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摘 要
作為機(jī)動(dòng)車（汽車）、內(nèi)燃機(jī)、工程機(jī)械、國家防護(hù)等眾多重要領(lǐng)域行業(yè)所需的關(guān)鍵零部件——凸輪軸，它在加工精度、效率等方面的尺寸數(shù)據(jù)對其發(fā)動(dòng)機(jī)或其相關(guān)產(chǎn)品的性能、質(zhì)量及節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)產(chǎn)生一些直接的影響。從目前來看，投入生產(chǎn)運(yùn)用的凸輪軸磨床有兩種：一種采用的是靠模磨削手段的凸輪軸磨床；另一種是無靠模的凸輪軸磨床。
本份畢業(yè)設(shè)計(jì)的主旨是將普通外圓磨床改造為靠模凸輪軸磨床。普通的外圓磨床與凸輪軸磨床在磨削工藝方面有著毋庸置疑的相似之處：它們的基圓和外圓磨削運(yùn)動(dòng)基本相同。但是凸輪輪廓的磨削運(yùn)動(dòng)與外圓磨削有著非常大的區(qū)別。此份設(shè)計(jì)除了是在萬能外圓磨床上進(jìn)行的改造，節(jié)約了資源，使機(jī)床操作更加便捷以外，在靠模機(jī)構(gòu)中增添了液壓仿形磨削的原理，更加簡單的實(shí)現(xiàn)了砂輪和仿形觸頭能夠可靠地與工件和靠模表面保持接觸。這既提高了機(jī)床的利用率，又巧妙地提高了整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度。
關(guān)鍵詞：磨床；靠模；凸輪軸；機(jī)床本體
VIII
Abstract
As a key component of many important sectors of motor vehicles (cars), internal combustion engines, construction machinery, etc. required for national protection – camshaft. It is the size of the data processing accuracy, efficiency and other aspects of the performance of the engine or its related products, the quality and energy efficiency standards will have some direct impact. From the current point of view, the use of production camshaft grinder, there are two: one uses a cam camshaft grinding tool grinder; the other is a non-cam camshaft grinder.
Subject duty graduation project is the transformation of an ordinary cylindrical grinder cam camshaft grinder. Ordinary cylindrical grinder and camshaft grinding machine has no doubt similarities in terms of grinding technology: their base and OD grinding motion basically the same. But the movement of the cam profile grinding and cylindrical grinding has a very big difference. This part is designed in addition to the transformation of the universal cylindrical grinder, saving resources, so that the machine operation more convenient than in the cam mechanism adds a principle of hydraulic profile grinding, the grinding wheel to achieve a simpler and copying contact with the workpiece and can be reliably held in contact against the mold surface. This not only improves the utilization rate of the machine, but also subtly improve the transmission accuracy of the entire system.
Keywords: grinder; cam; camshaft; machine body
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1緒論 1
1.1選題的背景 1
1.2分析目前磨床的發(fā)展?fàn)顩r 2
1.2.1外圓磨床 2
1.2.2端面磨床 3
1.2.3內(nèi)圓磨床 4
1.2.4凸輪軸磨床 4
1.3簡述凸輪軸磨床的地位及其未來發(fā)展趨勢 6
1.4課題主要研究對象及內(nèi)容 7
2靠模凸輪軸磨床總體的方案設(shè)計(jì) 8
2.1總體設(shè)計(jì) 8
2.2初步設(shè)想機(jī)床組成及其用途與規(guī)格 8
2.3注意事項(xiàng) 9
3靠模凸輪軸磨床床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1床身縱向尺寸的設(shè)計(jì) 10
3.2床身橫向尺寸的設(shè)計(jì) 10
3.3液壓仿形磨削機(jī)構(gòu) 12
4靠模凸輪軸磨床砂輪架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
4.1設(shè)計(jì)條件和要求 15
4.2砂輪架主軸的設(shè)計(jì) 15
4.2.1砂輪架主軸的強(qiáng)度校核 15
4.2.2選擇合適的砂輪架主軸的電機(jī) 16
4.2.3砂輪架主軸的剛度校核 16
4.2.4如何提高砂輪架主軸的旋轉(zhuǎn)精度 17
4.2.5合適的主軸軸承的選擇：動(dòng)靜壓軸承 18
4.3砂輪架相關(guān)尺寸的設(shè)計(jì)確定 19
4.3.1砂輪架導(dǎo)軌的選取 19
4.3.2如何確定砂輪架的高度及長度 19
4.4如何選擇砂輪修整器 20
4.5傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 21
參考文獻(xiàn) 25
致 謝 26
III
Abstract
26
緒論
1緒論
1.1選題的背景
