磨床开题答辩

1、题目：磨床机械结构设计系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化班 级 姓 名 学 号 导 师 2014年12月12日一、毕业设计（论文）综述 （题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1、题目背景1.1 磨床的类型及其特点用磨料磨具（砂轮、砂带、油石和研磨料等）为工具进行切削加工的机床，统称为磨床（英文为Grinding machine），它们是因精加工和硬表面的需要而发展起来的。磨床种类很多，主要有：外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、工具磨床和用来磨削特定表面和工件的专门化磨床，如花键轴磨床、凸轮轴磨床、曲轴磨床等。对外圆磨床来说，又可分为普通外圆磨床、万能外圆磨床、无心外圆磨床、 宽

2、砂轮外圆磨床、端面外圆磨床等。以上均为使用砂轮作切削工具的磨床。此外，还有以柔性砂带为切削工具的砂带磨床，以油石和研磨剂为切削工具的精磨磨床等。磨床与其他机床相比，具有以下几个特点：1磨床的磨具（砂轮）相对于工件做高速旋转运动（一般砂轮圆周线速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上发展）；2它能加工表面硬度很高的金属和非金属材料的工件；3它能使工件表面获得很高的精度和光洁度；4易于实现自动化和自动线，进行高效率生产；5磨床通常是电动机-油泵-发动部件，通过机械，电气，液压传动-传动部件带动工件和砂轮相对运动-工件部分组成。1.2 磨床的用途磨床可以加工各种表面，如内、外圆柱面和圆锥面、平

3、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。随着科学技术的发展，对机械零件的精度和表面质量要求越来越高，各种高硬度材料的应用日益增多。精密铸造和精密锻造工艺的发展，使得有可能将毛坯直接磨成成品。高速磨削和强力磨削，进一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范围日益扩大。它在金属切削机床所占的比重不断上升。目前在工业发达的国家中，磨床在机床总数中的比例已达30%-40%。据1997年欧洲机床展览会(EMO)的调查数据表明，25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术，车削只占

4、23%， 钻削占22%，其它占8%；而磨床在企业中占机床的比例高达42%，车床占23%，铣床占22%，钻床占14%3。由此可见，在精密加工当中，有许多零部件是通过精密磨削来达到其要求的，而精密磨削加工会要在相应的精密磨床上进行，因此精密磨床在精密加工中占有举足轻重的作用。但是要实现精密磨削加工，则所用的磨床就应该满足以下几个基本要求： 1.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

5、于1um，轴向圆跳动应限制在23um以内。2.低速进给运动的稳定性。 由于砂轮的修整导程要求1015mm/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。3.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。4.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：磨削是历史悠久的切削加工方法之一。古代的刀、枪、剑戟都要经过磨削加工；在现代机器制造业中，磨削加工也是金属切削加工的一种重要方式。磨床就是用砂轮，油石或者研磨料等作为工具对工件表面进行切削

6、加工的一种机床。通常把使用砂轮进行加工的机床称为磨床，而用油石和研磨料进行加工的机床称为精磨机床。大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工，如珩磨机、超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等。  磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。 采用导轮的无心外圆磨床已被广泛采用于成批大批量生产中，用以高生产率制造宽广品种的任精度的制件，其中包括精密制件。这种磨削方法的广泛采用是由于其具有一系列的磨削特点。1.3

7、 研究意义平面磨床是一种机械加工常用机床，对运动平稳性、换向精度、换向频率都有较高的要求；平面磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。精密卧式平面磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。因此把“精密卧式平面磨床的机械结构设计”作为本次本科毕业论文的课题，既有较大的学术价值，又有广阔的应用前景。1.4 内外相关研究情况： 十八世纪30年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。这些磨床是在当时现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成的，它们结构简单，刚

8、度低，磨削时易产生振动，要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。  1876年在巴黎博览会展出的美国布朗-夏普公司制造的万能外圆磨床，是首次具有现代磨床基本特征的机械。它的工件头架和尾座安装在往复移动的工作台上，箱形床身提高了机床刚度，并带有内圆磨削附件。1883年，这家公司制成磨头装在立柱上、工作台作往复移动的平面磨床。 1900年前后，人造磨料的发展和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。随着近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。例如20世纪初，先后研制出加工气缸体的行星内圆磨床、曲轴磨床、凸轮轴磨床和带电磁吸盘的活塞环磨床等。自动测量

