数控专用磨床砂轮架部件设计论文总

1、目 录中文摘要ABSTRACT第一章 绪 论21.1概述21.2外圆磨床的发展概况和前景31.3外圆磨床典型部件的功能介绍41.3.1 机床总体布局41.3.2 主要部件结构5（1）磨床的主要部件5（2）外圆磨床外观图51.4课题任务和意义6第二章 数控专用磨床砂轮架设计72.1砂轮架设计要点7主轴旋转精度及提高措施7（1）主轴旋转精度7（2）提高主轴旋转精度的措施8主轴系统的振动、发热及其降低措施9（1）主轴系统的振动与发热9（2）减小振动措施9（3）降低发热的措施102.2主轴设计及计算10主轴强度计算校核10（1）选择轴的材料，确定许用应力10（2）按扭矩强度估算轴的最小直径10（3）主

2、轴砂轮上的作用力的计算10（4）主轴的结构设计10（5）校核轴的强度112.3轴承的选择与计算13第三章 横向进给部件设计153.1横向进给部件的设计要求153.2横向进给部件的机械传动设计153.3滚珠丝杠的设计和计算16滚珠丝杠副传动特点与应用16滚珠丝杠副的结构形式17滚珠丝杠的支承与轴承18滚珠丝杠副的选用与计算193.4直线滚珠导轨的设计与寿命计算21直线滚珠导轨的设计21直线滚动导轨的寿命计算213.5横向进给部件装配图22第四章 数控专用磨床砂轮架及横向进给部件建模234.1 SolidWorks的介绍及相关的模块234.1.1 SolidWorks的介绍234.1.2 Soli

3、dWorks的特点244.2砂轮架及横向进给部件的建模264.3砂轮架及横向进给部件的装配28第五章 SolidWorks运动仿真的简单介绍305.1 Animator具有如下特点305.2 运动仿真的过程31爆炸视图动画31动画向导32第六章 SolidWorks有限元分析346.1有限元分析方法概况346.2 有限元分析法的运用35第七章 结束语36谢 辞37参考文献38第一章 绪 论1.1概述磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。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。外圆

4、磨床是使用的最广泛的，能加工各种圆柱形和圆锥形外表面及轴肩端面的磨床。万能外圆磨床还带有内圆磨削附件，可磨削内孔和锥度较大的内、外锥面。不过外圆磨床的自动化程度较低，只适用于中小批单件生产和修配工作。 内圆磨床的砂轮主轴转速很高，可磨削圆柱、圆锥形内孔表面。普通内圆磨床仅适于单件、小批生产。自动和半自动内圆磨床除工作循环自动进行外，还可在加工中自动测量，大多用于大批量的生产中。 平面磨床的工件一般是夹紧在工作台上，或靠电磁吸力固定在电磁工作台上，然后用砂轮的周边或端面磨削工件平面的磨床；无心磨床通常指无心外圆磨床，即工件不用顶尖或卡盘定心和支承，而以工件被磨削外圆面作定位面，工件位于砂轮和导轮

5、之间，由托板支承，这种磨床的生产效率较高，易于实现自动化，多用在大批量生产中。 大型曲轴磨床工具磨床是专门用于工具制造和刀具刃磨的磨床，有万能工具磨床、钻头刃磨床、拉刀刃磨床、工具曲线磨床等，多用于工具制造厂和机械制造厂的工具车间。砂带磨床是以快速运动的砂带作为磨具，工件由输送带支承，效率比其他磨床高数倍，功率消耗仅为其他磨床的几分之一，主要用于加工大尺寸板材、耐热难加工材料和大量生产的平面零件等。 专门化磨床是专门磨削某一类零件，如曲轴、凸轮轴、花键轴、导轨、叶片、轴承滚道及齿轮和螺纹等的磨床。除以上几类外，还有珩磨机、研磨机、坐标磨床和钢坯磨床等多种类型。我国生产的磨床走进了数字化的时代，

