（机械制造及其自动化专业论文）轧辊磨床磨头主轴系统若干关键问题研究.pdf

硕十学位论文 摘要 轧辊磨床是现代工业生产中不可缺少的一种重要生产设备，其生产的轧辊主 要应用在冶金、造纸，轧钢等行业。随着产品质量要求的提高，轧辊磨床的精度 也越来越高。为了保证轧辊磨床具有良好的动静刚度、动态特性、稳定性、加工 工艺性，在机床的设计过程中需要采用现代设计方法实现结构的动态设计，提高 性能以增强产品的市场竞争力。 主轴系统作为轧辊磨床的重要组成部分，它的动静态性能直接影响轧辊磨床 的综合性能和轧辊的加工精度及表面质量。本文以天水星火机床有限公司的 m 8 4 1 0 0 a 型轧辊磨床主轴系统为研究对象，通过对原轧辊磨床主轴系统结构和性 能的研究，设计完成了新的主轴系统，达到了高速高效优质磨削的基本要求。 首先，根据生产要求选择了主轴系统的传动方式，并对主轴系统的抗振性和 回转精度进行了分析，同时优化了原皮带轮的结构和皮带的根数。其次，在建立 主轴三维实体模型的基础上，对其进行有限元静力分析，得到了主轴结构的应力 和应变图，研究了其静态特性；运用传递矩阵法和有限元法对经过适当简化后的 主轴系统进行模态分析，得到了主轴系统的前五阶固有频率，对主轴系统进行谐 响应分析得到了位移频率曲线，研究了主轴的动态特性。最后根据需要选择单向 联合动静压滑动轴承作为支承轴承，并对其结构参数进行计算，得到了合理的数 值。 新主轴系统投入使用后，轧辊磨床的生产效率和运行稳定性有很大提高，新 轧辊的各项设计指标经测量分析完全达到设计要求，部分指标甚至超过设计要求。 可以证明研究思路是正确可行的，同时为其它轧辊磨床的研制提供一些有价值的 参考。 关键词：轧辊磨床；磨削工艺；动静态特性；传递矩阵法；动静压轴承 a b s t r a c t r o l lg n n d e rm o d e r ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o ni s ak i n do f i n d i s p e n s a b l ee q u i p m e n t ， t n ep r o d u c t l o no fr o l ii sm a i n l yu s e di n m e t a l l u r g y , p a p e r m a k i n g ，r o i l l n gi n d u s t r i e s w i t ht h e1 m p r o v e m e n to fp r o d u c tq u a l i t y , r o l lg r i n d e r a c c u r a c yi sh i 曲e ra n d h i g h e r a l s o i no r d e rt oe n s u r et h es t a t i c s t i f f n e s s ，d y n a m i c t r a i t ，s t a b i l i t ya n dp r o c e s s i n g m a n u 龇r a b i l i t y i n 【h ed e s i g np r o c e s so ft h em a c h i n e ，i ti sn e e d e dt o a d o p t sm o d e r n d e s l g nm e t h o dt 0r e a l i z et h ed y n a m i cs t r u c t u r ed e s i g n ，i m p r o v ep r o d u c t p e r f o r m a n c e t oe n h a n c et h ec o m p e t i t i v ei nt h em a r k e t 触1 s s y s t e m ，a sa ni m p o r t a n t p a r to fr o l l g r i n d e r , i t ss t a t i c a n dd y n a m i c p e 晰m a n c ed i r e c t l yi n f l u e n c e s t h e c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ea n d m a c h i n i n g p r e c l s l o na n ds u r f a c eq u a l i t yo ft h er o l l e rg r i n d i n g t h i st h e s i sd i s c u s s e s t h em 8 4 1 0 0 a t y p ef o l lg r i n d e rs p i n d l es y s t e mo ft i a n s h u is p a r