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文档简介
1、 2MBK4218X60珩磨机主轴进给系统设计豆龙刚(陕西理工学院机械工程学院 机自082班,陕西 汉中 723003)指导老师:孙伏【摘要】珩磨是一项要求严格的操作,往往涉及多级中断的表面形成,它受磨粒类型的影响很大。当珩磨在其发展的50年前,它基本上被用作一个整理的操作,但是现在,珩磨是响应朝着更高的生产力的挑战。珩磨的原理是:在一定压力下,珩磨头上的油石与工件加工表面之间产生复杂的的相对运动,珩磨头上的磨粒起切削、刮擦和挤压作用,从加工表面上切下极薄的金属层。 本论文主要研究珩磨机主轴进给系统的工作原理及系统的组成。通过对珩磨机进给系统的分析,确定设计方案,选择合适的零部件,设计出满足要
2、求的珩磨机。从而掌握珩磨机的基本结构组成和设计方法。 【关键词】珩磨;进给系统;结构组成;2MBK4218X60 honing machinespindle feed system designDou Long Gang(Grade08,Class2,Machine Design, Manufacturing and Automation,School of Mechanics ,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723003,Shanxi)Tutor: Sun Fu Abstract Honing is a demanding operati
3、on, often involving the formation of multi-level interrupt surface, it is subject to the impact of the abrasive type. When honing in its development 50 years ago, it was basically being used as a finishing operation, but now, honing respond to the challenge towards higher productivity. Honing the pr
4、inciple is: the complexity of the relative motion under a certain pressure, the Whetstone of the honing head and the workpiece surface, from the cutting of abrasive honing head, scratch and extrusion, cut from the machined surface very thin metal layer.This thesis is mainly honing machine spindle to
5、 feed the system works and the composition of the system. Honing machine, feeding system analysis to determine the design, select the appropriate components, and designed to meet the requirements of the honing machine. Honing machine in order to grasp the basic structure of the composition and desig
6、n methods. Keywords honing; feed system; structure and composition;装订线装订线 陕西理工学院毕业论文设计目 录1 绪论.11.1概述11.2 珩磨技术的发展状况11.3发展趋势21.4 其它常见的珩磨技术31.4.1 激光珩磨技术31.4.2 刷珩磨技术51.5课题主要研究设计内容62珩磨加工简介72.1 珩磨加工的原理与特点72.1.1 珩磨加工的原理简介72.1.2 珩磨的切削过程72.1.3 珩磨加工的特点92.2 液压伺服系统的工作循环及原理102.3 珩磨加工过程及相关参数132.4 2MKB4218X60珩磨机的主
