毕业设计（论文）-双平面高速研磨机床的设计

学 号 密 级 双平面高速研磨机床的设计全套图纸加扣 3346389411或3012250582院 （系）名 称： 专 业 名 称： 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 年 月 双平面高速研磨机床的设计院 （系）： 专 业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 年 月双平面高速研磨机床的设计 摘 要研磨加工技术是将工件表面与磨具接触，在这两者之间加入一定数量的研磨剂，并施加一定的压力于研磨工具，使研磨剂减少对工件表面微量切削、滑擦、挤压等作用。研磨是一种重要的精密和超精密加工方法，而精密和超精密加工已经成为国际竞争中取得成功的关键技术，由于研磨加工具有加工质量好加工精度高等优势受到了人们的关注。目前普遍采用的传统散粒慢速研磨，存在着工作效率低，浪费资源等缺点，因此，开发更优越的研磨技术已成为许多学者的追求。为了提高研磨加工效率，保证加工工件的平面度，本文在研究和分析了传统散粒磨料双平面研磨工艺的基础上，针对散粒磨料加工效率低、磨料消耗大的缺点，设计了固着磨料双平面高速研磨机及其辅助装置。固着磨料高速研磨是将散粒的磨料固结起来，在高速研磨机上进行研磨的方法。本文采用则是等速研磨即保证双平面高速研磨机的加工质量和加工精度。根据目前精密研磨加工技术的发展与设计的总体要求，本文完成了双平面高速研磨机床的结构设计，在设计中对主轴电机及相关部件进行了选择设计及校核。关键词：双平面；高速研磨；固着磨料IIIABSTRACTGrinding processing is performed by the compressing contact between the grinding device and machine part with grinding agent added between so that the grinding agent can reduce the minor surface cutting，sliding friction and compression on the two contacted surfaces. Ginding is a kind of important fine or super fine processing methods which is crucial technology to win in the international competitiion and highly appreciated by people due to good processing quality and accuracy of grinding devices. Currrently loose-particle and low-speed grinding process is widely used，whose efficiency is low and resourse-wasting，thus many scholars pursue for more advanced grinding technology. To incease grinding efficiency and assure the levelness of processing parts，this thesis focuses on the defects of loose-particle processing with large grinding material consuption and low processing efficiency，in addition to research and analysis on dual-surface plane grinding process of traditional loose-particle grinding materials，meanwhile probes on how to increase the processing accuracy and automatic level and designs the high-speed grinding machine of adhered dual-surface grinding material and its auxiliary devices. The high speed grinding with adhered grinding material is performed with grinding materials secured on high-speed special grinding machine. This thesis deals with the problem of interaction between the acting axis and cylinder with cylinder. According to the current ultra-precision grinding technology and the overall design requirement, a dual-plane high-speed grinding