CA6140车床改为外圆磨床设计说明书

目录毕业设计（论文）设计（论文）题目：CA6140车床改为外圆磨床设计学院名称：专业：机械设计制造及其自动化班级：姓名：定稿日期：2015年6月10日PAGEV中文摘要PAGEII摘要本次设计是对CA6140车床改为外圆磨床的设计。这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。整机结构主要由电动机产生动力通过主动带轮将需要的动力传递到另外带轮上，带轮带动主轴磨头磨头，从而带动整个装置运动，提高劳动生产率和生产自动化水平。更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本论文研究内容：(1)CA6140车床改为外圆磨床部件装置总体结构设计。(2)CA6140车床改为外圆磨床部件装置工作性能分析。(3)电动机的选择。(4)CA6140车床改为外圆磨床部件装置的传动系统、执行部件设计。(5)对设计零件进行设计计算分析和校核。(6)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。关键词：CA6140车床改为外圆磨床部件装置；带传动，磨头；英文摘要AbstractThedesignoftheCA6140lathetothecylindricalgrinderdesign.Thegraduationdesignofthebasicskillsofthedesignofthetraining,improvetheabilitytoanalyzeandsolveengineeringproblems,andforthedesignofgeneralmachinerytocreateacertaincondition.Thewholestructuremainlybythemotorpowerthroughactivebeltwheelwillneedpowertransfertoanothertakeonthewheel,beltwheeldrivesaspindlegrindingheadgrindinghead,whichledtoamovementofthewholedevice,improvelaborproductivityandautomationlevelofproduction.Ithasabroadprospectforitsdevelopment..Researchcontentofthisthesis:(1)theoverallstructuredesignoftheCA6140latheisreplacedbytheexternalcylindricalgrinder.(2)CA6140lathetothecylindricalgrinderpartsofthedeviceperformanceanalysis.(3)motorselection.(4)CA6140lathetotheexternalcylindricalgrinderpartsofthedrivesystem,theimplementationofthedesign.(5)designandcalculationofthedesignpartsforcalculationandverification.(6)drawingtheassemblydrawingsandimportantpartsoftheassemblydrawingsandpartsdrawingsofthedesignparts.Keywords:CA6140latheasgrindingbelt,grindingheaddevice;目录目录1绪论 11.1国内外研究现状 11.2磨床的现状及其发展趋势 21.3设计意义 22总体设计方案 32.1设计的要求与数据 32.2总体结构设计 33主轴磨头系统及其带传动设计 53.1主轴磨头的基本要求 53.2主轴磨头组件的布局 73.3主轴磨头结构的初步拟定 103.4主轴磨头的材料与热处理 103.5主轴磨头的技术要求 113.6主轴磨头直径的选择 123.7主轴磨头前后轴承的选择 123.8轴承的选型及校核 133.9主轴磨头前端悬伸量 153.10主轴磨头支承跨距 163.11主轴磨头结构图 173.12主轴磨头组件的验算 173.13带传动计算 203.13.1带传动设计 203.13.2选择带型 213.13.3确定带轮的基准直径并验证带速 213.13.4确定中心距离、带的基准长度并验算小轮包角 223.13.5确定带轮的结构和尺寸 224CA6140车床改为外圆磨床部件主轴磨头相关部件 254.1主轴磨头轴承的润滑 254.2主轴磨头组件的密封 254.2.1主轴磨头组件密封装置的类型 254.2.2主轴磨头组件密封装置的选择 254.3轴肩挡圈 264.4挡圈 264.5圆螺母 26总结 27参考文献 28致谢 291绪论1.1国内外研究现状20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第１台数控铣床问世至今已经历了50个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有10～20万台，产值上百亿美元。