机械设计说明书-凸轮轴砂带抛光机床设计

PAGEI本科毕业设计（论文）题目：凸轮轴砂带抛光机床设计凸轮轴砂带抛光机摘要砂带抛光机根据工件形状用相应的接触方式及高速运动的砂带对工件进行磨削抛光的一种新工艺。相比砂轮抛光，具有加工效率高；加工表面质量高；工艺灵活性大；有较高的抗震性；适用于大面积高效加工；操作安全简单。本次设计采用抱抛式砂带抛光结构，主要零部件有:主动轮，接触轮，衡压液压缸，铰链传动机构，抛光头，调节轮，砂带等。欲利用电机带动主动轮提供动力，传输到接触轮，使砂带和凸轮轴相对摩擦产生切削力进行抛光。

关键词：抱抛式;抛光;磨削PAGE3CamshaftBeltPolishingMachineAbstractBeltsanderwiththeappropriatecontactmethodandbeltspeedmovementoftheworkpiecegrindingandpolishingofanewprocessbasedontheshapeoftheworkpiece.Comparedwithpolishingwheel,thebeltpolishinghavingprocessingefficiency,highsurfacequality,Largeprocessflexibility,highseismicperformance,Alargeareaofefficientprocessing,Safeoperation.Thedesignusesadisposablebeltpolishingholdingstructure,Themaincomponentsincontact:PowerRound,Contactwheel,Hydrauliccylinder,Hingedrivemechanism,Thepolishinghead,Adjustmentwheel,Beltandsoon.Useofmotordrivenpowerwheeltoprovidepower,Transfertocontactwheel,sothatbeltandcamshaftrelativetothecuttingforcesgeneratedbythefrictionpolishing.Keyword:Holddisposable;Polishing;GrindingTOC\o"1-3"\h\u目录1绪论 11.1砂带抛光的一般机理和特点 11.1.1砂带抛光的一般机理 11.1.2砂带磨削抛光的特点 21.2砂带抛光机床的应用范围 21.3砂带抛光机床的现状及发展方向 31.3.1砂带抛光机床在各国的应用 31.3.2砂带抛光机床的发展方向 42工艺分析 52.1确定工艺方案 52.2拟定砂带抛光装置的结构方案 83抛光装置设计 113.1砂带的选择 113.1.1砂带的分类 113.1.2砂带粒度的选择 123.1.3砂带黏结剂的选择 123.1.4砂带基材的选择 123.1.5砂带的规格尺寸选择 123.1.6砂带接头的选择 133.1.7砂带的养护与使用 133.2砂带抛光主要部件的结构设计 133.2.1磨头尺寸与参数的计算 143.2.2接触轮的基本结构及尺寸参数 143.2.3张紧轮和主动轮 153.3砂带抛光工艺参数选择 163.3.1磨削用量及磨削余量选择 163.3.2砂带抛光的冷却、润滑和除尘 183.4砂带的张紧 183.4.1砂带张紧的主要作用 183.4.2砂带张紧力的选择 183.4.3砂带的张紧机构 193.5电动机和弹簧的选择 193.5.1确定砂带抛光装置电动机的功率 193.5.2弹簧的设计 194溜板箱和床鞍的设计 224.1溜板箱的设计 224.1.1齿轮齿条传动计算 224.1.2溜板箱内部齿轮的选择和校核 234.2床鞍丝杠螺母机构的设计 244.2.1丝杠螺母的构造、材料、螺旋方向 244.2.2丝杠的支承 244.2.3丝杠的精度、材料和热处理 244.2.4丝杠螺母传动间隙的补偿 244.2.5丝杠螺母机构的计算 254.2.6床鞍与导轨间的润滑 265总结 27参考文献 28致谢 29毕业设计（论文）知识产权声明 30毕业设计（论文）独创性声明 311绪论在国内，过去的一二十年间，我国的传统制造业中一般采用砂轮磨削或手工抛磨来完成抛磨工序，技术含量、自动化程度和加工精度都较低。在八十年代初到九十年代初的十年中，砂带磨削抛光工艺引起了我国大专院校和科研所及企业界的极大关注。发表了相当数量的实验报告及论文，但由于对砂带磨削工艺特性的了解不够、砂带质量、品种及规格不能满足生产需求、砂带磨床品种太少等原因，导致在国内的砂带热没持续几年就沉寂下来了[1]。通过本课题的设计，能实现凸轮轴抛光机的半自动化，大大提高了生产效率，提高凸轮轴表面的加工质量；该凸轮轴抛光机结构简单，价格低廉，能够为工厂节省大量资金。1.1砂带抛光的一般机理和特点1.1.1砂带抛光的一般机理砂带抛光机床是由砂带、接触轮、张紧轮、工作台等基本部件组成。其抛光原理[2]见图1.1：图1.1砂带抛光机理接触轮的作用在于控制砂带磨粒对工件的接触压力而使砂带磨粒切削。接触轮一般用钢或铸铁做铁心，其上浇注一层硬橡胶制成。橡胶越硬，金属切除率越高，而轮面越软，则抛光表面粗糙度值较低。张紧轮起张紧砂带的作用，是用铸铁或钢制成的滚轮。张紧力越大时，抛光效率越高。由于砂带磨粒排列整齐均匀，具有较小的负前角与较大的后角，且可使磨粒同时参加切削，因此效率高，磨削热产生少、散热效果好。