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新型开式砂带振动磨削头架的设计
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本科学生毕业设计（论文） 湘潭大学兴湘学院毕业论文题 目： 新型开式砂带振动磨削头架的设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 2008963110 姓 名： 颜思良 指导教师： 周后明 完成日期： 2012.5.20 摘 要本设计是新型开式砂带磨削头架的设计，本次设计主要是用于轴颈外圆的精加工，砂带磨削技术是一种先进的制造技术，是进行超精密加工的一种机械加工方法，近年来砂带磨削在机械磨削加工的应用也越来越广泛，而现今国内的轴颈研磨加工则还处于初级阶段。本文以砂带磨削原理为基础，阐述了轴颈研磨机磨头的设计过程和设计结果，并以AutoCAD、CAXA、ProE等计算机辅助设计软件为工具，对磨削头架进行设计建模分析。研磨机磨头总体采用开式砂带磨削磨头，针对轴颈外圆表面精度要求高及圆跳动精度高等特点，并考虑实际加工要求，设计出研磨效率高，操作方便，且安全可靠，能够满足高精度研磨的理想磨削头架。在机械制造技术飞速发展的今天，本次的毕业设计有着广阔的发展空间和前景。 关键词： 砂带磨削，轴颈研磨机磨头，AutoCAD，ProEII本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTBelt Grinding is an advanced manufacture technology, its an mechanical workout way to super-accuracy processing. In recent years, the machinery of grinding axle journal has been used in mechanical grinding processing more and more, but nowadays,The processing of grinding axle journal still located in primary stage, so the research of grinding axle journal technology is necessary to mechanical workout. This paper based on theory of Belt Grinding, it expounded the design process and design result of the wheel head of grinding axle journal machinery, and it recurred to the CAD software of AutoCAD、CAXA、ProE ,to analytical study of the wheel head of grinding axle journal machinery modeling .The wheel head adopted the open belt grinding head generally . To the high requirements of the axle journal surface quality and the circular runout precision, and considered the requirements of practical machining ,this paper worked out the wheel head of grinding axle journal machinery with high grinding efficiency, easy to operate and on the safe side, this wheel head can satisfied in high-precision grinding .Nowadays, the mechanical manufacture technology has boomed industry, this graduation design has wide develop space and prospect.Keywords: Belt Grinding; wheel head of grinding axle journal machinery; AutoCAD; ProE,本科学生毕业设计（论文） 目 录中文摘要ABSTRACT1绪论11.1 国内外研究现状1 1.1.1砂带磨削的发展11.1.2新型开式砂带振动磨削机的发展现状及应用21.1.3外圆精密砂带磨削头架的研究现状4 1.2 研究内容42 