毕业设计（论文）外圆磨床设计

毕业设计 论文 第 1 页 第 1 章 绪论 1 1 磨床的类型与用途 1 1 1 磨床的类型及其特点 用磨料磨具 砂轮 砂带 油石和研磨料等 为工具进行切削加工的机床 统称为磨床 英文为 Grinding machine 它们是因精加工和硬表面的需要而发展起来的 1 磨床种类很多 主要有 外圆磨床 内圆磨床 平面磨床 工具磨床和用来磨削特定表面和工件的 专门化磨床 如花键轴磨床 凸轮轴磨床 曲轴磨床等 2 对外圆磨床来说 又可分为普通外圆磨床 万能外圆磨床 无心外圆磨床 宽砂轮外圆磨床 端面 外圆磨床等 以上均为使用砂轮作切削工具的磨床 此外 还有以柔性砂带为切削工具的砂带磨床 以油石和研 磨剂为切削工具的精磨磨床等 磨床与其他机床相比 具有以下几个特点 1 磨床的磨具 砂轮 相对于工件做高速旋转运动 一般砂轮圆周线速度在 35 米 秒左右 目前已 向 200 米 秒以上发展 2 它能加工表面硬度很高的金属和非金属材料的工件 3 它能使工件表面获得很高的精度和光洁度 4 易于实现自动化和自动线 进行高效率生产 5 磨床通常是电动机 油泵 发动部件 通过机械 电气 液压传动 传动部件带动工件和砂轮相 对运动 工件部分组成 1 1 1 2 磨床的用途 磨床可以加工各种表面 如内 外圆柱面和圆锥面 平面 渐开线齿廓面 螺旋面以及各种成形表 面 磨床可进行荒加工 粗加工 精加工和超精加工 可以进行各种高硬 超硬材料的加工 还可以刃 磨刀具和进行切断等 工艺范围十分广泛 随着科学技术的发展 对机械零件的精度和表面质量要求越来越高 各种高硬度材料的应用日益增 多 精密铸造和精密锻造工艺的发展 使得有可能将毛坯直接磨成成品 高速磨削和强力磨削 进一步 提高了磨削效率 因此 磨床的使用范围日益扩大 它在金属切削机床所占的比重不断上升 目前在工 业发达的国家中 磨床在机床总数中的比例已达 30 40 毕业设计 论文 第 2 页 据 1997 年欧洲机床展览会 EMO 的调查数据表明 25 的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工 技术 车削只占 23 钻削占 22 其它占 8 而磨床在企业中占机床的比例高达 42 车床占 23 铣床占 22 钻床占 14 3 由此可见 在精密加工当中 有许多零部件是通过精密磨削来达到 其要求的 而精密磨削加工会要在相应的精密磨床上进行 因此精密磨床在精密加工中占有举足轻重的 作用 但是要实现精密磨削加工 则所用的磨床就应该满足以下几个基本要求 1 高几何精度 精密磨床应有高的几何精度 主要有砂轮主轴的回转精度和导轨的直线度以保证工 件的几何形状精度 主轴轴承可采用液体静压轴承 短三块瓦或长三块瓦油膜轴承 整体度油楔式动压 轴承及动静压组合轴承等 当前采用动压轴承和动静压轴承较多 主轴的径向圆跳动一般应小于 1um 轴向圆跳动应限制在 2 3um 以内 2 低速进给运动的稳定性 由于砂轮的修整导程要求 10 15mm min 因此工作台必须低速进给运 动 要求无爬行和无冲击现象并能平稳工作 3 减少振动 精密磨削时如果产生振动 会对加工质量产生严重不良影响 故对于精密磨床 在结 构上应考虑减少振动 4 减少热变形 精密磨削中热变形引起的加工误差会达到总误差的 50 故机床和工艺系统的热变 形已经成为实现精密磨削的主要障碍 1 1 3 外圆磨削和端面外圆磨床 1 外圆磨削 在外圆磨削过程中 工件是安装在两顶尖的中心之间 砂轮旋转是引起切削旋转的主要来源和原因 基本得外圆磨削方法有两种 即横磨法磨外圆和纵磨法磨外圆 如图 1 1 和图 1 2 所示 事实上 外圆磨削可以通过其他以下几种方法来实施 1 传递方法 在这种方法中 磨削砂轮和工件旋转以及径向进给都应满足所有的整个长度 切削 的深度是由磨削砂轮到工件的纵向进给来调整的 2 冲压切削方法 在这种方法中 磨削是通过砂轮的纵向进给和无轴向进给来完成的 正如我们 所看到的 只有在表面成为圆柱的宽度比磨削轮磨损宽度短时 这种方法才能完成 毕业设计 论文 第 3 页 图 1 1 横磨法磨外圆 图 1 2 纵磨法磨外圆 3 整块深度切削方法 除了在磨削过程中 要进行间隙调整外 这种方法与传递方法很相似 同 时这种方法具有代表性 除了磨削短而粗的轴 2 端面外圆磨床及其特点 端面外圆磨床是外圆磨床的一种变形机床 它宜于大批量磨削带肩的轴类工件 有较高的生产率 它的特点如下 1 这种磨床的布局形成和运动联系与外圆磨床相似 只是砂轮架与头架 尾架中心连线倾斜一角 度 通常 10 15 26 23 30 45 如图 1 3 所示 数控端面外圆磨床 MKS1632A 的砂轮架 与头架 尾架中心连线倾斜 30 为避免砂轮架与工件或尾架相碰 砂轮安装在砂轮架的右边 从斜向 切入 一次磨削工件外圆和端面 2 由于它适用于大批量生产 所以具有自动磨削循环 完成快速进给 长切入 粗磨 精磨 无花磨削 由定程装置或自动测量控制工件尺寸 3 装有砂轮成型修整器 按样板修整出磨削工件外圆和端面的成型砂轮 为保证端面尺寸稳定及 操作安全 一般具有轴向对刀装置 毕业设计 论文 第 4 页 图 1 3 砂轮架与头架 尾架中心连线倾斜一角度 1 2 磨床的现状及其发展趋势 随着机械产品精度 