超细长外圆珩磨技术研究

1、超细长外圆珩磨技术研究超细长外圆珩磨技术研究 摘要：摘要：随着科学技术的快速发展，各生产企业对加工效率以及加工质量的要求越来 越高。珩磨加工作为精加工的一种有效方法，它不仅能去除较大的加工余量，而且 能提高工件内孔或外圆的尺寸、形状精度和降低表面粗糙度，是一种高效的机械加 工方法。在珩磨金属材料，特别是难加工材料，如何提高其磨削效率，是珩磨加工 技术的一个主要研究内容。本次毕业设计的目的即是进行超细长外圆珩磨系统设计， 从而对超细长外圆工件（直径为2870mm，长度可达 3000mm）的外圆表面进行 珩磨精加工，使其精度等级（尺寸精度等级）和表面质量（表面粗糙度）达到一定 要求。本次毕业设计的

2、主要内容包括对车床 CA61635000 的总体改造设计，其中 重点即是对车床 CA6163 刀架部分的改造设计，外圆珩磨头的改进设计，另外还有 珩磨时润滑油路的系统设计，最后通过珩磨时力与扭矩的分析与计算以及外圆珩磨 试验并数据处理来进行珩磨机床的性能校核与可行性分析。本次毕业设计遵循参照 分析研究的方法，即通过分析内孔珩磨系统，其中包括如何将车床改造成为内孔珩 磨机床以及内孔珩磨头的设计，内孔珩磨油路的系统设计等，以此为基础来进行外 圆珩磨系统的研究与设计，重点即是对单锥面外圆珩磨头的进一步改进。本次毕业 设计的成果包括由车床 CA61635000 改装而成的超细长外圆珩磨机床工作图 （A

3、0） ，工件保持架装配图（A2） ，外圆珩磨头装配及其零件图（A2 及 A4） 。本次 毕业设计通过珩磨时力与扭矩的分析与计算可得出所改造的外圆珩磨机床动力足够， 通过试验并数据处理可得出所设计的外圆珩磨系统满足毕业设计任务书中所要求加 工工件的直径范围，并且加工出的工件可达到理想的精度等级与表面质量。因此可 得出结论，即所设计的超细长外圆珩磨系统是可行的，能够用于该直径范围内的工 件的加工生产。 关键词：关键词：外圆珩磨系统；外圆珩磨头；润滑油路；珩磨试验 The Experimental Research on Superfine Cylindrical Honing Abstract:

4、With the rapid development of science and technology, the production enterprises of processing efficiency and processing quality have become increasingly demanding. As an effective method, finishing honing can not only remove the larger allowance, but also improve the hole or cylindrical work piece

5、size, shape accuracy and reduce the surface roughness, so it is a highly efficient machining method. In the honing of metal materials, particularly difficult to machine materials, how to improve the efficiency of its grinding is one of the main research of honing technology. The purpose of this grad

6、uation project is a long cylindrical ultra-fine honing system design, a long cylindrical piece of fine (diameter of2870mm, length up to 3000mm) of the cylindrical surface honing finishing, so that the accuracy level (dimensional accuracy level) and surface quality (surface roughness) meet certain re

7、quirements. The main graduation include lathe CA6163 5000 for the overall transformation of the design, which focuses on CA6163 lathe tool holder that is part of the transformation of the design, cylindrical honing head of improved design, in addition to honing the system when the lubricating oil de

8、sign, the final time by honing analysis of force and torque calculation and experiment and data processing Cylindrical Honing machine for checking the performance and feasibility analysis. The graduation project follows the reference method of analysis, which bore honing system by the analysis, incl

9、uding how to be transformed into the lathe and the bore hole honing machine honing head design, bore honing oil system design, as a basis for the cylindrical honing system research and design, focusing on the single cone is the further improvement of Cylindrical Honing head. The results of graduatio

10、n from the lathe CA6163 5000, include the conversion into ultra-fine honing machine work long cylindrical map (A0), the work piece retainer assembly drawing (A2), cylindrical honing head assembly and parts diagram (A2 and A4). The graduation project when the force and torque by honing analysis and c

11、alculation can be drawn from the transformation of the cylindrical honing machine enough power and through the testing and data processing can be drawn from the cylindrical honing system designed to meet the graduation requirements of the task book work piece diameter range, and the work piece can b

12、e machined to achieve the desired level of accuracy and surface quality. Therefore it can be concluded that the design of ultra long cylindrical honing system is feasible and can be used within the scope of the diameter of the work piece processing. Key words: cylindrical honing system; cylindrical

13、honing head; lubricating oil; honing test 目目 录录 1 绪论.1 1.1 研究、设计的目的及意义.1 1.2 国内外研究现状.1 1.3.1 珩磨加工的特点.5 1.3.2 珩磨加工的工作原理.5 1.3.3 珩磨加工的切削过程.7 1.4 研究、设计方法及理论依据.8 1.5 毕业设计的主要内容.9 2 外圆珩磨系统结构设计.10 2.1 外圆珩磨系统总体方案的设计.10 2.2 车床刀架部分的详细改造设计.12 2.3 珩磨油石.14 2.4 珩磨头的结构形式.16 2.5 外圆珩磨头的结构设计与改进.19 2.5.1 珩磨头结构设计的基本原则.

