磨床，是首次具有现代磨床基本特征的机械。它的工件头架和尾座安装在往复移动的工作台上，箱形床身提高了机床刚度，并带有内圆磨削附件。1883 年，这家公司制成磨头装在立柱上、工作台作往复移动的平面磨床。1900 年前后，人造磨料的发展和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。随着近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。例如 20 世纪初，先后研制出加工气缸体的行星内圆磨床、曲轴磨床、凸轮轴磨床和带电磁吸盘的活塞环磨床等。自动测量装置于 1908 年开始应用到磨床上。到了 1920 年前后，无心磨床、双端面磨床、轧辊磨床、导轨磨床，珩磨机和超精加工机床等相继制成使用；50 年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床；60 年代末又出现了砂轮线速度达 6080 米/秒的高速磨床和大切深、缓进给磨削平面磨床；70 年代，采用微处理机的数字控制和适应控制等技术在磨床上得到了广泛的应用。随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。内圆磨床和其他磨床一样，在提高效率、自动化程度和万能性方面有较大的发5展。但精度提高得很慢。十多年来，内孔不圆度最佳值一直保持在 0.31m 之间，最高表面粗糙度 Ra0.08。为了适应大批量生产，各国都出现一批自动内圆磨床，如美国海尔特公司的 OCF 型内圆磨床，美国 Bryant 公司的 C-2 型内圆磨床，德国 SIP200X315 型内圆磨床。1.2.3 课题的发展趋势与应用对象磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等。外圆磨床是使用的最广泛的，能加工各种圆柱形和圆锥形外表面及轴肩端面的磨床。万能外圆磨床还带有内圆磨削附件，可磨削内孔和锥度较大的内、外锥面。不过外圆磨床的自动化程度较低，只适用于中小批单件生产和修配工作。内圆磨床的砂轮主轴转速很高，可磨削圆柱、圆锥形内孔表面。普通内圆磨床仅适于单件、小批生产。自动和半自动内圆磨床除工作循环自动进行外，还可在加工中自动测量，大多用于大批量的生产中。平面磨床的工件一般是夹紧在工作台上，或靠电磁吸力固定在电磁工作台上，然后用砂轮的周边或端面磨削工件平面的磨床；无心磨床通常指无心外圆磨床，即工件不用顶尖或卡盘定心和支承，而以工件被磨削外圆面作定位面，工件位于砂轮和导轮之间，由托板支承，这种磨床的生产效率较高，易于实现自动化，多用在大批量生产中。工具磨床是专门用于工具制造和刀具刃磨的磨床，有万能工具磨床、钻头刃磨床、拉刀刃磨床、工具曲线磨床等，多用于工具制造厂和机械制造厂的工具车间。轴承套圈磨床是磨床的一个重要分支。我国的轴承套圈磨床已经全部实现了自动化生产，现在正在使用的大批量高精度的轴承生产已经广泛采用自动线生产，代表着世界先进水平的轴承磨超自动线已经大量的出口世界各地。我国的轴承磨床制造企业为我国的精密磨床发展做出了卓越的贡献。1.3 课题的设计任务与技术要求在之前的轴承内圆磨床的技术参数上进行改进，把原来的半自动化改成自动化程度更高的机床。原先的磨床进给还是采用棘轮机构，用液压来驱动，这样的进给系统自动化程度低，精度也低，不适合现在的大规模，高精度生产。而自动上下料6结构也能很好地提高工作效率。在长时间，单一的工作状态下人的精神状态是很容易不集中的，容易发生错误，而自动上下料也能解决一问题。72 轴承内圆磨床总体设计与布局2.1 轴承内圆的磨削原理与特点磨削加工可分为一般磨削和高光洁度磨削（即精密磨削，超精磨削，镜面磨削）两种。对于一般磨削，砂轮可当作一把多刀多刃的铣刀，每一颗磨粒相当于一个刀齿，每一个粒尖相当于一个“刀刃” 。