machine structure of the program is designed and chosed . In the design of the machine , the spindle motor and related agenciesforthe designandcheckingparts was finished. Key Words：double-sides ; high speed-abrasive ; solid abrasives ; floating-abrasive目 录第1章 绪论11.1 精密加工技术发展状况11.2 研磨加工的现状11.3 研磨加工的特点21.4 研磨技术的新发展31.5 固着磨料高速研磨的研究现状61.6 本设计的目的和内容81.6.1 本设计的目的81.6.2 本设计的内容9第2章 双平面高速研磨机床的设计方案102.1 设计的总体要求102.2 总体方案的确定102.3 双平面高速研磨机床的多方案设计102.3.1 研磨过程中传动系统多方案设计102.3.2 加工过程中工件夹具多方案设计112.3.3 研磨过程中工件装卸多方案设计132.4 设计方案的选择和确定132.4.1 研磨过程中传动系统设计方案的选择和确定132.4.2 加工过程中工件夹具的选择和确定142.4.3 研磨过程中工件装卸方案的选择和确定142.5 本章小结15第3章 机床主要部件的选取设计及校核163.1 机床整体设计163.2 机床主轴电机选择173.3 传动带v带轮的设计193.4 主轴的设计及校核203.4.1 主轴的设计203.4.2 主轴的校核213.5 下磨盘及上磨盘的设计223.5.1 下磨盘的设计223.5.2 上磨盘的设计233.6 中心轮系的设计233.7 滚动轴承的选择与校核243.7.1 滚动轴承的选择243.7.2 滚动轴承的校核253.8 本章小结26第4章 气动控制系统及主轴调速系统的设计284.1 气动控制系统的设计284.2 主轴调速系统的设计284.3 本章小结31第5章 机床的三维建模与实物模型325.1 概述325.2 三维建模软件的介绍325.3 三维建模工作的主要内容335.4 本章小结35结论36参考文献37致谢38附录40 第1章 绪论1.1 精密加工技术发展状况精密和超精密加工已经成为国际竞争中取得成功的关键技术，因为许多现代产品需要很高的制造精度。发展尖端技术，发展国防工业，发展微电子工业都需要精密和超精密零部件。当代的精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿，也是明天技术的基础1。目前，在发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是1。与此相 应，通常将加工精度在0.1l，加工表面粗糙度在Ra0.020.1之间的加工方法称为精密加工，而将加工精度高于0.1，加工表面粗糙度小于Ra0.0l的加工方法称为超精密加工1。我国现在的机械制造技术水平和国外相比还有相当大的差距，主要表现在两个发展方向上,一个是高度自动化技术，以FMS、CIMS和敏捷制造技术为代表；另一个是精密和超精密加工，以超精密加工为代表。当代多种超精密加工方法已达到纳米级，而且实现了单个原子的移动。为了进一步提高超精密加工技术水平，各工业发达国家都在努力冲刺。日本的ERATO计划中，把纳米技术作为其六项优先技术之一。美国的VHSIC计划正在进行，在英国国家纳米技术（NION）计划已经实行。令人鼓舞的是我国已把先进制造技术作为今后重要发展的研究领域2。1.2 研磨加工的现状研磨是一种重要的精密和超精密加工方法。研磨加工除了加工质量和加工精度高这一特点外，还具有加工材料广的特点，几乎可以加工任何固态材料。正是由于这一特点，研磨加工方法的应用比较早，在原始社会，人类的祖先就用研磨加工方法来加工石制工具。后来，由于切削刀具材料的发展，切削加工因效率高而逐渐受到重视，使得切削加工在机械加工领域中占很大比例，而研磨加工在机械加工领域的比例一度减少。但近几年，随着社会的进步，人们对产品性能的要求日益提高，研磨加工因其加工精度和加工质量高而再次受到人们的关注。许多人从事研磨加工技术的研究，其宗旨都是进一步提高研磨加工效率、加工精度，降低加工成本。 目前，国内外研磨主要还是采用散粒磨料在慢速研磨机上研磨。其特点是加工设备简单，投资少，加工精度不稳定，加工成本高，效率低。正是由于散粒磨料研磨存在一些不足，所以许多学者在研究新的研磨加工技术3。 有人研究新型研磨液，以改善研磨效果。还有人研究了不同磨料和不同材料磨盘的研磨效果，以寻求对应于不同工件的最佳磨料及磨盘。 Jeong-Du Kin、Min-Seog Choi和Takao Shinmura、Toshio Aiza- wa等人专门研究了圆柱面的研磨加工，杉浦修等人研究采用磁力研磨法加工圆柱面的研磨机取得了较好的效果。我国的学者，如天津大学的邓广敏等人专门研究了陶瓷圆柱面的研磨，周俊研究了主轴套筒的研磨4，朱长茂研究了高精度轴的研磨加工。1.3 研磨加工的特点研磨加工是精密零件的精密加工方法之一，同时也是一种磨削加工技术。它是利用游离的磨粒与研磨工具,去除工件表面微量金属，使工件达到预定的几何精度和极小的表面粗糙度值（尺寸精度可达0.025m,表面粗糙度值Ra0.01m）。