14、19 2.5.2 两种改进方案的分析比较与优化选择.21 2.5.3 珩磨头总体结构尺寸的确定.23 2.5.4 珩磨头各零部件的选择与设计.24 2.6 珩磨时润滑油路系统设计.28 3 外圆珩磨系统可行性分析计算.29 3.1 车床型号的匹配验证.29 3.2 珩磨切削力的分析.29 3.3 珩磨加工力与扭矩的验算.30 3.4 强度校核.32 4 外圆珩磨系统加工性能测试试验.33 4.1 试验目的.33 4.2 试验仪器.33 4.3 试验原始数据处理.33 4.3.1 工件尺寸精度测量.33 4.3.2 工件表面粗糙度测量.33 4.4 数据处理与分析.34 4.4.1 工件尺寸精度

15、.34 4.4.2 工件表面粗糙度.35 4.5 试验结论.36 5 毕业设计小结.37 参考文献参考文献.38 致谢致谢.40 附录附录 A：文献综述：文献综述.41 附录附录 B：经济性分析：经济性分析.44 1 绪论绪论 1.1 研究、设计的目的及意义研究、设计的目的及意义 装备制造业作为制造业的核心组成部分，为国民经济和国防建设提供生产技术 装备，是国民经济发展特别是工业发展的基础。建立起强大的装备制造业，是提高 中国综合国力，实现工业化的根本保证。本课题即源于装备制造业的生产实际，众 所周知：车工怕车杆，这句话反映出车削细长杆的难度。由于细长轴的特点和技术 要求，在高速车削时，易产生

16、振动、多棱、竹节、圆柱度差和弯曲等缺陷。因此， 细长杆零件的砂带磨削，单边车削或磨削不锈钢细长杆零件，由于刚性差，若不采 取相应的措施，往往不能进行加工。就是采取措施，能顺利进行单边车削或磨削加 工，也会因横向切削力而使细长杆发生变形，而使被加工细长杆或多或少成为两头 直径小、中间直径大的腰鼓形。 为彻底改变这种由于加工工艺所带来的较大误差，故可采用一种细长圆杆状外 圆珩磨机，它有狭长的床身，床身纵向有导轨。另外，其主轴箱有输出旋转动力的 轴，轴上有可卡住细长圆杆件一端的卡具，床身上固定有珩磨主机，珩磨主机上有 圆管形导向套，细长圆杆件被主轴箱上的卡具卡住一端后，另一端可从导向套中穿 入，导向

17、套管壁有油石座孔，孔中安置有可径向活动的油石座，导向套外有圆筒形 内导轨套，内导轨套轴向运动可带动油石座径向活动。使油石贴紧导向套内的圆杆 件，以进行珩磨加工。 并且，随着科学技术的快速发展，珩磨技术已在制造业的诸多领域得到了应用。 例如，珩磨技术在汽车制造业中的应用，尤其是在先进的精密孔加工中的应用。比 较典型的应用有发动机缸体、缸套、连杆、齿轮、油泵油嘴、刹车泵、刹车鼓、油 缸、转向器、增压器等。珩磨在油泵油嘴行业的应用，生产出来的善能 KGM5000 系列珩磨机是针对油泵油嘴行业的柱塞而开发的高精度珩磨机，去除量为 0.01mm， 加工总周期为 30 秒；圆度 0.0005mm；直线度

18、0.0007mm；表面粗糙度 Ra 0.06mm， 从而实现了完全以珩代磨的目标，从而大大延长了提高了油泵油嘴的性能和寿命， 完全达到国家的相关标准。珩磨在齿轮内孔中的应用，现在广泛使用珩磨工艺的汽 车齿轮有行星轮、太阳轮、双联齿轮等。此外，珩磨在增压器零件上的应用，根据 增压器中间壳的材料和内孔的特殊结构形式，可采用电镀金刚石磨粒套作为珩磨工 具，多立轴式结构型式，可以实现在一个循环过程中完成粗加工、半精加工、精加 工和去毛刺等多个加工部序，多工位转台可以实现加工过程的自动化，提高工作效 率。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 珩磨技术早在 20 年代初期就在汽车、拖拉机行业得到应用。早

19、期的珩磨，主要 用来提高工件的表面粗糙度，效率低，应用范围小。但在生产实践中，人们发现珩 磨加工有许多独特的优点，是一种具有广泛前途的切削技术，因而很快地推广应用 于船舶、轴承、军工和工程机械等制造业中。如今，珩磨已不再是一种只能提高表 面粗糙度的加工方法，而成为能够快速可靠地去除一定的余量、提高表面粗糙度和 精度的一种半精加工和精加工的工艺方法。 珩磨不需要特殊的条件就能使零件获得精确的尺寸、几何精度、良好的表面质 量和高的使用寿命，因而在国外机械制造业的各个领域中被广泛应用，甚至成为某 些领域中必不可少的加工手段。近年来，珩磨已成为发动机气缸套、气缸体孔以及 工程机械中重要的液压缸等精密偶

20、件孔加工必不可少的工艺技术，通过良好的珩磨， 在发动机方面，大大缩短了跑合时间，减少了燃料消耗，避免了孔的拉毛划伤；在 液压偶件孔方面，它通过工作表面均匀的油膜，大大提高了偶件间的配合精度，增 强密封性能，提高液压系统的稳定性与功率增长。珩磨工艺质量直接影响气缸套、 气缸体、液压缸等关键基础件的使用寿命，决定了发动机的大修时间、油耗和尾气 排放以及液压系统的稳定性与可靠性。随着工程技术领域对发动机运行机理的深入 研究，对珩磨工艺技术提出了更高的要求，由 70 年代以前单纯追求珩磨工艺获得内 壁尺寸高精度的尺寸公差和形位公差，发展到当今，在控制尺寸精度和形位公差的 同时，更注重控制珩磨网纹的微观

