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山東大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第1章 緒論 1.1 磨床的類型與用途 1.1.1 磨床的類型及其特點 用磨料磨具（砂輪、砂帶、油石和研磨料等）為工具進(jìn)行切削加工的機(jī)床，統(tǒng)稱為磨床（英文為Grinding machine），它們是因精加工和硬表面的需要而發(fā)展起來的。 磨床種類很多，主要有：外圓磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床、工具磨床和用來磨削特定表面和工件的專門化磨床，如花鍵軸磨床、凸輪軸磨床、曲軸磨床等。 對外圓磨床來說，又可分為普通外圓磨床、萬能外圓磨床、無心外圓磨床、 寬砂輪外圓磨床、端面外圓磨床等 以上均為使用砂輪作切削工具的磨床。此外，還有以柔性砂帶為切削工具的砂帶磨床，以油石和研磨劑為切削工具的精磨磨床等。 磨床與其他機(jī)床相比，具有以下幾個特點： 1、磨床的磨具（砂輪）相對于工件做高速旋轉(zhuǎn)運動（一般砂輪圓周線速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上發(fā)展）； 2、它能加工表面硬度很高的金屬和非金屬材料的工件； 3、它能使工件表面獲得很高的精度和光潔度； 4、易于實現(xiàn)自動化和自動線，進(jìn)行高效率生產(chǎn)； 5、磨床通常是電動機(jī)---油泵---發(fā)動部件，通過機(jī)械，電氣，液壓傳動---傳動部件帶動工件和砂輪相對運動---工件部分組成。 1.1.2 磨床的用途 磨床可以加工各種表面，如內(nèi)、外圓柱面和圓錐面、平面、漸開線齒廓面、螺旋面以及各種成形表面。磨床可進(jìn)行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以進(jìn)行各種高硬、超硬材料的加工，還可以刃磨刀具和進(jìn)行切斷等，工藝范圍十分廣泛。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)械零件的精度和表面質(zhì)量要求越來越高，各種高硬度材料的應(yīng)用日益增多。精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，使得有可能將毛坯直接磨成成品。高速磨削和強(qiáng)力磨削，進(jìn)一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范圍日益擴(kuò)大。它在金屬切削機(jī)床所占的比重不斷上升。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家中，磨床在機(jī)床總數(shù)中的比例已達(dá)30%----40%。 據(jù)1997年歐洲機(jī)床展覽會(EMO)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，25%的企業(yè)認(rèn)為磨削是他們應(yīng)用的最主要的加工技術(shù)，車削只占23%， 鉆削占22%，其它占8%；而磨床在企業(yè)中占機(jī)床的比例高達(dá)42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%[3]。由此可見，在精密加工當(dāng)中，有許多零部件是通過精密磨削來達(dá)到其要求的，而精密磨削加工會要在相應(yīng)的精密磨床上進(jìn)行，因此精密磨床在精密加工中占有舉足輕重的作用。但是要實現(xiàn)精密磨削加工，則所用的磨床就應(yīng)該滿足以下幾個基本要求： 1.高幾何精度。 精密磨床應(yīng)有高的幾何精度，主要有砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度和導(dǎo)軌的直線度以保證工件的幾何形狀精度。主軸軸承可采用液體靜壓軸承、短三塊瓦或長三塊瓦油膜軸承，整體度油楔式動壓軸承及動靜壓組合軸承等。當(dāng)前采用動壓軸承和動靜壓軸承較多。主軸的徑向圓跳動一般應(yīng)小于1um，軸向圓跳動應(yīng)限制在2—3um以內(nèi)。 2.低速進(jìn)給運動的穩(wěn)定性。 由于砂輪的修整導(dǎo)程要求10—15mm/min，因此工作臺必須低速進(jìn)給運動，要求無爬行和無沖擊現(xiàn)象并能平穩(wěn)工作。 3.減少振動。 精密磨削時如果產(chǎn)生振動，會對加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響。故對于精密磨床，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮減少振動。 4.減少熱變形。 精密磨削中熱變形引起的加工誤差會達(dá)到總誤差的50％，故機(jī)床和工藝系統(tǒng)的熱變形已經(jīng)成為實現(xiàn)精密磨削的主要障礙。 1.1.3 外圓磨削和端面外圓磨床 1.外圓磨削 在外圓磨削過程中，工件是安裝在兩頂尖的中心之間，砂輪旋轉(zhuǎn)是引起切削旋轉(zhuǎn)的主要來源和原因?；镜猛鈭A磨削方法有兩種，即橫磨法磨外圓和縱磨法磨外圓，如圖1－1和圖1－2所示。 事實上，外圓磨削可以通過其他以下幾種方法來實施： （1）傳遞方法：在這種方法中，磨削砂輪和工件旋轉(zhuǎn)以及徑向進(jìn)給都應(yīng)滿足所有的整個長度，切削的深度是由磨削砂輪到工件的縱向進(jìn)給來調(diào)整的。 （2）沖壓切削方法：在這種方法中，磨削是通過砂輪的縱向進(jìn)給和無軸向進(jìn)給來完成的，正如我們所看到的，只有在表面成為圓柱的寬度比磨削輪磨損寬度短時，這種方法才能完成。 圖1－1 橫磨法磨外圓 圖1－2 縱磨法磨外圓 （3）整塊深度切削方法：除了在磨削過程中，要進(jìn)行間隙調(diào)整外，這種方法與傳遞方法很相似，同時這種方法具有代表性，可以磨削短而粗的軸。 