总体方案的分析52.1砂带磨削的金属切除率52.2砂带磨削与砂轮磨削在机械加工中的比较5 2.2.1加工机理52.2.2磨削特点的比较52.3新型开式磨削的基本原理62.4外圆砂带磨削72.5本课题最终选择方案83 新型开式砂带磨削头架组件设计93.1头架结构的尺寸及几何关系93.1.1磨削头架电机的选用及砂带磨削驱动功率的计算931.2驱动轮直径（D1）的确定103.2磨削头架主要结构件的设计103.2.1接触轮的参数设计103.2.2张紧力与驱动轮结构参数的设计123.2.3砂带张紧力的设计计算 134 磨削头头架功能部件的设计154.1砂带张紧快换操纵机构的选择154.2砂带调偏机构及砂带横向振动装置154.2.1砂带调偏机构154.2.2砂带横向振动装置165 主要零、部件的设计与校175.1接触轮主轴的结构设计和强度校核175.1.1选择轴的材料175.1.2轴的结构设计185.1.3轴的强度校核计算196 结论247 结束语25参考文献26IV本科学生毕业设计（论文） 1 绪论 1.1国内外研究现状：1.1.1砂带磨削的发展：砂带磨削是一种高效、经济、用途广泛，并有“万能磨削”之称的新型磨削工艺，现今得到极大发展。在现代工业中，砂带磨削技术已被当作是与砂轮磨削同等重要的一种不可缺少的加工方法。在工业发达国家，砂带磨削应用已十分普遍，各种高精度、高效率、自动化程度很高的砂带磨床被广泛应用于航天、航空、舰船、汽车、冶金、化工及能源设备等制造行业，并成为国际上名牌机床公司竞争的一个领域。同时也是历届国际机床博览会中展销的重要组成部分。砂带磨削属于涂附模具磨削的一种形式，其产生源于砂纸的出现，即1760年。但当时只局限于手工操作，直到19001910年才进入机械使用砂纸的时代，并开始应用于木材行业。1930年后，砂带磨削逐步向金属加工方面发展，第二次世界大战中美国率先在兵器制造中使用砂带磨削，取得明显效果。本世纪50年代初，静电植砂方法的研制成功把砂带磨削推到了一个新的阶段，砂带磨削应用逐渐普遍。以后欧洲几个工业国和日本也相继开展了砂带磨削技术的研究和应用，逐步使砂带磨削发展成为一个较为完整和自成体系的加工技术领域。就砂带磨削和抛光来说，砂带磨削作为一种独立而成体系的加工技术从它的产生到现在，经历了由仅限于手工粗磨、机械半精磨到机械化、自适应控制精密或超精密加工的发展过程。特别是近二三十年来，砂带磨削得到很大的发展，实用范围越来越广泛，早已经超越了砂带磨削产生之初所形成的只能用于粗加工的陈旧概念。随着砂带制造技术水平的提高以及新的高强度磨料的出现，现状地提高了砂带磨削效率、磨削精度和砂带使用寿命，使砂带磨削进入一个新的发展阶段。目前，国内外都非常重视砂带磨削的理论基础研究和应用研究，并出现了一些新的发展方向，如电解复合砂带磨削，超声砂带磨削以及电镀金刚石金属砂带磨削等，使得砂带磨削技术不断向强力、高效、自动化的方向发展，充分显示了砂带磨削在未来制造业中的强大生命力。国外砂带磨削发展非常迅速，现已达到相当高的水平。特别是欧美及日本等工业发达国家，从事砂带磨削技术研究、开发的研究机构和砂带、砂带磨床制造厂家（或集团）数量很多且实力雄厚，其成果和产品代表了当今世界砂带磨削技术的最高水平。砂带磨削当前除向超精密、高效率和超硬磨料方向发展外，自动化也是磨削技术发展的重要方向之一。目前砂带磨削自动化在CNC技术日趋成熟和普及基础上，正在进一步向数控化和智能化方向发展，许多专用磨削NC软件和系统已经商品化。砂带磨削是一个复杂的多变量影响过程，对其信息的智能化处理和决策，是实现柔性自动化和最优化的重要基础。目前磨削中人工智能的主要应用包括磨削过程建模、磨具和磨削参数合理选择、磨削过程监测预报和控制、自适应控制优化、智能化工艺设计和智能工艺库等方面。近几年来，磨削过程建模、模拟和仿真技术有很大发展，并已达到实用水平。1.1.2 开式砂带研磨机的发展现状及应用尽管我国近年来在砂带磨削基础研究、应用推广方面也已初具规模，但与国外相比扔然存在很大距离，如砂带磨削机理研究不够深入，砂带及砂带磨床产品品种还十分有限，应用范围仍不够宽，尤其是在金属加工行业中，相应的开式轴颈研磨机磨头磨削技术的研究还有很大不足。（1）开式砂带磨削机的发展现状和趋势：轴颈研磨属于超精密砂带磨削，现今国外磨削业对轴颈研磨抛光这方面的研究发展迅速，而国内在这方面的研究仅处于初级阶段，很多人还不能完全接受这种加工方法，在机械加工行业，轴颈研磨机磨头磨削属于极为先进的抛光技术。近年来，部分院校和科研单位已逐步加强这一方面的研究，以期更好的利用砂带磨削加工，为加工业带来重大革命。在机械加工业中，开式砂带磨削机主要用于磨削轴颈外圆表面，研磨时，工件作高速旋转，砂带匀速运动摩擦工件，从而达到研磨抛光的目的。其研磨效率高，操作方便，安全可靠，是要求高精度轴颈研磨的理想设备。随着精密机械工业的发展,精密轴套零件在精密机械上的应用越来越多。轴套零件的直径尺寸精度一般达到1微米左右,几何形状精度达到0.1微米,粗糙度达到0.029微米。