21、结构(如网纹石墨裸露率、表面金属折皱、波峰与 波谷形态等)，研究不同珩磨类型的适用性(如镜面和平台网纹等)，其中平台网纹以 其理想的网纹结构，在大功率、重载、高速类汽车发动机和中、低速船柴发动机中 得到普遍重视。在国内发动机气缸套、气缸体以及工程机械液压系统制造业，现普 遍采用珩磨技术，但珩磨水平较低，对珩磨工艺参数研究较为松散，珩磨国家标准 仅相当于国际 70 年代水平，对珩磨控制的参数仅有 Ra、Rz、tp、Sk 等少数几组， 而国际先进标准及一些发达的发动机主机厂家根据气缸摩擦副机理研究，提出控制 珩磨石墨裸露率等技术要求，现在国际先进的珩磨技术需求石墨裸露率达 40，而 我国的珩磨技术

22、水平已远远不能满足现代工业，尤其是汽车工业的技术需求。表面 粗糙度检测仪器的研究，主要是为适应精密偶件珩磨技术的发展而发展，根据珩磨 网纹微观结构，国际先进的检测仪器可检测 70 种以上参数。通过对这些参数的检测， 操作人员或技术人员对珩磨切削参数进行调整，从而获得较为理想的珩磨网纹。著 名的检测系统有英国泰勒、德国霍梅尔、德国马尔、日本精工等。这些工艺、检测 技术的研发，大大改善了发动机运行性能，延长了发动机的使用寿命，但均存在各 自利弊：通过激光珩磨技术，可以获得理想的近似矩形的交叉网纹沟槽，对发动机 气缸套、缸体使用寿命、耐磨性、配副性、储油性等大大提高，为目前最理想的加 工表面，但工效

23、太低，难以适应发动机大批量生产需求。 当前，在发达国家，对珩磨技术方面的研究主要侧重于新型珩磨技术研发，如 德国拉格尔公司研制的双向双进给平顶珩磨，德国格林公司最新研制的激光珩磨， 美国善能公司新开发的刷珩技术。涮珩为当前国际最新研制的珩磨技术，使表面轮 廓的顶部变成圆形，这就意味着表面的储油性能高、切削深度小，与平顶结构相似， 但该技术对机床性能有较高要求，且涮磨头的材质还处于试验研究阶段，目前很难 获得普及；处于世界领先水平的德国拉格尔公司近几年开发研制出的一种新型珩磨 技术，主要对传统珩磨工艺中存在的金属折皱、石墨裸露率低等问题进行了有针对 性的技术改进，该技术很好地解决了发动机对气缸套

24、、气缸体孔表面高精度的要求， 目前已成为国际先进发动机制造业普遍认可的最为成熟的珩磨技术，并成为今后珩 磨技术发展的主流。其存在的缺点是对珩磨操作人员的技能要求较高，高精度的网 纹参数工艺设计与诊断完全由操作人员掌握和控制调节，珩磨网纹的加工质量很大 程度上取决于操作人员技能高低。如何减少人为影响因素，实现珩磨工艺设计优化、 工艺过程智能诊断成为当前发动机制造业科技发展的重要研究课题。 珩磨加工是内孔精加工的一种有效方法，现在珩磨已不仅用作高精度要求的最 终加工工序，并且还可作为切除较大余量的中间工序，是一种高效、优质的加工方 法。在精密深孔珩磨加工工艺中，具有代表性的有深孔挤压珩磨工艺、深孔

25、强力珩 磨工艺、超声波深孔珩磨工艺、激光珩磨工艺。 孔挤压珩磨工艺又称为磨料流加工技术，是利用半固态的研磨料，在限制 通道范围内，在挤压力作用下，使磨料在被加工表面进行往复运动，对内孔表面进 行研磨、抛光，清除表面硬化层，降低表面粗糙度的一种深孔表面光整加工技术。 深孔强力珩磨工艺是国际上近年来发展起来的一种高效率、高精度工艺。 所谓强力珩磨就是其磨削工件时压力大，比普通珩磨大 57 倍；加工余量大，比普 通珩磨大 1020 倍；磨削效率高，比普通珩磨高 2030 倍；加工质量好，尺寸精度 可达 IT5IT6，表面粗糙度可达 0.2m。采用强力珩磨工艺可省去粗镗、浮镗、精镗 等工序，是磨削、精

26、整和修光三位一体的精密加工工艺。它特别适用于采用其它工 艺无法保证精度的情况下有效加工的长管件和长杆件内、外圆表面的精密加工。 超声振动珩磨是在普通珩磨的基础上，使油石附加了超声频的机械振动， 可以降低珩磨力，避免油石的堵塞，提高加工质量，并且以人造金刚石或立方氮化 硼油石取代传统的碳化硅油石，在珩磨效率、珩磨质量上都获得了较好的效果。因 此，超声振动珩磨是解决高硬度钢精密深孔加工的有效方法之一。 激光珩磨加工是激光技术与机械珩磨技术的结合。其原理是利用具有一定 能量密度的激光束在已经机械珩磨的机械表面上，通过去除表面材料进行微观几何 造型，在表面上形成与润滑性能要求优化匹配的、连续均匀的、具