7、要技术规格及参数163珩磨机主轴运动方案的设计183.1 工艺方案的拟订183.2 主轴的直线往复运动方案设计183.2.1 方案的提出183.2.2 方案的比较183.2.3 方案的确定193.3 主轴回转运动方案设计193.3.1 方案的提出193.3.2 方案比较193.3.3 方案确定193.4 电机的选择204 设计结构的选择和设计214.1导向柱的选择和设计:214.2架体和油箱的设计:224.3主轴箱设计:224.4液压缸的选择及设计:234.4.1液压缸材料的选择234.4.2 活塞杆及活塞材料的选择244.4.3 活塞杆与活塞的连接方式及活塞密封装置的选择244.4.4 液压
8、缸设计244.5主轴设计及校核:254.5.1 主轴材料的选择264.5.2 轴径的计算264.5.3 轴强度的校核275立式珩磨机控制系统设计295.1立式珩磨机的控制要求295.2 可编程控制器PLC的简述295.3珩磨机进给系统控制元件的选择305.3.1 可编程控制器PLC的选择305.3.2 刀开关的选择315.3.3 熔断器的选择315.3.4 交流接触器的选择315.3.5 继电器的选择316 总结32致 谢33参考文献34III装订线陕西理工学院毕业设计说明书1 绪论1.1概述珩磨加工是利用可涨缩的磨头使珩磨头压向工件表面,以产生一定的接触面积和相应的压力,在适当的珩磨液压力下
9、,珩磨条对被加工表面作旋转和往复进给的相对综合运动,从而达到改善表面质量,改善表面应力状况和提高被加工零件精度的目的,是一种多刃切削的精加工方法。近几年来,由于珩磨技术的发展,如人造金刚石和立方氮化硼等超硬磨料的应用,把珩磨技术推向一个新的阶段。现在珩磨已不仅用作高精度要求的终加工工序,并且还可作为切除较大余量的中间工序,是一种高效,优质的加工方法。 珩磨是磨削加工的一种特殊形式,属于光整加工。珩磨机床的分类方法有很多种,如单轴,多轴的不同;如数控的,机械的差别:分为立式和卧式珩磨机,其加工原理是在一定压力下,珩磨头上的砂条(油石)与工件加工表面之间产生复杂的的相对运动,珩磨头上的磨粒起切削、
10、刮擦和挤压作用,从加工表面上切下极薄的金属层。珩磨工序需要在磨削或精镗的基础上进行。其加工范围广泛运用在汽车、拖拉机、船舶、航空、军工等特别是大批大量生产中采用专用珩磨机珩磨更为经济合理,对于某些零件,珩磨已成为典型的光整加工方法,如发动机的气缸套,连杆孔和液压缸筒等。 本文所介绍的珩磨机采用的是一种双进给实时检测珩磨头,这种珩磨可以在工作过程中不停机实现粗精磨两次进给,这种珩磨方法效率更高,获得珩磨表面微观网纹更合理。论文中介绍了内孔珩磨原理,珩磨油石及珩磨头结构,珩磨工艺参数的选择等,将详细论述液压伺服系统的工作原理、方案设计和传动系统中二级传动轴的设计与防真运动分析。1.2 珩磨技术的发
11、展状况早在1992年,美国国家物理实验室的Swyt先生和东京科技大学的Taniguchi先生预测工业零部件的制造公差将进一步紧缩(实际上20世纪80年代常规加工手段所要求达到的零件精度为5Lm,而90年代的精度要求已是1Lm)这种挑战在汽车制造业表现的尤为激烈,现代制造技术要求任何一种加工手段首先必须满足批量生产的环境要求,实现CPK2,并且加工结果是可以追溯和验证的。精密和超精密切削已逐渐地开始替代传统的加工方法,作为一种重要的精密加工方法,珩磨根据珩磨头结构形式的不同,分类为通用珩磨(涨缩式砂条珩磨),可调整的整体珩磨(金刚石电镀刀具珩磨)以及特殊珩磨。传统的珩磨加工利用可涨缩的磨头使珩磨
12、砂条压向工件表面,以产生一定的接触面积和相应的压力,压力愈大,切削量愈大,同时砂条对工件表面作旋转和往复运动,珩磨砂条重复着3种变化过程,在加工初始期的磨粒脱落阶段,随着珩磨进行的磨粒破碎切削阶段,以及最终的堵塞切削阶段。金刚石镀层刀具应用于珩磨工艺是60年代发展起来的技术,随着工业金刚石的产业化发展,20世纪80年代这种整体式珩磨技术因其在竞争中的显著优势获得了长足的发展和广泛的应用,尤其适用于有一定生产批量的,零件形状精度在0.5Lm以内的精密零件加工。整体式珩磨加工是由金刚石或立方氮化硼镀层的杆状刀具完成的。在最初期的刀具刃磨后,刀具仅需要偶尔的尺寸调整以补偿金刚石的磨损。刀具旋转着,一
13、次性走刀通过工件,即完成加工,故这种加工方式又称为Singlepass。与传统的砂条珩磨加工不同,Singlepass刀具在每一个加工循环中不涨缩,这样就避免了传动误差。金刚石自身具有极高的硬度,高的耐磨性和热传导性以及与金属的低摩擦系数,当使用较高的切削速度时刀具的磨损依然甚小。这种高的尺寸耐用度是精密加工中实现超光滑的加工表面和高加工精度的保证。在整个切削过程中,沿着金刚石刀具圆周方向以及长度方向的成千上万颗细小的超硬磨料同时进行切削,加工时间短,产生的加工应力和热变形最小。10年前,针对阀类零件的精加工,美国的零部件制造商多采用内孔磨削的方法,一些工厂采用涨缩式珩磨加工阀孔,而与之相对应
