数控磨床砂轮架部件的设计与研究

胡婷婷

（ 阜阳职业技术学校，阜阳236000）

1 数控磨床介绍

磨床可以加工各种表面，如内、外圆柱面和圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形表面。磨床可进行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以进行各种高硬、超硬材料的加工，还可以刃磨刀具和进行切断等，工艺范围十分广泛。

高几何精度。精密磨床应有高的几何精度，主要有砂轮主轴的回转精度和导轨的直线度以保证工件的几何形状精度。主轴轴承可采用液体静压轴承、短三块瓦或长三块瓦油膜轴承，整体度油楔式动压轴承及动静压组合轴承等。当前采用动压轴承和动静压轴承较多。主轴的径向圆跳动一般应小于1um，轴向圆跳动应限制在2—3um 以内。

低速进给运动的稳定性。由于砂轮的修整导程要求10—15mm/min，因此工作台必须低速进给运动，要求无爬行和无冲击现象并能平稳工作。

减少振动。精密磨削时如果产生振动，会对加工质量产生严重不良影响。故对于精密磨床，在结构上应考虑减少振动。

减少热变形。精密磨削中热变形引起的加工误差会达到总误差的50%，故机床和工艺系统的热变形已经成为实现精密磨削的主要障碍。

2 数控磨床磨削特点

2.1 外圆磨削

在外圆磨削过程中，工件是安装在两顶尖的中心之间，砂轮旋转是引起切削旋转的主要来源和原因。基本的外圆磨削方法有两种，即横磨法磨外圆和纵磨法磨外圆。

事实上，外圆磨削可以通过其他以下几种方法来实施：

（1）传递方法：在这种方法中，磨削砂轮和工件旋转以及径向进给都应满足所有的整个长度，切削的深度是由磨削砂轮到工件的纵向进给来调整的。

（2）冲压切削方法：在这种方法中，磨削是通过砂轮的纵向进给和无轴向进给来完成的，正如我们所看到的，只有在表面成为圆柱的宽度比磨削轮磨损宽度短时，这种方法才能完成。

（3）整块深度切削方法：除了在磨削过程中，要进行间隙调整外，这种方法与传递方法很相似，同时这种方法具有代表性，除了磨削短而粗的轴。

2.2 端面外圆磨床及其特点

端面外圆磨床是外圆磨床的一种变形机床，它宜于大批量磨削带肩的轴类工件，有较高的生产率。它的特点如下:

（1）这种磨床的布局形成和运动联系与外圆磨床相似，只是砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜一角度（通常10°，15°，26.23°，30°，45°），如图1 所示，数控端面外圆磨床MKS1632A 的砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜30°。为避免砂轮架与工件或尾架相碰，砂轮安装在砂轮架的右边，从斜向切入，一次磨削工件外圆和端面。

图1 砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜一角度

图2 E5 数控框

图3 磨床纵向尺寸

图4 砂轮架的导轨

（2）由于它适用于大批量生产，所以具有自动磨削循环，完成快速进给（长切入）--- 粗磨--- 精磨—无花磨削。由定程装置或自动测量控制工件尺寸。

（3）装有砂轮成型修整器，按样板修整出磨削工件外圆和端面的成型砂轮，为保证端面尺寸稳定及操作安全，一般具有轴向对刀装置。

3 磨床总体设计

3.1 磨床总体布局设计

（1）加工零件的工艺分析（表面形状，尺寸，材料，技术条件，批量，加工余量等）；

（2）调查研究比较国内，外同类机床，经验总结，进行改革创新；

（3）图纸设计（总图，部件装配图，零件图，工艺卡，目录，标准件，外购件目录，铸件，锻件目录，说明书，装箱单，合格证）；

（4）制造，装配，调试；

（5）小批量生产，设计改进；

总体设计注意事项：

（1）保证机床满足加工精度要求，刚性，稳定性好；

（2）传动系统力求简短；

（3）操作调整方便；

（4）安全保护，冷却液供给，回收，废渣的排除。

3.2 总体布局初步设计

（1）T 型床身；

（2）工作台移动；

（3）工作台型面采用倾斜10°的型面；

（4）砂轮架主轴与床身导轨倾斜30°角；

（5）头尾架中心线平行；采用成型砂轮修整器（金刚石滚轮），采用MARPPOS 公司轴向，径向测量仪，配用该公司E5 数控框（如图5—1 所示）来控制轴向尺寸，径向尺寸，测量仪布置在横梁上；