27、有一定密度(间距)、 宽度、深度、角度、形状的储存和输送润滑油的油路和凹腔，从而提供能优化润滑 状况和有利于形成液体动眶润滑条件的表面结构形貌，以便在摩擦副表面之间形成 具有最小厚度的动压润滑油膜，减少崮体间的直接接触，达到减小磨损的作用。同 时，珩磨工艺对于微小深孔的加上也是很有效的。这类微小深孔的特点是表面相糙 度要求很高，加工余量很小。微小深孔珩磨的珩磨压力和径向进给由心杆的离心力 来产生的，将其做成非对称的形状， 珩磨工具在高速旋转的过程中形成偏心，使心 杆产生不平衡的径向力，并使珩磨头在其整个接触线的长度上均以相等的接触压力 与工件表面接触，进行珩磨。通过改变磨具的转速，也可以在一定

28、范围内无级径向 调速。 随着珩磨加工工艺的发展，珩磨机床也有长足的改进。国外珩磨机床的发展以 美国善能公司为代表。自 1924 年成立以来，她一直致力于箱体加工技术和发动机再 制造设备的研究与开发，始终走在世界珩磨技术前列。经过近八十年的发展，善能 公司已成为世界上最大的从事珩磨技术的专业化公司。产品覆盖各种规格的珩磨机 床、发动机再制造设备、磨料、珩磨工具、测量仪表、切削液等辅件。如善能 HT 系列卧式强力珩磨机是善能孔加工经验和先进的全自动技术的完美结合，性能非常 卓越，是大孔工件珩磨的最佳选择。孔径范围：251000mm，最大长度：16m。主 轴通过一个无级变速的齿轮箱驱动装置，对不同孔

29、径的零件很容易地设定主轴转速。 机床不运转时可随时释放刹车装置。IPC/MPC 的油石进给控制系统，实现连续的切 削加工和油石的磨损补偿，保证了最高效的操作运转。当加工大型部件或宜径大于 600 mm 的孔时，可先拆掉工作台，直接把工件定位夹持存夹具上。采用 PLC(工业 PC 控制系统)对冲程位置，油石进给速率和切削压力进行设置，以实现对孔形的最 佳控制。HTC 系列卧式强力珩磨机采用 IJ 编程的触按屏使用触摸屏进行编程，输 入工件的尺寸，机器会推荐正确的工具，估算主轴的合适转速。触摸屏也可显示机 床的工作状况：主轴的负载、高低点、珩磨头位置、珩磨时间、进给速率、功率范 同等。更为重要的是

30、可利用触摸屏按次序调整机床。善能公司的可编程的触摸屏消 除了多按钮面板的混乱现象，减少了调整时间。控制系统 IJ 发现孔的高点与低点， 自动进行孔形的校正。机床可自动调整冲程位置。同时，国内珩磨机床也有了长足 的发展，其开发是仿照国外珩磨机床设计的，如山东德隆机床厂生产的系列深孔强 力珩磨机床。该机床加工的零件孔径精度达 IT7 级以上，表面粗糙度达 Ra0.20.4m。还可以进行局部珩磨，以便修正零件的锥度和圆度。在珩磨过程中采 用自动循环定时控制，往复速度由仪表显示，换向平稳，高速方便，容易保证孔径 尺寸精度和减轻劳动强度。并且在珩磨过程中，砂条和工件始终保持恒压，使砂条 进行强力磨削，保

31、证了深孔加工的高效率。对一般圆柱形深孔零件，粗镗后进行粗 精珩磨，若使用冷拔钢管，可直接进行强力珩磨改变了深孔加工多工序的传统工艺 方法，有效地提高了生产率。被珩磨零件材质为铸铁和各类钢材，包括淬硬后的工 件。此机床的冷却系统，采用三级过滤，充分保证了冷却液的清洁度。它的控制集 中于电气操纵中心进行，操作方便5。 在珩磨技术及控制技术研究方面，国内起步较晚，而且相关设备和数控系统主 要是依靠进口和国外企业的合作开发，国外虽研究起步较早，但进口该设备成本过 高。深孔珩磨加工机床有专用深孔珩磨机床及改装型深孔珩磨机床两种对于生产 规模较小和一些维修厂家如采用专用深孔珩磨机，其设备投资大，经济性不高

32、。而 我们西安石油大学深孔加工研究所针对一些小型机械加工和维修厂家的资金不足且 所加工零件都是小批量的特点，开发了将车床改装成卧式深孔珩磨机床的技术，受 到用户的好评。 1.3 珩磨加工的特点及原理珩磨加工的特点及原理 1.3.1 珩磨加工的特点珩磨加工的特点 珩磨加工与一般切削加工相比具有以下特点 可以获得高的加工精度 珩磨可以在较短的时间内获得较高的形状精度及尺寸精度。加工直径小于 50mm 的孔时，其轴心线直线度可达 1m。经珩磨加工的内孔，尺寸精度可达 IT6IT7。但珩磨加工不能提高被加工孔的位置精度。 可以获得高的表面质量 珩磨的加工表面具有夹叉网纹，有利于润滑油的储存及油膜的保持

33、，能承受较 大的载荷，工件耐磨性好；珩磨表面粗糙度 Ra 值通常可达 0.80.19m，最高可达 0.19m；珩磨加工表面几乎没有热损伤、变质层、嵌砂或冷硬现象。但存在高的残 余压应力，这些都有利于零件使用寿命的提高。 珩磨加工范围广 珩磨能加工各种内孔(通孔、盲孔、多台阶孔、圆锥孔、椭圆孔和余摆线孔等)、 平面、外圆柱表面、球面、齿轮表面以及发动机曲线表面等；能加工的孔径范围为 22000mm，孔深最大为 24000mm，长径比 L/d 约为 1/(50300)；几乎能加工所有工 业原材料。 具有较高的生产率 对机床精度的要求低，珩磨是大面积多刃切削加工，因而具有较高的材料切除 率，如珩磨直