可靠性和寿命的要求不断提高以及新型材料的应用增多 磨削加工技术正朝着 超硬度磨料磨具 开发精密及超精密磨削 从微米 亚微米磨削向纳米磨削发展 和研制高精度 高刚 度 多轴的自动化磨床等方向发展 4 如用于超精密磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均半径可小 至 4 m 磨削精度高达 0 025 m 使用电主轴单元可使砂轮线速度高达 400m s 但这样的线速度一般 仅用于实验室 实际生产中常用的砂轮线速度为 40 60m s 从精度上看 定位精度 2 m 重复定位 精度 1 m 的机床已越来越多 从主轴转速来看 8 2kw 主轴达 60000r min 13kw 达 42000r min 高 速已不是小功率主轴的专有特征 从刚性上看 已出现可加工 60HRC 硬度材料的加工中心 北京第二机床厂引进日本丰田工机公司先进技术并与之合作生产的 GA P 62 63 数控外圆 数控端 面外圆磨床 砂轮架采用原装进口 砂轮线速度可达 60m s 砂轮架主轴采用高刚性动静压轴承提高旋转 精度 采用日本丰田工机公司 GC32 ECNC 磨床专用数控系统可实现二轴 X 和 Z 到四轴 X Z U 和 W 控制 此外 对磨床的环保要求越来越高 绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳 绝对没有切屑或切 削液外溅的现象 大量的工业清洗机和切削液处理机系统反映现代制造业对环保越来越高的要求 毕业设计 论文 第 5 页 第 2 章 设计任务书 1 毕业设计题目 MKS1632A 数控高速端面外圆磨床及其砂轮架设计 2 毕业设计目的 本课题旨在让学生综合运用大学四年所学的知识 设计数控端面外圆磨床 MKS1632A 及其砂轮架 树立理论联系实际的作风和严谨的科学态度 该课题要求绘制磨床总体布局装配图 砂轮架部件装配图 磨床液压系统图和磨床零件图 最后撰写设计说明书 此外 要求学生跟随指导老师和研究生参与部分科学研究 进行磨削温度的测试实验并撰写科研报 告 3 任务与要求 1 机床总体布局装配图 0 2 部件装配图 砂轮架 0 3 零件图 3 4 液压传动图 1 5 电气控制图 1 6 撰写科研报告 4 用途和规格 1 加工对象 A 带轴肩的多台阶轴 如齿轮轴 B 要求端面外圆一次完成的零件 C 带较大端面的盘类零件 D 作一般外圆磨床 2 主要规格 A 加工直径 20mm 320mm B 最大加工长度为 750mm C 最大加工重量 200 D 砂轮线速度 60m s E 机床中心高 1095mm F 工件转速范围 30 300rpm 毕业设计 论文 第 6 页 3 主要运动 A 砂轮转动 B 工件转动 C 工作台纵向移动 D 砂轮架斜向进给运动 E 砂轮修整器斜向进给运动 F 砂轮修整器旋转运动 5 设计重点与难点 1 磨床总体布局中各部件尺寸的确定 2 砂轮架主轴和轴承的设计和选用 3 皮带的选用和带轮的设计 4 磨床液压系统的设计 5 磨削温度科研报告 6 拟采用的途径与手段 1 查阅国内外磨床相关资料 确定磨床总体布局中各部件 如砂轮架 头架和尾架等 尺寸 2 检验主轴前端扰度 确保主轴刚度 3 砂轮架采用静动压轴承以提高旋转精度 增强抗振性 延长轴承的使用寿命 4 采用皮带和花键副带动主轴旋转 减少主轴变形 使载荷分布均匀 5 采用 Auto CAD 绘制装配图和零件图 6 参看液压工程方面的资料 设计磨床液压系统的设计 7 参考磨削温度测试研究论文 认真 虚心向指导老师和研究生学习 进行大量的磨削温度的测 试实验 毕业设计 论文 第 7 页 第 3 章 磨床总体布局 3 1 磨床总体设计 1 加工零件的工艺分析 表面形状 尺寸 材料 技术条件 批量 加工余量等 2 调查研究 比较国内 外同类机床 经验总结 进行改革创新 3 图纸设计 总图 部件装配图 零件图 工艺卡 目录 标准件 外购件目录 铸件 锻件目录 说明书 装箱单 合格证 4 制造 装配 调试 5 小批量生产 设计改进 3 2 总体设计注意事项 1 保证机床满足加工精度要求 刚性 稳定性好 2 传动系统力求简短 3 操作调整方便 4 安全保护 冷却液供给 回收 废渣的排除 3 3 磨床总体布局设计 3 3 1 加工零件 带轴肩的多台阶轴 精度 IT7 以下 Ra1 6 Ra0 4 材料 45 40cr 球墨铸铁等 3 3 2 初步估计组成部分 a 床身 b 工作台面 c 头架 d 尾架 e 砂轮架 f 修整器 g 测量装置 h 砂轮进给电机 I 修整 器进给电机 j 电器框 k 工作台进给电机 l 工件旋转电机 m 润滑冷却装置 n 数控装置 3 3 3 总体布局初步设计 1 T 型床身 2 工作台移动 3 工作台型面采用倾斜 10 的型面 4 砂轮架主轴与床身导轨倾斜 30 角 毕业设计 论文 第 8 页 5 头尾架中心线平行 6 采用成型砂轮修整器 金刚石滚轮 采用 MARPPOS 公司轴向 径向测量仪 配用该公司 E5 数 控框 如图 3 1 所示 来控制轴向尺寸 径向尺寸 测量仪布置在横梁上 图 3 1 E5 数控框 7 数控系统的四坐标轴 X 轴 砂轮架进给 Y 轴 修整器进给 Z 轴 工作台移动 W 轴 工件旋转 各轴采用交流伺服电机 