但他与铣刀又不同的地方就是砂轮有无数的刀齿，且刀齿的排列和刀齿的角度都是及不规则的。高速旋转的每一个“刀齿” ，在切削力的作用下，从工件表面上切除一条薄层的切屑，并在工件表面上摩擦发热而产生火化。这样无数磨砺切削的结果，就把工件表面要切除的金属磨去，形成光滑表面。对于精密磨削，超精密磨削和镜面磨削，光滑表面的形成与一般磨削相似，单也有自身的特点。高光洁度磨削是由砂轮通过精细修整后形成等高的微刃切削作用和适当接触压力的摩擦抛光作用，使工件表面获得高的光洁度。211 磨削基本原理：磨削时，工件径向进给，砂轮轴轴向往复移动，在粗进给和精进给磨削之间，往往需要修整砂轮。修整时，砂轮退出内孔并在修整器位置往复运动一次，修整器就在砂轮表面去除一层磨料。每修整一次，就必须有一次补偿进给量 a,a 的大小应根据生产条件经验合理确定，一般其数量级为 1-10 微米。在内圆磨削中，工件进给一般由机械控制，也有用步进电机控制的。砂轮转速由电主轴控制：砂轮轴向长距离往复运动由油缸控制，而其往复振动则有偏心装置控制。212 轴承内圆磨削的特点：1 砂轮刚度低内表面磨削时，砂轮受内径限制，常制成较细的悬臂梁状，刚度很低：刚性差，易于变形，从而引起较大的尺寸和形状误差：砂轮轴无进给光磨，恢复变形时间较长，生产率很低。在砂轮轴的长度与砂轮轴直径的选择上，使用尽可能最短的砂轮轴长度和最大的砂轮轴直径，它们之间存在的比率关系可以归纳为：8 比率小于 3:1 会产生可靠的性能和最短的加工时间 比率界于 3:1 到 6:1 通常作为边界选择。 比率大于 6:1 会导致诸如饶度、锥度、震颤和长的加工时间。2 磨削条件差内表面磨削时，砂轮直径很小，为保证一定的磨削线速度，砂轮轴转速极高，要上万转，很容易引起磨削系统的振动。在磨削时，砂轮与工件接触面积大，磨砺抑郁钝化，且自锐性不能充分发挥，产生热量多，冷却液很难进入磨削区，工件表面极易烧伤。2.2 轴承内圆磨床的加工对象，范围及要求221 机床的加工对象 由于电磁夹具和自动上下料的存在，该磨床适合加工大批量中高级精度的深沟球轴承内径。主要使用于磨削轴承套圈内径，也适用于其他尺寸符合的环形零件内径，最适合大批量全自动化生产。222 机床的加工范围根据要求， 该磨床所加工轴承套圈的规格为：磨孔直径： 20-30 毫米最大磨削深度： 20 毫米最大工件外径： 42 毫米加工余量: 0.2-0.35 毫米加工质量: 高于轴承国家标准对于 P0 级精度的轴承要求223 工件的加工精度深沟球轴承主要承受径向载荷，也能承受一定的单向或双向轴向载荷，其摩擦因数最小，极限转速最高，作为精密的机械元件，滚动轴承工作性能能直接影响逐级的工作性能，甚至安装在某些关键部件上的滚动轴承，几乎决定了该主机的性能，除高精密轴承外，像耐高温、耐低温、防锈、防震、高速、高真空、和耐腐蚀等具有特殊性能要求的轴承的质量指标也是十分严格的。一般来说，滚动轴承应具有高的寿命,低的噪音，小的旋转力矩和高的可靠性，这些基本性能要达到这些要求，就必须在机械加工工艺上首先确保轴承零件套圈的以下指标：9旋转精度：要求轴承的套圈的几何形状精度和位置精度不超过 3m。 。尺寸精度：要求套圈的尺寸精度在 5m 之内。粗糙度：安装表面粗糙度 Ra 值不大于 0.63m-0.32m，尺寸稳定度：在长期存放和工作时没有明显的尺寸和形状变化。质量指标：尺寸公差 7 微米：圆度 3 微米：粗糙度 0.04m224 轴承套圈内径终磨技术条件(见表 2-1)表 2-1套圈尺寸尺寸公差G E D(m)椭 圆 度G E D(m)锥 度G E D(m)端面 侧摆 G E D(m)光 洁 度G E D(m)-10Mm1187 5 4 2. 