430 外圓磨床設計

430 外圓磨床設計,磨床,設計 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁第 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）為工具進行切削加工的機床，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 [1]。磨床種類很多，主要有：外圓磨床、內圓磨床、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 [2]。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，進行高效率生產；5、磨床通常是電動機---油泵 ---發(fā)動部件，通過機械，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]。1.1.2 磨床的用途磨床可以加工各種表面，如內、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。磨床可進行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以進行各種高硬、超硬材料的加工，還可以刃磨刀具和進行切斷等，工藝范圍十分廣泛。隨著科學技術的發(fā)展，對機械零件的精度和表面質量要求越來越高，各種高硬度材料的應用日益增多。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。高速磨削和強力磨削，進一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范圍日益擴大。它在金屬切削機床所占的比重不斷上升。目前在工業(yè)發(fā)達的國家中，磨床在機床總數中的比例已達 30%----40%。 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁據 1997 年歐洲機床展覽會(EMO)的調查數據表明，25%的企業(yè)認為磨削是他們應用的最主要的加工技術，車削只占 23%， 鉆削占 22%，其它占 8%；而磨床在企業(yè)中占機床的比例高達 42%，車床占23%，銑床占 22%，鉆床占 14%[3]。由此可見，在精密加工當中，有許多零部件是通過精密磨削來達到其要求的，而精密磨削加工會要在相應的精密磨床上進行，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，則所用的磨床就應該滿足以下幾個基本要求： 1.高幾何精度。 精密磨床應有高的幾何精度，主要有砂輪主軸的回轉精度和導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小于 1um，軸向圓跳動應限制在 2—3um 以內。2.低速進給運動的穩(wěn)定性。 由于砂輪的修整導程要求 10—15mm/min，因此工作臺必須低速進給運動，要求無爬行和無沖擊現(xiàn)象并能平穩(wěn)工作。3.減少振動。 精密磨削時如果產生振動，會對加工質量產生嚴重不良影響。故對于精密磨床，在結構上應考慮減少振動。4.減少熱變形。 精密磨削中熱變形引起的加工誤差會達到總誤差的 50％，故機床和工藝系統(tǒng)的熱變形已經成為實現(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，砂輪旋轉是引起切削旋轉的主要來源和原因?；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以及徑向進給都應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給來調整的。（2）沖壓切削方法：在這種方法中，磨削是通過砂輪的縱向進給和無軸向進給來完成的，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。 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁圖 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，要進行間隙調整外，這種方法與傳遞方法很相似，同時這種方法具有代表性，除了磨削短而粗的軸。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床，它宜于大批量磨削帶肩的軸類工件，有較高的生產率。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°，26.23°，30°，45°） ，如圖 1－3 所示，數控端面外圓磨床 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，所以具有自動磨削循環(huán)，完成快速進給（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，一般具有軸向對刀裝置。 