随着科学技术的发展，计算机控制高自动化的超精密研磨加工将提供一种可靠的和有效加工手段。它具有下列特点：(1) 研磨加工是以微小磨粒及研磨剂在工件与研磨工具之间无强制性引导不断改变方向的旋转及相对滑动，形成对工件表面进行轻微切削，这样可达到高精度要求，包括尺寸、形状精度和一部分相对位置精度。(2) 研磨加工技术一般在低速、低压条件下进行。切削热小、温度低、工件表面变质层薄、只去除微量金属表面。这样工件表面光洁，对塑性、脆性材料均可实现高精度、高平面质量镜面加工。(3) 研磨加工技术不苛求设备精度条件和复杂的加工设备，可实现工件与磨具之间的相对运动。(4) 研磨技术适用于金属材料、非金属材料加工,而且可研磨任何形状表面的工件，因此，它是应用最广泛的精密加工方法之一。1.4 研磨技术的新发展目前普遍采用的是传统散粒慢速研磨，存在的缺点主要有：(1) 磨料散置于磨盘上，为避免磨料飞溅，磨盘转速不能太高，因此加工效率低；(2) 磨料与从工件上磨下的碎屑混淆在一起，不能充分发挥切削作用，而且还要与这些碎屑一起被清洗掉，浪费能源、浪费磨料；(3) 磨料在磨盘上是随机分布的，其分布密度不均，造成对工件研磨切削量不均，工件面形精度不易控制；特别是磨料与工件间的相对运动具有随机性，这也增加了工件面形精度的不确定因素；(4) 在研磨加工中要严格控制冷却液的流量，以避免冲走磨料，这使得冷却效果变差，容易引起工件升温，造成加工精度下降；(5) 大颗粒磨料起主要切削作用，易划伤工件表面，所以对磨料尺寸均匀性要求高；(6) 磨料能嵌入软材质的工件表面，影响工件的使用性能；(7) 在研磨过程中磨料之间相互切削，浪费磨料；(8) 磨盘磨损后修整难度加大；(9) 各道工序间清洗工件要严格；(10)工人劳动强度大，对工人操作技术水平要求高。考虑到上述原因，人们试图探索新的研磨方法，以解决散粒磨料研磨所存在的问题。所以出现了振动研磨、磁流体研磨、磁力研磨、液体结合剂砂轮研磨、电解研磨、ELID在线修整研磨、固着磨料研磨等各种新的研磨加工方法。 振动研磨就是在研磨过程中，使磨料与工件的相对运动附加以振动。其主要目的是提高加工效率。如在研磨中采用振幅1225，频率为25万赫兹的超声波振动，可提高加工效率15倍。磁性流体研磨是利用磁性流体本身所具有的液体流动性和磁性材料的磁性以及外磁场作用来保持磨粒与工件之间产生相对运动而达到研磨光整工件表面的精加工方法。它具有加工质量好，表面精度高，不会在加工表面形成新的加工变质层，适应加工材料广，并可适用于复杂形面的表面精加工的特点。南京航空学院的潘良贤等人在这方面做了许多工作，在研磨机理方面进行了深人的研究，取得了一些成果，已加工表面粗糙度达Ra0.005。哈尔滨工业大学的金沫吉等人专门研究了磁流体研磨法加工陶瓷球，得出了研磨参数与研磨效率的关系，证明这种加工方法的高效性和高质量性，取得了较好的效果4。磁性磨料研磨也称为磁力研磨，它是将工件置于磁场中，而在磁场中填充着微细且具有磁性的磨料，磨料在磁场的作用下对工件表面产生压力。当工件相对磁场存在着相对运动时，磨料对工件产生研磨切削作用5。这种加工方法的优点是通过控制磁场强度，很容易控制研磨压力，并且因为是柔性研磨，适合研磨工件的形状较为广泛，另外还可以去除较小的毛刺。我国的李益民等人探讨了用磁力研磨法去毛刺，取得了较好的效果6。液体结合剂砂轮研磨作为一种高效研磨的方法，正在受到人们的重视。日本的河田研治等人在这方面做了许多研究工作，取得了较好的效果，采用该方法加工，工件已加工表面粗糙度达Rmax0.01以下。液体结合剂砂轮结构与普通砂轮大体相同（如图1.1所示）。采用液体结合剂砂轮研磨有如下特点：(1) 加工精度及表面质量与普通研磨一样时，加工效率高于普通研磨；(2) 磨料自锐性好，能长时间保持高效率研磨；(3) 砂轮成形非常容易，可适用于非球面等复杂形状的研磨；(4) 相对加工性而言，可以制成非常宽的砂轮；(5) 由于只需要磨粒和适宜的液体就可以制作砂轮，所以加工面的质量控制非常容易；图1.1 液体结合剂砂轮结构(5) 由于结合剂可以使用酸性溶液和碱性溶液，所以可用于期待化学作用的研磨和有吸湿性的特殊工件的研磨。电解研磨是应用较早的电化学复合加工工艺，可蚀除金属表面大的粗糙度而使表面平整，也可蚀除金属表面微观不平，使其光滑成镜面。电解研磨原理是通过电解蚀除金属表面，但在蚀除过程中，会产生钝化膜，所以再加上机械研磨，去除表面微观高点的钝化膜，使其能继续电解蚀除，反复进行，从而使加工表面逐渐平整光滑。这种加工方法可以消除传统散粒磨料研磨加工在工件已加工表面上产生的加工变质层，因此受到了人们的重视。北京理工大学的陈幼松探讨了在电解研磨中应用电火花加工技术，开发了电解电火花复合研磨加工方法。采用这一新方法，加工SiC陶瓷，加工效率提高4倍。杭州电子工业学院的文贵林利用粘弹性磨料布进行电解复合加工镜面，也取得了很好的效果，并研制出相应的加工装置。一般来说，磨粒尺寸越小，所加工的工件表面粗糙度值越小，但对于固着磨料研磨，磨粒尺寸太小，容易使磨具上的工作面被加工过程产生的磨屑堵塞，至使加工过程无法继续进行。ELID（电解在线修整）技术则很好地解决了这一问题。工件被压在磨具上，磨具通过电刷连接到电源的正极上，电源负极则固定在工件磨具上方约0.3mm处，通过磨削液负极与磨盘之间发生电解现象，在机械磨削与电解的双重作用下，可以使磨具保持有良好的自锐性，Nobuhide ITOH使用5的金刚石微粉磨具，通过ELID研磨加工Si片，得到了粗糙度值为2.8（P-V值）的已加工表面，且用ESM观测不到脆性裂纹。