5 1 5 5 2.5 2 1.4 6 478 910-18Mm11107 5 5 3 1.5 5 3 2 1.4 6 578 918-30Mm11 128 6 6 3 2 6 3 2.5 1.4 7 678 92.3 机床的主要运动参数分析231 机床应提供的主要运动分析为实现正常的内圆磨削，所需要的切削运动和辅助运动如下图所示。Vr nw Vf(f1,f2,f3) Vd Va 10图 2-2图 2.2 中 -横向进给运动： -纵向往复运动： -修整运动： -砂轮与工件的fVrVdVaV接近运动： -砂轮转速： -工件的旋转运动。gNw232 机床的运动参数及动力参数磨架最大纵向行程(mm) 400磨架最大轴向行程(mm) 420砂轮轴型号 GDZ-36 GDZ-48 GDZ-60砂轮轴转速 (rpm) 16000 48000 60000砂轮轴功率 (KW) 5.0 3.5 2.5工件轴转速(rpm) 低速 450 56 710高速 900 1134 1420粗磨速度(mm/min) 0.8-2精磨速度(mm/min) 0.25-0.5快速趋进工作速度(mm/min) 15工件架粗精进给微退量(mm) 0.001-0.0162.4 影响机床加工精度和效率的工艺因素 主动测量装置的精度和稳定性，以及砂轮的切削性能都是至关重要的。砂轮的自锐性及在修整期间内的耐磨性是否良好，对内圆磨削尺寸精度，几何精度和精度稳定性有重大影响，小孔磨削事尤为重要。所以，仪表和砂轮是实现正常自动内圆磨削的前提条件。以下着重分析影响内圆磨削尺寸精度，几何精度及磨削效率的磨床结构因素241 内圆磨削尺寸精度结构影响因素。（1） 工艺系统的运动精度及重复定位精度；（2） 工艺系统的静动态刚性；（3） 工艺系统的热变形；242 内圆磨削几何精度的磨床结构影响精度（1） 工艺系统的运动精度及重复定位精度；（2） 工艺系统的静动态刚性；（3） 夹具重复定位精度(考虑重修的可能性)几主轴回转精度；11243 内圆磨效率的磨床结构影响因素（1） 磨削参数，主要是砂轮线速度，横向进给速度，往复频率和工件速度；（2） 磨削循环的合理的设计以及空程磨削时间和辅助时间的比重；（3） 工艺系统的刚性；（4） 机电系统工作的可靠性；2.5 机床主要部件结构方案评价根据前一节机床结构因素对加工尺寸精度，几何精度和效率影响的分析，现将内圆磨床各主要部件可能采用的结构方案列出，并分别进行刚性评价，精度评价，从而进行方案的比较选择。部件的结构方案是在假设部件结构设计，制造良好的基础上进行的。任何合理的结构方案，如果具体结构设计不当或制造不良，均会使该部件失去其优势，乃至完全打不到预测的结果。各部件结构方案综合评价如下表 2-3部件名称结构方案 刚性评价 精度评价 效率评价夹具定心夹具电磁无心夹具滚轮式无心夹具优优中差优优差优优导轨滑动导轨液静压导轨气静压导轨磙子滚动导轨钢球滚动导轨中优差优中优优优优优优优优优优12砂轮主轴滚动支撑皮带轴滚动支撑 DZ 系列电主轴滚动支撑 GDZ 系列电主轴气静压支撑电主轴中中优差中中优优中中优差进给系统丝杠螺母(滑动接触，消除间隙)步进电机(滚珠丝杠)液压传动滚动丝杠步进电机凸轮机构中优优优差优中优差优中差尺寸控制系统定程磨削气浮塞规测量系统前插式主动测量仪步进电机凸轮杠杆/差中优优优优中优空程磨削消除系统控制倒磨削磨削功率控制测量升数法/优优优中优中上述评价是定性的相对比较，曾试图采用加全权记分法来进行比较。由于每种结构各具特点，无法真正做到恰当的确定参数，并赋予适中的加权系数，所以实际上无法进行加权记分法评定。1326 机床的工作循环过程机床在工作过程中,需要两个循环过程：磨削循环和砂轮修复循环。下面分别介绍一下着两个过程。261 机床的磨削工作过程首先，打开总的电源，气源，启动工作轴，磁滤器，电泵。砂轮轴得到气，启动砂轮轴和气压系统；机械手上料，复位；测爪进入工作，电磁无心夹具上磁。