34、径为 100mm 左右的缸套孔，其材料切除率可达 300500mm/s。由于珩 磨时珩磨头或工件要能浮动，珩磨头与机床的连接属于柔性连接，故对机床的精度 要求低，并可用车床、镗床、钻床等机床改装1。 1.3.2 珩磨加工的工作原理珩磨加工的工作原理 内孔珩磨加工如图 1- -1 所示1。 图图 1-11-1 内孔珩磨加工图内孔珩磨加工图 内孔珩磨原理如图 1- -2 所示1。其中包括成形运动图，砂条磨削轨迹展开图以 及合成速度图。 珩磨是利用安装在珩磨头圆周上的若干砂条(油石)，由张开机构（有旋转式和 推进式两种）将砂条沿径向张开，使其压向工件的孔壁，以便产生一定的面接触； 与此同时，使珩磨头

35、作旋转运动和直线往复运动，工件不动；或珩磨头只作旋转运 动，工件往复运动， ；或工件只作旋转运动，珩磨头往复运动，对孔进行低速磨削和 摩擦抛光， 图图 1-21-2 内孔珩磨原理图内孔珩磨原理图 a）成型运动 b）砂条磨削轨迹展开图 c）合成速度 从而实现珩磨。旋转及往复运动的结果是，油石上的磨粒在孔的表面上的切削 轨迹呈交叉而又不重复的网纹，因而获得表面粗糙度较小的加工表面。径向加压运 动是油石的进给运动，加压压力愈大，进给量就愈大。 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

36、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，工件旋转珩磨 头往复运动，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。

37、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1。 1.3.3 珩磨加

38、工的切削过程珩磨加工的切削过程 定压进给珩磨 定压进给中进给机构以恒定的压力压向孔壁，共分三个阶段。 第一个阶段是脱落切削阶段，这种定压珩磨，开始时由于孔壁粗糙，油石与孔 壁接触面积很小，接触压力大，孔壁的凸出部分很快被磨去。而油石表面因接触压 力大，加上切屑对油石粘结剂的磨耗，使磨粒与粘结剂的结合强度下降，因而有的 磨粒在切削压力的作用下自行脱落，油石面即露出新磨粒，此即油石自锐。 第二阶段是破碎切削阶段，随着珩磨的进行，孔表面越来越光，与油石接触面 积越来越大，单位面积的接触压力下降，切削效率降低。同时切下的切屑小而细， 这些切屑对粘结剂的磨耗也很小。因此，油石磨粒脱落很少，此时磨削不是靠

39、新磨 粒，而是由磨粒尖端切削。因而磨粒尖端负荷很大，磨粒易破裂、崩碎而形成新的 切削刃。 第三阶段为堵塞切削阶段，继续珩磨时油石和孔表面的接触面积越来越大，极 细的切屑堆积于油石与孔壁之间不易排除，造成油石堵塞，变得很光滑。因此油石 切削能力极低， 相当于抛光。若继续珩磨，油石堵塞严重而产生粘结性堵塞时，油 石完全失去切削能力并严重发热，孔的精度和表面粗糙度均会受到影响。此时应尽 快结束珩磨。 定量进给珩磨 定量进给珩磨时，进给机构以恒定的速度扩张进给，使磨粒强制性地切入工件。 因此珩磨过程只存在脱落切削和破碎切削，不可能产生堵塞切削现象。因为当油石 产生堵塞切削力下降时，进给量大于实际磨削量

40、，此时珩磨压力增高，从而使磨粒 脱落、破碎，切削作用增强。用此种方法珩磨时，为了提高孔精度和表面粗糙度， 最后可用不进给的方式再珩磨一段时间。 定压定量进给珩磨 开始时以定压进给珩磨，当油石进入堵塞切削阶段时，转换为定量进给珩磨， 以提高效率。最后可用不进给的方式珩磨，提高孔的精度和表面粗糙度1。 本课题针对珩磨机理进行研究，选择合理的方式与材料设计新型外圆珩磨头， 提出改进方案，并且对被加工工件进行加工精度和表面质量的测试与分析，进而研 究所设计外圆珩磨机床的性能，最终提高外圆加工工件的精度等级和表面粗糙度， 以提高经济效益，从而适应现代社会工业高速发展的需求。 本次毕业设计的目的即是进行超

41、细长外圆珩磨系统设计，从而对超细长工件 （外径为28-70mm，长度可达 3000mm）的外圆表面进行珩磨精加工，使其精度 等级（尺寸精度等级）和表面质量（表面粗糙度）达到一定要求。 1.4 研究、设计方法及理论依据研究、设计方法及理论依据 本课题的方法步骤遵循：参照分析研究，改造方案的总体设计，机床刀架部分 的改造设计，外圆珩磨头等改进、设计，外圆珩磨试验及数据分析，机床性能分析 与校核。参照分析研究，即广泛查阅有关文献，了解国内外最新的外圆珩磨加工技 术和机床性能测试技术及其发展方向，对珩磨加工机理从理论上进行分析研究。改 造方案的总体设计，深入观察和了解车床 CA61635000，掌握其

