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摘 要
近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)于砂帶磨削的研究成果有很大的進(jìn)展，從低質(zhì)量產(chǎn)品到半成品以及成品的進(jìn)口和不斷學(xué)習(xí)，使得砂帶磨削在我國(guó)有了雨后春筍般的發(fā)展。
本論文主要設(shè)計(jì)外圓表面砂帶光整加工裝置機(jī)構(gòu)，主要包括工件的驅(qū)動(dòng)和夾持裝置、砂帶磨削裝置和回轉(zhuǎn)頂尖固定裝置三大部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。工件驅(qū)動(dòng)裝置由交流電動(dòng)機(jī)通過帶傳動(dòng)直接對(duì)工件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由變頻器調(diào)節(jié)速度，滿足不同尺寸工件的轉(zhuǎn)速要求；采用三爪卡盤夾持工件，回轉(zhuǎn)頂尖支撐，提高工件的支撐剛度。砂帶磨削加工裝置主要包括收放帶帶輪及其電機(jī)、接觸輪、張緊輪、導(dǎo)向輪等結(jié)構(gòu)；針對(duì)砂帶磨削裝置所占空間過大問題，論文設(shè)計(jì)了三層空間布局，可對(duì)徑向和軸向進(jìn)給分別控制。光整加工裝備整體結(jié)構(gòu)中由交流直線往復(fù)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給功能，安裝方式為反裝，可有效減少磨削裝置所占空間。裝置總體結(jié)構(gòu)研究得出兩種方案進(jìn)行對(duì)比，最終選擇經(jīng)濟(jì)效益較好的三導(dǎo)柱機(jī)構(gòu)方案。
論文所設(shè)計(jì)光整加工裝備可對(duì)直徑為60-150mm，最大長(zhǎng)度為600mm的外圓表面進(jìn)行光整加工。
關(guān)鍵詞：外圓磨削裝置；光整加工；砂帶
I
ABSTRACT
In recent years, the domestic research on the grinding of the belt has made great progress, from low-quality products to semi-finished products and finished products imported and continuous learning, making the belt grinding in China has mushroomed development.
In this paper, we mainly design the mechanism of the belt finishing device, and make two kinds of schemes to compare and finally choose the three-pillar mechanism with better economic benefits. Then the design of the spindle form and strength check, the choice of motor and workpiece clamping device, clamping device selection of common three-jaw chuck, rotary top support, improve the support stiffness of the workpiece. Followed by the design of the tailstock tailstock fixed device, and finally the design of belt grinding device. Mainly drive motor, retractable pulley, contact wheel, tension wheel and other structures. In order to save the device space, the paper design on the middle and lower three-dimensional layout, radial and axial feed can be controlled separately.
The finishing equipment can be designed for the finishing of the outer surface of the diameter of 60-150mm and the maximum length of 600mm.
Key Words：Cylindrical grinding device；Finishing；Belt
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 論文的研究背景 1
1.2砂帶磨削介紹 1
1.3 論文的主要內(nèi)容 4
2.砂帶磨削裝置總體分析 5
2.1砂帶加工裝置總體分析 5
2.2加工裝置運(yùn)動(dòng)功能分析 5
2.3運(yùn)動(dòng)功能方案設(shè)計(jì) 6
2.4總體方案的提出、比較和分析 7
3.砂帶加工裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)總體方案 9
3.2主軸組件的設(shè)計(jì) 9
4.砂帶磨削加工裝置設(shè)計(jì) 19
4.1 砂帶接觸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
4.2砂帶驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20
4.3砂帶軸向竄動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
4.4 砂帶張緊輪設(shè)計(jì) 22
4.5砂帶支撐結(jié)構(gòu)空間布局 22
5.結(jié)論 24
參 考 文 獻(xiàn) 25
附錄1：外文翻譯 26
附錄2：外文原文 33
致 謝 41
II
外圓表面砂帶光整加工裝置設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 論文的研究背景
目前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,機(jī)械零件向著高精度、高承載力、高壽命的方向發(fā)展。因此這些零件不僅要有良好的力學(xué)性能,還要有較高的表面質(zhì)量,必須有先進(jìn)的加工技術(shù)以及加工裝置來滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。光整加工是指工件表面質(zhì)量在大幅度提高的同時(shí),保證精度的穩(wěn)定甚至提高工件加工精度等級(jí)的一種加工技術(shù)[1]。光整加工一般作為最終的加工工序，加工后的零件大部分情況下可直接裝配使用，工件經(jīng)加工以后的表面質(zhì)量，不僅直接影響它本身的精度和使用壽命，還會(huì)影響到工件之間的配合性質(zhì)，進(jìn)而影響到整套設(shè)備的力學(xué)性能及使用壽命。光整加工分為手工研磨及拋光、機(jī)械光整加工、非傳統(tǒng)光整加工和復(fù)合非傳統(tǒng)光整加工四部分。機(jī)械光整加工又分為磨削、研磨、拋光、超精加工。
1.2砂帶磨削介紹
1.2.1砂帶磨削的特點(diǎn)
砂帶磨削作為光整加工中的一類，他是機(jī)械零件加工的主要工藝之一，也是零件加工的終極工藝，對(duì)于零件最終的表面質(zhì)量起著決定性的作用，他的主要磨削工具是砂帶。砂帶是指用粘結(jié)劑將磨料粘結(jié)在柔軟基體上的特殊磨具，屬于一種單層磨料的磨具，是砂帶磨削的主體，它由磨料、粘結(jié)劑、基體材料三要素組成，它是一種特殊形態(tài)的多刀、多刃的切削工具，如圖1.1所示。
1-磨料； 2-復(fù)膠； 3-底膠； 4-基底
圖1.1 砂帶組成斷面圖