事实上，除上面介绍的一些研磨方法外，还有许多其它方法，但因应用没有这些方法广泛，这里就不再一一赘述。1.5 固着磨料高速研磨的研究现状固着磨料高速研磨是将散粒的磨料固结起来，制成专用磨具，在高速研磨机上进行研磨的方法。所用的专用磨具是根据工件的要求，用不同的磨料制成丸片，再用丸片制成不同形状的磨具，图1.2为平面固着磨料研磨的磨具示意图。固着磨料高速研磨在国外是在六十年代发展起来的，我国是从七十年代开始着手研究的。固着磨料研磨很好地解决了传统的散粒磨料研磨中所存在的大部分缺欠。其最大特点是能显著提高研磨加工效率，而这是限制传统研磨广泛应用的最大障碍，因此固着磨料高速研磨一出现就受到了人们的重视7。长春光机学院从七十年代起开始从事固着磨料研磨加工技术的研究，并成立了专门从事这一技术研究的课题组，探讨了在固着磨料研磨中，研磨压力等对研磨效率和加工质量的影响，有力地推动了这一新技术的推广应用。进入八十年代，我国从事固着磨料研磨研究的人逐渐增多。较早的有北京理工大学的查立豫教授，浙江大学的曹天宁教授等。他们既探讨研磨机理、研磨工艺，又探讨磨具与工件间的相对运动。后来裴庆魁、林锦文、章黎明、王翠娣、王锣、辛企明等一批专家学者都从事着固着磨料研磨加工技术的研究8。由于固着磨料研磨具有许多优点，因此不仅国内的专家学者从事这一技术的研究，而且国外也有人从事这一技术的研究。早在80年代David等人就研究金刚石固着磨料研磨机理，固着磨料研磨加工工件已加工表面粗糙度及破坏层等的变化规律9。其研究的加工材料是玻璃，重点是探讨工件已加工表面粗糙度和材料去除量随研磨加工时间的变化规律。还比较了不同冷却液间图1.2 磨具示意图的效果。发现了表面粗糙度与破坏层深度有一恒定关系，这就使人们能根据工件表面粗糙度值来确定下道工序的去除深度。目前国外较重视磨料性能的改进，以及丸片制作技术的研究，如探讨如何避免丸片的脱层及裂缝，避免丸片中混人空气，提高磨料和结合剂的均匀性等9。为了更好地改善固着磨料研磨效果，提高丸片质量，日本东京大学的JuichiIken等人还研究了利用电泳沉积法制造高质量、细磨粒丸片。采用他们研制的丸片加工硅片，已加工表面质量得到了很大改善，达到8nm（P-V值）。国外还有人采用金刚石丸片研磨加工球面和非球面，提高了加工效率，取得了很好的效果9。但固着磨料研磨加工技术还有一些难题没有解决，如磨具磨损、磨具表面由于磨料分布不连续对工件产生撞击等。固着磨料研磨也与传统的慢速研磨一样，当磨具在研磨中出现磨损时，会导致被加工件面形精度下降，因此要及时修整磨具。而以往的散粒磨料研磨，其磨盘加工性较好，所以只要工人的技术水平较高，修整还比较容易，而固着磨料研磨的磨具，表面上固结着极耐磨的磨料，修整十分困难。为解决磨具磨损问题，长春光机学院的老师们探讨了磨具磨损规律针对球面磨研，发现了磨具理想磨损的数学表达式，也称为余弦磨耗规律，并得出根据此规律磨具磨片的分布规则。此后，王长兴教授与课题组又专门研究了平面固着磨料研磨中磨具磨损，并探讨了磨具设计问题。磨具磨损与研磨加工中磨具和工件间的相对运动及运动轨迹有着十分密切的关系，为此在70年代末80年代初，光机学院的李愚和老师与刘桂玲老师又分别探讨了平面研磨和球面研磨中，磨具和工件间的相对运动。刘绍东老师又从力学角度分析磨具磨损原因。这些研究成果都为进一步研究浮动研磨磨具磨损规律奠定了基础10。为进一步完善固着磨料研磨加工技术，长春光机学院的杨建东老师对固着磨料的浮动研磨中工件转速进行了研究，解决了工件转速与偏心距、研磨压力、工件半径、工件与磨具间的摩擦系数等加工参数之间的关系，并提出了磨具均匀磨损及工件均匀研磨理论。本文正是以这一理论为基础，设计磨具及给定研磨加工的参数，从而保证在研磨加工过程中，不修整磨具，也能保持磨具及加工工件的面形精度，从而在保证研磨加工精度的同时，提高加工效率。1.6 本设计的目的和内容1.6.1 本设计的目的本设计的目的是根据给定的设计参数，完成双平面高速研磨机床的设计。本课题是典型的机电一体化课题，属于工程设计类型题目，结构典型。通过设计可使所学机械学、力学、电工学知识得到综合应用。结构设计以及控制系统设计能力都能得到训练，可有效地提高分析问题，解决问题的能力及机电一体化水平。1.6.2 本设计的内容(1) 完成总体方案设计，对传动系统的方案进行验证选取，对相应的参数进行计算设计，对重要部件进行设计选取；(2) 完成电气控制系统的设计，对重要部件进行设计选取；(3) 完成主要部件的三维建模。第2章 双平面高速研磨机床的设计方案2.1 设计的总体要求技术要求：(1) 加工对象：直径30mm，长度46 mm的不锈钢柱体；(2) 磨具直径：600mm； (3) 主轴转速：200720r/min。2.2 总体方案的确定机床的布局形式有立式、卧式及斜置式等；其中基础支撑件的形式又有底座式、立柱式、龙门式等。基础支撑件的结构又有一体式和分离式等。因此根据不同的设计参数，机床的整体布局有不同的选择途径。比如：1）满足加工的布局，2）满足换刀布局，3）满足多坐标联动的布局，4）适合快速换刀的要求的布局，5）适合多工位加工要求的布局，6）适合可换工作台要求的布局等。在本次的设计中，由以上参数确定其为立式磨床。主要加工对象为不锈钢，精度要求较高，加工并不困难，所需要的功率也不大。