2.端面外圓磨床及其特點 端面外圓磨床是外圓磨床的一種變形機(jī)床，它宜于大批量磨削帶肩的軸類工件，有較高的生產(chǎn)率。它的特點如下 （1）這種磨床的布局形成和運動聯(lián)系與外圓磨床相似，只是砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜一角度（通常10°，15°，23°，26°，30°，45°），如圖1－3所示，數(shù)控端面外圓磨床MKS1632A的砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜30°。為避免砂輪架與工件或尾架相碰，砂輪安裝在砂輪架的右邊，從斜向切入，一次磨削工件外圓和端面。 （2）由于它適用于大批量生產(chǎn)，所以具有自動磨削循環(huán)，完成快速進(jìn)給（長切入）---粗磨---精磨—無花磨削。由定程裝置或自動測量控制工件尺寸。 （3）裝有砂輪成型修整器，按樣板修整出磨削工件外圓和端面的成型砂輪，為保證端面尺寸穩(wěn)定及操作安全，一般具有軸向?qū)Φ堆b置。 圖1－3 砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜一角度 1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 隨著機(jī)械產(chǎn)品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應(yīng)用增多，磨削加工技術(shù)正朝著超硬度磨料磨具、開發(fā)精密及超精密磨削（從微米、亞微米磨削向納米磨削發(fā)展）和研制高精度、高剛度、多軸的自動化磨床等方向發(fā)展，如用于超精密磨削的樹脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至4μm、磨削精度高達(dá)0.025μm；使用電主軸單元可使砂輪線速度高達(dá)400m/s，但這樣的線速度一般僅用于實驗室，實際生產(chǎn)中常用的砂輪線速度為40－60m/s；從精度上看，定位精度＜2μm，重復(fù)定位精度≤±1μm的機(jī)床已越來越多；從主軸轉(zhuǎn)速來看，8.2kw主軸達(dá)60000r/min，13kw達(dá)42000r/min，高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛性上看，已出現(xiàn)可加工60HRC硬度材料的加工中心。 北京第二機(jī)床廠引進(jìn)日本豐田工機(jī)公司先進(jìn)技術(shù)并與之合作生產(chǎn)的GA（P）62－63數(shù)控外圓/數(shù)控端面外圓磨床，砂輪架采用原裝進(jìn)口，砂輪線速度可達(dá)60m/s，砂輪架主軸采用高剛性動靜壓軸承提高旋轉(zhuǎn)精度，采用日本豐田工機(jī)公司GC32－ECNC磨床專用數(shù)控系統(tǒng)可實現(xiàn)二軸（X和Z）到四軸（X、Z、U和W）控制。 此外，對磨床的環(huán)保要求越來越高，絕大部分的機(jī)床產(chǎn)品都采用全封閉的罩殼，絕對沒有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機(jī)和切削液處理機(jī)系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對環(huán)保越來越高的要求。 第2章 設(shè)計任務(wù)書 2.1畢業(yè)設(shè)計題目 MKS1632A數(shù)控高速端面外圓磨床及砂輪架設(shè)計 2.2畢業(yè)設(shè)計目的 本課題旨在讓學(xué)生綜合運用大學(xué)四年所學(xué)的知識，設(shè)計數(shù)控端面外圓磨床MKS1632A及其砂輪架，樹立理論聯(lián)系實際的作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。該課題要求繪制磨床總體布局裝配圖、砂輪架部件裝配圖和磨床零件圖，最后撰寫設(shè)計說明書。 2.3任務(wù)與要求： （1）機(jī)床總體布局裝配圖（1#）； （2）部件裝配圖（砂輪架0#）； （3）電氣控制圖 （0#）； 2.4用途和規(guī)格 （1）加工對象 A 帶軸肩的多臺階軸（如齒輪軸） B要求端面外圓一次完成的零件 C 帶較大端面的盤類零件 D 作一般外圓磨床 （2）主要規(guī)格 A加工直徑φ20mm---φ320mm B 最大加工長度為750mm C 最大加工重量200㎏ D 砂輪線速度60m/s E 機(jī)床中心高1095mm F工件轉(zhuǎn)速范圍30~300rpm （3）主要運動 A 砂輪轉(zhuǎn)動 B 工件轉(zhuǎn)動 C工作臺縱向移動 D砂輪架斜向進(jìn)給運動 E砂輪修整器斜向進(jìn)給運動 F砂輪修整器旋轉(zhuǎn)運動 2.5設(shè)計重點與難點 （1）磨床總體布局中各部件尺寸的確定； （2）砂輪架主軸和軸承的設(shè)計和選用； （3）皮帶的選用和帶輪的設(shè)計； 2.6擬采用的途徑與手段 （1）查閱國內(nèi)外磨床相關(guān)資料，確定磨床總體布局中各部件（如砂輪架、頭架和尾架等）尺寸； （2）檢驗主軸前端擾度，確保主軸剛度； （3）砂輪架采用靜動壓軸承以提高旋轉(zhuǎn)精度，增強(qiáng)抗振性，延長軸承的使用壽命； （4）采用皮帶和花鍵副帶動主軸旋轉(zhuǎn)，減少主軸變形，使載荷分布均勻； （5）采用Auto CAD繪制裝配圖和零件圖； 第3章 磨床總體布局 3.1 磨床總體設(shè)計 1.加工零件的工藝分析（表面形狀，尺寸，材料，技術(shù)條件，批量，加工余量等）； 2.調(diào)查研究 比較國內(nèi)，外同類機(jī)床，經(jīng)驗總結(jié)，進(jìn)行改革創(chuàng)新； 3.圖紙設(shè)計（總圖，部件裝配圖，零件圖，工藝卡，目錄，標(biāo)準(zhǔn)件，外購件目錄，鑄件，鍛件目錄，說明書，裝箱單，合格證）； 4.