14、的轴则多采取配磨的方式以保证合适的配合间隙。应用Singlepass整体式珩磨加工后,严格的阀孔尺寸控制在批量生产中就完全可以做到,配磨已不再需要,这样因为配磨产生的测量误差,工装量具和人工的耗费都不再存在,同时加工工艺的改善使得实际的机床运行成本,工人的劳动强度甚至于劳动技能要求都大大地降低了。在实际的零件加工中,大多数的应用可能需要一系列预设定的singlepass刀具。加工余量的去除和表面粗糙度能力取决于特定刀具的超硬磨料的尺寸。当每把刀具被设定分别去除总加工余量的一部分时,较粗粒度的刀具用于最初的余量去除,较细粒度的刀具完成所要求的表面粗糙度,以此实现最大的效率Singlepass珩磨
15、加工技术从最初的铸铁零件加工发展至今,已成功地应用于几乎各种工件材料的盲孔,通孔和台阶孔的加工。并可实现多种的表面纹理,如交叉网纹,螺旋线或正弦曲线。如今越来越多的元器件制造商采用了这种加工工艺,从而实现了更高的产品质量并极大地降低了生产成本。Singlepass超硬磨料加工技术的发展使得珩磨已不仅用作高精度要求的终加工工序,并且还可作为切除较大余量的中间工序。在不远的将来,随着Singlepass加工技术更多的发展,必将取代传统的加工方式。1.3发展趋势 珩磨机床向复杂化、数控化方向发展。卧式珩磨机床目前很少做到闭环控制,无法严格保证大批量生产的超高加工精度。未来的小型卧式珩磨机床通过NC控
16、制,主动测量,应当能提高加工零件的尺寸一致性。目前,大型卧式珩磨机床的发展很迅速,已经作到NC控制,远程测量反馈,半闭环控制。立式珩磨机床将在目前完全闭环控制的基础上发展超高速主轴系统,进给频率更快,进给晚小的进给系统,能够自我修整珩磨油石的珩磨系统或者珩磨中心,各种人为因素的影响。目前,珩磨机床能实现平面、外圆、内圆的珩磨加工;通过珩磨工具的改进,能够实现椭圆内孔和曲面的珩磨。在珩磨外圆领域,将取得突破性发展,能够在大多数外圆加工中取代外圆磨。 珩磨机床作为复杂的生产工具,最根本的是加工工艺与主机结构布局设计,而各种新工艺,新材料,新元件,新刀具,新控制系统等也将运用在珩磨机床上,未来的珩磨
17、机床的加工精度会更高,加工效率更快,加工范围更广泛。1.4 其它常见的珩磨技术1.4.1 激光珩磨技术汽缸表面处理的新发展激光珩磨,激光从70年代就被引入到了汽缸的处理中,并不断发展。对发动机汽缸内表面的激光处理的主要目的是:提高汽缸内壁的硬度和耐磨性,并改善汽缸和活塞之间的润滑效果,从而达到减磨延寿、提高密封性、降低耗油量、减少颗粒排放的效果。激光珩磨作为最新的发展,其处理效果已实现了这些目标;尤其是可有效地降低排放,而我国汽车产量和保有量不断增加,汽车包括其它机动车辆的尾气污染问题也越来越严重,因此,对汽车产业和环保事业将产生极为有利的影响和作用。激光珩磨是珩磨与激光技术的复合,由粗珩、激
18、光造型和精珩三道工序组成。粗珩时,确定了宏观形状,并产生了对气缸套内孔进行造型的原始表面。根据气缸套性能所要求的激光造型类型确定原始表面。激光造型能实现连贯的输送机油缸的交叉形网纹结构或螺旋型凹腔结构(微型压力室系统)。而精珩是进一步修磨原始表面,提高强度,降低粗糙度。激光珩磨机床与研磨机类似,具有往复直线运动和螺旋上升运动,3个主要部件是:激光器、光导系统和激光输出头。光学系统将光束聚焦到孔壁上,采用数控系统可以保证激光造型结构灵活地适应性能所要求的条件。(a) 异常磨损时气缸的磨损曲线 (b) 正常磨损时气缸磨损曲线图1.4.1 气缸的磨损曲线激光在发动机汽缸表面处理中经历了3个发展阶段:
19、大斑点慢扫描螺旋式激光淬火、小斑点快扫描网纹式激光淬火和网纹状激光珩磨。大斑点慢扫描螺旋式激光淬火的加工特点:1)cch激光的波长为106肛m,波长较长,吸收率较低;因此,在用cch激光进行汽缸淬火时,必须将其表面进行预处理(如磷化处理),以提高材料对激光能量的吸收率。2)激光器的功率:国外用于汽车内燃机汽缸淬火的CO2激光通常为2kw5kW,国内通常为08kW2kW。3)激光焦斑直径多为3mm4mm左右,扫描速度为08mmin12mmin,淬火方式通常为大斑点慢扫描。4)CCh激光淬火图案多为螺旋式(或在淬火螺旋线间增加斑点状淬火块),形状简单、操作时间短;但由于淬硬带是一条不封闭的螺旋线,
20、在汽缸运行一段时间后会在两淬火带之间出现螺旋的磨损带,易造成窜油、漏气。(5)汽缸报废(或大修)的主要依据是汽缸内径的磨损程度,通常是以直径方向磨损015mm020mm为报废标准,因此,淬硬层应大于01mm。由于CO2激光淬火后所需的珩磨工作量较大,故淬硬层深度较大,一般大于01mm.小斑点快扫描网纹状激光淬火这种激光淬火大多采用YAG激光器,产生的激光束由数控设备控制快速扫描汽缸内壁,形成了以激光淬火带为硬骨架的规则网纹,而未被激光淬火的区域仍为软的基体;这个软的基体在摩擦副相对运动中(活塞环与汽缸壁)必然被磨损得较多,而形成微凹坑,长期运行形成了菱形“微油池”,这些封闭的油池对于活塞环的运
