工件旋转式2MK2218珩磨机床往复运动系统设计

1摘要本次设计首先对工件旋转式 2MK2218 珩磨机的工作原理和结构入手进行了分析，介绍了设计珩磨机时应注意的问题。然后对珩磨机的主轴箱、珩磨头、主轴等主体结构进行了设计。珩磨是一种低速磨削，是机械制造业中缸孔光整加工的常用工艺手段。最后对珩磨机的主要机械零部件进行了校核与计算。本次设计的过程代表了机械系统设计的一般过程。珩磨机床是一类机构较为复杂的生产机床，其设计的合理性重点需要考虑加工工艺与主机结构布局设计，而各种新工艺，新材料，新元件，新刀具，新控制系统等也将运用在珩磨机床上，未来的珩磨机床的加工精度会更高，加工效率更快，加工范围更广泛。关键词：珩磨机、主轴、珩磨2目录摘要 .1目录 .2引言 .31 磨削及珩磨机的应用与发展 .41.1 磨削技术概述 .41.2 珩磨机概述 .121.3 拟定主要技术参数 .152 珩磨总体设计与计算 .172.1 拟定总体设计方案 .172.2 主轴的设计与校核 .182.3 底座的设计 .212.4 线性滑轨的选择 .222.5 键连接设计 .223 液压控制系统设计 .24总结 .29参考文献 .303引言四年的大学生活马上就要结束了，我们也进入了大学生活的最后一个阶段毕业设计。毕业设计是对我们四年来学习知识的大总结，也是向我们今后即将从事的工作的正常过渡。设计的正确程度也标志着我们是否具有一个工程师的基本素质。四年来，在我系老师及领导的精心关怀和指导下，我学习了机械设计制造与设备专业的有关知识，同时也了解了一些相关学科的基本情况，为毕业设计打下了坚实的基础。我们这次设计的题目是珩磨机设计，此题目是现场题目，实际要求很强，有一定的实用价值。图书馆中对这一方面的资料也十分有限，只有阅读大量的有关知识，触类旁通，精密构思与计算，结合老师给的要求，又参观了焦作市重型机械厂工作情况。综合以上各种材料，得出了现在比较满意的结果。在老师的辛勤指导下和同组同学的帮助下，我的这次设计取得了基本成功，达到了厂家的基本要求。本次设计可以说是对所学知识的综合运用，也是第一次单独面对这样庞大的设计工作。鉴于本人水平有限，经验不足，设计中难免有不足之处，请各位老师同学批评指正。41 磨削及珩磨机的应用与发展1.1 磨削技术概述 磨削加工是一种把磨粒作为切削刃的切削工艺。磨削加工的基本原理与其他切削加工原理基本一致，但有些因素又使磨削加工不同于切削加工。磨削加工有以下特点：切削工具是无固定形状的，磨粒在砂轮中的分布是无规律的。磨削加工时，切刃会发生变化。磨削工具在切削过程中，磨程度上会切刃自锐化。即有些磨理会破碎形成新的切削刃，同时有些磨耗的磨粒自行脱落而被新的锋锐磨粒代替。负的切削角度。磨粒不规则的钝外形常使得磨削前角为负值。拥有大量的切削刃。极高的切削度。通常静磨加工所用的切削速度（35 米/秒=21-米/分钟）大大高于其他切削工艺。切屑很小。即每个磨刃的切削深度极小。磨削加工时磨屑形成的简图。磨削角一般为负值。我国是采用磨削加工方法的最古老的国家之一，如在古代科学巨著天工开物中就有“切、磋、琢、磨”的成语，而其中“磨”就是指的磨削加工。随着工业的发展、被加工材料的硬度越来越高，原来简单的磨料磨具满足不了发展的需要，于是人们就开始寻求硬度更高的物质来做磨料，先后找到了天然刚玉、黄宝石、天然金刚石等材料人们把这些天然材料破碎后和陶土混合后，烧成具有一定形状的磨具，以此来进行加工。磨料磨具素有工业牙齿的美称。在磨削时常用磨料或磨具作为磨削5工具对需加工的零件进行机械加工，而达到一定的技术要求。磨削材料简称磨料，即一种具有一定硬度及一定磨削能力可作磨削用途的磨削材料。磨料分天然和人造两大类。1893 年美国卡不伦登公司的 E.G 艾奇逊利用电阻炉发明了 SiC 人造磨料这是人类历史上最早出现的人造磨料，以后又有人用电弧炉发明了人造刚玉磨料，这些人工合成磨料的出现，意义是重大的，结束了人类只能利用天然磨料而不能利用人造磨料的历史。在发展人造金刚石磨具和立方氮化硼超硬磨料的同时，这两种超硬磨料的磨具也得到相应的发展，人造金刚石磨具发展更快。到目前，人造金刚石磨具发展成为一个较为完整、成熟和自成体系的加工技术领域。人造金刚石磨具制品如电镀金刚石内圆切割锯片、什锦锉、磨头，人造金刚石圆锯片、框架锯片，人造金刚石修整笔，石材用金刚石磨具，金刚石筒形砂轮，加工铁氧使用金刚石磨具，金刚石修整滚轮和金刚石或立方氮化硼与硬质合金复合片磨具等等品种系列，而且继续完善补充与提高。