轴承内圈滚道电化学砂带复合加工装置设计

摘 要摘 要滚动轴承作为一种大量应用的基础部件，在机械装备中起着重要作用。各类主机的工作精度、性能、寿命、可靠性等指标，均与轴承性能有着密切关系。与国外同类产品相比，国内滚子轴承的性能存在明显差距。针对滚子轴承的结构特点和性能要求，以提高滚子轴承的制造精度和加工质量为目标，实现滚子轴承加工工艺创新，有助于弥补同国外同类产品的差距，对提高滚子轴承的寿命和性能具有重要意义。轴承的寿命、振动和噪声则是轴承质量的综合反映。根据以往的理论研究和轴承接触问题的有限元数值分析，将圆柱滚子轴承由直母线滚道改为具有凸度母线的滚道，并大幅度降低滚道表面粗糙度，是改善滚道表面物理力学性能、提高轴承的旋转精度和耐磨性、改善滚动接触区应力分布、降低轴承震动和噪音、避免轴承过早失效、提高轴承的寿命的有效手段。而相对于轴承滚道传统磨削加工存在的一些问题，例如工具（砂轮、油石）损耗大、滚道表面质量差、成型工艺复杂，凸度值不易控制，以及加工效率低等难以解决的矛盾，电化学机械加工方法具有加工表面质量好、表面微观几何形貌优良、加工不受工件材料硬度影响以及加工成本低、加工效率高等优点。因此，针对影响轴承使用性能和寿命的关键滚道表面质量和形状问题，本文将电化学成型与电化学机械光整加工技术集成应用于轴承滚道加工，力求在实现轴承滚道光整加工的同时，实现滚道的凸度成型。将电化学机械复合加工引入轴承滚道精加工，可以替代传统的轴承滚道凸度磨削成型和超精加工。获得的滚道有合理的凸度，且表面均匀、光滑，具备较低的摩擦系数、较高抗疲劳强度，改善轴承的运转特性、有效地降低振动和噪音、提高使用寿命。对提高轴承产品的竞争力，进而提高我国汽车、工程机械、通用机械等各主机制造行业产品的质量有重要意义。关键词：电化学机械加工；电化学加工；电解成型；表面AbstractAbstractRoller bearing is a widely applicable basic element, which plays important roles in mechanical equipments. The performance of all kinds of equipments such as precision,capability, life and reliability is closely laid on property of bearing. Comparing with foreign similar products, domestic cylindrical roller bearing products have obvious gap in performance, which restrict the development level of domestic equipment manufacture industry. According to the structural characteristics and performance requirements of roller bearing, a new processing technique for bearing manufacture is proposed to enhance the precision and process quality, which is benefit to short the gap between the domestic products and the overseas equivalents. It has a great reality meaning for improving the life and performance of bearing.Life, vibration and noise of bearing are the synthetical reflection of the bearings quality.According to the previous theoretic research and finite element analysis (FEA) for bearing contact stress, a crown generator of cylindrical roller bearing raceway with a smooth surface which replaces the flat generator can improve the physical mechanics, elevate rotation precision and durableness, improve the contact stress distribution, decrease vibration and noises, avoid early fault, enhance