21、动可以起到润滑作用。其加工特点:1)YAG激光的波长为106tma,波长较短,容易被金属吸收,因此,在用YAG激光进行汽缸淬火时可以不进行表面预处理。2)激光器的功率:YAG激光器的输出功率较低,国内用于汽缸淬火的YAG激光器的功率多为350W 500W。3)激光淬火的斑点直径多为lmm14mm,淬火速度为25mmin30mmin。淬火方式通常为小斑点快扫描。4)YAG激光淬火图案多采用网纹式,淬硬带形成的表面积是螺旋纹式的34倍,不会产生螺旋纹式淬火出现的螺旋磨损带。5)网纹夹角为40。65。,扫描面积比为30 35,在低速运行的机械中其淬硬面积应适当增加(如44)。6)淬火层深度一般为01
22、0mm015mm。当然,在保证表面不产生明显的微熔及不产生缸体较大变形的情况下,淬硬层稍深些更好 。网纹状激光珩磨发动机工作时尾气排放中的有害物质主要是CO,HC(碳氢化合物),NO (氮氧化合物),还有少量的sch及浮游的颗粒物质。就活塞和汽缸而言,如果它们之间润滑效果不好,必然造成摩擦损耗大,功率损失过多,将会使燃油耗增加,尾气排放增多。同时活塞环和气缸之间会有部分直接固体接触,磨损量过大后,将产生间隙、密封性变差,燃烧室内的气体会从间隙漏出,再自曲轴箱经通气管排出,主要成分就是HC;而且这些来自燃烧室的气体温度很高,还会烧掉部分润滑油,使机油耗增加,尾气中的颗粒物质增多。激光珩磨可有效地
23、降低排放,故这项技术对于我国的发动机制造有重要的意义。激光珩磨是由德国学者Klink等人于1995年提出的,德国的格林公司将激光珩磨技术应用于发动机汽缸的处理中,获得了良好的效果,成为一项处理汽缸的新技术,并申请了专利。所谓激光珩磨就是利用具有一定能量密度的激光束,在汽缸工作表面,根据其润滑性能要求,有针对性地进行表面微观几何结构造型,属于激光精细加工。1.4.2 刷珩磨技术尽管金属加工业不用低压珩磨,但是仍存在这种工艺的要求。Sunnen开发的刚性刷珩磨可以减少因前道工序的不良加工而引起的尺寸变化。刷珩磨可以提高工件表面质量的均匀性,可修整其他加工过程中产生的微裂纹。但是刷珩磨仅仅在不把它作
24、为一种切削加工工艺的情况下才呈现出上述的优越性。传统珩磨只能去除表面平均线以上的细微凸出峰,切深不超过几十个微米。图1.4.2表明刷珩磨可明显提高表面质量,上图是未珩磨的工件,其表面呈粗糙锯齿状,下图是刷珩磨后的同一工件表面。图6-3显示了刷珩磨与传统珩磨的区别。汽缸壁被刷珩磨后可增加与活塞环的接触应力,当我们对比一下刷珩磨前后表面接触比率时发现,刷磨后的球面接触率明显增大。图1.4.2 珩磨前后的工作表面质量图1.4.3 传统珩磨与刷珩磨的对比刷珩磨可以除去其他工序留下的划痕和折叠切屑,并可达到很高的表面粗糙度。刷珩磨不仅可用于汽车发动机制造业。而且可用于其他方面,应用范围很广。有些工厂使用
25、刷珩磨专用设备,通过使用专门设计的工具和夹具,即使是钻床也能用于刷珩磨。1.5课题主要研究设计内容本课题所设计的珩磨机,其加工范围缸径从 50180mm,主轴行程可达600mm ,加工精度H6 H7级,粗糙度达到01,磨削功率大,磨削行程长。而且磨削头上下速度及回转速度需随工件直径的变化而可调。经计算分析,该机采用液压传动,立式安装方式有利于磨削时磨屑的排出及喷油润滑,以保证磨削质量。磨削头上下运动需等速,采用差动控制回路来实现。磨削头的回转运动选用液压马达带动。磨削时进给采用无返回自动张紧式进给机构,当磨削功率一定时,其进给量可以手动调节。该液压系统设计主要包括两个部分:第一,是液压缸上下移
26、动的液压回路设计,用于控制珩磨头的上下移动,以适应不同大小规格的工件的加工。第二,是珩磨头的旋转控制回路设计,用于加工不同工件是珩磨头旋转速度的控制。第7页 共34页2 珩磨加工简介2.1 珩磨加工的原理与特点2.1.1 珩磨加工的原理简介珩磨是利用安装于珩磨头圆周上的一条或多条油石,由胀开机构(有旋转式和推进式两种)将油石沿径向胀开,使其压向工件孔壁, 以便产生一定的面接触。与此同时,使珩磨头作旋转运动和直线往复运动,对孔进行低速磨削和摩擦抛光。由于珩磨头的旋转及往复运动的结果,油石上的磨粒在孔的表面上的切削轨迹成交叉而不重复的网纹,因而获得表面粗糙度较小的加工表面。径向加压运动是油石的进给