制造，裝配，調(diào)試； 5.小批量生產(chǎn)，設(shè)計改進(jìn)； 3.2、總體設(shè)計注意事項 1.保證機(jī)床滿足加工精度要求，剛性，穩(wěn)定性好； 2.傳動系統(tǒng)力求簡短； 3.操作調(diào)整方便； 4.安全保護(hù)，冷卻液供給，回收，廢渣的排除。 3.3 磨床總體布局設(shè)計 3.3.1 加工零件 帶軸肩的多臺階軸，精度IT7以下，Ra1.6---Ra0.4，材料45#，40cr，球墨鑄鐵等； 3.3.2 初步估計組成部分 a.床身；b.工作臺面；c頭架；d尾架；e砂輪架；f 修整器；g 測量裝置；h 砂輪進(jìn)給電機(jī)；I 修整器進(jìn)給電機(jī)；j 電器框；k工作臺進(jìn)給電機(jī)；l 工件旋轉(zhuǎn)電機(jī)；m 潤滑冷卻裝置；n數(shù)控裝置； 3.3.3 總體布局初步設(shè)計 1.T型床身； 2.工作臺移動； 3.工作臺型面采用傾斜10°的型面； 4.砂輪架主軸與床身導(dǎo)軌傾斜30°角； 5.頭尾架中心線平行； 6.采用成型砂輪修整器（金剛石滾輪），采用MARPPOS公司軸向，徑向測量儀，配用該公司E5數(shù)控框（如圖3－1所示）來控制軸向尺寸，徑向尺寸，測量儀布置在橫梁上； 圖3－1 E5數(shù)控框 7.數(shù)控系統(tǒng)的四坐標(biāo)軸 X軸：砂輪架進(jìn)給 Y軸：修整器進(jìn)給 Z軸：工作臺移動 W軸：工件旋轉(zhuǎn) 各軸采用交流伺服電機(jī)，通過精密無間隙彈性連軸器直接與滾珠絲桿相連； 8.液壓油箱單獨（減小熱變形，簡化機(jī)床結(jié)構(gòu)，易實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，便于維修）； 9.電器框與機(jī)床采用空中走線； 10.機(jī)床前防護(hù)罩采用全封閉結(jié)構(gòu)； 3.3.4 縱向與橫向尺寸的確定 圖3－2 磨床縱向尺寸 1.縱向尺寸 ①工件最大長度 ； ②頭架長度 ； ③尾架長度 ； ④上臺面長度 ； ⑤下臺面長度 ； ⑥床身長度 ； ⑦后床身長度 （考慮砂輪架和修整器大小按經(jīng)驗給定）； ⑧整個床身寬度 （視覺效果）； ⑨砂輪架中心與機(jī)床床身對稱線相距 2.橫向尺寸 1）畫出橫向尺寸床身的V型導(dǎo)軌作為橫向尺寸的基準(zhǔn)，畫出床身的平面導(dǎo)軌作為高度尺寸的基準(zhǔn)線，根據(jù)確定的工作臺參數(shù)，導(dǎo)軌參數(shù)B1，B2中心畫出左視圖 2）確定上，下工作臺厚度和寬度 （1）厚度：用類比法 上工作臺 中心　　　　　　　　　　　　　　 （3－1）　 下工作臺 中心 （3－2） 為工作臺導(dǎo)軌的中心距，工作臺導(dǎo)軌選用8075250 取 =0.3250=75mm =0.38250=95mm （2）寬度 （3－3） ∵ ∴ ∵ 　 ∴ 3）確定頭，尾架頂尖中心位置 頂尖中心安排在V型導(dǎo)軌的中心線上，這樣有利于磨削最小直徑工件的，砂輪架趨近于工作臺不致相碰。缺點是使導(dǎo)軌的承載壓力較大，故常適當(dāng)加寬V型導(dǎo)軌的寬度。 4）確定頭尾架頂尖中心至床身底面的高度H1 左右 根據(jù)工人身高，經(jīng)驗。類比取 5）工作臺回轉(zhuǎn)中心位置B9 6）確定機(jī)床總高H 所以H取2000mm。 3.3.5 砂輪架相關(guān)尺寸設(shè)計 （1）砂輪架導(dǎo)軌（V—平導(dǎo)軌）10090400 考慮到砂輪的大小及重量與砂輪架的穩(wěn)定性，取L`中心=500mm，從而可定出砂輪架的寬度約為600mm，導(dǎo)軌為0.15MPa 的卸荷導(dǎo)軌。 圖3－3 砂輪架的導(dǎo)軌 （2）砂輪架橫向行程長度 （3－4） 式中為砂輪架快速進(jìn)退的行程，一般取。此處取。 （3－5） 安全系數(shù)取0.1足夠 （取373） （3）砂輪架高度和長度 砂輪架箱體導(dǎo)軌的高度h3，砂輪底板滑臺高度h4，砂輪中心距砂輪底面高度h5，與后床身頂面至平導(dǎo)軌的高度h0，為避免上，下工作臺運動時與箱體相碰，安裝在后床身上的墊板頂面需低于上下工作臺的頂面，同時考慮橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)穿過床身的位置等，根據(jù)經(jīng)驗 ① 取 ②砂輪架中心距后床身頂面 ③砂輪架底座安裝修整器，內(nèi)有傳動絲桿 取 圖3－4 砂輪架的高度和寬度 ④后床身進(jìn)給導(dǎo)軌內(nèi)裝絲桿 取 ⑤砂輪架底板長度： ∴ 取=900mm ⑥砂輪架導(dǎo)軌長度 ∴取 （4）砂輪架主軸電機(jī)的選擇 ①用類比法，砂輪架主軸電機(jī)的功率取15kw； ②計算法 （3－6） 取 3.3.6 頭架相關(guān)尺寸的確定 ①長，寬，高：440400411mm ②主軸錐孔：莫氏5#錐孔 ③中心高： （3－7） 通過以上計算頭架中心高取180mm ④主軸轉(zhuǎn)速 （3－8） 取 ⑤交流伺服電機(jī)選擇 用類比法，交流伺服電機(jī)選擇IFT5076-DA(D1 18N-M)電機(jī) 砂輪磨削工件需要的功率 （3－9） 交流伺服電機(jī)通過20/38的雙楔齒輪帶傳遞給工件，即 ∴合格 ⑥主軸不旋轉(zhuǎn)，主軸靠撥盤帶動旋轉(zhuǎn) 3.3.7 尾架相關(guān)尺寸的確定 ①5#莫氏錐孔 ②中心高180mm，臺面傾斜10° ③直線滾動導(dǎo)軌 ④液壓油缸，頂緊力 3.3.8 工作臺 要求上，下臺面便于調(diào)整頭尾架，便于安裝滾珠螺母。