其切削功能主要由粘附在基底上的磨粒來完成[2]。并且可以滿足不同的工件材料在不同的加工條件下進(jìn)行磨削加工的要求。由于砂帶磨削摩擦生熱少，磨粒散熱時(shí)間間隔長(zhǎng)，可有效地減少工件變形、燒傷。且因砂帶磨削與工件是柔性接觸，具有較好的拋光作用，經(jīng)磨削的工件表面殘余應(yīng)力和表面硬化深度均大大低于砂輪磨削。作為工件表面的光整加工，砂帶磨削加工精度一般可達(dá)到IT7-IT6，表面粗糙度值可達(dá)Ra=0.8～0.2mm。
砂帶磨削的主要特點(diǎn)：
（1）砂帶磨削過程是一個(gè)彈性磨削過程，具有拋光、磨削、研磨等多種作用；
（2）砂帶上的磨粒比砂輪磨粒具有更強(qiáng)的切削力，砂帶磨削的效率非常高；
（3）砂帶磨削后工件表面質(zhì)量高；砂帶磨削過程中磨削溫度較低，工件表面不易出現(xiàn)磨削燒傷等現(xiàn)象；磨削速度穩(wěn)定，砂帶接觸輪不會(huì)像砂輪一樣越磨直徑越小而導(dǎo)致速度下降；
（4）砂帶磨削精度高。隨著砂帶制作質(zhì)量的提高，砂帶磨削可達(dá)到精密或超精密加工等級(jí)，最高精度可達(dá)到0.1μm。
(5) 砂帶磨削成本低。砂帶磨削操作簡(jiǎn)便，輔助時(shí)間少；砂帶磨削設(shè)備簡(jiǎn)單；砂帶磨削比大，切削效率高。
（6）砂帶磨削安全，噪音和粉塵小，且易于控制，環(huán)境效益好，砂帶磨削工藝靈活性大、適應(yīng)性強(qiáng)。砂帶磨削可加工平面、內(nèi)外圓和復(fù)雜曲面；對(duì)同一種工件，砂帶磨削可采用各種不同的磨削方式進(jìn)行加工。
1.2.2砂帶磨削的研究現(xiàn)狀
（1）砂帶磨削國(guó)外研究現(xiàn)狀
自上世紀(jì)靜電砂植技術(shù)成熟以來，歐美國(guó)家就對(duì)砂帶磨削技術(shù)進(jìn)行了大量的研究開發(fā)，至今已經(jīng)發(fā)展幾十年，已經(jīng)達(dá)到了強(qiáng)力、高效、自動(dòng)化磨削的新階段。歐、美及日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，從事磨削技術(shù)研究、開發(fā)的機(jī)構(gòu)以及砂帶制造、磨床制造等廠家很多，而且實(shí)力雄厚，其成果和產(chǎn)品代表了當(dāng)今世界砂帶磨削技術(shù)的最高水平。
美國(guó)在砂帶磨削領(lǐng)域做了大量的研發(fā)，有了很多創(chuàng)造性產(chǎn)品，一直處于世界領(lǐng)先地位。著名的美國(guó)3M公司，以鋁氧化物合成物作為磨料發(fā)明了Cubicut砂帶；生產(chǎn)了一種安裝在直徑為1.73m的回轉(zhuǎn)臺(tái)及四個(gè)工作主軸的砂帶平面磨床；美國(guó)Metabo公司，研制了 6 軸5 聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨床；西屋電氣公司，用無心砂帶磨床加工 60 馬力的電機(jī)轉(zhuǎn)子，每小時(shí)高達(dá) 1000 件；盧森機(jī)床公司生產(chǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子同心度要求 0.005mm，尺寸誤差要求為正負(fù) 0.012mm，用無心砂帶磨床加工，一小時(shí)可加工 200 件[3]。2006年，美國(guó)QED工藝技術(shù)公司M.Tricard等人采用穩(wěn)態(tài)磁流體噴射拋光光學(xué)零件表面成功解決等角自由曲面峭壁內(nèi)凹形狀的光學(xué)零件難光整加工的問題。2010 年美國(guó)國(guó)際制造技術(shù)展覽會(huì)上，克林貝格( KELLENBERGER) 公司展出新產(chǎn)品KEL-VERA RS250/400型數(shù)控磨床，主要用于大尺寸零件卡盤裝夾下的切入磨削[4]。
日本在砂帶磨床和砂帶研制方面做了較深入的研究，并獲得了眾多成果?，F(xiàn)已研制出兩種新型磨料涂附砂帶，即球形復(fù)合磨粒砂帶和軟木復(fù)合磨料砂帶；近20年來，日本在高速、超高速砂帶磨削領(lǐng)域也有了突出成果。成功研制出磨削速度為400m/s的超高速平面磨床，最高線速度達(dá)395m/s。Shinizu等人為了獲得超高速磨削速度改制了磨床，使工件和砂輪間的實(shí)際磨削線速度接近1000m/s。2006年在第56屆CIRP大會(huì)上，日本慈城大學(xué)工程系的周力波等人研究出單晶硅底層無缺陷化學(xué)機(jī)械磨削新工藝，此工藝方法比化學(xué)機(jī)械拋光(CMP) 更容易得到好的表面品質(zhì)。2010年，日本YASDA公司、SODICK公司、MAKINO公司展出亞微米級(jí)超精密機(jī)床。在機(jī)理研究方面，日本研究者通過不斷試驗(yàn)，利用模糊理論獲得了磨削條件和影響平面度因素相對(duì)關(guān)系的表達(dá)式，既能精確地表達(dá)磨削過程，又能夠滿意地改善工件表面精度，為定量分析磨削參數(shù)變化對(duì)平面精度的影響供了科學(xué)依據(jù)[5]。
英國(guó)著重發(fā)展輸送帶式砂帶磨床、內(nèi)圓砂帶磨床及渦輪葉片砂帶磨床。布魯克生產(chǎn)的內(nèi)圓砂帶磨床能對(duì)長(zhǎng)達(dá) 15m，直徑為 25-250mm 的長(zhǎng)管件內(nèi)孔進(jìn)行加工；施麗亞當(dāng)斯生產(chǎn)的窄渦輪葉片砂帶磨床和羅爾羅伊斯公司生產(chǎn)的渦輪葉片寬砂帶型面砂帶磨床處于領(lǐng)先地位。
德國(guó)知名的砂帶品牌有Hermes、VSM等，研發(fā)了具有多過專利的空心球復(fù)合磨料，其制作的砂帶使用壽命長(zhǎng)，切削效率高，成本低。
(2) 砂帶磨削國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)砂帶磨削是五十年代末期開始應(yīng)用由航空工業(yè)部門引進(jìn)國(guó)外仿型窄砂帶磨床加工發(fā)動(dòng)機(jī)葉片開始的。雖然起步晚，各方面技術(shù)落后，但是近幾年來我國(guó)的砂帶磨削技術(shù)也在不斷發(fā)展。
在加工設(shè)備研發(fā)方面，應(yīng)恒晶研究自制了可進(jìn)行大軸頸、大孔徑、大平面和大曲面工件表面中加工多使用的新型高效砂帶磨頭，在普通機(jī)床（臥車、立車和龍門刨床等）上就可以進(jìn)行磨削。解決了國(guó)內(nèi)對(duì)大尺寸大軸徑工件難加工、耗時(shí)多、質(zhì)量低等問題。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，加工效率高。
張萍[6]，李家春設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)砂帶磨削機(jī)，該裝備可實(shí)現(xiàn)砂帶的“公轉(zhuǎn)”和“自轉(zhuǎn)”，外加氣動(dòng)張緊裝置，可對(duì)生銹及有明顯表面缺陷的鋼絲進(jìn)行打磨拋光。開發(fā)出針對(duì)盤條磨削加工的環(huán)保型砂帶磨削設(shè)備，對(duì)促進(jìn)我國(guó)的拉絲制造業(yè)發(fā)展具有重要意義。
吉林大學(xué)王聽、母焰[7]等研究了具有接觸輪庫(kù)的砂帶磨削加工裝置，可實(shí)現(xiàn)磨削平面、回轉(zhuǎn)體、自由曲面零件,且能實(shí)現(xiàn)同一工位多工序的集中加工，包括底座、立柱、五自由度工作臺(tái)、動(dòng)力裝置、砂帶支撐張緊裝置、磨頭裝置、接觸輪庫(kù)、自動(dòng)換輪裝置。五自由度工作臺(tái),既可以磨削平面零件和回轉(zhuǎn)體零件,也可以磨削自由曲面,其加工產(chǎn)品范圍廣,穩(wěn)定性好。此磨削加工中心既能適應(yīng)大批量產(chǎn)品生產(chǎn),也能適應(yīng)零件比較復(fù)雜,產(chǎn)品更換頻繁的中小批量生產(chǎn)。
朱俊生[8]發(fā)明了一種能夠快速并有效的去除深窄槽中毛刺的深窄槽去毛刺用砂帶裝置。可以方便的利用機(jī)床軸的旋轉(zhuǎn),完成對(duì)金屬件深窄槽的去毛邊工作,提高了具有深窄槽金屬件的產(chǎn)品合格度,又可保證深窄槽內(nèi)壁的光滑度,直接提高工件表面質(zhì)量。
