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立式磨簧机设计(总体、磨头设计)
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附录：外文资料与中文翻译外文资料：中文翻译：第10 个国际制造业会议的记录 （IMC2002) 厦门, 中国, 2002 日10月 PANEL1-072 具有不同切槽深度的剃刀的设计和制造 LV MING YANGXU(机械工程学院, 太原理工大学, 太原, 山西, 030024, 中国)摘要: 剃齿是齿轮加工的最后一道工序，其具有高效率和高精度。当加工齿轮被具有理想的渐开线外形的剃刀加工时, 在加工齿轮轮齿的侧面的节点附近中间凹面 现象不可避免地存在。针对问题, 一把新式的不同的切槽深度剃齿刀被设计制造出来。本文在切槽原则的基础上分析切槽得的形成,并提出一个切槽设计的方法。并且实验已经证明, 被剃的齿轮取得了比预想的更好的表面粗糙度。关键词: 剃刀; 齿形错误; 中间凹面; 不同切槽厚度1 介绍 剃齿因具有高效率、高精度和低成本广泛应用于的齿轮制造大多领域。然而,以具有真实渐开线外形的剃刀加工后的工作齿轮在节点附近存在中间凹面 现象。这个问题严重影响牙表面粗粗度和齿轮的传动质研究它总是许多学者和专家学习的重点和困难的之一，提高剃齿的加工质量是很有必要的。到目前为止各种各样的方法在实际生产中被使用到解决“中间凹面”的问题，但是，这只能在一定的程度上减小而不能达到完全消除。 剃齿是一个复杂的过程。在许多因素的综合影响下, 较多材料从齿轮牙表面被切除在它的节点附近并且中间凹面就由此而产生的 。如果剃刀它的节点处没有切削边(即没有切槽), 加工的齿轮在它的节点处不会被剃到并且中间凹面错误可能会很大地减小。根据分析, 一个新构想提议, 即不同的深度切槽 (即切槽沿切削刀牙长度方向具有不同的厚度) 。在本文里我们不仅陈述了为什么这把剃刀可能减少和甚而消灭齿形错误的原因, 而且分析切槽形成和提供解决方法。 2 插削的原则 一般剃刀的齿形表面得锯齿在特殊的插齿机上加工。插削的原则是如下(图1): 在心轴上安装和固定滚动齿轮1 和剃刀2。滚动齿轮1位于上机架3 和下机架4 之间并且与他们啮合。 上机架3安装可动支承之下并且可动支承能够维持滚动齿轮1绕其轴线运动。下机架4安装在由曲柄连接的框架5推动的作往复运动的平板上。曲柄链接框架5 由电动机7驱动，通过滑轮改变方向和减速器减速。因为上机架3是固定的, 滚动齿轮1的节圆作反复的纯滚动沿着上 (或下) 机架的节线，当切削刀基圆直径等于滚动齿轮的节圆直径时,切削刀的基圆也作与滚动齿轮1的节圆相同的运动在滚动发生运动时。当开槽切削刀8调节上齿条3节线的位置使它们紧密接触，剃刀2与假想在tips的位置发生齿条相啮合。产生的渐开线表面被制造被制造的表面与刀具的表面相同 即具有与开槽切削刀齿表面同样厚度。3 不同的切深的形成的原则 在剃齿的过程中,切削刀和加工的齿轮的啮合是交叉轴线的螺旋线齿轮啮合。剃刀以高精密度的螺线齿轮的形式被加工，齿腹作为切削刃。切削刃的切削运动依赖于在切削刀和工作齿轮之间相对速度。传统剃齿的方法减少和消灭牙形式错误通过修正切削刀牙表面。但是, 剃刀因具有不同的切深在中间凹面错误机制基础上通过改造设计。 就相同的切削刀而言, 它的底部外形与切削刀牙外形是相同既使在形状上切槽不同。至于剃刀不同的切槽深度,切槽的深度沿齿长度而变化, 它是在节点处等于0逐渐增大到最大从节点到上部和切刀齿的根部，由于在节点处没有切槽, 没有切削刃，即,没有切口行动。所以, 被加工的牙外形的中间部分没有被加工到而只是被挤压。因而齿轮牙形式错误很大地被减少(图2) 。剃齿也要在专用的开槽机上，根据开槽的原则，为了用机器制造，切削刀底部应该有渐开线外形。而且, 切削刀渐开线外形基圈是同心的与底部外形并且后者直径与滚动齿轮的直径是相等的。 设计方法提议: 切槽底部由两条渐开线在刀具齿的节点处相交形成，。并且两条渐开线的基圆是同心的具有渐开线齿形轮廓。如果二个相应的滚动齿轮被制造或被使用在切槽轮廓的两部分生产中, 不同深度的切槽就形成了。详细设计方法是如下:图3. 根切点的位置 图4 根切的形成 根切的深度在剃刀的顶部和根部最大，我们设参数k在最大的深度(k沿渐开线轮廓顶部和根部弯曲的方向测量) 。如见图3所示 点A(X1 、Y1) 和点C(X2, Y2) 在底部的切槽由等式表示:式中i (i=1or 2) 是渐开线齿形轮廓的表面参数在齿顶高(或齿根高), (Xi,Yi) (i=1or2) 表示点A和点C 在坐标系OXY中的x 和Y 坐标 。 使一渐开线a通过点A 和点B,使另一条渐开线b 通点B 和C 。根据断开线性质,参数必须满足以下条件:rb rb rb此处 ：rb 是刀具齿形轮廓基圆的半径、rb是渐开线b的基圆半径、rb是渐开线a的基圆半径。点B 是不仅刀具齿形轮廓的节点, 而且渐开线 a 和b的交点. 图4所示渐开线a的开槽底部的形成部位从齿顶到节点和渐开线b的形成部位是从节点到齿根 4 切槽底部轮廓的解决方法例如, 渐开线a 的解决方案为例图5. 断开线a 的解决方法图5所示, 二个坐标系统, OXY 和OX1Y1, 刀具齿的轮廓和渐开线a被联系在一起, 图中(i = 0 或1)是渐开线a在 点B 和向A的压力角, (i=0 或1)是渐开线a在点B 和向A的展角,(i=0 或1)是断开线a在点B 和A的表面参数A ， (i=0 或1)是点B(or A) 和原点O 之间的距离。断开线方程被表示如等式2 然后我们得到以下等式: 上式是非线性等式。