the life of bearing. Compared with some limitations of the traditional bearing raceway grinding , such as tool worn, poor surface quality, complicated shaping operation, uncontrollable crown value, and low efficiency, electrochemical mechanical machining (ECMM) has the advantages of good surface quality, fine surface micro-topography, machinability of super-hardness metal, low cost and great efficiency. Aiming at the key issue of raceway surface quality and profile which affects the life and the performance of bearing, ECMM is proposed in this dissertation to process the bearing raceway in order to finish and crown the raceway at the same time.Being introduced into the bearing finishing, ECMM can partly substitute the conventional crown shaping grinding and super-finishing of bearing. The surface by ECMM is the uniform and smooth, which has the advantages such as small friction coefficient, high contact rigidity, high fatigue resistance, and the reasonable crown shape. It can improve the running property, effectively decrease the noise from vibration effect and prolong the bearing working lifetime. It has important meaning to promote the competitiveness of bearing products, improve the quality of mechanical equipment such as automobile, engineering machinery, general machinery et al. in our country.Key Words：ECMM；Electrochemical Machining；Electrochemical Forming；Surface Quality；目 录目 录摘 要.ABSTRACT.目录第一章 引言.11.1 课题的背景.11.2 课题的意义.21.3 轴承套圈精加工技术研究现状.31.4 电化学加工技术的研究现状 .5第二章 复合加工装置的整体设计方案.82.1 砂带张紧机构的设计.102.2 成型磨削机构设计.102.3 电解液系统设计.112.4 工件的安装方案 .142.5 工件阳极通电方式 .152.6 阴极的设计 .152.7 阴极的进给方案 .17第三章 复合加工装置的校核计算.183.1 传动轴的校核计算.183.2 电机的选择.213.2.1 电机的校核 .223.3 键的选用.23总 结.25参考文献.26致 谢.27第一章 引言-1-第 一 章 引 言1.1 课 题 的 背 景滚动轴承作为一种重要的基础机械部件，在机械装备中起着重要作用。各类主机的工作精度、性能、寿命、可靠性等各项指标，都与轴承性能有着密切的关系。轴承工业发展水平的高低，制约着一个国家机械工业和其他相关产业的发展水平。滚子轴承是滚动轴承的一种，主要用于低转速重载，而且工作条件较恶劣的设备上，例如：大中型电动机、机车车辆、机床主轴、内燃机、发电机、燃气涡轮机、轧钢机、振动筛以及起重运输机械等。随着加工技术的提高，目前，滚子轴承也用于精密机床、航空机械、汽车等高速、高精度的设备上。提高轴承承载能力、延长使用寿命、增加强度与刚性、减少摩擦磨损、降低噪声、减小体积、减轻重量、采用新材料及免除维护保养一直是轴承工业的研究目标1。轴承的寿命、振动和噪声则是轴承质量的综合反映。而这些问题的实质都与轴承的结构设计、制造工艺、润滑以及操作条件有关。