傾斜10°以便于頭尾架定位，冷卻液回流；及使頭尾架不等高時修刮側(cè)面 3.3.9 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu) 交流伺服電機(jī)----聯(lián)軸器----滾珠絲桿----砂輪架 壓力卸荷導(dǎo)軌 壓力油0.15Mpa 卸去壓力 V—平導(dǎo)軌 砂輪架行程 3.3.10 砂輪修整器 伺服電機(jī)---絲桿---修整器 直線滾動導(dǎo)軌 主軸直徑D=50mm，采用液體動壓軸承(16r/min 6.3Mpa) 修整速度= 修整器直徑 故 修整器行程為160mm 3.3.11 液壓系統(tǒng) ①修整器；②尾架；③量儀（兩個）；④潤滑油；⑤床身導(dǎo)軌；⑥砂輪架卸荷導(dǎo)軌；⑦絲桿；⑧直線滾動導(dǎo)軌；⑨間歇 3.3.12 電氣部分 SIMENS 810G 控制五坐標(biāo)軸 砂輪架主軸 3.3.13 機(jī)床保護(hù)系統(tǒng) ①靜壓供油系統(tǒng) 壓力繼電器 壓差發(fā)訊器 液壓控制器 電路延時 ②尾架伸縮油缸靜壓供油系統(tǒng)：設(shè)置自動循環(huán)電路，可手動，也可用于腳踏。當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)時，由于互鎖裝置，使起無效。 ③油箱液壓控制 ④數(shù)控系統(tǒng)（在各坐標(biāo)軸）自診斷與保護(hù)功能 如：電池電壓低 程序錯誤 ⑤各坐標(biāo)軸由行程開關(guān)控制最大位移量 ⑥安全防護(hù)罩（砂輪罩，機(jī)床前罩）全封閉式 ⑦導(dǎo)軌面保護(hù) Ⅰ 工作臺導(dǎo)軌：不銹鋼可伸縮防護(hù)罩 Ⅱ 砂輪架導(dǎo)軌：㈠前部：翻板式護(hù)罩+橡皮（防水）；㈡后罩：鋼罩。 Ⅲ 修整器導(dǎo)軌：折疊式 第4章 砂輪架設(shè)計 4.1 砂輪架設(shè)計的基本要求 砂輪架是磨床上用來帶動砂輪作高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，主要由傳動部件和主軸軸承部分組成，主軸與軸承是砂輪架的主要組成部分，因此對砂輪架設(shè)計提出的基本要求也是針對主軸軸承部分的。 砂輪架設(shè)計應(yīng)滿足以下幾點基本要求： 1.主軸旋轉(zhuǎn)精度高，旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定； 2.主軸軸承系統(tǒng)剛性好； 3.振動小，發(fā)熱低，不漏油； 4.裝配制造簡單，調(diào)整維修方便。 4.2 主軸旋轉(zhuǎn)精度及其提高措施 1.砂輪架旋轉(zhuǎn)精度是指主軸前端的徑向跳動和軸向躥動大小，它直接影響工件的表面粗糙度和表面缺陷。一般端面外圓磨床砂輪架允許的徑向和軸向跳動允許誤差取5μm~~10μm。 2.提高主軸旋轉(zhuǎn)精度的措施 （1）選擇合適的主軸軸承：動靜壓軸承； （2）提高主軸的加工精度； （3）正確選擇主軸軸向止推方式：液體靜壓推力軸承。 4.3 主軸軸承系統(tǒng)的剛性 主軸軸承系統(tǒng)的剛性是指在磨削力或傳動力作用下，主軸軸承抵抗變形的能力。通常以主軸前端的撓度來度量。過低的剛性會降低磨削生產(chǎn)率、加工精度和工件表面的粗糙度，引起直波形和螺旋線缺陷。 4.4 砂輪架主軸初步設(shè)計 1. 砂輪架主軸的強(qiáng)度校核 進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況采取相應(yīng)的計算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對砂輪架主軸來說，由于采用了卸荷皮帶輪裝置，砂輪架主軸主要承受扭矩，應(yīng)該按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算，且在選取許用應(yīng)力時應(yīng)該選取較小值。砂輪架主軸材料采用42MnVB，并進(jìn)行淬火，故選取許用應(yīng)力為40MP。 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 （4－1） ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（單位為MP） —— 軸所受扭矩（單位為） —— 軸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)（單位為） —— 軸傳遞的功率（單位為KW） —— 軸的轉(zhuǎn)速（單位為r/mm） —— 計算界面處的直徑（單位為mm） —— 許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（單位為r/mm） 由上式可得軸的直徑為 （4－2） mm 由上述計算可以得知砂輪架最小直徑為31.02mm，考慮到砂輪架的剛度等因素，取主軸的最小直徑為60mm。砂輪架主軸的尺寸如圖4－1所示。 圖4－1 砂輪架主軸尺寸示意圖 4.5 主軸剛度校核 1.當(dāng)量直徑 因為是階梯軸，所以用當(dāng)量直徑法作近似計算當(dāng)量直徑為： （4－3） L=140+640+20+32+10=932mm = 89.36mm 2.允許撓度 允許撓度[y]=0.0002L < 0.0002*660=0.132mm 3、計算主軸前端撓度值 （4－4） ——載荷（單位為公斤）（150/9.8） —— 軸兩端的跨距（單位為厘米）（66.00） —— 懸伸長度（單位為厘米）（13.2） —— 材料的彈性模數(shù)（單位為公斤/平方厘米）（21.02） —— 截面慣性矩（平方厘米） = 0.001cm = 0.01mm 又因為[y]=0.135，0.01<0.135，即< [y]，由上述校核可以得知，主軸剛度符合要求。 一般存在一個使主軸前端撓度最小，即剛性最好的支承跨距L。由經(jīng)驗得知，L為（3~~6）D時，主軸前端撓度最小，D=120mm，L為360~~720mm，取L為640mm。 4.6 動靜壓軸承 靜壓軸承是利用外部油源產(chǎn)生承載能力的油膜軸承，動靜壓混合軸承是一種既綜合了液體動壓和靜壓軸承的優(yōu)點，又克服了兩著缺點的新型多油楔油膜軸承。