世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从90年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从2000年至今已接受３个月以后的订货合同，生产任务饱满。我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到50％，库存超过４个月。从1995年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1999年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从2000年８月份的上海数控机床展览会和2001年４月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。数控技术经过50年的２个阶段和６代的发展：第１阶段：硬件数控（NC）第１代：1952年的电子管第２代：1959年晶体管分离元件第３代：1965年的小规模集成电路。第２阶段：软件数控（CNC）第４代：1970年的小型计算机第５代：1974年的微处理器第６代：1990年基于个人PC机（PC-BASEO）第６代的系统优点主要有：（１）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到５万小时以上；（2）提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域（如CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等）；（3）对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本FANUC公司，１年生产５万套以上系统，占世界市场约40％左右，其次是德国的西门子公司约占15％以上，再次是德海德汉尔，西班牙发格，意大利菲亚，法国的ＮＵＭ，日本的三菱、安川。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4μm、磨削精度高达0.025μm；使用电主轴磨头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＜2μm，重复定位精度≤±1μm的机床已越来越多；从主轴磨头转速来看，8.2kw主轴磨头达60000r/min，13kw达42000r/min，高速已不是小功率主轴磨头的专有特征；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/数控端面外圆磨床头架部件，砂轮架采用原装进口，砂轮线速度可达60m/s，砂轮架主轴磨头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。1.3设计意义此毕业设计题目来源于生产实际，由于刀具是工装的重要组成部分，它对于生产的顺利进行及生产效率、产品的精度保证起着至关重要的作用。因此，设计一种高精度的CA6140车床改为外圆磨床部件具有较大的实用价值。2总体设计方案2.1设计的要求与数据车床改磨床的CA6140改造加装的主轴磨头转速3000到2400r/min，功率不小于200W。工件长度变化范围100到300mm用CA6140改造，中托板上部分去掉，加装主轴磨头，然后刀具用磨头，不用砂轮，刀具能随着工件轮廓进行小范围的前后移动(主轴磨头夹具下加个导轨和弹簧)2.2总体结构设计一般来讲，普通CA6140车床改为外圆磨床部件的数控设计主要有两部分，一是设计一套简易微机数控工作台，固定在CA6140车床改为外圆磨床部件的工作台上。用CA6140改造，中托板上部分去掉，加装主轴，然后刀具用磨头，不用砂轮，刀具能随着工件轮廓进行小范围的前后移动(主轴夹具下加个导轨和弹簧)本设计只对磨头组件进行设计。取CA6140车床改为外圆磨床部件步进电机的脉冲当量可选为0.01mm/脉冲，步进电机的步距角0.9°。方案⑴系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。数控CA6140车床改为外圆磨床部件在工作台移动过程中头并不进行孔加工，因此数控装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。

(2)伺服系统的选择伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环3种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具体的系统中，增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了在安装调试增加工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。为此，考虑到在普通立式CA6140车床改为外圆磨床部件上进行设计，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。

(3)执行机构传动方式的确定