在如今的機(jī)械工業(yè)和機(jī)械制造業(yè)迅速往高科技方向發(fā)展的大背景之下，隨之濟(jì)入人們焦點(diǎn)之中，最引人關(guān)注的除了節(jié)能和環(huán)保這個(gè)聊不完的話題，更多的還有是對作為機(jī)動(dòng)車（汽車）、內(nèi)燃機(jī)、工程機(jī)械、國家防護(hù)等眾多重要行業(yè)、領(lǐng)域所需的關(guān)鍵零部件——凸輪軸也有了越來越高的要求。其加工精度、效率等方面的尺寸數(shù)據(jù)對其發(fā)動(dòng)機(jī)或其相關(guān)產(chǎn)品的性能、質(zhì)量及節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)都產(chǎn)生了一些直接性的影響。在技術(shù)和生產(chǎn)要求以及價(jià)格等多方面條件的綜合作用之下，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的靠模凸輪軸磨床是一件非常有必要的重要的事。
于國內(nèi)而言，大多數(shù)的廠家依然還是采用傳統(tǒng)方法：依靠著機(jī)械靠模仿形法來磨削凸輪軸零件，用這種方法來生產(chǎn)磨削零件的弊端在哪里？就在于它的周期比較長，因?yàn)橛幸粋€(gè)很直觀的問題——對于不同的零件，我們必須得重新制作不同的靠模來完成生產(chǎn)任務(wù)。這是由于凸輪軸自身的外形輪廓，它是變化的，是不相同的，所以凸輪的靠模就不能在同種型號的凸輪軸磨床上做到相互替換,因此就出現(xiàn)了一個(gè)很明顯的問題，即：一臺(tái)凸輪軸磨床上使用的凸輪靠模就不能在其它同型號的凸輪軸磨床上使用。換言之，如果凸輪靠模能夠?qū)崿F(xiàn)在同種型號的凸輪軸磨床上的互換[1],那么不僅僅是為制造商提供了凸輪靠模的條件,而且更值得我們關(guān)注的是對使用者來說，它帶來了很大的方便。這就需要磨床在磨削時(shí)，砂輪可以適應(yīng)不同的輪廓變化，以達(dá)到其凸輪軸加工的不同要求[2]。
而于國際上而言，比較先進(jìn)的方法應(yīng)該就是采用無靠模的數(shù)控技術(shù)，相比較起來，它可以非常方便地磨削各種復(fù)雜形狀的凸輪，不必費(fèi)時(shí)又費(fèi)力地來思考制造靠模這個(gè)問題，所以在提高了零件的加工精度的同時(shí)，更值得一提的是它大大縮短的新產(chǎn)品開發(fā)的周期。
然而目前對于我們國家來講，在這個(gè)領(lǐng)域里國內(nèi)還沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，而且由于數(shù)控凸輪軸磨床在技術(shù)含量方面又是比較高，另一方面就是這類機(jī)床的價(jià)格非常昂貴，所以在國內(nèi)實(shí)施生產(chǎn)的話，暫時(shí)來看是有一些難度的。但是為了滿足國內(nèi)生產(chǎn)在產(chǎn)量的不斷遞增方面的需求，就很有必要研制出類似或者與國外相比更具優(yōu)勢的這種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的凸輪軸磨床。不過隨之產(chǎn)生的還有一個(gè)問題，眾所周知零件形狀取決于靠模形狀，而靠模又很容易磨損，要想保證它的精度，我們不得不再次動(dòng)點(diǎn)腦筋來解決這樣一個(gè)問題——靠模模板制造精度對凸輪軸精度的直接影響。
由此可見，研究出一種精度高、效率高，同時(shí)又可以滿足大規(guī)模大批量生產(chǎn)制造加工的專業(yè)的靠模凸輪軸磨床是一件相當(dāng)必要且重要的事情。
1.2分析目前磨床的發(fā)展?fàn)顩r
如今的世界掀起的是一股高質(zhì)量要求的風(fēng)潮，相應(yīng)的，對機(jī)械產(chǎn)品的要求也是越來越高，特別是在新型材料應(yīng)用日益增多的今天，不僅是對它們的使用壽命，它們自身的精度、使用過程中的穩(wěn)定性和可靠性都在不斷提高。在各類金屬切削機(jī)床中，磨床可能要數(shù)其中應(yīng)用種類最為多的一種了，它廣泛的用于零件的精加工,特別是如以淬硬鋼、高硬度特殊材料及非金屬材料等的精加工[3]。而它的類型也有很多，主要有：工具磨床、外圓磨床、平面磨床、內(nèi)圓磨床、刀具刃磨磨床、各種專門化磨床、研磨機(jī)及其他磨床[3]。
1.2.1外圓磨床
外圓磨床依舊屬于一個(gè)較大的分類，它還包含著好幾種具體類型，比如：無心外圓磨床、普通外圓磨床、萬能外圓磨床等等。
每種磨床的不同點(diǎn)是表現(xiàn)在各個(gè)方面的，外圓磨床主要的加工面就屬于其表現(xiàn)的一個(gè)方面，常見些的它有：圓錐面、圓柱面、臺(tái)階部分的加工端面以及一些特殊形狀的外表面等等。不過，外圓磨床較低的自動(dòng)化生產(chǎn)程度使它并不能適用于大批量的生產(chǎn)加工，但對于中小批量或者單件生產(chǎn)、修配某些特殊工件還是很適用的[2]。
一臺(tái)磨床的介紹很難通過寥寥數(shù)語來表現(xiàn)清楚，只能針對性的進(jìn)行一下點(diǎn)對點(diǎn)的介紹。如其磨削方式，按照不同的進(jìn)給方向，就有兩種外圓磨削的方式，分別為縱磨法和橫磨法。
① 縱磨法：當(dāng)磨削正在進(jìn)行時(shí)，此時(shí)（如圖1.1）：
主運(yùn)動(dòng)——砂輪的旋轉(zhuǎn)；
進(jìn)給運(yùn)動(dòng)——1）工件旋轉(zhuǎn)時(shí)的圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；
2）工件隨工作臺(tái)沿其軸線往復(fù)移動(dòng)的縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
圖1.1縱磨法磨外圓
② 橫磨法：或者叫作切入磨法（如圖1.2）。
橫磨法磨削外圓時(shí)，有個(gè)與縱磨法不同的地方，它沒有縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。原因在于它的砂輪寬度比工件的磨削寬度要大，所以工件并不需要這個(gè)縱向進(jìn)給。
但它有橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，是砂輪以緩慢的速度連續(xù)或者斷續(xù)地沿工件徑向運(yùn)動(dòng)，直到磨至所需尺寸[4]。
圖1.2橫磨法磨外圓
實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)外圓磨削的渠道也不止一種，它是多種多樣的，可以通過沖壓磨削切削法、傳遞進(jìn)給切削法、整塊深度磨削法等各個(gè)方法來得以實(shí)現(xiàn)。但它們并不是簡單的可替代關(guān)系，它們的使用都是需要各自一定的前提條件的。沖壓磨削切削法只有當(dāng)圓柱的外表面寬度比磨削輪的磨損寬度窄時(shí)，方可使用。它是通過砂輪的縱向、橫向進(jìn)給來完成的。而在傳遞進(jìn)給切削法中，所有的運(yùn)動(dòng)（砂輪的磨削、工件的旋轉(zhuǎn)、徑向進(jìn)給）都需要滿足工件的整個(gè)的長度，其中磨削砂輪到工件的縱向進(jìn)給可以利用切削深度來調(diào)整。還有很具有代表性的整塊深度磨削法，可以磨削加工短而粗的軸類零件，但要記得間隙調(diào)整[4]。
1.2.2端面磨床
端面磨削機(jī)床雖以端面磨削命名，但其并非磨床的又一分類，而是外圓磨床的一種改造機(jī)床。既然是得以改造的機(jī)床，那它就有它進(jìn)步的地方——比起前面所介紹的外圓磨床，它的生產(chǎn)率提高了，所以克服了外圓磨床不可用于的大批量生產(chǎn)的弊端。它繼承的是它們都適用于磨削加工軸類零件，但不同的是此處的端面磨床很適用于磨削加工帶軸肩的軸類零件。而因其加工精度不高，所以多用于粗磨。