立式磨床主轴和工作台垂直，主要用于加工水平面内的形面。在双平面高速研磨机床中，采用工作台移动，升降的方式，这是本次设计所选用的布局形式。2.3 双平面高速研磨机床的多方案设计2.3.1 研磨过程中传动系统多方案设计 1、电机通过减速器带动主轴转动方案此方案中，电动机通过与减速器相连，使主轴达到预定的转速。可以选择蜗轮蜗杆传动装置或者圆锥圆柱齿轮减速器得到旋转方向的改变（蜗轮蜗杆传动装置见图2.1，圆锥圆柱齿轮减速器见图2.2）。 图2.1 蜗轮蜗杆传动装置图2.2 圆锥圆柱齿轮减速器 2、电动机通过带传动带动主轴旋转方案 此方案中，电动机与主轴通过带传动连接，使主轴达到预定的转速，此种传动方案较上一种结构简单，但同样能实现传动要求。2.3.2 加工过程中工件夹具多方案设计 1、工件直接放置在两磨盘中间 由于上下磨盘的高速旋转，加工过程中产生的热量过多，这必然会引起工件和磨具的热变形。因此，必须考虑冷却问题，为提高冷却效果，须使冷却液直接浇注到磨削加工区。除此之外此种方案易出现工件打滑的现象，且工件表面研磨不均匀，不予考虑。 2、通过行星轮系使工件固定为避免工件在加工过程中打滑，可设计行星轮系。同时在行星轮中加工出适合工件的尺寸，而使工件固定在其中。在此轮系中，中心轮通过键连接与主轴达到相同的转速，而行星轮与中心轮啮合，这样研磨过程中工件也获得了一个速度，为使结构简化，可在原齿轮的基础上改良设计中心轮与行星轮（改良中心轮的三维示意图见图2.3，工件卡在行星轮中的三维示意图见图2.4）。图2.3 改良中心轮的三维示意图图2.4 工件卡在行星轮中的三维图 3、设计特殊夹具固定工件可在研磨过程中设计不同形状的夹具，用该夹具将工件固定，使工件不出现打滑现象。2.3.3 研磨过程中工件装卸多方案设计1、电气系统控制上磨盘升降装卸工件加工完毕卸下工件时，需通过电气系统控制气缸上升进而使上磨盘向上移动，当磨盘移动到装卸工件所需高度时，便可以卸下工件。安装上待研磨的工件后，同样需要通过电气系统控制气缸下降而使上磨盘向下移动，当磨盘移动到工件预订高度时重新开始研磨工件。2、伸出轴通过摆臂带动上磨盘移动进而装卸工件在研磨过程结束后，可以使另一根轴转动通过摆臂带动上磨盘转动使工件上部暴露在外，便可以装卸工件。3、通过升降台升降装卸工件研磨过程结束后，可以通过升降台在导轨方向的移动使下磨盘下降，当下磨盘降到一定位置使工件上部暴露在外时便可以进行工件的装卸与更换。此种方式较为繁琐。2.4 设计方案的选择和确定2.4.1 研磨过程中传动系统设计方案的选择和确定先根据不同方式的方案进行对比分析，通过各种方式的优缺点进行评价选择。1、电机通过减速器带动主轴转动方案此方案中，电动机通过与减速器相连，使主轴达到预定的转速。可以选择蜗轮蜗杆减速器或者圆锥圆柱齿轮减速器得到旋转方向的改变。但是因为蜗轮蜗杆减速器的传动比一般较大，所以蜗轮蜗杆减速器不合适。圆锥圆柱齿轮减速器虽然可以使传动角度改变，但是它无法在空间上改变传动的方向，所以圆锥圆柱齿轮减速器仍然不合适。所以摒弃此种方法。2、电动机通过带传动带动主轴旋转方案此方案中，电动机与主轴通过带传动连接，使主轴达到预定的转速，在电动机伸出轴通过传送带传动时需加张紧装置，此种传动方案较上一种结构简单，但同样能实现传动要求。所以在传动部分，运用带传动带动主轴的转动。2.4.2 加工过程中工件夹具的选择和确定1、工件直接放置在两磨盘中间由于上下磨盘的高速旋转，加工过程中产生的热量过多，这必然会引起工件和磨具的热变形。因此，必须考虑冷却问题，为提高冷却效果，须使冷却液直接浇注到磨削加工区。除此之外此种方案易出现工件打滑的现象，且工件表面研磨不均匀，不予考虑。2、通过行星轮系使工件固定为避免工件在加工过程中打滑，可设计行星轮系。同时在行星轮中加工出适合工件的尺寸，而使工件固定在其中。在此轮系中，中心轮通过键连接与主轴达到相同的转速，而行星轮与中心轮啮合，这样研磨过程中工件也获得了一个速度，为使结构简化，可在齿轮的基础上改良设计中心轮与行星轮。此种方案解决了工件固定的问题。通过对比选择此种夹具。3、设计特殊夹具固定工件可在研磨过程中，用该夹具将工件固定，使工件不出现打滑现象。2.4.3 研磨过程中工件装卸方案的选择和确定1、电气系统控制上磨盘升降装卸工件加工完毕卸下工件时，需通过电气系统控制气缸上升进而使上磨盘向上移动，当磨盘移动到装卸工件所需高度时，便可以卸下工件。安装上待研磨的工件后，同样需要通过电气系统控制气缸下降而使上磨盘向下移动，当磨盘移动到工件预订高度时重新开始研磨工件。在此种方案中，利用气缸带动上磨盘的移动较简便。2、伸出轴通过摆臂带动上磨盘移动进而装卸工件在研磨过程结束后，可以使另一根轴转动通过摆臂带动上磨盘转动使工件上部暴露在外，便可以装卸工件，此种方案同样具有可行性，但是利用摆臂装卸工件会使结构更加负责，通过对比优先选择利用气缸带动上磨盘运动进而装卸工件。3、通过升降台升降装卸工件研磨过程结束后，可以通过升降台在导轨方向的移动使下磨盘下降，当下磨盘降到一定位置使工件上部暴露在外时便可以进行工件的装卸与更换。此种方式较为繁琐，所以摒弃此方案。 2.5 本章小结在本章节中，对系统的整体方案进行了设计，确定了其整体布局形式为立式磨床，上磨盘通过上下升降来完成工件的装卸。传动方案选取为主传动系统采用主轴电动机通过带传动带动主轴旋转的方式。