这样高的精度用一般外圆磨床加工很难达到,只有采用研磨来完成。特别是对于表面精度和圆跳动及圆度都要求极高的轴颈加工中，应用更为广泛。近年，重庆三磨海达有限公司研制成功的2M51092B双头台式外圆精密振动砂带磨床系列机床在轴颈加工方面达到了很好的效果。在以后工业的发展过程中，轴颈研磨机的发展将向高精密、高效率及自动化的方向发展。（2）砂带磨削的最新发展：近年来，砂带磨削技术在国内外都获得了极大的发展，应用范围也日益广泛。美国、德国等国家的砂带磨床已遍及各行业，大至磨削宽5米以上的巨型平面磨床，小至口腔医生使用的修齿机，磨床结构形式各异。目前砂带磨削的生产率已经超过常规车、铣等加工方法，是普遍切削的10倍，普通磨削的5倍。同时砂带磨削的功率利用率高，材料去除率高达700s,此外砂带磨床还具有结构简单，加工范围广，综合成本低，投资少，操作简单，生产辅助时间少，工作安全可靠等优点。因此，砂带磨床与砂带的生产与日俱增，一些工业发达国家的砂带磨床拥有量已逐步接近砂轮磨床。砂带磨削能加工的材料很多，从非金属材料到金属材料，从一般材料到难加工材料（如钛合金、高镍合金、陶瓷、宝石等）都可以用砂带磨削进行加工。由于砂带磨削的特有的加工性能和高的材料去除率，砂带磨削进入到许多新的应用领域，解决了许多加工难题。如国内某厂产品零件“磁轭”的多面体长2200,用常规精刨的方法达不到质量要求。后用砂带磨削进行加工，零件合格率达到了100%，产品性能也有所提高。又如某刃具厂生产的切烟机刀片，工件材质为65Mn冷轧带钢，硬度HRC5964，需要去除原材料的脱碳层，单面余量a0.06mm。以前采用手工布砂轮抛光，工件易产生退火现象，且脱碳层不易完全磨掉，造成刀片在使用中“卷刃”。后来采用砂带磨削，不但消除了退火现象，完全磨除脱碳层，而且生产率也由以前的8小时100件提高到6小时1440件。在高速磨削方面，美国研制成功了100ms高速砂带磨床。随着砂带制造工艺的改善，机床结构刚度的提高，机床功率的增加使砂带磨床的金属切除率逐步提高。近年来砂带磨削与特种加工（超声、电解）的复合发展迅速。超声砂带磨削使将超声振动叠加到抛磨接触的砂带部位，使砂带在抛磨的同时以超声频率振动，起到抛磨强化作用和磨粒更新作用，并在表面形成微观网纹。电解砂带磨削是将电解加工的电化学作用与砂带磨削的机械作用相结合，以去除脆性、硬性、韧性的难加工材料的环保新型的复合加工方法，可实现对不锈钢、钛合金等难加工材料的大余量精密抛磨加工，效率高，加工精度好，表面粗糙度低，砂带磨损少，使用寿命长，加工成本低。随着砂带磨削技术的发展，它与现代加工技术的结合自然越来越紧密。模具与工件进给运动采用CNC控制，达到完全自动控制进给运动和进给速度，以取得最佳磨削参数，使对异型面、难加工材料的磨削以及表面光饰作用达到最佳效果。国外数控砂带磨床已成熟用于生产，如美国清理铸件毛边的数控砂带磨床，能方便的改变程序，因此特别适用于批量不大的铸件加工。为了提高加工效率，近年来对砂带磨削的自动化研究非常深入。目前开发出的工件上料工位加工工位卸料工位的连续传送机构，可以方便的编入自动线，提高效率。开发多磨头、多工位、回转塔式或运输带式砂带磨床是实现自动化的手段，多磨头、多工位磨削可以实现一次装夹，一次完成粗、精、抛等工序，减少定位误差。这种加工方法自动化程度高，加工辅助时间少，效率高。美国发明的自动化平面砂带磨床话装有自动测量工件厚度及表面粗糙度的传感器，可极好的保证工件的加工精度和表面质量。德国METABO WERKE公司生产的砂带磨削足以由两个或多个砂带磨削部件和工业机器人部件组合而成，根据加工表面形状不同要求，磨削部件上配置不同形状和直径的接触轮或砂带，能够自动更换砂带，并从零件库中自动取出零件并放到固定位置，从而极大的提高了加工效率。美国还把砂带磨削应用于汽车制造业的FMS生产线上，自动化程度已达到相当高的水平。今后砂带磨削技术的发展方向可概括为三高：高切除率、高加工精度、高自动化。1.1.3外圆精密砂带磨削头架的研究现状：砂带磨削技术在加工轴颈外圆的应用已有一定的发展，英国、德国、美国、前苏联在应用砂带磨削技术磨削轴颈外圆都走在前列。美国是世界上最早研制砂带磨床的国家，第一台砂带磨床用于加工木材，随后，广泛用于加工金属，砂带磨床遍布于美国一切行业。德国的以布劳施韦格大学的帕茨教授为首的研究人员，从50年代开始至今一直致力于研究砂带磨削，因此德国的基础很扎实，各类型的砂带磨床都生产。英国除生产平面、内圆和万能砂带磨床外，着重发展运输带式砂带磨床、外圆砂带磨床以及涡轮叶片砂带磨床，布鲁克（brook）厂生产的外圆砂带砂带，在加工精度和加工效率方面都达到很高的水平。苏联早期曾生产立式、卧式两用砂带磨床，现有的外圆砂带磨床也是应用极为广泛。国内仅有几家研究机构和高校，比如三磨海达磨床有限公司生产的51系列外圆砂带磨床等。