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁圖 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)展趨勢隨著機械產品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應用增多，磨削加工技術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 [4]，如用于超精密磨削的樹脂結合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至 4μm、磨削精度高達 0.025μm ；使用電主軸單元可使砂輪線速度高達 400m/s，但這樣的線速度一般僅用于實驗室，實際生產中常用的砂輪線速度為 40－60m/s ；從精度上看，定位精度＜2μm ，重復定位精度≤±1μm 的機床已越來越多；從主軸轉速來看， 8.2kw 主軸達 60000r/min，13kw 達 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。北京第二機床廠引進日本豐田工機公司先進技術并與之合作生產的 GA（P ）62－63 數控外圓/數控端面外圓磨床，砂輪架采用原裝進口，砂輪線速度可達 60m/s，砂輪架主軸采用高剛性動靜壓軸承提高旋轉精度，采用日本豐田工機公司 GC32－ECNC 磨床專用數控系統(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，絕大部分的機床產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)清洗機和切削液處理機系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對環(huán)保越來越高的要求。 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁第 2 章 設計任務書1.畢業(yè)設計題目MKS1632A 數控高速端面外圓磨床及其砂輪架設計2.畢業(yè)設計目的本課題旨在讓學生綜合運用大學四年所學的知識，設計數控端面外圓磨床 MKS1632A 及其砂輪架，樹立理論聯(lián)系實際的作風和嚴謹的科學態(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、磨床液壓系統(tǒng)圖和磨床零件圖，最后撰寫設計說明書。此外，要求學生跟隨指導老師和研究生參與部分科學研究，進行磨削溫度的測試實驗并撰寫科研報告。3.任務與要求：（1）機床總體布局裝配圖（0#） ；（2）部件裝配圖（砂輪架 0#） ；（3）零件圖 (3#)；（4）液壓傳動圖（1#） ；（5）電氣控制圖 （1#） ；（6）撰寫科研報告；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---φ320mmB 最大加工長度為 750mmC 最大加工重量 200㎏D 砂輪線速度 60m/sE 機床中心高 1095mmF 工件轉速范圍 30~300rpm 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁（3）主要運動 A 砂輪轉動 B 工件轉動C 工作臺縱向移動D 砂輪架斜向進給運動E 砂輪修整器斜向進給運動 F 砂輪修整器旋轉運動5.設計重點與難點（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計和選用；（3）皮帶的選用和帶輪的設計；（4）磨床液壓系統(tǒng)的設計；（5）磨削溫度科研報告。6.擬采用的途徑與手段（1）查閱國內外磨床相關資料，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精度，增強抗振性，延長軸承的使用壽命；（4）采用皮帶和花鍵副帶動主軸旋轉，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；（6）參看液壓工程方面的資料，設計磨床液壓系統(tǒng)的設計；（7）參考磨削溫度測試研究論文，認真、虛心向指導老師和研究生學習，進行大量的磨削溫度的測試實驗。 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁第 3 章 磨床總體布局3.1 磨床總體設計1.加工零件的工藝分析（表面形狀，尺寸，材料，技術條件，批量，加工余量等） ；2.調查研究 比較國內，外同類機床，經驗總結，進行改革創(chuàng)新；3.圖紙設計（總圖，部件裝配圖，零件圖，工藝卡，目錄，標準件，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，調試；5.小批量生產，設計改進；3.2、總體設計注意事項1.保證機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.操作調整方便；4.安全保護，冷卻液供給，回收，廢渣的排除。3.3 磨床總體布局設計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 砂輪進給電機；I 修整器進給電機；j 電器框；k 工作臺進給電機； l 工件旋轉電機； m 潤滑冷卻裝置；n 數控裝置；3.3.3 總體布局初步設計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軌傾斜 30°角； 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁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 數控框7.