km a c h i n ec o ，l t d a st h er e s e a r c h o b je c b yr e s e a r c h i n gt h er o l l e r g r i n d i n gm a c h i n es p i n d l es y s t e m ，ss t r u c t u r ea n d p e r l = o 瑚a n c e ，t h ed e s i g no fan e ws p i n d l e s y s t e mi s c o m p l e t e d ，t om e e tt h eb a s i c r e q u i r e m e n t so fh i g hq u a l i t yg r i n d i n g l r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t so ft h e s p i n d l es y s t e mt h et y p e o ts p l n d i ed r i v ei ss e l e c t e d ，a n dt h ea n t i - v i b r a t i o na n d g y r a t i o na c c u r a c yi sa n a l y z e d ， t n e0 p t i m l z a t i o no ft h es t r u c t u r eb e l tp u l l e yn u m b e ro f t h eo r i n g i n a ls t r a pw h e e li s d o n e - s e c o n d l y ，b a s e do ne s t a b l i s h m e n to ft h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l o ft h es p i n d l e ，t h e t l n n ee l e m e n ts t a t i ca n a l y s i si sc a r r i e do u tt h r o u g hw h i c ht h e s t r e s sa n ds t r a i ng r a p h o rt h es p l n d l es t r u c t u r ei s o b t a i n e d ；t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c si s r e s e a r c h e d u s i n gt h e t r a n s f e fm a 嘶xm e h o da n df i n i t e e l e m e n tm e t h o df o rt h e 皿o d a ia n a l y s j s o ft h e p r o p e r l ys i m p “f i e ds p i n d l es y s t e m ，t h e f i s tf i v e n a t u r a l f r e q u e n c i e si sg i v e n h a 蛐o n l cr e s p o n s ea n a l y s i so fs p i n d l es y s t e mg i v e s t h ef r e q u e n c y d i s p l a c e m e n t c u r v e t o n e i pw l t ht h es t u d i e st h et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o ft h es p i n d l e f i n a l l y a c c o r d l n gt ot h en e e d ，a o n e w a yc o m b i n a t i o n h y d r o d y n a m i c h y d r o s t a t i cs l i d i n g d e a r l n g l s s e l e c t e d ,a n dt h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r sc a l c u l a t i o ni s d o n ef o r t h e t h eu s eo fn e w s p i n d l es y s t e mg r e a t l yi m p r o v e dt h ep r 。d u c t i 。