在關(guān)鍵技術(shù)方面，2006年，國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心研制出非圓截面輪廓精密磨削技術(shù)，主要用于軸類零件加工，廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、航天航空、印刷、紡織機(jī)械及其他精密機(jī)械制造業(yè)。2006年漢江機(jī)床公司開發(fā)研制了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)SK722數(shù)控絲錐磨床，主要加工直槽磨牙絲錐，可采用單線或多線砂輪磨削，可直接在淬火后沒有螺紋的絲錐坯體上磨出螺紋[9]。
2008 年由湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心、浙江工業(yè)大學(xué)超精密加工研究中心、寧波凱泰智邦機(jī)械有限公司、杭州智邦納米技術(shù)有限公司、湖大海捷制造技術(shù)有限公司共同開發(fā)的Olymball-E600精密球體高效研磨機(jī)和Olymball-D600精密球體研磨機(jī)項(xiàng)目在杭州市通過了中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定和寧波市經(jīng)濟(jì)委員會(huì)組織的新產(chǎn)品及投產(chǎn)鑒定[10]。
2011年險(xiǎn)峰機(jī)床廠在軋輥磨床上采用德國(guó)的DITTELDE的M6000型機(jī)電式平衡模塊，此款主要針對(duì)高精度磨床研發(fā)而成，可以對(duì)不平衡進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估，可以完成快速精確的不平衡補(bǔ)償。同年，甘肅天水星火機(jī)床有限責(zé)任公司在軋輥磨床上采用帶箱磨削裝置，磨削過程中不需要再拆卸箱架，只需找正帶箱滾徑上的母線和側(cè)母線，完成帶箱滾徑直線度調(diào)節(jié)后，即可拖動(dòng)磨削，避免拆卸或安裝過程中的零破壞、精度降低，同時(shí)縮短了磨削輔助時(shí)間，大大提高了生產(chǎn)效率[11]。
1.3 論文的主要內(nèi)容
論文旨在進(jìn)行軸類零件外圓表面電化學(xué)砂帶復(fù)合光整加工裝備設(shè)計(jì)。論文中將重點(diǎn)設(shè)計(jì)整套光整加工裝備的機(jī)械結(jié)構(gòu)。具體工作如下：
（1）整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：包括整體結(jié)構(gòu)的固定支撐，各組成單元的空間布置，加工部分軸向進(jìn)給結(jié)構(gòu)等。
（2）工件驅(qū)動(dòng)與夾持裝置設(shè)計(jì)：包括主軸結(jié)構(gòu)、軸承支撐結(jié)構(gòu)、工件的驅(qū)動(dòng)方式、裝夾固定結(jié)構(gòu)等。
（3）工件加工裝置：砂帶磨削裝置設(shè)計(jì)接觸輪結(jié)構(gòu)及快換結(jié)構(gòu)、驅(qū)、動(dòng)輪結(jié)構(gòu)、軸向竄動(dòng)結(jié)構(gòu)、張緊結(jié)構(gòu)和砂帶支撐結(jié)構(gòu)空間布局等。
2.砂帶磨削裝置總體分析
2.1砂帶加工裝置總體分析
（1）加工精度
加工精度是指被加工的工件輪廓的形狀位置、尺寸的精確度、表面粗糙度程度。本砂帶磨削裝置的加工精度等級(jí)應(yīng)為IT6級(jí)[12]。
（2）工藝范圍
工藝范圍是指加工裝置能夠滿足包括可加工的零件類型、形狀和尺寸范圍，能完成的工序種類等不同生產(chǎn)需求的能力[13]。砂帶光整加工裝置的在本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)于外圓表面零件的加工，其中加工零件的具體數(shù)據(jù)中直徑范圍為60-150mm；長(zhǎng)度范圍為最大600mm。
2.2加工裝置運(yùn)動(dòng)功能分析
依據(jù)本次砂帶加工裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和砂帶磨削加工的特點(diǎn)，可知該裝置所應(yīng)具備的下述三種運(yùn)動(dòng)：
（1）工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是在一定程度上滿足下面的基本要求且是加工過程主運(yùn)動(dòng)。
（2）砂帶磨削裝置軸向進(jìn)給:砂帶磨削裝置的軸向進(jìn)給目的是確保機(jī)構(gòu)在工件的長(zhǎng)度方向上持續(xù)、均勻地進(jìn)行加工，保證軸向運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性及工件表面的一致性。這就要求進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下的基本要求：
①足夠的靜剛度和動(dòng)剛度.快速響應(yīng)性要求。預(yù)防低速或微量進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)不爬行的狀況，使其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；
②靈敏度高；
③抗振性要求要好，避免因摩擦自振引起齒輪傳動(dòng)的沖擊噪聲或傳動(dòng)件的抖動(dòng)；
④擁有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍，確保能夠達(dá)到實(shí)現(xiàn)所要求的進(jìn)給量，來滿足不同的加工尺寸，以達(dá)到能傳動(dòng)較大的扭矩的作用；
⑤高傳動(dòng)精度和定位精度。希望達(dá)到最佳精準(zhǔn)度；
⑥簡(jiǎn)潔進(jìn)給要求，加工和裝配的工藝性讓調(diào)整維修方便，操縱輕便靈活。
(3)砂帶磨削機(jī)構(gòu)的徑向進(jìn)給。徑向進(jìn)給是用來說明工作臺(tái)每一個(gè)行程內(nèi)工件相對(duì)于砂帶接觸輪徑向移動(dòng)的距離，其特征量是磨削深度ap,，單位為mm/行程。
砂帶磨削裝置需滿足下列運(yùn)動(dòng)功能：
（1）砂帶的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。主要通過各支撐件的相互作用，保證磨削區(qū)域時(shí)刻都有砂帶，并保證成品的表面質(zhì)量。
（2）砂帶接觸輪的徑向進(jìn)給（精進(jìn)給）。接觸輪的徑向進(jìn)給屬于精進(jìn)給，但是接觸輪徑向進(jìn)給量小，位置保持性要好。
（3）砂帶磨削裝置的軸向竄動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)是本設(shè)計(jì)裝置特有的運(yùn)動(dòng)，其主要功用就是為了提高被加工件的尺寸精度和表面粗糙度，避免砂帶磨削不均勻或者過度磨削造成被加工工件表面質(zhì)量參差不齊的現(xiàn)象出現(xiàn)。
本次設(shè)計(jì)的光整加工裝備不僅要求在運(yùn)動(dòng)功能方面須得滿足上述要求，還要求工件操作便捷、夾持牢固、定位精準(zhǔn)、易于操作等。上述分析后，下面進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。
2.3運(yùn)動(dòng)功能方案設(shè)計(jì)
本此設(shè)計(jì)中選擇參照機(jī)床坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系。沿X、Y、Z軸的直線運(yùn)動(dòng)和運(yùn)運(yùn)動(dòng)量仍用X、Y、Z來表示；繞X、Y、Z軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用A、B、C表示，運(yùn)動(dòng)量用α、β、γ表示。運(yùn)動(dòng)功能式包含機(jī)床的運(yùn)動(dòng)個(gè)數(shù)、形式、功能及排列順序。形式是指直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，功能是指主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、非成形運(yùn)動(dòng)，且分別使用下標(biāo)p、f、a表示。在其左側(cè)寫工件，用W表示；右側(cè)寫刀具，用T表示；中間以運(yùn)動(dòng)順序排列方式來寫運(yùn)動(dòng)，并使用“/”來分開工件。本設(shè)計(jì)中的砂帶光整加工裝置的運(yùn)動(dòng)功能式如下：
