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1前言
彈簧是人們熟悉的機械基礎件，它適用于緩沖或減振，在機械設備、生活用品上的各種彈性元件都屬于彈簧。彈簧元件在機械設備中往往處于運轉的關鍵部位，它的質量優(yōu)劣對主機的質量水平有重要影響。彈簧的優(yōu)劣不僅取決于彈簧材料，還取決于彈簧的加工工藝。中國彈簧行業(yè)專業(yè)化、自動化程度還比較低，不少工序還停留在手工操作水平上。工人勞動強度大、勞動條件差、生產效率低。國外磨簧等關鍵工序都已實現機械化、自動化。德國磨簧機有10種，中國僅有4種，而且設備精度較差。為滿足國內彈簧生產的需要現設計立式磨簧機。
磨簧機主要用于彈簧端面的磨削。彈簧鋼絲經過卷簧機卷制，形成彈簧的半成品，其兩個端面不平行，還不能滿足使用要求。需要通過磨簧機將半成品的兩個端面磨平，并使兩端面與彈簧的軸線保持一定的垂直度。
磨簧分兩種形式：A.只需將彈簧端面磨平；
B.高度磨削。除了要把彈簧端面磨平外，還要把彈簧磨到指
定的高度。
本課題來源于鹽城市雙圓彈簧廠。為高效率磨削彈簧端面需設計立式磨機。其
中：
a.磨簧機應能滿足加工要求，保證加工精度；
b.磨簧機應運轉平穩(wěn)，工作可靠，結構簡單；
c.工件裝卸方便，便于維修、調整；
d.盡量使用通用件，以便降低制造成本。
在陳祥林老師的指導下，首先進行了方案論證，確定機床總體結構。由于磨簧機是針對彈簧磨削而設計的，所以整個設計過程都是圍繞彈簧磨削這一功能而展開的。首先根據彈簧的材料，選擇合適的砂輪，然后根據普通磨削的要求確定砂輪轉速、工件轉速、砂輪的進給量等。根據以上的參數計算磨削功率，分析擬定傳動裝置的簡圖，畫出總裝備圖，然后根據裝備圖設計零件圖。
2總體方案論證
本次設計的課題是立式磨簧機，用于彈簧端面的磨削。為避免彈簧多次裝夾引起的加工精度誤差，以及減少裝夾時間，擬采用兩個砂輪一起磨削，提高工作效率。兩個砂輪有兩個獨立的電機驅動。為適合加工不同高度的彈簧，以及在磨削時砂輪實現進給運動，磨頭要能實現軸向移動。為簡化傳動機構的結構，只要一個磨頭實現進給，另一個磨頭固定。
2.1進給磨頭的確定
為彈簧順利進入磨削區(qū)域，下磨頭要和工作臺處于同一個平面。假如下磨頭實現進給運動，那么工作臺也要隨著磨頭運動。工作臺比較質量比較大，上下運動在結構上比較復雜，定位難以實現，加工精度難以得到保證。綜合各方面因素，確定由上磨頭實現進給運動。下磨頭在經過長時間的磨削運動，砂輪厚度會減小，砂輪就會低于工作臺，料盤就難以實現旋轉運動。所以砂輪經過一段時間磨削后，下磨頭需要實現高度補償，使砂輪和工作臺重新處在同一個平面。在結構上用升降桿來調節(jié)下磨頭高度。
2.2工作臺高度的確定
工作臺的高度主要根據人的身高來確定，工作臺不宜太高，太高會使工人的手上抬，長時間工作會加快工人的勞累；工作臺太低，使工人弓著腰工作，同樣加快工人的疲勞。工作臺高度定位標準是使工人工作舒適。綜合國人的平均身高，工作臺的高度擬確定120.5㎝。
2.3工作臺工作方式
為便于以后磨頭的維修、調整，把工作臺設計成活動的，即磨頭在維修、卸載時可以方便地把工作臺打開。
3磨頭設計
3.1工件材料
彈簧材料的種類繁多,目前大量使用的是彈簧鋼,其次是具有特殊性能的彈簧材料,如不銹耐酸鋼、耐熱鋼(合金)、銅合金以及橡膠、塑料等。
一般彈簧鋼包括:
a.碳素彈簧鋼 ；
b.合金彈簧鋼 。
本次設計擬確定工件材料為碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼。
3.2砂輪的選擇
砂輪選擇應考慮的因素：
砂輪對磨削過程的影響是多方面的，其中包括加工精度，表面粗糙度和生產效率等。為了獲得良好的磨削效果，正確選擇砂輪十分重要。選擇砂輪時主要考慮下列磨削條件和技術要求：
a．工件材料的物理機械性能；
b．工件的熱處理方法；
c．工件的加工精度和表面粗糙度的要求；
d．工件的形狀和尺寸；
e．工件的磨削余量；