42、基本结构尤其是 刀架部分，理解其刀具与工件之间的相对运动，加之对珩磨机理的认识与了解，从 而提出改造的总体方案。外圆珩磨头等改进、设计，广泛查阅有关文献，了解国内 外最新的内孔珩磨头的结构及其磨削原理，以及现有的单锥面超细长外圆珩磨头的 结构及其工作原理，从而进行适当的改进，设计出更加合理的外圆珩磨头。机床刀 架部分的改造设计，根据改造的总体设计方案对车床刀架部分进行详细的改造与设 计，从而可对工件进行珩磨加工。外圆珩磨试验及数据分析，随机选取被加工工件 进行珩磨加工，并对其精度等级及表面粗糙度进行测试，并记录相关数据。机床性 能分析与校核，根据试验后所记录的相关数据进行数据处理，从而对所设计

43、外圆珩 磨机床进行性能分析，并进行机床校正。 1.5 毕业设计的主要内容毕业设计的主要内容 将车床 CA6163 改装成一珩磨机床，包括润滑、冷却及排屑油路的设计，车床 刀架部分的详细改造，油石的选择，而重点则是外圆珩磨头的设计。待解决的问题 主要是刀架部分的设计转换与外圆珩磨头的改进设计。另外，还要注意珩磨进给量 的选取，被加工工件直径范围的确定以及珩磨头径向活动范围的确定。以保证工件 最终的加工精度及表面质量。 本次毕业设计主要内容如下： 资料检索、外文资料翻译 1500020000 字符（约 6000 汉字）、调研； 完成开题报告； 珩磨技术研究； 设计参数： 珩磨工件直径：2870mm

44、； 最大珩磨工件长度：3000mm； 珩磨机床型号：CA61635000； 外圆珩磨系统总体方案和油路系统方案设计； 可行性分析与计算； 外圆珩磨系统设计； 外圆珩磨工具设计； 完成设计图纸折合零号图 2 张； 撰写设计（论文）说明书一份，正文字数不少于 20000 字。 2 外圆珩磨系统结构设计外圆珩磨系统结构设计 2.1 外圆珩磨系统总体方案的设计外圆珩磨系统总体方案的设计 国内外现在生产的珩磨机可分为立式与卧式两种，目前除加工两米以上的长零 件和加工外形复杂、不易装夹的小型零件的手动往复珩磨机采用卧式之外，一般均 采用立式珩磨机。 由于超细长外圆珩磨机床的特殊性，其价格比较昂贵，对于非专

45、业化超细长外 圆及内孔珩磨加工的厂家，成本过高。而采用普通车床改装为珩磨加工机床，由于 其成本低，制造周期短以及一床多用（车削，深孔珩磨和超细长外圆珩磨）等优点， 已为许多科研院所所接受。 普通车床改装为超细长外圆珩磨机床主要有机床和油路两大部分，机床部分主 要是刀架的改造，油路部分基本保持不变，采用润滑油循环利用方式，即：油箱 过滤器油泵油管珩磨头工件外圆表面油箱。 改造对车床的要求不高，可以用旧机床进行，改装时，不改变原车床的性能， 只需要将机床刀架部分进行改造，使其带动外圆珩磨头进行纵向进给与横向移动。 原机床主运动与进给运动机构不变，即工件旋转，刀架往复进给。改装后的珩磨机 床稍作恢复

46、，仍可作为车床使用。 CA6163 车床是 1985 年与沈阳第一机床厂联合生产的 CA 系列车床，该机床操 作灵便集中，溜板设有快移机构。采用单手柄形象化操作，宜人性好。 机床结构刚 度与传动刚度均高于一般车床，功率利用率高，适于强力高速切削。主轴孔径大， 可选用附件齐全。 CA6163 车床由床身、床头箱、变速箱、进给箱、光杆、丝杆、溜板箱、刀架、 床腿和尾架等部分组成。床身是车床的基础零件，用来支承和安装车床的各部件， 保证其相对位置，如床头箱、进给箱、溜板箱等。床头箱（主轴箱）用以支承主轴 并使之旋转。主轴为空心结构。其前端外锥面安装三爪卡盘等附件来夹持工件，前 端内锥变速箱由电动机带

47、动变速箱内的齿轮轴转动进给箱又称走刀箱，内装进给运 动的变速齿轮，可调整进给量和螺距，并将运动传至光杆或丝杆。光杆、丝杆可将 进给箱的运动传给溜板箱。光杆用于一般车削的自动进给，不能用于车削螺纹。丝 杆用于车削螺纹。故光杠与丝杠可省去不用。溜板箱又称拖板箱，与刀架相联，是 车床进给运动的操纵箱。它可将光杆传来的旋转运动变为车刀的纵向或横向的直线。 刀架用来夹持车刀并使其作纵向、横向或斜向进给运动。尾架安装在床身导轨上。 在尾架的套筒内安装顶尖，支承。采用三爪卡盘与顶尖固定超细长外圆柱体工件。 改造车床型号为 CA6163，如图 2- -1 所示，其相关技术参数如表 2- -1 所示。 床身长度