數控系統(tǒng)的四坐標軸X 軸：砂輪架進給 Y 軸：修整器進給Z 軸：工作臺移動 W 軸：工件旋轉各軸采用交流伺服電機，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，簡化機床結構，易實現(xiàn)標準化，通用化，便于維修） ；9.電器框與機床采用空中走線；10.機床前防護罩采用全封閉結構；3.3.4 縱向與橫向尺寸的確定1.縱向尺寸①工件最大長度 ；1750lm?②頭架長度 ；24③尾架長度 ；3l④上臺面長度 ；41230(2~4)160l m???⑤下臺面長度 ；??54%l? 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁⑥床身長度 ；6514035llm??⑦后床身長度 （考慮砂輪架和修整器大小按經驗給定） ；7⑧整個床身寬度 （視覺效果） ；8l⑨砂輪架中心與機床床身對稱線相距 02310llm??圖 3－2 磨床縱向尺寸2.橫向尺寸1）畫出橫向尺寸床身的 V 型導軌作為橫向尺寸的基準，畫出床身的平面導軌作為高度尺寸的基準線，根據確定的工作臺參數，導軌參數 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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?－1）　??20.5~.'hl?下工作臺 中心 （3－2）14' 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁為工作臺導軌的中心距，工作臺導軌選用 80 75 250'l ?取 =0.3 250=75mm1'h?=0.38 250=95mm2'（2）寬度（3－3）45'BlB??工 作 臺????1/2~301/27508m????∵ ∴ 46?4????71/' /6B??∵ 　 ∴57570Bm?2039工 作 臺3）確定頭，尾架頂尖中心位置頂尖中心安排在 V 型導軌的中心線上，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。缺點是使導軌的承載壓力較大，故常適當加寬 V 型導軌的寬度。4）確定頭尾架頂尖中心至床身底面的高度 H1左右 [1]10~H?根據工人身高，經驗。類比取 1095Hm???212/73.6hCOS???5）工作臺回轉中心位置 B9?9/'/*501Bl??6）確定機床總高 H2h?頭 架 測 量 儀739.610463.55m?所以 H 取 2000mm。 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁3.3.5 砂輪架相關尺寸設計（1）砂輪架導軌（V—平導軌） 100 90 400[1]?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，導軌為 0.15MPa 的卸荷導軌。圖 3－3 砂輪架的導軌（2）砂輪架橫向行程長度 l橫??0.1~2lss???橫 絲 桿 快 速 快 速（3－4）式中 為砂輪架快速進退的行程，一般取 。此處取 。s快 速 60~15m1（3－5）????max/2//2/DD????砂 砂 in絲 桿 工 件 工 件 min?750350安全系數取 0.1 足夠（ 取 373）2501.372.1l????橫 l橫（3）砂輪架高度和長度砂輪架箱體導軌的高度 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 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 12 頁導軌的高度 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，同時考慮橫向進給機構穿過床身的位置等，根據經驗① 取610~5hm?6130h?②砂輪架中心距后床身頂面 712697485Hm????③砂輪架底座安裝修整器，內有傳動絲桿取 40hm?④后床身進給導軌內裝絲桿取 3195734h??820175?圖 3－4 砂輪架的高度和寬度⑤砂輪架底板長度 ：9l9l??1.5~2?中 心*07? 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 13 頁∴ 取 =900mm9l⑥砂輪架導軌長度 ??10950~8ll??橫 37m?∴取 1035l（4）砂輪架主軸電機的選擇①用類比法，砂輪架主軸電機的功率取 15kw；②計算法 （3－6）N??切電 空取??*23.8.5~.ZPV?砂15KW?電3.3.6 頭架相關尺寸的確定①長，寬，高：440 400 411mm[1]?②主軸錐孔：莫氏 5#錐孔③中心高： （3－7）max/2HDK????30~35189通過以上計算頭架中心高取 180mm ④主軸轉速 （3－8）??/0~6*045~2./IVVms??砂取 4ImsI716/in3axr?min20IV??