与砂轮抛光相似，切屑的形成也有弹性摩擦变形、刻划、切削三个阶段，但砂带由于具有上述优点，使抛光工件表面残余应力和加工硬化深度均大大低于砂轮抛光。1.1.2砂带磨削抛光的特点1)加工效率高。经过精选的针状砂粒采用先进的“静电植砂法”,使砂粒均匀直立于基底、且锋口向上、定向整齐排列,等高性好,容屑间隙大,接触面小,具有较好的切削性能。应用这一多刀多刃的切削工具进行磨削加工,对钢材的切除率已达每毫米宽砂带200～600mm/min。2)加工表面质量高。砂带磨削时接触面小摩擦发热少,且磨粒散热时间间隔长,可以有效地减少工件变形及烧伤,故加工精度高,尺寸精度可达±0.002mm，平度可达0.001mm。另外,砂带在磨削时是柔性接触,具有较好地磨削、研磨和抛光等多重作用,再加上磨削系统振动小,磨削速度稳定使得表面加工质量粗糙度值小,残余应力状态好,工件的粗糙度可达Ra0.4～0.1μm,且表面有均匀的粗糙度。但由于砂带不能修整,故砂带磨削加工精度比砂轮磨削略低。3)工艺灵活性大,适应性强。砂带磨削可以方便地用于平面、外圆、内圆磨削、复杂的异形面加工、切削余量20mm以下的粗加工磨削、去毛刺和为镀层零件的预加工、抛光表面、消除板坯表面缺陷、刃磨和研磨切削工具、消除焊接处的凸瘤、代替钳工作业的手工劳动。除了有各种通用、专用设备外,设计一个砂带磨头能方便地装于车床、刨床和铣床等常规现成设备上,不仅能使这些机床功能大为扩展,而且能解决一些难加工零件如超长、超大型轴类、平面零件、不规则表面等的精密加工。4)由于砂带有很大的弹性,因而整个系统有比较高的抗振动性。5)砂带尺寸可以很大,适用于大面积高效率加工,且设备简单,操作安全,使用维护方便,更换砂带和培训机床操作人员花费时间较少。砂带抛光机床高速发展的原因之一是经济效果十分显著。日本曾就砂带抛光的生产成本进行了详细的分析,认为抛光轮抛光机床的成本比砂带抛光机床高,例如,以切除铸铁工件每一立方英寸切屑计,用砂带抛光机床比用抛光轮抛光机床成本低25%。6)设备结构简单。接触轮很少磨损，可使砂带保持恒速；传动链短，增加了抛光的稳定性，机床功率利用率达85%以上[2]。1.2砂带抛光机床的应用范围砂带抛光的应用范围远比砂轮抛光广泛，凡是砂轮抛光机床不能抛光的大型平面，难以加工的材料等都能用砂带抛光，例如：1)大型平面的厚板、中等厚板、薄板、特别是耐热难加工材料,如不锈钢板、钛合金板等。2)大量生产的平面零件。如电子工业的印刷板、变压器硅钢片、齿轮箱体等。3)型面加工。各种大小尺寸的复杂型面,特别是发动机叶片。如采用直径小于25mm的抛光轮进行加工,抛光轮会很快磨损,而且也无法确保精度,而砂带抛光机床则能以稳定的速度工作,精度、粗糙度精度、效率都很高。4)用抛光轮抛光机床加工大型容器、大尺寸棒料、管料时抛光轮直径要大于125mm,如改用砂带抛光机床,效率至少可提高一倍。5)对于直径大于25mm的长内孔进行抛光,尤其是薄壁内孔最为适用。1.3砂带抛光机床的现状及发展方向1.3.1砂带抛光机床在各国的应用国外的砂带磨削发展得非常迅速,自20世纪60年代以来,特别是静电植砂技术及涂附磨具技术的出现和发展,欧、美、日等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,随着许多特殊涂附磨料及涂附形式的出现,产生了如金刚石、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。日本已开发出了用软刚带作为基底的金刚石砂带,可有效加工难加工的高硬度材料,如单晶硅片。在国际上知名的砂带品牌有美国的3M、Norton,德国的Hermes,韩国的DEER,日本的牛头等。在砂带磨床方面,不仅有磨削宽度超过5m的巨型平面磨床,还有牙医用的小型修齿机,使得砂带磨床的结构与形式繁多。另外,随着自动化技术的发展,像六轴五联动数控砂带磨床、机器人砂带磨削中心、砂带磨削FMS、并联机构的数控砂带磨床都已经得到应用。砂带磨削现已成为发达国家获得高额经济利润的重要手段,且砂带磨削量已占磨削总加工量一半以上。国内的砂带磨削技术是在20世纪70年代末才开始得以真正发展,随着国内的改革开放,砂带磨削技术引起了各行业、各研究单位和各企业的日益重视,加之砂带制造技术的发展及砂带品种的增加,使得砂带磨削设备的研究和生产也得到了较大的发展。砂带磨削正向着强力、高速、高效和高精方向发展。磨床结构从单一磨头向大型、组合(多磨头、多功能、多工位)形式发展[1]。在加工工艺方面,与特种加工相结合的复合加工是砂带磨削很有前途的发展方向之一,如与超声振动结合形成的超声砂带精密磨削,与电化学加工结合形成的电解砂带磨削等是砂带磨削的重要发展方向。另一方面,自动化技术在砂带磨削中的应用,尤其是数控砂带磨床及自适应控制技术的应用,使砂带磨削的加工效率和精度有了很大的提高,使得砂带磨削已经进入精密和超精密加工行列。砂带本身在不断的发展和完善中。在砂带结构方面,近年出现了堆积磨料砂带、金字塔型砂带、空心球型砂带、复层砂带、高弹性砂带、防跑偏砂带、不等厚砂带、粒度复合砂带等。 41.3.2砂带抛光机床的发展方向(1)继续提高生产效率利于提高抛光速度和机床功率。长期以来,砂带抛光机床的砂带工作速度一直停留在20m/s～30m/s。据美国制造工程学会研究报说,100m/s的高速砂带抛光机床已在试验。在过去较长一个时期,机床功率从每一平方英寸砂带面414kW～715kW,到了70年代已提高到1815kW～26kW,机床功率现如今200kW以上的已屡见不鲜,为提高金属切除率,机床的功率必将增大。