正因?yàn)樗峭鈭A磨床進(jìn)一步改造過的機(jī)床，所以它的一些好的特點(diǎn)更加引人注目：
1）為什么說它適用于大批量生產(chǎn)？因?yàn)樗M(jìn)行的加工過程（快速進(jìn)給——粗磨——精磨）是具有自動(dòng)磨削的循環(huán)加工的過程，而且在磨床工作時(shí)，主軸受到了壓力，卻因其剛性較好，便允許采用較大的磨削用量。工件的大小是由自動(dòng)測量或者是由定程裝置來進(jìn)行控制的[5]。
2）它的改進(jìn)具體是哪里得到了改進(jìn)？在原有的外圓磨床上裝了砂輪修整器和軸向?qū)Φ堆b置。之所以多加這兩樣裝置，是因?yàn)樗鼈兏髯运芷鸬降淖饔谜俏覀兯枰?。砂輪修整器起到的作用是可以按照模板修整出磨削工件外圓和端面的成型砂輪；軸向?qū)Φ堆b置則是保證端面尺寸穩(wěn)定和操作時(shí)的安全[5]。
3）改進(jìn)后的另一值得關(guān)注之處：砂輪架、頭架、尾架的中心連線所傾斜一定的角度（這些角度并非隨意定的，在通常情況下所指是：10°，15°，23°，30°，45°）[2]，這些角度的設(shè)置為了避免它們之間在工作時(shí)相碰而造成一些不必要的麻煩或是損失，即砂輪架與工件或者與尾架相碰。如圖1.3所示，注意它們的安裝位置應(yīng)該是砂輪架的右邊安裝砂輪，然后從斜向切入加工工件的外圓和端面，并且是一次切入。
圖1.3砂輪架、頭架、尾架的中心連線的傾斜角度
1.2.3內(nèi)圓磨床
內(nèi)圓磨床和外圓磨床一樣，都屬于一個(gè)較大的分類，依然涵蓋著很多小種類，包括行星內(nèi)圓磨床、普通內(nèi)圓磨床、無心內(nèi)圓磨床等等。
其中常見的普通內(nèi)圓磨床，它的磨削方法有：縱磨法和切入法。在其磨削進(jìn)行時(shí)，主運(yùn)動(dòng)是砂輪的高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)發(fā)生在兩個(gè)方向上：其一是沿其軸線往復(fù)移動(dòng)的砂輪或是工件做縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，另一方向上則是砂輪的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
1.2.4凸輪軸磨床
類似上文介紹的外圓磨床和內(nèi)圓磨床，凸輪軸磨床的種類也是各式各樣，它包括靠模凸輪軸磨床、無靠模凸輪軸磨床、數(shù)控凸輪軸磨床等等?？偟膩碇v，凸輪軸磨床是專門用于專業(yè)化大批量生產(chǎn)的。
傳統(tǒng)的凸輪軸磨削加工一般都是采用普通砂輪，加上運(yùn)用靠模的方法來實(shí)現(xiàn)這種磨削加工。但是這個(gè)方法又確實(shí)難以滿足解決凸輪軸幾個(gè)加工方面的要求——高精度、高效率、高柔性和工序集中 [6]。凸輪輪廓的加工精度主要是受到來自于仿形靠模的準(zhǔn)確性和機(jī)床的精度。
此次設(shè)計(jì)是針對靠模凸輪軸磨床的。在靠模的設(shè)計(jì)上，目前來說采用的是靠模仿形加工的方法，這個(gè)方法既經(jīng)濟(jì)可靠又可謂行之有效。它在保證加工精度的同時(shí)，又把勞動(dòng)強(qiáng)度減小了下來，并且提高了它的生產(chǎn)效率。
從機(jī)構(gòu)的仿形靠模來分析，仿形靠模機(jī)構(gòu)是屬于一種凸輪機(jī)構(gòu)的，如下圖所示（圖1.4），是一種磨削平面外凸輪的靠模凸輪機(jī)構(gòu)。
圖1.4平面凸輪輪廓仿形磨削
將靠模和凸輪輪坯同軸安裝，并令其實(shí)現(xiàn)同步回轉(zhuǎn)。在這里靠模和滾子所起到的作用，使得擺動(dòng)的工件架可以按照所設(shè)計(jì)的既定規(guī)律來擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了砂輪回轉(zhuǎn)中心對凸輪輪坯的相對運(yùn)動(dòng)軌跡的控制作用。當(dāng)然，這里所用到的靠模凸輪的輪廓曲線必須是根據(jù)被加工的凸輪輪廓參數(shù)所設(shè)計(jì)而來的。
具體在磨床上的分析，如下圖（圖1.5）所示的仿形靠模磨削工件。
圖1.5仿形靠模磨削工件示意圖
圖中所示的標(biāo)號1、2、3、4，分別是指工件、靠模、砂輪和滾子。安裝在同一根軸上的工件1和靠模2，是能與繞他們的中心軸O3擺動(dòng)的擺架連成一體的。而砂輪3和滾子4則分別安裝在O2和O1軸上，而此處的O1O2之間的距離是固定的，同樣，工件軸O和擺架中心軸O3之間的距離也是固定的。
在整個(gè)磨削過程中，靠模的形狀控制著控制著工件繞O3擺動(dòng)，可得出O點(diǎn)的軌跡——是以O(shè)3為中心，并以O(shè)3O為半徑所的出的圓弧。
時(shí)間一長，在此過程中的砂輪會(huì)有所磨損，即其直徑變小，從而直接影響到所加工的工件的形狀、精度、尺寸。所以要注意其磨損量以保證加工工件或是后續(xù)加工。
1.3簡述凸輪軸磨床的地位及其未來發(fā)展趨勢
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，大家對所用的機(jī)械零件各方面的要求都在不斷的提高。比如常接觸得到的它們的表面精度、表面光潔度等方面，使用者對它們的要求都在一步步提高。而且如今所能運(yùn)用的材料也是日益增多，各種高硬度材料的應(yīng)用日新月異。再如今天的精密鑄造技術(shù)和精密鍛造工藝使毛坯直接被高速磨削、強(qiáng)力磨削成成品，一下子將機(jī)床的磨削加工效率提高了不少，從而不斷擴(kuò)大了磨床的使用范圍，也提高了磨床在金屬切削機(jī)床中的使用比例。
正如作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)或其它工程機(jī)械的關(guān)鍵零部件之一的凸輪軸，要想獲得更好的發(fā)動(dòng)機(jī)等工程機(jī)械，就需要不但提高凸輪軸的精度及其性能，也就是說，我們需要的是相應(yīng)的高精密凸輪軸磨床。凸輪軸磨床的工藝應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的，不僅僅能對零件進(jìn)行粗加工、精加工以及超精加工，而且它還可以加工、切斷那些高硬或者超硬材料以及對刀具的刃磨。它主要所能加工的表面也不是局限的，有各類軸類零件的表面，如：圓柱的內(nèi)外表面、圓錐面或者螺旋面，還有各種成型外圓的表面。
從如98年的那場世界機(jī)床展覽會(huì)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)資料可以看出，在當(dāng)時(shí)所有參加調(diào)查的企業(yè)當(dāng)中，有近30%的企業(yè)在他們生產(chǎn)運(yùn)用中最為主要的切削加工的技術(shù)那欄中選擇的是磨削加工，并且在此之中鉆削加工、車削加工及其它加工各占的比例分別是22%、23%及8%。還有譬如各企業(yè)在機(jī)床的使用當(dāng)中，磨床在其中的所占比例更是高達(dá)45%，與之相比較起來，車床、銑床、鉆床則各只占了33%、26%、21%。由此可見，在精密的磨削加工過程中，許多的零部件都是通過它來達(dá)到其自身的精度要求的。而如此精密的磨削加工技術(shù)應(yīng)該如何獲得呢？那當(dāng)然必須在與之精密程度相應(yīng)的高精密模床上得以實(shí)現(xiàn)。所以高精密磨床在精密加工當(dāng)中所占地位是相當(dāng)重要的。[7]
