磨床的类型与用途与特点论文.docx
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磨床的类型与用途与特点论文
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Grindingmachine),它们是因精加工和硬表面的需要而发展起来的。
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。
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,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
1.1.2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,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%勺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2—3um以内。
2.低速进给运动的稳定性。
由于砂轮的修整导程要求10—15mm/min因此工作台必须
低速进给运动,要求无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夕卜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1-1和图
1-2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,
图1-1横磨法磨外圆
图1—2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,可以磨削短而粗的轴。
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(通常10°,15°,23°,26°,30°,45°)如图1—3所示,数控端面外圆磨床MKS1632A勺砂轮架与头架,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---精磨一无花磨削。
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1—3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,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4卩m磨削精度高达0.025卩m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40
—60m/s;从精度上看,定位精度v2卩m重复定位精度m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并与之合作生产的GA(P)62—63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GC32-ECNC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
2.1毕业设计题目
MKS1632做控高速端面外圆磨床及砂轮架设计
2.2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MKS1632股其砂轮架,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、砂轮架部件装配图和磨床零件图,最后撰写设计说明书。
2.3任务与要求:
(1)机床总体布局装配图(1#);
2)部件装配图(砂轮架0#);
3)电气控制图(0#);
2.4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---©320mm
B最大加工长度为750mm
C
取大加工重量200kg
D砂轮线速度60m/s
E机床中心高1095mm
F工件转速范围30~300rpm
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
2.5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;
2.6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AutoCAD绘制装配图和零件图;
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,装箱单,合格证);
4.制造,装配,调试;
5.小批量生产,设计改进;
3.2、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,Ra1.6---Ra0.4,材料45#,40cr,球墨铸铁等;
3.3.2初步估计组成部分
а.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;
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;