1.2研究内容：研究内容： 1) 分开式磨削头架的加工工艺，进行开式磨削头架的功能分析； 结合实际问题研究，对开式磨削头架进行方案设计； 结合实际问题研究，对开式磨削头架进行详细设计； 结合实际问题研究，对开式磨削头架进行测试优化；26本科学生毕业设计（论文） 2 总体方案的分析与设计砂带磨削是一项高效、经济、安全和用途极广泛的新工艺，其磨削性能在许多方面都明显优于砂带磨削，并有“万能磨削”之称。在工业发达国家，砂带磨削应用已十分普遍，从日用餐具到宇航器具，从金属（包括难磨金属和合金材料）非金属材料，无不竞相采用砂带磨削工艺。据有关统计资料介绍，砂带磨削的生产率比铣削高十倍，比砂轮磨削高410倍，用砂带磨削进行加工，已成为许多行业获得高额经济效益的一种重要手段。因此，而今砂带和砂轮的消耗量几乎达1：1，但其磨除量已超过砂轮，占整个磨材总需求量的60%，砂带磨床总台数接近砂轮磨床。砂带磨床的技术现已发展到与砂轮磨床相当的水平，并成为国际名牌机床公司竞争的一个关键领域。2. 1 砂带磨削的金属切除率比车削、铣削和砂轮磨削大的多：我们都知道车削和铣削切下的切屑为带状切屑，而砂带工作时的情形与车削和铣削很相似，每颗磨粒都相当于一把车（铣）刀。从砂带磨削下的磨屑来看，也是带状的，但砂带上的磨粒比车（铣）刀的刀刃数多得多。以粒度50的砂带为例，宽为100长为1240的砂带，其表面总共有50万颗磨粒可以参加切削，即每分钟可以切削三亿块微细切屑的能力，显然它比车（铣）刀切除金属要多得多。2. 2 砂带磨削与砂轮磨削在机械加工中的比较：2. 2. 1 加工机理：砂带磨削和砂轮磨削一样，都是多刀切削工具，其切削功能是通过黏在基体上的磨粒来完成的。根据砂轮和砂带的结构进行分析，砂轮磨削工作时，由于磨粒在砂轮表面的分布是随机的，高低不平，形状各异，有的磨粒能切下金属切屑，有的则不能切下切屑，砂带磨削工件时，由于磨粒是单层涂附在砂带基体上，颗粒均匀，刀刃的等高性好，且定向排列，几乎所有磨粒都能参加切削，所以切削性能好。2. 2. 2 磨削特点的比较：1). 砂带磨削的生产效率高：由于砂带固有的特点，在砂带与工件接触区可同时投入更多且锋利的磨粒来进行切削，故砂带磨削的金属切除率要远高于砂轮磨削（生产效率约为普通砂轮磨削的510倍以上。在需要的情况下，还可采用多个磨头进行磨削，同时进行粗磨、精磨、高精度磨削及抛光，一次就可以完成整个加工过程，痛砂轮磨削相比，其加工时间可缩短几十到几百倍，大大提高了生产率。因此就其原理和应用的广泛性而言，砂带是涂附磨具中磨削效率最高的磨具。2). 砂带磨削的机床利用率高：机床主电机的功率N主包括以下三部分：N主切空附其中：切用于切削的有效功率空消耗于传动中各种摩擦损失的空载功率附由切屑在时所增加的机械摩擦消耗的功率附一般用机床效率的形式表示，早在60年代就有报道，砂带磨床的效率高于其他机床。近几年来，砂带磨床的利用率还在不断提高，据试验数据证明，在同一台平面磨床上，在金属切除率相等时，砂带磨床所消耗的功率比砂轮磨床小倍，砂带磨床功率利用率已高达96%。 3. 砂带磨削的成本低：随着科技的发展，砂带制造的技术也越来越高，砂带的使用寿命现已提高到812小时，且价格越来越便宜。砂带磨削所需的机床为普通机床即可，其结构简单，价格便宜。由于砂带磨削生产率高，加工时间短，用同样的成本购置砂轮和砂带时，则砂带能加工更多的工件。4. 砂带磨削为“冷态”磨削和弹性磨削：无论是砂轮还是砂带，在磨削时都会产生热量，导致磨削表面温度升高，其温度是随着磨削深度飞升高而呈上升趋势。由于砂带的特殊结构，产生的磨削热少，磨粒之间分布空隙大及磨粒在空间接触时间长，易于磨削热散发，故砂带磨削温度的的变化比较平缓，对工件表面的磨削烧伤降低。而砂带磨削随磨削深度的增加或磨削时间的延长其温度明显升高。相对砂轮而言，砂带的柔软性非常好，磨削时稳定，加上具有弹性的橡胶接触轮，故对振动相应不敏感，易实现高稳定性磨削。2. 3 开式砂带振动磨削机磨削的基本原理：开式砂带研磨是外圆精密砂带磨削的一种，外圆精密砂带磨削以砂带、研磨带或纤维抛光轮等为磨具，采用典型外圆磨削技术，实现工件工件表面磨削抛光，曲轴等偏心类零件则采用仿型或数控跟踪磨削，多头布置可实现多工位同步操作。外圆精密砂带磨削适用于加工各种轴类零件外圆、锥面、回转曲面磨削抛光；齿轮轴、传动轴、轧辊、纺机滚桶、大型轴件；曲轴、偏心轴、凸轮轴、汽车半轴、法兰盘；标准磨头还可装于各种型号车床上使用。本设计用于磨削轴颈外圆表面，研磨时，工件作高速旋转，研磨带作往复摆动，从而达到研磨的目的。开式砂带研磨机主要是用与对轴类工件的精加工和超精加工，而其切削机理与普通砂带磨床机理相似，开式砂带研磨机的磨削也是以砂带作为磨具并辅之以接触轮(或压磨板)、张紧轮、驱动轮等磨头主体以及张紧快换机构、调偏机构、防(吸)尘装置等功能部件共同完成对工件的加工过程。具体讲，开式砂带磨削就是用成卷的砂带由电机经减速机构带动卷带轮作极缓慢的转动，带动砂带作缓慢的移动，砂带由接触轮压向工件，工件作高速回转，实现对工件表面的磨削加工。由于砂带缓慢的移动，磨粒不断投入磨削，磨削效果一致性好。如下图所示。 图1-1普通砂带磨削有接触轮式、压磨板式和自由式等几种基本形式，由于开式砂带研磨机属于表面超精密加工机床，因此多采用接触轮式的磨削方式。