f．磨削方式（外圓、內圓或平面磨、開槽、切斷等）；
g．磨削用量，切削液情況，磨床情況，生產類型以及操作者的熟練程度。
3.2.1磨料的選擇
磨料直接參加磨削工作，所以磨料的硬度要高，耐熱性要好，還要具有一定的韌性和強度；為了能進行切削，磨料上還必須具有鋒利的邊刃。
磨料分為天然磨料和人造磨料兩大類。一般天然磨料含雜質多，質地不均。
表3-1磨料的特點和應用范圍
磨料名稱
新代號
舊代號
特點
應用范圍
棕剛玉
A
GZ
棕褐色、硬度高韌度大、價格便宜
磨削和研磨碳鋼、和金剛、鑄鋼、硬青銅等
白剛玉
WA
GB
白色，硬度比棕剛玉略高，韌度較棕剛玉低
磨削、研磨、衘磨和超精加工、淬火鋼、高速鋼、螺紋、齒輪及薄壁零件等
單晶剛玉
SA
GD
淺黃色或白色，顆粒呈球狀，硬度和韌度都比白剛玉高
磨削、研磨或衘磨不銹鋼和高釩高速鋼等高強度韌度大的材料
微晶剛玉
MA
GW
顏色于棕剛玉近似，剛度高，韌度和自勵性能良好
磨削或研磨不銹鋼、軸承鋼、球墨鑄鐵、并適于高速磨削
鉻剛玉
PA
GG
玫瑰紅，或紫紅色，硬度和韌度比白剛玉高，磨削表面粗糙度細小
磨削、研磨、或衘磨淬火鋼，高速鋼軸承等表面粗糙度值要求較小的量具，儀表零件和薄壁工件
根據彈簧材料：碳素彈簧鋼或65Mn來確定磨料，并對照磨料的應用范圍來選擇。
對照表3-1，綜合考慮磨料的應用范圍以及價格，磨料選擇棕剛玉，代號：A。
3.2.2粒度的選擇
砂輪的粒度是指砂輪所含磨料顆粒尺寸的大小，通常以粒度號表示。磨料按其顆粒尺寸大小分為41個號，粒度號數越大顆粒越小。
選擇磨料粒度時應遵循以下原則：粗磨用粗粒度、精磨用細粒度；工件材料軟、塑性大（如有色金屬）和磨削面積大的時，為避免砂輪堵塞，應選用粗粒度；成形磨削和高速磨削時粒度應選細些；磨削淬火鋼及硬質合金鋼時，宜選用中等粒度的磨料；內磨應選用較外磨為粗的粒度；磨削大尺寸工件、薄板及薄壁工件應選用較粗的粒度。
表3-2不同粒度磨具的使用范圍
粒度號數
實用范圍
非金剛石磨具
22~40
磨鋼錠、去鑄件毛刺、切鋼坯等
46~60
一般外圓、內圓、平面、無心磨、工具磨等
60~90
外圓、內圓、平面、無心磨等半精磨
100~240
精磨、成形磨、衘磨、超精磨刀具刃磨
280~W20
精密磨、衘磨、螺紋磨等超精加工
W20以下
研磨、精細磨、境面磨等超精加工
表3-3加工表面粗糙度與磨料粒度的關系
磨料粒度
加工表面粗糙度Ra(μm)
24~36
≤5
>36~46
2.5~1.25
>46~60
0.63~0.32
80～120
0.16
彈簧端面磨削是一次性磨削，且對端面的粗糙度要求不是太高，根據粒度與粗糙度的關系，對照表3-2，表3-3，磨具的粒度選取50。
3.2.3磨具硬度的選擇
磨具硬度是指沙粒在磨削力的作用下，從磨具表面脫落的難易程度。硬度高，表示磨粒難易脫落，硬度低則表示容易脫落。
硬度選擇的一般原則是：加工硬鋼或淬火鋼時選擇較軟的磨具，加工軟鋼時選擇較硬的磨具；加工青銅、韌黃銅時選軟磨具；磨具與工件接觸面積大時選擇較軟的磨具；磨削導熱性差的材料時選擇較軟的磨具；精磨、精密磨、超精磨和成形磨時，應該選擇硬的磨具；磨平面時應選用磨削相同金屬零件外圓時為軟的砂輪；干磨時所用砂輪應較濕軟些；鏡面磨削、緩進時宜選較軟砂輪；采用寬砂輪大縱向進給磨外圓時應選較軟砂輪；砂輪粒度較細時，硬度應稍軟些。機械加工中常用的砂輪硬度等級是H-N。
彈簧磨削是干磨，由彈簧材料可知，彈簧的材料的硬度屬于中硬，根據磨具選用原則，彈簧磨削磨具選中軟，代號為K。
3.2.4結合劑的選擇
表3-4 結合劑的分類及應用范圍
名稱
代號
特性
應用范圍
陶瓷結合劑
V
由粘土等配置，化學性質穩(wěn)定，耐熱、耐油、耐酸、耐堿，多用性好，耐用度高，強度較高，成本低，但較脆
適用成形磨削，如磨螺紋、齒輪、軸承滾道等，砂輪速度宜在35m/s以下
樹脂結合劑
B
強度高、彈性好，能在高速下工作，耐熱性差，在200攝氏度以上失去粘結作用,不耐算堿
可作較厚的砂輪和石墨砂輪，用于細粗糙度、高精度磨削，用作切斷和開槽用的薄片砂輪，修磨鋼坯、鑄件的粗粒度砂輪