通过精密无间隙弹性连轴器直接与滚珠丝杆相连 8 液压油箱单独 减小热变形 简化机床结构 易实现标准化 通用化 便于维修 9 电器框与机床采用空中走线 10 机床前防护罩采用全封闭结构 3 3 4 纵向与横向尺寸的确定 1 纵向尺寸 工件最大长度 1 750lmm 头架长度 2 440lmm 尾架长度 3 320lmm 上台面长度 4123 100 20 40 1640llllmm 下台面长度 544 15 20 2000lllmm 毕业设计 论文 第 9 页 床身长度 651 4003150lllmm 后床身长度 考虑砂轮架和修整器大小按经验给定 7 1600lmm 整个床身宽度 视觉效果 8 1650lmm 砂轮架中心与机床床身对称线相距 023 120lllmm 图 3 2 磨床纵向尺寸 2 横向尺寸 1 画出横向尺寸床身的 V 型导轨作为横向尺寸的基准 画出床身的平面导轨作为高度尺寸的基准线 根据确定的工作台参数 导轨参数 B1 B2 中心画出左视图 2 确定上 下工作台厚度和宽度 1 厚度 用类比法 上工作台 中心 3 1 2 0 25 0 35 hl 下工作台 中心 3 2 1 0 3 0 4 hl 毕业设计 论文 第 10 页 为工作台导轨的中心距 工作台导轨选用 8075250 l 取 0 3250 75mm 1 h 0 38250 95mm 2 h 2 宽度 3 3 45 BlBB 工作台 1 212 301 2752058BBmm 46 BB 4 70Bmm 71 1 2 12 301 2752060BBmm 57 BB 5 70Bmm 2507070390Bmm 工作台 3 确定头 尾架顶尖中心位置 顶尖中心安排在 V 型导轨的中心线上 这样有利于磨削最小直径工件的 砂轮架趋近于工作台不致 相碰 缺点是使导轨的承载压力较大 故常适当加宽 V 型导轨的宽度 4 确定头尾架顶尖中心至床身底面的高度 H1 左右 1 1 1000 1100H 根据工人身高 经验 类比取 1 1095Hmm 2112 739 6HHhhH COSmm 5 工作台回转中心位置 B9 9 1 2 1 2 250125Blmm 6 确定机床总高 H 2 HHhHH 头架测量仪 739 6 170411 633 45 1954mm 所以 H 取 2000mm 毕业设计 论文 第 11 页 3 3 5 砂轮架相关尺寸设计 1 砂轮架导轨 V 平导轨 10090400 1 考虑到砂轮的大小及重量与砂轮架的稳定性 取 L 中心 500mm 从而可定出砂轮架的宽度约为 600mm 导轨为 0 15MPa 的卸荷导轨 图 3 3 砂轮架的导轨 2 砂轮架横向行程长度l横 0 1 0 2lsss 横丝杆快速快速 3 4 式中为砂轮架快速进退的行程 一般取 此处取 s快速60 150mm111mm 3 5 max 2 2 2 2sDDDD 砂砂m i n丝杆工件m ax工件m i n 750 2320 2550 220 2 250mm 安全系数取 0 1 足够 取 373 250 111 0 1 111372 1l 横 l横 3 砂轮架高度和长度 砂轮架箱体导轨的高度 h3 砂轮底板滑台高度 h4 砂轮中心距砂轮底面高度 h5 与后床身顶面至平 毕业设计 论文 第 12 页 导轨的高度 h0 为避免上 下工作台运动时与箱体相碰 安装在后床身上的垫板顶面需低于上下工作台 的顶面 同时考虑横向进给机构穿过床身的位置等 根据经验 取 6 110 150hmm 6 130hmm 砂轮架中心距后床身顶面 7126 1095740 130485hHHHmm 砂轮架底座安装修整器 内有传动丝杆 取 4 120hmm 后床身进给导轨内装丝杆 取 3 190hmm 5734 hhhh 485 120 190 175 图 3 4 砂轮架的高度和宽度 砂轮架底板长度 9 l 9 l 1 5 2 l 中心 1 5 2 500 750 1000 毕业设计 论文 第 13 页 取 900mm 9 l 砂轮架导轨长度 109 50 80lll 横 90037380 1353mm 取 10 1305lmm 4 砂轮架主轴电机的选择 用类比法 砂轮架主轴电机的功率取 15kw 计算法 3 6 NNN 切电空 取 23 8 2 35 8 823 8 Z PV 砂 15KWN 电 3 3 6 头架相关尺寸的确定 长 宽 高 440400411mm 1 主轴锥孔 莫氏 5 锥孔 中心高 3 7 max 2 HDK 320 220 35 180 195mm 通过以上计算头架中心高取 180mm 主轴转速 3 8 1 80 1 160 6045 22 5 I VVm s 砂 取40 I Vm s Im 716 min300 ax Vr min 22 min30 I Vr 交流伺服电机选择 用类比法 交流伺服电机选择 IFT5076 DA D1 18N M 电机 毕业设计 论文 第 14 页 砂轮磨削工件需要的功率 3 9 max 150 32024 Z FrN m s 工件 最大磨削力 交流伺服电机通过 20 38 的双楔齿轮带传递给工件 即 合格 4 18 38 2034 2 NN m sl 实 主轴不旋转 主轴靠拨盘带动旋转 3 3 7 尾架相关尺寸的确定 5 莫氏锥孔 中心高 180mm 台面倾斜 