为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。故在设计中应考虑以下几点：①尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨等。②尽量消除传动间隙。如步进电机上的传动齿轮采用偏心轴套式消隙结构。

③缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧以提高系统的传动刚度。如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副，丝杠支承设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构等提高传动刚度。CA6140车床改为外圆磨床部件传动采用滚珠丝杠螺母传动副和滚动导轨。(4)计算机系统的选择计算机数控系统一般由微机部分、I/O接口电路、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。在简易数控系统中，大多采用8位微处理器的微型计算机。如何采用Z80CPU或MCS-51单片机组成的微机应用系统。Z80CPU有芯片价廉，通用性强，维修方便等特点。MCS-51单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快和很高的性能价格比等特点。通过比较，对于简易数控机床推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。微机数控的CA6140车床改为外圆磨床部件。由于CA6140车床改为外圆磨床部件的运动部件重量，因此选用有预加载荷的滚珠导轨。采用滚动导轨可减小两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01mm要求，需采用齿轮降速传动。综上所述，本文总体方案确定为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲步进电机，带动丝杠转动，从而实现工件的纵向、横向运动，同时为了防止意外事故，保护微机及其它设备，还设置报警，急停电路等，3主轴磨头系统及其带传动设计主轴磨头组件是CA6140车床改为外圆磨床部件的执行件，它的功用是支承并带动砂轮旋转，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。由于主轴磨头组件的工作性能直接影响到CA6140车床改为外圆磨床部件的加工质量和生产率，因此它是CA6140车床改为外圆磨床部件中的一个关键组件。主轴磨头和一般传动轴的相同点是，两者都传递运动、扭矩并承受传动力，都要保证传动件和支承的正常工件条件，但主轴磨头直接承受切削力，还要带动工件或刀具，实现表面成形运动，因此对主轴磨头有较高的要求。3.1主轴磨头的基本要求3.1.1旋转精度主轴磨头的旋转精度是指主轴磨头在手动或低速、空载时，主轴磨头前端定位面的径向跳动△r、端面跳动△a和轴向窜动值△o。如图3-1所示：图中实线表示理想的旋转轴线，虚线表示实际的旋转轴线。当主轴磨头以工作转速旋转时，主轴磨头回转轴线在空间的漂移量即为运动精度。主轴磨头组件的旋转精度取决于部件中各主要件（如主轴磨头、轴承及支承座孔等）的制造精度和装配、调整精度；运动精度还取决于主轴磨头的转速、轴承的性能和润滑以及主轴磨头部件的动态特性。各类通用CA6140车床改为外圆磨床部件主轴磨头部件的旋转精度已在CA6140车床改为外圆磨床部件精度标准中作了规定，专用CA6140车床改为外圆磨床部件主轴磨头部件的旋转精度则根据工件精度要求确定。图3-1主轴磨头的旋转误差3.1.2刚度主轴磨头组件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗变形的能力，如图2-2所示，即K=F/y（单位为N/m），刚度的倒数y/F称为柔度。主轴磨头组件的刚度，是主轴磨头、轴承和支承座的刚度的综合反映，它直接影响主轴磨头组件的旋转精度。显然，主轴磨头组件的刚度越高，主轴磨头受力后的变形就越小，如若刚度不足，在加工精度方面，主轴磨头前端弹性变形直接影响着工件的精度；在传动质量方面，主轴磨头的弯曲变形将恶化传动齿轮的啮合状况，并使轴承产生侧边压力，从而使这些零件的磨损加剧，寿命缩短；在工件平稳性方面，将使主轴磨头在变化的切削力和传动力等作用下，产生过大的受迫振动，并容易引起切削自激振动，降低了工件的平稳性。图3-2主轴磨头组件静刚度主轴磨头组件的刚度是综合刚度，影响主轴磨头组件刚度的因素很多，主要有：主轴磨头的结构尺寸、轴承的类型及其配置型式、轴承的间隙大小、传动件的布置方式、主轴磨头组件的制造与装配质量等。3.1.3抗振性主轴磨头组件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力。在切削过程中，主轴磨头组件不仅受静载荷的作用，同时也受冲击载荷和交变载荷的作用，使主轴磨头产生振动。如果主轴磨头组件的抗振性差，工作时容易产生振动，从而影响工件的表面质量，降低刀具的耐用度和主轴磨头轴承的寿命，还会产生噪声影响工作环境。随着CA6140车床改为外圆磨床部件向高精度、高效率方向发展，对抗振性要求越来越高。评价主轴磨头组件的抗振性，主要考虑其抵抗受迫振动和自激振动能力的大小。3.1.4温升和热变形主轴磨头组件工作时因各种相对运动处的摩擦和搅油等而发热，产生了温升，温升使主轴磨头组件的形状和位置发生畸变，称为热变形。