橡膠結合劑
R
彈性好磨粒容易脫落,耐熱、耐酸、耐油性均差，且有異味
可作切斷、開槽用的薄砂輪及拋光砂輪、無心磨導輪，不適于粗磨
金屬結合劑
J
強度高、韌度高和成形性好，但自勵性差
常用的為青銅結合劑，主要用于金剛石砂輪，用于粗磨，半精磨硬質合金及切斷光學玻璃、陶瓷、半導體等
根據結合劑的特性和應用范圍選擇：陶瓷結合劑。
3.2.5 磨具形狀及尺寸的選擇
A．砂輪型號的選擇
各種砂輪的形狀及尺寸在參考文獻[11]中已有規(guī)定。
表3-5砂輪型號
砂輪名稱
代號
一般用途
平形砂輪
P
根據不同尺寸用于外圓磨、內圓磨、平面磨、無心磨、工具磨、螺紋磨和砂輪機上
雙斜面一號砂輪
PSX1
用于磨齒輪齒面和磨單線螺紋
雙面凹砂輪
PSA
用于外圓磨和刃磨刀具，還用作無心磨的砂輪和導輪
薄片砂輪
PB
用于切斷和開槽等
筒形砂輪
N
用于立式平面磨床上
坯形砂輪
B
用其端面刃磨刀具，也可用其圓周磨平面和內孔
碗形砂輪
BW
用于刃磨刀具，也可用于導軌磨床磨機床導軌
碟形一號砂輪
D1
適于磨銑刀、鉸刀、拉刀等，大尺寸的用于磨齒輪的齒面
根據砂輪的一般用途，選擇砂輪：平行砂輪，代號：P
B．砂輪內外直徑的選擇
砂輪的內外直徑決定了砂輪的磨簧寬度，磨簧寬度主要有料盤來決定。有設計任務書可知，彈簧的最大外徑為φ50mm，根據彈簧的最大外徑，通過作圖法來確定相關參數。
圖3-1砂輪、料盤位置示意圖
由圖3-1可知，彈簧的排列寬度為100.4mm,，則砂輪的磨削寬度應該在100mm左右。對照參考文獻[11]，確定砂輪的內外經以及砂輪的厚度。砂輪外徑φ400mm，內徑φ203，厚度為50mm。
3.3.1磨削功率計算
F=C(v?f?B/ v)tg? (3-1)
公式中各參數的含義：
C———單位切屑所需的力（N/mm）；
v———指工件的速度。這里指彈簧相對料盤軸線的線速度；
f———徑向進給量（mm）,這里指料盤旋轉一周后，砂輪的磨削量；
B——— 原指砂輪的寬度，這里取彈簧中徑的1/4；
v———指砂輪的線速度；
———磨粒的錐頂半角（60°～75°）。
確定公式中各參數值：
表3-6各種工件材料的C值
工件材料
花崗石
硅
純鐵
鑄鐵
高速鋼
C（N/mm）
4300
5500
2800
4900
18000
根據彈簧材料65Mn和砂輪材料棕剛玉，選擇：C＝10000N/ mm。
表3-7 磨削常用進給量f（mm）
磨削方式
平面磨削
粗磨
0.010～0.025
精磨
0.005～0.015
簧磨削屬于粗磨，對照表3-7，f擬確定0.02mm。
砂輪普通磨削線速度30－35m/s,高速磨削35m/s以上。彈簧磨削屬于干磨，速度不宜太高。速度過高會產生高溫，影響彈簧的性能。在這里我擬選用v＝30m/s。
錐頂半角＝60°。
由設計任務書可知，彈簧鋼絲最大直徑8mm,彈簧最大外徑50mm，則彈簧中徑為：
D=50-16=34mm
D=(34+50)/2=42mm
B= D/4=10.15mm
參照平面磨削參數工件的速度v＝0.15m/s。
表3-8磨削的摩擦系數
工件材料
砂輪切削液
干磨
退火碳素鋼
A46NV
0.73
淬火高速鋼
A46GV
0.32
彈簧磨削屬于干磨，工件材料為65Mn或者碳素鋼，所以摩擦系數選擇＝0.73。
由公式3－1得：
F＝×10000(0.15×0.02×10.5/ 30) ×tg60°×0.73
＝20.84N
F是磨單個彈簧所需的磨削力，有圖3-1可知，有7個彈簧同時進行磨削
P＝7× F ×v/1000＝720.8430/1000＝4.38KW
總傳動效率：
軸有4個角接觸軸承支撐，單個軸承的傳動效率為0.99，則總傳動效率為：
＝0.99＝0.96
電機輸入功率為：
P＝ P/＝4.38/0.96＝4.56KW
3.3.2選擇電動機
電機轉速：
n＝(D為砂輪的外徑) (3-2)
由3－2得：
n ＝＝1433.12r/min
根據輸入功率以及輸入轉速選擇電機，查參考文獻[3]，選擇電動機的型號Y132S-4，額定功率5.5KW，同步轉速1500r/min，滿載轉速1440r/min。