б.采用成型砂轮修整器(金刚石滚轮),采用MARPPO公司轴向,径向测量仪,配用该公司E5数控框(如图3-1所示)来控制轴向尺寸,径向尺寸,测量仪布置在横梁上;
7.数控系统的四坐标轴
X轴:
砂轮架进给丫
Z轴:
工作台移动W
图3-1E5数控框
轴:
修整器进给
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;
334纵向与横向尺寸的确定
L7
图3-2磨床纵向尺寸
1.纵向尺寸
①工件最大长度
l1750mm;
②头架长度
l2440mm;
③尾架长度
I3320mm;
④上台面长度
l4l1l2l3100(20~40)1640mm;
⑤下台面长度
l5l4l415%~20%2000mm;
⑥床身长度
l6l5l14003150mm;
⑦后床身长度
l71600mm(考虑砂轮架和修整器大小按经验给定)
⑧整个床身宽度
l81650mm(视觉效果);
⑨砂轮架中心与机床床身对称线相距
l0l2l3120mm
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h20.25~0.35l'中心(3-1)
下工作台h10.3~0.4l'中心(3-2)
l'为工作台导轨的中心距,工作台导轨选用8075250
取h1'=0.3250=75mm
h2'=0.38250=95mm
(2)宽度
B工作台1'B4B5(3—3)
B
1/2B
12~30
1/2
752058mm
B4B6
…
B470mm
B7
1/2B1'
12~30
1/2
7520
60mm
B5B7
--B5
70mm
B工作台250
7070
390mm
3)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
H11000~1100左右
根据工人身高,经验。
类比取Hi1095mm
H2Hihh2H/COS739.6mm
5)工作台回转中心位置B9
B91/2l'1/2*250125mm
6)确定机床总高H
HH2hH头架H测量仪
739.6170411633.45
1954mm
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)10090400
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3-3砂轮架的导轨
(2)砂轮架横向行程长度I横
I横每杆s快速0.1~0.2s快速(3—4)
式中s快速为砂轮架快速进退的行程,一般取60~150mm。
此处取111mm。
S丝杆D砂max/2D工件max/2D砂min/2D工件min/2(3-5)
750/2320/2550/220/2
250mm
安全系数取0.1足够
I横2501110.1111372.1(I横取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
1馆110~150mm取h6130mm
2砂轮架中心距后床身顶面
h7H1H2H61095740130485mm
3砂轮架底座安装修整器,内有传动丝杆
取h4120mm
图3-4砂轮架的高度和宽度
4后床身进给导轨内装丝杆
取h3190mm
h5h7h3h4
485120190175
5砂轮架底板长度19:
I91.5~2I中心
1.5~2*500
750~1000
•••取l9=900mm
6砂轮架导轨长度I10I9I横50~80
90037380
1353mm
•••取l101305mm
(4)砂轮架主轴电机的选择
1用类比法,砂轮架主轴电机的功率取15kw
②计算法N电N切N空
Pz*V#23.8
2.35~8.823.8
取N电15KW
3.3.6头架相关尺寸的确定
1长,宽,高:
440400411mm
2主轴锥孔:
莫氏5#锥孔
3中心高:
HDmax/2K
320/220~35
180~195mm
通过以上计算头架中心高取180mm
4主轴转速VI1/80~1/160V砂*6045~22.5m/s
取VI40m/s
VImax716r/min300
VImin22r/min30
5交流伺服电机选择用类比法,交流伺服电机选择IFT5076-DA(D118N-M)电机
砂轮磨削工件需要的功率
Fz最大磨削力r工牛max150*32024N.m/s
交流伺服电机通过20/38的双楔齿轮带传递给工件,即
N实1838/2034.2N.m/sl4二合格
6
3-6)
3-7)
3-8)
3-9)
主轴不旋转,主轴靠拨盘带动旋转
3.3.7尾架相关尺寸的确定
15#莫氏锥孔
2中心高180mm台面倾斜10°
3直线滚动导轨
4液压油缸,顶紧力12~15kg
3.3.8工作台
要求上,下台面便于调整头尾架,便于安装滚珠螺母。
倾斜10°以便于头尾架定位,冷
却液回流;及使头尾架不等高时修刮侧面
3.3.9横向进给机构
交流伺服电机联轴器滚珠丝杆砂轮架
压力卸荷导轨压力油0.15Mpa卸去60%~75%压力
V—平导轨100*90*500
砂轮架行程I横373mm
3.3.10砂轮修整器
伺服电机---丝杆---修整器
直线滚动导轨
主轴直径D=50mm采用液体动压轴承(16r/min6.3Mpa)
修整速度=1/3~1/5V砂
修整器直径70~120故V线12〜19m/s
修整器行程为160mm
3.3.11液压系统
①修整器;②尾架;③量仪(两个);④润滑油;⑤床身导轨;⑥砂轮架卸荷导轨;⑦丝
杆;⑧直线滚动导轨;⑨间歇
3.3.12电气部分
SIMENS810G控制五坐标轴砂轮架主轴