ne f f i c i e n c va n d o p e r a t i n gs t a b i l i t yo ft h er o l l e rg r i n d e r t h ei n d e x e so ft h en e w f 0 1 1 e rc o m p l e t e l ym e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sb ym e a s u r i n ga n d a n a l y s i s ，s o m ee v e ne x c e e dt h ed e s i g n r e q u l r e m e n t sw h i c hp r o v e st h a tt h e f e a s i b i l i t yo ft h es t u d i e s t h er e s e a r c hs u r l v p r o v i d e ss o m ev a i u a b l er e f e r e n c ef o rd e v e l o p m e n to fo t h e rr o l lg r i n d i n gm a c h i n e 硕七学位论文 k e y w o r d s ：r o l l e rg r i n d i n gm a c h i n e ；g r i n d i n gp r o c e s s ；s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r - i s t i c s ；t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ；h y b r i dh y d r o d y n a m i c h y d r o s t a t i cj o u r n a lb e a r i n g 轧辊磨床磨头主轴系统若干关键问题研究 插图索引 图2 1 磨削力与砂轮线速度h 、单位宽度金属磨除率z w 的关系7 图2 2 确定、1 ，w 的模式图8 图2 3 砂轮离心力产生的应力及应力分布1 1 图2 4 原磨床加工的轧辊1 5 图2 5m 8 4 1 0 0 a 轧辊磨床及轧辊1 6 图2 6z 4 2 0 0 3 1 型直流电动机1 6 图3 1 主轴系统结构方案示意图1 8 图3 2 皮带轮结构布置图1 9 图3 3 轧辊磨床磨头主轴系统结构方案图2 1 图3 4 传动带布置示意图。2 2 图3 5 原皮带轮结构图2 3 图4 1 单元的传递矩阵2 8 图4 2 不计质量轴段的传递矩阵。2 9 图4 3 支承元件的传递矩阵。3 1 图4 4 主轴系统的模型3 3 图4 5 主轴有限元模型图3 7 图4 6s o l i d 9 2 单元3 7 图4 7 主轴有限元网格图3 8 图4 8 主轴有限元网格约束图3 9 图4 9 主轴有限元载荷图3 9 图4 1 0 主轴有限元应力云图4 0 图4 1 l 主轴有限元变形图4 1 图4 1 2 主轴第一阶模态计算结果4 2 图4 1 3 主轴第二阶模态计算结果4 2 图4 1 4 主轴第三阶模态计算结果4 3 图4 1 5 主轴第四阶模态计算结果4 3 图4 1 6 主轴第五阶模态计算结果4 4 图4 1 7 主轴砂轮点响应幅频曲线4 5 图5 1 滑动轴承形成流体动力润滑过程4 6 图5 2 单向联合动静压滑动轴承结构示意图4 9 图5 3 动静压轴承径向静压性能计算流程图。5 1 硕士学位论文 图5 4 轴颈受力示意图5 4 图5 5 网格划分5 5 图5 6 动静压轴承网格计算示意图5 5 图5 7 油腔流量的离散5 8 图5 8 动静压轴承数值计算流程图6 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：司、为) 撒日期：劫矿年上月必日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：渺年 日期：0 9 年 j - 月龆日 - 月p 日 硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 高速轧辊磨床属于大型精密加工机床，是现代工业生产中一种不可缺少的重 要生产设备，其生产的轧辊主要用于冶金、造纸、轧钢等行业，它的磨削原理与外 圆磨床相似，但又不同于一般的外圆磨床，其运动复杂的多【l 引。高质量的金属板、 带、箔的生产在很大程度上依赖高质量的轧辊，而高质量的轧辊是由高精度的轧 辊磨床保证的。由于对轧辊质量的要求越来越高，因此，提高轧辊磨床的磨削精 度已成为企业提升产品质量、提高生产效率、降低成本的关键。 目前，轧辊的几何精度均达到, u m 级【3 1 ，为了提高轧辊磨床的磨削精度，提 高磨削效率，降低生产成本，开发高速高效轧辊磨床的工作是必要的。