3.4磨頭主軸的設計
通常，軸的設計步驟包括：
a.按工作要求合理選擇軸的材料和熱處理方法；
b. 軸的結構設計；
c.軸的強度校核計算；
d.必要時作軸的剛度或振動穩(wěn)定性等的校核計算；
e.繪制軸的零件工作圖。
A．軸的材料及其熱處理選擇
軸的常用材料是碳素鋼，合金剛及球墨鑄鐵。
鋼軸毛坯多數用軋制圓鋼或鍛件，也有的用圓鋼。
碳鋼比合金鋼價廉，對應力集中的敏感性低，經熱處理或化學處理可得到較高的綜合力學性能（尤其在耐磨性和抗疲勞強度兩個方面），應用最多。常用的碳鋼有35、40、45和50等優(yōu)質中碳鋼，其中45鋼應用最廣，通常進行正火或調質處理，一般用于比較重要或承載較大的軸。對于不重要或承載較小的軸，也可采用Q235,Q275等普通碳素鋼。
合金鋼比碳素鋼具有更好的力學性能和熱處理性能，常用于承載很大而重量、尺寸受限或有較高耐磨性、防腐性要求的重要的軸，以及處理高溫或低溫條件下工作的軸。
選擇軸的材料和熱處理方法，主要根據軸的受力、轉速、重要性等對軸的強度和耐磨性提出的要求。研究表明，鋼材的種類和熱處理措施對其彈性模量影響甚小，如欲采用合金鋼代替碳素鋼或通過熱處理來提高軸的高度，收效甚微。軸的剛度主要取決于軸的剖面尺寸，可用適當增加軸的截面面積來提高軸的剛度。此外，合金鋼對應力集中敏感性較強，價格也較高。選材是也應考慮到。
綜合考慮軸的運行環(huán)境以及軸材料的力學性能，軸的材料選擇45鋼，調質處理。
3.4.1磨頭主軸的結構設計
軸的結構設計就是要確定軸的合理外形和結構，以及包括各軸段長度、直徑及其他細小尺寸在內的全部結構尺寸。
軸的結構主要取決以下因素：軸在機器中的安裝位置及形式；軸的毛坯種類；軸上作用力的大小和分布情況；軸上零件的布置及固定方式；軸承類型及位置；軸的加工工藝以及其他一些要求。由于影響因素很多，且其結構形式又因具體情況的不同而異，所以軸沒有標準的結構形式，設計具有較大的靈活性和多樣性。但是，不論具體情況人如何，軸的結構一般應滿足以下幾個方面的要求：
a.軸和軸上零件要有準確的工作位置；
b.軸上零件應便于裝拆和調整；
c.軸應具有良好的制造工藝性；
d.軸的受力合理，有利于提高強度和剛度；
e.節(jié)省材料，減輕重量；F
f.形狀及尺寸有利于減小應力集中。
軸的結構設計時，一般已知裝配簡圖、軸的轉速、傳遞的功率及傳動零件的類型和尺寸等。
3.4.2軸的最小直徑估算
轉軸受彎扭組合作用，在軸的結構設計前，其長度、跨距、支反力及其作用點的位置等都未知，尚無法確定軸上彎矩的大小和分布情況，因此也無法按彎扭組合來確定轉軸上各軸段的直徑。為此應先按扭轉強度條件估算轉軸上僅受轉矩作用的軸段的直徑——軸的最小直徑d，然后才能通過結構設計確定各軸段的直徑。
d=C (3-3)
C———計算常數，取決于軸的材料和受載情況。
當軸段上開有鍵槽時，應適當增大直徑以考慮鍵槽對軸的削弱：d>100mm時，單鍵槽增大3％，雙鍵槽增大7％；d100mm時，單鍵槽增大5％～7％，雙鍵槽增大10％～15％。最后對d進行圓整。
查參考文獻[10]P292表11.3（軸常用C值）：
C＝111
由公式3-3得：
d＝111＝17.35mm
電機和軸的連接方式是直聯，即在軸的一段開孔，電機主軸套在孔內，并用鍵連接。查閱參考文獻[3]可知，Y132S-4電機主軸直徑為φ38mm，計算值d比電機主軸小得多，砂輪在磨削時軸受到的徑向力，以及振動比較大，d＝17.35mm難以滿足強度要求。綜合各種因素，以及指導老師的建議，磨頭主軸d＝φ60。
3.4.3軸的總長度
軸的長度主要決定磨頭的穩(wěn)定性，為滿足裝配空間的要求，盡可能把軸設計得長些。首先確定下磨頭的長度。從總體方案中知道工作臺的高度為1205㎜，查閱參考文獻[3]可知Y132S-4電機的安裝尺寸，電機總長度為475㎜，砂輪和電機的安裝空間擬確定為162.5㎜，則軸的長度：
L＝1205－475－162.5＝568.5mm。