10 直线滚动导轨 液压油缸 顶紧力12 15kg 3 3 8 工作台 要求上 下台面便于调整头尾架 便于安装滚珠螺母 倾斜 10 以便于头尾架定位 冷却液回流 及 使头尾架不等高时修刮侧面 3 3 9 横向进给机构 交流伺服电机 联轴器 滚珠丝杆 砂轮架 压力卸荷导轨 压力油 0 15Mpa 卸去压力60 75 V 平导轨 100 90 500 砂轮架行程 373lmm 横 3 3 10 砂轮修整器 伺服电机 丝杆 修整器 直线滚动导轨 主轴直径 D 50mm 采用液体动压轴承 16r min 6 3Mpa 修整速度 1 3 1 5 V砂 修整器直径 故70 120 12 19 Vm s 线 毕业设计 论文 第 15 页 修整器行程为 160mm 3 3 11 液压系统 修整器 尾架 量仪 两个 润滑油 床身导轨 砂轮架卸荷导轨 丝杆 直线 滚动导轨 间歇 3 3 12 电气部分 SIMENS 810G 控制五坐标轴 砂轮架主轴 3 3 13 机床保护系统 静压供油系统 压力继电器 压差发讯器 液压控制器 电路延时 尾架伸缩油缸静压供油系统 设置自动循环电路 可手动 也可用于脚踏 当工件旋转时 由于 互锁装置 使起无效 油箱液压控制 数控系统 在各坐标轴 自诊断与保护功能 如 电池电压低 程序错误 各坐标轴由行程开关控制最大位移量 安全防护罩 砂轮罩 机床前罩 全封闭式 导轨面保护 工作台导轨 不锈钢可伸缩防护罩 砂轮架导轨 前部 翻板式护罩 橡皮 防水 后罩 钢罩 修整器导轨 折叠式 毕业设计 论文 第 16 页 第 4 章 部件设计 砂轮架 4 1 砂轮架设计的基本要求 砂轮架是磨床上用来带动砂轮作高速旋转的关键部件 主要由传动部件和主轴轴承部分组成 主轴 与轴承是砂轮架的主要组成部分 因此对砂轮架设计提出的基本要求也是针对主轴轴承部分的 砂轮架设计应满足以下几点基本要求 1 1 主轴旋转精度高 旋转稳定 2 主轴轴承系统刚性好 3 振动小 发热低 不漏油 4 装配制造简单 调整维修方便 4 2 主轴旋转精度及其提高措施 1 砂轮架旋转精度是指主轴前端的径向跳动和轴向蹿动大小 它直接影响工件的表面粗糙度和表面 缺陷 一般端面外圆磨床砂轮架允许的径向和轴向跳动允许误差取 5 m 10 m 2 提高主轴旋转精度的措施 1 选择合适的主轴轴承 动静压轴承 2 提高主轴的加工精度 3 正确选择主轴轴向止推方式 液体静压推力轴承 4 3 主轴轴承系统的刚性 主轴轴承系统的刚性是指在磨削力或传动力作用下 主轴轴承抵抗变形的能力 通常以主轴前端的 挠度来度量 过低的刚性会降低磨削生产率 加工精度和工件表面的粗糙度 引起直波形和螺旋线缺陷 4 4 砂轮架主轴初步设计 1 砂轮架主轴的强度校核 进行轴的强度校核时 应根据轴的具体受载及应力情况采取相应的计算方法 并恰当地选取其许用 应力 对砂轮架主轴来说 由于采用了卸荷皮带轮装置 砂轮架主轴主要承受扭矩 应该按照扭转强度 计算 且在选取许用应力时应该选取较小值 砂轮架主轴材料采用 42MnVB 并进行淬火 故选取许用 毕业设计 论文 第 17 页 应力为 40MP 轴的扭转强度条件为 4 1 6 3 9 55 10 0 2 P n TT T T Wd 扭转切应力 单位为 MP T 轴所受扭矩 单位为 TN mm 轴的扭转截面系数 单位为 T W 3 mm 轴传递的功率 单位为 KW p 轴的转速 单位为 r mm n 计算界面处的直径 单位为 mm d 许用扭转应力 单位为 r mm T 由上式可得轴的直径为 4 2 6 3 3 9 55 10 0 2 T P d n 6 33 9 55 1015 0 2 40600 mm31 02 由上述计算可以得知砂轮架最小直径为 31 02mm 考虑到砂轮架的刚度等因素 取主轴的最小直径为 60mm 砂轮架主轴的尺寸如图 4 1 所示 图 4 1 砂轮架主轴尺寸示意图 4 5 主轴刚度校核 1 当量直径 毕业设计 论文 第 18 页 因为是阶梯轴 所以用当量直径法作近似计算当量直径为 4 3 4 4 1 vn i i i L d l d L 140 640 20 32 10 932mm 4 4444 93260120140108 v d 89 36mm 2 允许挠度 允许挠度 y 0 0002L 0 0002 660 0 132mm 3 计算主轴前端挠度值 1 4 4 2 3 Pa la Y EI 主轴 载荷 单位为公斤 150 9 8 P 轴两端的跨距 单位为厘米 66 00 l 悬伸长度 单位为厘米 13 2 a 材料的弹性模数 单位为公斤 平方厘米 21 02 E 5 10 截面惯性矩 平方厘米 I 2 5 150 13 279 2 3 9 8 21 02 10307 985 Y 主轴 0 001cm 0 01mm 又因为 y 0 135 0 01 0 135 即 y 由上述校核可以得知 主轴刚度符合要求 Y主轴 一般存在一个使主轴前端挠度最小 即刚性最好的支承跨距 L 由经验得知 L 为 3 6 D 时 主 轴前端挠度最小 D 120mm L 为 360 720mm 取 L 为 640mm 4 6 动静压轴承 静压轴承是利用外部油源产生承载能力的油膜轴承 动静压混合轴承是一种既综合了液体动压和静 压轴承的优点 又克服了两着缺点的新型多油楔油膜轴承 