9、装置于1908年开始应用到磨床上。到了1920年前后，无心磨床、双端面磨床、轧辊磨床、导轨磨床，珩磨机和超精加工机床等相继制成使用；50年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床；60年代末又出现了砂轮线速度达6080米/秒的高速磨床和大切深、缓进给磨削平面磨床；70年代，采用微处理机的数字控制和适应控制等技术在磨床上得到了广泛的应用。 随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。由于长期以来对新技术的应用相对滞后，国内机床产品的总体技术水平比之先进国家同类型机床还有着相当大的差距，劳动生产率低下，在国际市场中竞争

10、力不足，经济效益不高。在国外高档机床大举进攻中国市场的情况下，我们只有以积极的姿态面对这一严峻的形势。尽快应用先进的设计技术，能快速开发出结构合理、自动化水平高、加工精度高、低振动、低成本的机床新产品响应市场，我国的机床工业才有出路。为了达到这一目的，掌握先进的机床设计方法就显得尤为重要。我国机床工业的竟争能力的提高也就取决于机床新品的开发和关键技术的研究、掌握、应用和迅速推广。随着我国加入世界贸易组织和全球经济一体化环境的形成，机床行业的市场竞争将会愈演愈烈。目前，国内外机床产品技术水平之间的差距仍然很大，主要表现为:产品仿制多，创新少，市场竞争力不足，利润低:设计方法落后，机床结构设计，尚

11、处于传统的经验、静态、类比的设计阶段，很少考虑结构动、静态特性对机床产品性能产生的影响，产品精度低，质量难以保证;设计周期长，成功率低，反复设计、试制与修改，产品更新换代慢，且成本高。二、本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1、本次设计的主要内容：(1)通过调研和参阅相关资料，了解平面磨床机械传动装置及工作原理； (2)完成原理方案设计和结构方案设计，确定实施方案； (3)对平面磨床进行传动装置等机械参数的初步设计，并完成相关的计算； (4)完成平面磨床进行传动装置等机械参数的具体设计；（X>1000mm，Y>400mm，Z>500mm，X、Y定位精度&

12、lt;0.006mm）； (5)完成装配图和零件图。2.2平面磨削方式的选型2.2.1 装夹工具选型对于精度要求高的平面以及淬火零件的平面加工，需要采用平面磨削方法。平面磨削主要在平面磨床上进行。平面磨削时，对于外形简单的铁磁性材料工件，采用电磁吸盘装夹工件，操纵简单方便，能同时装夹多个工件，而且能保证定位面与加工面的平行度要求。对于外形复杂或非铁磁性材料的工件，可采用精密平口虎钳或专用夹具装夹，然后用电磁吸盘或真空吸盘吸牢，根据本课题需要，选择电磁吸盘作为装夹工具。2.2.2 磨削方式的选型根据砂轮工作面的不同，平面磨削分为周磨和端磨（1）周磨采用砂轮的圆周面对工件平面进行磨削。这种磨削方式

13、，砂轮与工件的接触面积小，磨削力小，磨削热小，冷却和排屑条件较好，而且砂轮磨损均匀。（2）端磨它是采用砂轮端面对工件平面进行磨削。这种磨削方式，砂轮与工件的接触面积大，磨削力大，磨削热多，冷却和排屑条件差，工件受热变形大。此外，由于砂轮端面径向各点的圆周速度不相等，砂轮磨损不均匀。根据平面磨床工作台的外形和砂轮工作面的不同，用砂轮端面磨削的平面磨床与用砂轮圆周面磨削的平面磨床相比，由于端面磨削的砂轮直径往往比较大，能同时磨削出工件的宽度和面积大，同时砂轮悬伸长度短，刚性好，可采用较大的磨削用量，生产率较高。但砂轮散热、冷却、排屑条件差，所以加工精度和表面质量不高，一般用于粗磨。而用圆周面磨削的