上磨頭要實現進給運動，根據磨簧的高度15-150mm，彈簧的磨削量以及砂輪厚度的補償，來確定上磨頭的主軸長度。
L＝568.5＋150＋71.5＝790mm。
3.4.4各軸段直徑和長度的確定
A.各軸段的直徑
階梯軸各軸段直徑的變化應遵循下列原則：a.配合性質不同的表面（包括配合表面與非配合表面），直徑應有所不同；b.加工精度、粗糙度不同的表面，一般直徑亦應有所不同；c.應便于軸上零件的裝拆。通常從初步估算的軸段最小直徑d開始，考慮軸上配合零部件的標準尺寸、結構特點和定位、固定、裝拆、受力情況等對軸結構的要求，一次確定軸段的直徑。具體操作時還應注意以下幾個方面問題：
d.與軸承配合的軸頸，其直徑必須符合滾動軸承內徑的標準系列。
e.軸上螺紋部分必須符合螺紋標準。
f.軸肩定位是軸上零件最方便可靠的定位方法。軸肩分定位軸肩和非定位軸肩，定位軸肩通常用于軸向力較大的場合，非定位軸肩是為加工和裝配方便而設置的，其高度沒有嚴格的規(guī)定。
g.與軸上傳動零件配合的軸頭直徑，應盡可能圓整成標準直徑尺寸系列。
h.非配合的軸身直徑，可不取標準值，但一般應取成整數。
B.各軸段的長度
各軸段的長度決定于軸上零件的寬度和零件固定的可靠性，設計時應注意以下幾點：
a.軸頸的長度通常于軸承的寬度相同。
b.軸頭的長度取決于與其相配合的傳動輪轂的寬度。
c.軸身長度的確定應考慮軸上各零件之間的相互位置關系和拆裝工藝要求，各零件間的間距查參考文獻[3]。
根據軸設計的準則以及軸上零件裝配要求，把軸設計成如下結構形式：
圖3-2 磨頭主軸結構示意圖
在L1段和L4段安裝軸承，用于軸的定位。
軸的詳細尺寸見圖MHJ-01-18,MHJ-01-10。
3.4.5軸承的選擇
選擇滾動軸承的類型，一般從載荷的大小、方向和性質入手。在外廓尺寸相同的條件下，滾子軸承比球軸承承載能力大，時用于載荷較大或有沖擊的場合。當承受純徑向載荷時，通常選用徑向接觸軸承或深溝球軸承；當承受純軸向載荷時，通常選用推力軸承；當承受較大徑向載荷和一定軸向載荷時，可選用角接觸球軸承。
根據軸的應用場合可知，軸在砂輪、彈簧的作用下受到軸向力，以及在磨削時受到的徑向力。查詢常用滾動軸承的性能和特點，選擇角接觸球軸承。角接觸球軸承的性能特點：可同時承受徑向負荷和軸向負荷，也可承受純軸向符合。適用于剛性較大跨距不大的軸及須在工作中調整游隙時，常用于蝸桿減速器、離心機、電鉆、穿孔機等。
角接觸球軸承所能承受的軸向力是單向的，磨簧機的磨頭在磨削時，收到的軸向力一般是雙向的，所以為滿足使用要求，角接觸軸承是成對使用，用背對背的方式安裝。
由圖MHJ-01-10可知
D=60mm；D=70mm
則軸兩端的軸承型號分別是：7212AC,7214AC。
3.4.6軸承的潤滑
潤滑對于滾動軸承具有重要意義。軸承中的潤滑劑不僅可以降低摩擦阻力，還具有散熱、減小接觸應力、吸收振動、防止銹蝕等。潤滑方式與軸承速度有關，一般根據軸承的d值（d為滾動軸承內徑，單位mm；n為軸承轉速，單位r/min）作出選擇。
d＝d×n (3-4)
式中d=60mm;n=1433.12r/min
由公式3－4得：
d＝60×1433.12＝8.6×10mm?r/min
表3-9 d值界限（10mm?r/min）
軸承類型
脂潤滑
油潤滑
角接觸球軸承
16
>25
對照表3-9，軸承的潤滑方式選擇脂潤滑。
3.4.7滾動軸承的密封
軸承工作時，潤滑劑不允許很快流失，且外界灰塵、水分及其他雜物也不允許進入軸承，故應對軸承設置可靠的密封裝置。密封裝置可分為接觸式和非接觸式兩類。
A.接觸式密封
通過軸承蓋內部放置的密封件與傳動軸表面的直接接觸而起密封作用。密封件主要用毛氈、橡膠圈、皮碗等軟性材料，也有用減磨性好的硬質材料如石墨、青銅、耐磨鑄鐵等。軸與密封件接觸部位需要磨光，以增強防泄漏能力和延長密封件的壽命。
B.非接觸式密封
接觸式密封必然在接觸處產生摩擦，非接觸式密封則可以避免此類缺點，故非接觸式密封常用于速度較高的場合。