27、运动,加压压力愈大,进给量就愈大。在大多数情况下,珩磨头与机床主轴之间或珩磨头与工件夹具之间是浮动的。这样,加工时珩磨头以工件孔壁作导向。因而加工精度受机床本身精度的影响较小,孔表面的形成基本上具有创制过程的特点。所谓创制过程是油石和孔壁相互对研、互相修整而形成孔壁和油石表面。其原理类似两块平面运动的平板相互对研而形成平面的原理。珩磨时由于珩磨头旋转并往复运动或珩磨头旋转工件住复运动,使加工面形成交叉螺旋线切削轨迹,而且在每一往复行程时间内珩磨头的转数不是整数,因而两次行程间,珩磨头相对工件在周向错开一定角度,这样的运动使珩磨头上的每一个磨粒在孔壁上的运动轨迹亦不会重复。此外,珩磨头每转一转,
28、油石与前一转的切削轨迹在轴向上有一段重叠长度,使前后磨削轨迹的衔接更平滑均匀。这样,在整个珩磨过程中,孔壁和油石面的每一点相互干涉的机会差不多相等。因此,随着珩磨的进行孔表面和油石表面不断产生干涉点,不断将这些干涉点磨去并产生新的更多的干涉点,又不断磨去,使孔和油石表面接触面积不断增加,相互干涉的程度和切削作用不断减弱,孔和油石的圆度和圆柱度也不断提高,最后完成孔表面的创制过程。为了得到更好的圆柱度,在可能的情况下,珩磨中经常使零件掉头, 或改变珩磨头与工件轴向的相互位置。需要说明的一点:由于珩磨油石采用金刚石和立方氮化硼等磨料,加工中油石磨损很小,即油石受工件修整量很小。因此,孔的精度在一定
29、程度上取决于珩磨头上油石的原始精度。所以我们用金刚石和立方氮化硼油石时,珩磨前要很好地修整油石,以确保孔的精度。第8页 共34页2.1.2 珩磨的切削过程 1)定压进给珩磨 定压进给中进给机构以恒定的压力压向孔壁,共分三个阶段。 第一个阶段是脱落切削阶段,这种定压珩磨,开始时由于孔壁粗糙,油石与孔壁接触面积很小,接触压力大,孔壁的凸出部分很快被磨去。而油石表面因接触压力大,加上切屑对油石粘结剂的磨耗,使磨粒与粘结剂的结合强度下降,因而有的磨粒在切削压力的作用下自行脱落,油石面即露出新磨粒,此即油石自锐。 第二阶段是破碎切削阶段,随着珩磨的进行,孔表面越来越光,与油石接触面积越来越大,单位面积的
30、接触压力下降,切削效率降低。同时切下的切屑小而细,这些切屑对粘结剂的磨耗也很小。因此,油石磨粒脱落很少,此时磨削不是靠新磨粒,而是由磨粒尖端切削。因而磨粒尖端负荷很大,磨粒易破裂、崩碎而形成新的切削刃。 第三阶段为堵塞切削阶段,继续珩磨时油石和孔表面的接触面积越来越大,极细的切屑堆积于油石与孔壁之间不易排除,造成油石堵塞, 变得很光滑。因此油石切削能力极低, 相当于抛光。若继续珩磨,油石堵塞严重而产生粘结性堵塞时,油石完全失去切削能力并严重发热,孔的精度和表面粗糙度均会受到影响。此时应尽快结束珩磨。 2)定量进给珩磨 定量进给珩磨时,进给机构以恒定的速度扩张进给,使磨粒强制性地切入工件。因此珩
31、磨过程只存在脱落切削和破碎切削,不可能产生堵塞切削现象。因为当油石产生堵塞切削力下降时,进给量大于实际磨削量,此时珩磨压力增高,从而使磨粒脱落、破碎,切削作用增强。用此种方法珩磨时,为了提高孔精度和表面粗糙度,最后可用不进给珩磨一定时间。 3)定压-定量进给珩磨 开始时以定压进给珩磨,当油石进入堵塞切削阶段时,转换为定量进给珩磨,以提高效率。最后可用不进给珩磨,提高孔的精度和表面粗糙度。2.1.3 珩磨加工的特点(1)加工精度高特别是一些中小型的通孔,其圆柱度可达0001mm以内。一些壁厚不均匀的零件,如连杆,其圆度能达到0002mm。对于大孔(孔径在200mm以上),圆度也可达0005mm,
32、如果没有环槽或径向孔等,直线度达到001mm/m以内也是有可能的。珩磨比磨削加工精度高,磨削时支撑砂轮的轴承位于被珩孔之外,会产生偏差,特别是小孔加工,磨削比珩磨精度更差。珩磨一般只能提高被加工件的形状精度,要想提高零件的位置精度,第9页 共34页需要采取一些必要的措施。如用面板改善零件端面与轴线的垂直度(面板安装在冲程托架上,调整使它与旋转主轴垂直,零件靠在面板上加工即可)。(2)表面质量好表面为交叉网纹,有利于润滑油的存储及油膜的保持。有较高的表面支承率(孔与轴的实际接触面积与两者之间配合面积之比),因而能承受较大载荷,耐磨损,从而提高了产品的使用寿命。珩磨速度低(是磨削速度的几十分之一)
33、,且油石与孔是面接触,因此每一个磨粒的平均磨削压力小,这样珩磨时,工件的发热量很小,工件表面几乎无热损伤和变质层,变形小。珩磨加工面几乎无嵌砂和挤压硬质层。磨削比珩磨切削压力大,磨具和工件是线接触,有较高的相对速度。因而会在局部区域产生高温,会导致零件表面结构的永久性破坏。(3)加工范围广主要加工各种圆柱形孔:通孔,轴向和径向有问断的孔,如有径向孔或槽孔、键槽孔、花键孔、盲孔、多台阶孔等。另外,用专用珩磨头,还可加工圆锥孔、椭圆孔等,但由于珩磨头结构复杂,一般不用。用外圆珩磨工具可以珩磨圆柱体,但其去除的余量远远小于内圆珩磨的余量。珩磨几乎可以加工任何材料,特别是金刚石和立方氮化硼磨料的应用,