如今，磨料磨具行业的生产与销售、科研都起着很大很大的变化，主要表现为品种日趋多样化，专业化，竞争也前所未有的日趋激烈，科研与销售成为每个厂家的重中之重，而我们做为砂带的专业生产厂家，也是如此。 ，但与国际上涂附磨具尤其是砂带产品，无论是品种或者是质量上差距是很大的。因此，当务之急加大科技力量投入迅速提高我国涂附磨具尤其是砂带高档产品的品种及质量水平，以面临高品质、多品种需求的浪潮。如果目前全国高档次的涂附磨具产量在 400 万平方米左右，予计到 2000 年初期将达到 700 万至 1000 万平方米用量的需求。这就希望我们共同努力去开拓这个有广阔前途的市场。在高精度磨削所需要的磨庆方面，经过长期努力，已批量生产供应6市场。北京第二机床厂的 MG1420E，MG1432E 属于部优产品，上海第三机床厂生产的 MGBA1420 为远销国外的产品，汉江机床厂的 SGK7303 型为数控高精度千分尺丝杠磨床，MMB8612 型半自动花鍵轴磨床。此外还有丝杠磨床及内螺纹磨床及蜗杠磨床等。提高磨削精度仍是工艺的主要方面，在高精度平面磨削中为了降低由于砂轮不平衡而造成的波纹，已开展试用 CBN 砂轮磨削。提高表面质量与改善磨削表面质量情况是重要方面。这方面研究工作进行较多的如预应力磨削表面残余力研究。随着集成电路等工业部门的兴起，硅片内孔切割用的金钢石薄片砂轮已成功生产，表面超精密加工的科技工作已在一些研究院所及高校进行。我国目前磨床品种虽已达 400 种左右，但对于数控生产型及自动化生产型的产品还感不足，上海重型机床厂与德国合作生产的 30158 精密尤门导轨磨床，配有自行开发的数控系统，具有 NC 设定选择粗精磨削量，凹凸形状的磨削功能，已向国内外提供了数台产品。我国从六十年代人工合成金钢石，并在其后研制成功立方氮化硼 CBN，现在有的工厂已达到年产金刚石数百万克拉的可观规模。虽然比不上国外个别大国已所产数以千万克拉计的人造金钢石和 CBN，但是国内在这方面的进展还是相当迅速的。改进对超硬磨料磨具的修整，改善对难加工材料的磨削。国内这方面以航天航空部门及其所属大学和研究所开展工作较多。例如：对钛合金的在削，高效钛合金磨削液的研究，不同砂轮磨削热喷焊镍基合金的效果(郑州三磨所)。以金钢石砂轮磨削工程陶瓷材料方面，国内近年开展工作较多的如华中理工大学、东北工学院、郑州三磨所、天津大学等，东北工学院还7和日本关西大学对金属陶瓷磨削研究进行了国际间协作。M17 镍基合金的缓进给强力磨削烧伤问题西北工大与沈阳航院联合进行了研制，另对等离子喷涂碳化钨高硬材料的磨削进行了研究(东北工学院)。例如开展了电解研磨复合加工，用冰层紧固法的电子冷冻磨削加工(沈阳工业学院)，深孔珩磨中的内孔表面质量，大型精密油缸孔径的研磨技术(上海试验机厂)等，在一汽开展了磨料流加工，大连理工大学研究了粘弹磨料加工。烟台砂轮厂近几年先后研制成功了树脂结合剂强力珩磨油石，金钢石珩磨油石，和蜗杆珩磨砂轮等系列产品，替代了进口产品，在推广应用强力珩磨新工艺工作中，积累了不少经验。在开展石材加工方面，郑州磨料所研究了菱苦土磨具及其在石材工业中的应用，该所还研究了花岗石抛光方法的合理选择及抛光机理的研究。武汉工业大学对单颗磨粒犁削石材削量的计算方面进行了研究。大连理工大学对岩石磨削抛光机理及工艺做了系统而深入的研究。玻璃的磨削及抛光，研磨是一个重要方面，远自五、六十年代我国对光学玻璃的加工主要是研磨进行了大量生产上的使用，近十年由于建材工业和轻工业的发展，玻璃的圆角加工，倒棱加工，斜边加工(主要用于制镜业，全国已有数以百计的制镜厂和数以成百上千的金刚石磨削玻璃边缘的磨床)也用了大量金刚石砂轮进行加工，其中最新例子为轻工部沈阳轻工机械研究所研制成功的 MB10B 型十个金刚石砂轮磨头的玻璃斜边磨削机床，已达到国际上八十年代初技术水平，于 1991 年 12月通过部级鉴定。另一种特殊磨削加工为电火花加工与磨料复合加工，例如营口电火花机床厂最近推出的产品之一是 DM6350 电火花内孔磨床，以铜线做电极磨削各种硬度的金属小孔。8国内对磨削加工理论研究是重视的，同时同样重视理论研究与生产实际相结合，尽快将研究成果变为生产力。由郑州三磨所和七所高校牵头，每两年召开一次磨削及表面质量研讨会。除上述外近十年国内学者及科技人员在美国机械工程师学会 ASME，日本精密工程学会 JSPE 及其他国际各类学术会议上发表了不少篇磨削加工方面的研究成果。特别是在国际上影响更大些的国际生产工程学会 CIRP 年会上发表了十篇左右的磨削加工科技论文，从而在国际磨削加工学术界有了一定的影响。研究磨具与工件在磨削加工过程中的各种物理现象及其内在联系的一门学科。