图5 砂轮架的高度和宽度

（6）数控系统的四坐标轴

X 轴：砂轮架进给 Y 轴：修整器进给

Z 轴：工作台移动 W 轴：工件旋转

（7）各轴采用交流伺服电机，通过精密无间隙弹性联轴器直接与滚珠丝杆相连；

（8）液压油箱单独（减小热变形，简化机床结构，易实现标准化，通用化，便于维修）；

（9）电器框与机床采用空中走线；

（10）机床前防护罩采用全封闭结构。

3.3 纵向与横向尺寸的确定

3.3.1 纵向尺寸

①工件最大长度l1=750mm；

②头架长度l2=450mm；

③尾架长度l3=320mm；

④上台面长度l4=l1+l2+l3+100+(20～40)mm=1640mm；

⑤下台面长度l5=l4+l4×(15%～20%)=2000mm；

⑥床身长度l6=l5+l1+400=3150mm；

⑦后床身长度l7=1600mm（考虑砂轮架和修整器大小按经验给定）；

⑧整个床身宽度l8=1650mm（视觉效果）；

⑨砂轮架中心与机床床身对称线相距l0=l2-l3=1200mm

3.3.2 横向尺寸

1）画出横向尺寸床身的V 型导轨作为横向尺寸的基准，画出床身的平面导轨作为高度尺寸的基准线，根据确定的工作台参数，导轨参数B1’，B2’中心画出左视图

2）确定上，下工作台厚度和宽度

（1）厚度：用类比法

l'为工作台导轨的中心距，工作台导轨选用80mm×75mm×250mm

取h1'=0.3×250=75mm

h2'=0.38×250=95mm

（2）宽度。

B=(1/2)B+(12～30)=(1/2)×75+20=58mm

∵B4≥B6∴B4=70mm

B7=(1/2)Bl'+(12～30)=(1/2)×75+20=60mm

∵B5≥B7∴B5=70mm

B工作台=250+70+70=390mm

3）确定头，尾架顶尖中心位置

顶尖中心安排在V 型导轨的中心线上，这样有利于磨削最小直径工件的，砂轮架趋近于工作台不致相碰。缺点是使导轨的承载压力较大，故应适当加宽V 型导轨的宽度。

3.4 砂轮架相关尺寸设计

（1）砂轮架导轨（V—平导轨）10090400[1]

考虑到砂轮的大小及重量与砂轮架的稳定性，取L`中心=500mm，从而可定出砂轮架的宽度约为600mm，导轨为0.15MPa 的卸荷导轨。

（2）砂轮架横向行程长度l横。

式中S快速为砂轮架快速进退的行程，一般取60～150mm，此处取111mm。

安全系数取0.1 足够

l横=250+111×0.1+111=372.1（l横取373）

（3）砂轮架高度和长度

砂轮架箱体导轨的高度h3，砂轮底板滑台高度h4，砂轮中心距砂轮底面高度h5，与后床身顶面至平导轨的高度h0，为避免上，下工作台运动时与箱体相碰，安装在后床身上的垫板顶面需低于上下工作台的顶面，同时考虑横向进给机构穿过床身的位置等，根据经验

①h6=110～150mm 取h6=130mm

②砂轮架中心距后床身顶面

h7=h1-h2+h6=1095-740+485mm

③砂轮架底座安装修整器，内有传动丝杆

取h4=120mm

④后床身进给导轨内装丝杆

取h3=190mm

h5=h7-h3-h4=485-120-190=175

⑤砂轮架底板长度l9：

l9≥（1.5～2）l中心

=（1.5～2）×500

=750～1000

∴取l9=900mm

⑥砂 轮 架 导 轨 长 度 l10≥l9+l横+（50～80）

=900+373+80=1353mm

∴取l10=1305mm

（4）砂轮架主轴电机的选择

①用类比法，砂轮架主轴电机的功率取15kW；

取N电=15kW

3.5 头架相关尺寸的确定①长，宽，高：440mm×400mm×411mm[1]②主轴锥孔：莫氏5#锥孔

通过以上计算头架中心高取180mm

⑤交流伺服电机选择

用类比法，交流伺服电机选择IFT5076-DA(D1 18N-M)电机

砂轮磨削工件需要的功率

交流伺服电机通过20/38 的双楔齿轮带传递给工件，即

N实=18×38/20=34.2N.m/s＞l4∴合格

⑥主轴不旋转，主轴靠拨盘带动旋转

3.6 砂轮修整器

伺服电机--- 丝杆--- 修整器

直线滚动导轨

主轴直径D=50mm，采用液体动压轴承(16r/min6.3MPa)

修整速度=(1/3～1/5)V砂

修整器直径φ70～φ120，故V线=12～19m/s

修整器行程为160mm

4 砂轮架设计的基本要求

砂轮架是磨床上用来带动砂轮作高速旋转的关键部件，主要由传动部件和主轴轴承部分组成，主轴与轴承是砂轮架的主要组成部分，因此对砂轮架设计提出的基本要求也是针对主轴轴承部分的。

砂轮架设计应满足以下几点基本要求[1]：

1.主轴旋转精度高，旋转稳定；

2.主轴轴承系统刚性好；

3.振动小，发热低，不漏油；

4.装配制造简单，调整维修方便。

5 砂轮架主轴初步设计

5.1 砂轮架主轴的强度校核

进行轴的强度校核时，应根据轴的具体受载及应力情况采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。对砂轮架主轴来说，由于采用了卸荷皮带轮装置，砂轮架主轴主要承受扭矩，应该按照扭转强度计算，且在选取许用应力时应该选取较小值。砂轮架主轴材料采用42MnVB，并进行淬火，故选取许用应力为40MP。