而要將其得以實(shí)現(xiàn)，也不是一蹴而就的，首先要把基本條件滿足。
①首當(dāng)其沖的就是需要有高的幾何表面精度：既然稱之為精密磨床，那對于幾何表面精度的要求更是呼之欲出。在磨削加工精度主要涉及的幾個(gè)方面里包括了要保證工件的幾何形狀精度及砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度，還有導(dǎo)軌的直線度。
②一般對于砂輪修整器的修整導(dǎo)程所定的要求在8-14mm/min，所以為了滿足無沖擊和能夠平穩(wěn)工作的要求，此時(shí)工作臺(tái)要保持的是低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
③精密磨床的加工一定要考慮到減少機(jī)床和它的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的震顫，否則一定會(huì)嚴(yán)重影響加工工件的質(zhì)量。
④所有種類的機(jī)床或者是工藝系統(tǒng)都會(huì)因?yàn)闊嶙冃芜@個(gè)問題，而引起加工的誤差，嚴(yán)重的情況下，因此而有的加工誤差可能會(huì)達(dá)到總誤差的50%左右。
結(jié)合上一小結(jié)尾提到的傳統(tǒng)凸輪軸磨床的磨削加工工藝的弊端，由于它是先將導(dǎo)輪設(shè)計(jì)制造出來，再用仿形法制造出靠模模板，最后就是用制造出來的靠模模板通過靠模仿形的方式將零件加工出來。這個(gè)方法中一系列的過程不僅所耗時(shí)間長，而且在產(chǎn)品改型這個(gè)問題上很難解決。因此，靠模凸輪軸磨床的研究對縮短制造產(chǎn)品零件的時(shí)間、提高凸輪軸的精度及生產(chǎn)效率等重要方面具有著非常必要的意義。
1.4課題主要研究對象及內(nèi)容
在以往的學(xué)習(xí)中，接觸過汽車技術(shù)服務(wù)與營銷這個(gè)專業(yè)，在接觸學(xué)習(xí)的工程中能夠很明顯地感受到如今的這個(gè)汽車市場，不管在什么樣政策之下，它的需求量一直高居不下，這將或者這已經(jīng)帶動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的需求日益增加。所以，本次課題的研究對象是研制出一臺(tái)高效率，高精度并能實(shí)現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn)的靠模凸輪軸磨床。如今汽車需求量的不斷增大，再加上國外汽車行業(yè)先進(jìn)技術(shù)的沖擊，我們更應(yīng)該加緊研究制造出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的制造產(chǎn)業(yè)來保證我們國產(chǎn)汽車行業(yè)的地位。
本課題是靠模凸輪軸磨床本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文中主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容是改造普通外圓磨床為凸輪軸磨床。主要包括凸輪軸磨床的床身的整體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)的方案選定、工作臺(tái)及砂輪架的布局、強(qiáng)度校核及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
靠模凸輪軸磨床總體的方案設(shè)計(jì)
2靠模凸輪軸磨床總體的方案設(shè)計(jì)
2.1總體設(shè)計(jì)
首先以整體的角度來思考靠模凸輪軸磨床上的床身和砂輪架的設(shè)計(jì)，然后詳細(xì)的來論證此課題方案，從而初步完成對靠模凸輪軸磨床床身、砂輪架結(jié)構(gòu)等部分的設(shè)計(jì)工作以及砂輪修整器的選擇。
通過加工凸輪軸的精度及其外形輪廓要求來將靠模凸輪軸磨床的設(shè)計(jì)確定。綜合國內(nèi)外先進(jìn)的靠模凸輪軸磨床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)原理，構(gòu)思設(shè)計(jì)出一臺(tái)較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，同時(shí)又可靠并能保證其加工精度和滿足其工作要求的靠模凸輪軸磨床。
利用系統(tǒng)性設(shè)計(jì)的方法來完成這次的設(shè)計(jì)，對整個(gè)靠模凸輪軸磨床設(shè)計(jì)中各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)的綜合考慮，以此便于對方案中的不足進(jìn)行改善，并統(tǒng)籌全局，加上對資源的合理利用，這樣設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品更容易被投入到在實(shí)際生產(chǎn)操作里應(yīng)用。
2.2初步設(shè)想機(jī)床組成及其用途與規(guī)格
實(shí)現(xiàn)改造普通外圓磨床為凸輪軸磨床，在機(jī)床的組成部分及外形上初步是這么設(shè)想的，大致與外圓磨床相似，由床身（T型床身結(jié)構(gòu)）、工作臺(tái)（上下工作臺(tái)面傾斜成10°）、砂輪架（主軸中心線與床身導(dǎo)軌傾斜成30°）、砂輪修整器（采用成型砂輪修整器）、頭尾架（頭架、尾架之間中心線平行）、各部分電機(jī)等組成。此外，還有進(jìn)給系統(tǒng)（X、Y、Z、W四軸，即分別為砂輪架橫向進(jìn)給，修整器進(jìn)給，工作臺(tái)縱向移動(dòng)，工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)），各軸之間的動(dòng)力則是由交流伺服電機(jī)所提供的，并將其通過精密無間隙的彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠相連接[8]。
設(shè)計(jì)的加工對象[9]：
①有較大的端面的盤或者軸類零件。
②帶有軸肩的多臺(tái)階軸類零件。
③不規(guī)則的外圓輪廓或者是精度要求比較高的外圓零件。
設(shè)計(jì)中主要存在的運(yùn)動(dòng)[9]：
①工件、砂輪和砂輪修整器的轉(zhuǎn)動(dòng)。
②工作臺(tái)的縱向移動(dòng)。
③砂輪架和砂輪修整器的橫向進(jìn)給。
設(shè)計(jì)中所涉及的主要規(guī)格[9]：
①工件的最大加工長度700mm。
②零件最大加工重量140kg。
③設(shè)計(jì)加工外圓直徑范圍定為φ25mm-φ310mm。
④設(shè)計(jì)加工工件的轉(zhuǎn)速范圍50r/min-280r/min。
⑤機(jī)床中心高1000mm。
⑥砂輪線速度58m/s。
2.3注意事項(xiàng)
1、應(yīng)保證機(jī)床滿足凸輪軸加工時(shí)所需的精度、剛性及穩(wěn)定性要求。
2、傳動(dòng)系統(tǒng)盡量簡短，操作調(diào)整要方便可行。