它们的结果是由计算机程序通过数据分析得到的,我们然后求得断开线a 。断开线b 可用同样得方法得到3 。换句话说,渐开线a和渐开线b的基圆半径与各自的滚动齿轮得节圆半径相等。只要对应滚动齿轮被设计, 不同深度开槽将制造出来。5 实验 根据设计方法, 一把具有不同的深度开槽的剃刀被制造并且然后在实验中应用。实验性结果表明: 存在明显中间凹面在加工齿轮的节点附近如果由共同的剃刀加工,中间凹面数值是0.005-0.01mm,齿形误差是0.007-0.02mm. 然而，当由设计的剃刀加工时 齿轮齿的形式被改进,中间凹面的数值是仅有0-0.005mm 并且齿形错误的数值是少于0.008mm 。 6 结论 一把新式的具有不同开槽深度的剃齿刀被设计和被制造。由于没有根切在它齿廓得节点处, 没有切削刃,和没有切削运动。在剃齿加工的过程中,被加工的齿轮在节点处不被加工因此齿形轮廓的错误被很大的降低。切槽底部得轮廓用本文所提供得方法能够很容易的得到。实验已经取得成功和证明了被设计的剃刀的可行性和有效性。鸣谢本工作由陕西省自然科学资金主办。 参考 1 姚文喜 27(8)(1993):2-6.2 袁哲军,北京:新时代出版社,1983.3 郑苏民,云南大学出版社,1990.南 通 职 业 大 学毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目 立式磨簧机设计(总体、磨头设计) 2007年 3月 5 日至 2007 年 5月23日共12周系 科 机械工程系 专业班级 机制054D(数控) 姓 名 学 号 系 主 任 指导教师 2008年 1 月 5 日一、 课题内容及要求内容:1 总体设计2 磨头设计要求:1. 磨簧机应能满足加工要求，保证加工精度；2. 磨簧机应运转平稳，工作可靠，结构简单；3. 工件装卸方便，便于维修、调整；4.尽量使用通用件，以便降低制造成本。南通职业大学毕业设计（论文）说明书设计（论文）题目立式磨簧机设计(总体、磨头设计)系 机械工程系 专业班级 机制054D(数控) 姓 名 学 号 指导教师 2008年1月5日南 通 业 大 学毕 业 设 计 （论 文）成绩 考 核 表 课 题： 立式磨簧机设计(总体、磨头设计) 系： 机械工程系 专业：机械制造及自动化 班级：机制054D(数控) 学生姓名： 校外指导教师： 校内指导教师： 审阅意见：校外指导教师： 校内指导教师： 评审意见：评阅人： 答辩意见：答辩小组： 毕业设计（论文）成绩：总 分 评 级 系 主 任 二零 年 月 日南 通 职 业 大 学毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目 立式磨簧机设计(总体、磨头设计) 2007年 3月 5 日至 2007 年 5月23日共12周系 科 机械工程系 专业班级 机制054D(数控) 姓 名 学 号 系 主 任 指导教师 2008年 1 月 5 日一、 课题内容及要求内容:1 总体设计2 磨头设计要求:1. 磨簧机应能满足加工要求，保证加工精度；2. 磨簧机应运转平稳，工作可靠，结构简单；3. 工件装卸方便，便于维修、调整；4.尽量使用通用件，以便降低制造成本。二、毕业设计（论文）进度计划起讫日期工作内容备 注08.035布置任务下达任务书08.03.0508.04.13调查研究，收集资料，熟悉课题,毕业实习08.04.1608.04.20总体设计，方案论证08.04.2308.05.04部件、零件设计阶段08.05.0708.05.18编写说明书08.05.2108.05.22修改整理毕业设计材料08.05.2308.06.01材料评阅08.06.0208.06.03毕业答辩08.06.0408.06.05材料整理装袋三、其他南通职业大学毕业设计（论文）开题报告系部机械工程系专业班级姓 名学 号题 目立式磨簧机设计(总体、磨头设计)题目类型企业课题一、选题背景及依据（简述国内外研究现状、生产需求状况，说明选题目的、意义）课题来源于盐城市双圆弹簧厂。为高效率磨削弹簧端面需设计立式磨簧机。磨簧机的生产企业主要有杭州之江机械厂、福州立洲弹簧厂以及洛阳机床厂，摩托车减震弹簧和离合器弹簧的生产发展拉动了磨簧机生产。喷丸机依然是青岛铸造机械厂一支独秀，产品以立式喷丸机为主，滚筒式喷机已趋于淘汰，通过式喷丸机亦有少量生产。目前国内普遍使用的磨簧机,一般是采用传动机构驱动工作台,使其在固定的导轨上作往复运动。这种结构必然存在如下问题: (1) 由于磨簧工作环境较恶劣,工作导轨容易磨损,且无法补偿,从而导致所磨削弹簧的平面度及端面对轴线的垂直度难以得到保证。(2) 维修周期短,费用高,难度大。西方工业发达国家，工业基础雄厚，设备生产厂家制造水平及技术水平相当高，而国产设备普遍存在加工精度底、生产效率低、可靠性差、型号老化等问题。所以现在弹簧行业中先进的制造设备一般都依靠进口。进口设备存在的问题：一是价格高，二是维修和配件不便。但这种局面正在改变，国内已有一些生产弹簧设备的新兴企业及合资企业，其设备精度、生产效率已接近进口设备，但总体上说，还存有差距。意义：立式磨簧机能满足加工要求，运转平稳，工作可靠，结构简单，工件装卸方便，便于维修、调整二、具体研究（设计）内容、研究（设计）思路及工作方法或工作流程内容：磨头的设计与加工，电机的选择与磨头主轴的设计思路：首先根据弹簧的材料，选择合适的砂轮，然后根据普通磨削的要求确定砂轮转速、工件转速、砂轮的进给量等。根据以上的参数计算磨削功率，分析拟定传动装置的简图，画出总装备图，然后根据装备图设计零件图。