天水星火 机床有限责任公司m 8 4 1 0 0 轧辊磨床由于受当时技术条件的限制，磨床磨头主轴 系统的转速及精度都比较低，且经过多年的运行，没有进行过全面的维修和技术 升级，导致磨床的加工精度降低，故障时常发生、生产效率低下。 随着对轧制产品表面质量和板型质量要求的提高，该磨床已经无法满足高精 度、高表面质量轧辊的磨削。因此，急需对该磨床进行全面的技术升级和技术改 造。针对m 8 4 1 0 0 轧辊磨床存在的问题，并结合当今世界轧辊磨床的先进技术， 在现有磨床磨头的基础上，通过对主轴单元和支承单元的重新设计制造以及传动 机构的改进，并对保留部分进行全面检修，从而提高磨床的加工精度和生产效率， 使该磨床加工精度和生产效率达到比较高的水平。 1 2 国内外轧辊磨床发展概况及趋势 1 2 1 国外发展概况 二十世纪5 0 6 0 年代美国f a r r e l 公司第一台轧辊磨床问世，其磨架为三 层结构，即磨架横向导轨安装垫板，砂轮架安装在垫板上的回转轴上，在大滑架 纵向往复运动的同时，砂轮架绕回转轴做一定角度的相对回转，实现中凸( 凹) 曲 线磨削；砂轮主轴为动压轴承；纵向往复运动导轨和横向进给导轨均为滑动导轨。 随后原东德、前苏联等国也相继生产了以上结构的轧辊磨床。 7 0 年代至8 0 年代7 0 年代初由美国f a r r e l 公司首先推出两层结构磨架， 即取消垫板，砂轮架直接安装在拖板的横向导轨上；采用偏心套筒静压主轴承技 术的中凸( 凹) 机构。随后，德国的瓦德利希西根公司进一步发展完善，广泛应 用于该公司生产的轧辊磨床上。 8 0 年代中期至9 0 年代初随着动静压磨头主轴技术的出现和发展以及数控技 轧辊磨床磨头主轴系统若干关键问题研究 术的发展和应用，世界上工业发达国家如德国、日本、意大利等国把数控技术应 用在轧辊磨床上，出现了数控轧辊磨床、全自动数控轧辊磨床。 9 0 年代末美国v o i t hs u l z e r 公司提出了双站台轧辊磨床的概念，即在一 台轧辊磨床上设置两个尾座、一个床头，可以省去轧辊装卸循环过程，大大提高 了生产效率，降低了投资成本。该公司无基础m o n o l i t h 轧辊磨床采用整体底 座的新技术，既省去基础安装的过程，又缩短了磨床的安装周期。 下面为一些国家生产的轧辊磨床所具有的一些典型功能和结构： 曲线磨削机构：东芝公司是靠大拖板纵向运动和磨架横向进给运动的复合运 动来磨削曲线轧辊( 即平动磨削) 。由于磨床惯量大，靠磨架横向平动实现曲线磨 削的精度差。西根公司和波米尼公司是采用静压偏心套筒回转实现曲线磨削，刚 度高，运动灵敏，磨削精度高。 涡流探伤、闭环监视磨削：在测头处增设涡流探伤探头，随时检测轧辊表面的 质量，探测表面伤痕的深度，砂轮自适应磨削至伤痕完全消除，即自动停止，退 出磨削程序。 数控测量系统：西根公司有两种测量装置，一种是用于半自动数控轧辊磨床的 c p 型测量装置。该测量臂装于磨床顶上，两测量头中心与轧辊中心线不重合，测 量时必须人工找正。另一种是用于全自动数控轧辊磨床的c 型数控测量装置，安 装在拖板上，两测头中心与轧辊中心线重合可以实现在线测量。 日本东芝的数控测量装置是采用一个单臂斜安装于拖板上，单臂上有二个测 臂，分别由一根左旋和一根右旋丝杠驱动，同时张开( 或靠近) ，测量时单臂回转 到水平位置【引。 1 2 2 国内发展概况 我国轧辊磨床的发展，大致经历了引进国外设备、吸收消化国外技术和自主 生产的过程。轧辊磨床的引进大致可分为两个阶段： 第一阶段，为6 0 年代初期，随着前苏联援建我国的一大批项目的上马，我国 也随之引进了大量的轧辊磨床。这一时期引进的轧辊磨床，绝大部分是前苏联、 原东德等东欧国家设计制造。据统计，仅直径在1 0 0 0 m m 一1 6 0 0 m m 的大型轧辊磨 床就有6 0 多台。由于当初是轧辊磨床的发展初期，从设计到制造都不尽完善，自 动化程度较低，基本为手动操作，因而磨床的精度及效率都比较低。 第二阶段，为8 0 年代中期至九十年代末，随着宝山钢铁公司等一大批钢铁企 业的建立，以及国有冶金、造纸、机械等行业大中型企业的技术改造，又形成新 一轮设备引进高峰，同时，一大批新的轧辊磨床投入使用。这一时期引进的轧辊 磨床，主要有德国的瓦德里希济根公司、赫克利斯公司，意大利的波米尼公司 和日本东芝公司的产品，磨床的自动化水平较高，精度及效率都有了很大的提高。 2 硕十学位论文 当然，与此同时，随着大量二手设备的引进，随主体设备也带来了一大批陈旧的 轧辊磨床。这批轧辊磨床的水平参差不齐，但是绝大多数都是六、七十年代普通 型轧辊磨床【4 5 l 。 1 9 8 5 年至1 9 9 0 年险峰机床厂与西德瓦德利希西根公司合作，引进该公司 设计、生产制造数控轧辊磨床的全套技术资料，开始生产w s w h 2 5 x 5 0 0 0 型数控 轧辊磨床。