48、的确定，被改造车床的床身长度取决于被加工工件的最大长度即 3000 mm，根据经验可选取床身长度为 5000mm。 图图 2- -1 CA6163 车床车床 切削用量范围的确定，根据要求，被加工工件直径范围为2870mm，材料 为 45 钢，再根据目前国内 CA6163 的特性，可确定改造的珩磨机床最大转速一般小 于 800r/min，最小进给量大于 0.05mm/r。 冷却排屑系统设计，超细长外圆珩磨系统需要强制冷却、润滑和排屑，因此， 需要设计一个独立的切削液油路。冷却润滑排屑系统主要有油箱、油泵、过滤装置 和液压元件组成。超细长外圆珩磨机床的改装一般实在已经安装好的旧机床上进行， 受到地

49、面和周围空间的限制，不易做成地坑式油箱，往往采用地面式油箱。因此， 油箱高度和宽度要受到车床中心高和床后面空间的限制。油箱长度可按最大加工长 度确定，做成固定式的。 油箱的箱体应设有隔板，保证赃物能够沉淀。此外，还应有滤油装置，过滤器 主要有所要求的过滤精度来确定。而过滤精度取决于工件材料、切削形态及工件表 面粗糙度等因素。 油箱容积、油泵压力及流量的确定。油箱应有足够的容积，保证切削液能正常 冷却以及污物的沉淀和分离。一般来说，油箱的容积至少应为最大油泵流量的 10 倍。 根据所选择的油泵流量为 125L/min，可得油箱容积应不小于 1250L。 油泵压力及流量的选择，油泵的压力和流量一般

50、应根据使用的流体截面确定， 即根据所加工的工件的直径确定。目前国内生产的齿轮泵最大流量为 125L/min，最 大压力为 2.5MPa，基本满足使用要求。 润滑冷却液的选择，润滑油选择液压油（GB/T 11118.11994），代号为 L HL15，运动粘度为 13.516.5/s。润滑脂选择钙钠基润滑脂（ZBE 36001-88），牌 号为 ZBE-2。 表表 2- -1 CA6163 车床技术参数车床技术参数 型号CA6163 床身上最大回转直径630mm 刀架上回转直径380mm 二顶尖间距离2000mm 主轴通孔直径5 mm 床身导轨宽度400mm 床身导轨硬度 HRC48 主轴转速范

51、围 （24） 10-1400r/min 主轴通孔直径 52mm 主电机功率 7.5kW 主轴孔前端锥度 莫氏 6# 公制螺纹范围 1-192 英制螺纹范围2-24 模数螺纹范围0.25-48 径制螺纹范围 1-96 纵向进给量的种数64 改装后的珩磨机床总体尺寸及各部件位置示意详见超细长外圆珩磨机床工作图。 机床总长为 5906mm，总宽为 1190mm，总高为 1450mm。 2.2 车床刀架部分的详细改造设计车床刀架部分的详细改造设计 将一普通车床改装成为一外圆珩磨机床，重点则是对其刀架部分的改造。刀架 部分安装独立电机，功率 0.75kW，刀架体通过螺钉连接至挖有 V 形槽的机床横向 拖

52、板上，横向托板通过 V 形槽装入机床的 V 形横向导轨上，再将横向导轨连接至机 床的纵向拖板上，而纵向拖板则沿机床的纵向进行往复的进给运动。刀架体沿机床 纵向钻有通孔，根据被加工工件直径大小2870mm，取其孔径为 99 mm，孔内放 有两半圆柱体用来夹持一薄壁圆柱体，而此薄壁圆柱体即用来连接外圆珩磨头与刀 架，其上开有凹形槽，将外圆珩磨头的连接螺钉嵌入其中，这样外圆珩磨头就随着 刀架在被加工工件上来回做往复进给运动，以不断进行珩磨。 刀架改装实物加工如图 2- -2 所示。 图图 2- -2 刀架改装实物加工图刀架改装实物加工图 如图所示，刀架体通过螺钉连接至含有 V 形槽的机床横向拖板上，

53、再通过一组 螺钉将此横向拖板连接至机床横向导轨上，以使横向拖板通过 V 形槽在机床横向导 轨上作横向进给调节运动，然后将整个刀架及横向导轨固连在机床纵向拖板上，这 样，当其纵向拖板在其纵向导轨上直线往复运动时，也就带动了整个刀架体及珩磨 头在其上做往复直线进给运动，从而达到珩磨加工的目的。 刀架部分的各零件装配关系详见珩磨机床工件保持架装配图。 其实物结构如图 2- -3 所示。 图图 2- -3 珩磨工件保持架珩磨工件保持架 2.3 珩磨油石珩磨油石 多年来 ，珩磨技术一直有着 “黑色技术” 之称 ，其主要原因是珩磨加工的 技术要求没有任何标准可遵循 ，而是随着生产条件的不同而变化。目前 ，

54、这一技 术被越来越多的人们所认识 ，其经济效益达到了一个新的水平。这一变化应归功于 当代超硬磨料油石金刚石和立方氮化硼材料的发展。超硬珩磨油石是用金刚石或 立方氮化硼磨料等制成的条状固结磨具。20 世纪 70 年代国外开始采用金属结合剂 的金刚石油石和立方氮化硼油石用以加工淬火钢或铸铁4。 综合考虑珩磨油石的磨料、粒度、硬度以及结合剂等参数，本次毕业设计选择 白刚玉（WA）珩磨油石，其适宜加工经热处理的碳钢、合金钢等，应用范围为精 珩、 半精珩。粒度选择 W40，珩磨油石的结合剂选择树脂结合剂（代号 B） ，其强度高， 且有一定弹性，能抗振，油石磨损均匀，寿命长，不易打碎，珩磨出来的零件表面