发展宽砂带抛光,扩大宽砂带抛光机床的使用范围。目前,最大宽度的砂带抛光机床可抛光419m宽的平面。据报导,宇航器具、大型舰艇、高能物理的研究和应用都要大量使用高精度、高粗糙度精度的板材。提高板材加工效率的途径就是要发展宽砂带抛光机床。(2)提高加工精度西德瓦德里希科堡厂在砂带抛光机床上大量采用高精度常规抛光机床的结构。美国森斯特兰厂的砂带抛光机床,按照砂带抛光工作的特性,设计相应的专用部件以便提高机床的加工精度。但就砂带抛光机床本身来说,砂带制造精度的提高,同样是很重要的。(3)延长砂带寿命延长砂带寿命是降低砂带抛光机床加工成本最为关键的一个因素。目前,使用寿命已从6h~8h提高到12h~15h。为进一步延长砂带寿命,除改善磨料、粘结剂基底之外,国外还从砂带磨损的机理上解决延长寿命的问题。砂带磨损主要是“粘盖”和“磨钝”,特别是“粘盖”现象最为严重,一旦出现“粘盖”,砂带就无法继续使用。因此,美国最近在制造砂带中已加添抗“粘盖”的化学添加剂。(4)提高自动化程度多头砂带抛光机床、运输带式或回转台式砂带抛光机床都是实现自动化的一些手段。至于数控砂带抛光机床,早在1973年在西德就开始使用,西德的FBSA-800、FBSA-1000mm大平面砂带抛光机床也早已开始应用。(5)扩大万能性和适应性一机多能、一机多头机床,上下表面同时加工的机床,磨完工件上表面后工件自行翻身再抛下表面的机床,连续加工而工件自动退回的机床,机电一体化的各种砂带抛光机床,随着工业发展已相继问世和投入使用。砂带抛光机床的万能性、适应性今后还会进一步发展,使砂带抛光机床在工业生产中无所不能[5]。PAGE312工艺分析首先，我们得对凸轮轴有个初步的了解，通常凸轮轴的材料为铸铁或合金钢，铸造的凸轮轴一般经过铸造、硬化（有的是在铸造时采用冷激铸铁，组织是白口铁）、磨削、抛光。钢制的凸轮轴在磨削、淬硬和抛光前，其毛胚是锻造的，或者用棒料粗加工成形的。而加工凸轮轴的抛光工序通常为加工工艺的最后一道工序，且加工余量很小。由于此机床专为凸轮轴的抛光工序设计，具有较强的针对性，因此属于专用机床的设计的范围。同时由于凸轮轴上凸轮的独特曲面特性，应相应的采用与之相适应的加工方法来对其进行加工，其具体的分析如下：2.1确定工艺方案为了在满足加工要求的前提下采用较优的加工方案，我们在确定加工方案时得注重考虑以下的几个问题：首先，抛光的目的是为了获得较高的表面质量，但评价抛光机床的抛光质量有这样两方面的内容，一方面是：机床应保证工件抛光后的最终尺寸精度，保证这些部位抛光前各道工序所获得的形状、位置精度，这是抛光质量的先决条件；另一方面是抛光后的表面粗糙度。对于一般的圆柱工件来说，保证尺寸公差是较容易的，因为工序中为抛光工序留有适当的抛光余量，而这些抛光余量则可根据抛削量制定。其次，我们得考虑的是被加工工件的表面形状，对于我们现有的特定加工对象——凸轮轴而言，各凸轮的曲面为凹或为凸及各凸轮的相对转角（如图2.1所示）及近年来对加工表面质量的要求日趋提高和机床应具备一定的加工工艺范围等，在很大程度上决定了我们所采用加工机床、刀具、抛光装置，为了在机床设计中实现成本、效率、结构、技术熟练成度要求等的优化设计，现在可对以下的几种加工方案进行分析对比，择优采用符合生产实际的加工方案。图2.1四缸凸轮端面视图a.第一种方案，采用砂轮磨床进行抛光。在此方案中，拟采用较高的砂轮和工件的相对转动速度，可进行较大的磨削进给量，获得较大的金属切除率，同时若采用小磨粒的砂轮，也可获得较高的表面质量和较低的表面粗糙度，但若用在凸轮轴加工中，则将主要存在以下的三个问题：(1)工作节拍由于凸轮轮廓复杂，精度要求高，而且同一凸轮轴上各个凸轮之间有严格的相位要求，这在前面的图2.1可以看到。从其表面曲线来看，凸轮轴上的凸轮曲线由基圆部分和工作段部分组成，而工作段部分则由开放曲线、凸尖、关闭曲线组成（如图2.2）。为了保证阀门开关运动平稳要求。这些曲线的设计有专门的要求。对于凸轮的设计者要要仔细分析凸轮的轮廓、升程值及其一阶导数（速度）、二阶导数（加速度），有时还得分析三阶导数（加速度的变化），此外，吸气凸轮与排气凸轮在外形轮廓上稍有不同。还有，为实现发动机气缸的正确点火周期，每个凸轮的相位角是不同地安置的，由于这些原因会导致砂轮的进给控制非常的困难，难以保证加工凸轮的加工精度。同时其灵活性小，若对四缸或六缸的凸轮轴进行加工，则需配备10-14套抛光装置，或者配备一个可编程的控制系统来控制砂轮的进给运动，这样都会导致设计的机床相当复杂。(2)烧伤另一有关的是磨削凸轮轴凸轮的表面质量。显然，金属切除率是直接正比于砂轮与凸轮的相对周边速度。由于凸轮的基圆部分和工作段部分的周边速度不一样，从而凸轮各部分的金属切除率不相同，从而由磨削过程中产生的塑性变形所产生的热量相应增多，其热量的大部分积聚在工件的表面而导致表面局部烧伤。1－凸尖2－基圆3－开放曲线4－关闭曲线图2.2抛光示意图(3)凹入的凸轮轮廓这样的凸轮轴砂轮磨床的前瞻性不好，适应性有限，对于凹入的凸轮没法加工，或者说加工成本很高，可采用小直径的CBN来加工，但由于其经济问题在大规模生产中是无法推广的。近年来，凹入的凸轮已经被发动机设计者感兴趣，其凸轮曲线在开放曲线和关闭曲线处的曲率是负值，在这种廓形中，曲线中以凹的代替直的或凸的曲线。这样的凸轮在工作中比现在的凸轮能更快的开关阀门，这样燃烧更完全，输出的马力更大。