随后，在引进消化吸收国外先进技术的基础上，于1 9 9 2 年自行设计研 制m k 8 4 6 3 、m k 8 4 8 0 、m k 8 4 1 0 0 、m k 8 4 1 2 5 、m k 8 4 1 6 0 、m k 8 4 2 0 0 型轧辊磨床。 1 9 9 5 年为宝钢冷轧厂设计研制的m k z d 8 4 1 2 5 全自动数控轧辊磨床，达到9 0 年 代初世界先进水平。天水星火机床公司也是较早生产轧辊磨床的企业，从2 0 0 2 年开始，相继推出m 8 4 8 0 、m 8 4 1 0 0 、m k 8 4 8 0 、m k z 8 4 8 0 、m k 8 4 1 6 0 、m k 8 4 2 5 0 型轧辊磨床。 上海机床厂有限公司作为国内专业制造精密磨床和数控磨床的企业，目前已 成功研发和制造了一台可磨削百吨工件的m k 8 4 2 0 0 1 2 0 0 0 h 型数控轧辊磨床。该 台大型磨床无论是可磨工件重量还是磨削精度，均可谓是“国内之最 。它的研 发与制造成功使企业在“极端制造 领域又跨进了一大步。m k 8 4 2 0 0 1 2 0 0 0 h 型 数控轧辊磨床最重可托磨工件1 0 0 t ，最大磨削外圆为# 2 0 0 0 m m ，磨削长度为 1 2 0 0 0 m m ，顶尖磨削重量最重达8 0 t ，其几何精度、工作精度均达到了国外同类机 床的先进水平。该磨床用于轧辊制造厂新辊的磨削，主要承担热连轧机组、宽厚 板机组支承棍、工作辊等大型轧辊的粗磨、精磨工序加工，完成辊身和托肩的外 圆、锥面、端面等部位磨削【6 j 。 2 0 0 8 年上海机床厂有限公司为上海重型机械厂有限公司制造的世界上最大 的数控轧辊磨床m k a 8 4 2 5 0 1 5 0 0 0 h 已经签约。这是继m k 8 4 2 0 0 1 2 0 0 0 h 后， 上海机床厂再度承制超重量级产品。该机床最大磨削直径为2 5 0 0 m m ，有效磨削工 件长度为1 5 0 0 0 m m ，最大磨削工件重量为2 5 0 t ，机床总体布局采用工件床上与滑 板床身分离的结构，磨削精度不受工件重量和运动的影响，轧辊软着陆装置采用 专用承载结构。这标志着机床厂极端制造又将树起一个新的里程碑，同时也标志 着我国重载高精度数控机床跻身世界先进水平。 1 2 3 发展趋势 ( 1 ) 数控化数控技术与传统加工工艺结合，不仅能够缩短生产准备时间，提 高磨削精度和磨削效率，完成辊面形状较为复杂的轧辊加工，同时也是实现轧辊磨 削自动化的基础。因此，数控化是当代轧辊磨削技术发展的主流。8 0 年代以来， 些先进的轧辊磨床制造厂，都相继在其产品中引进了数控技术，目前大多已实现数 控化。 ( 2 ) 产品系列化和设计模块化当代国# 1 - 车l 辊磨床制造厂大都具备完备的系 3 轧辊磨床磨头主轴系统若干关键问题研究 列化产品，机床采用模块化设计和计算机辅助设计，使轧辊磨床制造技术达到密 集化水平，并能实现快速响应市场的需求。 ( 3 ) 高速高效精密化高速超高速磨削可大幅度提高效率，减少砂轮磨损， 提高零件加工质量，是一项具有强大生命力和广阔前景的技术。它正为世界工业 发达国家所重视，并已开始进入实用化阶段。 当今高速高效磨削、超高速磨削在欧洲、美国和日本等一些发达国家发展很 快，如德国的阿享( a a c h e n ) 大学、b r e m m 大学、c o n n e c t i c u t 大学等，有的在 实验室完成了砂轮线速度 ，。为2 5 0 m s 、3 5 0m s 、4 0 0m s 的实验室研究。在实际 生产使用方面，日本已有砂轮线速度h 为2 0 0 m s 的磨床在工业中使用。在大功 率轧辊磨床磨削领域德国已有h 为1 2 0 m s 的磨床应用于生产。此外，我国已经 研制出了第一台砂轮线速度达到1 5 0 m s 的超高速平面磨削试验台。 精密加工能极大地提高产品的质量和产品的性能。精密和超精密技术的发展， 直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此极为重视， 投入很多的力量进行研究。提高磨削速度可以降低磨削力，是改善表面粗糙度， 成为提高生产效率、提高加工精度的有效措施之一。 ( 4 ) 柔性化近年来，由于加工中心的应用，用户对轧辊磨削技术柔性化的 要求越来越高。柔性可以表述为两个方面：一是系统适应外部环境变化的能力， 可用系统满足新产品要求的程度来衡量；二是系统适应内部变化的能力，可用在 有干扰( 如机器出现故障) 的情况下，这时系统的生产率与无干扰情况下的生产 率期望值之比可以用来衡量柔性。其优点是生产率很高，由于设备是固定的，所 以设备利用率也很高，单件产品的成本低。因此，有数控轧辊磨床向柔性制造系 统( f m s ) 发展的趋势。目前r c h 系列轧辊磨床已实现自动更换砂轮和更换工件， 且适合柔性加工生产线上使用【3 7 1 。 ( 5 ) 绿色化近年来，为有利于保护环境和人的身心健康，实行清洁安全生产 的“绿色工程已在工业发达国家兴起。