⑤交流伺服電機選擇用類比法，交流伺服電機選擇 IFT5076-DA(D1 18N-M)電機 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 14 頁砂輪磨削工件需要的功率（3－9）??max150*324./ZFrNms??工 件最 大 磨 削 力交流伺服電機通過 20/38 的雙楔齒輪帶傳遞給工件，即∴合格4183/20./NNsl??實⑥主軸不旋轉，主軸靠撥盤帶動旋轉3.3.7 尾架相關尺寸的確定①5#莫氏錐孔②中心高 180mm，臺面傾斜 10°③直線滾動導軌④液壓油缸，頂緊力 12~5kg3.3.8 工作臺要求上，下臺面便于調整頭尾架，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面3.3.9 橫向進給機構交流伺服電機----聯(lián)軸器----滾珠絲桿---- 砂輪架壓力卸荷導軌 壓力油 0.15Mpa 卸去 壓力60%~75V—平導軌 10*95砂輪架行程 37lm?橫3.3.10 砂輪修整器伺服電機--- 絲桿 ---修整器直線滾動導軌主軸直徑 D=50mm，采用液體動壓軸承 (16r/min 6.3Mpa)修整速度= ??1/3~5V砂修整器直徑 故702?1~9/ms?線 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 15 頁修整器行程為 160mm3.3.11 液壓系統(tǒng)①修整器；②尾架；③量儀（兩個） ；④潤滑油；⑤床身導軌；⑥砂輪架卸荷導軌；⑦絲桿；⑧直線滾動導軌；⑨間歇3.3.12 電氣部分SIMENS 810G 控制五坐標軸 砂輪架主軸3.3.13 機床保護系統(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)：設置自動循環(huán)電路，可手動，也可用于腳踏。當工件旋轉時，由于互鎖裝置，使起無效。③油箱液壓控制④數控系統(tǒng)（在各坐標軸）自診斷與保護功能如：電池電壓低 程序錯誤⑤各坐標軸由行程開關控制最大位移量⑥安全防護罩（砂輪罩，機床前罩）全封閉式⑦導軌面保護Ⅰ 工作臺導軌：不銹鋼可伸縮防護罩Ⅱ 砂輪架導軌：㈠前部：翻板式護罩+橡皮（防水） ；㈡后罩：鋼罩。Ⅲ 修整器導軌：折疊式 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 16 頁第 4 章 部件設計（砂輪架）4.1 砂輪架設計的基本要求砂輪架是磨床上用來帶動砂輪作高速旋轉的關鍵部件，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，因此對砂輪架設計提出的基本要求也是針對主軸軸承部分的。砂輪架設計應滿足以下幾點基本要求 [1]：1.主軸旋轉精度高，旋轉穩(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，調整維修方便。4.2 主軸旋轉精度及其提高措施1.砂輪架旋轉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 砂輪架主軸初步設計1. 砂輪架主軸的強度校核進行軸的強度校核時，應根據軸的具體受載及應力情況采取相應的計算方法，并恰當地選取其許用應力。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，應該按照扭轉強度計算，且在選取許用應力時應該選取較小值。砂輪架主軸材料采用 42MnVB，并進行淬火，故選取許用 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 17 頁應力為 40MP。軸的扭轉強度條件為（4－1）??639.5102PnTTWd?????——扭轉切應力（單位為 MP）T?—— 軸所受扭矩（單位為 ）Nm:—— 軸的扭轉截面系數（單位為 ）TW3—— 軸傳遞的功率（單位為 KW）p—— 軸的轉速（單位為 r/mm）n—— 計算界面處的直徑（單位為 mm）d—— 許用扭轉應力（單位為 r/mm）[]T?由上式可得軸的直徑為（4－2）6339.5102[]TPdn???:633.040mm1.2?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.當量直徑 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 18 頁因為是階梯軸，所以用當量直徑法作近似計算當量直徑為：（4－3）41vniLdl??L=140+640+20+32+10=932mm444932061018vd?= 89.36mm2.允許撓度允許撓度[y]=0.0002L To，于是回路中總的熱電勢包含兩個拍爾帖電勢和兩個湯姆遜電勢。中間導體定律：由導體 A 和 B 組成的熱電偶，當接入第三導體 C 后（如圖 2－1（b）所示） ，若保持C 的兩端溫度相同(To) ，回路的總電勢不變。2．熱電偶均質導體定律 [7]由一種均勻導體組成的閉合回路，不論導體的截面和長度如何，以及各處的溫都不能產生熱電勢。 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 46 頁(a) (b)圖 2－1 熱電偶均質導體定律2．均質導體定律引出的結論如果熱電偶兩電極材料相同，則兩端溫度不同，但總輸出電勢仍為零。因此，必須由兩種不同的材料才能構成熱電偶。