当然在以上的三个问题中对于针对中轴厂的中小规模的生产类型及现有的生产加工条件，按照结构简单、重量轻、效率高、成本低、操作方便简单等机床设计原则，第一个问题，即凸轮轴的工作节拍是我们面临的最为关键的问题。若采用与凸轮轴转动同步的控制系统来实现，其较高的技术难度和成本，致使此种方案的可行性较小。b.第二种方案，采用砂带抛光机床进行抛光。砂带抛光是根据工件形状，用相应的接触方式及高速运动的砂带对工件进行磨削抛光的一种新工艺。在过去的五、六十年里，砂带磨削作为一种新工艺，在像塑料、皮革、不锈钢、陶瓷等表面要求较高而又特别难加工的金属和非金属材料。在现代工业中，砂带磨削抛光技术以其独具的加工特点被视为一种很重要的加工方法。国外有专家曾把砂带磨床比做“未来的巨人”加以评述。下面将对砂带磨削抛光的有关原理及其特点加以分析如下：(1)砂带磨削抛光原理实现砂带磨削加工的主要方法有：砂带自由张紧法、带有接触轮的转动砂带法和接触板法。最常用的是带有接触轮的转动砂带法。如图2.3所示图2.3砂带抛光原理砂带套在主动轮、接触轮的外表面上，并使砂带张紧和高速运动，根据工件形状和加工要求，以相应的接触方式和适当的磨削参数对工件进行磨削加工或抛光。(2)砂带磨削抛光机床的基本部件主轴传动装置。有单速或具有较大灵活性的变速传动，有时装有可逆电动机，以改变砂带的运动方向。皮带速度为10～50m/min，通常取16～30m/min，主传动装置的功率，在每10mm宽的砂带上是0.3～0.7kw。砂带张紧装置。保持磨削及导向时砂带的适当张力，在砂带磨削中起到非常重要的作用，它影响到砂带的切削性能和加工零件表面粗糙度。当增加砂带拉力时，可提高金属切除量，但同时也提高了表面粗糙度值和磨料覆盖层的消耗量。经试验表明,砂带的张力在6～8N/mm范围内，在逆磨削时每次行程能切出最大的的金属量。拉紧机构有各种形式，从简单的机械或弹簧方法到宽砂带与重负载磨削机床用的气动及液压拉紧装置。同时，为获得最大的生产率，必须使更换砂带的时间最少，通常操作者能在一分钟内更换砂带。砂带导向装置。这一装置可设计成手动或自动的，视具体情况而定，主要起导向作用。接触轮。接触轮在磨削点上支承砂带，其本体是用铝或钢制成，轮上覆盖有橡胶、纤维、毛毯或其它材料制成的弹性圈。此外，还有吸尘装置。由上面两加工方案的优缺点的对比可知，在凸轮轴的抛光加工工序中应采用砂带加工的加工方案。2.2拟定砂带抛光装置的结构方案对于特定的加工工件，下面以中原轴件厂提供的六缸凸轮轴为例，如图2.4所示，此六缸凸轮轴中的加工表面为1中的十二个进排气凸轮面、2中的六个凸轮轴轴颈和3中的两个滚子轴承端面，同时还可从图中可看到凸轮轴的两端。1－十二个进排气凸轮2－六个凸轮轴轴颈3－两个端面图2.4凸轮轴从六十年代起，用于国产汽车发动机凸轮轴的砂带抛光机床一直采用“靠模顶抛”式结构，如图2.5所示，其工作原理是：用一个与被加工工件形状、尺寸相同的零件做靠模，靠模与工件之间用连杆联接着，连杆靠近工件的一端装有抛光爪，抛光砂带由传送装置送到工件与抛光爪之间，抛光爪使砂带贴在工件表面上，连杆的另一端安装仿形滚轮。连杆在弹簧力作用下使滚轮紧靠着靠模。当靠模与工件同步旋转时，通过连杆，抛光爪即沿工件做仿形运动，砂带即把工件表面抛光。1－弹簧2－滚轮3－靠模4－联杆5－砂带6－工件7－抛光爪图2.5顶抛示意图使用此类机床必须保证以下两点：第一，在安装工件时，应使工件表面的某一点A与靠模对应的某一点A’在同一平面内，且角度与位置相同。第二，抛光时工件与靠模必须保持严格地同步旋转。在实际工作中，传动误差与安装误差总是存在的，这些误差使得工件凸轮曲线在各点的极座标值与靠模对应点的极座标值不一致，最终导致抛光时砂带与工件表面接触力不稳定，影响了抛光质量。“靠模顶抛”式砂带抛光机的另一缺点是：连杆尺寸大，质量也大，运动时会产生较大的动员，特别当连杆的两端靠近凸轮尖端部位的升回程表面时，连杆将获得最大的动量变化值，使凸轮升、回程表面的抛光压力不均匀，因而影响抛光质量．即当抛光爪处于凸轮回程面时，较大的连杆动量值由于惯性的作用，迫使抛光爪离开凸轮表面或者使工件与抛光爪之间的压力降低，也就是砂带与工件表面脱离接触或压力降低，而当抛光爪处在凸轮的升程面时，连杆运动产生的惯性力与弹簧力方向一致，增加了抛光爪作用在位抛光表面的压力。因此，在抛光过程中作用力大小不一致，使得抛光质量不如人意。为了克服“靠模顶抛”式砂带抛光机的缺点，国际上各主要汽车生产国使用的砂带抛光机床普遍采用“抱抛”式抛光头，且由PLC进行控制，其结构如图2.6所示。1－气缸2－新砂带3－工件4－过砂带机构5－旧砂带6－抛光爪图2.6“抱抛”式抛光头从图中可以看到，工件每一个抛光面都有一对抛光爪，平时是撑开的，工作时两个抛光爪将工件“抱”住,砂带从两个抛光爪内穿过，再与工件表面接触，工件每旋转一周，砂带两次抛削工件表面，工作效率是“靠模顶抛”结构的两倍。“抱抛”结构在工作时，两个抛光爪作用在工件上的力大小相等、方向相反，不但使凸轮升、回程表面的抛光质量均匀一致而且使机床主轴和尾架不受径向力,从而提高了机床的使用寿命。“抱抛”式抛光头没有靠模和连杆，结构尺寸小，重量轻，动量惯性小，每个抛光头都配有一个砂带卡盘，更换砂带方便。由上面的分析很明显地知道应该采用“抱抛”式抛光结构。同时考虑到现有的生产条件及各方面的实际情况和机床设计的“三化”，即系列化、通用化、标准化的原则，决定在抱抛结构的控制系统改用液压恒压系统来取代PLC，同时为降低运行成本，提高砂带的利用率，采用闭式砂带装置取代开式砂带装置（如图2.7所示），这样一来，在实现同等控制效果的基础上，既能简化机床又降低机床的制造成本、运行成本和维护成本等，具有较强的现实可行性。