热变形应以主轴磨头组件运转一定时间后各部分位置的变化来度量。主轴磨头组件温升和热变形，使CA6140车床改为外圆磨床部件各部件间相对位置精度遭到破坏，影响工件加工精度，高精度CA6140车床改为外圆磨床部件尤为严重；热变形造成主轴磨头弯曲，使传动齿轮和轴承的工作状态变坏；热变形还使主轴磨头和轴承，轴承与支承座之间已调整好的间隙和配合发生变化，影响轴承正常工作，间隙过小将加速齿轮和轴承等零件的磨损，严重时甚至会发生轴承抱轴现象。影响主轴磨头组件温升、热变形的主要因素有：轴承的类型和布置方式，轴承间隙及预紧力的大小，润滑方式和散热条件等。3.1.5耐磨性主轴磨头组件的耐磨性是指长期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。因此，主轴磨头组件各个滑动表面，包括主轴磨头端部定位面、锥孔，与滑动轴承配合的轴颈表面，移动式主轴磨头套筒外圆表面等，都必须具有很高的硬度，以保证其耐磨性。为了提高主轴磨头组件的耐磨性，应该正确地选用主轴磨头和滑动轴承的材料及热处理方法、润滑方式，合理调整轴承间隙，良好的润滑和可靠的密封。3.2主轴磨头组件的布局主轴磨头组件的设计，必须保证满足上述的基本要求，从而从全局出发，考虑主轴磨头组件的布局。CA6140车床改为外圆磨床部件主轴磨头有前、后两个支承和前、中、后三个支承两种，以前者较多见。两支承主轴磨头轴承的配置型式，包括主轴磨头轴承的选型、组合以及布置，主要根据对所设计主轴磨头组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求，并考虑轴承的供应、经济性等具体情况，加以确定。在选择时，具体有以下要求：3.2.1适应刚度和承载能力的要求主轴磨头轴承选型应满足所要求的刚度和承载能力。径向载荷较大时，可选用滚子轴承；较小时，可选用球轴承。双列滚动轴承的径向刚度和承载能力，比单列的大。同一支承中采用多个轴承的支承刚度和承载能力，比采用单个轴承大。一般来说，前支承的刚度，应比后支承的大。因为前支承刚度对主轴磨头组件刚度的影响要比后支承的大。表3-1所示为滚动轴承和滑动轴承的比较。表3-1滚动轴承和滑动轴承的比较基本要求滚动轴承滑动轴承动压轴承静压轴承旋转精度精度一般或较差。可在无隙或预加载荷下工作。精度也可以很高，但制造困难单油楔轴承一般，多油楔轴承较高可以很高刚度仅与轴承型号有关，与转速、载荷无关，预紧后可提高一些随转速和载荷升高而增大与节流形式有关，与载荷转速无关承载能力一般为恒定值，高速时受材料疲劳强度限制随转速增加而增加，高速时受温升限制与油腔相对压差有关，不计动压效应时与速度无关抗振性能不好，阻尼系数D=0.029较好，阻尼系数D=0.055很好，阻尼系数D=0.4速度性能高速受疲劳强度和离心力限制，低中速性能较好中高速性能较好。低速时形不成油漠，无承载能力适应于各种转速摩擦功耗一般较小，润滑调整不当时则较大f=0.002～0.008较小f=0.001~0.08本身功耗小，但有相当大的泵功耗f=0.0005～0.001噪声较大无噪声本身无噪声，泵有噪声寿命受疲劳强度限制在不频繁启动时，寿命较长本身寿命无限，但供油系统的寿命有限3.2.2适应转速要求由于结构和制造方面的原因，不同型号和规格的轴承所允许的最高转速是不同的。轴承的规格越大，精度等级越低，允许的最高转速越低。在承受径向载荷的轴承当中，圆柱滚子轴承的极限转速，比圆锥滚子轴承的高。在承受轴向载荷的轴承当中，向心推力轴承的极限转速最高；推力球轴承的次之；圆锥滚子轴承的最低，但承载能力与上述次序相反。因此，应综合考虑转速和承载能力两方面要求来选择轴承型式。3.2.3适应精度的要求起止推作用的轴承的布置有三种方式：前端定位—止推轴承集中布置在前支承；后端定位—集中布置在后支承；两端定位—分别布置在前、后支承。采用前端定位时，主轴磨头受热变形向后延伸，不影响轴向定位精度，但前支承结构复杂，调整轴承间隙较不便，前支承处发热量较大；后端定位的特点与前述的相反；两端定位时，主轴磨头受热伸长后，轴承轴向间隙的改变较大，若止推轴承布置在径向轴承内侧，主轴磨头可能因热膨胀而弯曲。3.2.4适应结构的要求当要求主轴磨头组件在性能上有较高的刚度和一定的承载能力，而在结构上径向尺寸要紧凑时，则可在一个支承（尤其是前支承）中配置两个或两个以上的轴承。对于轴间距很小的多主轴磨头CA6140车床改为外圆磨床部件，由于结构限制，宜采用滚针轴承来承受径向载荷，用推力球轴承来承受轴向载荷，并使两轴承错开排列。3.2.5适应经济性要求确定主轴磨头轴承配置型式，除应考虑满足性能和结构方面要求外，还应作经济性分析，使经济效果好。在中速和大载荷情况下，采用圆锥滚子轴承要比采用向心轴承和推力轴承组合配置型式成本低，因为前者节省了两个轴承，而且箱体工艺性较好。综合考虑以上因素，本设计的主轴磨头采用前、后支承的两支承主轴磨头，前支承采用双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承的组合，D级精度；后支承采用圆柱滚子轴承，E级精度。其中前支承的双列圆柱滚子轴承，滚子直径小，数量多（50—60个），具有较高的刚度；两列滚子交错布置，减少了刚度的变化量；外圈无挡边，加工方便；轴承内孔为锥孔，锥度为1：12，轴向移动内圈使之径向变形，调整径向间隙和预紧；黄铜实体保持架，利于轴承散热。