工作流程：收集资料，选课题绘图写论文三、毕业设计（论文）工作进度安排2008.3.5-4.13 收集资料，选课题 2008.4.23-5.04 画零件图，装配图 2008.5.07-5.18 写论文 2008.5.21-5.22 核查毕业设计指 导教 师意 见指导教师签字_ 年 月 日系 部毕 业设 计领 导小 组审 核意 见 系（公章）_ 年 月 日南通职业大学毕业设计说明书 目录1前言12总体方案论证22.1进给磨头的确定22.2工作台高度的确定22.3工作台工作方式23磨头设计33.1工件材料33.2砂轮的选择33.2.1磨料的选择33.2.2粒度的选择43.2.3磨具硬度的选择43.2.4结合剂的选择53.2.5磨具形状及尺寸的选择53.3.1磨削功率计算63.3.2选择电机73.4磨头主轴的设计83.4.1磨头主轴的结构设计83.4.2轴的最小直径估算93.4.3轴的总长度93.4.4各轴段直径和长度的确定103.4.5轴承的选择113.4.6轴承的润滑113.4.7滚动轴承的密封113.5磨头进给系统设计123.5.1套筒和导向套的设计123.5.2上磨头进给系统设计133.5.3齿轮轴的校核184结论21参考文献22致谢23附录24南通职业大学毕业设计说明书摘要：本课题主要完成立式磨簧机的设计，为满足弹簧业批量生产弹簧需求而设计。为提高磨削效率，减少装工件的次数和时间，把磨簧机设计成双面磨，即用两个砂轮同时对弹簧的两个端面进行磨削。先根据磨簧机的功能确定磨簧机的总体结构，为砂轮在磨削时实现进给运动和满足不同高度弹簧的磨削要求，砂轮必须实现轴向移动。为简化结构，只要一磨头实现进给，另一个磨头固定。综合各种因素，确定把下磨头固定，不实现进给，上磨头实现进给运动。在结构上磨头实现自动进给、复位。降低了工人的劳动强度，改善了工人劳动条件。工人可以同时操作多台磨簧机，提高了生产力。在卸料上实现工件的自动卸料。解放工人的双手，进一步提高了工作效率。砂轮经过长时间磨削产生损耗，会引起弹簧加工精度的下降，该磨簧机在结构上实现了砂轮的补偿，磨削精度得到了保障。设计的该磨簧机自动化程度高、磨削效率高，工人劳动强度低，结构紧凑，占地面积小，有效地利用了厂房空间。本次设计在满足工作可靠，结构简单等要求下，尽量使用了通用部件，降低了制造成本。关键词：弹簧；磨簧机；磨头Abstract: To meet the needs of volume mass spring production , this topic mainly completes the vertical spring grinding machine design, In order to enhance the grinding efficiency, and reduce the work piece the number of install times , I designed the spring grinding machine which doubling surface to rub, namely carries on the grinding with two grinding wheels at the same time to the spring two end surfaces. Acts according to first the spring grinding machine function to determine spring grinding machine overall structure, for grinding wheel when grinding realizes the feed motion and satisfies the different spring the grinding request, the grinding wheel must realize the end motion highly. In order to simplify the structure, so long as a grinding realization to feed, another grinding is fixed. Synthesizes each kind of factor, determined is fixed under grinding, does not realize to feed, on grinding realization feed motion. In structure grinding realization auto-feed, replacement. Reduced workers labor intensity, improved the worker work condition. The worker may concurrent operation multi-Taiwan rub the reed machine, enhanced the productive forces. Realizes the work piece self-dumping on the ex-denning. Liberates workers both hands, further enhanced the working efficiency. The grinding wheel passes through the long time grinding to be able to have the batardeau to consume, can cause the spring processing precision drop, should rub the reed