磨削原理的研究内容主要包括磨屑形成过程、磨削力和磨削功率、磨削热和磨削温度、磨削精度和表面质量、磨削效率等，目的在于深入了解磨削的本质，并据以改进或创造磨削方法。 大多数情况下磨削是最终加工工序，因此直接决定工件的质量。磨削力造成磨削工艺系统的变形和振动，磨削热引起工艺系统的热变形，两者都影响磨削精度。磨削表面质量包括表面粗糙度、波纹度、表层材料的残馀应力和热损伤(金相组织变化、烧伤、裂纹)。影响表面粗糙度的主要因素是磨削用量、磨具特性、砂轮表面状态(也称砂轮地形图)、切削液、工件材质和机床条件等。产生表面波纹度的主要原因是工艺系统的振动。由于磨削热和塑性变形等原因，磨削表面会产生残馀应力。残馀压应力可提高工件的疲劳强度和寿命；残馀拉应力则会降低疲劳强度，当残馀拉应力超过材料的强度极限时，就会出现磨削裂纹。磨削过程中因塑性变形而发生的金属强化作用，使表面金属显微硬度明显增加，但也会因磨削热的影响，使强化了的金属发生弱化。例如砂轮钝化或切削液不充分，在磨削表面的一定深度内就会出现回火软化区，使表面质量下降，同时在表面出现明显的褐色或黑色斑痕，称为磨削烧伤。 评定磨削效率的指标是单位时间内所切除材料的体积或质量，用 m9m3/s 或 kg/h 表示。提高磨削效率的途径有：增加单位时间内参与磨削的磨粒数，如采用高速磨削或宽砂轮磨削；增加每颗磨粒的切削用量，如采用强力磨削。在砂轮两次修整之间切除金属的体积与砂轮磨损的体积之比称为磨削比(也有以两者的重量比表示的)。磨削比大，在一定程度上说明砂轮寿命较长。磨削比减小，将增加修整砂轮和更换砂轮的次数，从而增加砂轮消耗和磨削成本。影响磨削比的因素有：单位宽度的法向磨削分力、磨削速度以及磨料的种类、粒度和硬度等。一般单位法向磨削分力越小或磨削速度越高，则磨削比越大；砂轮粒度较细和硬度较高时，磨削比也较大。一般来讲，按砂轮线速度 V s 的高低将磨削分为普通磨削(V s 45 m/s)、高速磨削 (45V s 150 m/s)、超高速磨削(V s 150 m/s)。按磨削精度将磨削分为普通磨削、精密磨削(加工精度 1 m0.1 m、表面粗糙度 R a 0.2 m0.1 m)、超精密磨削(加工精度0.1 m , 表面粗糙度 R a 0.025 m)。按磨削效率将磨削分为普通磨削、高效磨削。高效磨 削包括高速磨削、超高速磨削、缓进给磨削、高效深切磨削(HEDG)、砂带磨削、快速短行程 磨削、高速重负荷磨削。高速高效磨削、超高速磨削在欧洲、美国和日本等一些工业发达国家发展很快，如德国的 Aa chen 大学、Bremm 大学、美国的 Connecticut 大学等，有的在实验室完成了 V s 为 250 m/ s、350 m/s、400 m/s的实验。据报道，德国 Aachen 大学正在进行目标为 500 m/s 的磨削实验 研究。在实用磨削方面，日本已有 V s =200 m/s 的磨床在工业中应用。 我国对高速磨削及磨具的研究已有多年的历史，如湖南大学在 70年代末期便进行了 80m/s、1 20 m/s 的磨削工艺实验；前几年，某大学也计划开展 250 m/s 的磨削研究(但至今尚未见到这 方面的报道)，所10以说有些高速磨削技术还只是实验而已，尚未走出实验室，技术还远没有 成熟，特别是超高速磨削的研究还开展得很少。在实际应用中，砂轮线速度 V s 一般还 是 4560 m/s。 国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削的研究，以 获得亚微米级的尺寸精度。微细磨料磨削，用于超精密镜面磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石 磨粒平均直径可小至4 m。日本用激光在研磨过的人造单晶金刚石上切出大量等高性一致 的微小切刃，对硬脆材料进行精密磨削加工，效果很好。超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要 用于磨削难加工材料，精度可达 0.025 m。日本开发了电解在线修整(ELID)超精密镜面磨 削技术，使得用超细微(或超微粉)超硬磨料制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料的高精度、 高效率的超精密磨削。作平面研磨运动的双端面精密磨削技术，其加工精度、切除率都比研 磨高得多，且可获得很高的平面度。电泳磨削技术也是一种新的超精密及纳米磨削技术。 随着磨削技术的发展，磨床在加工机床中也占有相当大的比例，磨削技术及磨床在机械制造业中占有 极其重要的位置。 