外圆磨床设计

1、第1章 绪论1.1 磨床的类型与用途1.1.1 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1。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2。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，

2、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。1.1.2 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，

3、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

4、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

5、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。1.1.3 外圆磨削和端面外圆磨床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。基本得外圆磨削方法有两种，即横磨法磨外圆和纵磨法磨外圆，如图11和图12所示。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

6、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。图11 横磨法磨外圆图12 纵磨法磨外圆（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.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

7、（通常10，15，30，45），如图13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。（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。图13 砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜一角度1.2 磨床的现状及其发展趋势随着机械产品精度、可靠性和寿命的要求不断提高以及新型材料的应用增多，磨

8、削加工技术正朝着超硬度磨料磨具、开发精密及超精密磨削（从微米、亚微米磨削向纳米磨削发展）和研制高精度、高刚度、多轴的自动化磨床等方向发展4，如用于超精密磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均半径可小至4m；使用电主轴单元可使砂轮线速度高达400m/s，但这样的线速度一般仅用于实验室，实际生产中常用的砂轮线速度为4060m/s；从精度上看，定位精度2m，重复定位精度1m的机床已越来越多；从主轴转速来看，8.2kw主轴达60000r/min，13kw达42000r/min，高速已不是小功率主轴的专有特征；从刚性上看，已出现可加工60HRC硬度材料的加工中心。北京第二机床厂引进日本丰田工机公司先进技术

9、并与之合作生产的GA（P）6263数控外圆/数控端面外圆磨床，砂轮架采用原装进口，砂轮线速度可达60m/s，砂轮架主轴采用高刚性动静压轴承提高旋转精度，采用日本丰田工机公司GC32ECNC磨床专用数控系统可实现二轴（X和Z）到四轴（X、Z、U和W）控制。此外，对磨床的环保要求越来越高，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。大量的工业清洗机和切削液处理机系统反映现代制造业对环保越来越高的要求。第2章 设计任务书1.毕业设计题目MKS1632A数控高速端面外圆磨床及其砂轮架设计2.毕业设计目的本课题旨在让学生综合运用大学四年所学的知识，设计数控端面外圆磨床MKS16

10、32A及其砂轮架，树立理论联系实际的作风和严谨的科学态度。该课题要求绘制磨床总体布局装配图、砂轮架部件装配图、磨床液压系统图和磨床零件图，最后撰写设计说明书。此外，要求学生跟随指导老师和研究生参与部分科学研究，进行磨削温度的测试实验并撰写科研报告。3.任务与要求：（1）机床总体布局装配图（0#）；（2）部件装配图（砂轮架0#）；（3）零件图 (3#)；（4）液压传动图（1#）；（5）电气控制图 （1#）；（6）撰写科研报告；4.用途和规格（1）加工对象 A 带轴肩的多台阶轴（如齿轮轴） B要求端面外圆一次完成的零件 C 带较大端面的盘类零件 D 作一般外圆磨床（2）主要规格 A加工直径20mm

11、-320mmB 最大加工长度为750mm C 最大加工重量200D 砂轮线速度60m/s E 机床中心高1095mmF工件转速范围30300rpm（3）主要运动 A 砂轮转动 B 工件转动C工作台纵向移动D砂轮架斜向进给运动 E砂轮修整器斜向进给运动 F砂轮修整器旋转运动5.设计重点与难点（1）磨床总体布局中各部件尺寸的确定；（2）砂轮架主轴和轴承的设计和选用；（3）皮带的选用和带轮的设计；（4）磨床液压系统的设计；（5）磨削温度科研报告。6.拟采用的途径与手段（1）查阅国内外磨床相关资料，确定磨床总体布局中各部件（如砂轮架、头架和尾架等）尺寸；（2）检验主轴前端扰度，确保主轴刚度；（3）砂轮

12、架采用静动压轴承以提高旋转精度，增强抗振性，延长轴承的使用寿命；（4）采用皮带和花键副带动主轴旋转，减少主轴变形，使载荷分布均匀；（5）采用Auto CAD绘制装配图和零件图；（6）参看液压工程方面的资料，设计磨床液压系统的设计；（7）参考磨削温度测试研究论文，认真、虚心向指导老师和研究生学习，进行大量的磨削温度的测试实验。第3章 磨床总体布局3.1 磨床总体设计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，

13、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。3.3 磨床总体布局设计3.3.1 加工零件带轴肩的多台阶轴，精度IT7以下，Raa0.4，材料45#，40cr，球墨铸铁等；3.3.2 初步估计组成部分a.床身；b.工作台面；c头架；d尾架；e砂轮架；f 修整器；g 测量装置；h 砂轮进给电机；I 修整器进给电机；j 电器框；k工作台进给电机；l 工件旋转电机；m 润滑冷却装置；n数控装置；3.3.3 总体布局初步设计1.T型床身

14、；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；6.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31所示）来控制轴向尺寸，径向尺寸，测量仪布置在横梁上；图31 E5数控框7.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：工件旋转各轴采用交流伺服电机，通过精密无间隙弹性连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；3.3.4 纵

15、向与横向尺寸的确定1.纵向尺寸工件最大长度 ；头架长度 ；尾架长度 ；上台面长度 ；下台面长度 ；床身长度 ；后床身长度 （考虑砂轮架和修整器大小按经验给定）；整个床身宽度 （视觉效果）；砂轮架中心与机床床身对称线相距图32 磨床纵向尺寸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：用类比法上工作台 中心（31）下工作台 中心 （32）为工作台导轨的中心距，工作台导轨选用8075250取 250=75mm250=95mm（2）宽度 （33） 3