34、进一步拓展了珩磨的运用领域,同时也大大提高了珩磨加工的效率。(4)切削余量少为达到图2.1.1所示图样要求的精度,采用珩磨加工是所有加工方法中去除余量最少的一种加工方法。在珩磨加工中,珩磨工具是以工件作为导向来切除工件多余的余量而达到工件所需的精度。珩磨时,珩磨工具先珩工件中需去除余量最大的地方,然后逐渐珩去其余需去除余量大的地方,直至珩至需去除余量最少的地方。图2.1.1 珩磨件内孔表面形状第10页 共34页(5)纠孔能力强由于其余各种加工工艺方面存在不足,致使在加工过程中会出现以下一些加工缺陷。如图2.1.2,失圆、喇叭口、波纹孔、尺寸小、腰鼓形、锥度、镗刀纹、彩虹状、孔偏及表面粗糙度等。
35、采用珩磨工艺加工可以通过去除最少加工余量而极大地改善孔和外圆的尺寸精度、圆度、直线度、圆柱度和表面粗糙度。图2.1.2 常见内孔加工中的缺陷2.2 液压伺服系统的工作循环及原理液压系统由液压油源、控制油路、及液压缸等组成,采用叠加阀型式。系统由两台叶片泵提供液压油源,一套油源供给左边珩磨头的往复缸及涨砂条缸用的压力油,另一套油源除了供给右边珩磨头的往复缸及涨砂条缸的用油外,还供给系统的上下料、夹紧、抬起、插销等辅助动作用油。左边珩磨头与右边珩磨头的动作完全相同。根据不同的加工品种,两泵可单独工作,又可同时工作。珩磨头涨缩缸通过连杆与珩磨头连在一起,由往复缸的活塞杆带动,旋转着在孔中做上下往复运
36、动,同时涨缩缸动作,把砂条涨出,以完成珩磨。液压系统工作循环及原理如下(见图2.2):(1)液压泵起动 压力油经电磁卸荷溢流阀流回油箱,液压泵卸载。(2)托架抬起 此工步是让夹具上的托架抬起至一定高度后,随伺服移动工作台移动至接料位,为接料作好准备。电磁铁1DT、9DT通电,托架抬起。抬起压力由减压阀J2调整。(3)送料及送料返回 工作台移至接料位后, 6DT、7DT通电,压力油经换向阀1、第11页 共34页电磁节流阀2至液压缸,快速送料。送至一定距离后,7DT断电,油液经节流阀进入液压缸,实现缓冲送料。当送料到位后,6DT断电,7DT通电,送料缸自动返回。(4)托架落下 送料到工作台上后,工
37、作台移至加工位,9DT断电,托架落下。(5)插销 此工步是将定位销插入工件的定位销孔中,以实现工件的定位。当托架落下后,10DT通电,压力油经换向阀10至液压缸无杆腔,实现插销。(6)夹紧 插销后,压力继电器3SP动作,使4DT通电,压力油经减压阀J1、换向阀8至无杆腔,夹紧工件。夹紧压力由减压阀J1调整,一般为1.52MPa。(7)主轴慢下 夹紧工件后,压力继电器1SP动作,2DT、14DT断电,压力油经节流阀4、换向阀5的右位、电动单向调速阀6、单向阀7进入“行程控制”操纵箱。操纵箱由先导阀、换向阀、液动阀等组成。在图示情况下,压力油同时进入先导阀、换向阀和液动阀,通过控制油路使液动阀和换
38、向阀处于各自的位置,主压力油经换向阀的右位、液动阀的左位进入液压缸的无杆腔和有杆腔,形成差动回路,活塞向下移动。有杆腔的回油需经单向顺序阀,其作用是为了防止活塞和运动部件在悬停期间因自重而自行下滑。调整时要使其开启压力稍微大于活塞和运动部件因自重而在液压缸下腔产生的压力。主轴慢下的速度由电动单向调速阀6调整。14DT通电时,涨砂条缸活塞处于中间位置,砂条在缩回状态,其原理见回中位。单向阀7的作用是防止停机时,因顺序阀的微小泄漏而引起活塞下降。(8)低压粗珩 主轴慢下至下端终点时,碰到挡铁,通过杠杆机构使先导阀换向,接通左位。主轴由变频电机带动开始旋转,3DT通电,压力油经节流阀4换向阀5的右位
39、,电动单向调速阀6、单向阀7至操纵箱中。此时先导阀控制的换向阀也接通左位,压力油经换向阀的左位、液动阀的左位、单向顺序阀至液压缸的有杆腔,活塞快速上移。当上移碰到上端挡铁时,杠杆机构操纵先导阀换向,又开始快速差动向下运动移动的速度可由节流阀4调整,其调整范围为325.4m/min。主轴往复移动的同时,压力油经减压阀J5、换向阀11、12、13的右位至涨砂条缸的无杆腔,有杆腔回油经阀14、13的右位、单向阀至油箱,活塞向下移动由其控制的珩磨头粗砂条涨出,实现低压粗珩。因减压阀的最低稳定压力为0. 5MPa,而低压珩磨时仅需要0.3MPa左右,所以在此回路中,采用开启压力约为0.35MPa的单向阀