6、而我们的社会也早已经走入了一个信息化的社会，每天人们都要接受大量的信息和处理大量的数据，仅靠纸和笔已经不能适应这个时代的要求，人们必须采取新的手段，于是信息技术进入我们的生活，计算机不再只是简单的计算工具，它已成为我们生活中处理大量信息和解决工作难题不可缺少的手段。一个国家要强大，要繁荣就要靠工业的发展来推动经济的发展，而机械行业又是我国工业的中流砥柱。随着我国机械行业的发展，机械设计必不可少而且越来越重要。设计师在对一个产品进行设计时，头脑中的图像“翻译”出来，描绘到图纸上。用它来进行指导生产和技术交流。这就是通常所说的二维工程图纸。二位工程图在手工和人控的机加工环境中起着重要的作用。人们一

7、直期待着能够有一种手段，在产品正式生产前，能够直接把头脑重的三维图像模拟出来，以确认设计的可靠性。传统的方法是用模型的方法把实体实际地制造出来，既费时又费事还浪费资金。计算机的三维软件产生，实现了设计师的这一梦想，通过它把设计师头脑中的图像直接仿真到屏幕上，既形象又直观。可以说：应用三维软件进行设计是设计师思想不经“翻译”的直接反映，是自然的思维过程。因此，三维软件可以进行直观的交流，思想表达更准确、清晰。于是CAD的三维建模软件SolidWorks就诞生了。的确，国内机床厂的图纸大部分还是二维图纸，无论设计者看起来、工人加工起来还是学生学起来都要有很高水平的读图能力，这样便给设计和教学带来不

8、便。然而这种时代一去再不复返了，大家也再也不用为复杂的图纸感到困惑，是因为有了计算机，有了CAD-Computer Aided Design 即计算机辅助设计和动态仿真Dynamic Simulation。鉴于这种情况，出现问题，解决问题，也是我这次毕业论文设计的基本目的，本次毕业设计用著名CAD软件SolidWorks来进行三维建模，使磨床的三维模型一幕了然，不仅便于理解数控磨床的功能和作用，而且便于尺寸修改和再次造型。然而设计者再设计磨床过程中使不知道生产出来的磨床是否能使用，是否完美，是否能达到精度要求，是否还有零件之间的干涉。1.2外圆磨床的发展概况和前景外圆磨床是以砂轮磨削各种轴类零

9、件外圆的磨床，是现代精密机械加工必不可少的重要设备。国外外圆磨床一般包括普通外圆磨床，万能外圆磨床，卡盘外圆磨床，无心外圆没出，专门外圆磨床（曲轴、凸轮、轧騉磨床），其他外圆磨床等。国外的外圆磨床生产历史较长，使用较广，第一台外圆磨床由美国布朗夏普（Brown&Sharpe） 公司于1864年造出的，至今已有一百多年历史。二十世纪七十年代以来，由于经济危机的影响，各国外圆磨床的产量，按台份计，一般占磨床的1525左右，产值一般占3040，但都有下降。目前生产外圆的主要国家是美国、西德、瑞士、苏联、日本、英国等。美国由于汽车、拖拉机、工具、宇航、电子、武器、飞机制造等工业比较发达，外援磨

10、床产值较高，制造工厂较多，偏重于提高机床效率和自动化程度。西德的外圆磨床，尤其是大型、精密、高效自动化外圆磨床都是具有世界第一流的规模和水平。瑞士的外圆磨床产量虽不多，但精度高而稳定，精密外圆磨床在世界上仍然领先，并且声誉最高。苏联从1838年开始生产外圆磨床，七十年代以来，为了同美帝国争霸，发展也很快，大部分进行了更新，水平也有很多提高。日本的外圆磨床积极引进国外名牌产品，敢于采用新技术，目前已接近世界先进水平。英国由于其生产历史较长，产品质量较好，精度性能稳定，在世界上仍有一定地位和声誉。七十年代以来，随着工业的发展和科学技术的进步，各种高速、强力、宽砂轮等高效磨削方式进一步向稳固扎实方向