machine to realize the grinding wheel compensation in the structure, the processing precision has been high. The machine has high automaticity high and the grinding efficiency, the workers labor intensity is low, the structure is compact, the area is small, the workshop space effectively is used. This design satisfies the demands of relable, structure simple and so on , the general part are used as far as possible, the production cost is reduced.Key words: Spring ; Spring grinding machine ; Grinding head南通职业大学毕业设计说明书 1前言弹簧是人们熟悉的机械基础件，它适用于缓冲或减振，在机械设备、生活用品上的各种弹性元件都属于弹簧。弹簧元件在机械设备中往往处于运转的关键部位，它的质量优劣对主机的质量水平有重要影响。弹簧的优劣不仅取决于弹簧材料，还取决于弹簧的加工工艺。中国弹簧行业专业化、自动化程度还比较低，不少工序还停留在手工操作水平上。工人劳动强度大、劳动条件差、生产效率低。国外磨簧等关键工序都已实现机械化、自动化。德国磨簧机有10种，中国仅有4种，而且设备精度较差。为满足国内弹簧生产的需要现设计立式磨簧机。磨簧机主要用于弹簧端面的磨削。弹簧钢丝经过卷簧机卷制，形成弹簧的半成品，其两个端面不平行，还不能满足使用要求。需要通过磨簧机将半成品的两个端面磨平，并使两端面与弹簧的轴线保持一定的垂直度。磨簧分两种形式：A.只需将弹簧端面磨平； B.高度磨削。除了要把弹簧端面磨平外，还要把弹簧磨到指定的高度。本课题来源于盐城市双圆弹簧厂。为高效率磨削弹簧端面需设计立式磨机。其中： a.磨簧机应能满足加工要求，保证加工精度；b.磨簧机应运转平稳，工作可靠，结构简单；c.工件装卸方便，便于维修、调整；d.尽量使用通用件，以便降低制造成本。在陈祥林老师的指导下，首先进行了方案论证，确定机床总体结构。由于磨簧机是针对弹簧磨削而设计的，所以整个设计过程都是围绕弹簧磨削这一功能而展开的。首先根据弹簧的材料，选择合适的砂轮，然后根据普通磨削的要求确定砂轮转速、工件转速、砂轮的进给量等。根据以上的参数计算磨削功率，分析拟定传动装置的简图，画出总装备图，然后根据装备图设计零件图。2总体方案论证本次设计的课题是立式磨簧机，用于弹簧端面的磨削。为避免弹簧多次装夹引起的加工精度误差，以及减少装夹时间，拟采用两个砂轮一起磨削，提高工作效率。两个砂轮有两个独立的电机驱动。为适合加工不同高度的弹簧，以及在磨削时砂轮实现进给运动，磨头要能实现轴向移动。为简化传动机构的结构，只要一个磨头实现进给，另一个磨头固定。2.1进给磨头的确定为弹簧顺利进入磨削区域，下磨头要和工作台处于同一个平面。假如下磨头实现进给运动，那么工作台也要随着磨头运动。工作台比较质量比较大，上下运动在结构上比较复杂，定位难以实现，加工精度难以得到保证。综合各方面因素，确定由上磨头实现进给运动。下磨头在经过长时间的磨削运动，砂轮厚度会减小，砂轮就会低于工作台，料盘就难以实现旋转运动。所以砂轮经过一段时间磨削后，下磨头需要实现高度补偿，使砂轮和工作台重新处在同一个平面。在结构上用升降杆来调节下磨头高度。2.2工作台高度的确定工作台的高度主要根据人的身高来确定，工作台不宜太高，太高会使工人的手上抬，长时间工作会加快工人的劳累；工作台太低，使工人弓着腰工作，同样加快工人的疲劳。工作台高度定位标准是使工人工作舒适。综合国人的平均身高，工作台的高度拟确定120.5。2.3工作台工作方式为便于以后磨头的维修、调整，把工作台设计成活动的，即磨头在维修、卸载时可以方便地把工作台打开。3磨头设计3.1工件材料 弹簧材料的种类繁多,目前大量使用的是弹簧钢,其次是具有特殊性能的弹簧材料,如不锈耐酸钢、耐热钢(合金)、铜合金以及橡胶、塑料等。一般弹簧钢包括:a.碳素弹簧钢 ；b.合金弹簧钢 。本次设计拟确定工件材料为碳素弹簧钢和合金弹簧钢。3.2砂轮的选择砂轮选择应考虑的因素：砂轮对磨削过程的影响是多方面的，其中包括加工精度，表面粗糙度和生产效率等。为了获得良好的磨削效果，正确选择砂轮十分重要。选择砂轮时主要考虑下列磨削条件和技术要求：a工件材料的物理机械性能；b工件的热处理方法；c工件的加工精度和表面粗糙度的要求；d工件的形状和尺寸；e工件的磨削余量；f磨削方式（外圆、内圆或平面磨、开槽、切断等）；g磨削用量，切削液情况，磨床情况，生产类型以及操作者的熟练程度。3.2.1磨料的选择磨料直接参加磨削工作，所以磨料的硬度要高，耐热性要好，还要具有一定的韧性和强度；为了能进行切削，磨料上还必须具有锋利的边刃。磨料分为天然磨料和人造磨料两大类。一般天然磨料含杂质多，质地不均。 表3-1磨料的特点和应用范围磨料名称新代号旧代号特点应用范围棕刚玉AGZ棕褐色、硬度高韧度大、价格便宜磨削和研磨碳钢、和金刚、铸钢、硬青铜等白刚玉WAGB白色，硬度比棕刚玉略高，韧度较棕刚玉低磨削、研磨、衘磨和超精加工、淬火钢、高速钢、螺纹、齿轮及薄壁零件等单晶刚玉SAGD浅黄色或白色，颗粒呈球状，硬度和韧度都比白刚玉高磨削、研磨或衘磨不锈钢和高钒高速钢等高强度韧度大的材料微晶刚玉MAGW颜色于棕刚玉近似，刚度高，韧度和自励性能良好磨削或研磨不锈钢、轴承钢、球墨铸铁、并适于高速磨削铬刚玉PAGG玫瑰红，或紫红色，硬度和韧度比白刚玉高，磨削表面粗糙度细小磨削、研磨、或衘磨淬火钢，高速钢轴承等表面粗糙度值要求较小的量具，仪表零件和薄壁工件根据弹簧材料：碳素弹簧钢或65Mn来确定磨料，并对照磨料的应用范围来选择。