55、粗糙度较陶瓷结合剂的低。 珩磨前正确地选择油石，是保证顺利完成珩磨工艺的重要条件之一。油石是用 磨料、粒度、硬度、结合剂等几个参数来表示的。 珩磨油石的磨料珩磨油石的磨料是油石的一个重要性能，它直接影响到珩磨加工的 表面质量和生产率。生产中使用的珩磨油石主要有白刚玉、棕刚玉、黑色碳化硅和 绿色碳化硅等，近几年发展到使用人造金刚石、立方氮化硼做珩磨油石的磨料。刚 玉系制成的珩磨油石，适宜珩磨淬火钢、高碳钢以及薄壁零件和抗拉强度高和韧性 较大的金属。它的主要缺点是在珩磨过程中，磨料往往很快崩坏，而且常常会整粒 地掉下来，失去切削能力。因此常要更换油石或者重新修整油石。白刚玉是铝氧粉 在电弧炉内熔融

56、结晶而成，色呈白色，纯度高、破碎性好、切削刃锐利、硬度较高、 切削力较强，适用于合金钢、高速钢、淬火钢等强度大、硬度高的工件的普通磨削、 刃磨、珩磨；单晶刚玉是铝钒土、黄铁矿、无烟煤在电弧炉内熔融的单晶体，色呈 白色或土黄色，它是籍水解粉碎获得的单晶体颗粒无裂纹与残余应力、磨粒为球形 多棱多面体、切削刃硬度高、韧性高、切削力强，适用于高钒高速钢、奥氏体不锈 钢、高速钢、钛合金等高硬度、高强度材料的磨削。碳化硅系油石的硬度比刚玉高， 绿色碳化硅硬度比黑色碳化硅更高，但它们的韧性比较差，磨粒表面的棱角磨钝后， 磨料本身能自动分裂而逐渐剥落，从而产生新的切削刃，这是碳化硅磨料的优点。 碳化硅油石适用

57、于珩磨强度低和性能脆的材料，如铸铁及黄铜等有色金属和非金属 材料。金刚石系磨料可分为天然金刚石和人造金刚石两种。天然金刚石硬度高、强 度大、大负荷珩磨时不易碎裂，磨削性能好，磨削力小，价格较为昂贵，适用于珩 磨高强度、低韧性的攻坚材料。人造金刚石较天然金刚石硬度高，但强度较天然金 刚石低，自锐性好，适合于加工韧性较差的硬或软的工件材料，价格低，所以较天 然金刚石用途范围广。立方氮化硼的硬度高、热稳定性好，对黑色金属的化学反应 与刚玉一样属惰性，是加工钢材料的一种好磨料，尤其适合于加工硬且韧性大的钢 件材料，如特种工具钢(高钒高速钢)、耐热合金钢、镍基高温合金、钛合金和高铬 不锈钢等。这些特殊材

58、料用人造金刚石油石则难以加工。立方氮化硼磨料的这些特 殊加工性能，还表现在它加工时切屑自离性好，故不会发生切屑粘结在油石上的现 象，保证了它对这些材料加工性能始终如一的正常进行。 常见珩磨油石磨料应用范围如表 2- -21所示。珩磨油石的规格选择，本次毕业 设计采用烟台强力珩磨应用有限公司所生产的珩磨油石条，其型号为 QL120A1K2， 为长方体形状（长宽高） ，本次设计所选择的尺寸规格主要有 5064、120108、1310 等，珩磨小直径工件时采用四根珩磨油石条，当珩 磨较大直径工件时，为提高珩磨效率则采用六根珩磨油石条。 表表 2- -2 常见珩磨油石性能常见珩磨油石性能 磨料名称代号

59、适用加工工件材料应用范围 棕刚玉A未淬火的碳钢、合金钢等粗珩 白刚玉WA经热处理的碳钢、合金钢等粗珩、半精 珩 单晶刚玉SA韧性好的轴承钢、不锈钢、耐热钢等粗珩、精珩 铬刚玉PA各种淬火与未淬火钢件精珩 黑色碳化 硅 C铸铁、铜、铝等及各种非金属材料粗珩 绿色碳化 硅 GC 铸铁、铜、铝等，多用于淬火钢及各种脆、硬的金属与非金 属材料 精珩 人造金刚 石 MBD各种钢件、铸铁及脆、硬的金属及非金属材料，如硬质合金粗珩、半精 珩 天然金刚 石 各种钢件，韧性较差的硬或软的工件材料粗珩、半精 珩 立方氮化 硼 CBN韧性好且硬度和强度较高的各种合金钢粗珩、精珩 油石条与油石座的连接方式，常用的有机

60、械加固式、胶合式及压制式三种，考 虑到牢固可靠性，本次毕业设计采用胶合的连接方式，由于油石底面胶层有厚有薄， 胶合后的油石高度不一致，须经修整后才能使用。 2.4 珩磨头的结构形式珩磨头的结构形式 现在国内外生产的珩磨头一般分为通用珩磨头和一些专用珩磨头，大都是用来 珩磨内孔的，只有一些简单的单锥面外圆珩磨头是用来珩磨外圆表面的。 内孔珩磨头如图 2- -41所示。 1-涨芯；2-接杆；3-弹簧；4-油石；5-锥体； 6-油石座；7-磨头体；8-防护板；9-顶销 （a） (b) 图图 2- -4 珩磨小孔专用珩磨头珩磨小孔专用珩磨头 由我们西安石油大学设计制造的单锥面外圆珩磨头。 该种结构较为