它利用静压轴承的节流原理 使压力油腔中 产生足够大的静压轴承载力 从而克服了液体动压轴承启动和停止时出现的干摩擦造成主轴与轴承磨损 毕业设计 论文 第 19 页 现象 提高了主轴和轴承的使用寿命及精度保持性 轴承油腔大多采用浅腔结构 在主轴启动后 依靠 浅腔阶梯效应形成的动压承载力和静压承载力叠加 大大地提高了主轴承载能力 而多腔对置结构又极 大地增加了主轴刚度 高压油膜的均化作用和良好的抗振性能 保证了主轴具有很高旋转精度和运转平 稳性 它的优点如下 1 速度和载荷范围广 应用范围广 动静压轴承在零件转速到很高的范围内的 各种相 对速度下都能承载 而且载荷范围大 其承载能力取决于供油压力 轴承轴颈结构和相对大小 2 油膜刚度高 阻尼大 抗振性好 3 摩擦阻力 磨损小 由于总有一层油膜将相对运动表面隔开 因此摩擦阻力小 磨损小 能长期保 持很高的运动精度 寿命长 且对轴承轴颈材料要求也较低 4 主轴回转精度高 动静压轴承中静压油膜具有良好的纠正轴和轴向跳动 5 安全性好 在万一供油受阻或切断时 可利用轴承中动压效应来承载 6 承载能力高 由于动压效应 使轴承转速越高承载能力越大 同时轴承还能承受方向不断变化的动 载及瞬时过载 7 稳定性好 8 使用较经济 由于动静压轴承高速下主要靠动压承载 故这时供油压力可相对较小 轴承可设计成 较小轴颈 轴承结构简单 制造精度和材料要求不高 动静压轴承需要一套供油系统 润滑油要经过严格过滤以保持清洁 目前广泛应用的是定压供油系 统 一定压力的压力油 经节流器流入两相对运动体间的油腔 通过油腔压力来平衡外载荷 在定压供 油系统中 节流器是关键部分 它起着限制流入油腔流量的阻尼作用 使油腔压力仅随外载荷的变化而 变化 静压轴承常用的固定节流器有毛细管和小孔节流器两种 本次设计选用毛细管节流器 动静压轴承广泛用于高速精密设备中 目前 在改造旧精密磨削设备方面 用得较多的是北京中航设 备改造厂的 WMB 型表面节流液体动静压混合轴承 砂轮架主轴的轴向定位采用轴向止推静压轴承 轴向止推轴承由两个相对的环形油腔构成 轴上具 有台肩以形成承载面 轴承的间隙通过修磨调整垫圈的厚度来保证 4 7 传动装置设计 为了提高主轴的旋转精度 皮带轮不直接装在主轴上 而是装在单独的支架上 并用花键套带动主 轴旋转 即采用卸荷皮带轮的方案 如图 4 2 所示 这个方案的优点是 减少了主轴的变形 同时还提 毕业设计 论文 第 20 页 高了承载能力 图 4 2 卸荷皮带轮 1 电动机的选择 NNN 切电空 3 8 102 Z P V 砂 2 35 8 82 3 8 12 62kw 通过以上计算 取 15kw 选择 Y100L 4 型电动机N电 2 皮带设计 因为多楔带兼有 V 带和平带的优点 外轮廓尺寸小 比 V 型带传动平稳 所以皮带采用多楔带 5 多楔带以平带为基体 内表面有等距离纵向楔型的环形带传动 工作面为楔侧面 有橡胶和聚氨酯两种 5 1 皮带材料的选用 皮带材料选用聚氨酯 2 设计计算 毕业设计 论文 第 21 页 已知小带轮转速 即 1500r min 传动比 i 2 5 n1 1 计算功率 由 机械设计 表 8 7 查得 工作情况系数为 1 1 故KA 4 5 15 1 116 5 A PK Pkw ca 2 由和选择带型P ca n1 由于 16 5kw 1500r min 查表后可知 取带型为 L 型 P ca n1 3 确定带轮基准直径 由 金属切削机床设计简明手册 表 4 43 取主动轮基准直径 80mm D1 由此得 1 2 nD i nD 1 2 1 2 200 n DDmm n 21 4 验算带速 4 6 11 80 1500 6 28 60 100060 1000 D n Vm s 6 28 m s 30 m s 所以带速合格 V 5 初定轴向间距 由公式 4 5 0 7 2 4 7 1 D 2 D 0 a 1 D 2 D 可知 196 560 取 400 0 a 0 a 6 所需基准带长 4 8 2 21 0012 0 2 24 d DD LaDD a 2 20080 2 400 80200 24 400 1248 82mm 由 金属切削机床设计简明手册 表 4 5 取相近的基准带长 1250 mm 6 d L 7 实际轴向间距 毕业设计 论文 第 22 页 4 9 0 0 2 dd LL aa 1250 1248 82 400 2 401 18mm 所以皮带的实际轴向间距取 401mm a 8 多楔带每楔的基本额定功率 1 P 由 金属切削机床设计简明手册 表 4 40 可以查得 0 34kw 1 P 9 小带轮的包角 4 10 0 21 57 3 180 DD a 162 85 10 多楔带楔数的确定 4 11 1 A dl K P Z PP K K 其中 1 1 1 b i PK h K 查表得 3 4 6 10 b K 代入的计算公式中 得 0 849kw 1 14 i K P P 又已知 0 955 1 00 得 K l K 1 1 15 14 53 0 3400 849 0 955 1 00 Z 由此可以确定 取 Z 15 3 带轮设计 1 带轮设计的要求 1 质量小 结构工艺性好 无过大的铸造应力 2 质量分布均匀 转速高时要经过动平衡校证 3 槽轮工作面要经过精细加工 