对照表3-1，综合考虑磨料的应用范围以及价格，磨料选择棕刚玉，代号：A。3.2.2粒度的选择砂轮的粒度是指砂轮所含磨料颗粒尺寸的大小，通常以粒度号表示。磨料按其颗粒尺寸大小分为41个号，粒度号数越大颗粒越小。选择磨料粒度时应遵循以下原则：粗磨用粗粒度、精磨用细粒度；工件材料软、塑性大（如有色金属）和磨削面积大的时，为避免砂轮堵塞，应选用粗粒度；成形磨削和高速磨削时粒度应选细些；磨削淬火钢及硬质合金钢时，宜选用中等粒度的磨料；内磨应选用较外磨为粗的粒度；磨削大尺寸工件、薄板及薄壁工件应选用较粗的粒度。 表3-2不同粒度磨具的使用范围粒度号数实用范围非金刚石磨具2240磨钢锭、去铸件毛刺、切钢坯等4660一般外圆、内圆、平面、无心磨、工具磨等6090外圆、内圆、平面、无心磨等半精磨100240精磨、成形磨、衘磨、超精磨刀具刃磨280W20精密磨、衘磨、螺纹磨等超精加工W20以下研磨、精细磨、境面磨等超精加工表3-3加工表面粗糙度与磨料粒度的关系磨料粒度加工表面粗糙度Ra(m)2436536462.51.2546600.630.32801200.16 弹簧端面磨削是一次性磨削，且对端面的粗糙度要求不是太高，根据粒度与粗糙度的关系，对照表3-2，表3-3，磨具的粒度选取50。3.2.3磨具硬度的选择磨具硬度是指沙粒在磨削力的作用下，从磨具表面脱落的难易程度。硬度高，表示磨粒难易脱落，硬度低则表示容易脱落。硬度选择的一般原则是：加工硬钢或淬火钢时选择较软的磨具，加工软钢时选择较硬的磨具；加工青铜、韧黄铜时选软磨具；磨具与工件接触面积大时选择较软的磨具；磨削导热性差的材料时选择较软的磨具；精磨、精密磨、超精磨和成形磨时，应该选择硬的磨具；磨平面时应选用磨削相同金属零件外圆时为软的砂轮；干磨时所用砂轮应较湿软些；镜面磨削、缓进时宜选较软砂轮；采用宽砂轮大纵向进给磨外圆时应选较软砂轮；砂轮粒度较细时，硬度应稍软些。机械加工中常用的砂轮硬度等级是H-N。弹簧磨削是干磨，由弹簧材料可知，弹簧的材料的硬度属于中硬，根据磨具选用原则，弹簧磨削磨具选中软，代号为K。3.2.4结合剂的选择 表3-4 结合剂的分类及应用范围名称代号特性应用范围陶瓷结合剂V由粘土等配置，化学性质稳定，耐热、耐油、耐酸、耐碱，多用性好，耐用度高，强度较高，成本低，但较脆适用成形磨削，如磨螺纹、齿轮、轴承滚道等，砂轮速度宜在35m/s以下树脂结合剂B强度高、弹性好，能在高速下工作，耐热性差，在200摄氏度以上失去粘结作用,不耐算碱可作较厚的砂轮和石墨砂轮，用于细粗糙度、高精度磨削，用作切断和开槽用的薄片砂轮，修磨钢坯、铸件的粗粒度砂轮橡胶结合剂R弹性好磨粒容易脱落,耐热、耐酸、耐油性均差，且有异味可作切断、开槽用的薄砂轮及抛光砂轮、无心磨导轮，不适于粗磨金属结合剂J强度高、韧度高和成形性好，但自励性差常用的为青铜结合剂，主要用于金刚石砂轮，用于粗磨，半精磨硬质合金及切断光学玻璃、陶瓷、半导体等根据结合剂的特性和应用范围选择：陶瓷结合剂。3.2.5 磨具形状及尺寸的选择A砂轮型号的选择各种砂轮的形状及尺寸在参考文献11中已有规定。表3-5砂轮型号砂轮名称代号一般用途平形砂轮P根据不同尺寸用于外圆磨、内圆磨、平面磨、无心磨、工具磨、螺纹磨和砂轮机上双斜面一号砂轮PSX1用于磨齿轮齿面和磨单线螺纹双面凹砂轮PSA用于外圆磨和刃磨刀具，还用作无心磨的砂轮和导轮薄片砂轮PB用于切断和开槽等筒形砂轮N用于立式平面磨床上坯形砂轮B用其端面刃磨刀具，也可用其圆周磨平面和内孔碗形砂轮BW用于刃磨刀具，也可用于导轨磨床磨机床导轨碟形一号砂轮D1适于磨铣刀、铰刀、拉刀等，大尺寸的用于磨齿轮的齿面根据砂轮的一般用途，选择砂轮：平行砂轮，代号：PB砂轮内外直径的选择砂轮的内外直径决定了砂轮的磨簧宽度，磨簧宽度主要有料盘来决定。有设计任务书可知，弹簧的最大外径为50mm，根据弹簧的最大外径，通过作图法来确定相关参数。图3-1砂轮、料盘位置示意图由图3-1可知，弹簧的排列宽度为100.4mm,，则砂轮的磨削宽度应该在100mm左右。对照参考文献11，确定砂轮的内外经以及砂轮的厚度。砂轮外径400mm，内径203，厚度为50mm。3.3.1磨削功率计算F=C(vfB/ v)tg (3-1)公式中各参数的含义：C单位切屑所需的力（N/mm）；v指工件的速度。这里指弹簧相对料盘轴线的线速度；f径向进给量（mm）,这里指料盘旋转一周后，砂轮的磨削量；B 原指砂轮的宽度，这里取弹簧中径的1/4；v指砂轮的线速度；磨粒的锥顶半角（6075）。确定公式中各参数值： 表3-6各种工件材料的C值工件材料花岗石硅纯铁铸铁高速钢C（N/mm）430055002800490018000根据弹簧材料65Mn和砂轮材料棕刚玉，选择：C10000N/ mm。 表3-7 磨削常用进给量f（mm）磨削方式平面磨削粗磨0.0100.025精磨0.0050.015簧磨削属于粗磨，对照表3-7，f拟确定0.02mm。砂轮普通磨削线速度3035m/s,高速磨削35m/s以上。弹簧磨削属于干磨，速度不宜太高。速度过高会产生高温，影响弹簧的性能。在这里我拟选用v30m/s。锥顶半角60。由设计任务书可知，弹簧钢丝最大直径8mm,弹簧最大外径50mm，则弹簧中径为：D=50-16=34mmD=(34+50)/2=42mmB= D/4=10.15mm参照平面磨削参数工件的速度v0.15m/s。