影响轴承疲劳寿命的因素除了轴承材料的成份和组织以外，轴承滚道表面质量和滚道母线轮廓也是极其重要的影响因素。表面粗糙度对接触疲劳寿命的影响是通过表面润滑状态和摩擦系数的作用，影响切应力的分布，从而影响轴承疲劳裂纹萌生位置、裂纹扩展倾角和疲劳寿命。降低滚道表面粗糙度，能改善滚道表面的物理力学性能，从而提高轴承的旋转精度和耐磨性、降低轴承的振动和噪音、延长使用寿命。目前轴承滚道的精加工多采用磨后超精研磨，加工后的微观表面形貌为尖峰状，有明显的磨料的切削痕迹。在磨具的强力挤压下，尖峰处金属产生塑性流动而被挤入微观凹坑内，掩盖了真实的表面形貌。使用一段时间后，由于疲劳磨损而剥离，使表面质量更差2；重的应力集中，在内外圈滚道圆周方向上呈对称位置发生环带状剥落，产生失效。另外，在载荷作用下，滚子与滚道接触区域两端呈现出复杂的变形状态，并出现严期设计的滚子轴承，滚子和滚道的母线均取为直线，加工中也尽量将滚子和滚道表面加工成直圆柱面，认为载荷能够沿接触线均匀分布。但在实际工况下，N 类轴承、短圆柱滚子轴承和 3 类圆锥滚子轴承在承载状态下，滚子发生弹性变形和塑性变形，滚子端部和内、外滚道母线的两侧均存在高度应力集中，这种现象被称为“边缘效应” 。理论和实践均表明，滚子或滚道表面的母线轮廓对承载能力和接触疲劳寿命有决定性的影响。第一章 引言-2-相关研究表明，将轴承直母线滚道由改为具有凸度母线的滚道，既可在较大程度上减少或消除滚子的边缘应力集中，又可改善由于安装和加工误差等原因所产生的不同心度以及由于主轴旋转产生的挠曲度而导致的滚子偏载现象。目前，发达国家对圆柱、圆锥滚子轴承滚道产品设计大都要求带凸度，如：SKF 的 EC 型、FAG 的 ECP 型、NSK 的 ET 型等都采用对数母线滚子、改善挡边和滚子端面结构等措施，从而使轴承承载能力提高 90 %以上，摩擦力矩降低 50 %以上。国内出口轴承产品也都要求加工出滚道凸度。凸度技术能有效地改善滚动接触区的压力分布，减小或消除滚子边缘压力集中、减小温升，有利于形成弹性流体润滑，从而降低轴承的振动和噪声，提高轴承的使用寿命。很多实验也已证实，采用带凸度滚道，可使轴承寿命提高 2-3 倍3。凸度技术已是滚子轴承优化设计不可缺少的技术。轴承凸度滚道传统的加工方法是在磨床上加工出理论上所要求的凸度曲线。经过粗磨和细磨阶段，不但要保证轴承滚道的表面粗糙度 Ra 值达到一定要求，还要同时达到所要求的滚道凸度值。但由于成品滚道凸度值通常在 5-10m (有时小于 3m)，这在凸度磨削中很难控制。在轴承各项性能中，轴承寿命是最根本的指标。解决国内外轴承质量差距的核心问题就是提高轴承寿命。这不仅需要在设计、材料、热处理工艺方面采取有效措施，在精加工工艺和装备上也必须有所突破。因此，创新轴承滚道精加工工艺，使之能够高效率、高质量地实现光整加工和凸度加工是非常必要的。本课题正是在上述背景下提出来的。1.2 课 题 的 意 义作为广泛应用的精密的重要机械基础件，轴承的性能影响着主机的工作性能。通过改善轴承滚道的表面质量和表面轮廓，可以提高轴承的使用寿命，降低噪声，将对我国轴承产品性能的提升具有重要的意义。轴承采用机械磨削后超精研磨，表面粗糙度 Ra 值只能达到 0.05m。实验证明，采用电化学机械复合加工工艺，可实现粗、精加工在同一道工序完成。表面粗糙度 Ra 值大幅降低，轴承寿命得到提高，振动和噪声大大降低4。通过本课题的研究，可以为形成轴承滚道复合超精设备等系列产品和加工技术奠定基础。可对圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承等内外滚道进行磨后光整加工，表面粗糙度可达到 Ra0.04m 以下，并可同步完成滚道母线凸度修整。尤其对大中型尺寸滚子轴承的超精加工更具潜力。本课题的实现，可以大幅度地提高轴承滚道表面的耐磨性、抗疲劳性，提高使用寿命，从而提高轴承产品的竞争力，对提高我国汽车、工程机械、通用机械等各主机制造行业产品的质量，进而提高机械装备在国际市场上的竞争力十第一章 引言-3-分有益。1.3 轴 承 套 圈 精 加 工 技 术 研 究 现 状轴承套圈的传统加工过程是原始棒料经过高速墩锻、辗扩工艺，形成套圈毛坯；套圈退火去除残余应力后，经过车削加工成所需的外形。随后，对套圈进行热处理，目的是调整工件硬度，以提高轴承套圈的表面性能，增强工件的抗磨损能力和提高疲劳寿命。热处理之后，为了使套圈各工作表面达到所要求的各项技术指标，需要进一步磨削加工。在磨削中，需要对套圈端面、内外圆表面质量和尺寸精度进行控制。由于轴承的工作性能与使用寿命的要求，套圈滚道表面经磨削后还需要进行最终的精细光整加工，即超精研磨。磨削加工的每道工序都有不同的作用：粗磨是纠正热处理后产生的缺陷和变形，切除细磨前的磨削余量，保证定位基准的精度；细磨是进一步提高套圈的尺寸、几何形状精度和改善表面粗糙度；终磨是使套圈的尺寸、几何形状和表面粗糙度达到成品要求。