磨削技术发展很快，在机械加工中起着非常重要的作用。目前，磨削技术的发展趋势是，发展超硬磨料磨具，研究精密及超精密磨削、高速高效磨削机理并开发其新的磨削工艺技术，研制高精度、高刚性的自动化磨床。 目前，国内主轴单元的速度大约在 10 000 r/min 以下，且其精度、刚性及稳定性有待于考验 和提高。同时，缺乏高速、高精度、大功率的主轴单元(电主轴)。需要进一步研究的重点如 下：大功率、高转速和高精度的驱动系统的研究与开发；高刚性、高精度、高转速重负 荷的轴承或支承件的研究与开发；高速、高刚性、高精度的砂轮11主轴和工件头架主轴的制 造技术。 进给单元包括伺服驱动部件、滚动单元、位置监测单元等。进给单元是使砂轮保持正常工作 的必要条件，也是评价高速、高效及超高速磨床性能的重要指标之一，因此，要求进给单元 运转灵活，分辨率高，定位精度高，没有爬行，有较大的移动范围(既要适合空行程时的快 进给，又要适应加工时的小进给或者微进给)，既要有较大的加速度，又要有足够大的推力 ，刚性高，动态响应快，定位精度好。 数控机床普遍采用旋转电机(交直流伺服电机)与滚动丝杠组合的轴向进给方案。但随着高 速高精度加工的发展，国内外都普遍采用了直线伺服电机直接驱动技术，高动态性能的直线 电机结合数字控制技术，可达到较高的调整质量，也可满足上述要求，如德国西门子公司就 在 CIMT97 作了直线电机 120 m/min 高速进给的表演，而该公司的直线电机最大进给速度可达 200 m/min, 其最大推力可达 6600 N，最大位移距离为 504 mm。又如日本三井精机公司生产 的高速工具磨床，主轴上下移动(行程 25 mm)采用直线电机后，可达 400 次/min，是原来的 2 倍，加工效率提高 34 倍。我国国产数控进给系统(特别是高速、高精度进给系统)与国外相 比还有很大的差距，其快速进给的速度一般为 24 m/min。可见，为了适应精密、高速及超高 速磨床的发展，在以下几个方面应重点研究：高速精密交流伺服系统及电机的研究；直线伺服电机的设计与应用的研究；高速精密滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副的研究；高精度导轨、新型导轨摩擦副的研究；能适应超精密磨削的高灵敏度、超微进给机构和超低摩擦系数的导轨副的研究。 随着工程材料的发展及其应用，CBN 砂轮和人造金刚石砂轮的应用越来越广泛，而砂轮的许 用线速度也要求较高，一般在 80 m/s 以上。单层电镀 CBN 砂轮的线速度可达 250 m/s，发展超 高速磨削也需要 150 12m/s 以上的砂轮，但国内 80120 m/s 的 CBN 砂轮仍在研制之中。 磨削过程中，冷却液的作用主要是冷却和润滑、将磨削热从工件表面带走、冲刷掉磨削时留 在工件和砂轮表面上的切屑。但是，鉴于冷却液对环境污染的负面影响，磨削时应尽可能少 用冷却液或不用冷却液，因此，应开展对下列关键技术的研究：对环境不产生污染的冷却剂；新的冷却方法及冷却装置。 随着计算机技术及模拟技术的发展，利用计算机进行磨削基本参数及磨削工艺的仿真是一个 重要的研究课题。利用计算机仿真，可以模拟磨削过程，并能分析和预测不同条件下磨削效 果和磨床的性能，但仿真必须建立在有充分实验数据的基础之上。目前能使用砂轮地貌模型 对砂轮进行仿真，能对磨屑形成过程、能量转换、磨削力变化、磨削区温度、磨削精度和磨 削表面质量进行仿真，还开发了分析和仿真磨削过程的软件工具。1.2 珩磨机概述珩磨工艺(Honing Process)是磨削加工的一种特殊形式，又是精加工中的一种高效加工方法。这种工艺不仅能去除较大的加工余量，而且是一种提高零件尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度的有效加工方法，在汽车零部件的制造中应用很广泛。缸孔平台珩磨技术作为内燃机缸孔或缸套精加工的一种新工艺，初期主要用于高压缩比的柴油机，近几年有了进一步的发展，在汽油机上也得到了广泛的应用。平台珩磨技术可在缸孔或缸套表面形成一种特殊的结构，这种结构由具有储油功能的深槽及深槽之间的微小支承平台表面组成。这种表面结构具有以下优点： 良好的表面耐磨性；良好的油膜储存性，可使用低摩擦力的活塞环；降低机油消耗；13减少磨合时间（几乎可省掉） 。为形成平台珩磨表面，在大批量生产时一般需要进行粗珩、精珩、平台珩磨三次珩磨，其作用分别是：粗珩：预珩阶段，主要是要形成几何形状正确的圆柱形孔和适合后续加工的基本表面粗糙度。