14、平面磨床，加工质量较高，但这种平面磨床生产效率低，适合于精磨。由于课题中精度<0.006mm，所以本课题采用周磨磨削进行工件加工。2.3平面磨床结构分析：平面磨床的结构如图1所示，由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮箱、滑座、立柱等部分组成。图1 平面磨床基本结构图图1卧轴矩台式平面磨床外形图。工作台2沿床身1的纵向导轨的往复直线进给运动。工件用电磁吸盘式夹具装夹在工作台上。砂轮架4沿滑座5导轨作横向间歇进给。滑座和砂轮架一起可沿立柱7导轨作间歇的垂直切人运动。砂轮主轴由内装式异步电动机直接驱动2.4 采用的方案及研究方法 平面磨床的三个坐标轴：X轴：工作台的横向运动 Y轴：工作台的纵向运动Z

15、轴：砂轮架进给 2.4.1 研究方案初定方案一：盘工作台除了做X、Y轴直线运动外，还做Z轴上、下直线运动，磨床主轴带动的砂轮刀片只做自转运动，此方案工作台结构复杂，机器自重大，运动惯性大，定位精度不高，成本高；方案二：电磁吸盘工作台只做X、Y轴直线运动，磨床主轴带动的砂轮刀片除了自转外，还要做Z轴上、下运动，此方案总体较简单，但磨床主轴带动的砂轮刀片运动行程太大，影响加工时间，提高了成本；方案三：电磁吸盘工作台做X轴直线运动，磨床主轴带动的砂轮刀片做Z轴上、下及Y轴直线运动，此方案此方案总体结构简单，砂轮刀片运动范围小，有利于零件的平面磨削。通过对以上三种方案的比较,选取方案三为最终的方案，其

16、结构比较简单：2.5 驱动系统选型2.5.1步进电机优点1.电机旋转的角度正比于脉冲数；2.电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；3.由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；4.优秀的起停和反转响应；5.由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；6.电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；7.仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。8.由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。缺点1.如果控制不当容易产生共振；2.难以运转到较

17、高的转速。3.难以获得较大的转矩4.在体积重量方面没有优势，能源利用率低。5.超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声2.5.2交流伺服电动机优点:良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡;高效率，90%以上，不发热;高速控制;高精确位置控制（取决于何种编码器）;额定运行区域内，实现恒力矩;低噪音;没有电刷的磨损，免维护;不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易暴环境 惯量低;    缺点:控制较复杂,驱动器参数需要现场调整PID参数整定,需要更多的连线2.5.3直流伺服电动机 优点:精确的速度控制,转矩速度特性很硬,原理简单、使用方便,价格优

18、势 缺点:电刷换向,速度限制,附加阻力,产生磨损微粒2.5.4直线电动机1.适合高速直线运动。因为不存在离心力的约束，普通材料亦可以达到较高的速度。而且如果初、次级间用气垫或磁垫保存间隙，运动时无机械接触，因而运动部分也就无摩擦和噪声。这样，传动零部件没有磨损，可大大减小机械损耗，避免拖缆、钢索、齿轮与皮带轮等所造成的噪声，从而提高整体效率。2.易于调节和控制。通过调节电压或频率，或更换次级材料，可以得到不同的速度、电磁推力，适用于低速往复运行场合。3.适应性强。直线电机的初级铁芯可以用环氧树脂封成整体，具有较好的防腐、防潮性能，便于在潮湿、粉尘和有害气体的环境中使用；而且可以设计成多种结构形

19、式，满足不同情况的需要。3.高加速度。这是直线电机驱动，相比其他丝杠、同步带和齿轮齿条驱动的一个显著优势。2.5.5滚动电动机优点：1.电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了约6倍，代表了电动车的发展方向；2.属静态电机，空载电流小；3.效率高；4.体积小。缺点：1.低速起动时有轻微振动，如速度加大换相频率增大，就感觉不到振动现象了；2.价格高，控制器要求高；3.易形成共振2.6导向系统选型  2.6.1滑动摩擦导轨滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点，在数控机床上应用广泛。但对于金属对金属型式，静摩擦系数大，动摩擦系数随速