轴的扭转强度条件为

τT——扭转切应力（单位为MP）

T——轴所受扭矩（单位为N·mm）

WT——轴的扭转截面系数（单位为mm3）

P——轴传递的功率（单位为kW）

n——轴的转速（单位为r/mm）

d——计算界面处的直径（单位为mm）

[τT]——许用扭转应力（单位为r/mm）

由上式可得轴的直径为

由上述计算可以得知砂轮架最小直径为31.02mm，考虑到砂轮架的刚度等因素，取主轴的最小直径为60mm。砂轮架主轴的尺寸如图6 所示。

图6 砂轮架主轴尺寸示意图

5.2 主轴刚度校核

5.2.1 当量直径

因为是阶梯轴，所以用当量直径法做近似计算当量直径为：

5.2.2 允许挠度

允许挠度[y]=0.0002L ＜0.0002×660=0.132mm

5.2.3 计算主轴前端挠度值

P——载荷（单位为kg）（150/9.8）

l——轴两端的跨距（单位为cm）（66.00）

a——悬伸长度（单位为cm）（13.2）

E——材料的弹性模数（单位为kg/cm2）（21.02）

I——截面惯性矩（cm2））

又因为[y]=0.135，0.01＜0.135，即＜[y]，由上述校核可以得知，主轴刚度符合要求。

一般存在一个使主轴前端挠度最小，即刚性最好的支撑跨距L。由经验得知，L 为（3～6）D 时，主轴前端挠度最小，D=120mm，L 为360～720mm，取L 为640mm。

5.3 传动装置设计

为了提高主轴的旋转精度，皮带轮不直接装在主轴上，而是装在单独的支架上，并用花键套带动主轴旋转，即采用卸荷皮带轮的方案，如图7 所示。这个方案的优点是，减少了主轴的变形，同时还提高了承载能力。

图7 卸荷皮带轮

图8 小带轮的结构尺寸

5.3.1 电动机的选择

通过以上计算，取N电=15kW，选择Y100L—4型电动机。

5.3.2 皮带设计

1）皮带材料的选用

皮带材料选用聚氨酯。

2）设计计算

已知小带轮转速，即n1=1500r/min，传动比i=2.5。

（1）计算功率

工作情况系数KA为1.1，故

PCa=KAP=1.5×1.1=16.5kW

（2）由PCa和n1选择带型

由于PCa=16.5kW，n1=1500r/min，取带型为L 型。

（3）确定带轮基准直径

取主动轮基准直径D1=80mm。

4）验算带速

V=6.28 m/s ＜30 m/s，所以带速合格。

（5）初定轴向间距

由公式（4—5）

0.7（D1+D2）＜a0＜2（D1+D2），

可知196＜a0＜560，取a0=400。

（6）所需基准带长

取相近的基准带长Ld=1250 mm[6]。

（7）实际轴向间距

所以皮带的实际轴向间距取＝401mm。

（8）多楔带每楔的基本额定功率P1

可以查得P1＝0.34kw。

（9）小带轮的包角

（10）多楔带楔数的确定

得Kb=4.6×10-3

Ki=1.14，代入△P 的计算公式中，得△P＝0.849kW。

又已知Kα＝0.955，Kl＝1.00，得：

由此可以确定，取Z＝15。

5.3.3 带轮设计

1）带轮设计的要求：

（1）质量小，结构工艺性好，无过大的铸造应力；

（2）质量分布均匀，转速高时要经过动平衡校正；

（3）槽轮工作面要经过精细加工，以减少带的磨损；

（4）轮槽的尺寸和角度应有一定的精度，以使载荷分布均匀。

2）带轮的材料选用

带轮的材料选用HT200。

3）带轮的结构

（1）小带轮直径D≤（2.5～3）d（d 为轴的直径），所以采用实心式。

（2）大带轮D2=200＜300，所以采用腹板式结构。

4）小带轮的结构尺寸

da=d+2h

其中da——带轮的外径，

d——轴的直径，

h——基准线上槽深。

da=d+2h=80+2×3=86mm

db=(1.8～2)da=1.9×86=163.4mm，圆整后得db＝165mm

L=(1.5～2)da=1.6×86=137.6

B=(Z-1)P+2g，

其中Z——多楔带的楔数，

P——多楔带的槽间距，

g——第一槽对称面到端面的距离。

B=(Z-1)P+2g=(15-1)×4.9+2×10=88.6mm

5）大带轮的结构尺寸

da=d+2h=200+2×3=206mm

db=(1.8～2)da=1.9×206=391.4mm

L=(1.5～2)da=1.6×206=329.6mm

6 结论

在数控高速端面外圆磨床MKS1632A 的设计过程中，砂轮架是磨床上用来带动砂轮作高速旋转的关键部件，主要由传动部件和主轴轴承部分组成，主轴与轴承是砂轮架的主要组成部分。首先是根据砂轮架主轴的要求进行轴的设计，然后再选取轴承，设计皮带和皮带轮等等。在这个过程中，轴的挠度校核、皮带和皮带轮的设计等用到了大量的计算。本次设计的数控磨床可以同时加工带轴肩类零件的外圆和端面，从而提高了磨削效率，减少加工时间，节省工件的生产成本。