以减少带的磨损 4 轮槽的尺寸和角度应有一定的精度 以使载荷分布均匀 2 带轮的材料选用 毕业设计 论文 第 23 页 带轮的材料选用 HT200 3 带轮的结构 1 小带轮直径 d 为轴的直径 所以采用实心式 1 2 5 3 Dd 2 大带轮To 于是回路中总的热电 势包含两个拍尔帖电势和两个汤姆逊电势 中间导体定律 由导体 A 和 B 组成的热电偶 当接入第三导体 C 后 如图 2 1 b 所示 若保持 C 的两端温度相同 To 回路的总电势不变 2 热电偶均质导体定律 7 由一种均匀导体组成的闭合回路 不论导体的截面和长度如何 以及各处的温都不能产生热电势 毕业设计 论文 第 46 页 a b 图 2 1 热电偶均质导体定律 2 均质导体定律引出的结论 如果热电偶两电极材料相同 则两端温度不同 但总输出电势仍为零 因此 必须由两种不同的材 料才能构成热电偶 第 3 章 实验内容和具体步骤 测量工件的平均温度可以 利用埋装在工件内部的若干标准热电偶测得 也可以用温涂料测试工件 内部的温度 最近出现了用红外光导纤维测量磨削温度方面的研究 并且已经取得了一定的成果和突破 但是热电偶测温法仍然是能够进入磨削区直接测量的唯一有效的方法 8 3 1 热电偶的标定 在实际应用中 如果保持自由端温度 T 不变 就可以根据热电势 E 来确定热端温度 T 配大小 这 就是热电偶测温的工作原理 9 热电偶标定指的是确定热电偶的热电特性 热电偶种类很多 常用的不下几十种 不同材料组成的 热电偶其测温范围 适用条件 灵敏度等也不同 实际应用中应有所选择 已被国际上公认的性能优良 的和用量最大的热电偶有 铂铑 铂热电偶 分度号 铂铑 铂铑热电偶 分度号 镍铬 镍硅热电偶 分度号 铜 康铜热电偶 分度号 和镍铬 康铜热电偶 分度号 根据本研究的测试要求 本测 试中采用的测温元件是的镍铬 镍硅热电偶 镍铬 镍硅热电偶是一种碱金属热电偶 金属丝直径范围较大 工业应用一般为 0 5 3mm 实验研究 使用时 根据需要可以拉延至更细的直径 这种热电偶的特点是价格低廉 灵敏度高 复现性好 高温 下抗氧化能力强 是工业中和实验室里大量采用的一种热电偶 但在还原性介质或硫化物气氛中易被侵 毕业设计 论文 第 47 页 蚀 镍铬 镍硅热电偶的技术标准如下表 3 所示 表 3 1 镍铬 镍硅热电偶的技术标准 3 1 1 试验目的 温度标定指的是确定热电偶的热电特性 也就是确定热电偶结的温度 电势曲线 此项试验是我们即 将开展的陶瓷材料的高效深磨温度测试的一个组成部分 我们准备对高效深磨试验中用到的镍铬 镍硅丝 进行标定 以得到这种材料的第一手资料 为以后的试验奠定一个坚实的基础 3 1 2 实验方法及装置 1 温度标定方法简图 温度标定的方法的简图如下 管式电炉的炉温可调 炉温可调 与在该炉温下测得的标定热电偶的 热电势相对应就可以画出待标定热电偶的热电特性曲线 热电偶标定装置如下图所示 毕业设计 论文 第 48 页 图 3 1 热电偶标定装置 2 所用到的实验装置 卧式管形电炉 型号 SRLK 2 9 功率 2kw DWK 精密温度自动控制装置 最大输出功率 10kw 控制精度 1250 0 5 UJ37 型电位差计 测量范围 1 0 103 毫伏 准确度级别 0 1 级 使用温度范围 5 45 标准热电偶 铂铹 铂 分度号 LB3 测温范围 20 1600 新分度号为 S 等级 二级 被测热电偶 镍铬 镍硅 直径 0 28mm 分度号 EU2 测温范围 50 1300 新分度号为 K 3 1 3 试验步骤 将试验设备各电路连线按设备说明书的要求联结 将标准热电偶和被测热电偶扎好一起放入卧式管形电炉中 接通电源 将 DWK 精密温度自动控制装置调到一定数值 测出检定炉温下被测热电偶的热电势值 记录数据 按照标定方案中的数据重复 和 切断各设备电源 拆卸联结线 毕业设计 论文 第 49 页 3 1 4 实验数据及总结 标定实验的数据如下表所示 表 3 1 标定实验的数据 上面表格中 前的数据为测得的两种热电偶的电势值 后的数据为根据标准的数据分度表 格插值得到的相应的温度值 利用 MATLAB 绘出相应的电势 温度曲线如下所示 在上述 4 个图像中 其中图 3 2 为铂铹 铂的电势 温度曲线 图 3 3 为镍铬 镍硅的电势 温度曲 线 图 3 4 和图 3 5 为将铂铹 铂和镍铬 镍硅的两曲线汇在一幅图上 其中图 3 4 采用图 1 的横坐标 图 3 5 采用图 2 的横坐标 从两条曲线的比较中可以看出 这两种热电偶存在一定误差 基本上是在系统误差的基础上又有一 定的随机误差 毕业设计 论文 第 50 页 图 3 2 铂铹 铂的电势 温度曲线 图 3 3 镍铬 镍硅的电势 温度曲线 图 3 4 铂铹 铂和镍铬 镍硅两曲线比较图 1 毕业设计 论文 第 51 页 图 3 5 铂铹 铂和镍铬 镍硅两曲线比较图 2 3 1 5 热电势系数 制作的热电偶进行标定后 即用实验方法测出热电势系数后 0 E TT 在实际应用热电偶时 只需测得某时刻的热电势 E 便可得知此刻测点处的温度 0 TET 3 2 试件的制作 试件的结构如下图所示 图 3 6 试件的结构示意图 为了将热电偶埋入工件 需要将工件分割成两部分 且在其中一部分上开工艺槽 留出热电偶丝的 毕业设计 论文 第 