然后，测爪张开，磨架快速左行到底，工件架快跳，快趋，进行粗磨；工件架微退，进行粗光磨。然后精磨，工件架微退，进行精光磨。工件架跳出，步进电机复位，磨架往复停止，磨架快速右行至休整位置，补偿机构进行补偿；测爪收缩，断磁，测爪退出工件，然后机械手上料，进行下一个磨削循环。262 砂轮休整循环机械手上料，机械手复位，测爪进入工作并上磁，测爪张开，磨架快速左行至休整位置，休整器倒下，磨架休整左行；磨架快速右行至补偿位置，砂轮架抬起，磨架快速左行到底，工件加快跳，进行磨削。27 机床的造型设计271 床身设计床身是金属切削机床的基础，磨床的床身内装有电器、液压和机械部件；在床身上装有工作台、工件箱、砂轮驾、立柱等。这些部件被固定在床身上或在床身导轨上。设计磨床床身要抓住导轨精度、刚性、热变形、耐磨性、结构工艺性等问题。他们对安装在床身上的各部件的安装位置和相互运动的精度影响很大。因此，对机床床身和床身导轨设计的基本要求，要保证具有一定的精度、刚性、耐磨性、最小热变形及合理的结构工艺性。为了使所设计机床操作方便，减少工人的劳动强度以及外形美观，该内圆磨床在造型设计上采用了以下措施：为使机床工作场地明快，尽可能将各部件设置在机床本体上。例如，液压系统设置在床身之内；电器箱设置在机床本体后方，占地少，避免外接连线、联管，运输方便；电器箱同时当作机床外部密封的后墙，又可节省材料。全部电器操作件均设置于电器箱前凸部上的控制面板上，调整用操作件和操作用件分片集中安装操作件于操作者易接近的部位，保证操作者视力及精力不被分散。14机床 采用半封闭型设计，后防水板用金属结构，前防水板用有机玻璃成型活动式结构，既方便观察，有给人以美观的感觉。机床调整时容易拿下，轻便且易于清洗。实践证明若该为全封闭设计可能更有利于减少油雾对环境的污染。床各外露部件的几何设计，在满足性能和结构要求的基础上，尽可能符合几何美学的原则。外观线条统一化，外漏部分尽可能采用简洁明快感强的直线条和直角相交。过去由于铸造工艺上的困难，也由于流线型审美观，影响到机床大部件，另外均取大圆角过度转折，现在已显陈旧，且给人以傻大的感觉。由于分模铸造的发展，接近直角的转折 的小圆角逐渐已经很容易制造，外形平整线条一致，为机床造型美观化提供了有利条件。充分考虑机床结构设计上的均衡和稳定的关系。考虑工件头架与磨头架实际结构的不平衡性，外部采用有机玻璃密封罩。6合理布局及选择筋的形状。 床身截面形状要算空心方形和矩形为好，但是由于床身在铸造过程中为了便于清砂，或者由于床身内部装有机构为了装配调整方便，因而必须在床身壁上开有窗口，这样就不可能做成四面封闭的方形截面，甚至做成三角封闭也比较困难。如果单用增加箱体壁壁厚以提高其刚性，不仅使床身笨重，且浪费材料。因此，对开有窗口以及面积大于 400400 毫米的薄壁床身，可采用各种形状的筋用来提高刚性。而该磨床选用十字形筋，起结构简单，材料省，抗弯刚度较大。7提高床身与立柱的连接刚性。除了注意提高床身和立柱本身的整体刚性外，床身与立柱，床身与床身之间的连接刚性也不能忽视。这部分的布局变化也会降低床身的精度。立柱受力后容易产生前倾或后倾，其主要原因是由于紧固螺钉的直径过小及布局不合理，或因立柱凸缘处刚性较差引起的变形。因此，合理的选择紧固螺钉的直径，数量及其布置，以及加强凸缘的刚性是保证床身与立柱，床身与床身连接刚性的重要措施。螺钉的直径，数量及其布置应根据受力的大小和方向而定。受较大弯矩或扭矩作用的立柱，采用螺钉紧固在凸缘的四个面上。272 床身的热变形热胀冷缩是常见的物理现象，如丝杠受热会伸长，薄板表面受热不一致会弯曲。如果床身底部温度较高，则上部变凹，下部变凸。反之则上部受热就变凸。273 床身导轨的耐磨性15机床导轨磨损后，工作台运动精度降低，影响加工精度。提高导轨耐磨性，可采取如下措施：1.