磨削后轴承滚道还需要进一步超精研磨加工，提高表面粗糙度和精度，从而提高轴承的旋转精度、降低轴承的震动和噪音。由于轴承滚道需具有特殊的表面特性，如抗磨损、低摩擦系数和较高的疲劳强度，对表面质量和表面完整性的要求比较高。目前，淬硬轴承钢零件的传统精加工采用磨削工艺完成。由于磨削工序加工效率低、砂轮及磨削液消耗量大、成本高、粉尘和废液污染严重，以及磨削加工造成的表面烧伤等质量损伤，直接影响零件的性能及寿命，从而造成淬火轴承套圈零件加工的工艺瓶颈。近年来，对轴承套圈精加工工艺进行了改进，其主要集中在以下几个方面：以车削替代磨削加工技术由于超硬材料刀具的出现及数控机床等加工设备精度的提高，低温、加热切削技术的进步，使得车削比磨削能节省大量的时间、资金和设备，以车削代替磨削完成轴淬硬承零件的最终加工成为一个新的加工途径5硬切削是指在零件热处理淬硬后的切削加工技术。随着陶瓷刀具，特别是低磨损 PCBN 刀具的应用，硬切削技术得到飞速发展，实现了以车代磨。在理论研究上，德国 W.Knig 教授通过用陶瓷刀具和 PCBN 刀具切削 100Cr6 淬硬轴承钢的切削力对比实验，研究了切削速度、切削深度和进给量对切削力的影响趋势。东北大学蔡光起教授等一直在开展超高速磨削技术的研究，并首先研制成功了我国第一台圆周速度 200 m s 的超高速试验磨床。采用 CBN 砂轮磨削加工。与普通砂轮相比，CBN 砂轮的磨耗比高达 4000-10000；相当于普通砂轮的 150 倍左右，磨削效率高，适宜于自动化高速磨削。CBN 磨料硬度是普通磨料(SiC、A12O3)的 2-3 倍；CBN 砂轮寿命是普通砂轮寿命的 100 倍左右；热稳定性好，可承受 1300-1500的高温。采用陶瓷结合剂 CBN 砂轮对轴承套圈的磨削加工，可提高加工精度，增加残第一章 引言-4-余压应力,并提高加工效率6。采用砂带磨削加工。砂带磨削是对材料表面精密加工的新型磨削工艺。在现代制造工业中，砂带磨削己经成为与砂轮磨削同等重要、不可缺少的加工方法。二十世纪六十年代以来，随着静电植砂技术及涂附磨具技术的出现和发展，欧、美、日等国在砂带制造技术和砂带磨床制造技术上都取得了巨大的进步。在砂带制造技术方面，出现了许多特殊涂附磨料及涂附形式，如金刚石、立方氮化硼、锆刚玉、陶瓷磨料、复合磨料、堆积磨料等各类砂带，使得砂带已经能应用于干磨和高速、大吃刀量的重磨削领域以及高精密零件的磨削加工领域。清华大学周煊和冯敬之等将开式砂带应用于轴承滚道超精加工获得了 Ra0.04-0.08m 的表面质量7。研究资料表明：由于能紧密地贴合加工表面，砂带磨削能产生更高的残余压应力；在附加轴向振动砂带磨削后，轴承的疲劳寿命提高 30%-50%。应用复合磨削技术。日本理化学研究所的大森整、东京大学的中川威雄于 1987 年开发了对铸铁纤维、铸铁结合剂超硬磨料砂轮进行在线电解修整磨削的技术，不但成功地解决了铸铁基砂轮整形、修锐的难题，而且使得超微细金刚石、CBN 磨料能够制成砂轮用于超精密镜面磨削。该技术成功地实现了多种材料的高效精密和超精密加工。在线电解修整磨削（ELID）实现超细磨粒砂轮稳定、可控的磨削过程，获得非常高的加工精度。应用#4000 CBN 砂轮，ELID 磨削轴承钢圆柱外圆面，获得表面质量 Ra0.036 m，Rz 0.08-0.18m8。采用数控技术，对轴承套圈磨床各机构的动作和整个加工循环参数进行编程控制，以获得最大的切削量、最佳的加工质量和保持砂轮线速度的恒定。对加工过程的半闭环控制，保证磨削系统在高转速(3000 r/min)及低转速时的定位精度，使用伺服系统可以完成快跳、快趋、修整补偿、粗精磨削，使机床进给机构大大简化，性能可靠性大大提高。淬硬轴承套圈零件传统制造工艺与快速发展的市场需求之间的矛盾越来越引起社会的重视。随着数控技术、超硬刀具技术和高效磨削加工技术的发展，国内外学者积极推动轴承套圈加工技术的进步，使得更经济地加工轴承套圈零件成为可能。尽管轴承套圈的加工工艺及装备正朝着高精度、高效率等方向发展，但是接触式机械加工本身所具有的缺陷，仍然是轴承套圈加工的瓶颈。例如由于工具磨损造成的尺寸、几何形状以及表面粗糙度误差，以及由于切削力和热传导所导致的加工误差；另外，由于在加工过程中工件表面产生白层，使得表面完整性不能满足抗疲劳和抗磨损的要求。电化学加工是非传统加工方法，借助电能去除材料的非接触加工方式使其与传统机械加工方法相比具有许多独有的特点，如不受工件材料的硬度的影响；在加工中不产第一章 引言-5-生表面残余应力；加工中不存在工具的磨损；加工效率高，能够使工件表面粗糙度大幅度降低，能够去除零件表面变质层，得到比机械抛光更光滑的表面。实践证明，电化学加工方法是获得较好的加工表面质量和复杂形状的有效加工方法。目前，电化学加工已成功应用在涡轮、齿轮、异形孔、花键、枪炮管膛线、模具型腔和发动机叶片等复杂形面的成型加工和光整加工，成为工业生产中的一种有效的特殊加工手段。