3、機(jī)床的安全保護(hù)，注意冷卻液的供給，廢渣的回收與處理。
靠模凸輪軸磨床床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3靠模凸輪軸磨床床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1床身縱向尺寸的設(shè)計(jì)
圖3.1靠磨凸輪軸磨床縱向尺寸圖
如圖所示：
L1為工件的最大加工長度，即L1=700mm。
L2，L3分別為頭架、尾架的長度，即L2=300mm,L3=450mm。
L4為工作臺(tái)上臺(tái)面長度，即L4=L1+100+L2+L3+40=1590mm。
L5為工作臺(tái)下臺(tái)面長度，即L5=L4+L4*（15%～20%）=（1828.5～1908）mm,則L5取1900mm。
L6為磨床床身長度，即L6=L5+L1-200=2400mm。
L7為磨床后床身長度，即L7=1650mm(需考慮到砂輪架與砂輪修整器的大小)。
整個(gè)床身的寬度為1400mm，砂輪架中心線與磨床床身中心線相距設(shè)為L0，即L0=L3-L2=150mm。
3.2床身橫向尺寸的設(shè)計(jì)
要確定工作臺(tái)的各個(gè)參數(shù)，首先要找到各個(gè)基準(zhǔn)。磨床床身的工作臺(tái)橫向尺寸的基準(zhǔn)是以磨床床身的V型導(dǎo)軌橫向尺寸來確定的；而其高度尺寸的基準(zhǔn)則是以床身平面導(dǎo)軌的縱向尺寸來確定的[10]。
如下圖所示，可做以下計(jì)算設(shè)計(jì)：
圖3.2靠磨凸輪軸磨床橫向尺寸圖
1） 如何確定上、下工作臺(tái)的寬度B和厚度W。
① 確定工作臺(tái)寬度B：
設(shè)l’為工作臺(tái)導(dǎo)軌的中心距（l’=350mm）
工作臺(tái)導(dǎo)軌選用的是80×75×350
工作臺(tái)寬度B=l’+B4+B5
B6=(1/2)Bl+(12～30)=（1/2）×75+20≈58mm
∵B4≥B6
∴B4=125mm
B7=(1/2)Bl‘+(12～30)=（1/2）×80+20=60mm
∵B5≥B7
∴B5=125mm
工作臺(tái)寬度B=350+125+125=600mm
② 確定上、下工作臺(tái)的厚度W1、W2：
依據(jù)類比法，同上：
設(shè)l’為工作臺(tái)導(dǎo)軌的中心距（l’=350mm）
工作臺(tái)導(dǎo)軌選用的是80×75×350
上工作臺(tái)的厚度W1=（0.25～0.35）l’=0.3×350=105mm
下工作臺(tái)的厚度W2=（0.3～0.4）l’=0.4×350=140mm
2) 如何確定頭架頂尖與尾架頂尖中心的位置。
在磨削加工直徑比較小的零件時(shí)，為了避免砂輪架此時(shí)的進(jìn)給與工作臺(tái)發(fā)生相碰，所以才選擇將卡盤與頂尖的中心安排在V型軌道的中心線上。雖然這可以防止砂輪架與工作臺(tái)的相碰，但也引起了另一個(gè)問題——V型導(dǎo)軌的承載問題，這就不得不采取加寬導(dǎo)軌寬度的措施，從而使導(dǎo)軌承載力較大的問題得以解決。
3）如何確定頭架頂尖和尾架頂尖的中心到床身地面的距離，即高度H1。
H1取值范圍為1000mm～1100mm
機(jī)床操作是指人的操作，所以在設(shè)計(jì)機(jī)床高度時(shí)，應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，考慮工人的身高，則由經(jīng)驗(yàn)和類比法可得：H1=1095mm,由公式：
H2= H1-（W1+W2+H/COSα） （3-1）
H2≈740mm
4）如何確定工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心的位置B9。
B9=（1/2）×l’=(1/2) ×350=175mm
5）如何確定靠模凸輪軸磨床的總高度H。
H= H2+h+H頭架+H測量儀≈1350mm
3.3液壓仿形磨削機(jī)構(gòu)
在靠模凸輪軸磨床本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對如何使得砂輪和靠模的仿形觸頭（如滾輪）始終與被加工工件和靠模表面相接觸的這個(gè)問題，本設(shè)計(jì)中提出的是增加液壓仿形機(jī)構(gòu)來確保整個(gè)磨削過程的可靠性和穩(wěn)定性。
如（下圖3.3）液壓仿形磨削機(jī)構(gòu)的原理圖所示：
圖3.3液壓仿形磨削原理圖
其中序號1-13分別代表的是：
1——頂尖，是指待加工工件的；
2——鏈輪；
3——卡盤，是指靠模的；
4——供油系統(tǒng)；
5——仿形觸頭；
6——托板；
7——液壓缸；
8——活塞桿；
9——砂輪（刀具）；
10——中滑板；
11——閥體；
12——彈簧；
13——閥芯。
首先液壓式仿形機(jī)構(gòu)是利用液壓油作為介質(zhì)來傳遞動(dòng)力和機(jī)構(gòu)各部分信息的。然后從上述原理圖可以分析出：
①安裝位置：7（液壓缸）和液壓系統(tǒng)是固定在6（托板）上的，而托板則是安裝在靠模凸輪軸磨床的大滑板上的。
②具體運(yùn)動(dòng)方式：1（頂尖，因?yàn)閳D中并未表示出機(jī)床工作狀態(tài)，沒有裝夾工件和靠模，所以此處指待加工工件。）和3（卡盤，理由同1，故指靠模）均裝夾在磨床上，工件隨主軸作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，靠模則通過2（鏈輪）和鏈條保持和工件同步的旋轉(zhuǎn)。10（中滑板）和9（砂輪）以及11（滑閥閥體）一起由8（活塞桿）帶動(dòng)著向前或者向后運(yùn)動(dòng)?；钊倪\(yùn)動(dòng)時(shí)靠滑閥來控制的。5（仿形觸頭）和13（滑閥閥芯）相連。
③在工件仿形前，5（仿形觸頭）在12（彈簧）的作用下，其端部始終保持與靠模的表面相接觸。仿形磨削加工時(shí)，9（砂輪）作縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，5（仿形觸頭）沿靠模表面移動(dòng)并產(chǎn)生所需的橫向運(yùn)動(dòng)。一旦5（仿形觸頭）沿靠模表面后退，13（閥芯）后端的間隙δ會(huì)逐漸減小，此時(shí)壓力油流過，油缸后油腔壓P2會(huì)降低。這是因?yàn)橹胺滦斡|頭后退時(shí)，間隙δ的減小所產(chǎn)生的節(jié)流作用。但是前腔的油壓P1是不變的，所以使8（活塞桿）帶動(dòng)9（砂輪）向后移動(dòng)，于是產(chǎn)生了仿形動(dòng)作。此時(shí)，8（活塞桿）又帶動(dòng)了11（閥體）的向后移動(dòng)。而13（閥芯）受到了12（彈簧）的彈性壓力作用，并未向后移動(dòng)，于是13（閥芯）后端的間隙逐漸增大，直到液壓缸前、后腔壓力平衡。即P1A1=P2A2，（其中按圖說示來看，A2是大于A1的）。這一整個(gè)工作過程就實(shí)現(xiàn)了不斷平衡又不斷后退的跟蹤過程。
④若靠模表面是使5（仿形觸頭）前進(jìn)時(shí)，則整個(gè)仿形過程與上述的運(yùn)動(dòng)過程相反。