Ⅰ－主动轮Ⅱ－恒压系统中的液压缸Ⅲ－张紧轮Ⅳ－抛光头Ⅴ－铰链传动机构Ⅵ－辅助轮Ⅶ－砂带Ⅷ－加工工件图2.7改造的“抱抛”结构示意图3抛光装置设计3.1砂带的选择砂带是一种环行带状的涂附磨具，分为无接头砂带和有接头砂带两种，无接头砂带基材受制造工艺等限制、生产率低等原因，逐渐被淘汰，而被有接头砂带所取代。目前，国内外的砂带标准中砂带实际上就是指有接头砂带。砂带抛光是一种新型抛光工艺，经过30多年来的发展，现已成为一项较完整的且自成体系的加工技术，砂带为涂附磨具的第二代产品，砂带抛光是在一定的设备上进行连续加工的一种高效抛光，且适应范围广泛。3.1.1砂带的分类砂带的种类很多，按砂带形状分，有卷状和环状砂带；按基材分，有布砂带、纸砂带及复合砂带；按黏结剂分有动物胶、半树脂与全树脂砂带；按砂带工作面分，有密植型、稀疏型和超涂层砂带。各种砂带的特性见表3.1表3.1砂带种类及特性砂带种类基材抗拉强度600n负荷时的伸长率布砂带H≥32≤3.0M≥20≤4.5L≥15≤5.0纸砂带C≥8.4—E≥24≤1.5多接头砂带E≥8—复合基砂带复合基≥32≤1.0多接头复合基砂带复合基≥13≤3.0初步可选用H布型砂带。3.1.2砂带粒度的选择砂带粒度的选择，主要根据加工条件与工件表面粗糙度要求而定，其适应范围和可达到的表面粗糙度见表3.2表3.2砂带粒度适用范围及可达到的表面粗糙度粒度适用加工范围可达到的表面粗糙度Ra(um)P16～P24荒磨铸铁、焊接件及打毛刺等——P30～P40内圆、外圆、平面、曲面的粗磨﹥32P50～P120内圆、外圆、平面、曲面的半粗磨及精磨1.6～0.8P150～P240精磨、成形磨0.8～0.2P280～P1200精磨、超精磨及镜面加工等0.2以下凸轮轴抛光的表面粗糙度要求是0.4um，因此根据上表可选用粒度为P150～P240的砂带。3.1.3砂带黏结剂的选择砂带黏结剂的品种、性能及适用范围可查薄宵主编的磨工实用技术手册表1.3-48。半树脂（R/G）底胶为动物胶有较好的弹性、耐磨性及耐热性，不耐水而耐潮湿，黏结性能比动物胶好，制造方便，成本较低，一般用于干磨，适于干磨或油磨，中负荷磨削以及成形表面的加工。此类黏结剂已广泛使用于砂带磨削，黏结性能比动物胶好，因此，可选用全树脂黏结剂。3.1.4砂带基材的选择砂带基材的选择主要根据使用要求而定，加工负荷大，转速高，则要求基体有较高的强度和较小的延伸率，一般选用棉麻织物或尼龙、聚脂（涤纶）纤维织物的基材。普通砂带多根据布的面密度和不同粒度选用不同重量级的纺织品和纸料。砂带选用纸基材比布基材平整光滑，但承载负荷低，采用组合基材则集中了两者的优点，适于重负荷磨削。组合基材有两种形式：一是在两层纸中增加了一层网络布；另一种是在纸基上增加一层布料。根据抛光要求可知，本次加工金属切除量低，加工负荷小，但转速要求高，工件表面粗糙度要求高。因此要选用组合基材。3.1.5砂带的规格尺寸选择根据被加工件的尺寸选用30mm宽的砂带，根据砂带宽度与长度组合尺寸（下表），可选用2500mm的砂带长度。表3.3砂带与长度组合尺寸B/l4005006308001000125016002000250031504000253040查薄宵主编的磨工实用技术手册表1.3-64，砂带宽度及长度的极限偏差为301mm和25005mm。3.1.6砂带接头的选择砂带接头部位要求可靠、不易剥落、要柔软及具有较好的耐油、耐湿性能。常见接头方法有：搭接法、对接法、S形对接法和嵌套接法。其中塔接法与对接法应用广泛，其特点是接缝与有侧边之夹角为45°～85°。S形对接法其接头形状呈S形，接头强度高，一般不易断裂，接头处柔软，故砂带寿命较长。选用S形对接法接头砂带。3.1.7砂带的养护与使用砂带存放期一般为0.5～1年，无论是纸基砂带还是布基砂带都应在适宜的条件下存放，理想的存放条件为相对湿度55%～65%。温度20～25。且拆离原包装后应存放24h再使用。若存放不当，纸基砂带就会吸收数量不等的水分，使砂带向一面卷翘，这种砂带安装时会出现种种铺放上的问题，受潮的纸基砂带还容易断裂，操作人员难以装卸。另外，可将砂带存放在砂光机附近，使砂带适应砂光机周围的环境。在砂带的使用过程中为了减少磨屑嵌塞，延长砂带的使用寿命，应注意以下几点：1)在抛光过程中会产生热量，这是产生砂带磨屑的原因之一，因此应避免抛光热工件；2)避免砂带的过载工作（一次砂削量过大）；3)避免抛光粉尘的再次磨砂。实验表明，砂光粉尘未能充分排除是促使砂带磨屑嵌塞的原因之一。此次所设计的抛光机虽然配备了吸尘能力大的除尘装置，但仍需时常检查除尘情况。3.2砂带抛光主要部件的结构设计磨头主要由电机、接触轮（或支撑轮）、主动轮、张紧轮、张紧机构、调偏机构及固定支座等组成。根据需要还增设了导轮和辅轮。砂带磨头的传动类似于带传动，依靠张紧砂带并主动轮传递动力。为保证正常工作，还增加了一些辅助装置。3.2.1磨头尺寸与参数的计算磨头尺寸与参数的计算与机械皮带传动基本相同。同时要注意以下几个问题：1)从动轮实际转速为公式(3.1)：=/(3.1)式中——相对滑动系数，布砂带取=0.01。2)接触轮轴上的受力F=2（N）式中——砂带初拉应力A——砂带横截面积（）。3.2.2接触轮的基本结构及尺寸参数接触轮的基本结构见图3.1图3.1接触轮的基本结构其外缘开有齿形槽，基本尺寸按下列比例选取：b2：b1﹦1：0.3～0.5。