因此，将电化学加工技术替代轴承套圈传统的机械加工技术具有可行性。本文根据电化学机械复合加工具有的特点，针对影响轴承使用性能和寿命的关键滚道表面质量和形状问题，提出将电化学机械加工技术应用于轴承滚道成型及光整加工，力求在实现轴承滚道光整加工的同时，实现滚道的凸度成型。将滚道表面光整加工和凸度修形同步完成，不但可以简化设备，降低综合成本，也为轴承滚道加工提供了新途径。1.4电 化 学 加 工 技 术 的 研 究 现 状原苏联学者 Wladimir Gusseff 于 1929 年提出电化学加工（Electrochemical Machining，简称 ECM）方法，经过近几十年的发展，现已发展成为加工高硬度、高韧性材料和复杂形面、低刚度零件的有效方法，也是对传统机械加工方法的有力补充和延伸，并已成为机械制造领域中不可缺少的技术内容9。其发展历程中取得的主要进步如下：提出电解加工间隙中气液两相流的理论，并基于气液两相的流动特性，分析电解加工成型规律，使得研究更加接近于实际情况。电化学加工的阴极设计问题是关于拉普拉斯方程边界问题的反问题，一直难于得到精确的解。随着计算机技术的发展，利用有限微分方程、有限元以及边界元方法已经能够得到基于稳态电场的拉普拉斯方程数值解。从直流电化学加工发展到脉冲电化学加工；从电化学去除加工发展到电化学沉积加工；从单一的电化学加工方法发展到电化学机械、电解磨削、电解电火花和超声电解等复合加工方法。电化学加工的应用已经从零件的光整、模具的成型加工，扩展到微细加工。（1）电化学光整加工技术电化学光整加工技术是利用电化学阳极溶解的原理，进行阳极表面光整加工的一种工艺。在加工过程中，工件为阳极，工具为阴极，两极与电源相连，辅以电解液流入其间。在电流的作用下，阳极材料失去电子变为金属离子，进入电解液，这样将工件逐层蚀除。一般传统车削加工的表面质量为 Ra3.2-6.3m。精车或磨削后，工件表面质量能第一章 引言-6-达到 Ra0.8-1.6m。当工件表面要求达到 Ra0.8m 以下时，需要人工手动抛光或者成本更高的加工方法。然而这种严重依赖人工经验或机械抛光的加工方式将导致工件表面缺陷和应力集中；采用电化学加工可以完全避免上述问题。电化学光整加工最为突出的优点是能够使工件表面粗糙度大幅度降低，能够去除零件表面变质层，得到比机械抛光更光滑的表面，而且没有残余应力。目前已经成功应用到平面、外圆、内孔及部分复杂零件表面的光整加工中10。国外对电化学光整加工的相关研究主要集中在欧洲、美国和日本。美国学者 Sun和 Taylor 等利用可反转电场的电化学光整加工技术，对经过 EDM 成型加工的镍基超合金、钛合金以及钼合金等钝态超硬合金模具进行表面光整加工。实验结果证明电化学加工可以短时间内有效地去除放电加工后表面形成的氧化层及变质层，得到了较好的表面质量，并提高了零件的疲劳强度11。日本学者 T.Masuzawa 对脉冲电化学光整加工进行了较多研究。应用脉冲电化学对钨碳合金光整加工，解决了这一类金属的光整加工难题；将脉冲电化学加工用在微细轴的光整加工中，在直径数十微米小轴上，获得表面粗糙度达到镜面级水平12。国内大连理工大学开展了多年的电化学及脉冲电化学光整加工各类基础件的研究取得了丰硕的成果。将脉冲电化学光整加工技术应用于齿轮齿面的光整加工中，选择齿轮式阴极展成法作为试验方案，实验研究了齿轮脉冲电化学光整加工过程，改善了齿轮表面质量，提高了齿轮的使用性能及寿命指标13。国内的众多高校如哈尔滨工业大学、南京航空航天大学和苏州电加工研究所、北京电加工研究所等科研院所也相继开展了电化学加工的研究。第二章 复合加工装置的整体设计方案-7-第 二 章 复 合 加 工 装 置 的 整 体 设 计 方 案对轴承的加工可以应用机械式的磨削加工，也可以应用电化学加工，但两种加工方法都各有缺点。例如，机械加工可以达到一定的精度，但是加工效率低，而且对磨具的损坏较大。电化学加工时不存在明显的切削力，工件无变形和热变形，生产率高，但是加工精度可能会达不到要求。电化学机械复合加工不仅可以满足零件的加工精度和加工质量的要求，而且还可以实现零件的大批量加工，提高了加工效率，对杆类零件的加工具有广泛的适应性。故在此提出电化学砂带复合加工装置的设计方案。电化学砂带磨削是将电化学作用和砂带磨削的机械作用相结合的一种新型复合加工方法，其工作原理如下图 2.1 所示。图 2.1 电化学机械复合加工轴承内圈滚道原理示意图磨削时工件接直流电源的正极，电化学反应的阴极接电源的负极；当电解液以一定的压力和流量进入间隙时，工件即阳极表面在电化学作用下溶解，并形成一层氧化物薄膜也称之为钝化膜。他的电阻很大会阻止电化学作用的继续发生但它比基体金属软，易于磨削；当砂带磨去表层的钝化膜后，工件表面得到重新活化，再重新被电解，又被磨出，如此往复，直到达到预期的加工要求。