采用液壓仿形磨削不僅是因?yàn)樗鉀Q了如何使刀具（砂輪），仿形觸頭始終與工件和靠模相緊貼的問題，而且它具有結(jié)構(gòu)簡單，體積較小而輸送功率較大以及它有較強(qiáng)的工作適應(yīng)性等多處優(yōu)點(diǎn)。另外，采用液壓仿形裝置避免了在機(jī)械仿形中存在的傳動(dòng)間隙這個(gè)問題，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度。最后，可以將砂輪和仿形觸頭制造成可換的，這樣可以根據(jù)靠模的不同外輪廓來跟換相應(yīng)的觸頭和砂輪，來保證工件的表面精度。
靠模凸輪軸磨床砂輪架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4靠模凸輪軸磨床砂輪架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1設(shè)計(jì)條件和要求
砂輪架對于各種凸輪軸磨床來講都是關(guān)鍵的功能部件，起著凸輪軸磨削和徑向進(jìn)給的功能，它的動(dòng)力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)形式將直接影響凸輪軸磨削的加工精度和表面質(zhì)量[11]。所以說，我國自主研發(fā)靠模凸輪軸磨床這個(gè)領(lǐng)域，在其研發(fā)設(shè)計(jì)的過程中，是需要我們著眼于研制開發(fā)砂輪架的，需要我們對其關(guān)鍵部件進(jìn)行仔細(xì)研究學(xué)習(xí)，比如有動(dòng)靜態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而來提高凸輪軸磨床砂輪架的整體性能。
著眼整個(gè)磨床的布局結(jié)構(gòu)，可知砂輪架的位置是在磨床的后床身的墊板上面，它是在整個(gè)靠模凸輪軸磨床上直接帶動(dòng)砂輪作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵性部件。它主要有三部分組成，分別是主軸、傳動(dòng)系統(tǒng)和軸承。其中，起到重要作用的是砂輪架主軸以及其主軸軸承這兩個(gè)部分。所以，此處所謂對砂輪架的設(shè)計(jì)所提及的設(shè)計(jì)條件，也就是針對于其主軸和軸承的設(shè)計(jì)條件和要求。
總結(jié)設(shè)計(jì)砂輪架應(yīng)該注意的幾個(gè)設(shè)計(jì)基本條件和要求：
1）砂輪架主軸：保證其旋轉(zhuǎn)精度高，旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好。
2）砂輪架主軸軸承：保證其系統(tǒng)剛性要好。
3）砂輪架：注意制造裝配要盡可能的簡單，維修調(diào)整操作的方便。整體的震動(dòng)盡可能的要小，砂輪架不能漏油，耐磨性要好，要控制發(fā)熱，使發(fā)熱量低。
4.2砂輪架主軸的設(shè)計(jì)
如下圖所示，砂輪架主軸：
圖4.1靠磨凸輪軸磨床砂輪架主軸
4.2.1砂輪架主軸的強(qiáng)度校核
根據(jù)書本知識以及我們的所學(xué)內(nèi)容可知，在對軸進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，是需要根據(jù)實(shí)際情況而言的，要根據(jù)此時(shí)軸具體承受的載荷和應(yīng)力的情況來進(jìn)行分析計(jì)算，并且要適當(dāng)?shù)倪x取許用應(yīng)力，即在校核時(shí)，所選取的許用應(yīng)力應(yīng)該選取的是較小值。
對于砂輪架主軸來講，它主要承受的就是扭矩的作用，因?yàn)樗捎昧诵逗善л喲b置，所以這里的計(jì)算應(yīng)該按照扭矩強(qiáng)度。采用Q235為砂輪架主軸的材料，而且需要進(jìn)行淬火處理，所以最后查表選取的許用應(yīng)力是40MPa。
據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核條件：
（4-1）
其中：
τT是指軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，其單位是MP。
[τT]是指上文所選取的軸的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，其單位是r/mm。
WT是指軸的扭轉(zhuǎn)截面的系數(shù)，其單位是mm3。
T是指軸所受到的扭矩，其單位是N·mm。
P是指軸所傳遞的功率，其單位是KW。
n是指軸的轉(zhuǎn)速，主軸高速旋轉(zhuǎn)，應(yīng)該將其調(diào)至600 r/mm。
d是指軸計(jì)算截面處的直徑，其單位是mm。
由上面公式可知，需要先求解得到主軸所傳遞的功率P，即砂輪架主軸的電機(jī)的功率。
4.2.2選擇合適的砂輪架主軸的電機(jī)
砂輪架主軸電機(jī)的選擇要從其適合電機(jī)的功率著手，一旦選小，就不能保證主軸的正常旋轉(zhuǎn)，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的過載而損壞；當(dāng)然也不能選的過大，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)如果經(jīng)常不能滿載運(yùn)動(dòng)，會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率，就會(huì)出現(xiàn)電能消耗的增加，造成浪費(fèi)。
因此此處采取類比法來選出砂輪架主軸合適的電動(dòng)機(jī)功率為15KW。利用公式：
N電=N切+N空 （4-2）
由上式代入數(shù)據(jù)可得砂輪架的主軸直徑為：d=120mm。再由計(jì)算所得出砂輪架的最小直徑，加上對砂輪架剛度等條件要求限制的考慮，最后由經(jīng)驗(yàn)估算，將主軸的最小直徑取為60mm。
4.2.3砂輪架主軸的剛度校核
1）砂輪架主軸當(dāng)量直徑的確定
計(jì)算當(dāng)量直徑的公式（當(dāng)量直徑法，因?yàn)樵撝鬏S為階梯軸）：
（4-3）
公式中L，l i，d i，n分別代表的是砂輪架主軸長度（mm），階梯軸第i段的長度（mm），階梯軸第i段的直徑（mm），砂輪架主軸上的軸段數(shù)。
砂輪架主軸長度L為1395mm，經(jīng)過計(jì)算，其當(dāng)量直徑dv=120mm。
2） 砂輪架主軸允許撓度[y]的計(jì)算
[y]=0.0002L＜0.0002×1395=0.279mm
3)砂輪架主軸的前端撓度值的確定
公式：
Y主軸=pa2(l+a)/3EI （4-4）
其中：p是指載荷，其單位是kg。
a是指主軸前端懸伸出去的長度，其單位是cm。
l是指軸兩端的跨距，其單位是cm。
E是指材料彈性模數(shù)，其單位是kg/cm2。
I是指截面慣性矩，其單位是cm2。
根據(jù)以上計(jì)算可得Y主軸≈0.0011cm即0.011mm。
∵[y]=0.279
∴0.011＜0.279即Y主軸＜[y]
∴經(jīng)校核，上述計(jì)算的主軸剛度是符合其條件要求的。
4.2.4如何提高砂輪架主軸的旋轉(zhuǎn)精度
首先，砂輪架主軸的旋轉(zhuǎn)精度所形容的是大小，是指主軸的前端徑向圓跳動(dòng)和其軸向跳動(dòng)的大小。它的精度會(huì)直接影響到加工的工件的精度，即加工工件的表面粗糙度和表面缺陷。一般情況下而言，靠模凸輪軸磨床的砂輪架主軸的前端徑向圓跳動(dòng)和其軸向跳動(dòng)的允許誤差值在5～10微米的范圍之間[12]。