40、作为背压阀。调整J4约为0.651.15MPa,这样作用在活塞上的力相互抵消一部分,使最终作用在砂条上的力达到要求的数值。此回路中有一个固定节流孔,它能使珩磨头压力在小范围内波动时迅速稳定。第12页 共34页图2.2 珩磨机液压伺服系统原理图(9)高压粗珩 低压粗珩到一定尺寸时,气测装置发信号,11DT通电,压力油经减压阀J4、换向阀1左位、12的右位、13右位至液压缸无杆腔,实现高压粗珩。J4的调整压力约为0.851.35MPa。(10)低压精珩 高压粗珩到一定尺寸时,气测发信号,13DT通电,压力油经减压阀J5、换向阀11、12的右位、13的左位、14的右位至液压缸的有杆腔,无杆腔回油经换
41、向阀13的左位、单向阀至油箱。活塞向上移动,精砂条涨出,实现低压精珩。(11)回中位 低压精珩到一定尺寸时,气测发信号,14DT通电,压力油经减压阀J5、换向阀11、12、13的右位至液压缸的无杆腔,此时液压缸最下端油口被阀14封死,回油经液压缸中间的油口、换向阀14的左位、阀13的右位、单向阀至油箱,活塞向下移动。当活塞下移至液压缸体中间位置时,活塞的宽度将中间油口封死,活塞停止在中间位置,精砂条缩回。(12)光珩 低压精珩后,尺寸基本达到设定值再经过光珩是为了修整孔的光洁度。回中位后经过一定时间,12DT、13DT通电,压力油经减压阀J3、换向阀12、13的左位、14的右位至有杆腔,无杆腔
42、回油经1的左位、单向阀至油箱。活塞向上移动,精砂条涨出实现光珩。J3的调整压力约为0.450.65MPa。(13)主轴慢上 光珩至设定值,气测发信号,3DT断电,14DT、15DT通电,再次回中位,主轴停转。压力油经节流阀4、换向阀5的右位、电动单向调速阀6、单向阀第13页 共34页7至操纵箱,因15DT通电,液动阀总是处于右位,此时不论珩磨头正向下或向上运动,即不管先导阀处于哪个位置,活塞立即向上慢速运动。(14)放松 磨头上移至水圈位时,如需在下一工位继续加工,则移动工作台至下个工位。如果已加工完毕,则5DT通电,压力油经减压阀J1、换向阀8至夹紧缸,完成工件的放松。(15)拔销 放松以后
43、,10DT断电,压力油经换向阀10至插销缸,完成拔销动作。(16)托架抬起 工作原理同前,拔销后,移动工作台移至下料位,托架抬起。(17)下料 托架抬起后,8DT通电,压力油经换向阀3至下料缸,完成下料。接着进入下一个工作循环。2.3 珩磨加工过程及相关参数珩磨是由油石和工件之间相对运动而完成的。油石固定在主轴油石座上,珩磨头带动油石相对工件旋转,同时又往复运动。油石靠外力压紧工件表面上,其珩磨过程如图所示。图2.3 珩磨加工示意图 珩磨工艺参数包括切削速度, 切削交叉角角, 油石工作压力P, 扩胀进给量, 加工余量及油石越程量a,珩磨速比等。这些参数对珩磨加工效率, 加工精度及表面粗糙度有不
44、同程度的影响。 1.切削速度它是圆周速度V减去缸筒自转速度与往复速度的合成速度, 其方向为磨粒的切削方向。珩磨头每一往复行程中参加切削的每一磨粒的运动轨迹是两条交叉成角的螺旋线, 网纹交叉角称为切削交叉角。角直接影响生产效率和表面粗糙度, 角大即往复速度大, 生产效率高, 表面较粗糙。推荐粗珩角取一.精珩取一。第14页 共34页 切削速度是由旋转(圆周)速度和往复速度合成的, 在琦磨加工中是指珩磨头的旋转和往复运动速度的合速度, 它影响到零件表面质量和生产率, 但对表面的粗糙度的影响, 却随着材料的不同而有所差异。珩磨有色金属时, 如铝合金时, 旋转速度增加, 零件表面粗糙度值也就降低, 相反
45、, 往复运动增加, 表面粗糙度则变差。加工灰铸铁时, 旋转速度和往复速度的增加, 有利于表面粗糙度值的降低。加工钢件时, 珩磨头的旋转速度变化范围很小, 仅只是在临界速度以下时, 旋转速度的增加会使零件表面粗糙度相应地得到改善, 而往复运动速度增加时, 则不论何种牌号的钢材, 表面粗糙度都变坏, 对于球墨铸铁材料来说, 切削速度不宜过高。 生产经验证明, 珩磨不同材料时, 切削速度采用表数值是比较合理的。具体可以根据下表1选择。 表 1 2.油石工作压力和扩胀进给量 油石工作压力是指垂直作用于珩磨条单位面积上的平均压力。它不仅影响金属的切. 除量和油石的损耗, 而且还影响缸筒的几何形状和表面粗
46、糙度。扩胀进给量常采用液压定压扩胀进给,其目的使油石产生工作压力。一般很据粗、精加工及缸筒的孔径, 材质来选择, 但必须考虑机床的刚度和功率, 扩胀进给量的行程大小与油石利用率有关, 设计珩磨头时应予考虑。加工缸筒时粗珩油石压力取2-2.5MPa,精珩压力取0.6-1MPa。具体各根据下面的表2格选择合适的工作压力: 第15页 共34页表2 表 3 3.加工余量 由于珩磨上道工序采用浮动精镗, 表面粗糙度可达, 因此其珩磨加工余量取为0.15-0.25 mm, 这样有利于提高生产效率。实践经验表明, 浮动精键后的缸筒约有0.1mm 余量就可基本磨去加工刀痕。 一般来说, 粗珩时径向进给量为0.