按表3.4表3.4抛光用接触轮外缘尺寸（mm）轮径D≤5050～120120～200槽深1.8～2.43～44.5～6齿宽6～810～1215～20槽深h0.5～11～22～3接触轮凸缘高度值可按＝0.2B计算，也可由表3.5查得。式中B——接触轮宽（与砂带同宽）表3.5与数值（mm）轮宽B≤6060～100100～150150～250250～40011.522.531.522.534根据设计请情况查上表可得接触轮基本尺寸值：D＝50mm，＝1mm，d＝10mm，B＝30mm，＝6mm，＝2mm，h＝0.6mm。接触轮外缘表面有平坦形和齿形两种。齿形有锯齿形和矩尺形，并有斜齿及X锯齿形槽之分，也可使用金属槽轮填充橡胶。齿形接触轮切削能力很大，但工件上会留有震纹，噪声大，使得工件表面粗糙度增大，而且凸轮轴的抛光不需要太大的切削量，故选用平坦形外缘接触轮。接触轮轮毂的材料可选用铝合金，因为此次抛光属于轻负荷磨削，选用轻金属就能满足工作要求，而用于重负荷磨削时，应选用一些性能好的材料作轮毂，比如45钢或40Cr钢等。接触轮的外缘硬度是接触轮的重要参数之一。根据实验，接触轮外缘硬度越高，切削时有效深度也越深，金属切除率增多，但加工表面粗糙度也高；反之，外缘硬度低，有效切削深度也低，金属切除率降低，但表面粗糙读Ra也降低。因此，根据实际情况应选取外缘硬度较低的接触轮，取外缘硬度为HS-A。3.2.3张紧轮和主动轮张紧轮和主动轮的外缘也应敷有硫化橡胶，以增大与砂带之间的摩擦力，同时需在轮缘上沿回转方向开平行环形沟槽。两轮缘凸高比略高，按＝（0.25～0.3）计算。也可在表3.5中查得。两轮轮毂上一般需制作一定数量的沟槽，以防止两轮橡胶外缘打滑、脱落。根据轮宽决定沟槽数量：B＜60mm，2条沟槽；B＝60～120mm，3条沟槽；B＝120～200mm时，4～5条沟槽，取2条沟槽。主动轮的一般结构举例见图3.2。图3.2中，轮宽等于砂带宽；图3.2主动轮及其轮毂结构实例两轮材料取用铝合金。主动轮具体选用尺：B＝30mm,D=200mm,δ2=1.5mm,b1=b2=6mm,d=30mm3.3砂带抛光工艺参数选择3.3.1磨削用量及磨削余量选择(1)磨削用量a.磨削用量的影响1)对金属切除率Z的影响采用较低的砂带速度，适当提高工件转速，选择较小的进给量，可获得较高的金属切除率Z。2)对工件表面粗糙度的影响当其它参数为定值时，提高砂带速度，表面粗糙度随着降低；提高工件转速，随着上升；增大进给量，随着增大；砂带粒度号增大，明显下降；值随着接触轮外缘硬度的增加而增加。b.磨削用量选择1)砂带速度。大功率粗磨一般选：12～20m/s；中功率磨削一般选：20～25m/s；轻负荷精磨一般选：25～30m/s。砂带速度与被加工材料有关，对难磨材料如镍铬钢，砂带速度应降低；对非金属材料则可较大幅度提高。磨削各种材料推荐的砂带速度见表3.6。表3.6不同材料的砂带抛光速度加工材料砂带速度加工材料砂带速度有色金属铝紫铜黄铜、青铜22～2820～2525～30铸铁灰口铸铁冷硬铸铁12～1812～18钢碳钢不锈钢镍铬钢20～2512～2010～18非金属棉纤维玻璃纤维30～5030～50橡胶花岗岩25～3515～20抛光可按轻负荷精磨来看待，因此可根据上表取＝20m/s。2)接触压力。直接影响抛光效率和砂带寿命，根据工件材质、热处理情况、磨削余量、磨后表面粗糙度要求等进行选择。范围为50～200N。取100N。3)工件速度。提高可减少和避免工件表面烧伤，但会导致表面粗糙度升高，过高还会引起工件震动，特别是抛光细长轴类零件，因此，一般要控制在20m/min以下。取＝18m/min。4)进给量和磨削深度的选择。进给量和磨削深度在保证加工质量的情况下要尽量选大些，这样可以提高加工效率。但此次的加工要求是粗糙度从0.6um降为0.4um，这就要求进给量和磨削深度要选择小些。取＝0.02，＝0.20。(2)磨削余量选择磨前工件的表面粗糙度越低，工件硬度越高，则磨削余量就应越小。轴类零件磨削余量见表3.7表3.7轴类工件磨削余量参考值工件材料磨前表面状况热处理直径余量碳钢合金钢不锈钢工件表面光整，无缺陷，粗糙度在Ra1.6um以上高硬度件淬火、调质件未经处理件0.03～0.080.05～0.100.10～0.15碳钢合金钢不锈钢工件表面较光整，无缺陷，粗糙度Ra3.2um高硬度件淬火、调质件未经处理件０.05～0.10０.10～0.15０.10～0.20碳钢合金钢不锈钢工件表面粗糙，有棱痕，不光整，局部有补焊、局部软硬不均，Ra6.3～3.2um高硬度件淬火、调质件未经处理件3.3.2砂带抛光的冷却、润滑和除尘设计抛光机床拟采用干磨。因抛光切除量小，产生热量少，故不需设置冷却设备，可采用干磨剂固体脂、蜡等来防止砂带堵塞。采用干磨时，必须有吸尘装置，对机床设备也要采取除尘措施。3.4砂带的张紧在我国除了个别的情况，从砂带宽20mm的小型砂带抛光机，到砂带宽1060mm的大型金属加工砂带抛光机，几乎都有方便、可靠的张紧机构。3.4.1砂带张紧的主要作用1)保证砂带运转的稳定。砂带是柔性体，如果没有一定的张紧力，将砂带绷紧在工作辊上，使其间产生一定的摩擦力，砂带就无法正常地运行，难于进行抛光。2)补偿砂带的伸长。目前常见砂带的带基有纸和布。不论是那一种带基，都是某种纤维的构成物。在工作时，砂带受到磨削力和张紧力的作用，加之水浸就会逐渐地伸长，所以必须有随机的张紧补偿。3)保证砂带磨削能力，必须使砂带与工件辊之间保持一定的摩擦力。