前支承的总体特点是：主轴磨头静刚度好，回转精度高，温升小，径向间隙可以调整，易保持主轴磨头精度，但由于前支承结构比较复杂，前、后支承的温升不同，热变形较大，此外，装配、调整比较麻烦。3.3主轴磨头结构的初步拟定主轴磨头的结构主要决定于主轴磨头上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数目、位置和安装定位的方法，同时还要考虑主轴磨头加工和装配的工艺性，一般在CA6140车床改为外圆磨床部件主轴磨头上装有较多的零件，为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以及便于装配，常把主轴磨头设计成阶梯轴，即轴径从前轴颈起向后依次递减。主轴磨头是空心的或者是实心的，主要取决于CA6140车床改为外圆磨床部件的类型。此次设计的主轴磨头，也设计成阶梯形，同时，在满足刚度要求的前提下，设计成空心轴，以便通过刀具拉杆。主轴磨头端部系指主轴磨头前端。它的形状决定于CA6140车床改为外圆磨床部件的类型、安装夹具或刀具的形式，并应保证夹具或刀具安装可靠、定位准确，装卸方便和能传递一定的扭矩。3.4主轴磨头的材料与热处理主轴磨头材料主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素选择。主轴磨头的刚度与材料的弹性模量E值有关，钢的E值较大（2.1×10N/cm左右），所以，主轴磨头材料首先考虑用钢料。钢的弹性模量E的数值和钢的种类和热处理方式无关，即不论是普通钢或合金钢，其弹性模量E基本相同。因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢（如45钢），只有在载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密CA6140车床改为外圆磨床部件主轴磨头需要减少热处理后的变形时，或者轴向移动的主轴磨头需要保证其耐磨性时，才考虑选用合金钢。当主轴磨头轴承采用滚动轴承时，轴颈可不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，不少45钢主轴磨头轴颈仍进行高频淬火（HRC48～54）.有关45钢主轴磨头热处理情况如下表3-2所列：表3-2使用滚动轴承的45钢主轴磨头热处理等参数工作条件使用机床材料牌号热处理硬度常用代用轻中负载车、钻、铣、磨床主轴磨头4550调质HB220～250轻中负载局部要求高硬度磨床的砂轮轴4550高频淬火HRC52～58轻中负载PV≤40（N·m/cm·s）车、钻、铣、磨床的主轴磨头4550淬火回火高频淬火HRC42～50HRC52～58此次设计的CA6140车床改为外圆磨床部件主轴磨头，考虑到主轴磨头材料的选择原则，选用价格便宜的中碳钢（45钢）。查表2-2中，因工作中承受轻、中负荷，且要求局部高硬度，故热处理采用高频淬火，HRC52～58。3.5主轴磨头的技术要求主轴磨头的精度直接影响到主轴磨头组件的旋转精度。主轴磨头和轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度，关系到接触刚度，零件接触表面形状愈准确、表面粗糙度愈低，则受力后的接触变形愈小，亦即接触刚度愈高。因此，对主轴磨头设计必须提出一定的技术要求。3.5.1轴颈此次设计的主轴磨头，应首先考虑轴颈。支承轴颈是主轴磨头的工作基面、工艺基面和测量基面。主轴磨头工作时，以轴颈作为工作基面进行旋转运动；加工主轴磨头时，为了保证锥孔中心和轴颈中心同轴，一般都以轴颈作为工艺基面来最后精磨锥孔；在检查主轴磨头精度时，以轴颈作为测量基面来检查各部分的同轴度和垂直度。采用滚动轴承时，轴颈的精度必须与轴承的精度相适应。轴颈的表面粗糙度和硬度，将影响其与滚动轴承的配合质量。对于普通精度级CA6140车床改为外圆磨床部件的主轴磨头，其支承轴颈的尺寸精度为IT5，轴颈的几何形状允差（圆度、圆柱度等）通常应小于直径公差的1/4～1/2。3.5.2内锥孔内锥孔是安装刀具或顶尖的定位基面。在检验CA6140车床改为外圆磨床部件精度时，它是代表主轴磨头中心线的基准，用来检查主轴磨头与其他部件的相互位置精度，如主轴磨头与导轨的平行度等。由于刀具和顶尖要经常装拆，故内锥孔必须耐磨。锥孔与轴承轴颈的同轴度，一般以锥孔端部及其相距100～300毫米处对轴颈的径向跳动表示；其形状误差用标准检验锥着色检查的接触面积大小来检验，此乃综合指标；还要求一定的表面粗糙度和硬度等。3.6主轴磨头直径的选择主轴磨头直径对主轴磨头组件刚度的影响很大，直径越大，主轴磨头本身的变形和轴承变形引起的主轴磨头前端位移越小，即主轴磨头组件的刚度越高。但主轴磨头前端轴颈直径D1越大，与之相配的轴承等零件的尺寸越大，要达到相同的公差则制造越困难，重量也增加。同时，加大直径还受到轴承所允许的极限转速的限制，甚至为CA6140车床改为外圆磨床部件结构所不允许。通常，主轴磨头前轴颈直径D1可根据传递功率，并参考现有同类CA6140车床改为外圆磨床部件的主轴磨头轴颈尺寸确定。查《金属切削CA6140车床改为外圆磨床部件设计》第506页表5-12中，几种常见的通用CA6140车床改为外圆磨床部件钢质主轴磨头前轴颈的直径D1，可供参考，如下表3-3所示：CA6140车床改为外圆磨床部件，查上表中对应项，初取D1=D2=30。