表3-8磨削的摩擦系数工件材料砂轮切削液干磨退火碳素钢A46NV0.73淬火高速钢A46GV0.32弹簧磨削属于干磨，工件材料为65Mn或者碳素钢，所以摩擦系数选择0.73。由公式31得： F10000(0.150.0210.5/ 30) tg600.73 20.84NF是磨单个弹簧所需的磨削力，有图3-1可知，有7个弹簧同时进行磨削P7 F v/1000720.8430/10004.38KW总传动效率：轴有4个角接触轴承支撑，单个轴承的传动效率为0.99，则总传动效率为：0.990.96电机输入功率为：P P/4.38/0.964.56KW3.3.2选择电动机电机转速：n(D为砂轮的外径) (3-2)由32得： n 1433.12r/min根据输入功率以及输入转速选择电机，查参考文献3，选择电动机的型号Y132S-4，额定功率5.5KW，同步转速1500r/min，满载转速1440r/min。3.4磨头主轴的设计通常，轴的设计步骤包括：a.按工作要求合理选择轴的材料和热处理方法；b. 轴的结构设计；c.轴的强度校核计算；d.必要时作轴的刚度或振动稳定性等的校核计算；e.绘制轴的零件工作图。A轴的材料及其热处理选择轴的常用材料是碳素钢，合金刚及球墨铸铁。钢轴毛坯多数用轧制圆钢或锻件，也有的用圆钢。碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性低，经热处理或化学处理可得到较高的综合力学性能（尤其在耐磨性和抗疲劳强度两个方面），应用最多。常用的碳钢有35、40、45和50等优质中碳钢，其中45钢应用最广，通常进行正火或调质处理，一般用于比较重要或承载较大的轴。对于不重要或承载较小的轴，也可采用Q235,Q275等普通碳素钢。合金钢比碳素钢具有更好的力学性能和热处理性能，常用于承载很大而重量、尺寸受限或有较高耐磨性、防腐性要求的重要的轴，以及处理高温或低温条件下工作的轴。选择轴的材料和热处理方法，主要根据轴的受力、转速、重要性等对轴的强度和耐磨性提出的要求。研究表明，钢材的种类和热处理措施对其弹性模量影响甚小，如欲采用合金钢代替碳素钢或通过热处理来提高轴的高度，收效甚微。轴的刚度主要取决于轴的剖面尺寸，可用适当增加轴的截面面积来提高轴的刚度。此外，合金钢对应力集中敏感性较强，价格也较高。选材是也应考虑到。综合考虑轴的运行环境以及轴材料的力学性能，轴的材料选择45钢，调质处理。3.4.1磨头主轴的结构设计轴的结构设计就是要确定轴的合理外形和结构，以及包括各轴段长度、直径及其他细小尺寸在内的全部结构尺寸。轴的结构主要取决以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴的毛坯种类；轴上作用力的大小和分布情况；轴上零件的布置及固定方式；轴承类型及位置；轴的加工工艺以及其他一些要求。由于影响因素很多，且其结构形式又因具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式，设计具有较大的灵活性和多样性。但是，不论具体情况人如何，轴的结构一般应满足以下几个方面的要求：a.轴和轴上零件要有准确的工作位置；b.轴上零件应便于装拆和调整；c.轴应具有良好的制造工艺性；d.轴的受力合理，有利于提高强度和刚度；e.节省材料，减轻重量；Ff.形状及尺寸有利于减小应力集中。轴的结构设计时，一般已知装配简图、轴的转速、传递的功率及传动零件的类型和尺寸等。3.4.2轴的最小直径估算 转轴受弯扭组合作用，在轴的结构设计前，其长度、跨距、支反力及其作用点的位置等都未知，尚无法确定轴上弯矩的大小和分布情况，因此也无法按弯扭组合来确定转轴上各轴段的直径。为此应先按扭转强度条件估算转轴上仅受转矩作用的轴段的直径轴的最小直径d，然后才能通过结构设计确定各轴段的直径。 d=C (3-3) C计算常数，取决于轴的材料和受载情况。 当轴段上开有键槽时，应适当增大直径以考虑键槽对轴的削弱：d100mm时，单键槽增大3，双键槽增大7；d100mm时，单键槽增大57，双键槽增大1015。最后对d进行圆整。 查参考文献10P292表11.3（轴常用C值）： C111由公式3-3得： d11117.35mm 电机和轴的连接方式是直联，即在轴的一段开孔，电机主轴套在孔内，并用键连接。查阅参考文献3可知，Y132S-4电机主轴直径为38mm，计算值d比电机主轴小得多，砂轮在磨削时轴受到的径向力，以及振动比较大，d17.35mm难以满足强度要求。综合各种因素，以及指导老师的建议，磨头主轴d60。3.4.3轴的总长度 轴的长度主要决定磨头的稳定性，为满足装配空间的要求，尽可能把轴设计得长些。首先确定下磨头的长度。从总体方案中知道工作台的高度为1205，查阅参考文献3可知Y132S-4电机的安装尺寸，电机总长度为475，砂轮和电机的安装空间拟确定为162.5，则轴的长度：L1205475162.5568.5mm。上磨头要实现进给运动，根据磨簧的高度15-150mm，弹簧的磨削量以及砂轮厚度的补偿，来确定上磨头的主轴长度。L568.515071.5790mm。3.4.4各轴段直径和长度的确定A.各轴段的直径 阶梯轴各轴段直径的变化应遵循下列原则：a.配合性质不同的表面（包括配合表面与非配合表面），直径应有所不同；b.加工精度、粗糙度不同的表面，一般直径亦应有所不同；c.应便于轴上零件的装拆。通常从初步估算的轴段最小直径d开始，考虑轴上配合零部件的标准尺寸、结构特点和定位、固定、装拆、受力情况等对轴结构的要求，一次确定轴段的直径。具体操作时还应注意以下几个方面问题：d.