本章主要完成双平面高速研磨机床的方案提出、论证及最终的方案确定。第3章 机床主要部件的选取设计及校核研磨机床是实现研磨加工的首要基础条件，一台设计合理的研磨机床不但能保证研磨加工的质量，还能提高加工效率，降低操作者的劳动强度。为此，本文在保证加工精度的同时，努力做到使机床结构简单，操作方便。在这一章里，主要介绍了机床传动原理及各主要部件的设计原理。3.1 机床整体设计根据加工工件尺寸、精度、材料以及工件加工的工艺性，确定本文设计的机床样机的性能参数如下： 加工对象：直径30mm，长度46mm的不锈钢柱体； 磨具直径：600mm； 主轴转速：200720rpm。固着磨料双平面研磨机床原理如图3.1所示。电动机通过带传动与主轴带动下磨盘、中心轮、上磨盘的旋转。在研磨过程中，气缸使上磨盘对工件施加研磨压力。研磨过程结束后，电气控制部分通过气缸带动上磨盘的移动进而装卸工件。由该图可知，上下磨盘转速同为720rpm。本机床与传统的慢速研磨机显著的区别是，机床的主轴转速高（最高转速720rpm，而传统的慢速研磨机的主轴转速一般为4060rpm）。同时磨具与工件间的摩擦系数比较大，这导致的一个问题是，加工中产生的热量多，这会引起工件和磨具的热变形。因此，必须考虑冷却问题，为提高冷却效果，须使冷却液直接浇注到磨削加工区。并借助离心力作用向外飞溅，这不仅可以起到冷却作用，而且还可以冲走磨削下来的工件碎屑及磨具上磨掉的磨料，这样可以防止它们阻碍磨削及划伤工件已加工表面。 因为机床要求达到的加工质量和加工精度高（表面粗糙度为Ra0.0050.03，平面度为0.9），所以要求主轴传动平稳、无冲击，刚度好，轴向及径向跳动小。 图3.1 双平面高速研磨机床原理图3.2 机床主轴电机选择电动机的容量（额定功率）应根据主轴的负载决定，容量小于工作要求则不能保证机床正常工作，且会使电动机长期过载，发热，使其过早损坏；容量过大，则电动机价格高，能量不能充分利用，且由于经常不在额定负荷下运行，效率和功率因此都较低，造成很大浪费。我们参照平面高速研磨中工件作用在主轴上的阻力矩选择适当的电动机容量。取作用在工件上的正压力N=660N，所以工件与磨具间的摩擦力F为F=N其中为工件与磨具间的摩擦系数。制作磨具所用磨料粒度对摩擦系数F影响最大。当磨料较粗时，摩擦系数随磨料粒度增加而增大。这是因为磨料粒度小到一定程度时，磨具与工件接触面上的部分接触点上产生了纯净表面接触和真空接触，随着磨料逐渐变细，这两种接触所占比例也逐渐增大，而这两种接触的摩擦系数都很大，这必然引起整个接触面上的总摩擦系数增大，我们选摩擦系数的最大值0.5来计算工件与磨具间的摩擦力，计算得F=330N。设计工件距中心轮轴线的最远距离e=200mm，则工件对机床主轴最大的阻力矩TT=Fe=66000Nmm由此可算出电机功率P电 =kW式中：主轴传动系统的效率，本文通过计算取为0.846 主轴的转速，本文机床最高转速取为720r/min 因本机床是面向工厂设计的，所以机床电源选择用三相交流电源，故选择我国生产的Y系列三相异步电机，型号为Y132M-4。其额定功率为P=7.5kW，n=1440r/min（各参数见表3.1，表3.2及图3.2）。表3.1 电机性能参数型号满载时堵转电流堵转转矩额定转矩最大转矩额定转矩转动惯量/（）额定功率/kW转速/(r/min)满载电流/A额定电流效率/功率因数/cosY132M-47.5144015.4870.852.22.02.20.0095表3.2 电机的外形及安装尺寸机座号尺寸DEFGMPNn-sTACAD132M448010332653002304-154275210图3.2 电机的安装尺寸图3.3 传动带v带轮的设计111、设计功率根据工作情况查得工况系数所需传递的功率=7.5kw小带轮转速则设计功率2、选择带型根据和，选B型3、 确定带轮的基准直径并计算带速（1）初选小带轮的基准直径=160mm（2）计算带速 m/s（3）计算大带轮的基准直径mm，圆整为315mm4、初定中心距根据计算确定 取=240mm5、确定带所需的基准长度选带的基准长度mm6、 计算实际中心距7、 验证小带轮上的包角8、计算带的根数z，9、计算单根v带初拉力的最小值10、计算压轴力3.4 主轴的设计及校核3.4.1 主轴的设计12由上文可知，主轴传递的最大扭矩为37.5Nmm按扭转强度计算，主轴最小直径dA()主轴材料为45号钢，A取114，则可求得:d114()=20.84mm考虑到带轮、下磨盘主轴、中心轮及上磨盘的通孔对强度的削弱作用，同时考虑到机床主轴的刚度比较高，所以d应有所增加，取主轴最小轴径处为36mm，其余部分按加工及装配工艺性设计（主轴结构简图见图3.3）。 图3.3 主轴结构简图3.4.2 主轴的校核1、确定齿轮受力 圆周力N径向力N轴向力N2、计算支承反力 水平面反力 =1593.53N=384.50N 垂直面反力=1898.69N=3350.63N3、计算轴弯矩合成弯矩=752836 Nmm4、计算轴转矩轴受转矩为T=461940. 4 Nmm5、许用应力由表9-4查得=102.5MPa，=60MPa，得=0.596、当量弯矩当量转矩=461940.3，当量弯矩7、轴的校核因为轴颈d小于主轴的最小轴径36mm，所以此轴符合要求。 3.5 下磨盘及上磨盘的设计3.5.1 下磨盘的设计由设计要求可知上下磨盘直径均为600mm，选取磨盘材料为45号钢（下磨盘结构简图见图3.4）。