47、005一0.01mm/min, 精珩时径向进给量为0.005-0.002mm/min。当衍磨的径向进给量完毕以后, 必须再进行几次设有径向进给量的附加行程, 用来修整被加工面, 以提高表面粗糙度。具体可根据表面的表4选择合适的加工余量: 第16页 共34页表44.珩磨工作行程和越程量 珩磨工作行程, 油石长度, 孔长度, 及越程量, 按下式确定 =+-为了保证缸筒表面受到油石切削机率的一致, 不产生切削残留区, 采用多油石的加工和合理选择油石长度, 越程量, 使油石在旋转一周之后, 在轴向有一定的搭接量。油石越程量应满足下面公式的条件: 式中: a一越程量 b一油石宽度 D一缸径 一交叉角 Z
48、一油石根数 越程量a的大小对孔的几何形状误差影响较大, 若越程量过大, 油石在孔内接触面积减小, 使工作压力突然增加, 而切去较多的金属, 出现“ 喇叭口” 越程量过小易出现“ 腰鼓形” 两端越程量相差悬殊易出现锥度。 5.珩磨速比 珩磨速比=这也是直接影响被加工表面粗糙度的一个重要因素。速比的大小与形成零件表面切削交叉角(网纹)有直接的关系, 珩磨时采用速比不同, 在被加工零件表面得到的切削交叉角(网纹)也就不同。粗珩磨时, 采用较大的速比, 以获得较高的生产效率。精珩磨时采用较小的速比, 以降低零件表面粗糙度值。不磨速比一般也要根据材料不同第17页 共34页来选择见下表5。表52.4 2M
49、KB4218X60珩磨机的主要技术规格及参数最大珩孔直径 (mm) .180最小珩孔直径(mm).50主轴最大行程 (mm) .600最大珩孔深度 (mm) .450主轴端面到工作台面距离 (mm) .1700主轴中心到立柱前面距离 (mm).350往复速度(m/min) .328主轴旋转速度 (r/min) .30300磨头涨缩 液压无极进给工作台行程(mm).800工作台面尺寸 (mm) .1250500工作台面高度 (mm) .600主轴旋转电机功率(kw).7.5液压电机功率(kw) .7.5主机外型尺寸(mm).146013904133机床净重 T .6第18页 共34页3 珩磨机主
50、轴运动方案的设计3.1 工艺方案的拟订工艺方案的拟订是珩磨机设计的关键一步,因其在很大程度上决定了机床的结构配置和使用性能。因此,应根据珩磨机的特性和应用范围,按一定的原则,结合机床常用工艺方法,充分考虑各种影响因素,并经技术经济分析后拟订出先进、合理、经济、可靠的工艺方案。珩磨机的运动分为主轴的回转运动和直线往复运动以及珩磨头油石的径向进给运动,下面分别进行设计。3.2 主轴的直线往复运动方案设计3.2.1 方案的提出对于主轴的直线往复运动,可采取的方案有两种,一是完全由机械传动机构组成,其工作原理是:滑块固定在曲柄上,曲柄杆由电机带动旋转,是主动元件,滑杆通过连杆随曲柄杆的旋转而上下往复运
51、动。另一种方案是有液压缸的往复运动代替第一种方案的曲柄连杆结构运动,来驱动主轴的上下往复运动。3.2.2 方案的比较对于第一种方案,珩磨机珩磨头的行程L的大小是通过改变滑块在曲柄杆上的固定位置来调整的。珩磨头运动上下止点通过改变万向节连杆的长短来调整。由于珩磨机是立式布置的,这样就给调整带来了许多不便。另外,由于结构的关系,珩磨的行程也受到了一定的限制。而对于第二种方案,液压系统采用限压式变量叶片泵作为油源,通过行程开关控制电磁铁电流的通断,改变换向阀的工作状态,控制液压缸带动滑杆上下往复运动。液压缸往复运动速度的调整由限压式变量泵和调速阀协同实现。第二种方案于第一种方案相比,具有以下优点:(
52、1)调整简便易行,降低了操作者的劳动强度,提高了生产效率。(2)由于液压系统中采用了液压缸的差动连接方式,并使其活塞往复运动过程中的速度保持相等,因此使加工孔的内表面网纹更加均匀一致,加工质量提高。同时,可根据工件的材料不同,加工精度不同,调节珩磨头往复运动的速度,所有这些是第一种方案所不具备的。(3)行程比第一种方案大,扩大了加工件的尺寸范围。(4)可使珩磨头准确停在任意位置,避免了第一种方案由于机构的惯性给工件装夹第19页 共34页和拆卸带来的不便。(5)所采用的限压式变量叶片泵调整阀背压阀式调速回路,能保证稳定的低速运动,具有较好的速度刚性和较大的调速范围,安装的背压阀可改善运动的平稳性
53、。并且该种回路并有较高的效率。3.2.3 方案的确定通过两方案的对比,决定采用第二种方案,而且此种方案也是当前机床设计中的主流方案。但是,仅仅采用一个液压缸虽然行程比第一种方案大了一些,但是对于较深的内孔来说,还是不够的,所以,为了提高珩磨机的适用范围,应加大往复运动的行程。因此,本珩磨机拟采用二级液压传动,用两个液压缸来推动主轴的上下往复运动。这样,运动行程可增加一倍,对于大多数的孔都可以加工了。3.3 主轴回转运动方案设计3.3.1 方案的提出对于主轴的回转运动,也有两种方案供选择,一种是采用普通异步电机,通过齿轮变速器,带动主轴做回转运动,通过离合器和变速杆的调节,可以获得8级或12级转
54、速。另一种方案是采用变频变速电机,通过带传动,带动主轴回转运动,可以获得无级变速。3.3.2 方案比较比较两种方案,第一种方案具有一下几个特点。1)效率高。2)结构紧凑,比带、链传动所需的空间尺寸小。3)传动比稳定。4)工作可靠、寿命长。且因为采用普通异步电机,所以它的成本较低。第二种方案传递效率较低,易出现皮带打滑造成皮带磨损剧烈。3.3.3 方案确定通过比较,决定在本次设计中采用第一种方案。电动机通过皮带轮连接到一轴上,再通过齿轮传动将动力传动到二轴上,二轴上有两个齿轮副,可以实现转速的调节。最后再通过齿轮连接到主轴上,实现了动力的传送,获得满意的转速。3.4 电机的选择根据珩磨机主轴的功率及其转速,选择矢量控制的Y系列4级三相异步电机,型号为Y132M-4。电机额定转速为1440r/min,额定功率为7.5Kw。它能够快速、准确的实现无级变速。且转速控制精确,操作简单。第20页 共34页4设计结构的选择和设计4.1导向柱的选择和设计 导向柱是为了保证珩磨头能够高精度的上下运动,保证其和被珩磨孔的垂直度,也能保证其较好
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