在砂带磨粒与工件表面的相对运动中，砂带磨粒于工件表面之间产生一定的干涉，按照干涉的程度，可以区分为挤压、滑擦、耕犁和切削四个不同的过程：“挤压”最初磨粒挤入工件，由于切入深度小于磨粒刃尖圆弧半径，形成很大的负前角，工件表面仅发生弹性变形；“滑擦”随着切入深度增加，磨粒对工件表面的压力逐渐增大，工件表面起“滑擦”作用。此时磨粒在工件上的滑擦，实际上产生了切除材料的弹性和塑性变形；“耕犁”随着机床进给、切削厚度的增加，干涉增大，磨粒在工件表面上犁出刻线，称为“耕犁”。此时工件材料产生塑性流动，材料产生一个挤压式的运动而从磨下方向前害人两侧挤出，同时切除少量材料；“切削”在一定压力的作用下，当有足够的干涉并伴随一定的切削温度时，开始真正的“切削”，此时在滑动磨粒的前方产生断裂而形成切屑。在磨削过程中，砂带上的众多磨粒在与工件接触的瞬间，一部分磨粒进行切削，另一部分犁出沟槽，还有一些只起滑擦作用。即使同一颗磨粒的不同部位以及同一部位在不同的加工时间里所起的作用也不相同。2.4 外圆砂带磨削：对于外圆加工，砂带磨削明显比砂轮磨削具有优势，与砂轮磨削相比，外圆砂带磨削不仅可以磨外圆、圆锥面、球面及其他回转曲面等，还可以有效的磨削长径比很大的细长件（如成卷线材最小直径可至1.5mm），直径很大的罐体、管件（如石油、天然气管道）等。而这些恰恰是砂轮磨削难以解决的问题。外圆砂带磨削基本上可分为定心磨削和无心磨削两种，定心磨削一方面可在普通车床、砂轮磨床或铣床等现有设备上装置砂带磨头进行，另一方面是在各种外圆砂带磨床进行。无心磨削则必须采用专门的无心外圆砂带磨床进行。外圆砂带磨削的形式及特点可参见下表此外，外圆砂带磨床还有单磨头和多磨头之分。单磨头是指一台磨床只有一个砂带磨头的机构，多磨头则是单磨头磨床的发展形式，即一台磨床上有多个砂带磨头，最多的现已达16个。多磨头砂带磨床能使工件在一次装夹过程中完成粗磨、半精磨和精磨或抛光等多道工序。工件装夹次数少，加工精度稳定，易于实现自动化生产，因而是砂带磨床的一个发展方向。2. 5 本课题最终选择方案：通过以上的分析后，对开式砂带振动磨削头架的设计，我们选择以下方案来： 1） 采用砂带磨削工艺； 2） 运用接触轮式砂带磨削，工件高速旋转，研磨带作轴向往复摆动； 3） 接触轮采用轴向磨削方式； 3 开式砂带振动磨削头架组件设计 砂带磨削技术优越性的发挥，很大程度上要依赖磨床本身，因而磨床的结构设计是关键工作，而早磨床结构设计中，头架又是最为关键的；它的结构方案、参数选择及主要零件的制造精度、刚性等指标，将对工件表面质量、加工精度有很大的影响。3. 1磨削头架结构的尺寸及几何关系：3. 1. 1 磨削头架电机的选用及砂带磨削驱动功率的计算：砂带磨削驱动功率计算：砂带磨削所需功率是一个很重要的参数。如果电机功率过大，势必造成电能浪费，而且体积、重量加大，不利于整体结构设计。反之若选得过小，则又达不到预期的磨削效果。因此，针对具体的加工条件，对所需驱动功率做出比较准确的估算是十分必要的。磨削功率： （KW）式中 切向磨削力（N） 砂带磨削线速度（m/s）恒压力磨削中，法向磨削力通常是已知的，而切向力取决于，但是随着砂带变钝，两者的关系也随着变化。在整个寿命期内，与的曲线关系如下图所示： 磨削时间摩擦系数 图1-2值得注意的是新砂带开始磨削时，切向力约等于法向力，但这段时间极为短暂，Ft值很快减至大约Fn值的一半；另一个极端情况是砂带耗尽时，Ft值大致等于Fn乘以砂带与工件间摩擦系数，即Ft=Fn该所示的关系曲线代表了一般恒力磨削中随时间的变化趋势，不同的加工对象，这种关系有所不同，因为摩擦系数随工件材质不同而变化。但从普通情况来看，这条曲线对恒力磨削是比较有代表性的，因而可以用它作为估算功率的依据，设则磨削功率为 式中，、符号意义同上，为砂带切向磨削力与法向磨削力之比值。砂带在进行有效磨削的绝大部分时间内=0.330.65，本课题研究的机床加工对象为轴颈外圆，取较小值，取=0.43，属于轻载精加工，取砂带线速度=2535m/s。根据式，磨削功率为 =0.435035=0.75kW根据强力砂带磨削的磨削机理与加工特点，选择同步转速为1500r/min，又电动机的额定功率为0.75kW，查手册选用电动机的型号为Y802-4，满载转速为1390r/min。3. 1. 2驱动轮直径（D1）的确定：驱动轮直径（D1）可由下式计算，即： 式中砂带速度（m/s）, 按下列原则选择：重载大功率加工=12.520m/s; 中等载荷加工=2025m/s;轻载荷加工=2535m/s。在本设计中取=30m/s。为驱动轮转速，=1390m/s.所以： =41.24mm根据机床装配和传动要求，我们选取=45mm.3. 2 头架主要结构件的设计：3. 2. 1 接触轮的参数设计：接触轮在砂带磨削中的作用表现在：支撑砂带；抵抗施加于砂带上的接触压力；有时接触轮还用作驱动轮，把必须的向前的运动力或圆周力传至砂带。