鑒于磨頭主軸在靠近砂輪端受到的振動比較大，在磨削時產生的磨削四處飛濺。假如用接觸式密封，主軸在高速旋轉時軸和密封圈摩擦厲害，磨簧機運轉一定時間密封圈就達不到密封效果。磨屑容易進入軸承，影響軸承壽命和磨削精度。權衡利弊，我選擇非接觸式密封，即選用迷宮式密封，在縫隙中填脂。
3.5磨頭進給系統設計
軸一般由軸承固定，難以實現軸向移動?，F在用套筒和導向套來實現軸的軸下移動。首先把軸安裝在套筒內,套筒安裝在導向套內,由套筒在導向套內實現軸向移動,從而實現磨頭的軸向移動。詳細結構見磨頭裝配圖MHJ-01-00。
3.5.1套筒和導向套的設計
A.套筒的設計
套筒的內經主要有軸承的外徑來確定。見圖3-2，軸承的最大外徑在L4段，根據軸承型號7214AC可知，軸承外徑D=125㎜，軸承7214AC安裝尺寸D＝116mm，對套筒內徑進行圓整，則D=110mm，現擬確定套筒厚度為25mm，則套筒外徑D＝160mm。
套筒的長度主要以下磨頭主軸的長度作為設計依據?？紤]到安裝尺寸，套筒長度確定為500mm。
我們可以把套筒看成空心軸。空心軸對提高軸的剛度、減小軸的質量具有顯著的作用。由計算知，內外徑之比為0.6的空心軸與質量相同的實心軸相比，截面系數可增大70％。
套筒剛度校核：
i= (3-5)
由公式3－5得：
i＝＝0.69
V =)L (3-6)
由公式3-6得：
V ＝)×500＝5298750mm
V＝L (3-7)
由公式3-7得：
V＝×602×568.5 ＝1606581 mm
V> V；i>0.6
所以套筒滿足剛度要求。
上磨頭因為要實現軸向移動，所以上磨頭套筒長度要比下磨頭套筒長些。上磨頭套筒長度增量主要取決于磨簧高度，由設計任務書可知，磨簧高度在15－150㎜，再考慮安裝尺寸、砂輪補償的需要，上磨頭升降套筒長度確定為700.5㎜。
B.導向套的設計
導向套的內徑由套筒的外徑確定，為160㎜，外徑擬確定為220㎜?？紤]到其他零件的安裝尺寸，以及砂輪的補償高度，導向套的長度擬確定為425mm。
導向套剛度校核：
由公式3-5得：
i＝＝0.73
由公式3-6得：
V=)×425=7606650 mm
V> V；i>0.6
所以導向套滿足剛度要求
3.5.2上磨頭進給系統設計
磨頭進給動力有電機來提供，磨頭進給是直線運動，而電機是旋轉運動。磨頭進給系統主要的功能是把電機的旋轉運動轉化成磨頭的直線運動。根據這一要求，選擇齒輪-齒條機構來實現磨頭的進給運動。
A.上磨頭質量計算：
根據繪制零件圖的尺寸，計算各零件的質量：
a.升降套筒：
由公式3-6得：
V＝)×700.5＝7423548.75 mm
b.磨頭主軸：
V＝45×45×25×＋×642×16＋24××1092＋
702×69＋×652×577＋×602×50
＝2646309.925 mm (3-8)
c.軸承：
查參考文獻[3]，可知7212AC軸承的質量為0.8㎏；214AC軸承的質量為1.1㎏。
則軸承總質量為：
0.8×2＋1.1×2＝3.8㎏
e.電機質量：
查參考文獻[3]，電機Y132S-4的質量為68㎏。
f.上電機法蘭質量：
上電機法蘭形狀不規(guī)則，根據繪制的零件圖，用相關計算軟件計算上電機法蘭
的質量，計算結果為：26.52㎏。
g.砂輪質量：
查詢參考文獻資料[11]，砂輪質量為50㎏。
h.上磨頭總質量：
鋼的密度＝7.8㎏/cm
M＝50＋3.8＋68＋26.52＋（7423548.75＋2646309.925）/1000×7.8/1000
＝226.86㎏ (3-9)
B.磨頭進給功率計算：
F＝M?g (3-10)
由公式3-10得：
F＝226.86×9.8＝2223.228N
磨頭進給速度不能太高，太高會引起磨削力的突變，容易引起砂輪的崩
碎。鑒于以上原因砂輪進給速度為：
v=20㎜/min
則P＝F?v (3-11)
由公式3-11得：
P＝2223.228×0.02/60＝0.74
C.傳動齒輪、齒條的設計
選擇齒輪材料、熱處理方法、精度等級、齒數：
考慮到齒輪傳遞的功率不大，故齒輪、齒條都選用45鋼調質處理，齒面硬度分別為220HBS、260HBS,7級精度。