它利用靜壓軸承的節(jié)流原理，使壓力油腔中產(chǎn)生足夠大的靜壓軸承載力，從而克服了液體動壓軸承啟動和停止時出現(xiàn)的干摩擦造成主軸與軸承磨損現(xiàn)象，提高了主軸和軸承的使用壽命及精度保持性；軸承油腔大多采用淺腔結(jié)構(gòu)，在主軸啟動后，依靠淺腔階梯效應(yīng)形成的動壓承載力和靜壓承載力疊加，大大地提高了主軸承載能力，而多腔對置結(jié)構(gòu)又極大地增加了主軸剛度；高壓油膜的均化作用和良好的抗振性能，保證了主軸具有很高旋轉(zhuǎn)精度和運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。 它的優(yōu)點如下： 1.速度和載荷范圍廣，應(yīng)用范圍廣。動靜壓軸承在零件轉(zhuǎn)速到很高的范圍內(nèi)的 各種相對速度下都能承載，而且載荷范圍大，其承載能力取決于供油壓力，軸承軸頸結(jié)構(gòu)和相對大小； 2.油膜剛度高，阻尼大，抗振性好; 3.摩擦阻力，磨損小.由于總有一層油膜將相對運動表面隔開，因此摩擦阻力小，磨損小，能長期保持很高的運動精度，壽命長.且對軸承軸頸材料要求也較低; 4.主軸回轉(zhuǎn)精度高.動靜壓軸承中靜壓油膜具有良好的糾正軸和軸向跳動; 5.安全性好.在萬一供油受阻或切斷時，可利用軸承中動壓效應(yīng)來承載; 6.承載能力高.由于動壓效應(yīng)，使軸承轉(zhuǎn)速越高承載能力越大，同時軸承還能承受方向不斷變化的動載及瞬時過載; 7.穩(wěn)定性好. 8.使用較經(jīng)濟(jì).由于動靜壓軸承高速下主要靠動壓承載，故這時供油壓力可相對較小，軸承可設(shè)計成較小軸頸，軸承結(jié)構(gòu)簡單，制造精度和材料要求不高。 動靜壓軸承需要一套供油系統(tǒng)，潤滑油要經(jīng)過嚴(yán)格過濾以保持清潔。目前廣泛應(yīng)用的是定壓供油系統(tǒng)。一定壓力的壓力油，經(jīng)節(jié)流器流入兩相對運動體間的油腔，通過油腔壓力來平衡外載荷。在定壓供油系統(tǒng)中，節(jié)流器是關(guān)鍵部分，它起著限制流入油腔流量的阻尼作用，使油腔壓力僅隨外載荷的變化而變化。靜壓軸承常用的固定節(jié)流器有毛細(xì)管和小孔節(jié)流器兩種。本次設(shè)計選用毛細(xì)管節(jié)流器。 動靜壓軸承廣泛用于高速精密設(shè)備中.目前，在改造舊精密磨削設(shè)備方面，用得較多的是北京中航設(shè)備改造廠的WMB型表面節(jié)流液體動靜壓混合軸承。 砂輪架主軸的軸向定位采用軸向止推靜壓軸承。軸向止推軸承由兩個相對的環(huán)形油腔構(gòu)成。軸上具有臺肩以形成承載面。軸承的間隙通過修磨調(diào)整墊圈的厚度來保證。 4.7 傳動裝置設(shè)計 為了提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度，皮帶輪不直接裝在主軸上，而是裝在單獨的支架上，并用花鍵套帶動主軸旋轉(zhuǎn)，即采用卸荷皮帶輪的方案，如圖4－2所示。這個方案的優(yōu)點是，減少了主軸的變形，同時還提高了承載能力。 圖4－2 卸荷皮帶輪 1.電動機(jī)的選擇 = （2.35~~8.82）+3.8 = 12.62kw 通過以上計算，取=15kw，選擇Y100L—4型電動機(jī) 2.皮帶設(shè)計 因為多楔帶兼有V帶和平帶的優(yōu)點，外輪廓尺寸小，比V型帶傳動平穩(wěn)，所以皮帶采用多楔帶[5]。多楔帶以平帶為基體，內(nèi)表面有等距離縱向楔型的環(huán)形帶傳動。工作面為楔側(cè)面，有橡膠和聚氨酯兩種。 1）皮帶材料的選用 皮帶材料選用聚氨酯。 2）設(shè)計計算 已知小帶輪轉(zhuǎn)速，即 =1500r/min，傳動比i=2.5； （1）計算功率 由《機(jī)械設(shè)計》表8.7查得，工作情況系數(shù)為1.1，故 （4－5） （2）由和選擇帶型 由于=16.5kw，=1500r/min，查表后可知，取帶型為L型。 （3）確定帶輪基準(zhǔn)直徑 由《金屬切削機(jī)床設(shè)計簡明手冊》表4—43，取主動輪基準(zhǔn)直徑=80mm。 ，由此得。 （4）驗算帶速 （4－6） = 6.28 m/s < 30 m/s，所以帶速合格。 （5）初定軸向間距 由公式（4－5） 0.7（+）< < 2（+）， （4－7） 可知196< < 560，取=400。 （6）所需基準(zhǔn)帶長 （4－8） =1248.82mm 由《金屬切削機(jī)床設(shè)計簡明手冊》表4—5，取相近的基準(zhǔn)帶長= 1250 mm。 （7）實際軸向間距 （4－9） = 401.18mm 所以皮帶的實際軸向間距?。?01mm。 （8）多楔帶每楔的基本額定功率 由《金屬切削機(jī)床設(shè)計簡明手冊》表4—40，可以查得＝0.34kw。 （9）小帶輪的包角 （4－10） ＝162.85° （10）多楔帶楔數(shù)的確定 （4－11） 其中 查表得， ，代入的計算公式中，得＝0.849kw。 又已知＝0.955，＝1.00，得： 由此可以確定，取Z＝15。 3.帶輪設(shè)計 1）帶輪設(shè)計的要求： （1）質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)工藝性好，無過大的鑄造應(yīng)力； （2）質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)速高時要經(jīng)過動平衡校證； （3）槽輪工作面要經(jīng)過精細(xì)加工，以減少帶的磨損； （4）輪槽的尺寸和角度應(yīng)有一定的精度，以使載荷分布均勻。 2）帶輪的材料選用 帶輪的材料選用HT200。 圖4－3 小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸 3）帶輪的結(jié)構(gòu) （1）小帶輪直徑（d為軸的直徑），所以采用實心式。 （2）大帶輪< 300，所以采用腹板式結(jié)構(gòu)。 