表3-3主轴磨头前轴颈直径D1的选择机床机床功率（千瓦）1.47～2.52.6～3.63.7～5.55.6～7.37.4～1111～14.7车床60～8070～9070～10595～130110～145140～165铣床50～9060～9060～9575～10090～105100～115外圆磨床头架部件—50～9055～7070～8075～9075～1003.7主轴磨头前后轴承的选择根据前述关于轴承的选择原则，查《金属切削设计简明手册》第375页，选取主轴磨头前支承的双列角接触球轴承.图3-6轴承结构参数及安装尺寸选择3211型号的轴承3.8轴承的选型及校核滚动轴承的选择包括轴承类型选择、轴承精度等级选择和轴承尺寸选择。轴承类型选择适当与否，直接影响轴承寿命以至机器的工作性能。选择轴承类型时应当分析比较各类轴承的特性，并参照同类机器中的轴承使用经验。在选择轴承类型时，首先要考虑载荷的大小、方向以及轴的转速。一般说来，球轴承便宜，在载荷较小时，宜优先选用。滚子轴承的承载能力比球轴承大，而且能承受冲击载荷，因此在重载荷或受有振动、冲击载荷时，应考虑选用滚子轴承。但要注意滚子轴承对角偏斜比较敏感。当主要承受径向载荷时，应选用向心轴承。当承受轴向载荷而转速不高时，可选用推力轴承；如转速较高，可选用角接触球轴承。当同时承受径向裁荷和轴向载荷时，若轴向载荷较小，可选用向心球轴承或接触角不大的角接触球轴承；若轴向载荷较大，而转速不高，可选用推力轴承和向心轴承的组合方式，分别承受轴向载荷和径向载荷；’当轴向载荷较大，且转速较高时，则应选用接触角较大的角接触轴承。各类轴承适用的转速范围是不相同的，在机械设计手册中列出了各类轴承的极限转速。一般应使轴承在低于极限转速下运转。向心球轴承、角接触球轴承和短圆柱痞子轴承的极限转速较高。适用于较高转速场合。推力轴承的极限转速较低．只能用于较低转速场合。其次，在选择轴承类型时还需考虑安装尺寸限制、装拆要求，以及轴承的调心件能和风度，一般球轴承外形尺寸较大，滚子轴承较小，滚针轴承的径向尺寸最小而轴向尺寸较大，此外，不同系列的轴承，其外形尺寸也不相同。选择轴承一般应根据机械的类型、工作条件、可靠性要求及轴承的工作转速n，预先确定一个适当的使用寿命Lb(用工作小时表示)，再进行额定动裁荷和额定静载荷的计算。对于转速较高的轴承(n>10r／min),可按基本额定动载荷计算值选择轴承，然后校核其额定静载荷是否满足要求。当轴承可靠性为90％、轴承材料为常规材料并在常规条件下运转时，取500h作为额定寿命的基准，同时考虑温度、振动、冲击等变化，则轴承基本额定动载荷可按下式进行简化计算。C——基本额定动载荷计算值，N；P——当量动载荷，N；fh——寿命因数；1fn——速度因数；0.822fm——力矩载荷因数，力矩载荷较小时取1.5，较大时取2；fd——冲击载荷因数；1.5fT——温度因数；1CT——轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定动载荷，N；查文献[3]中的表6-2-8至6-2-12，得，fh=1；fn=0.822；fm=1.5；fd=1.5；fT=1。在本输送装置中，可以假设轴承只承受径向载荷，则当量动载荷为：P=XFr+YFa查文献[3]的表6-2-18，得，X=1，Y=0；所以，P=Fr=1128N。由以上可得：3-1本输送机中的轴承承受的载荷多为径向载荷，所以选取深沟球轴承，查文献[6]的附表6-1，并考虑轴的外径，选取轴承6305-RZ，其具体参数为：内径d=25mm，外径D=62mm，基本额定载荷，基本额定静载荷，极限速度为10000r/min，质量为0.219kg。然后校核该轴承的额定静载荷。额定静载荷的计算公式为：式中：——基本额定静载荷计算值，N;——当量静载荷，N；——安全因数——轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定静载荷，N。查文献[3]的表6-2-14知，对于深沟球轴承，其当量静载荷等于径向载荷。查文献[3]的表6-2-14知，安全系数则轴承的基本额定静载荷为：由上式可知，选取的轴承符合要求。3.9主轴磨头前端悬伸量主轴磨头前端悬伸量a指的是主轴磨头前支承支反力的作用点到主轴磨头前端受力作用点之间的距离，它对主轴磨头组件刚度的影响较大。悬伸量越小，主轴磨头组件刚度越好。主轴磨头前端悬伸量a取决于主轴磨头端部的结构形状及尺寸，一般应按标准选取，有时为了提高主轴磨头刚度或定心精度，也可不按标准取。另外，主轴磨头前端悬伸量a还与前支承中轴承的类型及组合型式、工件或夹具的夹紧方式以及前支承的润滑与密封装置的结构尺寸等有关。因此，在满足结构要求的前提下，应尽可能减小悬伸量a，以利于提高主轴磨头组件的刚度。初算时，可查《金属切削CA6140车床改为外圆磨床部件设计》第158页，如下表3-4所示：表3-4主轴磨头的悬伸量与直径之比类型机床和主轴磨头的类型a/D1Ⅰ通用和精密车床，自动车床和短主轴磨头端铣床，用滚动轴承支承，适用于高精度和普通精度要求0.6～1.5Ⅱ中等长度和较长主轴磨头端的车床和铣床，悬伸量不太长（不是细长）的精密镗床和内圆磨，用滚动和滑动轴承支承，适用于绝大部分普通生产的要求1.25～2.5Ⅲ孔加工CA6140车床改为外圆磨床部件，专用加工细长深孔的CA6140车床改为外圆磨床部件，由加工技术决定需要有长的悬伸刀杆或主轴磨头可移动，由于切削较重而不适用于有高精度要求的CA6140车床改为外圆磨床部件>2.5根据上表所列，所设计的CA6140车床改为外圆磨床部件属于Ⅱ型，所以取a/D1为1.25～2.5，即：a=（1.25～2.5）D1=（1.25～2.5）×30=37.5～75初取a=45。