降低导轨面比压，即降低导轨单位面积上的压力。2.充足的润滑：这样可以使导轨处于半液体摩擦，液体摩擦状态，这减少导轨摩擦，降低高速时的摩擦热，改善热变形，防止低速时的爬行现象对提高运动精度和延长导轨寿命有很大作用。3.可靠的防护：为防止切屑，磨料，灰尘等落入导轨面，造成导轨磨损和拉毛，必须设计合理可靠的防护罩，以提高导轨使用寿命。4.选择合理的床身材料：机床床身所使用的材料有：级铸铁，高磷铸铁，铜锰铸铁，铜磷铸铁等。级铸铁具有良好的铸造性，切削性，吸振性以及成本低的优点，其耐磨性差的缺点可通过对导轨表面进行淬火来弥补。274 床身结构工艺性1.床身筋以及导轨筋的排列，在不影响结构刚性的情况下其尺寸应尽可能一致。2.内腔不能太窄，不能太深，其圆角应尽量大，既不要用尖角砂芯，这样可减少浇铸和清砂的难度。3.床身的壁厚尺寸不能太小，太小了不仅铸造困难，且易产生裂痕和冷隔；但也不能太大，太大会增加铸件重量，消耗材料，且组织疏松，或形成较大的缩孔，使强度降低。因此壁厚应根据机床大小，床身复杂程度，材料及铸造工艺而定。4.床身壁厚，筋厚力求均匀，不要 变化太大。否则，厚的部分容易产生缩孔和裂痕等缺陷。2.8 机床的总体布局为实现连续正常的连续磨削，所需要的切削运动和辅助运动在第一节中已经介绍，本以是任何内圆磨床设计者所熟知的。运动方案的设计，实质上决定了机床总体布局方案的选择。对已有轴承内圆磨床的运动设计进行比较分析，其区别在于横向进给运动 V f（有级，无级变化）和纵向运动 Vr，修整运动 Vd 和砂轮与工件接近运动 Va 有哪个部件实现。考虑导规系统结构设计的方便和滑板层次或部件结构的简化，也考虑到自动上下料的方便与否，本机床将所有的横向运动由工件实现，16纵向运动由砂轮系统来实现。由此就决定了机床主要布局如下图所示。机床身则选用结构刚性及造型设计均较有利的巨型箱式铸造件结构。3 轴承内圆磨床自动上下料系统设计3.1 上下料方案设计对大型零件的上下料辅助时间约占整个生产辅助时间的 50%-70%中小型零件的上下料时间约占整个生产辅助时间的 20%-70%，实现 上下料的自动化可以减少生产辅助时间，提高劳动生产率和设备利用率；另外根据有关部门资料统计，多数生产事故都发生在上下料过程中。故上下料的自动化可以减轻工人的手工操作劳动强度，改善劳动条件，为实现自动化生产创造了条件。机床上料（送料）是按照机床的加工循环的时间间隔将毛坯或工件定向排列、自动送到指定加工位置，下料是利用料道将已经完成工序加工的工件自动放在传输装置上。通常在两道工序之间，前一道工序的下料装置就是后一道工序的上料装置。机床上料装置有两种，人工上料和自动上料装置。自动上下料装置，是自动机床和自动线设计中复杂程度高而且难度较大的重要组成部分之一。自动上下料装置所完成的工作，是将散乱的工件经过定向机构，实现定向排列，然后顺次地把它安装到机床夹具上，并在加工完成后从夹具中卸下工件。自动上下料装置还可用于将工件定向整理后送至装配位置。自动上下料装置中，自动上料装置发展很快，已成为一个独立的部分，通常又称为自动供料器。自动上料装置的结构形式在很大程度上取决于工件的毛坯形式及其原材料。毛坯有卷料，板料，棒料和件料等多种形式，故自动上料装置也是多种多样的。自动上料装置大致可以分为料仓式，料斗式和工业机械手（机器人）上料装置。料仓式上料装置是一种半自动上料装置，是将已经整理好的工件放在储料器中进行上料的装置，需要人工定期将一批工件按规定的方向和位置依次排列在料仓里，有送料器自动地将工件送到机床夹具中。这种上料装置虽然需要人工来完成工件的定向整理，但其结构简单，且工作可靠性较高。它使用于批量较大且因重量、尺寸17及几何形状特殊等原因而难于进行自动定向整理的工件，或者使用于单件工序时间较长，人工定向整理一批工件可供机床加工很长时间的场合。