52 页 空隙 由于试件的材料为 42Cr 是金属导体 为了保持热电偶的两极 即镍铬丝和镍硅丝绝缘 否则不 能产生电势差 没有信号 试件需要用三片云母片分别夹在工件与镍铬丝 镍铬丝与镍硅丝和镍硅丝与 工件之间 如图所示 其中云母片厚度不大于 0 02mm 镍铝 镍铬丝的直径都为 0 15mm 长度初定 3m 其中 1m 用于标定 端部展平即为箔片 厚度不大于 0 035mm 粘结剂采用环氧树脂 3 3 砂轮磨削区温度的测量 砂轮磨削温度指的是砂轮磨削时砂轮与工件接触弧面上的温度 从工件一方看 就相当于工件磨削面 上的温度 它在本质上应该是离散分布在接触弧面上的磨粒磨削点温度在试件材料本身的传导均热作用 下所反映出来的一种集合平均温度 砂轮磨削温度与烧伤 裂纹等磨削缺陷密切相关 目前测量砂轮磨削区域温度用得最为普遍的试所谓的分块试件夹丝的半人工热电偶测量方案 本次 试验也采用此发案 砂轮磨削区温度测量的装置如图 3 7 所示 图 3 7 砂轮磨削区温度测量的装置 毕业设计 论文 第 53 页 参考文献 1 兰雄侯 王继先 高航磨削温度理论研究的现状与进展 A 沈阳 东北大学机械工程及自动化 学院 2 徐鸿钧 磨削温度的测量技术磨料磨具与磨削 1986 3 王霖 秦勇等 磨削温度场的研究现状与发展趋势 济南 山东大学 2001 4 徐鸿钧 高航 磨削温度的测量技术 徐鸿钧 高航 沈阳 东北大学机械工程及自动化学院 5 田志勋 徐明信 崔云惠 隋金福 热电现象与热电偶理论 金属热处理 1994 年第 6 期 6 钱立宗 热电偶及应用 J 安庆师院学报 自然科学版 1995 年 8 月 7 袁希光 传感器技术手册 国防工业出版社 1986 年 12 月 8 王西彬 任敬心 磨削温度及热电偶测量的动态分析 J 中国机械工程 1997 年第 8 卷第 6 期 9 崔亦飞 曹云乾 简易热电偶制作原理与标定 J 仪器仪表学报 1994 年 5 月第 15 卷第 2 期 10 黄泽铣等 热电偶原理及其检定 11 陈守仁主编 工程检测技术 下册 北京 中央电视大学出版社 1984 12 任敬心 华定安 磨削原理 西安 西北工业大学 2000 13 王西彬 师汉民 任敬心 结构陶瓷的磨削温度 西安 西北工业大学 2002 毕业设计 论文 第 54 页 附录 B 英文翻译 在高速磨削中冷却液速度的分析与实验研究 K Ramesh H Huang L Yin 制造技术 SIMTeach 研究所 新加坡 638075 摘 要 在高速磨削中 必须使用以水为主的冷却液 以避免热烧伤 形成更好的工件表面质量 提高磨削 效率 但是 由于在冷却液中加入了有毒害作用的化学物质 从而引起了环境问题 政府规定 使用和 处理冷却液必须严格遵守相关法律规定 但这些费用占到了全部加工成本的 7 17 本文阐述了冷却液 流量的最小化以及延长冷却液的再循环时间等问题 通过计量冷却液 MQC 喷嘴来实现对冷却液流量 的控制 提供磨削区域所需要的冷却液 研究表明 冷却液速度对高速磨削性能有重大影响 当 达不 到一定的速度 冷却液将无法进入磨削区域 增大 可以减小喷嘴的开放区域 减少冷却液的使用量 通过减少冷却液的再循环时间和提高 对减少环境污染和降低加工成本都有重大意义 关键词 高速磨削 冷却液速度 冷却液流量 1 引言 高速磨削需要消耗五到六倍于普通磨削所需的能量 因此 使用大量的冷却液 以避免热烧伤 获 得更好的表面质量和更长的刀具寿命已经非常普遍 1 但是 在冷却液中加入地有害化学物质 给操作 人员的身体健康带来了危害 有数据表明 在一个工件的加工成本中 冷却液润滑的费用占到了 7 17 处理使用过的冷却液需要焚烧 全球变暖就有一小部分源于此 因此需要制订一个方案 以便 于进一步研究冷却液流动装置 从这点来说 绿色加工已经有重大意义 绿色加工有以下两种 1 干切 削 2 通过优化和喷嘴设计 高效利用冷却液并延长其使用时间 本文阐述冷却液流量的最小化以及相 关的磨削特性 2 分析 砂轮与工件之间的相互作用产生热 这是由摩擦和表面的塑性变化导致的 热量分别传给了工件 磨屑 冷却液和砂轮等 如图 1 所示 以前的模型测量实际的磨削上升温度和冷却效果 强调冷却液后的 物理特性 由此可以得知 冷却液的作用是带走高速磨削后产生的热 毕业设计 论文 第 55 页 砂轮是由很薄的磨料层 由不规则形状的磨料粘结而成 一层层组成 砂轮高速旋转与缓慢转动的 工件表面接触 下列的一些假设用来建立冷却液速度和它的散热特性之间的关系 液体流动速度为液体的平均速度 砂轮已进行充分挤压 各粗砂粒之间的间隙相同 所有的流动都发生在砂轮宽度以内 砂轮两边没有 对流是热传递的主要形式 这个问题被认为是强迫对流 在这种情况下 热传递的效率取决于经验和对流类型 对流类型可以通过方程 1 计算雷诺系数来 估计 1 Re c c v l 其中是冷却液密度 998 2Kg ms 是冷却液速度 3 6 16 91m s 是接触长度 是粘性系 c v c l 数 在方程 1 中计算得到的雷诺系数表明了冷却液的流动类型 雷诺系数介于 16030 9 和 73719 之间 当雷诺系数小于时 冷却液为紊流 热传递效率可由强迫对流的经验公式计算得出 5 5 10 2 1 21 3 0 664 RePrNu 其中为努塞尔系数 为雷诺系数 