它的运动精度会通过砂带复映到工件之上，并影响加工平稳性及表面质量等；其轮缘与砂带背面必须有足够的摩擦力以传递磨削所需的功率。所以接触轮是砂带磨削装置中最关键的结构件。（1）接触轮直径的确定及其宽度：接触轮的直径对材料的切除率有影响，直径越小，砂带与工件接触面积越小，单位面积上压力增大，切削作用增强，磨粒能更好的切入材料，但是接触轮的直径过小，砂带的弯曲应力增大，同时粘结的磨粒也会由于过度挠曲而易脱落，影响砂带寿命，故接触轮直径的减小也要受到一定的限制。由于本设计是磨削一定直径的轴颈外圆，加工范围100mm；根据整个工艺结构尺寸、砂带规格、磨头允许占用空间及主轴转速确定接触轮直径D=80mm。接触轮宽度就等于砂带宽度，所以B=25.4mm。（2）接触轮的结构形式、材料及其硬度：接触轮的结构形式大致可以分为气胎式、自由对中式和实体式三种，本设计采用实体式，它是目前使用最广泛、最主要的一种接触轮。它或由钢、铝、铸铁、尼龙等材料直接制成，或是由以钢、铝等金属材料为轮芯，外包橡胶等弹性材料制成，实体式接触轮的软硬程度变化范围很大，能适应多种磨削的需要，既能用于精密磨削、抛光，又能用于重载强力磨削。本设计采用的实体式接触芯的金属材料采用HT200，外包弹性材料采用丁晴橡胶。接触轮硬度是影响砂带磨削特性的重要参数，它对加工的表面粗糙度，材料切除率及尺寸精度都有很大的影响。在其他条件相同时，硬度越大，有效切削深度越大，因而切除率也越高，而且磨削精度也越高，但加工表面粗糙度却相应的增大。为了获得教理想的综合加工效果，接触轮硬度与直径之间有一定的搭配关系，见下表 直径(mm) 150 200 300硬度(Hs)657585表1-1接触轮直径与硬度的搭配选择所以有接触轮直径D=80mm,选取其硬度（Hs）为65 。（3）接触轮外表的凸缘高度（）：严格的说，接触轮的外圆素线应是一条直线，但为使砂带在沿其宽度方向作恒进给时便于导入，其两端略有坡度。只有在成型磨削或其他特殊情况（如无其他的防止砂带跑偏装置）时，才将其设计成中凸弧形。中凸量越大，砂带对中性越好，但过大会造成砂带磨损和长度方向受力不均，砂带中部易于损坏，故中凸量应在满足砂带不跑偏或成型磨削所要求弧形参数的条件下尽量小，其中凸量可按下述经验公式计算，即：=式中B为接触轮的宽度。所以：=1.01（4）接触轮线速度与橡胶粘结强度的校核：一般而论，提高磨削速度能够改善磨削性能，但磨削速度越高，相应的接触轮的线速度也增高，对于大多数包胶接触轮来说，速度过高将产生较大的动应力，使橡胶脱落。此外，线速度过高还会使接触轮硬化。软橡胶接触轮（Hs50）通常在超过28m/s 时就会变硬而达不到预期效果。砂带磨削的线速度一般在1550内选择，这在很大程度上是由于接触轮胶层的脱落限制了线速度的进一步提高，为了保证橡胶粘结强度，对接触轮的线速度一般应作校核，即： 式中g重力加速度（）橡胶比重（容重）（N/）接触轮线速度（即砂带速度）（m/s）橡胶与金属粘结强度（N/）N安全系数，取1.251.5查资料知橡胶比重为18 N/，橡胶与金属的粘结强度为65 N/。所以： = =48.5m/s=30m/s48.5m/s故合适。3.2.2张紧力与驱动轮结构参数的设计：砂带必须在一定的张紧力作用下才能工作，张紧机构产生的张紧力通过张紧轮使砂带得以张紧，并在驱动轮作用下使砂带进行磨削，张紧轮不但起张紧砂带的作用，而且还起导向作用，使砂带不致偏离接触轮。张紧轮直径越大，导向控制越灵敏。一般情况下建议直径大于。张紧轮过小会引起砂带弯曲过分或振动，也会使其转速过高带来其他不利影响。为使砂带定心，张紧轮和驱动轮外圆要求做成中凸弧形，中凸高度（）不能过大，否则会引起砂带震动及受力不均并使砂带中部损伤。中凸高度值应根据操作情况而定，实践中常由砂带宽度决定，也可按公式计算，即： =（0.250.30）式中，为驱动轮宽度，即=B+25mm，B为砂带宽度。所以： =（0.250.30）=（0.250.30）=1.772.13而根据中凸值选择标准（见下表），张紧轮、驱动轮轮缘中凸值选择为1。 B40606010010015015025025040011.251.522.5 表1-2 张紧轮、驱动轮轮缘中凸值的选择张紧轮宽度比砂带宽25mm其目的在于启动时砂带可能稍有横向移动而不会磨坏其他磨头附件。另外，张紧轮和驱动轮的轮缘中凸高度值，也可根据轮径来选择，具体见下表，从表中可知，随着轮径的增大，凸弧高呈减小趋势。 表1-3轮子直径100125150175200225250275中凸高度32.521.51.310.90.9根据张紧轮、驱动轮直径选择中凸值3.2.3 砂带张紧力的设计计算：砂带的张紧程度对砂带磨削过程有重要的作用，这表现在张紧力大小对加工效率和加工质量及砂带使用寿命等方面的直接影响。在砂带强度允许情况下，材料切除率随张紧力的增大而增加，故选择张紧力应在保证接触轮不失弹性的条件下，张紧力越大越好。张紧力值的选择范围常在780N/cm（砂带宽）之间，其理论计算见下。