第 3 章 實驗內容和具體步驟測量工件的平均溫度可以，利用埋裝在工件內部的若干標準熱電偶測得，也可以用溫涂料測試工件內部的溫度。最近出現(xiàn)了用紅外光導纖維測量磨削溫度方面的研究，并且已經取得了一定的成果和突破，但是熱電偶測溫法仍然是能夠進入磨削區(qū)直接測量的唯一有效的方法 [8]。3.1 熱電偶的標定在實際應用中，如果保持自由端溫度 T。不變，就可以根據熱電勢 E 來確定熱端溫度 T 配大小，這就是熱電偶測溫的工作原理 [9]。熱電偶標定指的是確定熱電偶的熱電特性。熱電偶種類很多，常用的不下幾十種，不同材料組成的熱電偶其測溫范圍、適用條件、靈敏度等也不同，實際應用中應有所選擇。已被國際上公認的性能優(yōu)良的和用量最大的熱電偶有：鉑銠-鉑熱電偶（ 分度號） 、鉑銠-鉑銠熱電偶（ 分度號） 、鎳鉻- 鎳硅熱電偶（ 分度號） 、銅 -康銅熱電偶（ 分度號）和鎳鉻- 康銅熱電偶（ 分度號） 。根據本研究的測試要求，本測試中采用的測溫元件是的鎳鉻- 鎳硅熱電偶。鎳鉻-鎳硅熱電偶是一種堿金屬熱電偶，金屬絲直徑范圍較大，工業(yè)應用一般為 0.5-3mm。實驗研究使用時，根據需要可以拉延至更細的直徑。這種熱電偶的特點是價格低廉、靈敏度高、復現(xiàn)性好、高溫下抗氧化能力強，是工業(yè)中和實驗室里大量采用的一種熱電偶。但在還原性介質或硫化物氣氛中易被侵 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 47 頁蝕。鎳鉻-鎳硅熱電偶的技術標準如下表 3 所示。表 3－1 鎳鉻-鎳硅熱電偶的技術標準3.1.1 試驗目的溫度標定指的是確定熱電偶的熱電特性，也就是確定熱電偶結的溫度-電勢曲線。此項試驗是我們即將開展的陶瓷材料的高效深磨溫度測試的一個組成部分。我們準備對高效深磨試驗中用到的鎳鉻-鎳硅絲進行標定，以得到這種材料的第一手資料，為以后的試驗奠定一個堅實的基礎。3.1.2 實驗方法及裝置1、溫度標定方法簡圖溫度標定的方法的簡圖如下：管式電爐的爐溫可調。爐溫可調，與在該爐溫下測得的標定熱電偶的熱電勢相對應就可以畫出待標定熱電偶的熱電特性曲線。熱電偶標定裝置如下圖所示： 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 48 頁圖 3－1 熱電偶標定裝置2、所用到的實驗裝置①臥式管形電爐 型號：SRLK-2-9 ， 功率：2kw②DWK 精密溫度自動控制裝置最大輸出功率：10kw 控制精度： 1250℃±0.5℃③UJ37 型電位差計測量范圍：-1~0~103 毫伏，準確度級別 0.1 級使用溫度范圍：5~45℃④標準熱電偶：鉑鐒-鉑分度號：LB3， 測溫范圍-20℃-1600℃ 新分度號為 S等級：二級⑤被測熱電偶：鎳鉻-鎳硅（直徑 0.28mm）分度號：EU2， 測溫范圍-50℃~1300℃ 新分度號為 K3.1.3 試驗步驟①將試驗設備各電路連線按設備說明書的要求聯(lián)結；②將標準熱電偶和被測熱電偶扎好一起放入臥式管形電爐中；③接通電源；④將 DWK 精密溫度自動控制裝置調到一定數值；⑤測出檢定爐溫下被測熱電偶的熱電勢值，記錄數據；⑥按照標定方案中的數據重復④和⑤；⑦切斷各設備電源，拆卸聯(lián)結線。 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 49 頁3.1.4 實驗數據及總結標定實驗的數據如下表所示：表 3－1 標定實驗的數據上面表格中“—”前的數據為測得的兩種熱電偶的電勢值， “—”后的數據為根據標準的數據分度表格插值得到的相應的溫度值。利用 MATLAB 繪出相應的電勢—溫度曲線如下所示。在上述 4 個圖像中，其中圖 3－2 為鉑鐒-鉑的電勢—溫度曲線；圖 3－3 為鎳鉻- 鎳硅的電勢—溫度曲線；圖 3－4 和圖 3－5 為將鉑鐒-鉑和鎳鉻- 鎳硅的兩曲線匯在一幅圖上，其中圖 3－4 采用圖 1 的橫坐標，圖 3－5 采用圖 2 的橫坐標。從兩條曲線的比較中可以看出，這兩種熱電偶存在一定誤差，基本上是在系統(tǒng)誤差的基礎上又有一定的隨機誤差。 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 50 頁圖 3－2 鉑鐒-鉑的電勢—溫度曲線圖 3－3 鎳鉻-鎳硅的電勢—溫度曲線圖 3－4 鉑鐒-鉑和鎳鉻- 鎳硅兩曲線比較圖（1） 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 51 頁圖 3－5 鉑鐒-鉑和鎳鉻- 鎳硅兩曲線比較圖（2）3.1.5 熱電勢系數制作的熱電偶進行標定后，即用實驗方法測出熱電勢系數后， 0()ET???在實際應用熱電偶時，只需測得某時刻的熱電勢 E，便可得知此刻測點處的溫度 0/?3.2 試件的制作試件的結構如下圖所示。圖 3－6 試件的結構示意圖為了將熱電偶埋入工件，需要將工件分割成兩部分，且在其中一部分上開工藝槽，留出熱電偶絲的 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 52 頁空隙。由于試件的材料為 42Cr，是金屬導體，為了保持熱電偶的兩極，即鎳鉻絲和鎳硅絲絕緣（否則不能產生電勢差，沒有信號） ，試件需要用三片云母片分別夾在工件與鎳鉻絲、鎳鉻絲與鎳硅絲和鎳硅絲與工件之間，如圖所示。其中云母片厚度不大于 0.02mm，鎳鋁-鎳鉻絲的直徑都為 0.15mm，長度初定 3m（其中 1m 用于標定），端部展平即為箔片，厚度不大于 0.035mm，粘結劑采用環(huán)氧樹脂。