齒輪、齒條的模數擬確定為：m=3；
圓柱齒輪齒數為：z=19
分度圓直徑：d=m?z (3-12)
由公式3-12得：
d＝3×19＝57mm
因為齒輪－齒條傳遞的功率不大，齒寬系數：=0.4
b= ?d (3-13)
由公式3-13得：
b ＝0.4×57＝22.8mm
對齒寬進行圓整b=25mm
b= b+(5～10)mm (3-14)
由公式3-14 得：
b＝25+5
＝30mm
齒高h=2.25m (3-15)
由公式3-15得：
H＝2.25×3＝7.25㎜
D.校核齒根彎曲疲勞強度：
(3-16)
確定公式中各參數值：
a.計算載荷系數K：
K＝KAKvK (3-17)
查參考文獻[10]P112表6.2得使用系數KA=1；根據v＝20㎜/min、7級精度，查參考文獻[10]P114圖6.10得動載系數Kv=1，查參考文獻[10]P115圖6.13得K=1.15
則由公式3-17得：
K＝1×1×1.15 ＝1.15
由公式3-2得：
n＝＝0.112r/min
T＝9.55×106× (3-18)
由公式3-18得：
T ＝9.55×106×＝6.3098×10N?mm
b. 查參考文獻[10]P111圖6.9，齒輪、齒條的彎曲疲勞強度極限＝220MPa,=240MPa；
c.彎曲疲勞壽命系數：
查參考文獻[10]P109圖6.7取K=0.90,K=0.88；
d.許用彎曲應力：
取定彎曲疲勞安全系數S=1.4,應力修正系數Y=2.0
[]＝K Y/ S (3-19)
由公式3-19得：
[]＝K Y/ S＝240×0.88×2/1.4＝282.86MPa
[]＝K Y/ S＝220×0.9×2/1.4＝301.71MPa
e.齒型系數Y、Y和應力修正系數Y、Y：
查參考文獻[10]P120，表6.4得：
Y＝2.85，Y＝2.06
Y＝1.54，Y＝1.97
f.計算大小齒輪的Y Y/[]于Y Y/[]，并加以比較取其中大值
代入公式計算：=＝0.0156
＝＝0.0100
圓柱齒輪的數值大，應按圓柱齒輪校核齒根彎曲疲勞強度
g.校核計算：
將相關參數代入3-16得：
＝×2.85×1.54＝163.37MPa<
所以設計的齒輪、齒條滿足使用要求。
E．傳動軸的設計
a. 軸的材料選擇：
軸的材料選擇45鋼
b.最小直徑估算：
查參考文獻[10]P292表11.3，C=110。
由公式3-3得：
d＝110＝20.64mm
因為軸上開有鍵槽，
所以d= d×(1+7%) (3-20)
由公式3-20得：
d＝20.64×（1＋7％）＝22.08㎜
對軸進行圓整：
D＝30㎜
d＝d＝30mm
由于軸的直徑和齒輪的分度圓直徑相差不大，所以考慮做成齒輪軸。如圖所示：
圖3-3 齒輪軸結構示意圖
軸1段裝滾子鏈聯軸器，鏈與鏈輪間的嚙合間隙可補償兩軸間的相對位移。
軸2、軸6段裝軸承，該軸主要承受徑向力，所以采用深溝球軸承。
軸4段為齒輪。
F.齒條長度以及齒輪軸的安裝高度的確定：
齒輪軸、齒條安裝示意圖如圖3－4所示高度L5取決于彈簧的最長長度,L5 取決于彈簧的最小長度。L4為齒條的長度。假設初始狀態(tài)下，上下磨頭之間的距離為100mm，彈簧的最小長度是15mm，則L2＝100-15=85mm，彈簧的最長長度為150mm，則L5=150-100=50mm，齒條向下移動時，為有足夠的下移空間L1=90mm，考慮到齒條的安裝尺寸，以及防止齒條因過量進給與支撐板產生碰撞，齒輪軸的安裝高度為175mm。齒條的安裝尺寸擬確定為25mm,為防止在齒條最高、最低點時與齒輪嚙合不充分，把齒條適當增長，擬確定為10mm，砂輪的補償高度為5mm。
則齒條的總長度：
L4＝L5＋L2＋25×2＋10×2＋5
＝50＋85＋50＋20＋5
＝210mm
G．電機與減速器的選擇
有上面的計算可知，輸出功率為0.74W，則輸入功率：
P入＝(為總傳動效率) (3-21)
軸承的傳動效率為0.98，減速器擬采用擺線針輪減速器，擺線針輪減速器傳動效率高：由于該機嚙合部位采用了滾動嚙合，一般效率為可達0.98。