如上所述，张紧力的选择应考虑接触轮的软硬程度，软接触轮通常采用较低砂带速度以使砂带获得良好的柔性，及在成形磨削或精磨、抛光加工中获得较好的效果，故宜选择较小的张紧力，但应以保证砂带不走偏为前提。采用硬接触轮重磨时，宜选用较大的张紧力。若张紧不足，磨削时会引起砂带在接触区前后发生形变，造成砂带折叠、打卷、起皱等，或产生反向柔曲引起粘结剂松弛、磨粒脱落或破损，但是张紧力过大也不好，它可能引起以下不良后果：（1）接触轮变形，使磨削能力减弱，同时接触轮弹性丧失，不能进行有效磨削。对开齿槽接触轮会引起较大噪声，接触载荷加大，边缘磨损加剧。（2）砂带的延伸量加大，并有可能引起砂带断裂或砂带寿命缩短。（3）接触轮支承轴及轴承载荷加大。总之，选择张紧力的要求是既能避免砂带受力过大而被拉断，又能保持在运行中不跑偏、不打折，有高的切除率。砂带的张紧通常是采用动态方式进行的，因为砂带长度的变化是随磨削过程的一个动态渐近增长过程。在初始工作时，砂带周长较小，经过一段工作时间后，磨削力和磨削热会引起砂带变长，同时，砂带的部分弹性丧失一会使长度加大。所以必须对变长后的砂带进一步张紧，才能保持所需的砂带张紧力。1）砂带张紧力的计算：按接触轮的接触应力计算，砂带张紧力的简单公式为：F=P*B式中F张紧力（N）；接触轮接触应力，一般取50100N/25mm，重负荷用较硬接触轮或刚性接触轮时，P取上限。B砂带宽度（mm）所以张紧力：50100N/25mm*25.4mm=50100N2）砂带张紧力强度校核：砂带张紧力在工作时受三种应力，即拉应力、离心力和弯曲应力，则砂带上所承受的最大拉应力应满足： 式中， n安全系数，取1.252； B砂带宽度。查资料F为3050所以：BF=7621270N 故满足要求。本科学生毕业设计（论文） 4 磨削头架功能部件的设计一个完整的砂带磨削头架，除具有基本的驱动轮、张紧轮和接触功能件（如接触轮、压磨板等）外，还必须有许多与磨削戚戚相关的功能部件，这些功能部件的合理设计或选择对砂带磨床的工作性能亦有一定的影响。例如，砂带张紧及快换操纵机构影响加工辅助时间，从而影响总的效率；横向振荡（轴向窜动）机构影响砂带磨损的均匀性，加工精度及表面粗糙度；防跑偏机构影响砂带寿命及安全性；除尘防尘装置影响机器和工人操作环境；轴承的选择影响零部件的工作性能及功率利用率等等。这些功能部件对于有效地实现砂带磨削整个过程都是不可缺少的。4.1 砂带张紧快换操纵机构的选择：砂带的张紧主要是通过改变张紧轮与接触轮间的中心距来实现。实际应用中有两种张紧方法，一种周期性张紧；另一种是自动张紧，周期性张紧是指砂带因工作而拉伸松弛后，定期地对其进行张紧调节，如用丝杠螺母机构调节，对于加工余量小的零件抛光可采用这种张紧方法，但总的应用较少，砂带磨削中更多的是自动张紧法，有利用弹簧和配重自动张紧。这种方法最为简单，它可通过弹簧的弹力，或配重物件的重力控制砂带的张紧力，并保持砂带始终张紧。自动张紧机构常用的有弹簧手柄式，丝杆滑块式，偏心轴式和杠杆式等。比较高级的则采用液压及气动装置。一般来说，砂带在磨削时，从动边的应力的应力较小，故张紧轮应布置在从动边上以使整条砂带受力均匀，保证从动边的拉力恒定。常用的砂带张紧机构主要有：配重张紧装置、弹簧手柄式砂带张紧快换机构、杠杆式砂带张紧机构、偏心轴套砂带张紧机构、丝杆滑枕式张紧机构。在本设计中，由于设计需要，选用弹簧手柄式砂带张紧快换机构的类似机构作为张紧组织，这种机构及类似机构在砂带磨床上使用较多，弹簧力使砂带自动张紧，此时操纵手柄的位置处于图中的虚实线之间，当砂带需要更换时，只需将手柄按图中箭头方向所示扳动，弹簧被压缩，张紧轮回缩，此时便可更换砂带。松开手柄，弹簧自动将砂带张紧。4.2砂带调偏机构及砂带横向振动装置：4.2.1砂带调偏机构：砂带的防偏装置是砂带磨头不可缺少的一个部分，特别是宽砂带的防偏就更为重要，这是由于砂带两边的周长存在误差，运动中难免不跑偏。砂带的调偏机构大致可以划分为两种基本形式，即张紧轮（或专门由于调偏的支撑轮）轴线相对于砂带在该轮上的包角的中心对称平面内两个方向的摆动方式，如下图所示的x、y两个方向的摆动。运行中重要将张紧轮轴沿x、y两个方向任何一个方向摆动，就能够调整砂带的位置。 图1-3有分别沿上述x、y两个方向摆动来实现砂带调偏的典型示例，一种是沿方向的摆动调偏结构，张紧轮轴两端铣成方形，一端用销子固定在支撑架上，并能在一定角度内在Y平面上转动，另一端端部铣成斜方，同时由支承架一侧的叉口夹持，上下由调节螺丝调整。限位螺丝用于防止轮轴跳出支承架侧面叉口。防松弹簧用以固定调节螺丝的位置。砂带跑偏时，只需转动调节螺丝，使轮轴摆动即可控制砂带的位置；另一种是沿方向的摆动调偏结构，张紧轮的支承轴两端都铣出扁平面，以便放入支架的长槽中，螺钉将扁轴与支架活动连接，使扁轴只能在水平面上绕螺钉转动，从而可实现砂带的调偏操作，调整后螺钉将扁轴从两方固定锁紧。这种沿X方向摆动调偏的结构，还可以是整个支承架连同张紧轮一起摆动来实现调偏，如宽砂带机中的调偏机构和下面将要介绍的砂带横向振动机构就是这种方式。