料斗式上料装置，工人将一批工件到入料斗中，料斗的定向机构能将杂乱无章的工件自动定向，按照规定的方位整齐排列有序，以一定的生产节拍自动送到加工位置上。因此能进一步减轻工人的劳动强度，便于多机床管理。这种上料装置多用于工件形状简单，体积和重量不大，而且工序时间短，要求频繁上料的情况。工业机器手（机器人）是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取工件送到加工位置上、工业机器手上料装置比料斗或料仓灵活，适应与体积大、结构复杂的单件毛坯或劳动条件恶劣的场所、广泛应用于柔性制造系统。本设计采用槽式料仓式上料机构，主要考虑其结构简单，工作可靠等优点。但是这种结构容易产生“双料”故障，因此下面将分析起故障的成因然后采取有效措施加以避免这种故障。3.2 上料机构“双料”故障的成因和预防轴承磨床在磨削过程中常见的故障之一是在上、下料是往往出现一次上两个料（工件）的现象，即前面一个工件尚未磨削第二个工件就掉到磨削区域了。这种现象我们称之为“双料”故障，为排除这种故障，首先必须分析，产生 “双料”的原因，才能采取预防措施。3.2.1 落料的静态分析过程轴承磨床的床头采用的是电磁无心夹具，其上下料的工作原理图如图 3-1 所示：18图 3-1当一个工件加工完毕后，发出送料信号，上下料气缸动作，带动下料推杆右移，把工件推入下槽中。然后左上料推杆左移把一个待加工工件送往磨削位置后复位。然后左上料推杆又在气缸的带动下换向左移。当左上料推杆越过料槽下方时，后续一个工件将降落的一个工件在支撑板上等待下一次送料。推料杆左移时，工件与推料杆的位置变化过程如图 3-2 所示，由图可知，在这一过程中，料槽内的后续待磨工件虽然发生一次先向下后向上震荡，但不可能出现“双料”故障，因为被送工件和推料相继地支撑住了料槽内的其他工件。19图 3-2被送工件到位后，推料杆换向左移。若由于某些设计参数选择或调整不当，在这个推料杆左移过程中，就会出现“双料”故障。为了说明在该过程中可能出现的非常情况和便与后面的计算，特别把推料杆移动时经过的几个特殊位置绘制成图 3-3图 3-3图 2.2.3 中20（1）为工件开始降落的位置，工件与推料杆水平表面相切与棱角 D。该位置可以作为工件下落过程计算的时间和位移的起点。（2）为工件与推料杆斜面相切与棱角 D，工件下移距离为：h=d(1-cos)/2 （3）为工件与推料杆斜面相切与棱角 C，工件下移量为：h=d(1-cos)/2（h 1-h2） 此时，工件轴线可能已略低于料槽上壁平面，即工件不再与料槽垂直壁面相切，除非 h2 h- dcos/2. (4)为工件脱离料槽前的极限位置，即料槽；棱角 A 到推料杆棱角 C 间的距离等于工件直径 d。此时下工件中心偏在料槽中心线以右，即：=b/2-d2-(h-h2)21/2/2 1a而相邻的上工件对下工件中心在料槽中心线左侧（b-d）/2 处，这就使得上工件对下工件的作用力有指向右侧的分量。此时推料杆点对工件的作用力的水平也是向右的。这两个分力使下工件在下落的同时更加向右移动。 （5）为工件与推料杆的端面相切并滑落在支撑板的凹槽内，工件中心在料槽中心线左侧，则：=(b-d)/2-d2c-(h-h2)21/2 2a这时如果支撑板上无凹槽或凹槽过小，工件停不稳，则上工件继续将下工件挤向右方，直至上工件相继落在支撑板上，形成多料故障。反之，若凹槽过宽，上工件落入凹槽后过分向右，则后续工件由于自身的重力产生积压力也回将落入槽中的工件再向右挤出，形成“双料”故障。所以在凹槽深度给定的情况下，起宽度应有个合适的范围，不可过大或过小。3.2.2 落料的动态分析上面做的分析，属于静态分析，即认为推料杆的右移运动足够的缓慢，以至与图 2.2.3 所示的落料过程中工件始终保持与推料杆相接触。但实际情况并非如此。