3.3 砂輪磨削區(qū)溫度的測量砂輪磨削溫度指的是砂輪磨削時砂輪與工件接觸弧面上的溫度,從工件一方看，就相當于工件磨削面上的溫度，它在本質上應該是離散分布在接觸弧面上的磨粒磨削點溫度在試件材料本身的傳導均熱作用下所反映出來的一種集合平均溫度.砂輪磨削溫度與燒傷、裂紋等磨削缺陷密切相關。目前測量砂輪磨削區(qū)域溫度用得最為普遍的試所謂的分塊試件夾絲的半人工熱電偶測量方案，本次試驗也采用此發(fā)案。砂輪磨削區(qū)溫度測量的裝置如圖 3－7 所示。圖 3－7 砂輪磨削區(qū)溫度測量的裝置 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 53 頁參考文獻[1] 蘭雄侯，王繼先，高航磨削溫度理論研究的現(xiàn)狀與進展[A]，沈陽：東北大學機械工程及自動化學院.[2] 徐鴻鈞，磨削溫度的測量技術磨料磨具與磨削，1986 .[3] 王霖、秦勇等，磨削溫度場的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，濟南：山東大學，2001.[4] 徐鴻鈞，高航，磨削溫度的測量技術，徐鴻鈞，高航，沈陽：東北大學機械工程及自動化學院.[5] 田志勛，徐明信，崔云惠，隋金福.熱電現(xiàn)象與熱電偶理論，金屬熱處理， 1994 年第 6 期.[6] 錢立宗，熱電偶及應用[J] ，安慶師院學報(自然科學版)，1995 年 8 月.[7] 袁希光，傳感器技術手冊.國防工業(yè)出版社，1986 年 12 月.[8] 王西彬，任敬心，磨削溫度及熱電偶測量的動態(tài)分析[J] ，中國機械工程，1997 年第 8 卷第 6 期.[9] 崔亦飛，曹云乾，簡易熱電偶制作原理與標定[J] ，儀器儀表學報， 1994 年 5 月第 15 卷第 2 期.[10 ] 黃澤銑等，熱電偶原理及其檢定.[11 ] 陳守仁主編，工程檢測技術（下冊） ，北京：中央電視大學出版社， 1984.[12 ] 任敬心，華定安，磨削原理，西安：西北工業(yè)大學，2000.[13] 王西彬，師漢民，任敬心，結構陶瓷的磨削溫度，西安：西北工業(yè)大學，2002. 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 54 頁附錄 B 英文翻譯在高速磨削中冷卻液速度的分析與實驗研究K.Ramesh， H.Huang， L.Yin（制造技術 SIMTeach 研究所，新加坡，638075）摘 要在高速磨削中，必須使用以水為主的冷卻液，以避免熱燒傷，形成更好的工件表面質量，提高磨削效率。但是，由于在冷卻液中加入了有毒害作用的化學物質，從而引起了環(huán)境問題。政府規(guī)定，使用和處理冷卻液必須嚴格遵守相關法律規(guī)定，但這些費用占到了全部加工成本的 7－17％。本文闡述了冷卻液流量的最小化以及延長冷卻液的再循環(huán)時間等問題，通過計量冷卻液（MQC）噴嘴來實現(xiàn)對冷卻液流量的控制，提供磨削區(qū)域所需要的冷卻液。研究表明，冷卻液速度對高速磨削性能有重大影響。當△達不到一定的速度，冷卻液將無法進入磨削區(qū)域。增大△可以減小噴嘴的開放區(qū)域，減少冷卻液的使用量。通過減少冷卻液的再循環(huán)時間和提高△，對減少環(huán)境污染和降低加工成本都有重大意義。關鍵詞：高速磨削，冷卻液速度，冷卻液流量1、引言高速磨削需要消耗五到六倍于普通磨削所需的能量，因此，使用大量的冷卻液，以避免熱燒傷，獲得更好的表面質量和更長的刀具壽命已經非常普遍 [1]。但是，在冷卻液中加入地有害化學物質，給操作人員的身體健康帶來了危害。有數據表明，在一個工件的加工成本中，冷卻液潤滑的費用占到了7－17％。處理使用過的冷卻液需要焚燒，全球變暖就有一小部分源于此。因此需要制訂一個方案，以便于進一步研究冷卻液流動裝置。從這點來說，綠色加工已經有重大意義。綠色加工有以下兩種：1、干切削；2、通過優(yōu)化和噴嘴設計，高效利用冷卻液并延長其使用時間。本文闡述冷卻液流量的最小化以及相關的磨削特性。2、分析砂輪與工件之間的相互作用產生熱，這是由摩擦和表面的塑性變化導致的，熱量分別傳給了工件、磨屑、冷卻液和砂輪等(如圖 1 所示) 。以前的模型測量實際的磨削上升溫度和冷卻效果，強調冷卻液后的物理特性。由此可以得知，冷卻液的作用是帶走高速磨削后產生的熱。 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 55 頁砂輪是由很薄的磨料層（由不規(guī)則形狀的磨料粘結而成）一層層組成，砂輪高速旋轉與緩慢轉動的工件表面接觸。下列的一些假設用來建立冷卻液速度和它的散熱特性之間的關系：§ 液體流動速度為液體的平均速度；§ 砂輪已進行充分擠壓，各粗砂粒之間的間隙相同；§ 所有的流動都發(fā)生在砂輪寬度以內，砂輪兩邊沒有；§ 對流是熱傳遞的主要形式§ 這個問題被認為是強迫對流。在這種情況下，熱傳遞的效率取決于經驗和對流類型。對流類型可以通過方程（1）計算雷諾系數來估計。（1）Recvl???其中 是冷卻液密度（998.2Kg/ms ） ， 是冷卻液速度（3.6——16.91m/s ） ， 是接觸長度， 是粘性系?c cl?數。在方程（1）中計算得到的雷諾系數表明了冷卻液的流動類型。雷諾系數介于 16030.9 和 73719 之間，當雷諾系數小于 時，冷卻液為紊流，熱傳遞效率可由強迫對流的經驗公式計算得出：510?