3.10主轴磨头支承跨距主轴磨头支承跨距L是指主轴磨头前、后支承支承反力作用点之间的距离。合理确定主轴磨头支承跨距，可提高主轴磨头部件的静刚度。可以证明，支承跨距越小，主轴磨头自身的刚度越大，弯曲变形越小，但支承的变形引起的主轴磨头前端的位移量将增大；支承跨距大，支承的变形引起的主轴磨头前端的位移量较小，但主轴磨头本身的弯曲变形将增大。可见，支承跨距过大或过小都会降低主轴磨头部件的刚度。有关资料对合理跨距选择的推荐值可作参考：（1）L=（4～5）D1（2）L=（3～5）a，用于悬伸长度较小时；（3）L=（1～2）a，用于悬伸长度较大时。根据此次设计的CA6140车床改为外圆磨床部件刚性主轴磨头的悬伸量较大，取L≤2.5a为宜。即此次设计的主轴磨头两支承的合理跨距L≤2.5a=2.5×120=300初取L=280。3.11主轴磨头结构图根据以上的分析计算，可初步得出主轴磨头的结构如图3-7所示：图3-7主轴磨头结构图3.12主轴磨头组件的验算主轴磨头在工作中的受力情况严重，而允许的变形则很微小，决定主轴磨头尺寸的基本因素是所允许的变形的大小，因此主轴磨头的计算主要是刚度的验算，与一般轴着重于强度的情况不一样。通常能满足刚度要求的主轴磨头也能满足强度的要求。刚度乃是载荷与弹性变形的比值。当载荷一定时，刚度与弹性变形成反比。因此，算出弹性变形量后，很容易得到静刚度。主轴磨头组件的弹性变形计算包括：主轴磨头端部挠度和主轴磨头倾角的计算。3.12.1支承的简化对于两支承主轴磨头，若每个支承中仅有一个单列或双列滚动轴承，或者有两个单列球轴承，则可将主轴磨头组件简化为简支梁，如下图2-8所示；若前支承有两个以上滚动轴承，可认为主轴磨头在前支承处无弯曲变形，可简化为固定端梁，如图2-9所示：图3-8主轴磨头组件简化为简支梁图3-9主轴磨头组件简化为固定端梁此次设计的主轴磨头，前支承选用了一个双列向心短圆柱滚子轴承和两个推力球轴承作为支承，即可认为主轴磨头在前支承处无弯曲变形，可简化为上图2-9所示。3.12.2主轴磨头的挠度查《材料力学I》第188页的表6.1，对图2-9作更进一步的分析，如下图3-10所示：根据图3-10，可得此时的最大挠度=其中，F—主轴磨头前端受力。此处，F=F=1213.1Nl—A、B之间的距离。此处，l=a=12cm图3-10固定端梁在载荷作用下的变形E—主轴磨头材料的弹性模量。45钢的E=2.1×10N/cmI—主轴磨头截面的平均惯性矩。当主轴磨头平均直径为D，内孔直径为d时，I=。此处，D=35故可计算出，主轴磨头端部的最大挠度：=-1.87×10mm3-23.12.3主轴磨头倾角主轴磨头上安装主轴磨头和安装传动齿轮处的倾角，称为主轴磨头的倾角。此次设计的主轴磨头主要考虑主轴磨头前支承处的倾角。若安装轴承处的倾角太大，会破坏轴承的正常工作，缩短轴承的使用寿命。根据图2-10，可得此时的最大倾角=其中，F—主轴磨头前端受力。此处，F=F·z=1213.1Nl—A、B之间的距离。此处，l=a=12cmE—主轴磨头材料的弹性模量。45钢的E=2.1×10N/cmI—主轴磨头截面的平均惯性矩。当主轴磨头平均直径为D，内孔直径为d时，I=。此处，D==133故可计算出，主轴磨头倾角为：=-2.3×10rad3-3查《CA6140车床改为外圆磨床部件设计》第一册中机械部分的第670页，可知：当x≤0.0002Lmm≤0.001rad时，刚性主轴磨头的刚度满足要求。此处的x，即为最大挠度和最大倾角，L为主轴磨头支承跨距。将已知数据和代入，即可得：初步设计的主轴磨头满足刚度要求。3.13带传动计算Y801-2Y系列三相异步电动机表3-5Y801-2Y系列三相异步电动机CA6140车床改为外圆磨床部件主轴磨头设计。主轴磨头磨头即为砂轮头，加装的主轴转速3000到2400r/min，主轴磨头功率0.75kw。并实现三级变速。计算按照砂轮可以达到的最高砂轮3000rpm来计算3.13.1带传动设计表3-6工作情况系数工作机原动机ⅰ类ⅱ类一天工作时间/h10~1610~16载荷平稳液体搅拌机；离心式水泵；通风机和鼓风机（）；离心式压缩机；轻型运输机1.01.21.3载荷变动小带式运输机（运送砂石、谷物），通风机（）；发电机；旋转式水泵；金属切削机床；剪床；压力机；印刷机；振动筛载荷变动较大螺旋式运输机；斗式上料机；往复式水泵和压缩机；锻锤；磨粉机；锯木机和木工机械；纺织机械载荷变动很大破碎机（旋转式、颚式等）；球磨机；棒磨机；起重机；挖掘机；橡胶辊压机根据V带的载荷平稳，两班工作制（16小时），查《机械设计》P296表3-6，取KA＝1.1。即3.13.2选择带型普通V带的带型根据传动的设计功率Pd和小带轮的转速n1按《机械设计》P297图13根据算出的Pd＝0.825kW及小带轮转速n1＝2830r/min，查图得：dd=112～140可知应选取A型V带。3.13.3确定带轮的基准直径并验证带速由《机械设计》P298表13－7查得，小带轮基准直径为112～140mm则取dd1=118mm>ddmin.