精珩：基础平台珩磨阶段，形成均匀的交叉网纹。平台珩：平台珩磨阶段，形成平台断面。要想获得理想的表面平台网纹结构，对精珩和平台珩的同轴度要求很高，因此将两个阶段合并成一次加工更为合理，通过设计成有双进给装置和装有精珩、平台珩两种珩磨条的珩磨头，能够实现一次装夹即可完成精珩和平台珩，消除了重复定位误差的影响，可以减轻前加工的压力和对机床过高精度的要求。由于采用国际标准中的 Ra、Rz 等参数不足以精确表示并测量平台珩磨表面，因此，发动机制造商纷纷制定了自己的平台珩磨表面标准。经过几年的实践和发展*趋完善，但至今没有统一的平台珩磨技术规范，由于一汽大众公司及一汽轿车公司均采用德国设备和德国标准，这里主要介绍德国用于评定平台珩磨表面质量的几个参数及相应标准。1） 均峰谷高度 Rz在滤波后轮廓的 5 个彼此相连的取样长度范围内局部峰谷高度 Zi的算术平均值。局部峰谷高度 Z 则是两条平行于中线的，在取样长度范围内通过轮廓的最高点和最低点的平行线之间的距离。值得注意的是，Rz（DIN）与国际标准中的 Rz(微观不平度十点高度)是不同的。2）波度 Wt波度为经过滤波轮廓的水平方向上的最大峰谷高度。3）核心剖面深度 RK(Core roughness depth)系列参数核心剖面深度 RK(Core roughness depth)系列参数包括核心剖面14深度 RK、尖峰高度 Rpk(Reduced peak height)、沟痕深度 Rvk（Reduced valley depth） 、尖峰材料比率 Mr1（Peak material ratio） 、沟痕材料比率 Mr2(Valley material ratio)等。 珩磨是利用安装于珩磨头圆周上的一条或多条油石,由涨开机构（有旋转式和推进式两种）将油石沿径向涨开, 使其压向工件孔壁,以便产生一定的面接触。同时使珩磨头旋转和往复运动,零件不动;或珩磨头只作旋转运动,工件往复运动,从而实现珩磨。 在大多数情况下,珩磨头与机床主轴之间或珩磨头与工件夹具之间是浮动的。这样,加工时珩磨头以工件孔壁作导向。因而加工精度受机床本身精度的影响较小,孔表面的形成基本上具有创制过程的特点。所谓创制过程是油石和孔壁相互对研、互相修整而形成孔壁和油石表面。其原理类似两块平面运动的平板相互对研而形成平面的原理。 珩磨时由于珩磨头旋转并往复运动或珩磨头旋转工件往复运动,使加工面形成交叉螺旋线切削轨迹,而且在每一往复行程时间内珩磨头的转数不是整数, 因而两次行程间,珩磨头相对工件在周向错开一定角度,这样的运动使珩磨头上的每一个磨粒在孔壁上的运动轨迹亦不会重复。此外,珩磨头每转一转,油石与前一转的切削轨迹在轴向上有一段重叠长度,使前后磨削轨迹的衔接更平滑均匀。这样,在整个珩磨过程中,孔壁和油石面的每一点相互干涉的机会差不多相等。因此,随着珩磨的进行孔表面和油石表面不断产生干涉点,不断将这些干涉点磨去并产生新的更多的干涉点,又不断磨去,使孔和油石表面接触面积不断增加,相互干涉的程度和切削作用不断减弱,孔和油石的圆度和圆柱度也不断提高,最后完成孔表面的创制过程。为了得到更好的圆柱度,在可能的情况下,珩磨中经常使零件掉头,或改变珩磨头与工件轴向的相互位置。 需要说明的一点:由于珩磨油石采用金刚石和立方氮化硼等磨料,加工中油石磨损很小,即油石受工件修整量很小。因此,孔的精度在一定程15度上取决于珩磨头上油石的原始精度。所以在用金刚石和立方氮化硼油石时,珩磨前要很好地修整油石,以确保孔的精度。 珩磨加工具有加工精度高、表面质量好、加工范围广、切削余量少 、纠孔能力强等特点。1.3 拟定主要技术参数2MK22118 数控珩磨机主要技术参数和技术性能指标如下：主要技术参数：(1) 珩磨机床加工孔直径范围 50180mm;(2) 主轴最大往复行程 800mm;(3) 珩磨头液压多级双进给压力调节范围：0.2-4mp(4) 主轴转速无级可调;主要技术性能指标：(1) 主轴往复运动位置精度：0.5mm(2) 主轴往复速度 330m/min;(3) 主轴往复最大加速度2.5g;(4) 珩磨加工精度：圆柱度0.008mm、圆度0.002mm;2MK2218 数控珩磨机床主要技术创新情况如下；1）通过原理上的原始创新,成功将数控系统的数字控制轴与线性机械液压伺服系统相结合，构成一种全新的珩磨机床主轴往复运动数字控制装置（已经申报发明专利） 。与国外知名厂商的电液伺服比例阀加伺服缸及缸位移传感器的数控方式相比，本珩磨机床主轴往复运动数字控制装置不需要昂贵且对使用条件较苛刻的电液伺服比例阀，使机床驱动系统的电液分离，由于机械液压伺服系统强大抗污染能力，大大提高了系统工作的可靠性，系统维护保养的方便性，又降低了系统的组成成本。