（2）1/2/3.64RePrNu??其中 為努塞爾系數， 為雷諾系數， 為普朗特系數，還可以進一步定義為：Nu； ； （3） chlkecvl??rpCk?其中 k 為冷卻液的熱傳導率（ W/m.k） ，Cp 為比定壓熱容。結合方程（1）和（2） ，可得到對46.031??流效率為：（4）.759cvhl?h 為對流效率（ ） ，Vc 為冷卻液速度（ ） 。2/kwmK/ms公式（4）表明，在任何磨削條件下，冷卻液速度直接影響到冷卻液的散熱特性。因此設計了一套裝備，它可以使冷卻液速度發(fā)生變化。這個設計包括一個測流計噴嘴，冷卻液從此噴嘴進入磨削區(qū)域，流動特性取決于冷卻液速度，例如圖 2 所示的冷卻液噴嘴。伯努力方程用來計算冷卻液的速度。 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 56 頁（5）221vp???其中 是冷卻液的流出速度， 是冷卻液的流入速度。P1 為噴嘴入口處的壓力，p2 為噴嘴出口處的壓2V1V力。雷諾系數可以確定冷卻液的流動是否為穩(wěn)態(tài)流動。方程（5）利用連續(xù)方程（ ）可以改寫12va?為 ：（6）1/2122()[]/pva???這個方程表明，出口和入口處的壓力比對調整冷卻液的速度有非常重要的意義。3、冷卻液供給方法普通的冷卻液裝置在磨削區(qū)域供給大量的冷卻液，而計量噴嘴與其不同。如圖 3 所示，這個系統(tǒng)由一個流量計、一個壓力計和一個可以調節(jié)的噴嘴，構成的這個系統(tǒng)中有三個不同的噴嘴，它們的橫截面積為 15.14——50.2 。噴嘴的特性（如流量、壓力和速度）如表 1 所示。圖 4 為噴嘴裝置的圖片，包2m括流量計、壓力計和砂輪架等。4、實驗條件每一個噴嘴都在事先確定的實驗條件下，在 SS304 上進行一系列的磨削測試，冷卻液的速度和壓力都要調節(jié)到磨削測試實驗要求達到的數據。在這個過程中，法向力 和切向力 可以用 926SB 測得，以nFt便計算法向力和切向力之比、變化的能量 Q 和磨削能量 E。在磨削過程中，能量 Q 可以用方程（7）來表示：Power—flux（Q）＝ （7）[1/]tFVbDv??[1/]tVbv??其中 是切向力（單位為 N） ，V 是砂輪的線速度（單位為 m/s） ，v 是工作臺移動的速度（單位為 m/s） ，tFb 為砂輪寬度（單位為 mm） ，D 為砂輪直徑（單位為 mm） ，Δ 是磨削深度（單位為 mm） 。方程（7）表明，增加砂輪線速度和切向力可以增大能量 Q，但增加接觸面積，則會減小能量 Q。切削能量就是切削能減去滑行所需的能量剩下的能量?？梢杂梅匠蹋?）表示: 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 57 頁（8）2ftEV?:其中 V 是砂輪線速度，v 是工作臺移動的速度， Δ 是切削深度， f 是砂輪在切削方向的磨削力。以標準的樣品為參照，用電子掃描顯微鏡（放大倍數為 1000 和 500）來測量工件，以分析磨削后的工件表面質量。用光學干涉測面儀拍出來表面的 3D 顯微圖像，來分析冷卻液速度對工件表面質量的影響。表 2 列出了實驗的磨削條件。5、結論與探討5.1、力之比砂輪工作表面之間的摩擦和工件磨削區(qū)域內的原子層之間的摩擦生成熱，這種趨勢可以從切向力和法向力之比中看出來。圖 5 顯示了切向力和法向力之比的趨勢。這是在 SS304 上，以不同的橫截面積的噴嘴和砂輪線速度測得的。當砂輪線速度為 42m/s 時，被測試的噴嘴橫截面積為 15.14——50.25 力之比分別從 0.44 減小到2m0.26、從 0.44 到 0.38 和 0.52 到 0.40，冷卻液速度分別從 3.5m/s 增加到 7m/s、從 4m/s 增加到 11 m/s 和從10.5 m/s 增加到 16 m/s，在相同的磨削條件下（冷卻液速度相同，但砂輪線速度為 104 m/s 時） ，力之比分別從 0.24 減小到 0.16、從 0.38 減小到 0.24 和從 0.24 減小到 0.20。這些結果表明，冷卻液的速度越高，冷卻液穿入磨削區(qū)域的深度越深，從而增強潤滑作用，減小砂輪和工件之間的摩擦。在研磨工件的時候，摩擦使工件首先發(fā)生彈性變形，然后才是塑性變形和材料滑移。據預測，碎屑的成形過程取決于砂輪和工件的相互作用，如塑性變形或材料滑移等。因此為了更加詳細了解冷卻液速度的作用，還需要做更多的實驗。5.2、變化的能量圖 6 所示為在確定的實驗條件下（見表 2） ，能量與冷卻液之間的關系。能量可以利用方程（7）計算得到。很明顯，當冷卻液速度分別從 3.5 增加到 8m/s、從 4 增加到 10.5m./s 和從 11.5 增加到 13.5m/s 時，能量流的數值分別從 28 減小到 22W/ ，從 38 減小到 28W/ 和從 32 減小到 22 W/ ，這種減2m2m2m小的趨勢描敘了在不同的冷卻液速度下，能量的變化情況。同樣還可以分析出，對流效率 h 的作用，在圖 6 中還繪制了對流效率 h 從 22 增加到 46km/ 時的2圖像。增加冷卻液速度可以增加更多未使用的冷卻液。從而帶走更多的熱量，避免減少能量流的趨勢。 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 58 頁5.3、磨削能量圖 7 所示為 SS304 在不同的冷卻液速度下所消耗的磨削能量。