所以，电化学砂带复合磨削加工就是在电化学和机械磨削的综合作用下，工件表面经历被钝化被磨削再活化，不断交替进行，工件第二章 复合加工装置的整体设计方案-8-材料被连续的磨去，直到去除余量到达一定的精度及表面粗糙度要求的一种加工方法。因电化学砂带磨削的特殊性，所用的砂带也需是特制的。不仅要求耐水，耐酸碱。而且要求较好的透水效果。这就必须要在砂带表面开孔，因此给砂带的制造带来了一定的困难。本设计方案采用的是中级法电化学砂带磨削，所谓中级，就是指磨头部分不与电极相连接，而成中性状态，相对应的另一种加工方法就是砂带的接触轮直接与电源的正极相连并进行磨削加工。相比较而言中级法对砂带的要求没有后者那么高，可以用不开孔的砂带，这种方法能适用于粗精两种加工。电化学砂带磨削的加工过程可以用下图简要的表述：图 2.2 电解砂带磨削加工过程需要解决的问题有：1）砂带的张紧方式；2）工作台的结构和相对应的砂带的布置；3）考虑每转一周工件的蚀除量，对应进给的单位距离，以及相应的进给方式以及动力；4）砂带选择合适的张紧力；5）砂带和工件轴承内圈的接触方式；6）工件的放置方法并对应的电解液输入方式；7）电解液的排出和床身的防腐.针对以上问题相应的解决方案：2.1 砂带张紧机构的设计此机构主要用于砂带的缠绕，为确保砂带在运动过程中可以使砂带平稳可靠的运转并能达到最好的磨削的效果。结构如图 2.3 所示。第二章 复合加工装置的整体设计方案-9-图 2.3 砂带张紧方式示意图传动系统中共有五个砂带轮，最左边的一个是电机带动的主动轮，这样布置是为了带轮更多的被砂带包裹，从而有更好的传动效率；中上的轮子是连接在一个气缸上，并通过气缸实现张紧；中下的轮子是堕轮为了位置的要求的放置。右边的两个是导向轮，如图 2.3，为保证带在运转过程中能平稳不至于从砂带轮上脱落或偏离合适的位置上。这套装置可以在 CA6140 的基础上安装，安装板安装在车床的托板上一同进给。来实现对不同尺寸工件的加工。安装板的尺寸要结合车床主轴与托板的垂直距离而定。2.2 成型磨削机构设计考虑到工件的加工重点在于其凸度的成型，所以采用砂带成型磨削和电化学成型相结合。成型头部分如图 2.4 所示；图 2.4 成型头安装方案成型头通过滑键轴与燕尾形导轨相连；同时成型头和导轨之间又连接一压缩的弹簧如第二章 复合加工装置的整体设计方案-10-图所示，通过所需的磨削力选取合适的弹簧，来保证成型头和工件间的接触力；燕尾型导轨在燕尾槽上来回移动，它的传动如图 2.5 所示，电机通过联轴器连接丝杠，丝杠再通过和燕尾滑块内的螺纹连接带动滑块来回移动。图 2.5 成型头进给方案图中的电机选取的是步进电机，对电机实行脉冲控制，进而实现成型头的进给。为了实现该装置与砂带的位置配合，该机构安放在图 2.3 中，安装板的中间平台上，同时设计安装时要保证成型头的高度与工件轴承内圈的中心平齐。2.3 电解液系统设计在电解加工过程中，电解液的主要作用是：作为电介质传递电流在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解能顺利而有控制的完成及时地把加工间隙内产生的电解产物及热量带走，其更新和冷却作用。因此电解液系统是电化学机械复合加工系统的重要组成部分。2.3.1电解液系统组成本次毕业设计采用的供液系统如图 2.6 所示，通常由以下部分构成： 电解液泵：按要求的压力和流量向极间间隙供给电解液；电解液储存槽（池）：储存待用电解液及沉淀过滤已用的电解液；输送装置(管道、喷嘴等)：将电解液送达加工区；净化(过滤)装置：从电解液中去除加工过程中产生的电解产物及其它杂质，使循环的电解液保持清洁；防护装置(防护罩、挡板等)：防止电解液四处飞溅并浸入机床部件内。第二章 复合加工装置的整体设计方案-11-1） 流量计；2）压力表；3）阀门；4）旁路安全阀; 5)电解液泵； 6）过滤器；7）挡板；8）电解液槽；9）过滤网挡板；10）排污管路图图 2.6 电解液系统示意图2.3.2电解液的基本要求于选择（1）必须具有较高的溶解度、电解度及电导率，并且粘度要低，从而可用较低的电压达到较高的加工电流，同时在较低的压力下达到较高的流速。（2）在加工过程中，为保证阴极的形状尺寸不变，电解液中不应含有向阴极镀覆的阳离子。（3）为了用较低的电流达到较高的溶解速度，电解液应使阳极金属以低价离子溶入溶液中，而为了提高电流效率，电解液应足够保证阳极溶解为唯一的阳极反应，杜绝产生气体等反应。（4）为提高加工精度，降低表面粗糙度值，则要求电解液使阳极表面生成一层结构紧密、均匀、保护性良好的钝化膜，如果生成的钝化膜疏松，对工件表面的保护能力就差，加工精度就低。同时，对电解液的 pH 值也应控制，一般 pH=79，弱碱性为宜。（5）电解液的性能在加工过程中稳定，以达到理想的加工效果。（6）无毒、无害、不易燃、不易爆、操作时使用安全，对设备腐蚀性小。电解液常为中性盐的水溶液，可用亚硝酸钠、硝酸钾、硝酸钠等按一定的比例组成混合液。常用配方见表 2.1。