3.3.13机床保护系统
1静压供油系统压力继电器压差发讯器液压控制器电路延时
2尾架伸缩油缸静压供油系统:
设置自动循环电路,可手动,也可用于脚踏。
当工件旋
转时,由于互锁装置,使起无效。
3油箱液压控制
4数控系统(在各坐标轴)自诊断与保护功能
如:
电池电压低程序错误
5各坐标轴由行程开关控制最大位移量
6安全防护罩(砂轮罩,机床前罩)全封闭式
7导轨面保护
I工作台导轨:
不锈钢可伸缩防护罩
n砂轮架导轨:
㈠前部:
翻板式护罩+橡皮(防水):
㈡后罩:
钢罩。
川修整器导轨:
折叠式
第4章砂轮架设计
4.1砂轮架设计的基本要求
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,因此对砂轮架设计提出的基本要求也是针对主轴轴承部分的。
砂轮架设计应满足以下几点基本要求:
1.主轴旋转精度高,旋转稳定;
2.主轴轴承系统刚性好;
3.振动小,发热低,不漏油;
4.装配制造简单,调整维修方便。
4.2主轴旋转精度及其提高措施
1.砂轮架旋转精度是指主轴前端的径向跳动和轴向蹿动大小,它直接影响工件的表面粗
糙度和表面缺陷。
一般端面外圆磨床砂轮架允许的径向和轴向跳动允许误差取5g~~10m
2.提高主轴旋转精度的措施
(1)选择合适的主轴轴承:
动静压轴承;
(2)提高主轴的加工精度;
(3)正确选择主轴轴向止推方式:
液体静压推力轴承。
4.3主轴轴承系统的刚性
主轴轴承系统的刚性是指在磨削力或传动力作用下,主轴轴承抵抗变形的能力。
通常以主轴前端的挠度来度量。
过低的刚性会降低磨削生产率、加工精度和工件表面的粗糙度,引起直波形和螺旋线缺陷。
4.4砂轮架主轴初步设计
1.砂轮架主轴的强度校核
进行轴的强度校核时,应根据轴的具体受载及应力情况采取相应的计算方法,并恰当地
选取其许用应力。
对砂轮架主轴来说,由于采用了卸荷皮带轮装置,砂轮架主轴主要承受扭矩,应该按照扭转强度计算,且在选取许用应力时应该选取较小值。
砂轮架主轴材料采用
42MnVB并进行淬火,故选取许用应力为40MP
轴的扭转强度条件为
T9.5510需
W0.2d
T――扭转切应力(单位为MP
T轴所受扭矩(单位为Ngmm)
W轴的扭转截面系数(单位为mm3)
p――轴传递的功率(单位为KW
n轴的转速(单位为r/mm)
d计算界面处的直径(单位为mr)
[t]许用扭转应力(单位为r/mm)
由上式可得轴的直径为
(4-1)
(4-2)
j9.5510
小直径为60mm砂轮架主轴的尺寸如图4—1所示
图4—1砂轮架主轴尺寸示意图
4.5主轴刚度校核
1.当量直径
因为是阶梯轴,所以用当量直径法作近似计算当量直径为:
dv
(4—3)
L=140+640+20+32+10=932mm
I1932
4
14064020100
604120414041084
dv
=89.36mm
Y主轴
Pa23(la)
3EI
(4—4)
P――载荷(单位为公斤)(150/9.8)
l――轴两端的跨距(单位为厘米)(66.00)
a――悬伸长度(单位为厘米)(13.2)
E——材料的弹性模数(单位为公斤/平方厘米)(21.02105)
I――截面惯性矩(平方厘米)
2
Y主轴
15013.279.2
5
39.821.0210307.985
=0.001cm=0.01mm
又因为[y]=0.135,0.01<0.135,即Y主轴<[y],由上述校核可以得知,主轴刚度符合要
求。
一般存在一个使主轴前端挠度最小,即刚性最好的支承跨距L。
由经验得知,L为(3~~6)
D时,主轴前端挠度最小,D=120mmL为360~~720mm取L为640mm
4.6动静压轴承
静压轴承是利用外部油源产生承载能力的油膜轴承,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。
它的优点如下:
1.速度和载荷范围广,应用范围广。
动静压轴承在零件转速到很高的范围内的各种相对速度下都能承载,而且载荷范围大,其承载能力取决于供油压力,轴承轴颈结构和相对大小;
2.油膜刚度高,阻尼大,抗振性好;
3.摩擦阻力,磨损小.由于总有一层油膜将相对运动表面隔开,因此摩擦阻力小,磨损小,能长期保持很高的运动精度,寿命长.且对轴承轴颈材料要求也较低;
4.主轴回转精度高.动静压轴承中静压油膜具有良好的纠正轴和轴向跳动;
5.安全性好.在万一供油受阻或切断时,可利用轴承中动压效应来承载;
6.承载能力高.由于动压效应,使轴承转速越高承载能力越大,同时轴承还能承受方向不断变化的动载及瞬时过载;
7.稳定性好.
8.使用较经济.由于动静压轴承高速下主要靠动压承载,故这时供油压力可相对较小,轴承可设计成较小轴颈,轴承结构简单,制造精度和材料要求不高。
动静压轴承需要一套供油系统,润滑油要经过严格过滤以保持清洁。
目前广泛应用的是定压供油系统。
一定压力的压力油,经节流器流入两相对运动体间的油腔,通过油腔压力来平衡外载荷。
在定压供油系统中,节流器是关键部分,它起着限制流入油腔流量的阻尼作用,使油腔压力仅随外载荷的变化而变化。
静压轴承常用的固定节流器有毛细管和小孔节流器两种。
本次设计选用毛细管节流器。
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WM型表面节流液体动静压混合轴承。
砂轮架主轴的轴向定位采用轴向止推静压轴承。
轴向止推轴承由两个相对的环
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