11、发展，各种自动数字进给、自动测量、自动修整补偿、砂轮自动平衡等自动化迅速采用，以微处理器为代表的数控技术的发展突飞猛进，计算机技术、有限单元法、人机工程学崭新技术向外圆磨床的渗透和传统技术的结合，使外圆磨床的生产效率、自动化程度、加工精度、动态特性、操作性能、三化水平都提高到一个新的水平。目前，国内外圆磨床总的发展趋势，主要使提高机床的效率、自动化程度和精度这三个方面：1. 提高磨床的生产效率，如正在大力发展高速磨削（60米/秒以上），强力磨削，多砂轮磨削（多至十片砂轮），宽砂轮磨削（宽达300毫米以上），衡压力磨削和砂带磨削的磨床。2. 提高磨床自动化程度，特别是大力发展“机械加工中心”机床

12、，数字程序控制和适应控制磨床。3. 提高磨床精度，采用静压、空气轴承、静压导轨、微量进给等新技术。1.3外圆磨床典型部件的功能介绍1.3.1 机床总体布局1. 机床焊接式矩形床身；2. 垫板固定于后床身部；3. 工作台置于床身的前部，V-平导轨上，由置于其下方与床身固定且与下工作台相连的工作台移动机构驱动实现控制运动；4. 砂轮架置于垫板之上，实现工件及其回转运动控制；5. 头尾架置于上下工作台之上，实现工件定位及回转运动控制；6. 机床操纵电箱置于机床前防护内，量仪控制箱装入其中；7. 机床控制电箱置于机床后，输入输出电缆从机床内走线；8. 机床冷却水箱置于机床左后方，主轴润滑箱置于机床右后

13、方；9. 液压控制油箱、导轨润滑油箱置于机床左侧。机床的总体布局关联着机床的性能、质量和整机的合理性。此次磨床的布局考虑到以下几个方面：(1) 保证机床的刚度、精度、抗震性和稳定性。支撑部件应力求有足够的刚度，运动部件在不影响刚度的条件下，尽可能的做到体积小，重量轻；(2) 传动系统力求简短，达到结构简单，提高传动精度和效率；(3) 机床操作、调整要简易，装拆、维修要方便，排屑、冷却要畅通，连锁、防护要安全可靠；(4) 机床的外形轮廓应平整、大方、调和，既要排斥不求实效的追求“线型”，又要反对“粗、大、傻”的外形。1.3.2 主要部件结构外圆磨床分为普通外圆磨床和万能外圆磨床，其中万能外圆磨床

14、是应用最广泛的磨床。在外圆磨床上可磨削各种轴类和套筒类工件的外圆柱面、外圆锥面以及台阶轴端面等。下图是M1432A型万能外圆磨床的外形图。M1432A编号的意义是：M磨床类；1外圆磨床组；4万能外圆磨床的系别代号；32最大磨削直径的1/10，机最大磨削直径为320mm；A在性能和结构上作过一次重大改进。（1）磨床的主要部件（a）床身  床身1是磨床的基础支承件，在它的上面装有砂轮架5、工作台3、头架2、尾座7及横向滑鞍等部件，使这些部件在工作时保持准确的相对位置。床身内部用作液压油的油池。（b）头架  头架2用于安装及夹持工件，并带动工件旋转,头架在水平面内可逆时针方向转9

15、0°。（c）内圆磨具  内圆磨具4用于支承磨内孔的砂轮主轴，内圆磨具主轴由单独的电动机驱动。（d）砂轮架  砂轮架5用于支承并传动高速旋转的砂轮主轴。砂轮架装在滑鞍6上，当需磨削短圆锥面时，砂轮架可以在水平面内调整至一定角度位置（±30°）。（e）尾座  尾座7和头架2的顶尖一起支承工件。（f）滑鞍及横向进给机构  转动横向进给手轮9，可以使横向进给机构带动滑鞍6及其上的砂轮架作横向进给运动。 （g）工作台  工作台3由上下两层组成。上工作台可绕下工作台的水平面内回转一个角度(±10°

16、)，用以磨削锥度不大的长圆锥面。上工作台的上面装有头架2和尾座7，它们可随着工作台一起，沿床身导轨作纵向往复运动。（2）外圆磨床外观图1床身  2头架  3工作台  4内圆磨具 5砂轮架  6滑鞍  7尾座  8脚踏操纵板 9横向进给手轮图1-1 磨床1.4课题任务和意义通过参与上海第三机床厂数控专用磨床砂轮架部件设计工作，进一步培养综合运用所学专业知识技能的能力，基本上能独立地完成本项目的设计要求。通过与企业工程技术人员的密切接触与交流，了解生产企业的设计规范，尽快适应企业对工程设计人员的要求，做到能解决实际设计生产中的遇到的各种问