2）2MK2218 数控珩磨机采用了国产广数数控系统，广州数控技术有限公司按照宁夏银川大河数控机床有限公司提出的针对高档数控珩磨16机床的控制策略和工艺要求开发出了“银川大河数控珩磨机床专用软件”。3）实现机床核心元件创新。为满足高档数控珩磨机对机液伺服阀的要求，创新性的开发和制造了机液伺服阀，实现了珩磨机主轴往复330m/min 的稳定运行，加速度达到 2.5g。4）全球首款 5 轴控制数控珩磨机。2MK2218 数控珩磨机实现了主轴往复，主轴旋转，工作台移动或旋转，珩磨油石粗涨压力控制，珩磨油石精涨压力控制等 5 个轴的数控控制；可实现发动机缸体和缸套内孔任意夹角网纹的加工。172 珩磨总体设计与计算2.1 拟定总体设计方案绗磨机主要由床身，传动部分，减速装置，液压系统，电气设备等五部分组成。床身由珩磨箱、立柱、机座、横拖板、工作台组成。机身大多为铸铁材料，床身首先要满足刚度、强度条件，有利于减振降噪，保证珩磨机的工作稳定性。机座用于支承其他零件并承受工作载荷，故首先要求其具有一定的强度和刚度，以保证整台机械的正常工作；其次要求机座的尺寸具有一定的稳定性，即热变形小，磨损小。机座应具有良好的工艺性和经济性，最后还要求起外型美观，操作方便等。床身布局形式对机床整体结构和使用性能有较大影响，设计时，必须充分考虑机床和珩磨头的调整、工件的装卸、机床操作的方便性，以及机床的加工精度，并考虑到排屑性和抗震性，选择适合的布局形式。绗磨机的床身布局主要有水平床身、立式床身。一般的绗磨机都采用立式床身和水平床身布局。采用立式床身布局的绗磨机，可以在同等条件下，改善受力情况，提高床身的刚度，特别是珩磨头的布置比较方便。因此，在此设计中采用了立式床身布局。动力传动系统由液压马达、传动装置组成,其中液压马达是动力部件。工作机构是由珩磨轴、磨头，光杆、丝杠和三爪卡盘组成。珩磨头是珩磨机最主要部分，输入的动力通过液压缸活塞杆带动珩磨箱上下移动，液压缸活塞杆驱动珩磨轴的往复运动。液压系统由油箱，油泵，控制阀，压力泵及压力表等组成。液压系统由于具有容易实现往复运动和多种动作驱动，调速方便、工作平稳和便于进行自动控制等优点，所以广泛应用于珩磨机床上。现代珩磨机床18大多数都采用液压驱动，特别是主轴行程大于 l00mm、往复速度较高、自动化程度较高的珩磨机床，液压系统更是不可取代的。液压系统的水平高低对珩磨机床的性能有决定性的影响。液压系统在珩磨机床中具有多种功能，除主要地用于驱动主轴往复和旋转外，还广泛地用于许多其它方面，如液动回转式、往复移动式工作台，停车时主轴部件定位用的液压挂钧，实现主轴往复运动短行程的控制机构，实现主运动变速的液压预选变速机构。使主轴旋转运动迅速停止的液压刹车机构，液压夹具，甚至还有用于控制加工时间的液压延时机构。用液压装置实现这些复杂的辅助动作，大大简化了机床结构，提高了机床的使用性能和自动化程度。本次课题所设计的绗磨机有与主轴不需旋转运动,由工件完成自旋转运动,使珩磨头作往复运动，并实现工件夹紧，磨头涨开等动作。现多数配有气动测量仪，与 PLC 配合控制，可实现半自动或全自动加工。珩磨轴往复运动是本文研究的重点，它的结构由液压缸及液压控制系统驱动.由油泵输出的油液经过旋阀 ,到油缸。推动油缸活塞向下移动，以达到活塞往复运动带动珩磨轴和珩磨头往复运动。工作台部分，由于是工件旋转形成主运动，因此工作台选用了旋转工作台。2.2 主轴的设计与校核为了使主轴长时期保持旋转精度，合理选择主轴材料和热处理方法也是非常重要的.砂轮主轴的表面应有较高的硬度，而中心部分又要有较高的强度和韧性，以保证工作时耐磨且变形小。.本设计轴的材料选择 45 号钢，调质到 200-250HB 左右。该材料即具有一定的韧性，又有良好的可焊性，具有良好的耐腐蚀性能，因此有着较为广泛应用于腐蚀条件下工作的轴。已知工件主轴液压马达的功率为 P=1.7 kw,工作转速为 1420r/min.