W/Cp，Zf，Yf/T (2.1)
運(yùn)動(dòng)功能圖如圖2.1所示，在砂帶光整加工裝的運(yùn)動(dòng)功方式只可以看出包含工件與刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但相對(duì)"地”來講組件支撐部件安放在哪個(gè)地還不明確，因此哪些運(yùn)動(dòng)是由工件一側(cè)完成，哪些運(yùn)動(dòng)由刀具一側(cè)完成依舊處于未知狀態(tài)，故此必須明確運(yùn)動(dòng)功能的分配問題。
圖2.1 運(yùn)動(dòng)功能圖
運(yùn)動(dòng)功能分配式的作用就是用來確定功能式中"接地”的位置設(shè)計(jì)，符號(hào)用“?”表達(dá)。依據(jù)設(shè)計(jì)要求，在“?”符號(hào)左側(cè)的運(yùn)動(dòng)由工件來去完成，而右側(cè)的運(yùn)動(dòng)由刀具來完成。由于符號(hào)“?”的不確定位置，所以上面的運(yùn)動(dòng)功能式改為運(yùn)動(dòng)分配式后有以下幾種設(shè)計(jì)方案：
（1） W/Cp,Zf,Yf/T
（2） W/Cp,? Zf,Yf/T
（3） W/Cp,Zf,? Yf/T
在此對(duì)以上的三種方案進(jìn)行分析對(duì)比之后，比較得出方案（2）更容易實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于其他五種方案來說在結(jié)構(gòu)上顯得更加合理。
2.4總體方案的提出、比較和分析
根據(jù)上面提出的運(yùn)動(dòng)分配式（2）提出下面兩種總體方案。
(1)車床改裝方案
根據(jù)對(duì)運(yùn)動(dòng)功能分配式W/Cp，· Zf,cf/T的分析可知，主運(yùn)動(dòng)（即對(duì)工件的驅(qū)動(dòng)）和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)同車床的運(yùn)動(dòng)是相似的。而在車床上的主運(yùn)動(dòng)是工件在三爪卡盤夾持下由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方面，兩者同樣都是沿軸向的直線運(yùn)動(dòng)。所以，在車床改裝方案中，可以由砂帶磨削機(jī)構(gòu)來完成后面的三個(gè)運(yùn)動(dòng)，將砂帶磨削機(jī)構(gòu)整體安裝到車床的刀架位置，用來代替車刀刀架的結(jié)構(gòu)，通過單獨(dú)設(shè)計(jì)，使得砂帶在這套光整加工裝置中成為它的切削刀具。
（2）三導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)
在三導(dǎo)柱機(jī)床結(jié)構(gòu)中，由三根導(dǎo)柱做支撐結(jié)構(gòu)來完成機(jī)床床身的整體框架支撐，而砂帶磨削部分按照上面的分析安裝到機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)上，并且單獨(dú)設(shè)計(jì)成為一個(gè)整體。下面對(duì)兩種方案進(jìn)行分析、比較。
選擇(1)號(hào)方案“車床改裝方案”的好處是：車床的結(jié)構(gòu)的成熟化，使得設(shè)計(jì)部分只涉及到砂帶磨削機(jī)構(gòu)的整體安裝，而在軸驅(qū)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方面，大部分滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的內(nèi)容較少；而缺點(diǎn)在于：車床刀架和三爪卡盤的回轉(zhuǎn)中心高度是固定值，在這種設(shè)定下設(shè)計(jì)砂帶磨削機(jī)構(gòu)時(shí)高度方向上會(huì)受到很大的限制，可能會(huì)造成類似干涉等問題的出現(xiàn)；但由于砂帶磨削對(duì)剛性要求不高，從而會(huì)遭成其大部分結(jié)構(gòu)在砂帶光整加工中并未發(fā)揮作用，使得出現(xiàn)材具浪費(fèi)的問題，這就使得成本提高且浪費(fèi)。
選擇(2)號(hào)方案“三導(dǎo)柱機(jī)床結(jié)構(gòu)”的好處是：在自己設(shè)計(jì)的機(jī)床結(jié)構(gòu)中，可以充分考慮到性價(jià)比以及砂帶磨削的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)符合自己運(yùn)用的機(jī)床。在整體設(shè)計(jì)機(jī)床本身的時(shí)候由于砂帶是彈性磨削過程，在加工過程中砂帶跟工件間沒有太大的剛性聯(lián)系，不需要很高的剛性要求，由此可以在設(shè)計(jì)砂磨機(jī)床身結(jié)構(gòu)時(shí)避免車床功能上的浪費(fèi)；同時(shí)，在成本方面，購(gòu)買一臺(tái)車床的費(fèi)用會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于五導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)的床身設(shè)計(jì)后的費(fèi)用，極大地節(jié)約了成本；砂帶磨削部分的尺寸設(shè)計(jì)的時(shí)候在高度的方向上將不再受到限制，可以保證更佳的加工質(zhì)量，提高了效率，變相的降低了成本；缺點(diǎn)也是顯而易見的：前期的設(shè)計(jì)工作量較大，設(shè)計(jì)的周期加長(zhǎng)，人工成本提高。
經(jīng)過分析前后兩者的優(yōu)缺點(diǎn)之后，從成本性價(jià)比的角度出發(fā)，選擇砂帶光整加工裝置的總體方案為(2)號(hào)方案“三導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)”。
總裝配圖如圖2.2所示：外圓表面磨削裝置由驅(qū)動(dòng)夾持裝置、回轉(zhuǎn)頂尖裝置、砂帶磨削裝置三大部分構(gòu)成。
1)砂帶磨削裝置；2）三爪卡盤；3）主軸；4）機(jī)床底座；5）機(jī)床導(dǎo)柱；6）回轉(zhuǎn)頂尖；7）砂帶
圖2.2 外圓表面砂帶磨削裝置設(shè)計(jì)總裝配圖
3.砂帶加工裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)總體方案
驅(qū)動(dòng)機(jī)是用來實(shí)現(xiàn)本裝置砂帶磨削的主運(yùn)動(dòng)，他的設(shè)計(jì)是十分重要的，作為動(dòng)力的輸入端，不僅要求具有足夠的功率來傳動(dòng)所需要的扭矩，況且其精確度的大小可以直接影響加工的精度。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括電動(dòng)機(jī)的選型，主軸的設(shè)計(jì)，主軸的支撐布置，電機(jī)到主軸的帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)。
如圖3.1所示為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配圖，由主軸組件、驅(qū)動(dòng)帶輪、三抓卡盤構(gòu)成。主要作用是為工件驅(qū)動(dòng)提供動(dòng)力和對(duì)工件進(jìn)行夾緊定位。
1）三爪卡盤；2)主軸；3）主軸支承件；4）帶輪