与轴承配合的轴颈，其直径必须符合滚动轴承内径的标准系列。e.轴上螺纹部分必须符合螺纹标准。f.轴肩定位是轴上零件最方便可靠的定位方法。轴肩分定位轴肩和非定位轴肩，定位轴肩通常用于轴向力较大的场合，非定位轴肩是为加工和装配方便而设置的，其高度没有严格的规定。g.与轴上传动零件配合的轴头直径，应尽可能圆整成标准直径尺寸系列。h.非配合的轴身直径，可不取标准值，但一般应取成整数。B.各轴段的长度各轴段的长度决定于轴上零件的宽度和零件固定的可靠性，设计时应注意以下几点：a.轴颈的长度通常于轴承的宽度相同。b.轴头的长度取决于与其相配合的传动轮毂的宽度。c.轴身长度的确定应考虑轴上各零件之间的相互位置关系和拆装工艺要求，各零件间的间距查参考文献3。 根据轴设计的准则以及轴上零件装配要求，把轴设计成如下结构形式： 图3-2 磨头主轴结构示意图在L1段和L4段安装轴承，用于轴的定位。轴的详细尺寸见图MHJ-01-18,MHJ-01-10。3.4.5轴承的选择选择滚动轴承的类型，一般从载荷的大小、方向和性质入手。在外廓尺寸相同的条件下，滚子轴承比球轴承承载能力大，时用于载荷较大或有冲击的场合。当承受纯径向载荷时，通常选用径向接触轴承或深沟球轴承；当承受纯轴向载荷时，通常选用推力轴承；当承受较大径向载荷和一定轴向载荷时，可选用角接触球轴承。 根据轴的应用场合可知，轴在砂轮、弹簧的作用下受到轴向力，以及在磨削时受到的径向力。查询常用滚动轴承的性能和特点，选择角接触球轴承。角接触球轴承的性能特点：可同时承受径向负荷和轴向负荷，也可承受纯轴向符合。适用于刚性较大跨距不大的轴及须在工作中调整游隙时，常用于蜗杆减速器、离心机、电钻、穿孔机等。角接触球轴承所能承受的轴向力是单向的，磨簧机的磨头在磨削时，收到的轴向力一般是双向的，所以为满足使用要求，角接触轴承是成对使用，用背对背的方式安装。由图MHJ-01-10可知D=60mm；D=70mm则轴两端的轴承型号分别是：7212AC,7214AC。3.4.6轴承的润滑润滑对于滚动轴承具有重要意义。轴承中的润滑剂不仅可以降低摩擦阻力，还具有散热、减小接触应力、吸收振动、防止锈蚀等。润滑方式与轴承速度有关，一般根据轴承的d值（d为滚动轴承内径，单位mm；n为轴承转速，单位r/min）作出选择。ddn (3-4)式中d=60mm;n=1433.12r/min由公式34得：d601433.128.610mmr/min 表3-9 d值界限（10mmr/min）轴承类型脂润滑油润滑角接触球轴承1625对照表3-9，轴承的润滑方式选择脂润滑。3.4.7滚动轴承的密封轴承工作时，润滑剂不允许很快流失，且外界灰尘、水分及其他杂物也不允许进入轴承，故应对轴承设置可靠的密封装置。密封装置可分为接触式和非接触式两类。A.接触式密封通过轴承盖内部放置的密封件与传动轴表面的直接接触而起密封作用。密封件主要用毛毡、橡胶圈、皮碗等软性材料，也有用减磨性好的硬质材料如石墨、青铜、耐磨铸铁等。轴与密封件接触部位需要磨光，以增强防泄漏能力和延长密封件的寿命。B.非接触式密封接触式密封必然在接触处产生摩擦，非接触式密封则可以避免此类缺点，故非接触式密封常用于速度较高的场合。鉴于磨头主轴在靠近砂轮端受到的振动比较大，在磨削时产生的磨削四处飞溅。假如用接触式密封，主轴在高速旋转时轴和密封圈摩擦厉害，磨簧机运转一定时间密封圈就达不到密封效果。磨屑容易进入轴承，影响轴承寿命和磨削精度。权衡利弊，我选择非接触式密封，即选用迷宫式密封，在缝隙中填脂。3.5磨头进给系统设计 轴一般由轴承固定，难以实现轴向移动。现在用套筒和导向套来实现轴的轴下移动。首先把轴安装在套筒内,套筒安装在导向套内,由套筒在导向套内实现轴向移动,从而实现磨头的轴向移动。详细结构见磨头装配图MHJ-01-00。3.5.1套筒和导向套的设计A.套筒的设计套筒的内经主要有轴承的外径来确定。见图3-2，轴承的最大外径在L4段，根据轴承型号7214AC可知，轴承外径D=125，轴承7214AC安装尺寸D116mm，对套筒内径进行圆整，则D=110mm，现拟确定套筒厚度为25mm，则套筒外径D160mm。套筒的长度主要以下磨头主轴的长度作为设计依据。考虑到安装尺寸，套筒长度确定为500mm。我们可以把套筒看成空心轴。空心轴对提高轴的刚度、减小轴的质量具有显著的作用。由计算知，内外径之比为0.6的空心轴与质量相同的实心轴相比，截面系数可增大70。套筒刚度校核：i= (3-5) 由公式35得：i0.69V =)L (3-6) 由公式3-6得：V )5005298750mmVL (3-7) 由公式3-7得： V602568.5 1606581 mmV V；i0.6所以套筒满足刚度要求。 上磨头因为要实现轴向移动，所以上磨头套筒长度要比下磨头套筒长些。上磨头套筒长度增量主要取决于磨簧高度，由设计任务书可知，磨簧高度在15150，再考虑安装尺寸、砂轮补偿的需要，上磨头升降套筒长度确定为700.5。B.导向套的设计导向套的内径由套筒的外径确定，为160，外径拟确定为220。考虑到其他零件的安装尺寸，以及砂轮的补偿高度，导向套的长度拟确定为425mm。导向套刚度校核：由公式3-5得：i0.73由公式3-6得：V=)425=7606650 mmV V；i0.6所以导向套满足刚度要求3.5.2上磨头进给系统设计磨头进给动力有电机来提供，磨头进给是直线运动，而电机是旋转运动。磨头进给系统主要的功能是把电机的旋转运动转化成磨头的直线运动。根据这一要求，选择齿轮-齿条机构来实现磨头的进给运动。A.上磨头质量计算：根据绘制零件图的尺寸，计算各零件的质量：a.升降套筒：由公式3-6得：V)700.57423548.75 mm b.