图3.4 下磨盘结构简图3.5.2 上磨盘的设计 由设计要求可知上磨盘直径为600mm，选取上磨盘材料为45号钢，由机床整体设计可知上磨盘由气缸带动升降，所以相较于下磨盘，上磨盘厚度有所降低12（上磨盘结构简图见图3.5）。图3.5 上磨盘结构简图3.6 中心轮系的设计图3.6 行星轮结构简图图3.7 中心轮结构简图由双平面研磨原理可知，中心轮的作用是带动行星轮完成行星运动，从而带动工件完成行星运动13（行星轮结构简图见图3.6，中心轮结构见图3.7）。取模数mn=3；各齿轮的齿数分别为：=44，=84，=21214。3.7 滚动轴承的选择与校核3.7.1 滚动轴承的选择滚动轴承在一般的机器中有着广泛的应用。滚动轴承的特点是摩擦阻力小、启动及运转力矩小、启动灵敏、功率损耗小，缺点是径向轮廓尺寸大，接触应力高，高速轴下轴承寿命低，抗冲击能力比较差。在选择滚动轴承时，主要是正确选择轴承的类型和尺寸，并进行轴承的寿命校核。在本文中选择圆锥滚子轴承型号32011，双平面推力球轴承的型号为3821015。3.7.2 滚动轴承的校核轴承寿命公式为：式中 P当量动载荷； C基本额定动载荷； 寿命指数； 温度系数； 载荷系数； 轴承转速。根据已选定的轴承型号，查得基本额定动载荷N，。1、计算内部轴向力由图3.8得N又因为，所以N，N。 2、计算单个轴承的轴向载荷由图3.8和上面的计算知且方向相反，故两个轴承处于平衡的状态。N。3、计算当量动载荷，则N。图3.8 圆锥滚子轴承受力分析4、计算寿命查文献8，230，表10-8，表10-9知，温度系数，载荷系数，则h按照设计要求该轴承的最小寿命为h，故所选的轴承符合要求。3.8 本章小结在本章节中，对机床的整体结构进行了设计及确定，对电动机进行了选择，对传送带带轮进行了设计，同时也完成了对主轴、上下磨盘、中心轮系等主要零部件的设计。本章节主要完成的是双平面高速研磨机床主要零部件的选择和确定，并且对主轴、轴承进行了校核。下一章节将要进行的是气动控制系统的设计及对主轴调速系统进行的设计。第4章 气动控制系统及主轴调速系统的设计4.1 气动控制系统的设计本机床的气动控制系统是用来控制带动上磨盘运动的气缸的运动。气动系统气源由小型空压机提供，压缩空气经空气滤清器、油雾器供给系统，系统压力由减压阀调定。调整研磨时压力的减压阀选择精密减压阀，保证研磨过程压力平稳，压力波动很小。气动系统中设置了气控单向阀，保证系统在突然断电、断气情况下气缸处于原始位置，保证系统可靠安全。在加工开始时，由于工件表面不平整。如果直接以工作压力加到工件上，则工件凸起处与磨具间的局部压强特别大，摩擦阻力大，造成工件自转不灵活，使工件把磨具上的固着磨料撞变形甚至打落，有时工件还会被甩脱，造成危险。因此我们在机床刚开始加工时，使二位三通换向阀及二位五通换向阀右侧电磁铁得电，压缩空气经高压减压阀及低压减压阀到气缸无杆腔，使加压工件上的压力较小，当加工一段时间后，工件磨得较平整，二位三通换向阀断电，压缩空气只通过高压减压阀，使加在工件上的压力加大，以提高研磨加工效率，在研磨加工快结束时，再一次接通低压回路，使工件在较低的加工压力下进行研磨，这有利于降低工件的表面粗糙度值。在磨料粒度较粗时，这种采用高低压加工的方法对降低工件表面粗糙值的办法尤为有效。4.2 主轴调速系统的设计本机床选用的变速系统是PLC变频调速电动机正转控制电路实现的控制系统。变频器具有节约能源、提高电路控制质量、易于调速等特点，变频调速是变频器应用于交流电动机控制的重要组成部分，它是在交流电动机变级调速、串阻调速、串级调速、调压调速、电磁调速、液力调速等基础上发展起来的新型调速技术。变频调速技术是利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的工作电源频率进行调速的方法。而PLC成为可编程控制器，是一种把数字运算与控制操作融为一体的电子控制系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程存储器，在其内存储程序，执行逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。主轴调速系统的电路构成：PLC控制变频调速电动机正转电路由主电路和控制电路两部分组成。主电路包括电源开关QF、交流接触器KM的主触头、变频器内置的AC/DC/AC转换电路以及三相交流电动机M等。控制电路包括PLC、控制按钮SB1SB3、SA1、SA2、交流接触器KM的线圈以及信号指示灯HL1HL3等。 电路工作原理：（1）启动过程：合上SA1，按下启动开关SB1，X0动作，Y0动作并自锁，接触器KM动作，变频器输入端R、S、T得电。Y0的“辅助”接点闭合，Y1动作，HL1点亮，Y0的另一个“辅助”接点也闭合。合上SA2，X2动作，Y2也动作，HL2点亮。与此同时，Y4动作，变频器的FWD端与COM端接通，电动机正向运转。（2）停机过程：断开SA2，按下停止开关SB2，X1动作，Y0动作，接触器KM释放，变频器输入端失电，电动机停止运行。如果开关SA2接通，则说明变频器在工作，不能断电。（3）过载保护：如果在电动机运行过程中变频器保护动作，则X3得到信号并动作，Y0复位，接触器KM的线圈失电复位，变频器断电，HL3点亮发出报警。处理后按下SB3，变频器复位。