那么，如此重要的旋轉(zhuǎn)精度，可以通過哪些措施得以提高呢？
一方面可以在加工主軸的時(shí)候直接提高主軸加工時(shí)的精度；另一方面就是從其他方法著手，比如：選擇正確的主軸軸向止推方式以及合適的主軸軸承，可選擇液體靜壓推力軸承，采用動(dòng)靜壓軸承。
4.2.5合適的主軸軸承的選擇：動(dòng)靜壓軸承
1）動(dòng)靜壓軸承的含義及其相關(guān)工作原理：
①動(dòng)靜壓軸承即動(dòng)靜壓的混合軸承，它在擁有綜合液體靜壓和液體動(dòng)壓的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還克服了兩軸承的缺點(diǎn)——多油楔式油膜軸承。
②它利用靜壓軸承節(jié)流原理來克服主軸和軸承之間出現(xiàn)的互相磨損的現(xiàn)象。因?yàn)樗缤o壓軸承一樣在壓力油腔內(nèi)產(chǎn)生了足夠大的承受載荷的能力，從而克服了液體動(dòng)壓式軸承會(huì)在啟動(dòng)或停止時(shí)出現(xiàn)干摩擦而造成主軸與軸承間磨損的問題，動(dòng)靜壓軸承就是以此原理來提高主軸和軸承的使用壽命及其使用精度[13]。與此同時(shí)，它的油腔大多采用了淺腔結(jié)構(gòu)，而淺腔的階梯效應(yīng)又形成了靜壓和動(dòng)壓兩者在承載力上的相互疊加，最終主軸就獲得了很好的承載能力。它的極具優(yōu)點(diǎn)還體現(xiàn)在它的多腔對置結(jié)構(gòu)上，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)構(gòu)極大地增加了主軸剛度。主軸較高的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和旋轉(zhuǎn)精度還要?dú)w功于高壓油膜良好的抗震性和均化作用。
2） 動(dòng)靜壓軸承的眾多優(yōu)點(diǎn)：
①使得主軸回轉(zhuǎn)精度高。原因：動(dòng)靜壓的混合軸承中靜壓油膜良好的軸向跳動(dòng)和所具有糾正軸力的能力。
②較小的磨損和摩擦阻力。原因：油膜起到了關(guān)鍵性作用，它隔開了相對運(yùn)動(dòng)的表面，使其能夠保證很高的運(yùn)動(dòng)精度及較長的使用壽命。
③很好的安全性能。原因：當(dāng)供油受阻或者被切斷的時(shí)候，利用了軸承中的動(dòng)壓效應(yīng)來承受載荷。
④較高的承載能力。原因：動(dòng)壓效應(yīng)可以承受載荷，所以受動(dòng)壓效應(yīng)影響，轉(zhuǎn)速越高的軸承，其承載能力相對來講也是越大的。更大的優(yōu)勢在于這里的動(dòng)靜壓軸承還可以承受來自不同變化的方向的動(dòng)載或是瞬時(shí)過載。
⑤穩(wěn)定性非常好。此次設(shè)計(jì)中采用的是毛細(xì)管節(jié)流器。目前來看，關(guān)于改進(jìn)精密磨削機(jī)械，使用較多的就是表面節(jié)流液體動(dòng)靜壓混合軸承。在這次的設(shè)計(jì)中砂輪架主軸的軸向定位采用的就是軸向止推靜壓軸承，它是由兩個(gè)相對的環(huán)形油腔組合而成。軸上還有特定設(shè)計(jì)的臺(tái)階，這些臺(tái)階的設(shè)計(jì)所起到的作用是承受壓力的，而軸承的間隙則是通過墊圈厚度的調(diào)整或者是依靠修磨來得以保證。
⑥較好的使用經(jīng)濟(jì)性。由于動(dòng)靜壓軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，主要是依靠著動(dòng)壓來承受載荷的，所以此時(shí)的供油壓力相對來講是較小的。而且將軸承的軸頸設(shè)計(jì)的比較小，使其結(jié)構(gòu)簡單，而它在制造精度和對所選材料等方面的要求也并不高。在被廣泛運(yùn)用的定壓供油的系統(tǒng)中，系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分就是節(jié)流器，節(jié)流器此時(shí)所起的作用是使得流入油腔的流量阻尼得以限制，從而油腔的壓力就可以隨著外部載荷的變化而不斷地變化了。
4.3砂輪架相關(guān)尺寸的設(shè)計(jì)確定
4.3.1砂輪架導(dǎo)軌的選取
導(dǎo)軌的選擇，要從具體的砂輪大小、重量，以及砂輪架的穩(wěn)定性等角度考究，結(jié)合各方面經(jīng)驗(yàn)，書本指導(dǎo)的綜合考慮之下，最后采用的是V——平導(dǎo)軌（規(guī)格為100×90×500），0.15MPa的卸荷導(dǎo)軌。根據(jù)V導(dǎo)軌和平導(dǎo)軌之間中心距500，則可得出砂輪架的寬度為600。
設(shè)砂輪架的導(dǎo)軌橫向行程度為l橫，根據(jù)公式：
l橫=s絲杠+s快速+（0.1～0.2）×s快速 （4-5）
其中，s快速是指砂輪架的快速進(jìn)退的行程，一般的取值范圍為65～150mm，此處所取之?dāng)?shù)為130mm，即s快速=130mm。
根據(jù)公式：
s絲杠=（D砂輪max/2+ D工件max/2）-（D砂輪min/2+ D工件min/2） （4-6）
已知：D砂輪max=700mm
D砂輪min=500mm
D工件max =330mm
D工件min =30mm
即得：s絲杠=250mm
據(jù)資料查閱：此處的安全系數(shù)應(yīng)該去0.1，進(jìn)而可得：
l橫=250+130+0.1×130=393mm
4.3.2如何確定砂輪架的高度及長度
首先，分別將砂輪架的各個(gè)高度表示出來：
圖4.2砂輪架高度長度尺寸示意圖
①砂輪架箱體導(dǎo)軌的高度設(shè)為h1（后工作臺(tái)以及其床身的進(jìn)給導(dǎo)軌內(nèi)部會(huì)安裝有傳動(dòng)絲杠，所以此處h1取180mm）。
②砂輪架底板滑臺(tái)的高度設(shè)為h2（砂輪架底座上會(huì)安裝修整器，而其內(nèi)部會(huì)安裝傳動(dòng)絲杠，所以此處h2取100mm）。
③砂輪架中心距砂輪底面的高度設(shè)為h3。
④后床身的頂面距平導(dǎo)軌的高度設(shè)為h0。
⑤如圖4.2中h5，據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知h5的取值范圍為110mm～150mm，此處取其為140mm。
⑥砂輪架導(dǎo)軌長度設(shè)為L10。
⑦砂輪架底板的長度設(shè)為L9。
并且，有3.2的計(jì)算內(nèi)容和結(jié)果可知：H1=1095mm，H2=740mm。
所以可得：砂輪架中心與后床身頂面之間的高度h4。
h4= H1-H2+h5=1095-740+140=495mm
由上一系列關(guān)聯(lián)計(jì)算推理，可得：
h3= h4- h1- h2=495-180-100=215mm
∵L10≥L9+ l橫+（50～80），L9≥（1.5～2）l中心，其中l(wèi)橫，l中心由上文可知值分別為393，500。
∴L9=（1.5～2）×500=750～1000，此處取其為900mm。
L10=900+393+（50～80）=1343～1373，此處取其為1353mm。
4.4如何選擇砂輪修整器
首先確定傳動(dòng)好傳動(dòng)的路線：伺服電機(jī)→傳動(dòng)絲桿→砂輪修整器。