17、题。要求了解和掌握现代设计技术的方法和手段及先进制造技术的发展方向。第二章 数控专用磨床砂轮架设计砂轮架（磨具，磨头）是磨床上用来带动砂轮作高速旋转的关键部件，主要由传动部分与主轴轴承部分组成。2.1砂轮架设计要点设计砂轮架时主要应考虑下列几个方面的问题：主轴与轴承;轴向窜动与轴向止推；润滑与密封；振动与平衡；发热与冷却；砂轮破碎与保护等。从表面上看，问题似乎很多，又各不相同，实际上它们之间是有内在联系的。整体设计过程，就是如何使这些问题在一只砂轮架上得到比较合理的解决。主轴与轴承是砂轮架的关键部分，因此对砂轮架设计提出的基本要求主要也是针对主轴轴承部分的。 砂轮架设计应满足下列四点基本要求：

18、（1） 主轴旋转精度高且稳定；（2） 主轴轴承系统刚性好；（3） 振动小，发热低，不漏油；（4） 制造装配简单，调整维修方便。 2.1.1主轴旋转精度及提高措施（1）主轴旋转精度砂轮架旋转精度是指主轴前端的径向跳动和轴向窜动大小，它直接影响工件的表面光洁度和表面缺陷，如直波形和拉毛等。外圆磨床砂轮架（磨头的径向，轴向跳动允差：0.005-0.010毫米。（2）提高主轴旋转精度的措施1.选择合适的主轴轴承：由于砂轮架主轴转速很高，且不需要经常变速，故目前绝大部分使用滚动轴承。一般根据主轴前端要求的径向和轴向跳动允差，选取“”级或更高的“”级精度。这里我采用了两对角接触球轴承，因为角接触球轴承即能

19、承受径向力又能承受轴向力及通过轴向移动内外圈来调整间隙实现预紧外，还能达到较高的转速。此外，在安装时采用了背对背的排列方式。这样轴承的接触角线向外扩散，加大了支撑宽度，较稳定，刚性好。当转速较高时，内圈的轴向伸长量比外圈大，背对背排列不会因此增加轴承的负载，从而保证了轴承的正常运转。2.提高主轴的加工精度：主轴本身的加工精度，对旋转精度有直接的影响，因此必须规定合理的技术要求。砂轮主轴除其主要尺寸有配合公差要求外，应规定主轴轴颈的几何形状允差（圆度及圆锥度误差）；前、后轴颈与前端定心锥面的同轴度误差；轴肩轴向支承面与轴颈中心线的垂直度误差等。一般精度外圆磨床砂轮架的主轴轴颈圆度、圆锥度误差：0

20、.0020.003毫米，前、后轴颈与前端锥面的跳动误差和轴肩与轴颈中心线的垂直度误差：0.003-0.005毫米。图2-1：砂轮架主轴3.正确选择主轴轴向止推形式：主轴轴向止推可分为单向。双向两种。双向止推支承一般安装在主轴前轴承的外侧，由套及压紧环靠主轴轴肩两端，磨制中间调整垫圈，保证留0.01毫米间隙。这种结构能承受两个方向的轴向力，且在很大轴向力的情况下能获得较好的轴向定位精度，但制造、装配与调整比较复杂，一般用于需要双面磨削的大型机床。单向止推支承装在前、后轴承外侧。改善了上述缺点，还减小了砂轮中心至前轴承中心的距离，提高刚性。所以我选用了单向止推形式。4.采用提高旋转精度的其他措施：

21、皮带轮不直接装在主轴上，而装在单独的支架上，并采用花键、平键或其他方式带动主轴旋转。因此我采用了卸荷皮带轮，虽然结构上比较复杂，但这样减少了主轴变形和轴承受力。如图：2-2图2-2 卸荷机构主轴系统的振动、发热及其降低措施（1）主轴系统的振动与发热由于砂轮主轴作高速旋转，所以振动和发热对砂轮架正常工作影响较大。振动会影响磨削工件表面光洁度，产生直波形缺陷，而且会使磨床精度很快丧失。 图2-2 卸荷机构砂轮架的发热，会使砂轮主轴膨胀、伸长、位移，使工件产生几何形状误差，严重的将直接影响砂轮主轴的正常工作以至发生“抱轴”现象。砂轮架一般要求正常运转2-4小时后，温升，不大于20。（2）减小振动措施