=75mm（dd1根据P295表13-4查得）表3-73V带轮最小基准直径槽型YZABCDE2050751252003555003-4由《机械设计》P295表13-4查“V带轮的基准直径”，得=125mm误差符合要求②带速3-5满足5m/s<v<25~30m/s的要求，故验算带速合适。3.13.4确定中心距离、带的基准长度并验算小轮包角由式可得0.7（118+125）2（118+12）即170.10486，选取=340mm所以有： 3-6由《机械设计》P293表13－2查得Ld＝1实际中心距符合要求。表3-8包角修正系数包角2202102001901801501701601401301201101009001.051.000.920.980.950.890.860.820.780.730.68表3-9弯曲影响系数带型ZABCDE3.13.5确定带轮的结构和尺寸根据V带轮结构的选择条件，电机的主轴磨头直径为d=28mm；由《机械设计》P293，“V带轮的结构”判断：当3d＜dd1(90mm)＜300mm，可采用H型孔板式或者P型辐板式带轮，这次选择H型孔板式作为小带轮。由于dd2>300mm，所以宜选用E型轮辐式带轮。总之，小带轮选H型孔板式结构，大带轮选择E型轮辐式结构。带轮的材料：选用灰铸铁，HT200。对带轮的主要要求是质量小且分布均匀、工艺性好、与带接触的工作表面加工精度要高，以减少带的磨损。转速高时要进行动平衡，对于铸造和焊接带轮的内应力要小,带轮由轮缘、腹板（轮辐）和轮毂三部分组成。带轮的外圈环形部分称为轮缘，轮缘是带轮的工作部分，用以安装传动带，制有梯形轮槽。由于普通V带两侧面间的夹角是40°，为了适应V带在带轮上弯曲时截面变形而使楔角减小，故规定普通V带轮槽角为32°、34°、36°、38°（按带的型号及带轮直径确定），轮槽尺寸见表7-3。装在轴上的筒形部分称为轮毂，是带轮与轴的联接部分。中间部分称为轮幅（腹板），用来联接轮缘与轮毂成一整体。表3-10普通V带轮的轮槽尺寸（摘自GB/T13575.1-92）项目符号槽型YZABCDE基准宽度bp5.38.511.014.019.027.032.0基准线上槽深hamin1.62.02.79.6基准线下槽深hfmin4.77.08.710.814.319.923.4槽间距e8±0.312±0.315±0.319±0.425.5±0.537±0.644.5±0.7第一槽对称面至端面的距离fmin67911.5162328最小轮缘厚55.567.5101215带轮宽BB=(z-1)e+2fz—轮槽数外径da轮槽角32°对应的基准直径dd≤6034°-≤80≤118≤190≤315--36°60≤475≤60038°-＞80＞118＞190＞315＞475＞600极限偏差±1±0.5V带轮按腹板（轮辐）结构的不同分为以下几种型式：

（1）实心带轮：用于尺寸较小的带轮(dd≤(2.5～3)d时)，如图3-11a。

（2）腹板带轮：用于中小尺寸的带轮(dd≤300mm时)，如图3-11b。

（3）孔板带轮：用于尺寸较大的带轮((dd－d)＞100mm时)，如图3-11c。

（4）椭圆轮辐带轮：用于尺寸大的带轮(dd＞500mm时)，如图3-11d。（a）（b）（c）（d）图3-11带轮结构类型根据设计结果，可以得出结论：小带轮选择实心带轮，如图（a）,大带轮选择腹板带轮如图（b）由于是三级传动，需要将3种变速集中在一起。故在（b）基础上改成三级传动的锥形带轮。具体见CAD图纸。4CA6140车床改为外圆磨床部件主轴磨头相关部件4.1主轴磨头轴承的润滑润滑的作用是降低摩擦，减小温升，并与密封装置在一起，保护轴承不受外物的磨损和防止腐蚀。润滑剂和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷。如果选择得合适，可以降低轴承的工作温度和延长使用期限。滚动轴承可以用润滑油或润滑脂来润滑。试验证明，在速度较低时，用润滑脂比用润滑油温升低。所以，此次设计的主轴磨头支承均采用润滑脂。同时，主轴磨头是装在主轴磨头套筒内的，为防止使用润滑油时泄漏，也应采用润滑脂润滑。4.2主轴磨头组件的密封密封对主轴磨头组件的工作性能与润滑影响也较大。CA6140车床改为外圆磨床部件主轴磨头密封不好，将使润滑剂外流，造成浪费，加速零件的磨损，还会严重地影响到工作环境及CA6140车床改为外圆磨床部件的外观。4.2.1主轴磨头组件密封装置的类型主轴磨头组件密封装置的类型，主要有以下几种：具有弹性元件的接触式密封装置；皮碗（油封）式密封装置；具有金属和石墨元件的接触式密封装置；挡油圈式和螺旋沟式密封装置；圈形间隙式、油沟式和迷宫式密封装置；立式主轴磨头的密封装置等。4.2.2主轴磨头组件密封装置的选择选用密封装置时，应考虑到主轴磨头组件的下列具体工作条件：密封处主轴磨头颈的线速度；所用润滑剂的种类及其物理化学性质；主轴磨头组件的工作温度；周围介质的情况；主轴磨头组件的结构特点；密封装置的主要用途等。综合考虑上述因素，主轴磨头前支承处选用迷宫式密封，径向尺寸不超过0.3mm，中填润滑脂，轴向尺寸不超过1.5mm。查《机械设计课程设计手册》第87页表7-17，可得此次选用的迷宫式密封装置的结构参数如下图4-1所示：图4-1迷宫式密封装置的结构参数4.3轴肩挡圈前支承双列向心短