16、）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，故常适当加宽V型导轨的宽度。4）确定头尾架顶尖中心至床身底面的高度H1左右1根据工人身高，经验。类比取5）工作台回转中心位置B96）确定机床总高H 所以H取2000mm。3.3.5 砂轮架相关尺寸设计（1）砂轮架导轨（V平导轨）100904001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。图33 砂轮架的导轨（2）砂轮架横向行程长度 （34）式中为砂轮架快速进退

17、的行程，一般取。此处取。 （35）（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 取砂轮架中心距后床身顶面砂轮架底座安装修整器，内有传动丝杆取后床身进给导轨内装丝杆取图34 砂轮架的高度和宽度砂轮架底板长度： 取=900mm砂轮架导轨长度取 （4）砂轮架主轴电机的选择用类比法，砂轮架主轴电机的功率取15kw；计算法 （36） 3.按照机床动作所要求的速度和作用的力等进行计

18、算。4.选用标准的或设计专用的液压元件，并按照机床布局来确定各元件的组合形式，进行阀板设计。5.绘制液压元件的连接总图油路装配图。上述步骤是相互联系交替进行的，往往需要几次反复，才能完成。3.机床需要的液压部分1）机床测量仪的进给和退出，径向测量仪的垂直横向进给和退出，尾架的松开；2）润滑部分。a.床身的滚珠丝杆b.砂轮架的滚珠丝杆c.砂轮修整器的滚珠丝杆，间隙供油d.砂轮架的卸荷e.床身导轨的润滑f.砂轮修整器直线导轨的间隙供油3）动静压轴承a.砂轮架主轴轴承部分b.砂轮修整器主轴轴承部分4.拟订液压原理图机床液压系统的拟订，要与机械，电器配合，将各个液压回路进行组合，达到总体设计所需要的动

19、作循环程序。具体原理图见MKS1632A高速数控端面外圆磨床液压图结论经过三个多月的努力，我顺利完成了毕业设计的任务，对磨床的设计过程有了一个基本的认识，特别对数控高速端面外圆磨床MKS1632A的设计过程有了深刻和清晰的了解。这次毕业设计是对我大学四年所学知识的一次综合应用，它涉及到机械制图、机械制造技术、机械原理、机械设计、机械装备设计、液压系统设计、数控技术、互换性和测量技术、单片机、电子信息技术等多门课程的内容，使我对知识的综合知识的运用有了很大的提高。本次设计的数控高速端面外圆磨床MKS1632A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

20、本。在数控高速端面外圆磨床MKS1632A的设计过程中，郭老师让我们四个人每人负责一部分，我负责的是数控高速端面外圆磨床MKS1632A的砂轮架部分。起初我们四个人在一起讨论磨床的总体布局图，每个人提出自己的想法，然后由大家来讨论，在这样的讨论和交流中，我们都学到了不少知识，知道自己方案的优点和缺点，最后我们讨论出来一套最优方案。本次毕业设计我负责的部件是砂轮架，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

21、的设计等用到了大量的计算。由于磨床是高精密加工机床，对各部件的设计要求都较高。为了提高旋转精度，我主要做了以下工作：1.在选择轴承的时候，我选用了动静压轴承。，动静压混合轴承是一种既综合了液体动压和静压轴承的优点，又克服了两着缺点的新型多油楔油膜轴承。它利用静压轴承的节流原理，使压力油腔中产生足够大的静压轴承载力，从而克服了液体动压轴承启动和停止时出现的干摩擦造成主轴与轴承磨损现象，提高了主轴和轴承的使用寿命及精度保持性；轴承油腔大多采用浅腔结构，在主轴启动后，依靠浅腔阶梯效应形成的动压承载力和静压承载力叠加，大大地提高了主轴承载能力，而多腔对置结构又极大地增加了主轴刚度；高压油膜的均化作用和

22、良好的抗振性能，保证了主轴具有很高旋转精度和运转平稳性。动静压轴承广泛用于高速精密设备中.目前，在改造旧精密磨削设备方面，用得较多的是北京中航设备改造厂的WMB型表面节流液体动静压混合轴承。2.在砂轮架传动装置设计中，采用了多楔带皮带和多楔带带轮。多楔带兼有V带和平带的优点，外轮廓尺寸小，比V型带传动平稳。多楔带以平带为基体，内表面有等距离纵向楔型的环形带传动，工作面为楔侧面。3.为了减少外载荷对砂轮架主轴的影响，提高砂轮架主轴的承载能力，在带轮的安装方面，采用了卸荷皮带轮的方案，即多楔带皮带轮不是直接安装在砂轮架主轴上，而是安装在支架上，然后通过花键套来传递扭矩，带动砂轮架主轴旋转。这种方案

23、的好处是砂轮架承受的轴向力大大地减小了，砂轮架主要承受扭矩，达到减小砂轮架主轴变形、提高砂轮架主轴的承载能力和提高旋转精度等目的。需要补充一点的是，在砂轮架主轴的设计中，因为轴的中间部分只有一部分需要进行精加工，以便安装动静压轴承，其余部分则没有什么特殊的加工要求。考虑到加工成本的问题，我采取将砂轮架主轴中间一部分半径减小的方法，从而减少了精加工的长度，减小了工件的加工成本，但这样做会减小砂轮架主轴的刚度。这次毕业设计对我大学所学的知识进行了综合，对我运用知识的能力有了很大提高，特别是培养了我理论结合实际的作风，改变了我以前设计不切合实际的想法，很多设计力求标准化和规范化。致谢经过三个多月的努力，毕业设计已