圖3.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配圖
3.2主軸組件的設(shè)計(jì)
主軸主要組件是由主軸和其支承軸承、傳動(dòng)件、定位元件等組成。主軸和組件完成加工過程的主運(yùn)動(dòng)是，機(jī)床的重要組成部分。主軸主要承載切削力和傳送扭矩，運(yùn)動(dòng)形式由主軸組件傳送給加工件，縮小傳動(dòng)誤差。主軸組件直接參與磨削，故主軸的機(jī)能會(huì)直接影響加工的精度和生產(chǎn)率，是確定機(jī)床經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和總體性能的重要參數(shù)。
主軸組件的設(shè)計(jì)滿足以下基本要求：
（1）靜剛度：簡(jiǎn)稱剛度，指主軸組件在靜載荷作用下，防止機(jī)床變形的能力。一般以主軸端部發(fā)生單位彈性變形時(shí)，在位移方向施加的力表示。
（2）動(dòng)剛度：指機(jī)床處于額定動(dòng)載荷下做切削運(yùn)動(dòng)時(shí)，主軸部件抵抗變形的能力。在不同硬度、多刃切削、尺寸誤差、連續(xù)切削等不利環(huán)境下，切削力是一個(gè)變量。
(3)旋轉(zhuǎn)精度：主軸旋轉(zhuǎn)精度是機(jī)床的一種幾何精度。旋轉(zhuǎn)精度指主軸組件完成裝配后，保持靜止或低速空載情況，刀具或工件安裝基面上的全跳動(dòng)值。它由主軸，支承軸承，箱體孔等部分的制造精度，調(diào)整精度和安裝精度共同決定。
(4)溫升和熱變形：主軸組件運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，切削，軸與軸承間的摩擦，齒輪間的嚙合，都會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，導(dǎo)致周圍出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，發(fā)生熱變形。主軸熱變形會(huì)產(chǎn)生很多負(fù)面影響，如軸承間隙變化，軸心位置偏移，使定位基面的形狀和位置尺寸改變。溫升也會(huì)加熱潤(rùn)滑油，使其粘度下降，阻尼減小，潤(rùn)滑效果降低。
3.2.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型
驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇依據(jù)是功率大小和轉(zhuǎn)速范圍。查閱文獻(xiàn)[14]知：平均相對(duì)線速度v=1m/s。論文開篇設(shè)計(jì)的加工的外圓表面的直徑D=60-150mm。
線速度和轉(zhuǎn)速間的換算關(guān)系如下：
v=πdn6000(rmin) (3.1)
其中，v為線速度，m/s；d為工件直徑，mm；n為工件轉(zhuǎn)速，r/min。將上述數(shù)據(jù)代入公式數(shù)中，得到工件的極限轉(zhuǎn)速：
Nmax=6000vπdmin=6000×1/(π×60)=318.31(r/min) (3.2)
Nmin=60000v/(πdmin）=60000×1/(π×150)=127.32(r/min) (3.3)
綜上，工件轉(zhuǎn)速范圍n=127.32-318.31（r/min）。為滿足不同尺寸工件的加工要求，在實(shí)際選取電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，其范圍應(yīng)該寬于范圍應(yīng)大于計(jì)算結(jié)果。
驅(qū)動(dòng)工件和軸承和軸回回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)消耗了許多的功率上。工件材料選取45鋼，取其密度ρ=7850kg/m^3，得出最大尺寸工件的質(zhì)量：
mmax=14πd2ρlmax=14×π×0.152×7850×0.6=82.23kg （3.4）
由于還沒有確定主軸及軸承的配置，考慮到不可避免的能量損失，另外消耗功率部分的質(zhì)量估計(jì)為m=200kg.
功率消耗計(jì)算公式如下:
P=12JZW2 （3.5）
其中，P為剛體繞定軸回轉(zhuǎn)時(shí)消耗的功率，w；W為剛體對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量剛體，kg/m2；W為剛體的角速度，rad/s。把計(jì)算數(shù)值代入式（3.5）中便可得驅(qū)動(dòng)電機(jī)所消耗功為：
P=12JZW2=1212mr2w2=14mv2=14×82.23+200×12=70.56(w) （3.6）
根據(jù)所求出的電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍和功率大小，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型。通過查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取的電機(jī)型號(hào)為Y90S-6，該類的電動(dòng)機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)，有高效率、性能穩(wěn)定、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)妥可靠、維護(hù)快捷等益處。
表3-1 Y90S-6 電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)
型號(hào) 額定 轉(zhuǎn)速 同步 電流 功率 額定 最大 質(zhì)量
功率 r/min 轉(zhuǎn)速 /A 因數(shù) 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)矩 /kg
/kw r/min N·mm N·mm
Y90S-6 0.75 910 1000 2.3 0.7 2.0 2.2 23
3.2.2主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
主軸構(gòu)造布局正常要按照下列基本原則設(shè)計(jì)：軸的最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)該使得安裝在軸上的零件拆卸方便，定位要可靠，軸受力須均勻；并且具備優(yōu)良的結(jié)構(gòu)工藝，保證加工精度和加工制造；在尺寸設(shè)計(jì)方面，先求的最小軸徑，然后按跟軸配合的零件設(shè)計(jì)階梯軸的尺寸。另外要注意退刀槽、越程槽以及軸肩的設(shè)計(jì)。下面首先計(jì)算軸徑最小允許尺寸。
根據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算軸的最小軸徑尺寸的公式：
d≥35Tτ131-r4=A3Pn11-r4(mm) (3.7)
其中，d為軸的直徑，mm；T為軸傳遞轉(zhuǎn)矩，N·mm；P是軸傳遞的額定功率，kw；n為軸的轉(zhuǎn)速，r/min；[τ]為軸材料的許用切應(yīng)力，M·pa ；A為系數(shù)：r為空心軸的內(nèi)徑d0和外徑d之比，r=d0/d。
工件的動(dòng)力輸入經(jīng)過帶傳動(dòng)最后輸入到主軸的功率p為：
P=P額ηφ=0.75×0.98×0.7=0.52（kw) (3.8)
把軸最低的轉(zhuǎn)速代入公式中，得到在保證強(qiáng)度前提下的軸的最小尺寸。本次設(shè)計(jì)A值取較大值A(chǔ)=112。把主軸設(shè)計(jì)前端部分空心后半部分實(shí)心的設(shè)計(jì)理念。原因是：前段空心結(jié)構(gòu)可以用來增加光整加工裝備的工藝范圍。
下面分兩種不同的情況，分別進(jìn)行計(jì)算：
當(dāng)軸為空心，r=0.5帶入公式：
d1≥35Tτ131-r4=A3Pn11-r4=19.31mm (3.9)
當(dāng)主軸是實(shí)心結(jié)構(gòu)時(shí)，r=0時(shí),帶入公式：
d2≥35Tτ131-r4=A3Pn11-r4=18.90mm (3.10)