4）小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸 （4－12） 其中——帶輪的外徑， ——軸的直徑， ——基準(zhǔn)線上槽深。 （4－13） ，圓整后得＝165mm （4－14） ， （4－15） 其中——多楔帶的楔數(shù)， ——多楔帶的槽間距， ——第一槽對稱面到端面的距離。 5）大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸 圖4－4 大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸 4.花鍵套的選用 由軸端直徑Φ60選用內(nèi)花鍵套：8×62H7×78H10×12H11GB1144-87，如圖 圖4－3 內(nèi)花鍵套的結(jié)構(gòu)尺寸 第5章 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計 5.1 概述 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件是系統(tǒng)的靈魂。有了硬件和軟件和配合才能有效的完成系統(tǒng)的使命。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)。本設(shè)計中要求砂輪架自動橫向進(jìn)給（X）和工作臺縱向進(jìn)給（Y）在兩坐標(biāo)進(jìn)行控制。對磨床工作過程進(jìn)行分析：其調(diào)整過程有裝工件，手動退出，手動快進(jìn)，對刀，手動快退；自動調(diào)整過程有設(shè)置磨削量，快進(jìn)，工進(jìn)，快退。 該磨床的砂輪架橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)和工作臺縱向進(jìn)給實行數(shù)控，主要的使用要求和功能如下： 要有兩個步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動砂輪和工作臺。 1．對液壓進(jìn)行控制。 2．對冷卻液進(jìn)行控制。 3．砂輪主軸電機(jī)控制。 4．頭架主軸電機(jī)啟停控制。 5．手動及其方向控制。 6．手動快進(jìn)和快退。 7．工作方式。 8．鍵盤與顯示。 9．工作臺限位。 10．報警。 11．急停。 根據(jù)以上要求來確定硬件電路方案。 5.2 確定硬件電路總體方案 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成，如圖5.1所示。 （1）主控制器，即中央處理單元CPU。 （2）總線，包括數(shù)據(jù)總線（DB），地址總線（AB）和控制總線（CB）。 （3）儲存器，包括只讀可編程程序儲存器（ROM）和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)儲存器（RAM）。 4．接口，即I/O 輸入/輸出接口電路。 5.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 1.主控制器CPU的選擇 在一般二坐標(biāo)聯(lián)動的數(shù)據(jù)控系統(tǒng)中，推薦采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制器。MCS-51系列單片機(jī)主要有三種型號的產(chǎn)品：8031，8051和8751。該系列產(chǎn)品是集中CPU，I/O端口及部分RAM為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。目前，工業(yè)控制中應(yīng)用最多的是8031單片機(jī)。本設(shè)計中也采用8031單片機(jī)。它是一個具有40根引腳的雙列直差式器件，其基本特征有： （1）具有8位中央處理單元CPU （2）片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路 （3）具有128個字節(jié)的RAM （4）具有21個特殊功能寄存器 （5）可尋址64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的外部程序存儲器 （6）具有4個I/O接口，32根I/O線 （7）具有兩個16位定時器/計數(shù)器 （8）具有5個中斷源，配備兩個優(yōu)先級別 （9）具有一個全雙功能串行接口 （10）具有位尋址能力，適用邏輯運算 8031片內(nèi)沒有程序存儲器，僅有片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。 2.程序存儲器擴(kuò)展 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展的芯片大多采用EPROM芯片。在選擇芯片時，要考慮最大讀出速度，工作溫度及存儲器的容量。在滿足容量要求的同時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡化。所以本設(shè)計中選用2764EPROM芯片，它是雙列直插式28腳芯片。 單片機(jī)規(guī)定口分時輸出低8位地址和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信息分離出來保存，需要地址鎖存器。本設(shè)計中采用74LS373作為地址鎖存器。 采用2764EPROM程序存儲器的擴(kuò)展電路框圖如圖5.2所示： 圖5.２ 2764EPROM程序存儲器的擴(kuò)展電路框圖 3.數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 由于8031內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，不能滿足系統(tǒng)的要求，需擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展電路一般采用6/16和6264表態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲器，其選用規(guī)則與EPROM程序存儲器的要求相同。