一方面推料杆的速度很快，而且这个速度是变化的，中间速度比较高，在两边比较低。另一方面，工件在料槽内是靠重力下落的，考虑到摩擦因素等问题，下落的加速度总是小于 g 的。也就是说它下落的时候速度不是很快以至于跟不上推料杆的移动。它们的差值 h=h 1-gt2/2.根据计算能得出结论：有可能使工件与推料杆相碰的时刻推迟到 A 点与 C 点的距离大与工件直径之后，而造成双料事故。213.2.3 防止“双料”故障的措施从静态分析中得知，支撑板上的凹槽尺寸应该选择合适，不可以过大或者过小。当槽深选定后问题就是要确定合适的槽宽。槽宽尺寸下限应由工件表面顺利接触底槽的条件来确定，尺寸上限应由相邻工件的挤压力与凹槽斜面的反力所形成的力矩的方向不得为顺时针方向来确定。以直径为 42mm 的为例，并凹槽深度为 2mm，边缘倒角为 30见图 3-4 图 3-4凹 槽 尺 寸则槽底半宽下限为：a 左 min=a2+dtan(30/2)/2=a2+21 tan15= 15.2mm式中 a2系按（4）式计算。槽宽上限为：a 左 max=d(1+tan30/2)/2-(b-d)/2=21 (1+tan15)-(b-d)/2=23.5mm实际上应在下限附近取值，以免工件在动态过程中易向左滑出。建议取：a 左=a 左 min=15.2mm其相应的槽顶宽度：b 左=a 左+K/tan=a 左+K/tan30=16.2mm对于右半槽，取倒角 45，所以：a 右(dtan45/2)/2=(42 1/2)/2=10.5mm取 a 右=11mm所以：b 右=a 右+k=11+k=13mm22从动态分析及图 4 的计算实例来看，工件在下落过程中很可能发生与推料杆碰撞的现象，但只要时间 不是过分小，碰撞总是发生在 A 点和 C 点的间距变到大于工件直径之前，没有大的危害。我们的注意力应集中在防止过晚的碰撞，特别要注意保证料槽内壁十分光滑，不能有任何妨碍工件运动的毛刺，确保工件快速下落。在送料时推料杆在不与上滚轮相碰撞的前提下，尽量加大 ,以减小按式（3）2h和（4）计算的偏心量 和 ，并推迟 AC 距离大于 d 的时刻。1a2将推料杆起、停位置调整到使其端面与料槽内侧壁对齐或略为犏右，切不可偏左，出现双料故障。图 4 是工件在下落过程中，其下缘点距支承板高度随时间变化的计算事例。计算的近似假设：（1）当忽略摩擦力和空气阻力时，则工件自由下落的加速度为g；（2）当推料杆按正弦规律运动，即相对于行程中点的位移：= S/2 (5)1X2sint1式中 S 为行程， 为推料杆往返一次的总时间。计算中的已知参数为：工件直径： d=42mm( 轴承内圈)料槽宽度： b=45mm推料槽高度： h=45mm推料杆高度： h1=42mm推料杆端面高度： h2=27mm推料杆斜面倾角： =30；推料杆行程： s=80推料杆行复时间： = 2.3s；= 1.8s；以图 3(a)位置为计算时间 t 和推料杆位移 x 的原点，则有 =x+ , =t+1x01t0由（5）式得：X=sin360/(t+ )S/2- (6)0t0x式中若再假设推料杆的右极限位置为推料杆端面与料槽右侧壁平面重合，则：=S/2-b-d/2+(h- )/tanx; (7)0x2h23=(/360)sin -1(2 /S) (8)0t 0x对于从图 3（a）位置到（b）位置的运动阶段，工件下缘距支承板的高度 H 与推料杆位移 x 的关系为：H= -d/2-(d2/2)-x21/2 1h(9)该式的适用范围为 H -(1-cos)d/21对于以图 3（b）位置到（c）位置的运动阶段，H 随 x 的变化为：H= -(1- cos)d/2-x-(d/2)sin tanx (10) 1h3.3 输料槽的设计输料槽的作用是把工件从仓料输到上料机构中，有时也兼作贮料器。