在上述两种调偏的基本形式中，沿X方向的调整方案比沿方向的调偏效果，一般来说要明显些，而且包角越大，这种方式调偏效果越明显，所以对宽砂带来说打多数都是采用这种调偏方式，而且结构上也易于实现。4.2.2 砂带横向振动装置：宽砂带磨床中，磨头上均有具有使砂带沿其宽度方向自动窜动的装置。横向振动的频率和幅度取决于砂带的宽度和加工要求。这可使砂带兼有纵横双向切削作用，使加工表面形成网状纹路，从而改善加工表面粗糙度，并充分利用砂带有效面积，更重要的是它能使砂带磨损均匀，以高加工精度，延长砂带寿命。砂带横向振动实质上是调偏的一种动态反映。所以砂带横向振动的原理与调偏是一致的，为便于结构实施，横向振动一般都是以张紧轮沿X方向摆动的形式来实现。具体的结构有机械式、气动式、液压式和电磁铁式等多种。以下分别予以介绍：（1）气动控制的砂带横向振动机构：气动控制的砂带横向振动其工作原理是：砂带在随主动轮旋转过程中，因某种原因偏离正常运动轨迹，移动到一端的某个位置时，此时两端的气咀闭塞，相应的气动薄膜腔室内气压骤增，使弹性薄膜产生变形向外伸张，导致气动电磁阀动作，使汽缸一端接通，活塞杆伸出（或缩入），最后使张紧轮微倾一个角度，造成砂带两边不对应的一松一紧，使砂带向紧的一边滑动。当滑至砂带堵塞另一端气咀时，重复上述动作，使砂带返回，这样便实现了砂带的反复横向振动。（2）光电控制的砂带横向振动机构：光电控制的砂带横向振动机构通过控制两个电磁铁吸合（或松开），使与电磁铁及摆动机构相联结的偏心轮实现微量正传（或反转），再通过杠杆及滑块等实现张紧轮支承轴的前后方向微量摆动，促使砂带轴向往复窜动。这种装置中电磁铁的运动也可以用液压缸的运动来代替，以此可以消除电磁铁存在的噪音和振动缺陷。（3）机械式砂带横向振动机构：机械式结构是砂带横向振动机构中最简单的形式。其动作原理与光电控制的振动机构类似，不同之处在于它取消了砂带摆动位置测量这个环节，而直接用张紧轮轴的摆动角度来控制砂带摆幅，并将摆杆直接与一不停摆动的偏心轴相联，从而形成张紧轮轴的不停摆动。砂带振动的频率和幅度大小取决于偏心轴转动的速度和张紧轮轴的摆动幅度。总之实现砂带横向振动的机构很多，具体采用什么形式，视磨床的总体布局和加工需要。一般情况下，有了横向振动机构可以不再设调偏装置，但在砂带周长的筒形误差较大（或砂带延伸不一致）时例外。本科学生毕业设计（论文） 5 主要零、部件的设计与校核5.1 接触轮主轴的结构设计和强度校核：5.1.1 选择轴的材料：本课题轴材料选用45钢，进行调质HB240270（T255热处理），按轴所受的扭矩初估轴的最小直径（最小直径在状接触轮处），即按下式： 式中C由轴的材料和承载情况确定的常数，查手册取C=118107，由砂带线速度为4m/s得接触轮摆动频率为15次/秒，总功率为0.75kw,则：=15.814.5mm因装接触轮处有一键槽，故轴径增大5%，即：=16.5915.22mm取标准值d=15mm。5.1.2 轴的结构设计： 表1-4轴的结构设计径向尺寸的确定轴向尺寸的确定装接触轮处直径初算，取标准直径=15mm根据接触轮轮毂宽度确定，应比轮毂宽度短12mm，接触轮轮毂宽度为30mm，=30-2=28mm接触轮轴向固定轴肩，=+（23）C1mm，查手册得=2mm,取h=5mm，=+5=20mm设定轴肩宽度为3mm安装轴承处轴径，有轴肩轴向固定，取=15，初选 轴承查手册，轴承宽度T=6mm，装右轴承处直径，查轴承安装尺寸，=15mm，=15mm=T=6mm本课题设计的接触轮轴的结构如下图所示： 图1-4该轴跨距L400mm，属于工作温度不高的短轴，所选轴承采用两端单向固定，其结构简单，调整方便，两端单向固定即两个支撑分别承受一个方向的轴向力。由于该轴旋转速度不是很高，而轴向力很大，我们对轴承内部游隙设计为可调，在装左轴承的左边轴肩设计一凹槽用于装A型轴用弹性挡圈，由于调整游隙的大小。5.1.3 轴的强度校核计算：由于轴材料为45钢，调质HB240270(T255热处理)，该轴的力学性查手册得：抗拉强度=650MPa，屈服点=360MPa，抗弯疲劳极限=300MPa，抗剪疲劳极限=155MPa。确定各段轴的长度：根据轴的布置及轴上零件的布置，确定各段长度，具体如下图所示：1. 轴的受力分析：a） 求轴上扭矩： 图1-5b） 接触轮的作用力： c）确定跨距：左端支反力到接触轮上力作用点的距离为=23mm，右端支反力到接触轮上作用点的距离为=14mm。d）作计算简图（如图中所示）：e）求垂直面内支反力及，并作垂直面弯矩图： 截面的弯矩： f）作扭矩T图：2. 轴的疲劳强度安全系数校核：确定轴的危险截面：轴上截面存在应力集中，所以我们对截面进行校核。截面的安全系数校核计算：截面上的应力：截面的弯矩为=18042.3，故： 安全系数：弯曲安全系数： 扭转安全系数： 综合安全系数： 取S=1.51.8，SS，故合适。本科学生毕业设计（论文） 6 总结本次设计所设计的开式砂
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