然后確定出導(dǎo)軌進(jìn)給方式：直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。
還要注意參數(shù)的選擇：1）砂輪修整器修整速度V=(1/3～1/5)V砂；
2）砂輪修整器修整直徑φ70～φ120，所以可得V線的取值范圍為12～19m/s。
3）砂輪修整器的行程為150mm。
最后砂輪的修整方法：
當(dāng)砂輪遇到磨損情況時(shí)，則將工作臺(tái)左移，讓砂輪進(jìn)入尾架的修整區(qū)，準(zhǔn)備進(jìn)行修整。捏手調(diào)整裝在尾架體殼上方的金剛鉆頭，一般的調(diào)整是位于和被磨工件的側(cè)母線同一的位置上。當(dāng)修整進(jìn)行時(shí)，砂輪架處于快速引進(jìn)位置，由手搖橫向進(jìn)給手輪來促使砂輪架的進(jìn)給，此時(shí)進(jìn)給量的大小就是砂輪架的修整量，所有這里就不再需要修整后的補(bǔ)償了[14]。工作臺(tái)的換向距離是依靠換向撞塊來調(diào)整的。
4.5傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)
為本課題所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)裝置選定的方案是采用卸荷皮帶輪來傳遞運(yùn)動(dòng)。所謂采用卸荷皮帶輪傳遞運(yùn)動(dòng)就是指并不是將皮帶輪直接安裝在砂輪架主軸上，而是將其安裝在單獨(dú)的支架上，并且使用花鍵套將其連接，以此來帶動(dòng)主軸的旋轉(zhuǎn)，從而就可以實(shí)現(xiàn)提高主軸旋轉(zhuǎn)精度的目標(biāo)[15]。之所以采取這個(gè)方案，還有一個(gè)更有力的理由，是因?yàn)榇朔桨缚梢栽跍p少主軸變形的同時(shí)，還可以提高主軸的承載能力。
1） 傳動(dòng)帶的設(shè)計(jì)：
設(shè)計(jì)傳動(dòng)帶采用多楔帶，這是因?yàn)槎嘈◣yV型帶和平帶的優(yōu)點(diǎn)于一身，又因其外輪廓尺寸較小，并且比V型帶傳動(dòng)平穩(wěn)。
假設(shè)已知小帶輪的轉(zhuǎn)速n1=1500r/min，傳動(dòng)比i=2.5，P=15kw。
則具體計(jì)算如下：
① 功率Pac的計(jì)算：查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表7.8可得工況系數(shù)KA為1.1，則由公式
Pac=KAP （4-7）
所以Pac =1.1×15=16.5kw
②傳動(dòng)帶帶型的選擇：通過Pac=16.5kw和n1=1500r/min查表，可得傳動(dòng)帶帶型選取為L型。
③帶輪基準(zhǔn)直徑的確定：查《機(jī)械切割機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊》表4-17，取主動(dòng)輪的基準(zhǔn)直徑D1=90mm。
∵i=n1/n2≈D1/D2
∴從動(dòng)輪的基準(zhǔn)直徑D2=n1/n2×D1=225mm
④帶速的驗(yàn)算：V=πD1 n1/60×1000=π×90×1500/60×1000≈7m/s＜28m/s，由此可得帶速是合格的。
⑤軸向間距a0的設(shè)定：已知有公式：0.5（D1 +D2）＜a0＜2（D1 +D2）； 可得：157.5＜a0＜630，則軸向間距a0取為400。
⑥基準(zhǔn)帶長的計(jì)算：據(jù)以下公式：
Ld0=2a0+π/2(D1+D2)+(D2-D1)2/4a0 （4-8）
以及《金屬切屑機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊》中的表4-6，可得：Ld0≈1306.19mm，Ld取1330mm。
⑦實(shí)際軸向間距a：由公式：
a≈a0+(Ld- Ld0)/2 （4-9）
計(jì)算出實(shí)際軸向間距a≈400+（1330-1306.19）/2≈411.905mm，所以取a=410mm。
⑧多楔帶的每楔基本額定功率P1的確定：根據(jù)《機(jī)械切割機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊》中的表4-38，可查得P1=0.52kw。
⑨計(jì)算小帶輪的包角α：
α=180°-(D2-D1) ×57.3/a=180°-(225-90) ×57.3/410≈161.133°
⑩確定多楔帶的楔數(shù)Z：Z≥KAP/（P1+△P）KdKl，
其中又由公式：
ΔP=Kbh1(1-1/Ki) （4-10）
Kb=4.6×10-3，Ki=1.14，代入可得△P=0.768kw。
又Kα=0.899，Kl=1.01，則Z≥14.5，所以最后Z=15。
2） 傳動(dòng)帶帶輪的設(shè)計(jì)：
① 傳動(dòng)帶帶輪的設(shè)計(jì)要求：
首先，載荷的分布要均勻，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可以經(jīng)過動(dòng)平衡來校正；其次，帶輪的結(jié)構(gòu)工藝性好，質(zhì)量小，沒有較大的鑄造應(yīng)力，輪槽角度和尺寸要有一定的精度；最后需要保證槽輪工作面的精度，可以減少帶的磨損。
②帶輪的材料選擇為HT200。
③小帶輪結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算（如圖4.3所示）：
圖4.3小帶輪結(jié)構(gòu)尺寸示意圖
由于小帶輪的直徑要滿足：
D1≤（2.5～3）d (4-11)
從而所采用的結(jié)構(gòu)是實(shí)心式。
根據(jù)公式可得出小帶輪的外徑da：
da=d+2h （4-12）
其中：
d是指軸的直徑，
h是指基準(zhǔn)線的槽深。
則將各數(shù)據(jù)代入公式得出小帶輪的外徑得：
da=80+2×4=88mm；
db=（1.8～2）da=（1.8～2）×88=158.4～176(mm)，經(jīng)過圓整db取165mm。
L=（1.5～2）da=（1.5～2）×88=132～176（mm），L取140mm。
代入B的公式：
B=(Z-1)P+2g （4-13）
其中：Z是指多楔帶楔數(shù)（此處Z為15）
P是指多楔帶槽間距（此處P為4.9）
g是指第一槽對稱面到端面的距離（此處g為10）。
則將各數(shù)據(jù)代入公式得B=88.6mm。
④大帶輪結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算（如下圖4.4所示）：
圖4.4大帶輪結(jié)構(gòu)尺寸示意圖
同上小帶輪的計(jì)算，可推大帶輪各數(shù)據(jù)的計(jì)算如下：
da=d+2h=120+2×4=128mm
db=（1.8～2）×128=230.4～256（mm），db取240mm。
L=（1.5～2）×128=192～256（mm），L取256mm。
⑤ 選取合適的花鍵套：
花鍵套的選擇是根據(jù)軸端直徑來選擇的，本設(shè)計(jì)中的軸端直徑為φ60，所以選取的內(nèi)花鍵套為：8×62H7×78H10×12H11GB1144-87。如下圖4.5所示：
圖4.5內(nèi)花鍵套結(jié)構(gòu)尺寸示意圖
參考文獻(xiàn)
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