＝0.98×0.98×0.98＝0.941
由公式3-21得：
P入＝＝0.786W
由公式3-2得：
齒輪轉速 ＝＝0.112r/min
齒輪的轉速很低，結合擺線針輪減速器的選擇，傳動比不能太大，傳送比大，擺線針輪的尺寸、價格都會相應增加。所以電機選擇YC系列。查閱參考文獻[3]，電機型號選擇YC90S-4，額定功率0.55Kw，滿載轉速為1400r/min。
傳動比：i=＝1250
根據傳動比，以及輸入功率選擇減速器。查閱參考文獻[3],減速器型號選擇：ZD0.55-2B-1250。
3.5.3齒輪軸的校核
軸在初步完成結構設計后，進行校核計算。計算準則是滿足軸的強度或剛度要求。
a. 求出主軸上的轉矩 T
在工作時，主軸上所承受的功率P=0.74w（不計齒輪的嚙合損耗和軸承損
耗的功率）。則由公式3-18得：
N·mm
b．求作用在齒輪上的力
N (3-22)
N (3-23)
c. 軸的受力分析
計算支承反力：
軸承相對齒輪成對稱安裝。
在水平面內：
＝N
在垂直平面內：
＝N
d.畫彎矩圖（圖3-4）
在水平面內：
MaH=Ftl1=1107×164=181548 N·mm (3-24)
在垂直平面內 ：
MaV=Frl1=402.9×164=66075.6 N·mm
合成彎矩：
N·mm (3-25)
圖3-4 軸的彎矩、扭矩圖
e.危險截面的判斷
合成彎矩以齒輪為中心成對稱分布，所以只要一邊滿足強度要求即可。
f.軸的彎扭合成強度校核
由參考文獻[10]表11.2查得[σ]=[ σ-1]=60Mpa,
＝0.1×40＝6400mm3 (3-26)
=30.19Mpa<[σ] (3-27)
g. 軸的疲勞強度安全系數校核
根據參考文獻[13]表11.2,查得，，，，
=0.2×40=12800 mm3 (3-28)
由參考文獻[10]附表1.8查得，；由附表1.4查得絕對尺寸系數，；軸經磨削加工，由附表11.4得表面質量系數。則
彎曲應力：
(3-29)
應力幅：
平均應力：
切應力： (3-30)
安全系數： (3-31)
(3-32)
查參考文獻[13]表11.8得許用安全系數,,則主軸的強度滿足要求。
4論 結
立式磨簧機主要針對彈簧磨削而設計的，機床的創(chuàng)新點在于磨簧機能加工不同高度的彈簧，實現磨頭的自動進給、復位，自動卸料。該立式磨簧機采用雙端面磨削，避免彈簧因多次裝夾引起的加工誤差。料盤采用回轉式圓盤，可以同時加工多個彈簧。
立式磨簧機能滿足加工要求，運轉平穩(wěn)，工作可靠，結構簡單，工件裝卸方便，便于維修、調整。
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[11]全國磨料磨具標準化技術委員會編. 中國機械工業(yè)標準匯編.北京：中國標準出版社，1999
1立式磨簧機 MHJ-00 A0
2磨頭裝置 MHJ-01-00 A0
3齒條 MHJ-01-01 A3
4齒輪軸 MHJ-01-02 A3
5軸承端蓋(一) MHJ-01-03 A4
6軸承端蓋(二) MHJ-01-04 A4
7軸承座 MHJ-01-05 A3
8下電機法蘭 MHJ-01-06 A2
9下磨頭升降桿 MHJ-01-07 A4
10下磨頭導向套 MHJ-01-08 A3
11下磨頭升降套筒 MHJ-01-09 A3
12下磨頭主軸 MHJ-01-10 A3
13迷宮盤 MHJ-01-11 A3
14密封盤 MHJ-01-12 A3
13砂輪壓蓋 MHJ-01-13 A4
16砂輪座 MHJ-01-14 A3
17砂輪 MHJ-01-15 A3
18彈簧壓板 MHJ-01-16 A3
19導向桿 MHJ-01-17 A4
20上磨頭主軸 MHJ-01-18 A3
21上磨頭導向套 MHJ-01-19 A3
22上磨頭升降套筒 MHJ-01-20 A2
23滑套 MHJ-01-21 A4
24上電機法蘭 MHJ-01-22 A2
25定位環(huán) MHJ-01-23 A4
23