GTJ3-60A型静态继电器控制三相交流电动机电路（如图4.1所示）由以下两部分组成：一是将交流电源供给负载的电路；二是用来控制电子开关导通与截止的直流电源控制电路。主电路包括三向交流电源自动空气开关QF，静态继电器电子开关、以及三相交流电动机M等。直流电源控制电路包括24V直流电源、直流电源开关SA和静态继电器内置光电耦合器等。其工作原理为：合上开关QF，电路进入热备用状态。合上直流电源开关SA后，号、号GTJ3-60A型静态继电器内置的电子开关同时导通，电动机M获得三相交流电压而启动运行。需要停机时，断开直流电源开关SA, 号、号GTJ3-60A型静态继电器内置的电子开关同时截止，电动机M因失去两相交流电压而停止工作。 GTJ3-60A型静态继电器的输入参数如下： 直流控制电压：DC332V；开启电流：5mA；控制电流：25Ma；关断电压：DC1.2V。GTJ3-60A型静态继电器的输出参数如下：交流工作电压：AC24380V（还有AC24240V、AC2448V规格的）；额定输出电流：5100A； 通态压降：1.1V； 泄露电流：10mA； 通断时间：11ms； 绝缘耐压：AC2500V； 冷却条件：额定输出电流为530A的配散热器，40100A的就加风扇强冷； 工作安全系数：阻性负载为60，感性负载40。4.3 本章小结本章节中，在双平面高速研磨机床的整体结构进行了设计确定，主要零部件进行了设计选取及校核的基础上，对机床的气动控制系统及主轴调速系统进行了设计。本机床的气动控制系统是用来控制带动上磨盘运动的气缸的运动。气动系统中设置了气控单向阀，保证系统在突然断电、断气情况下气缸处于原始位置，保证系统可靠安全。在主轴调速系统的部分，本机床选用的变速系统是PLC变频调速电动机正转控制电路实现的控制系统在气动控制系统部分，变频器具有节约能源、提高电路控制质量、易于调速等特点。下一章节将要进行的主要内容是双平面高速研磨机床的三维建模与实物模型。图4.1 GTJ3-60A型静态继电器控制三相交流电动机电路第5章 机床的三维建模与实物模型5.1 概述对于双平面高速研磨机床的仿真工作，在本设计中，主要是应用Pro/E软件对机床的部分结构进行三维建模，通过三维建模可以很好的展示出机床各个部件间的连接情况。5.2 三维建模软件的介绍在本设计中应用到的三维建模软件为Pro/Engineer，下面对其主要情况作相应的介绍。Pro/E（操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。 Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。 Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。应用Pro/E进行三维实体建模的基本步骤是：（1）在草绘环境下，进行2D基本草图的绘制。（2）进行基本特征的创建，如拉伸、旋转、扫描等基本特征量。（3）进行实体的修剪工作。（4）进行基准特征的创建，如基准面、基准轴、基准点、基准坐标等。（5）根据总体的装配设计进行实体零件的装配工作。（6）完成三维建模工作。5.3 三维建模工作的主要内容应用Pro/E三维建模软件，对双平面高速研磨机床的部分结构进行模型的建造。通过对双平面高速研磨机床的结构进行三维实体建模可以在建模的过程中深化各个部件的装配设计，很好的解决了机构部件间存在的运动及装配干涉问题。同时在三维建模过程中为使结构简单，对部分零部件采取了简化处理（下磨盘三维图见图5.1，中心轮三维图见图5.2，行星轮的三维图见图5.3，双平面研磨的三维图见图5.4，双平面研磨的分解图见图5.5）。图5.1下磨盘三维图图5.2 中心轮三维图图5.3 工件卡在行星轮中的三维图图5.4 双平面研磨三维图 5.4 本章小结 本章主要是对三维建模与动画仿真软件的主要情况及建模和动画仿真的主要流程做了相应的介绍，并将建模与仿真的结构以图片的形式进行了展示。通过三维模型的建立，可以对双平面研磨过程更为明确。 图5.5 双平面研磨分解图结 论本设计依据设计的要求，基于功能多样、易拆易换等原则，设计了双平面高速研磨机床结构，并对主要部件进行了校核计算；在整体结构完成的基础上，应用Pro/E建立双平面研磨过程的三维实体模型。（1）通过研究现有国内外对于双平面高速研磨机床的研究，对其进行了原理方案设计。通过多方案的评价与选择，最后确定了具体的设计方案。（2）在设计方案确定之后，首先对电动机进行了选择，对传送带带轮进行了设计，其次对于主轴、上下磨盘、中心轮系进行了设计并完成了双平面高速研磨机床的主要部件的校核。（3）完成了双平面高速研磨机床的各部分的理论计算后，对本设计的气动控制系统及主轴调速系统进行了设计。（4）应用Pro/E完成部分机构的三维建模，其中主要内容包括：机床上下磨盘、中心轮系的三维建模。基于本设计的结构制作模型，验证本设计结构较为合理。本设计实现了双平面高速研磨机床的基本要求；但本设计也存在不足之处，例如装配较困难，轴的加工安装精度要求高，这也为以后的设计工作提出了要求，在很好的利用双平面高速研磨机床的设计方案的基础上，使机械结构设计更简单可靠。参考文献1 何雅全、昊明根.超精密加工技术基础M.航空航天部第303研究所.19932 袁哲俊等主编.精密和超精密加工技术M.北京:机械工业出版社.19993 李伯民、赵波.实用磨削技术S.北京:机械工业出版社.1996；226241