經(jīng)過圓整之后得到的最小軸徑尺寸是：d1=24mm；d2=26mm。
支撐跨距較小時(shí)，雖然可以減小主軸的彎曲形變，但是由支撐形變導(dǎo)致的主軸前端位移量增大過多；當(dāng)支撐跨距過大，支撐形式引起的主軸前端位移雖然有所下降，但是主軸彎曲形變過大，同樣會(huì)引起主軸前端的大位移。主軸前端伸縮量a即主軸前端面到前軸承徑向支反力作用中點(diǎn)的距離。他主要由前端部的結(jié)構(gòu)所決定其大小、前支撐軸承配置和密封裝置的型式以及尺寸，都是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后分析得到。盡可能在滿足功能要求下對(duì)伸縮量進(jìn)行縮短處理。通過以上可知存在最佳跨距。主軸的設(shè)計(jì)方案和具體尺寸如下圖3.2所示：
由前文知主軸基本結(jié)構(gòu)是前端為空心后端為實(shí)心。在力學(xué)范疇上屬于簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，主軸前端受力大并且有較大的直徑，向尾部呈階梯狀逐漸遞減，尾部的徑向尺寸也是最小的同時(shí)受力也是最小的。主軸的力學(xué)模型為外伸梁結(jié)構(gòu)。
通常情況下，主軸所受載荷相對(duì)不大，產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼材的屈服極限。所以，強(qiáng)度不做為主軸材料選擇的主要依據(jù)。當(dāng)主軸的慣性矩為定值時(shí)，設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)已確定不變時(shí)，彈性模量越大，主軸的剛度越小，但是鋼材之間彈性模量值基本相近，所以剛度也不對(duì)主軸材料的挑選產(chǎn)生大影響。加工尺寸精度受耐磨性、熱處理方法及熱變形的影響較大，依次選擇主軸材料。綜上所述，選用40Cr作為主軸材料，調(diào)質(zhì)后硬度為241-286HBS。
圖3.2 主軸結(jié)構(gòu)圖
主軸為階段空心軸，以方便卸下頂尖，穿過長(zhǎng)棒料、管道和導(dǎo)線等。主軸前端定位
基準(zhǔn)為短錐面和端面，為了夾持工件用法蘭固定三爪卡盤。V帶作為動(dòng)力的輸入端放
后面，V帶輪用平鍵固定。
3.2.3主軸軸承配置設(shè)計(jì)
由機(jī)床主軸粗大且主軸軸承的直徑較大決定了，軸承所承受的載荷比起其額定動(dòng)載荷要小很多，所以，通常情況下，選擇主軸軸承就不會(huì)依靠承載能力和疲勞壽命來作決定。需要憑借剛度、旋轉(zhuǎn)精度和極限轉(zhuǎn)速來決定主軸軸承。
主軸采用滾動(dòng)軸承支承，以前后支承做為支承方式，前端使用徑向承載能力較強(qiáng)的圓錐滾子軸承是基于受力較大的原因，背靠背放置；后端則用到角接觸球軸承，面對(duì)面放置。由于主軸的低轉(zhuǎn)速，軸承的潤(rùn)滑以脂潤(rùn)滑為主，在裝配時(shí)既需要加入大量的潤(rùn)滑脂，從而確保軸承穩(wěn)定持久的得到潤(rùn)滑。主軸的回轉(zhuǎn)精度受到軸承的影響非常大，尤其是前軸承對(duì)其的影響最為突出，從而需要選取軸承需要遵循前軸承的精度要大于后軸承的原則，指定軸承精度的時(shí)候，通常前軸承選擇P3級(jí)，后軸承則為P4級(jí)。
經(jīng)過和軸徑尺寸配合分析得：圓錐滾子軸承選取型號(hào)為30212，角接觸球軸承選取型號(hào)為7208C。圖3.3即為軸承的配置方式：圓錐滾子軸承置于軸前端，背靠背安
裝；角接觸球軸承置于軸后端，面對(duì)面安裝。
圖3.3 主軸軸承配置
圖3.4 主軸力學(xué)模型
圖3.5 主軸載荷分析圖
3.2.4主軸強(qiáng)度校核
主軸受力情況：工件的重力作用于其前端，徑向?yàn)樯皫ハ髁?；后端承受扭矩作用。受力分析如圖3.4所示。通過此處做一些簡(jiǎn)單描述，作為彈性磨削的磨具的砂帶，它的切削力不大，相比于工件的重力作用基本上可以忽略不計(jì)。主軸載荷圖如圖3.5所示。輸入到軸上的功率是：
P1=Pη(kw) (3.11)
其中，η是傳動(dòng)帶的傳動(dòng)效率。代入數(shù)值計(jì)算得：p1=11×0.88=9.68(kw)
主軸傳遞扭矩：
T=9.55×106Pn（n·mm) (3.12)
代入數(shù)值計(jì)算得：T=9.55×106P106×052127.33=39001.12（n?mm) (3.13)
根據(jù)力矩平衡，可以求出軸處的支反力：
F2=F×l1l2=554.9×168177.5=525.2N (3.14)
F1=F+F2=554.9+525.2=1080.1N (3.15)
主軸受到的最大彎矩:M=FL1=554.9×168=93223.2N （3.16）
主軸截面抗彎系數(shù)： W=πd3321-β4mm3 (3.17)
代入數(shù)值得：W=πd332×1-β4=π×110332×1-0.54=13839(mm3 ) (3.18)
抗彎扭強(qiáng)度校核：
σca=M2+αT2WMPa (3.19)
其中，σca為軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa；M為軸所受的彎矩，N?mm；T為軸所受的扭矩，N?mm；W為軸的抗彎截面系數(shù)，mm3。
代入數(shù)值計(jì)算：
σca=M2+αT2W=93223.22+0.6×3900.113938=4.24MPa （3.20）
因?yàn)橹鬏S選用的材料為40Cr，調(diào)制處理，許用彎曲應(yīng)力[σ-1]=60Mpa。因?yàn)棣襝a<[σ-1]，所以主軸安全。
3.2.5帶傳動(dòng)選型
通過前述設(shè)計(jì)得知：驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為P=7.5kw;同步轉(zhuǎn)速n=1000r/min,所以傳遞功率P=0.75kw。而小帶輪轉(zhuǎn)速為n1=1000r/min。設(shè)計(jì)的工作時(shí)間每天要數(shù)少于10h。
(1)確定計(jì)算功率：
Pca=KAP=1.0×7.5=7.5kw （3.21）
其中，Pca為計(jì)算功率，KA為工作情況系數(shù)
（2）選擇V帶的帶型
根據(jù)前面的計(jì)算功率Pca及其小帶輪的轉(zhuǎn)速n1，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)普通V帶選型圖，最后確定出V帶的類型是B系列，即Z帶。
（3）確定帶輪的基本直徑dd并驗(yàn)算帶速v
根據(jù)B系列V帶類型，它的小帶輪的最小基準(zhǔn)直徑是50mm。在基準(zhǔn)系列中選擇比該數(shù)值大的直徑，初選確定為dd=71mm。如圖3.6所示。
驗(yàn)算帶速：v=πdn60000=π×71×100060000=3.72ms （3.22）
正常的帶速取值范圍是5-25m/s，故基準(zhǔn)直徑的選取符合要求。
圖3.6 帶輪結(jié)構(gòu)圖
（4）確定中心距
中心距的確定依據(jù)于機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在此初選a=1600mm。
(5)確定帶數(shù)
V帶根數(shù)的確定公式為：z=PdP1KαKL
其中，Pd為設(shè)計(jì)功率，KW;P1為單根帶的基本額定功率，KW; KL為帶長(zhǎng)修正系數(shù)。查表可得Kα=1.0，KL=1.02。帶入上面的公式計(jì)算得到：
z=PdP1KαKL=0.750.237×1×1.02=3.1。數(shù)據(jù)圓整，帶的根數(shù)設(shè)計(jì)為4根。
（6）確定帶的初拉力：
F0=5002.5Kα-1Pdzv+mv2N (3.23)
其中，F(xiàn)0為單根V帶所需的最小初拉力,N；Kα為小帶輪包角修正系數(shù)：Pd是設(shè)計(jì)的帶輪功率，kw；v為帶速，m/s；m為帶長(zhǎng)質(zhì)量，kg/m；又m=0.060kg/m：
將數(shù)據(jù)代入公式中可得：
F0=5002.5Kα-1Pdzv+mv2=5002.51-1×0.754×3.72+0.06×3.722=38.6（N）
（3.24）