20、度变化而变化，在低速时易产生爬行现象。为了提高导轨的耐磨性，改善摩擦特性，可通过选用合适的导轨材料、热处理方法等。例如，导轨材料可采用优质铸铁、耐磨铸铁或镶淬火钢导轨，热处理方法采用导轨表面滚压强化、表面淬硬、镀铬、镀钼等方法提高机床导轨的耐磨性能。目前多数使用金属对塑料型式，称为贴塑导轨。贴塑滑动导轨的塑料化学成分稳定、摩擦系数小、耐磨性好、耐腐蚀性强、吸振性好、比重小、加工成形简单，能在任何液体或无润滑条件下工件。其缺点是耐热性差、导热率低、热膨胀系数比金属大、在外力作用下易产生变形、刚性差、吸湿性大、影响尺寸稳定性。     三角形导轨：

21、该导轨磨损后能自动补偿，故导向精度高。它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为90°。为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，采用较大的顶角（110°120°）；为提高导向性，采用较小的顶角（60°）。如果导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的作用方向尽可能垂直于导轨面。       矩形导轨：优点是结构简单，制造、检验和修理方便；导轨面较宽，承载力较大，刚度高，故应用广泛。但它的导向精度没有三角形导轨高；导轨间隙需用压板或镶条调整，且磨

22、损后需重新调整。       燕尾形导轨：燕尾形导轨的调整及夹紧较简便，用一根镶条可调节各面的间隙，且高度小，结构紧凑；但制造检验不方便，摩擦力较大，刚度较差。用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的场合。       圆形导轨：制造方便，外圆采用磨削，内孔珩磨可达精密的配合，但磨损后不能调整间隙。为防止转动，可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受轴向载荷的场合 2.6.2滚动摩擦导轨1.摩擦系数小，并且静、动摩擦系数之差很小，

23、故运动灵便，不易出现爬行现象；2.定位精度高，一般滚动导轨的重复定位误差约为0.10.2m，而滑动导轨的定位误差一般为1020m。因此，当要求运动件产生精确微量的移动时，通常采用滚动导轨；3.磨损较小，寿命长，润滑简便；4.结构较为复杂，加工比较困难，成本较高；5.对脏物及导轨面的误差比较敏感。2.6.3液体静压导轨工作时摩擦系数极低（f=0.0005）；导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时移动均匀，无爬行现象；由于液体具有吸振作用，因而导轨的抗振性好；承载能力大、刚性好；摩擦发热小，导轨温升小。但液体静压导轨的结构复杂，多了一套液压系统；成本高；油膜厚度难以保持恒定不变。故液体静压导轨主

24、要用于大型、重型数控机床上。2.7传动系统选型2.7.1齿形带传动1.钢丝绳制成的强力层受载后变形极小，齿形带的周节基本不变,带与带轮间无相对滑动,传动比恒定、准确； 2.齿形带薄且轻，可用于速度较高的场合，传动时线速度可达40米秒，传动比可达10，传动效率可达98；  3.结构紧凑，耐磨性好；  4.由于预拉力小，承载能力也较小；  5.制造和安装精度要求甚高，要求有严格的中心距，故成本较高。2.7.2齿轮齿条传动齿轮齿条，承载力大，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，>2m/s，缺点：若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。

25、典型用途：大版面钢板、玻璃数控切割机，建筑施工升降机可达30层楼高。2.7.3丝杠传动 1.普通梯形丝杠可以自锁，这是最大优点，但是传动效率低下，比上述二者低许多，所以不适合高速往返传动。缺点是时间久了传动间隙大，回程精度差，用在垂直传动较合适。2.滚珠丝杠不能自锁，传动效率高，精度高，噪音低，适合高速往返传动，但是水平传动时跨距大了要考虑极限转速和自重下垂变形，所以传动长度不可太大，要么改用丝母旋转丝杠不动，但还是不能太长，要么就用齿轮齿条。 2.7.4涡轮蜗杆传动1.实现大传动比2.传动平稳、噪声低3.可实现自锁4.结构紧凑5.涡轮蜗杆传动最主要的特点就是具有反向自锁的功能，而且相比其它传