为普朗特系数 还可以进一步定义为 NuRePr 3 c hl Nu k Re c c v l Pr p C k 其中 k 为冷却液的热传导率 W m k Cp 为比定压热容 结合方程 1 和 2 可得到对 4 6 03 10 流效率为 4 0 759 c c v h l h 为对流效率 Vc 为冷却液速度 2 kw m K m s 公式 4 表明 在任何磨削条件下 冷却液速度直接影响到冷却液的散热特性 因此设计了一套装 备 它可以使冷却液速度发生变化 这个设计包括一个测流计喷嘴 冷却液从此喷嘴进入磨削区域 流 动特性取决于冷却液速度 例如图 2 所示的冷却液喷嘴 伯努力方程用来计算冷却液的速度 毕业设计 论文 第 56 页 5 22 1122 22 vpvp 其中是冷却液的流出速度 是冷却液的流入速度 P1 为喷嘴入口处的压力 p2 为喷嘴出口处的压 2 V 1 V 力 雷诺系数可以确定冷却液的流动是否为稳态流动 方程 5 利用连续方程 可以改写 1 122 v av a 为 6 1 2 12 2 2 21 2 1 pp v aa 这个方程表明 出口和入口处的压力比对调整冷却液的速度有非常重要的意义 3 冷却液供给方法 普通的冷却液装置在磨削区域供给大量的冷却液 而计量喷嘴与其不同 如图 3 所示 这个系统由 一个流量计 一个压力计和一个可以调节的喷嘴 构成的这个系统中有三个不同的喷嘴 它们的横截面 积为 15 14 50 2 喷嘴的特性 如流量 压力和速度 如表 1 所示 图 4 为喷嘴装置的图片 包 2 mm 括流量计 压力计和砂轮架等 4 实验条件 每一个喷嘴都在事先确定的实验条件下 在 SS304 上进行一系列的磨削测试 冷却液的速度和压力 都要调节到磨削测试实验要求达到的数据 在这个过程中 法向力和切向力可以用 926SB 测得 以 n F t F 便计算法向力和切向力之比 变化的能量 Q 和磨削能量 E 在磨削过程中 能量 Q 可以用方程 7 来表 示 Power flux Q 7 1 t FV bDv V 1 t FV bDv V 其中是切向力 单位为 N V 是砂轮的线速度 单位为 m s v 是工作台移动的速度 单位为 m s t F b 为砂轮宽度 单位为 mm D 为砂轮直径 单位为 mm 是磨削深度 单位为 mm 方程 7 表 明 增加砂轮线速度和切向力可以增大能量 Q 但增加接触面积 则会减小能量 Q 切削能量就是切削能减去滑行所需的能量剩下的能量 可以用方程 8 表示 毕业设计 论文 第 57 页 8 2 ft E V 其中 V 是砂轮线速度 v 是工作台移动的速度 是切削深度 f 是砂轮在切削方向的磨削力 以标准的 样品为参照 用电子扫描显微镜 放大倍数为 1000 和 500 来测量工件 以分析磨削后的工件表面质量 用光学干涉测面仪拍出来表面的 3D 显微图像 来分析冷却液速度对工件表面质量的影响 表 2 列出了实 验的磨削条件 5 结论与探讨 5 1 力之比 砂轮工作表面之间的摩擦和工件磨削区域内的原子层之间的摩擦生成热 这种趋势可以从切向力和 法向力之比中看出来 图 5 显示了切向力和法向力之比的趋势 这是在 SS304 上 以不同的横截面积的 喷嘴和砂轮线速度测得的 当砂轮线速度为 42m s 时 被测试的喷嘴横截面积为 15 14 50 25力之比分别从 0 44 减小到 2 mm 0 26 从 0 44 到 0 38 和 0 52 到 0 40 冷却液速度分别从 3 5m s 增加到 7m s 从 4m s 增加到 11 m s 和从 10 5 m s 增加到 16 m s 在相同的磨削条件下 冷却液速度相同 但砂轮线速度为 104 m s 时 力之比分 别从 0 24 减小到 0 16 从 0 38 减小到 0 24 和从 0 24 减小到 0 20 这些结果表明 冷却液的速度越高 冷却液穿入磨削区域的深度越深 从而增强润滑作用 减小砂轮和工件之间的摩擦 在研磨工件的时候 摩擦使工件首先发生弹性变形 然后才是塑性变形和材料滑移 据预测 碎屑的成形过程取决于砂轮和 工件的相互作用 如塑性变形或材料滑移等 因此为了更加详细了解冷却液速度的作用 还需要做更多 的实验 5 2 变化的能量 图 6 所示为在确定的实验条件下 见表 2 能量与冷却液之间的关系 能量可以利用方程 7 计算 得到 很明显 当冷却液速度分别从 3 5 增加到 8m s 从 4 增加到 10 5m s 和从 11 5 增加到 13 5m s 时 能量流的数值分别从 28 减小到 22W 从 38 减小到 28W 和从 32 减小到 22 W 这种减 2 mm 2 mm 2 mm 小的趋势描叙了在不同的冷却液速度下 能量的变化情况 同样还可以分析出 对流效率 h 的作用 在图 6 中还绘制了对流效率 h 从 22 增加到 46km 时的 2 mm 图像 增加冷却液速度可以增加更多未使用的冷却液 从而带走更多的热量 避免减少能量流的趋势 毕业设计 论文 第 58 页 5 3 磨削能量 图 7 所示为 SS304 在不同的冷却液速度下所消耗的磨削能量 在低速时 能量消耗非常小 但是 当分别使用横截面积为 50 26 28 56 和 15 14时 随着冷却液速度的增量趋近于一个最小值 大约分 2 mm 别为 10 15 和 13J