如圖3.4所示設(shè)計(jì)的帶輪結(jié)構(gòu)圖。實(shí)心結(jié)構(gòu)可裝載4跟V帶。帶輪的具體技術(shù)
要求：表面粗糙Ra=3.2,輪轂和輪緣處不可有縮孔、裂縫、砂眼和氣泡等。
3.2.6工件夾持裝置設(shè)計(jì)
工件夾持裝置設(shè)計(jì)選擇常用的三爪卡盤夾持，回轉(zhuǎn)頂尖輔助支撐。本次設(shè)計(jì)的砂帶磨削光整加工設(shè)備加工工件的最大直徑為60-150mm，故他為三爪卡盤的選用依據(jù)。三爪卡盤的型號(hào)為K11-165。詳細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3.7和表3.1所示。
K11-165可以夾持的工件直徑范圍為3-160mm?；剞D(zhuǎn)頂尖和工件之動(dòng)態(tài)支撐的關(guān)系，他能夠圍繞自己做軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。可繞自身軸線回轉(zhuǎn)，有很高的回轉(zhuǎn)精度，是本次設(shè)計(jì)的首選固定裝置。
圖3.7 三爪自定心卡盤結(jié)構(gòu)
表3.1 三爪自定心卡盤尺寸 (mm)
規(guī)格 D1 D2 D3 H H1 h Z-d
K11-165 130 145 40 96.5 66.5 4.5 3-M8
K11-165可夾持工件直徑范圍為3-160mm，滿足加工工件的尺寸要求，在強(qiáng)度和剛度方面同樣滿足要求。三爪卡盤安裝在主軸前端，內(nèi)圓表面同主軸前端的小圓錐表面配合，起到定位的作用，可保證裝配后的三爪卡盤的回轉(zhuǎn)精度。圓周上均布三個(gè)的螺紋孔，用來安裝三爪卡盤。
3.2.7其他裝置的設(shè)計(jì)
(1)回轉(zhuǎn)頂尖軸向竄動(dòng)設(shè)計(jì)
如圖3.8所示，由于頂尖套有直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向溝槽，所以絲杠螺母結(jié)構(gòu)可將后端手輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸向的直線運(yùn)動(dòng)。逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)手輪，頂尖套在內(nèi)螺紋圓柱銷和導(dǎo)向作用和螺母的前推作用下帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頂尖一起向前運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。當(dāng)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)手輪到底時(shí)，回轉(zhuǎn)頂尖會(huì)被絲杠頂出，需更換頂尖時(shí)，操作方便。
1）頂尖套；2）鎖緊手柄；3）圓柱銷；4）進(jìn)給螺母；5）螺母固定端蓋；6）螺栓；7）單向推力球軸承；8）螺栓；9）圓頭普通平鍵；10）回轉(zhuǎn)頂尖；11）外軸套；12）絲杠；13）外端蓋；14）手輪；15)螺釘
圖3.8 回轉(zhuǎn)頂尖軸向進(jìn)給結(jié)構(gòu)圖
（2）尾座支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
前文已經(jīng)設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)頂尖機(jī)構(gòu)，下面設(shè)計(jì)他在三導(dǎo)柱機(jī)床上的支撐結(jié)構(gòu)。其主體使用焊接結(jié)構(gòu)。焊接結(jié)構(gòu)在形式上靈活多變，可焊接成多種簡(jiǎn)單便捷輕巧的支撐件。相比鑄造件來說，焊接件經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，環(huán)境保護(hù)能力強(qiáng)，加工簡(jiǎn)單，工藝工序少，節(jié)約資源。如圖3.9所示為尾座支撐結(jié)構(gòu)的三維圖。它的上面一層用來安裝回轉(zhuǎn)鎖緊機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)頂尖，通過緊定螺釘相連；下面一層安裝直線軸承，在下平板上開墊片槽和通孔，左右兩側(cè)加裝肋板提高支撐強(qiáng)度。
圖3.9 尾架焊接結(jié)構(gòu)
4.砂帶磨削加工裝置設(shè)計(jì)
根據(jù)緒論中對(duì)砂帶磨削技術(shù)的簡(jiǎn)介可知，砂帶磨削的主要“刀具”是砂帶。本次設(shè)計(jì)中利用的砂帶為靜電植砂、布基材，磨料材料使用到棕剛玉（代號(hào)A，主要成分α－Al2O3）。在磨削抗張強(qiáng)度高的金屬，如各種碳素鋼、可鍛鑄鐵、合金鋼、有色金屬、硬青銅等工件時(shí)可發(fā)揮最大作用。硬度在HRC55以下，抗拉強(qiáng)度低于70kg/mm2。砂帶寬度為100mm。
砂帶磨削裝置的設(shè)計(jì)主要包括接觸輪結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)輪、軸向竄動(dòng)結(jié)構(gòu)、張緊結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向輪和砂帶支撐結(jié)構(gòu)和空間布局等。
如圖4.1所示為砂帶磨削加工裝置總體示意圖。
1）導(dǎo)向輪；2）驅(qū)動(dòng)輪；3）張緊輪；4）砂帶軸向竄動(dòng)機(jī)構(gòu)；5）接觸輪；6）支撐底座
圖4.1 砂帶磨削裝置總裝配圖
4.1 砂帶接觸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
砂帶接觸輪主要起到支撐砂帶、將砂帶支撐至被加工工件上的作用。接觸輪前端正常來講會(huì)鍍上一層就能地柔軟的材料，通常鍍上橡膠。這樣就可以增大砂帶與工件的有有效接觸面積，設(shè)計(jì)中由于砂帶進(jìn)給速度相對(duì)較慢，接觸輪不繞其軸心回轉(zhuǎn)。
如圖4.2，接觸輪由金屬基體和橡膠材料組成。其中金屬基體可滿足接觸輪強(qiáng)度和剛度的要求，其前端做成半圓狀，方便加工，又適合砂帶進(jìn)給。橡膠為設(shè)計(jì)要求。定位方式設(shè)計(jì)為一面兩孔。
在長(zhǎng)期的磨削加工過程中砂帶磨損嚴(yán)重，故此需定期更換接觸輪，保證加工精度。為此設(shè)計(jì)了接觸輪快換機(jī)構(gòu)，在接觸輪兩邊打成通孔，使用緊定螺釘進(jìn)行固定，通孔直徑大于螺釘直徑，在這里使用大直徑的開口墊片進(jìn)行緊固。中未畫出。需要更換接觸輪的時(shí)候，只需擰出一半螺釘，取出開口墊片，再將接觸輪取出更換即可。
1）橡膠；2）金屬基體
圖4.2 接觸輪結(jié)構(gòu)圖
如圖4.3所示為接觸輪安裝布局。安裝氣缸的目的是為了讓接觸輪始終與工件表面緊貼而提供壓力，從而提高加工質(zhì)量。氣缸左右兩邊為直線滑動(dòng)軸承，實(shí)現(xiàn)接觸輪的徑向進(jìn)給。
1）圓形導(dǎo)柱；2）直線軸承；3）氣壓缸；4）接觸輪支撐板；5)接觸輪
圖4.3 接觸輪安裝結(jié)構(gòu)圖
4.2砂帶驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
砂帶磨削據(jù)其基本結(jié)構(gòu)，可分為閉式和開式兩種。如圖4.4和4.5所示，由于閉式結(jié)構(gòu)砂帶呈封閉狀反復(fù)進(jìn)給，造成砂帶磨損加劇，需要經(jīng)常更換砂帶，提高加工成本和資源浪費(fèi)率，而且加工的工件表面質(zhì)量就會(huì)下降，效率低下，并不適用于精加工過程；圖4.5所示開式結(jié)構(gòu)砂帶呈開放式布置，收帶輪電機(jī)工作時(shí)，放帶輪電機(jī)不工作。另外還有張緊輪和導(dǎo)向輪作為輔助。砂帶成卷使用。砂帶的使用效率提高，工件表面質(zhì)量較閉式結(jié)構(gòu)一致性要好。
圖4.4 閉式砂帶磨削形式 圖4.5 開式砂帶磨削形式