26、动具有较大的速比，涡轮蜗杆的输入、输出轴不在同一轴线上，甚至不在同一个平面上2.8各轴确定分工能解分功能 12345A导向滑动导轨滚动导轨液体静压导轨气体静压导轨B传动齿形带传动齿轮齿条传动齿轮传动丝杠传动涡轮蜗杆传动C驱动步进电机交流伺服机直流伺服机直线电机滚动机1.X轴部件的确定滚珠丝杠不能自锁，传动效率高，精度高，噪音低，适合高速往返传动，但是水平传动时跨距大了要考虑极限转速和自重下垂变形，所以传动长度不可太大；因为X轴工作台往返工作距离较长，故排除以丝杠作为传动对象，也可以通过步进电机以及齿轮齿条实现承片台的往复直线运动。由于齿轮齿条，承载力大，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度

27、对接延续，传动速度可以很高。因而最终确定X轴由步进电机带动齿轮齿条使工作台沿X轴向滚动导轨进行往复直线运动。滚动导轨主要用于直线导轨的结构中，它具有较高的制造精度和定位精度。由于钢球在装配时有预加负荷，所以它有很高的刚度，在15M每分钟的速度下往复运行1200KM后，钢球的磨损量仅为0.001mm.所以X轴采用滚动导轨来实现工作台的运动.2.Y轴部件的确定 直流伺服电机精确的速度控制,转矩速度特性很硬,原理简单。用滚珠丝杠来传动，可获得高达97%的传动效率，从而使驱动扭矩降低到1/3以下，滚珠丝杠螺母副采用双螺母结构，并采用垫片消除丝杠与螺母之间的间隙，双螺母安装在螺母座上，并通过与工作台连接

28、驱动工作台运动.采用燕尾型导轨，丝杠位于两导轨之间，滑座与床身之间采用矩形导轨。3.Z轴部件的确定 滚珠丝杠的传动效率高，且Z轴定位精度<0.006mm，但由于滚珠丝杠没有自锁能力，为了保证主轴箱能够停止在所需要的位置上，在电动机上加有制动装置。当电动机停转时，切断电磁线圈的电流，由弹簧压紧摩擦片使其制动。滚动导轨定位精度高，一般滚动导轨的重复定位误差约为0.10.2m，而滑动导轨的定位误差一般为1020m。因此，由于要求z轴运动精确且微量，且滚动导轨对脏物及导轨面的误差比较敏感，故采用滚动导轨，用十字滑块联轴器与直流伺服相连。2.9机械传动系统如下述 X轴通过步进电机带动齿轮齿条运动，

29、从而使工作台横向往复运动，Y轴由直流伺服电机通过十字滑块联轴器与丝杠相连，滚珠丝杠螺母副采用双螺母结构，并采用垫片消除丝杠与螺母之间的间隙，双螺母安装在螺母座上，并通过与工作台连接驱动工作台运动.采用燕尾型导轨，丝杠位于两导轨之间，滑座与床身之间采用矩形导轨。Z轴电动机上加有制动装置，采用直流伺服电动机，实现砂轮架的进给运动。三重点及难点，前期已开展工作3.1重点及难点内容：（1）磨床总体布局中各部件尺寸的确定；（2）传动系统的设计；（3）动力系统的选取及确定；3.2前期已开展的工作：a.调研、查阅相关资料、书籍及文献，了解卧式平面磨床方面的相关知识，并理解其原理；b.通过和老师同学的交流，准

30、备开题报告的内容，并初步开始着手进行设计。四、完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）：(1)1-3周：调研，通过查阅相关文献和刊物，了解平面磨床机械传动装置及工作原理，完成开题报告。 (2)4-5周：完成原理方案设计和结构方案设计，确定拟实施的方案，完成英文资料翻译。 (3)6-13周：对平面磨床进行传动装置等机械参数初步设计，并完成相关的计算；完成平面磨床进行传动装置等机械参数进行具体设计；完成中期报告。 (4)14-18周：完成设计图纸，写出毕业论文，准备答辩。指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日参考文献1 曾志新，吕明.机械制造技术基础在M.武汉：武汉理工大学出版社.2 何伟主编,数控机床原理及应用 .机械工业出版社.3 孙桓，陈作模.机械原理M.北京：高等教育出版社.4 李伯民，赵波主编.现代磨削技术M.北京:机械工业出版社.5 濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京：高等教育出版社.6 金属切削机床设计手册，北京：机械工业出版社.7