磨头主轴： V45452564216241092 70269652577602502646309.925 mm (3-8)c.轴承： 查参考文献3，可知7212AC轴承的质量为0.8；214AC轴承的质量为1.1。 则轴承总质量为：0.821.123.8e.电机质量：查参考文献3，电机Y132S-4的质量为68。f.上电机法兰质量： 上电机法兰形状不规则，根据绘制的零件图，用相关计算软件计算上电机法兰的质量，计算结果为：26.52。g.砂轮质量： 查询参考文献资料11，砂轮质量为50。h.上磨头总质量： 钢的密度7.8/cm M503.86826.52（7423548.752646309.925）/10007.8/1000 226.86 (3-9)B.磨头进给功率计算： FMg (3-10)由公式3-10得： F226.869.82223.228N 磨头进给速度不能太高，太高会引起磨削力的突变，容易引起砂轮的崩碎。鉴于以上原因砂轮进给速度为： v=20/min 则PFv (3-11)由公式3-11得： P2223.2280.02/600.74C.传动齿轮、齿条的设计选择齿轮材料、热处理方法、精度等级、齿数： 考虑到齿轮传递的功率不大，故齿轮、齿条都选用45钢调质处理，齿面硬度分别为220HBS、260HBS,7级精度。齿轮、齿条的模数拟确定为：m=3； 圆柱齿轮齿数为：z=19 分度圆直径：d=mz (3-12) 由公式3-12得： d31957mm因为齿轮齿条传递的功率不大，齿宽系数：=0.4 b= d (3-13)由公式3-13得： b 0.45722.8mm对齿宽进行圆整b=25mm b= b+(510)mm (3-14)由公式3-14 得： b25+5 30mm齿高h=2.25m (3-15)由公式3-15得： H2.2537.25D.校核齿根弯曲疲劳强度： (3-16)确定公式中各参数值：a.计算载荷系数K： KKAKvK (3-17) 查参考文献10P112表6.2得使用系数KA=1；根据v20/min、7级精度，查参考文献10P114图6.10得动载系数Kv=1，查参考文献10P115图6.13得K=1.15 则由公式3-17得： K111.15 1.15由公式3-2得： n0.112r/minT9.55106 (3-18) 由公式3-18得： T 9.551066.309810Nmmb. 查参考文献10P111图6.9，齿轮、齿条的弯曲疲劳强度极限220MPa,=240MPa；c.弯曲疲劳寿命系数：查参考文献10P109图6.7取K=0.90,K=0.88；d.许用弯曲应力：取定弯曲疲劳安全系数S=1.4,应力修正系数Y=2.0 K Y/ S (3-19)由公式3-19得：K Y/ S2400.882/1.4282.86MPaK Y/ S2200.92/1.4301.71MPae.齿型系数Y、Y和应力修正系数Y、Y： 查参考文献10P120，表6.4得：Y2.85，Y2.06 Y1.54，Y1.97f.计算大小齿轮的Y Y/于Y Y/，并加以比较取其中大值代入公式计算：=0.0156 0.0100 圆柱齿轮的数值大，应按圆柱齿轮校核齿根弯曲疲劳强度g.校核计算： 将相关参数代入3-16得： 2.851.54163.37MPa所以设计的齿轮、齿条满足使用要求。E传动轴的设计 a. 轴的材料选择： 轴的材料选择45钢 b.最小直径估算： 查参考文献10P292表11.3，C=110。 由公式3-3得： d11020.64mm 因为轴上开有键槽， 所以d= d(1+7%) (3-20)由公式3-20得： d20.64（17）22.08 对轴进行圆整： D30 dd30mm由于轴的直径和齿轮的分度圆直径相差不大，所以考虑做成齿轮轴。如图所示：图3-3 齿轮轴结构示意图轴1段装滚子链联轴器，链与链轮间的啮合间隙可补偿两轴间的相对位移。轴2、轴6段装轴承，该轴主要承受径向力，所以采用深沟球轴承。轴4段为齿轮。F.齿条长度以及齿轮轴的安装高度的确定：齿轮轴、齿条安装示意图如图34所示高度L5取决于弹簧的最长长度,L5 取决于弹簧的最小长度。L4为齿条的长度。假设初始状态下，上下磨头之间的距离为100mm，弹簧的最小长度是15mm，则L2100-15=85mm，弹簧的最长长度为150mm，则L5=150-100=50mm，齿条向下移动时，为有足够的下移空间L1=90mm，考虑到齿条的安装尺寸，以及防止齿条因过量进给与支撑板产生碰撞，齿轮轴的安装高度为175mm。齿条的安装尺寸拟确定为25mm,为防止在齿条最高、最低点时与齿轮啮合不充分，把齿条适当增长，拟确定为10mm，砂轮的补偿高度为5mm。则齿条的总长度：L4L5L22521025508550205210mmG电机与减速器的选择有上面的计算可知，输出功率为0.74W，则输入功率：P入(为总传动效率) (3-21)轴承的传动效率为0.98，减速器拟采用摆线针轮减速器，摆线针轮减速器传动效率高：由于该机啮合部位采用了滚动啮合，一般效率为可达0.98。0.980.980.980.941由公式3-21得：P入0.786W 由公式3-2得：齿轮转速 0.112r/min齿轮的转速很低，结合摆线针轮减速器的选择，传动比不能太大，传送比大，摆线针轮的尺寸、价格都会相应增加。所以电机选择YC系列。查阅参考文献3，电机型号选择YC90S-4，额定功率0.55Kw，满载转速为1400r/min。传动比：i=1250根据传动比，以及输入功率选择减速器。查阅参考文献3,减速器型号
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