硝酸钾、硝酸钠具有较高的导电率，如在亚硝酸钠、硫酸氢钠等溶液中加入具有缓冲防腐作用的柠檬酸钠等，可对钴、铁、镍等金属离子起络合作用，使电解产物溶解。表 2.1 电解液成分表第二章 复合加工装置的整体设计方案-12-A B C1 C2 D水 溶 液 中 的 百 分 含 量 /%硝 酸 钠 0.3 1亚 硝 酸 钠 9.6 6氯 化 钠 1.5 10次 氯 酸 钠 15磷 酸 二 氢 钠 0.3 0.5重 鉻 酸 钾 0.1 0.3 0.2硅 酸 钠 0.7氢 氧 化 钠 5氟 化 钠 0.2 3苯 甲 酸 钠 0.2氯 化 铵 2 2柠 檬 酸 钠 5 1 1甘 油 0.05 0.5 0.5PH 值 7 8 8 9 11 13 14 7 8表 面 粗 糙 度 0.08 1.6 0.16 0.32 0.63 2.5 0.08 0.32 0.32 0.63适 用 材 料 硬 质 合 金 硬 质 合 金 刀具 铜 焊 钢 体铁 基 、 镍 基 高 温 合 金 铸 造 磁 钢配方电解第二章 复合加工装置的整体设计方案-13-2.4工件的安装方案 为了实现不同尺寸的轴承内圈工件的安装，设计的安装方案如图 2.7 所示。图中零件 1 是安装在车床主轴与顶尖之间的轴；零件 3 是橡胶套，它通过零件 2紧固圈固定在轴 1 上。其中橡胶圈并非圆柱形状，而是成一定小角度的圆台形状，以适应不同尺寸的工件，同时它在轴 1 上的位置也是可调的。图 2.7 工件安装方案2.5工件阳极通电方式在电化学反应过程中阴极直接与直流电源的负极相连，而工件阳极是固定在旋转着的轴上而且中间通过一个绝缘的橡胶套连接，所以它的通电方式比较特别：考虑到电动机里的电刷装置，在这里阳极的通电也可以用一个相似的装置如图 2.8 所示：图 2.8 阳极工件通电装置第二章 复合加工装置的整体设计方案-14-如图所示装置安放在旋转工件的正下方，装置最上方的部分为导电体碳刷，导线连接在碳刷上通过碳刷将阳极工件连接在直流电源正极。2.6阴极的设计电化学成型加工之所以能够把工件加工到预定形状，主要取决于两极之间的电场作用。通过电化学成型加工规律的分析可知，在固定参数已知的情况下，通过对工具阴极的几何形状以及加工时间的控制，可以获得所要求的滚道凸度值。确定工具阴极的几何形状是实现电化学成型加工的前提条件。已知工具阴极形状和加工条件，确定被加工工件的形状，在电化学加工中称为直接问题，即工件形状预测问题。而在实际生产中，往往已知所需加工的工件形状，而在给定的加工条件下，寻找合适的阴极工具，这在电化学加工中称为反问题，即阴极设计问题。本文采用等间隙阴极加工的实质是在相同极间间隙内，电场分布均匀，而阳极去除量与加工时间成正比，不同区域的作用时间不均匀，实现阳极不均匀去除。预测阴极前曲面的模拟曲线如图 2.9 所示图 2.9 等间隙阴极设计的数值模拟第二章 复合加工装置的整体设计方案-15-在要求的阳极凸度不变的情况下，需要的加工时间越长，阴极前曲面半径越大。对于不同凸度的阳极，凸度越大，则阳极去除量越多，对应的阴极的前曲面半径也越小。 数值模拟的结果显示阴极前曲面的几何形状与阳极凸度形状和加工时间有密切关系；而加工时间影响阳极的前曲面曲率。因此，阳极形状与加工时间的联合作用决定了阴极前曲面形状。2.7阴 极 的 进 给 方 案阴 极 的 进 给 方 式 与 成 型 头 的 进 给 方 式 相 同 ， 都 是 通 过 步 进 电 机 带 动 丝 杠 ， 丝 杠 带动 螺 母 ， 螺 母 安 装 固 定 在 阴 极 上 （ 或 成 型 头 ） ， 实 现 传 动 。 由 于 阴 极 和 成 型 头 的 外 形相 同 ， 且 分 别 作 用 于 同 一 个 工 件 两 侧 ， 所 以 在 加 工 过 程 中 ， 两 电 机 接 收 同 一 脉 冲 信 号 。阴 极 进 给 的 原 理 图 如 下 图 2.9 所 示 ：图 2.9 阴极的进给原理图第二章 复合加工装置的整体设计方案-16-第三章 复合加工装置的校核计算-17-第 三 章 复 合 加 工 装 置 的 校 核 计 算3.1 传动轴的校核计算在一般情况下，轴的工作能力取决于它的强度和刚度，对于机床主轴，刚度更是尤为重要。告诉转动轴还决定于它的振动稳定性。在设计轴时，除应按工作能力准则进行设计计算或校核计算外，在结构设计上还需满足其它一系列要求，例如：（1）多数轴上零件不允许在轴上做轴向移动，需要用轴向固定的方法使他们在轴上有确定的位置；（2）为传递转矩，轴上零件还应作周向固定等要求。在一般情况下，对轴的强度校核计算主要有三种方法：许用切应力计算；许用弯曲应力计算；安全系数校核计算。对轴的安全系数的校核计算主要是疲劳强度校核计算和静强度校核计算。疲劳强度的校核即计入应力集中、表面状态和尺寸影响以后的精确校核；静强度校核的目的在于校核轴对塑性变形的抵抗能力。当然，对轴的校核设计步骤并不是一成不变的步骤，最常用的两中设计步骤主要是：（1）从已知的工作条件着手，直接进行结构设计；在结构设计过程中，进行必要的校核计算。 （2）如果轴的结构比较复杂，那就需要先做初步设计计算，用设计计算初步定下轴的直径做结构设计参考用；在结构设计过程中再根据需要，进行必要的校核计算。在轴承内滚道电化学砂带复合加工装置的设计中，轴类零件主要是与电机通过离合器直接相连的轴，轴材料初步选用 45，密度为 =7.85 10-3kg/ ，轴直径为 25mm，总3cm长度 60mm。对齿轮轴的校核的计算步骤如下：轴材料选用 45 钢，由机械设计查表 12.7 可得 B=750Mpa，s=550Mpa3.1.1计算轴受力初设阶梯轴直径为 d1=25mm，d2=30mm轴受力 转矩 T=1500N.mm圆周力 Ft=fN=0.5X50=25N径向力 Fr= N=50N3.1.2画轴弯矩图水平面弯矩图 如图 3.3 所示第三章 复合加工装置的校核计算-18-1300图 3.3 水平面弯矩图垂直面弯矩图 如图 3.4 所示400图 3.4 垂直面弯矩图合成弯矩图 合成弯矩 M= ，如图 3.5 所示2xyzM+1350图 3.5 合成弯矩图3.1.3画轴转矩图轴受转矩 T= 312.5N.mm转矩图 如图 3.6 所示 312.5 N.mm 第三章 复合加工装置的校核计算-19-图 3.6 轴转矩图3.1.4许用应力许用应力值 用插入法由机械设计查表 16.3 可得：0b=130Mpa， -1b=75Mpa应力校正系数 a= =0.580b175=33.1.5画当量弯矩图当量转矩 aT=0.58 312.5= 181.25N，如图（5）所示当量弯矩 在距左轴端 34mm 处M- = =1354N.mm222aT8.46.38在右轴中间截面处M =181.25N.mm当量弯矩图 如图 3.7 所示1354181.25图 3.7 当量弯矩图3.1.6校核轴颈轴颈 d - = =4.62mm30mm331bM827.510.0 d = =3.16mm25mm331b6.所以，所选轴的尺寸符合要求。第三章 复合加工装置的校核计算-20-3.2 电机的选择步进电机是一种可以将电脉冲转换成机械角位移的控制电动机，并通过轴带动砂带转动和传动轴的往复运动，其精度主要取决于步进电动机的步距角和与之相连的传动链的精度。步进电机伺服系统的制造和控制比较容易，因此，对于轴承内滚道电化学砂带复合加工装置的设计来说，选用步进电机比较合适。对于步进电机来说，它有很多其他普通交直流电动机所不具有的优点：步进电机旋转的角度正比于发出的脉冲数，所以步进电机速度正比于脉冲频率，因而步进电机可以有比较宽的转速范围；电机 停 转 的时候具有最大的转矩； 由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步，因而步进电机有较好的位置精度和运动的重复性；由于步进电机伺服系统的控制比较容易，所以步进电机可以优秀的起停和反转响应； 由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本。在轴承电化学砂带复合加工装置中，初定砂带的转速 n2=300r/min，根据砂带转速，初步选用步进电机 75BYG4501，其主要的参数如表 3.1 所示：步进电机最大转速为 n= = =360r/min602频 率 1调节步进电机转速，控制电机转速为 300r/min。表 3.1 步进电机型号型 步距角相数驱 动电 相 电 流保 持 转 矩（N空载起动频率空载运行频率转 动惯 量（Kg重量（Kg第三章 复合加工装置的校核计算-21-3.2.1电 机 的 校 核（1） 计算加在电动机转轴上的转动惯量 Jeq已知轴材料 45 钢，密度 =7.85 10-3kg/ ，大轴直径初选 D=30mm，小轴3cmd=25mm，则套圈加在电机轴的转动惯量为Jc= = =0.001 kgcm24-8Ddb1032（ ） -34-83.475102（ ）初选电动机的型号为 75BYG4501，驱动时的步距角为 0.9，查得该型号的电动机转子的转动惯量 Jm=0.9kgcm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：+Jc=0.901 kgcm2eqmSJ（2） 计算加在电动机转轴上的等效负载转矩 Teq包括：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 ； eqT tT= et轴所承受的负载设为 F，则F=mg=（0.27 0.3 0.03） 7.85 103-（0.01 0.005 0.3） 7.85 103号 压（V）（A） M） （步/秒）（千步/秒）cm2）75BYG45010.9/1.82 45 3.5 1.5 1200 15 0.9 2.1第三章 复合加工装置的校核计算-22-+（0.09 0.2 0.008） 7.85 103+（0.01 0.2 0.059） 7