在低速時，能量消耗非常小，但是，當分別使用橫截面積為 50.26、28.56 和 15.14 時，隨著冷卻液速度的增量趨近于一個最小值，大約分2m別為 10、15 和 13J/ 。當冷卻液速度很低時，磨削能量反而很大，這種現(xiàn)象于碎屑成形模型不同。這2m表明，只有一部分磨削能量和碎屑成形有關，因此必須用另一機械裝置來計算剩余的能量。另一種與磨削過程有關的機械裝置產生耕犁現(xiàn)象。耕犁的能量以工件材料的變形來計算，而不把去除材料的能量計算在內。因此可以這樣理解，當冷卻液速度較低時，存在耕犁現(xiàn)象的原因是，砂輪工作表面之間的摩擦和工件磨削區(qū)域內的原子層之間的摩擦十分嚴重，而當冷卻液速度很高時，耕犁作用所需的能量趨近于零，最小的切削能量對應于相應的碎屑成形所需的能量（這個能量被認為是一個常量） ，因此，所得到的實驗結果中這一部分能量，即當冷卻液速度為 9.5——15.5 m/s 時，碎屑成形所需的能量為 10——13 J/。這就說明當冷卻液速度較高時，耕犁作用比較小，切削作用占主要方面，這正是冷卻液速度較高2m的一個好處。研究表明，當冷卻液速度教低時，會有大量的耕犁和材料向邊上流動的現(xiàn)象。5.4、表面特性過去的研究表明，使用大量的冷卻液可以使材料發(fā)生塑性流動，它們以耕犁作用產生的溝槽和條痕為主要特征。圖 8 為使用以水為主的冷卻液，在不同的冷卻液速度下得到的工件微結構圖像。在砂輪速度較高和較低的情況下，冷卻液速度為 3.5 m/s 時，樣品表面生成的耕犁溝槽較少，如圖 8（A）和（D） 。圖 8（C ）和（F ）所示為 SS304 在冷卻液速度為 16m/s 是時的圖像。從圖像上可以看到有很多的耕犁溝槽和條痕，也可以從中得知，當冷卻液速度為 3.5m/s 時，樣品表面有大量的材料粘貼，這是由于過量的熱損傷生成大量的熱來不及散去導致的，還有大量的材料扭斷帶，它們呈白色的條狀。在以前的研究中，這種現(xiàn)象被稱為剪斷帶，這個結果還可以進一步驗證樣品的硬度。5.5、硬度SS304 的標注表面受熱灼傷，試件的硬度特性與其相同 [13]。如圖 9 所示的微觀圖，當 Vc 為42m/s， △從 3.5 增加到了 7m/s，從 4 增加到 9.5m/s，從 10.5 增加到 15.5m/s 時，表面硬度分別從 400 減少到 330HV，從 360 減少到 330HV，從 370 減少到 340HV，當砂輪速度 Vc 為 104m/s 時，也有類似硬度降低的趨勢發(fā)生，這進一步證實了△的重大意義。當然，它也表明，微觀下所有試件的硬度值都遠遠高于所能接受的硬度值（200HV） ，這是源于磨削熱和機械拉力。結果表明，增加 △可以減少熱灼傷，因此 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 59 頁在微觀下得到的硬度較低。5.6、表面粗糙度工件表面是由占主導地位的熱或機械拉力，或兩者同時使工件生成具有一定粗糙度值的表面。圖 10所示為在已知磨削條件下的表面粗糙度圖。在所測得的磨削實驗中，據觀察，隨著△的增加，表面粗糙度下降。在實驗范圍內，當△從 3.5 增加到了 8m/s，從 4 增加到 11m/s，從 7 增加到 15.5m/s 時，表面粗糙度值分別從 1.2 減小到 0.6um，從 1.2 減小到 0.55um，從 1.2 減小到 0.56um，這是因為較高的△帶來了更好的潤滑作用合散熱條件。5.7、冷卻液的流動速度在試驗范圍內，△在控制 SS304 的磨削性能中起到非常重要的作用使用橫截面積為 15.14－50.26之間的噴嘴，并使用流量控制閥，使△在 3.5 到 16m/s 之間變動。2m△通過以下兩種方法增加：（1）減小噴嘴的橫截面積；（2）通過控制流量閥。使用具有獨特橫截面積的噴嘴可以增加△。從另一方面來說，減小橫截面積，可以增大△?！骱土鲃铀俣鹊姆秶绫?3 所示。為了既不破壞環(huán)境，又增加冷卻效率，減小冷卻液流動速度和增大△是十分必要的，這樣可以延長循環(huán)時間，增強滲透效果。表 4 總結了各種冷卻液流動速度的情況。當△較高，而冷卻液流動速度較低時，各種磨削性能，如Fe/Fn 之比，能量流 Q 和表面質量都較差。當流動速度在 18－20lpm 之間時，磨削性能的改善仍然很小，這表明在已定條件下，流動速度對磨削性能的限制作用?！鲝?35 減小到 10m/s，導致最小限度從 24－26減小到 18－20lpm。這個結論是從 SS304 得出的，且磨削條件為冷卻液流動速度為 18－20lpm。△為10－11m/s ，且工件表明沒有缺陷。6、結論控制△對高效精密磨削有重大意義，試驗表明最低滾動速度的存在很明顯。它低于不使表面被破壞的流動速度?！鞯目刂平档土诉@種最低限制。當然，△增強了砂輪和工件之間的潤滑效果，使力之比從0.56 減小到 0.38，能量流從 38 減小道 22w/ ，而且，表面粗糙度從 1 減小到 0.58um。這對降低加工2m成本和減少環(huán)境污染都用重大意義。 湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 60 頁感謝作者感謝 Mr.Sim mong，Chye Willson 和 Ms.Jeo Phaik Lvon 在此項目執(zhí)行過程中提供了 測量儀器和實驗助手。這個項目得到了科學技術和研究基金會的支持。項目號：C01-P-067AR。參考文獻（略）