对实心圆轴，其强度条件为：19= =TW2.01953dnP式中：T 轴传递的转矩 (N.mm) WT轴的抗扭截面模量 mm3P 轴所传递的功率(kw),n 轴的转速(r/min)轴的许用扭转应力(MPa)表 4.1 轴常用几种材料的 及 A 值轴的材料 Q235-A，20 Q275，35 45 40Cr,35SiMn/MPa15-25 20-35 25-45 35-55A 149-126 135-112 126-103 112-97轴的直径 d 的计算公式:d =A332.0195nP3式中:P轴传递的额定功率 1.7 kwN轴的转速 473.3r/min 轴的许用应力 MPaA按所定的系数：查表得 A=120将数据带入公式得： 34mm3nPd圆整后取工件主轴的直径 d=40mm轴的扭转强度的校核： 32.0195dnpWT20式中：T轴传递的转矩（Nmm）轴的抗扭截面模量(mm 3)WP轴的传递功率（kw） ，P=2.13 kwn轴的转速（r/min） ，n=439r/min轴的许用扭转剪应力（MPa）图 4.1轴的受力简图图 4.2力矩图图 4.3扭矩图将数值带入公式得： 6.3402.91.953TW21=3.6 所以满足扭转强度条件，符合要求轴的静强度安全系数校核，是根据轴上的最大瞬时载荷（包括动载荷和冲击载荷）和轴材料的屈服极限，计算并判断轴危险截面的静强度安全系数是否满足，其目的是检验轴对塑性变形的抵抗能力。校核公式为： 0200SS式中： 为轴危险截面的强度安全系数为静强度许用安全系数0为只考虑弯曲时的静强度安全系数为只考虑扭转时的静强度安全系数Smaxax0MWsaxa0TSss式中 、 为轴材料的抗弯、抗扭屈服极限（MPa）,见文献13s、 为轴危险截面上的最大弯矩、最大转矩（ N.mm）; 、maxa W为轴危险截面的抗弯、抗扭截面模量（mm 3） 。TW、 的计算公式为SmaK1aS1数值代入公式可得： 11.5 =1.3-1.5S符合疲劳强度安全系数。综上所述，轴安全。2.3 底座的设计下部架体采用 20mm 厚的钢板焊接而成，焊接后人工实效处理，由22于设备在工作过程中需要珩磨液，且设备的底部架体为中空的设计，为了节省空间和使设计更加紧凑，于是将珩磨液箱设计在架体中间，如图所示：图 42 珩磨机床底座2.4 线性滑轨的选择线性滑轨是为了保证珩磨头能够高精度的上下运动，保证其和被珩磨孔的垂直度，也能保证其较好的刚度，选用 4 根日本米思米公司生产的重载荷,宽度为 33mm,长度为 1200mm 的线性滑轨对其导向，采用酯润滑。既能保证较小的间隙和较高的刚度，又能保证其能够产生较小的摩擦系数，是一个比较成熟的设计，此结构在各压力机上均有使用，是一个比较可靠的结构；支撑平台采用焊接结构，焊接后人工实效处理，实效处理后加工各配合面，保证它的结构稳定性。2.5 键连接设计工件旋转三爪卡盘主轴与液压马达之间采用圆头普通平键连接。普通平键用于轴毂间无轴向移动的静连接，按键的端部形状分为圆头、方头和单圆头三种。采用圆头或单圆头平键时，轴上键槽用指状端23铣刀加工，键放在与键相同形状的键槽中，因而键的固定性好，缺点是轴上键槽端部的应力集中较大。采用方头平键时，轴上的键槽用圆盘铣刀加工，轴的应力集中小，但键在槽中固定不好。单圆头平键常用于轴端与轴上零件的连接，但应用较少。轴的直径 D=28mm,从标准中查出键的截面尺寸 bh =87mm,t1=3.3 mm初步拟定键长 L=60mm,对于圆头普通平键，因为两端的圆头部分与轮毂上的键槽不接触，所以：L =L b=608=52 mm平键连接所需传递的扭矩 T=32.587 Nm 平键材料为 45 号钢，大皮带轮的材料为 HT200（比平键和轴的材料差）按参考文献13表 10-6 查得： p=200250 MPa普通平键工作时，受到挤压和剪切，但其主要失效形式是因挤压而造成的压溃破坏，所以应验算挤压强度。受压表面的挤压应力 p=2T/(Dt1L)=232.587103/(283.352） 13.56MPap=200250 MPa传动轴与液压马达之间用圆头普通平键连接,其中 T=123.86Nm ， t1=3.3mm， D=40mm按标准查得 bh =128，初拟 L=50mm；所以 L=L b=5012=38 mm查参考文献13表 10-6 得： p=200250 MPap =2T/Dt1L=2123.86103/(403.338) 49.38MPa p=200250 MPa故：强度符合要求243 液压控制系统设计珩磨机液压系统的组成由液压油源、控制油路、及液压缸等组成,采用叠加阀型式。系统由两台叶片泵提供液压油源,一套油源供给左边珩磨头的往复缸及进给缸用的压力油,另一套油源供给系统的液压马达以及其他辅助动作用油。 。根据不同的加工品种,两泵可单独工作,又可同时工作。珩磨头进给缸通过连杆与珩磨头连在一起,由往复缸的活塞杆带动,旋转着在孔中做上下往复运动,同时进给缸动作,把砂条涨出,以完成珩磨。图 1 液压系统原理图25该液压系统的基本循环工作原理几顺序是:(1) 液压泵起动压力油经电磁卸荷溢流阀流回油箱,液压泵卸载。