如果砂带张紧力不够，摩擦力就小，砂带就会在工作辊上打滑，磨削能力下降。所以要保证有足够的磨削能力，砂带必须有足够的张紧力。3.4.2砂带张紧力的选择砂带抛光时的张紧力，一般应大于按公式(3.2)求出的值。=(3.2)式中，r为接触辊与张紧辊的中心线同砂带的夹角。e为自然对数底（e=2.718）f为砂带与橡胶辊之间的摩擦系数（f=3～4）为砂带在主动辊上的包角为径向磨削力与切向磨削力之比，一般取=2为切向磨削力；=（1－）为砂带紧边的张力根据设计的抛光装置，取=100N，f＝3.5，r＝，＝，将数值代入公式得，＝75.8N为了保证砂带磨削能力，在实际上应取很大些，但其最大值受以下两个条件制约：1)砂带的带基。不论是布还是纸，都有一定的强度，如果砂带的张紧力超过了允许值，砂带就会断裂。2)根据抛光要求，若砂带的张紧力过大，就会使所选择的软橡胶接触轮变硬，无法达到所要求的抛光效果。3.4.3砂带的张紧机构砂带的张紧机构的选用原则应是：简单、方便、可靠和价廉。主要有螺栓张紧机构、弹簧张紧机构、重力张紧机构、偏心张紧机构和气动（油压）张紧机构。其中，弹簧张紧机构的特点是有一定的补偿砂带张紧力的能力。它的结构简单紧凑，普遍用于抛光机床，尤其是小型抛光机床。在本设计中，由于凸轮直径的变化引起砂带长度需求上的微量变化，使得砂带的张紧力产生变化，而弹簧张紧机构会起到一定的调节作用，减少砂带张紧力的变化量。因此，在本次设计中采用了弹簧张紧机构。3.5电动机和弹簧的选择3.5.1确定砂带抛光装置电动机的功率参照《机床液压》中的宁波高等专科学校机械工程系的陈廉清和俞利锋的论文“砂带磨削及机床设计”（315010）主传动装置的取值范围（0.3～0.7kw/10mm，按宽度取），由于抛光过程中金属切除量小，因此取小值0.3进行计算。同时我们所需抛光的圆面和凸轮面的最大宽度值为30mm，因此所需电动机功率为:P=0.3*30/10=0.9kw查中国矿业大学出版社出版的吴相宪等主编的《实用机械设计手册》页表11-1，选Y90S－4型号的电动机，其额定功率为1.1kw，满载转速为1400r/min。3.5.2弹簧的设计(1)根据工作条件选择材料因弹簧在一般载荷条件下工作，可以按第Ⅲ类圆柱螺旋压缩弹簧弹簧来考虑。且所需弹簧尺寸较小，且有重复微量变形，现选用65Mn弹簧钢丝，其力学性能见表3.8。表3.8材料65Mn的许用应力(MPa)许用切应力[]许用弯曲应力[]弹性模量E切变模量G65Mn0.50.6250.5≤d≤4时207500～2050000.5≤d≤4时83000～80000(2)选择旋绕比C旋绕比通常取C≈5～8，取C＝7.5，根据下式计算曲度系数K值K≈计算可得K≈1.198(3)根据抛光装置中弹簧的安装空间，初设弹簧中径D=12mm，则弹簧丝直径d=D/C=12/7.5=1.6根据表3.8和表3.9可查取弹簧丝的许用应力。表3.965Mn弹簧钢丝的拉伸强度极限(Mpa)钢丝直径d/mm1～1.21.4～1.61.8～22.2～2.52.8～3.418001750170016501600取=1750MPa，经计算可得弹簧丝的许用应力值：许用切应力[]=875MPa，许用弯曲应力[]=1093.75MPa(4)试算弹簧丝直径根据式K[]可得≥1.6取=90N，得≈1.538mm当弹簧材料为65Mn弹簧钢丝时，因钢丝的许用应力决定于其，而是随着钢丝的直径d变化的，所以计算时需先假设一个d值，然后进行进行试算。最后的d值仍应符合标准尺寸系列，故取d=1.6mm。(5)根据变形条件求出弹簧工作圈数根据公式(3.3)计算求出：(3.3)可得n=根据弹簧工作情况取=20mm，G=83000MPa，得n=8.744，取n=9。(6)根据上面所取数值确定弹簧的几何尺寸参数表3.10弹簧的几何尺寸参数参数名称及代号计算公式结果内径=D－d=10.4mm外径=D+d=13.6mm压缩弹簧长细比bb=B=4.25mm自由高度≈pn+（1.5～2）d=46.4mm总圈数=n+（1.5～2）=11节距pp=（0.28～0.5）Dp=4.8mm螺旋角=arctan=4溜板箱和床鞍的设计4.1溜板箱的设计溜板箱的箱体形状可根据普通车床的箱体来设计。由于所设计抛光机床中抛光装置纵向和横向的进给为手动操作，且运动简单，载荷小,精确度要求较低,故只需对所选传动齿轮进行校核即可。4.1.1齿轮齿条传动计算图4.1为齿轮齿条传动的示意图。它们的模数m＝3，齿轮齿数z＝18。图4.1齿轮齿条传动对操作者来说，他们想知道手柄转动一周，齿条前进的距离，其计算如下：首先由公式(4.1)计算两齿轮的传动比：=20/70(4.1)即手柄转动一周，另一根轴转20/70圈，因此手柄转动一圈溜板箱移动的距离为：l＝mz=48.45mm因凸轮间的距离比较小，故齿条前进48.45mm的距离合适。在手轮上施加多大的力能推动溜板箱前进对操作者来说很重要，所需力太大或太小都不合适：太大则不能推动溜板箱移动，太小则影响加工精度。计算溜板箱、床鞍和抛光装置的总质量m180kg，查《机械工程材料测试手册腐蚀与摩擦学卷》表5.1.2，钢与钢之间在有润滑的情况下摩擦系数=0.10-0.12，取=0.11，则齿轮齿条间传递的力=mg=180㎏9.8N/㎏0.11=194.04N。则移动溜板箱手轮需要的由公式(4.2)求出F=(4.2)其中，，，，z=18，m=3，D=200，计算得，F15N经实践知F=15N较为合适。 