如圖4.6所示，開槽長(zhǎng)圓柱端緊定螺釘將動(dòng)力輸入電機(jī)軸和軸套連接起來，最外面的那層是帶輪結(jié)構(gòu)，帶輪和軸套用緊定螺釘連接。將鍵插入帶輪和軸套即可工作，實(shí)現(xiàn)砂帶進(jìn)給。放帶帶輪工作。把鍵插入放帶輪和軸之間，取出插入收帶輪的鍵，讓其自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，完成收帶工作。
1）緊定螺釘；2）電機(jī)軸；3）軸套；4）帶輪；5）緊定螺釘；6）圓頭普通平鍵
圖4.6 驅(qū)動(dòng)帶輪結(jié)構(gòu)圖
4.3砂帶軸向竄動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了提高被加工件的尺寸精度和粗糙度，消除砂帶磨削不均的現(xiàn)象，提高高砂帶的使壽命和耐度，需設(shè)計(jì)砂帶軸向竄動(dòng)，即按砂帶寬度方向來回?cái)[動(dòng)。如圖4.7所示：
整個(gè)軸向竄動(dòng)結(jié)構(gòu)就相當(dāng)于曲柄滑塊結(jié)構(gòu)。其中，直線軸承座和接觸輪以及他的支撐組件構(gòu)成滑塊；連桿機(jī)構(gòu)由中間位置的三個(gè)方向塊構(gòu)成，連桿兩端分別用階梯軸連接。配置角接觸球軸承；曲柄機(jī)構(gòu)由右邊的兩個(gè)方形塊構(gòu)成，其中一個(gè)方向塊上設(shè)長(zhǎng)槽。通過兩個(gè)方形塊的偏心作用來回?cái)[動(dòng)形成曲柄。后面依次為電機(jī)軸、電機(jī)支架和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
1） 連桿結(jié)構(gòu)；2）支撐板；3）曲柄結(jié)構(gòu)；4）直線軸承座；5）階梯軸；6）電機(jī)支架；7）直流電機(jī)
圖4.7 軸向竄動(dòng)結(jié)構(gòu)圖
4.4 砂帶張緊輪設(shè)計(jì)
由于砂帶質(zhì)地較為柔軟，在加工過程砂帶必須保持緊繃狀態(tài)，故此，我們需要為砂帶提供一定的張緊力。如圖4.8，底座支撐桿裝在支撐底板上，導(dǎo)向支撐桿安裝在支撐桿上。導(dǎo)向桿套可以上下移動(dòng)調(diào)節(jié)張緊輪的位置從而達(dá)到張緊砂帶的目的。通過螺釘可將桿套固定。在支撐板上還另外加裝了兩個(gè)彈簧掛鉤，用來輔助砂帶張緊。
1） 彈簧掛鉤；2）底座；3）張緊輪支撐桿；4)圓頭普通平鍵；5)螺釘；6)桿套
7)導(dǎo)向桿套：8)螺母；9)導(dǎo)向桿
圖4.8 砂帶張緊結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
4.5砂帶支撐結(jié)構(gòu)空間布局
為了節(jié)省空間，避免各組成組件之間發(fā)生干涉，本次設(shè)計(jì)的砂帶磨削裝置空間布局設(shè)計(jì)為前后兩部分，每部分各上中下三層的布局。前面部分為砂帶磨削裝置的執(zhí)行部分，即接觸輪部分，包括接觸輪支撐及其在軸向和徑向的進(jìn)給裝置：上面一層為氣壓缸和曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，中間為直線軸承支撐機(jī)構(gòu)，下面一層為張緊輪；后部分主要為整個(gè)裝置輔助部分，包括收放帶輪和張緊輪，亦呈上中下三層布局，如圖4.9所示即為整體布局示意圖。
圖4.9 砂帶支撐結(jié)構(gòu)空間布局
5.結(jié)論
本論文主要進(jìn)行了軸類零件外圓表面砂帶磨削光整加工裝備的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵對(duì)其進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本裝備適用于直徑為60-150mm，最大長(zhǎng)度為600mm的軸類零件外圓表面磨削加工。本論文完成了加工的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其中包括加工裝置的軸向和徑向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、每個(gè)加工單元在空間的位置。沒有選用機(jī)床結(jié)構(gòu)而是選擇了自行設(shè)計(jì)的三導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)，最底下的兩根負(fù)責(zé)導(dǎo)向及尾架支撐固定，而上面的一根導(dǎo)柱主要為了加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的剛度；設(shè)計(jì)初期先對(duì)驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，確定了主軸的結(jié)構(gòu)和尺寸，隨之選擇了軸承，以及電動(dòng)機(jī)型號(hào)；動(dòng)力輸入方式為帶傳動(dòng)；工件夾持裝置選擇三爪卡盤；回轉(zhuǎn)頂尖的設(shè)計(jì)目的是為了提高加工質(zhì)量、改善加工后工件的表面質(zhì)量。回轉(zhuǎn)頂尖通過尾架固定裝置安裝在下面兩根導(dǎo)柱上，選用直線軸承實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。砂帶磨削裝置空間三層布局，前后兩大部分；包括張緊輪、收放帶輪、驅(qū)動(dòng)輪及其電機(jī)、導(dǎo)向輪、接觸輪及支撐組件。另外為了保證接觸輪始終與工件保持接觸，設(shè)計(jì)氣壓缸作為輔助機(jī)構(gòu)，用直線軸承座為主的曲柄滑塊實(shí)現(xiàn)加工裝置的軸向竄動(dòng)。
論文最終設(shè)計(jì)完成全部機(jī)械結(jié)構(gòu)，并繪制相關(guān)圖紙輔助說明。
參 考 文 獻(xiàn)
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附錄1：外文翻譯
脆性固體的加工和表面處理
S CHANDRASEKAR和T N FARRIS
普渡大學(xué)工程學(xué)院，West Lafayette，IN 47907-1282，美國(guó)
電子郵件：chandy @ ecn.purdue.edu
[摘要]：陶瓷材料主要通過磨削加工完成工藝如研磨，研磨和拋光。在研磨中，磨料通常在研磨輪中結(jié)合并與其接觸陶瓷表面以相對(duì)高的滑動(dòng)速度。在研磨和拋光，陶瓷壓在拋光塊上，研磨劑懸浮在拋光塊中在它們之間以漿料的形式。這里的材料去除過程sembles三身穿。在所有這些過程中，機(jī)械作用的研磨劑可以認(rèn)為是重復(fù)應(yīng)用相對(duì)尖銳滑動(dòng)壓印陶瓷表面。在這些條件下，少數(shù)的機(jī)制主導(dǎo)材料去除過程。這些是脆脆的由于裂紋系統(tǒng)定向?yàn)槠叫校M向）和垂直（徑向/中間）到自由表面，延性切削形成薄帶狀芯片，以及在反應(yīng)物存在下的化學(xué)輔助磨損其通過機(jī)械作用（摩擦化學(xué)反應(yīng)）增強(qiáng)。關(guān)系每個(gè)這些機(jī)制的作用在一個(gè)特定的整理過程中可以與施加到磨料顆粒的載荷，滑動(dòng)速度有關(guān)顆粒，以及化學(xué)反應(yīng)物的存在。這些磨損機(jī)構(gòu)也導(dǎo)致以微裂紋形式損壞陶瓷表面附近的殘余物應(yīng)力，塑性變形和表面粗糙度共同決定強(qiáng)度和成品的性能。一個(gè)完整的理解導(dǎo)致材料去除的磨損機(jī)構(gòu)的允許允許設(shè)計(jì)用于生產(chǎn)高陶瓷表面的高效加工工藝質(zhì)量。
[關(guān)鍵詞]陶瓷表面; 磨削加工工藝; 表面處理; 磨損機(jī)制。
1.介紹
對(duì)可靠的元件制造的先進(jìn)陶瓷材料的開發(fā)。的這些材料的使用在1990年達(dá)到約每年140億美元的銷售額并繼續(xù)下去以每年4％的速度增長(zhǎng)（Jahanmir等1992）。先進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)陶瓷與其它材料的組合包括在高溫下的高硬度和強(qiáng)度，化學(xué)穩(wěn)定性，低摩擦和