滚道侧壁的高度 H 的设计滚道侧壁的高度 H 与工件有直接的关系，一般来说，输送稳定性较差的的工件 H 可稍取大一点。对于圆柱型工件，H=（0.6-0.7）D ，本设计中，工件的最大直径 42mm，则取 H=30mm。滚道槽宽的设计工件在滚道中靠自重输送时，往往会发生阻塞或失去定向现象。这些现象发生的原因是：工件在滚道中滚动时，由于工件与滚道侧壁之间的间隙 S 存在，可能因为摩擦阻力的变化，工件圆柱表面的锥度误差或其他一些偶尔因素的干扰而发生偏转。但由于本设计的滚道是垂直与水平面的，所以摩擦阻力很小，不会发生阻塞。所以我的最大宽度=42+4=46mm3.4 气缸的选择气缸可根据主机需要进行设计，但尽量直接选用标准气缸。3.4.1 安装形式的选择安装形式由安装位置、使用目的等因素决定。在一般场合下，多用固定式安装方式：轴向支座（MS 1式）前法兰（MF 1式） 、后法兰（ MF2式）等；在要求活塞直线往复运动的同时又要缸体作较大圆弧摆动时，可选用尾部耳轴（MP 4或 MP2式）和中间轴销（MT 4式）等安装方式；如需要在回转中输出直线往复运动，可采用回转24气缸。有特殊要求时，可选用特殊气缸。输出力的大小根据工作机构所需力的大小，考虑气缸载荷率确定活塞杆上的推力和拉力，从而确定气缸内径。气缸由于其工作压力较小（0.40.6MPa） ，其输出力不会很大，一般在10000N（不超过 20000N）左右，输出力过大其体积（直径）会太大，由于该设计中所需汽缸提供的力不需太大，所以尽量减小气缸的尺寸。气缸行程气缸（活塞）行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用来夹紧等机构，为保证夹紧效果，必须按计算行程多加 1020mm 的行程余量。气缸的运动速度主要由所驱动的工作机构的需要来决定。 要求速度缓慢、平稳时，宜采用气液阻尼缸或采用节流调速。节流调速的方式有：水平安装推力载荷推荐用排气节流；垂直安装升举载荷推荐用进气节流；具体回路见基本回路一节。用缓冲气缸可使缸在行程终点不发生冲击现象，通常缓冲气缸在阻力载荷且速度不高时，缓冲效果才明显。如果速度高，行程终端往往会产生冲击。3.4.2 气缸的分类普通气缸的结构组成见图 3-5。主要由前盖、后盖 9、活塞 6、活塞杆 4、缸筒5 其他一些零件组成。气缸的种类很多。一般按压缩空气作用在活塞面上的方向、结构特征和安装方式来分类见 表-3-6。图 3-5 普通气缸1组合防尘圈；前端盖；3轴用 YX密封圈；4活塞杆；5缸筒；6活塞；7孔用 YX密封圈；8缓冲调节阀；9后端盖25表 3-6类别 名称 简图 特点柱塞式气缸压缩空气只能使柱塞向一个方向运动；借助外力或重力复位压缩空气只能使活塞向一个方向运动；借助外力或重力复位活塞式气缸 压缩空气只能使活塞向一个方向运动；借助弹簧力复位；用于行程较小场合单作用气缸薄膜式气缸以膜片代替活塞的气缸。单向作用；借助弹簧力复位；行程短；结构简单，缸体内壁不须加工；须按行程比例增大直径。若无弹簧，用压缩空气复位，即为双向作用薄膜式气缸。行程较长的薄膜式气缸膜片受到滚压，常称滚压（风箱）式气缸。普通气缸利用压缩空气使活塞向两个方向运动，活塞行程可根据实际需要选定，双向作用的力和速度不同双活塞杆气缸压缩空气可使活塞向两个方向运动，且其速度和行程都相等双作用气缸不可调缓冲气缸设有缓冲装置以使活塞临近行程终点时减速，防止冲击，缓冲效果不可调整26可调缓冲气缸缓冲装置的减速和缓冲效果可根据需要调整双活塞气缸 两个活塞同时向相反方向运动3.4.3 气缸的选择由于本课题需要的行程不大，所以我选用双作用气缸。具体数据、规格、详细图形见图 3-7。图 3-7根据行程与孔径来确定选择型号为 SMC 公司的 CM2 系列的气缸。27设计总结本次设计主要运用了机械原理、机构设计、零件的造型设计、机床总体设计等知识。在设计