在本設(shè)計中選用6264為數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展芯片。容量為8K。擴(kuò)展6264框圖如下 4.I/O口擴(kuò)展電路設(shè)計 8031單片機(jī)共有四個八位并行I/O口，但可供用戶使用的只有口及口。因此要進(jìn)行I/O接口的擴(kuò)展。 本設(shè)計中采用通用的可編程接口芯片8255A。它是有A，B。C三個可編程功能的8位I/O接口，有40個引腳的雙列直插式RAM/IO/CTC擴(kuò)展器。由8255A自單片機(jī)接受地址址信息，控制信息，在數(shù)據(jù)總線與端口間傳送數(shù)據(jù)狀態(tài)控制信號。 圖5.3　擴(kuò)展6264框圖 由于一塊8255A可提供24個I/O口，而本設(shè)計中經(jīng)過分析，使用要求須四十幾個口，所以本設(shè)計中采用三片8255A芯片，其中一塊芯片作為鍵盤，顯示接口電路。 根據(jù)以上控制需要分配這些接口： （1）OUTPUT：控制砂輪架進(jìn)給五相步進(jìn)電機(jī)------- 控制工作臺進(jìn)給五相步進(jìn)電機(jī)------- 工件頭架旋轉(zhuǎn)（C）異步電機(jī)--------線圈觸點占1位 砂輪旋轉(zhuǎn)（F）異步電機(jī)----------線圈觸點占1位 液壓泵異步電機(jī)（，，）--------線圈觸點占3位 液壓繼電器（，，）--------線圈觸點占3位 （2）OUTPUT： 限位開關(guān)（，） 口 零位開關(guān)（，） （3）I/O（面板）： 鍵盤4*7=28 口 顯示器 米字形 口 手動按鈕（，，F(xiàn) C ） 啟動/暫停 警報 急停 （5）波段開關(guān)（編輯，自動，手動） 由上述可知：共使用了三片8255A芯片，其中還剩余口（八位）可以利用。 總線連接 ①數(shù)據(jù)總線（DB） 口為數(shù)據(jù)I/O口，數(shù)據(jù)總線由它連接各芯片數(shù)據(jù)I/O口。 ②地址總線（AB） 設(shè)計中一共使用了一片TAM（8K），一片TOM（8K），三片8255A。必須對這些擴(kuò)展部分實行統(tǒng)一編址。 2764EPROM 8K= 需13條地址線 6264RAM 8K= 需13條地址線 但由于訪問片外TOM與訪問片外RAM所以用控制線不同，且與，不會同時有效，所以兩者地址可以完全重疊。用口八位地位地址。五位高地址。2764EPROM與三片8255A I/O接口芯片可用2-4譯碼器74LS32進(jìn)行片選。由，兩位控制片選結(jié)果。 EPRAM6264 0 0 EPRAM6264 0 0 8255A（1） 1 0 8255A（2） 1 1 8255A（3） 由此，可得地址分派如下： 0000~00FFH RAM6264 0000~00FFH ROM2764 0001~01FFH 8255A（1） 0002~02FFH 8255A（2） 0002~03FFH 8255A（3） 圖5.4　接口框圖 5.鍵盤，顯示接口電路 圖5.5　鍵盤和顯示接口電路 如圖5.5所示，本數(shù)控系統(tǒng)采用行列式鍵盤，即用I/O口線組成行列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上。使用的顯示器為16段米字管和LED（發(fā)光二極管顯示器）。 采用8255A接口芯片管理鍵盤，顯示器電路。它由4*7鍵和7位LED顯示器組成。 鍵盤，顯示器接口電路圖： 8031的口作數(shù)據(jù)輸出，，用與端口選址，兩片8255A的與，左上8255A芯片的與右下8255A的一起組成4*7鍵盤掃描線，右下8255A的PB口用于查詢8個限位開關(guān)的狀態(tài)。 6.8031與控制電機(jī)與電液閥8255A的聯(lián)接其它輔助電路設(shè)計 8031的口向8255A輸出八位數(shù)據(jù)以控制電機(jī)和液壓閥。鎖存器出來的與，以進(jìn)行端口尋址。與控制8255A的讀寫?？诘目刂埔晃逑嗖竭M(jìn)電機(jī)，控制另一步進(jìn)電機(jī)?？刂扑膫€異步電機(jī)的啟停，控制液壓閥。加光電隔離器以屏蔽電磁干擾。 圖5.6　輔助電路 7.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路如圖5.7所示，由四部分組成。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動中，一般在接口電路與功率放大器之間要加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離，本設(shè)計中使用光隔，光隔引腳及接線圖如圖5.8所示。 圖5.7　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路助 圖5.8　光隔引腳及接線圖 結(jié)論 經(jīng)過幾個多月的努力，我順利完成了畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)，對磨床的設(shè)計過程有了一個基本的認(rèn)識，特別對數(shù)控高速端面外圓磨床MKS1632A的設(shè)計過程有了深刻和清晰的了解。這次畢業(yè)設(shè)計是對我大學(xué)所學(xué)知識的一次綜合應(yīng)用，它涉及到機(jī)械制圖、機(jī)械制造技術(shù)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、機(jī)械裝備設(shè)計、液壓系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)控技術(shù)、互換性和測量技術(shù)、單片機(jī)、電子信息技術(shù)等多門課程的內(nèi)容，使我對知識的綜合知識的運用有了很大的提高。 