4.1.2溜板箱内部齿轮的选择和校核根据传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。抛光机床为一般机械，速度不高，故选用8级精度。两齿轮的材料均选用45钢，小齿轮齿数=20，大齿轮齿数=70，取模数m=2，齿宽b=30mm。查<<机械设计>>有关表格，齿轮的许用应力[]=600MPa。以大齿轮为例来进行强度校核：(1)按齿面接触强度校核式中K——载荷系数，包括使用系数、动载系数、齿间载荷分配系数及齿向载荷分布系数，即=，查《机械设计》第十章齿轮传动有关列表，取=1.00，=1.00，=1.1，=1.12，即=1.232；——圆周力，取=80N；b——齿宽，b＝30mm；——齿轮直径，＝140mm；u——传动比，u=70/20=3.5；——区域系数，标准直齿轮=时，=2.5；——弹性影响系数，=189.8。代入数值计算得：=82.42MPa[]=600MPa(2)按齿根弯曲疲劳强度计算轮齿在受载时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。齿危险截面的弯曲强度条件式为[]式中——载荷系数，包括使用系数、动载系数、齿间载荷分配系数及齿向载荷分布系数，即=，查《机械设计》第十章齿轮传动有关列表，取=1.00，=1.00，=1.1,=1.11，即=1.221；——圆周力，取=80N；b——齿宽，b＝30mm；m——齿轮模数，m＝2；——齿形系数，查《机械设计》表10.5，取＝2.24;——应力校正系数，查《机械设计》表10.5，取＝1.75。将数值代入式中，得＝6.38MPa［］=600MPa。4.2床鞍丝杠螺母机构的设计丝杠螺母传动副分为滑动的、滚珠的、滚柱的和静压的四种。根据抛光机床的运动特点，采用普通滑动丝杠螺母副。它的特点是：传动比小；传动精度高，运动平稳；能自锁；机械效率低；刚度低。本设计中所采用的丝杠为细长轴，靠两端支承，因此它的拉压刚度和抗弯、抗扭刚度都较低。4.2.1丝杠螺母的构造、材料、螺旋方向机床上常用的螺纹牙形有30梯形和矩形两种，根据本设计传动特点，且梯形螺纹加工方便，故在本抛光机床中采用30梯形牙形螺纹。丝杠的直径取d=30mm，长度L=714，比值d/L=1/23.8，满足范围1/20～1/50。在本设计中，丝杠轴向不动，螺母带移动部件，因此螺旋方向为左旋。4.2.2丝杠的支承工作台的传动精度不仅决定于丝杠本身的制造精度，而且与丝杠支承的制造和安装精度有关。由于丝杠主要受轴向力，不受径向力，所以径向支承可以用铜套。丝杠的径向支承一般都采用两端支承，为保证螺母和丝杠的同心，螺母和移动件用圆柱配合，螺母可以自由地上下移动和转动。4.2.3丝杠的精度、材料和热处理根据本机床要求不高的特点，采用8级精度的螺纹。丝杠和螺母的材料是根据它的用途、精度等级和热处理方法选择的。要求丝杠的材料具有良好的加工性和尺寸稳定性，此外还要有较高的耐磨性，以保证足够的使用期限，据此采用40。丝杠的根据材料和精度等级采用的热处理方法为调质处理。螺母的材料为耐磨铸铁。4.2.4丝杠螺母传动间隙的补偿机床上的丝杠螺母副要能够消除间隙，并能补偿磨损。图4.2为本次设计所采用的一种楔块式周期性调整间隙装置，调整时，先松开螺钉1，再旋紧螺钉2，楔块3将螺母的左半部推开直到消除间隙为止。然后再旋紧螺钉1将螺母的左半部固定起来。图4.2调整间隙装置4.2.5丝杠螺母机构的计算本丝杠的工作载荷主要是扭矩和压力，且要保证不出现爬行现象，故要对丝杠螺母机构进行耐磨性计算、刚度验算和压杆稳定性计算。(1)耐磨性计算影响磨损的主要因素是螺纹工作面上的平均压强。平均压强由公式(4.3)求出：P=（MPa）(4.3)式中:Q——丝杠最大牵引力（N）；d——螺纹的中径（mm）;h——螺纹工作面高度，等于螺纹高度减去螺纹顶隙（mm）；T——丝杠螺纹的导程（mm）；K——螺纹头数；L——螺母的长度（mm）；[p]——螺纹工作表面上的许用压强（MPa）。根据工作情况，取Q=80N，d=26mm，h=4mm，T=20mm，K=1，L=30mm，[p]=5。代入数值计算，得P=0.5[p]=5(2)刚度计算传动低速运动的丝杠，应从不发生爬行现象的要求出发，验算其拉压刚度，对于两端固定支承K==（N/mm）式中——螺纹内径（mm）；E——弹性模量（N/）；取＝20mm，E＝200Gpa代入数值计算，得Ｋ＝3.52N/mm(3)丝杠的稳定性计算受压丝杠的稳定性与其构造及支承的特性有关，根据《材料力学》大柔度压杆稳定性计算公式，受压丝杠失稳的最大轴向载荷由公式(4.4)求得：=（N）(4.4)式中——丝杠的受压长度（cm）；E——弹性模量（N/）；I——丝杠断面的惯性矩（）,I=（）——螺纹内径（cm）；k——稳定性安全系数；——是根据支点位置和类型而定的系数。取l=80mm，E=200GPa，I＝0.785，=2，k=4，=0.5代入数值计算，得＝85N4.2.6床鞍与导轨间的润滑润滑的作用是在摩擦副相对运动表面间加入润滑剂以降低摩擦阻力和能源消耗，减少表面磨损，保证摩擦副正常运转，延长使用寿命，同时还可带走摩擦热和磨屑，降低发热，减缓腐蚀，减少振动与噪声等。不同的摩擦副的润滑有着不同的特点，这和所润滑的摩擦副结构与运动类型，所选用的材料与表面摩擦状态，工况条件（载荷、速度、温度、环境）、润滑材料品种和性能、润滑状态，供油方式等直接有关。根据滑板工作条件和环境条件选用普通矿物油来作润滑剂。查《机械工程材料测试手册腐蚀与摩擦学卷》表5.1.2知，