绿色制造系统包括绿色设计、绿色制造 ( 生产) 、生命周期分析与评价三个要素。其中绿色制造是二十一世纪制造业最 具生命力的发展方向之一。实行“绿色工程、开发“绿色制造技术是制造业 面临的重要课题。绿色切削磨削技术是绿色制造的一个重要组成部分，它是指对生 态大环境和加工现场小环境均无毒副作用( 或副作用很小) ，在加工过程中产生少 量“三废 并在链条末端可回收或自然降解，以达到无公害的环保要求，对人的健 康和环境没有危害的加工技术【8 ，9 1 。 绿色制造是实现制造业可持续发展的主要内容，绿色切削作为一项新课题，正 得到越来越广泛的重视。虽然干式切削、低温切削、m q l 切削等技术还有很多 问题需要解决，但与传统的加工方法相比，它们的优越性正逐渐体现出来。在制造 业的发展过程中，绿色切削技术必将得到更快的发展和更广泛的应用，绿色切削磨 4 硕十学位论文 削加工技术将是未来绿色制造业的重要组成部分，具有很好的发展前景。 1 3 课题主要研究内容和意义 本课题以m 8 4 1 0 0 轧辊磨床为研究对象，在仔细分析磨床主轴结构的基础上， 采用更合理的传动方式及结构，对主轴的设计运用更精确的计算方法，并对磨床 磨头的部分机械结构进行更有效的改进，提高砂轮主轴的驱动功率和转速，从而 提高轧辊的加工精度和机床的加工效率及其可靠性，简化和方便设备的使用维护， 降低机床的维护成本和备件费用等是研究的主要方向。同时，通过进一步完善轧 辊磨床设计计算的各项技术要求，提高整机水平，提高其技术竞争力，减少资本 浪费和重复投入探索一条有效的途径，具有重要的研究价值。 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 以m 8 4 1 0 0 型轧辊磨床为具体的分析和研究对象，并在此基础上进行磨 削工艺参数的设计计算及磨床磨头传动方案的确定。 ( 2 ) 对磨床磨头主轴系统的设计及计算，包括主轴系统结构设计、皮带的选 择及带轮结构的优化、主轴固有频率的计算、主轴强度及刚度分析和主轴谐响应 的分析等。 ( 3 ) 根据实际生产需要选择单向联合动静压滑动轴承作为支承轴承，并对其 结构参数进行计算，得到了合理的数值。 ( 4 ) 设备投入运行后，进行磨削的误差分析与精度的研究以此确定更合理的 工艺。 1 3 2 课题的意义 现代机床日益向着高速、高性能方向发展。高速加工可以降低磨削力、改善 被加工件的表面粗糙度，已成为提高生产效率、提高加工质量的有效措施。然而， 现在许多生产车间的设备普遍特点是自动化程度低，加工精度不高，加工效率较 低，生产成本较高，难以满足现代生产的需要。在激烈的市场竞争中，企业为了 提高生产效率和降低成本，也在不断引进新的生产技术和生产设备，但是引进大 型的设备需要大量资金，因此在有限的资金条件下，学习、消化先进技术，利用 现有的成熟的技术对一些机床进行二次开发或者对旧的设备进行技术升级改造就 成为一些企业首选的节约成本、提高效率的有效途径。 5 轧辊磨床磨头主轴系统若干关键问题研究 第2 章磨削工艺参数的研究 轧辊磨削精度和表面质量除了依靠精良的轧辊磨床工作精度之外，还取决于 对特定的加工轧辊选用与之相匹配的砂轮、冷却液和磨削工艺参数【2 1 。为达到高 速高效磨削的要求，在原轧辊磨床磨削工艺参数的基础上提出了更高的设计要求。 原磨床性能：工件的转速_ ，1 w 为4 3 0 r m i n ，砂轮线速度h 为2 5 m s ，砂轮进 给速度即为5 0 。1 0 0 0 m m m i n ，主轴回转精度为4 # m ，加工表面粗糙度为0 私m ， 轧辊圆度为0 0 0 4m m ，磨床主轴电机功率p = 3 0 k w 。 重新设计后性能：工件的转速咒w 为4 6 0 f r a i n ，砂轮线速度为4 5 m s ，砂 轮进给速度y ，为5 0 一1 5 0 0 m m m i n ，主轴回转精度为2 # m ，加工表面粗糙度为0 弘m ， 轧辊圆度为0 0 0 2m m ，磨床主轴电机功率p = 5 5k w 。 2 1 高速磨削的概念及优点 一般来讲，按砂轮线速度的高低可将磨削分为普通磨削( ， ，w ，故砂轮磨削速度主要取决于，所以高速磨削可以认为是提高砂轮 线速度h 的方法。采用高速磨削，无论是提高加工质量还是增大磨削效率，或二 者同时得以提高，都取决于在增大，。的同时，如何选定，可由砂轮线速度与工件 速度l ，h ，的比值，即磨削速度比口= 生值决定。确定、 ，的模式如图2 2 所示： 盹v w鼋 。 i i大大大 i b大大小 童一热 大 小小 皿 小小小 n l b小小 大 小大 大 i 1 一 必 高瓣 i v h 图2 2 确定、n 的模式图 8 f墨 硕十学位论文 为保证高效率、高精度，则高速磨削速度应选在第1 象限内，特别是沿着第 1 象限的等速度比线选择，即速度比一定，、y w 都增加，保持切削厚度一定，加 工质量一定，加工精度不会恶化，加工效率又得到提高，这是使用高速磨削的原 则。 