(2) 工件夹紧定位此工步是完成工件在三爪卡盘上的定位及夹紧,通过手动操作完成。(3)送料及送料返回工作台移至接料位后,6DT、7DT 通电,压力油经换向阀 1、电磁节流阀 2 至液压缸,快速送料。送至一定距离后,7DT 断电,油液经节流阀进入液压缸,实现缓冲送料。当送料到位后,6DT 断电,7DT 通电,送料缸自动返回。(4)夹紧压力继电器 3SP 动作,使 4DT 通电,压力油经减压阀 J1 、换向阀 8 至无杆腔,夹紧工件。夹紧压力由减压阀 J1 调整,一般为 1152 MPa。(5)主轴慢下夹紧工件后,压力继电器 1SP 动作,2DT、14DT 断电,压力油经节流阀 4、换向阀 5 的右位、电动单向调速阀 6、单向阀 7 进入“行程控制”操纵箱。操纵箱由先导阀、换向阀、液动阀等组成。在图示情况下,压力油同时进入先导阀、换向阀和液动阀,通过控制油路使液动阀和换向阀处于各自的位置,主压力油经换向阀的右位、液动阀的左位进入液压缸的无杆腔和有杆腔,形成差动回路,活塞向下移动。有杆腔的回油需经单向顺序阀,其作用是为了防止活塞和运动部件在悬停期间因自重而自行下滑。调整时要使其开启压力稍微大于活塞和运动部件因自重而在液压缸下腔产生的压力。主轴慢下的速度由电动单向调速阀 6 调整。14DT 通电时,涨砂条缸活塞处于中间位置,砂条在缩回状态,其原理见回中位。单向阀 7 的作用是防止停机时,因顺序阀的微小泄漏而引起活塞下降。(8) 低压粗珩26主轴慢下至下端终点时,碰到挡铁,通过杠杆机构使先导阀换向,接通左位。主轴由变频电机带动开始旋转,3DT 通电 ,压力油经节流阀 4、换向阀 5 的右位,电动单向调速阀 6、单向阀 7 至操纵箱中。此时先导阀控制的换向阀也接通左位,压力油经换向阀的左位、液动阀的左位、单向顺序阀至液压缸的有杆腔,活塞快速上移。当上移碰到上端挡铁时,杠杆机构操纵先导阀换向,又开始快速差动向下运动。移动的速度可由节流阀 4 调整,其调整范围为 32514m/ min。主轴往复移动的同时,压力油经减压阀 J 5 、换向阀 11 、12 、13 的右位至涨砂条缸的无杆腔,有杆腔回油经阀 14 、13 的右位、单向阀至油箱, 活塞向下移动,由其控制的珩磨头粗砂条涨出,实现低压粗珩。因减压阀的最低稳定压力为015 MPa ,而低压珩磨时仅需要 013 MPa 左右,所以在此回路中,采用开启压力约为 0135 MPa 的单向阀作为背压阀。调整 J5 约为 01651115 MPa ,这样作用在活塞上的力相互抵消一部分,使最终作用在砂条上的力达到要求的数值。此回路中有一个固定节流孔,它能使珩磨头压力在小范围内波动时迅速稳定。(9)高压粗珩低压粗珩到一定尺寸时,气测装置发信号,11DT 通电,压力油经减压阀 J4 、换向阀 11 左位、12 的右位、13 右位至液压缸无杆腔,实现高压粗珩。J4 的调整压力约为 01851135 MPa。(10)低压精珩高压粗珩到一定尺寸时,气测发信号,13DT 通电,压力油经减压阀J5 、换向阀 11 、12 的右位、13 的左位、14 的右位至液压缸的有杆腔,无杆腔回油经换向阀 13 的左位、单向阀至油箱。活塞向上移动,精砂条涨出,实现低压精珩。(11)回中位低压精珩到一定尺寸时,气测发信号,14DT 通电,压力油经减压阀J5 、换向阀 11 、12 、 13 的右位至液压缸的无杆腔,此时液压缸最下27端油口被阀 14 封死,回油经液压缸中间的油口、换向阀 14 的左位、阀13 的右位、单向阀至油箱,活塞向下移动。当活塞下移至液压缸体中间位置时,活塞的宽度将中间油口封死,活塞停止在中间位置,精砂条缩回。(12)光珩低压精珩后,尺寸基本达到设定值,再经过光珩是为了修整孔的光洁度。回中位后经过一定时间,12DT、13DT 通电,压力油经减压阀 J3 、换向阀 12 、13 的左位、14 的右位至有杆腔,无杆腔回油经 13 的左位、单向阀至油箱。活塞向上移动,精砂条涨出,实现光珩。J 3 的调整压力约为 01450165 MPa 。(13) 主轴慢上光珩至设定值,气测发信号,3DT 断电,14DT、15DT 通电,再次回中位,主轴停转。压力油经节流阀 4、换向阀 5 的右位、电动单向调速阀6、单向阀 7 至操纵箱,因 15DT 通电,液动阀总是处于右位,此时不论珩磨头正向下或向上运动,即不管先导阀处于哪个位置,活塞立即向上慢速运动。(14) 放松磨头上移至水圈位时,如需在下一工位继续加工,则移动工作台至下个工位。如果已加工完毕,则 5DT 通电,压力油经减压阀 J1 、换向阀 8 至夹紧缸,完成工件的放松。手动操