本次設(shè)計的數(shù)控高速端面外圓磨床MKS1632A可以同時加工帶軸肩類零件的外圓和端面，從而提高了磨削效率，減少加工時間，節(jié)省工件的生產(chǎn)成本。 本次畢業(yè)設(shè)計我設(shè)計的部件是砂輪架，砂輪架是磨床上用來帶動砂輪作高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，主要由傳動部件和主軸軸承部分組成，主軸與軸承是砂輪架的主要組成部分。首先是根據(jù)砂輪架主軸的要求進(jìn)行軸的設(shè)計，然后再選取軸承，設(shè)計皮帶和皮帶輪等等。在這個過程中，軸的撓度校核、皮帶和皮帶輪的設(shè)計等用到了大量的計算。 由于磨床是高精密加工機(jī)床，對各部件的設(shè)計要求都較高。為了提高旋轉(zhuǎn)精度，我主要做了以下工作： 1.在選擇軸承的時候，我選用了動靜壓軸承。，動靜壓混合軸承是一種既綜合了液體動壓和靜壓軸承的優(yōu)點，又克服了兩著缺點的新型多油楔油膜軸承。它利用靜壓軸承的節(jié)流原理，使壓力油腔中產(chǎn)生足夠大的靜壓軸承載力，從而克服了液體動壓軸承啟動和停止時出現(xiàn)的干摩擦造成主軸與軸承磨損現(xiàn)象，提高了主軸和軸承的使用壽命及精度保持性；軸承油腔大多采用淺腔結(jié)構(gòu)，在主軸啟動后，依靠淺腔階梯效應(yīng)形成的動壓承載力和靜壓承載力疊加，大大地提高了主軸承載能力，而多腔對置結(jié)構(gòu)又極大地增加了主軸剛度；高壓油膜的均化作用和良好的抗振性能，保證了主軸具有很高旋轉(zhuǎn)精度和運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。 動靜壓軸承廣泛用于高速精密設(shè)備中.目前，在改造舊精密磨削設(shè)備方面，用得較多的是北京中航設(shè)備改造廠的WMB型表面節(jié)流液體動靜壓混合軸承。 2.在砂輪架傳動裝置設(shè)計中，采用了多楔帶皮帶和多楔帶帶輪。多楔帶兼有V帶和平帶的優(yōu)點，外輪廓尺寸小，比V型帶傳動平穩(wěn)。多楔帶以平帶為基體，內(nèi)表面有等距離縱向楔型的環(huán)形帶傳動，工作面為楔側(cè)面。 3.為了減少外載荷對砂輪架主軸的影響，提高砂輪架主軸的承載能力，在帶輪的安裝方面，采用了卸荷皮帶輪的方案，即多楔帶皮帶輪不是直接安裝在砂輪架主軸上，而是安裝在支架上，然后通過花鍵套來傳遞扭矩，帶動砂輪架主軸旋轉(zhuǎn)。這種方案的好處是砂輪架承受的軸向力大大地減小了，砂輪架主要承受扭矩，達(dá)到減小砂輪架主軸變形、提高砂輪架主軸的承載能力和提高旋轉(zhuǎn)精度等目的。 需要補(bǔ)充一點的是，在砂輪架主軸的設(shè)計中，因為軸的中間部分只有一部分需要進(jìn)行精加工，以便安裝動靜壓軸承，其余部分則沒有什么特殊的加工要求?？紤]到加工成本的問題，我采取將砂輪架主軸中間一部分半徑減小的方法，從而減少了精加工的長度，減小了工件的加工成本，但這樣做會減小砂輪架主軸的剛度。 這次畢業(yè)設(shè)計對我大學(xué)所學(xué)的知識進(jìn)行了綜合，對我運用知識的能力有了很大提高，特別是培養(yǎng)了我理論結(jié)合實際的作風(fēng)，改變了我以前設(shè)計不切合實際的想法，很多設(shè)計力求標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。 致謝 經(jīng)過幾個多月的努力，畢業(yè)設(shè)計已接近尾聲了。在老師的指導(dǎo)下，我順利地完成了本次畢業(yè)設(shè)計的全部任務(wù)。老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和高度的責(zé)任心給我留下了很深刻的印象，同時也給我的學(xué)習(xí)、工作、生活以很大的影響，使我受益匪淺。值此論文完成之際，謹(jǐn)向老師表示衷心的感謝，并感謝同組同學(xué)對我的合作和支持。 此外，具有豐富磨床設(shè)計經(jīng)驗的老師給我悉心講解圖紙和解答疑問，在次也表示衷心的感謝。最后，院里的領(lǐng)導(dǎo)和其他老師也給了我很大的關(guān)心，再一次對大家表示衷心的感謝！ 最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計中被我引用或參考的論著的作者。 呂付強(qiáng) 2010年3月15日 參考文獻(xiàn) [1] 曾志新，呂明.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)在[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社。 [2] 何偉主編,數(shù)控機(jī)床原理及應(yīng)用 .機(jī)械工業(yè)出版社。 [3] 孫桓，陳作模.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社。 [4] 李伯民，趙波主編.現(xiàn)代磨削技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社。 [5] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社。 [6] 成大先.機(jī)械設(shè)計圖冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社。 [7] 馮辛安，黃玉美.機(jī)械制造裝備設(shè)計[M].北京，機(jī)械工業(yè)出版社。 [8] 王昆，何小柏.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計[M]. 北京:高等教育出版社。 [9] 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