2 2 3 磨削热及表面烧伤 磨削轧辊时，磨粒起切削、刻划和滑擦作用，大多数磨粒是负前角进行切削 的，并在高速磨削条件下，使得表面有很高的温度。由于磨削区域的瞬时高温( 一 般在1 0 0 0o c 以上) 使零件层组织发生局部变化，并在表面的某些部分出现氧化 颜色。磨削烧伤对零件的质量性能影响很大，在实际加工过程中应尽量避免。 1 磨削热 磨削热来源于磨削功率的消耗。在磨削中工件受磨削热的影响，最高温度发 生在工件表面上。工件表面上最高温度的近似计算公式为： 。争警 q 4 ， vy 式中：彳受热面积( c m 2 ) ； c w 传入工件的热比例，c w = 0 7 o 9 ； q m 单位时间内单位面积的热量( j ( c m 2 s ) ) ； 五热导率( w ( m k ) ) ； 口一一热扩散率，口= 二l ( m 2 i s ) ； p c p p 体积质量密度( k g m 3 ) ； 印质量定压热容( j ( k g - k ) ) 。 由式2 4 可知，砂轮k 增大，工件表面温度上升。对于一定工件材质及给定 速度比口，则温升是金属磨除率的函数。不管砂轮速度增加多大，只要速度比g 一定，则高的金属磨除率必定造成高温。 2 磨削烧伤 磨削烧伤的原因是磨削温度高，烧伤与温度有着十分密切的关系，根据相关 理论可以得到工件表面层温度的经验公式： 乞= c y 0 2 口芦无m 3 匕。乃 ( 2 5 ) 式中：卜一热容； v w 工件线速度( m m i n ) ： 唧一一磨削深度( r a m ) ； 五砂轮架横向向进给率( m m m i n ) ； 9 轧辊磨床磨头主轴系统若干关键问题研究 ，砂轮线速度( m s ) 。 从上式2 5 中可知，对毛的影响以磨削深度口p 影响最大，砂轮速度 ，次之， 故口p 不能选的过大。当增大进给率厶时，t 口和表面层温度降低，可以减轻磨削烧 伤的程度。工件速度k 增大，厶增大，但程度不及a p 。 ，w 越大，表层下各深度的 温度差越大，说明l ，w 越大时热量不易传入工件内层，可以减少烧伤的深度，同时， 还可以提高磨削效率。故本课题磨削深度口p 不变，增大砂轮线速度，增大进给 率厶的同时增大 ，w ，以提高磨削效率和防止磨削烧伤【1 0 , 1 4 】。 2 3 高速磨削砂轮 2 3 1 砂轮的磨损与工件表面粗糙度 一般砂轮的磨损有三种基本的情况：摩擦磨损、磨粒破碎和结合剂断裂。 在普通磨削中砂轮磨损的主要原因是磨粒磨耗磨损及磨粒的破损与脱落；在 高速磨削中，由于未变形磨屑层厚度较小，磨粒不易破损与脱落，砂轮耐用度增 加，磨削力下降，在一定金属切除率的条件下，砂轮线速度h 增加，砂轮径向磨 损量降低，表面粗糙度得到改善。比增加，切屑变薄，则工件表面上磨痕深度变 小，表面上残留凸峰变小，表面粗糙度得到改善。 磨削加工表面粗糙度的经验计算公式： r 。；墅堕x a y 盟p ( 2 6 ) 。 k z “，q q n 式中：一一与被磨材料物理力学性能有关的参数； 局一一与砂轮粒度有关的系数； 配一一与无火花磨削次数有关的系数； 硒一一与磨削液有关的系数； l ，一一砂轮线速度( m s ) ； ，h ，工件线速度( m r a i n ) ； 口口一一切屑厚度( m m ) ； 以砂轮直径( m m ) ； 厶一一砂轮架横向向进给率( m m i n ) ； 风砂轮宽度( m m ) ： x 、y 、p 、z 、q 、万一一与磨削有关的系数。 由式2 6 可知，增大砂轮的线速度1 ， 增加无火花磨削次数，磨削工件的表 面粗糙度能得到明显改善。同时，选择合理的砂轮粒度和磨削时使用的切削液及 其它的参数，能够获得较高的表面加工质量【1 5 1 。 1 0 硕士学位论文 2 3 2 高速磨削砂轮应力分析 磨削过程中，作用在砂轮上的作用力有磨削力、热应力、夹紧力和离心力。 高速磨削中造成砂轮破损的主要原因是砂轮自身的离心力。离心力与砂轮速度 的平方成比例增大。受离心力影响，砂轮受到很大的应力。在砂轮任意半径厂处 的应力可分解为切向应力s ，与径向应力s ，图2 3 是砂轮离心力所产生的应力及 应力分布图。 a t + d o t ， 、 ，厂铲众 衮珍。； ab 图2 3 砂轮离心力产生的应力及应力分布 如图2 3 a 所示，从砂轮中取一单元体，根据力平衡原则得： q q 一，堕一烂；0 0 ( 2 7 ) q q 一，j 一l 2 l z ， 式中：风一一砂轮密度( g c m 3 ) ； g 重力加速度( m s 2 ) ； 一一砂轮角速度( r s ) 。 设应力边界条件为p ，- o ，：船，并将应力应变关系带入，则得应力5 r 、s ， 咿p 9 0 23 + 6 v , r 于 1 搿一( 2 二( 2 】 ( 2 8 ) q = 孚半f 【1 + k 21 + 3 v ( r ) 2 审】 ( 2 9 ) 式中：d 广砂轮泊松比，陶瓷结合剂砂轮约为0 2 0 0 2 5 ： k 二一砂轮孔径与外圆半径之比，即k 皇； ，广- 一砂轮内孔半径( m m ) ； r ，砂轮外圆半径( m m ) 。 