22、主轴轴承系统的振动，一般分强迫振动和自激振动两种。强迫振动是外界干扰力引起的，因此他的振动频率和外界干扰里的频率相等（或是其倍数）；自激振动是运转或磨削过程中本身所引起并维持的振动。 由于砂轮和高速旋转零件的不平衡，传动砂轮的电动机不平衡，传动皮带长短不一致等，都会引起砂轮对工件的强迫振动，可采取下列相应措施来减小振动：（a）静平衡砂轮，使砂轮在平衡架上任意转动一个角度都能静止下来，或采用砂轮自动平衡装置;（b）对传动砂轮的电动机进行平衡，最好将电动机连同皮带轮一起进行整机动平衡（c）电动机底座与砂轮架之间用硬橡皮、木板或其他吸振材料隔振；（d）避免在主轴上装不对称零件，如销子、键等。主轴上高

23、速旋转的零件的材质要均匀，尺寸要对称；（e）三角皮带要选长短、厚薄均匀，在功率允许的情况下减少皮带根数。高精度、高速度，宜采用皮带、丝织带或棉纶带。为了减小磨削时的自激振动，应选用合适的砂轮和磨削用量。（3）降低发热的措施砂轮架在满足主轴刚性的条件下，选用粘度比较低的润滑油。一般滚动轴承的砂轮架采用油浸式润滑，油池应考虑有适当容积，使油温不至于太高。2.2主轴设计及计算 2.2.1主轴强度计算校核（1）选择轴的材料，确定许用应力主轴的材料为45钢，调质处理，查书<机械设计基础>表13-1可知: 650MP =360 MP 查表13-6可知： =102 MP =60 MP =215

24、MP （2）按扭矩强度估算轴的最小直径砂轮架的主轴与电动机直接相接，由于是高速轴从机构要求考虑，输入端轴颈应最小。最小直径为：d （2-1） 式中C为轴的材料和轴承情况有关的系数；P为轴的传递的功率（kW）；n为轴的转速（r/m）；查表13-5可得，45钢取C=118，则d 118 × mm = 16.3 mm取最小直径d=17mm。（3）主轴砂轮上的作用力的计算砂轮所受的转矩为:T = 9.55 × 10 P/n = 9.55 × 10 × 0.75/280 = 25580 N·mm （2-2）砂轮的作用力：圆周力：F=2T/d=2×

25、;25580/90=568N径向力：F=433N轴向力：F=352N（4）主轴的结构设计主轴结构设计时，需同时考虑轴系中相配零件的尺寸以及轴上零件的固定方式，按比例绘制结构草图。（1）确定轴上零件的位置及固定方式。将左、右弹簧座布置在箱体的中间部分，轴承对称布置在弹簧做的两边，轴外伸的端安装砂轮和带轮。 主轴带轮靠锥度和螺母实现轴向定位和固定，靠莫氏锥度配合实现周向固定；两端轴承靠套筒、轴肩来实现轴向定位，靠过盈配合实现周向固定；主轴通过两端轴承端盖实现轴向定位；砂轮安装在砂轮罩中，砂轮罩靠轴肩、平键和过盈配合分别实现轴向定位和周向固定。（2）确定各段轴的直径。将估算轴径d=8mm作为外伸出端最小直径,由于要与带轮相配，故选取d1=20mm。考虑到主轴带轮用锥度实现轴向定位，取第二段直径为d2=25mm, 右弹簧座和右端轴承从左侧装入，考虑装拆方便及零件固定的要求，装轴承处轴径d3应大于d2，考虑滚动轴承直径系列，取d3=35mm.为便于弹簧座的拆装，与弹簧座配合处轴径d4应大于d3，取d4=42mm。d5是安装左侧轴承，根据选定轴