不同的k 至比值，砂轮的应力分布不同，通过对图2 3 分析可知： 轧辊磨床磨头主轴系统若干关键问题研究 ( 1 ) 在，f o 时，切向应力s ，总是大于径向应力s ，s ，的最大值在砂轮孔壁 处： ( 2 ) 在相同的任意半径处，k 值越大的砂轮，其径向应力越大。一般要采用 k 值小的砂轮【1 0 1 。 为防止砂轮破坏，应预先验算砂轮的强度。砂轮强度的计算，可以根据最大 应力理论或平均应力理论进行。在，= r ；时，求得最大切应力( s ，) 。为： ( q ) m “= 譬半伽警贮) ( 2 1 0 ) 式中：p ，一一砂轮密度( e , c m 3 ) ； r 一一砂轮任意半径( m i l l ) ； 国砂轮角速度( r s ) 。 2 3 3 砂轮的选择 砂轮的硬度，从软到硬不等，砂轮的硬度应符合一般加工的要求，软性加工材 料使用较硬砂轮，淬硬材料时则要求使用较软的砂轮。 1 磨料选择原则 磨削抗拉强度较高的材料时，以选用韧性较高的刚玉类磨削料为好。除了考虑 工件材料的抗拉强度之外，在选择磨料时工件材料的硬度也是主要选择依据。一般 来说，磨料硬度应比工件材料硬度高出2 4 倍以上，否则较低硬度的磨料在高速切 削过程中会迅速钝化而失去切削能力，使砂轮耐用度过低而影响切削效率，并且加 工质量得不到保证。因此，工件材料硬度越高，磨料的硬度也应当越高。 2 粒度的选择 粗磨时选用粗粒度( 2 0 4 0 级) 砂轮，精磨时选用细粒度( 6 0 1 0 0 级) 砂轮；精密 磨削时采用( 8 0 1 2 0 级) 砂轮用于抛光金属表面。 3 结合剂的选择 轧辊辊面除镜面磨削时选用树脂结合剂的砂轮外，其它磨削类型均采用陶瓷 砂轮为好，陶瓷结合剂砂轮具有刚性好、脆性、耐用、抗高温、保形性好、物理化 学稳定性强、冷却系统适应广等特点【1 6 , 1 9 】。 通过以上分析，一般选用陶瓷做结合剂的白刚玉或棕刚玉砂轮，三种常用的 砂轮规格( d s d d b d ) 为： 西1 6 0 0 西3 0 5 1 0 5 m m 、自b 9 0 0 矽3 0 5 1 0 5 m m 和 西7 5 0 西3 0 5 7 5 m m 。 2 4 磨削工艺参数 轧辊磨削精度和表面磨削质量除了依靠精良的轧辊磨床工作精度和合适的砂 轮之外，还取决于对特定的加工轧辊选用与之相匹配的冷却液和磨削工艺参数。 1 2 硕士学位论文 2 4 1 高速磨削中磨削冷却液及供给方式 1 磨削冷却液的作用 ( 1 ) 冷却作用由于磨削区域无数磨削点的瞬时高温形成热聚集现象，在磨削 和冷却过程中，被磨轧辊极薄的一层表面与辊子内部形成很高的温度差，形成磨削 热应力。如果磨削热应力超过辊子材料的强度，辊子表面即会产生裂纹；如果磨削 温度超过辊子材料的临界温度，则辊面发生磨削烧伤。因此，在磨削过程中要求始 终供给充足的冷却液，将已产生的磨削热迅速从磨削区域冲走。 ( 2 ) 清洗作用细微的磨屑镶嵌在砂轮空隙中，破坏了砂轮的微刃性，降低了 砂轮的磨削性能，并容易划伤辊子表面。因此，要求冷却液流动性好、渗透性强， 在磨削区域起到良好的清洗作用，冲走磨屑和脱落的砂粒，保持砂轮的磨削性能。 ( 3 ) 防锈作用磨削冷却液所含的防锈添加剂是一种极性很强的化合物，它在 金属表面形成保护膜与金属化合形成钝化膜，防止金属与腐蚀介质接触而起防锈 作用。 2 磨削冷却液的选择 低速磨削时一般选用水基磨削液。在同一砂轮速度下，油基磨削液的金属去 除率高于水基磨削液。砂轮速度y 。越高，油基的效果越好。但是油基磨削液的冷 却性能较差，在高速磨削中易产生油雾及着火，从工件温升角度考虑，应避免和 防止工件表面烧伤。所以，工件表面温度应低，这就要求磨削液的冷却作用要充 分。磨削液一般是将油与水混合，采用油包水或者水包油这两种方式。油包水是 以油为分散相，水为连续相；水包油是以水为分散相，油为连续相。这里采用的 磨削液是将2 6 的水混入油中即可形成油包水的乳化液。油包水的磨削液的磨削 比高，表面粗糙度可以得到很好的改善。 3 磨削液的供给 高速磨削时，由于砂轮的回转会在砂轮的表面产生比较强的气流，砂轮两端 部的气流压力最大。砂轮线速度 ，提高一倍，则气流的压力会增加2 5 3 倍。较 强的气流会减少进入磨削区域的磨削液或者会是磨削液不能进入磨削区域，这样 将会使磨削效率和磨削精度大大降低。为了解决这一问题，可以采用气流挡板， 将其安装在喷油嘴的上方，使气流经过挡板后改变气流的方向，破坏气流流入磨 削区域。同时，用加大磨削液的流量和压力的方法也可以加大磨削液的流速，让 磨削液冲破砂轮磨削区域砂轮表面的气膜，达到冷却和润滑的作用 1 6 a 7 j 。 加大磨削液的压力，可以提高磨削比和磨削效率，增大磨削液的流量以后， 可以降