磨床机械结构设计开题报告.doc

题目：磨床机械结构设计系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化班 级 姓 名 学 号 导 师 2014年12月12日一、毕业设计（论文）综述 （题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1、题目背景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Grinding machine），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。1.2 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%的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23um以内。2.低速进给运动的稳定性。 由于砂轮的修整导程要求1015mm/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：磨削是历史悠久的切削加工方法之一。古代的刀、枪、剑戟都要经过磨削加工；在现代机器制造业中，磨削加工也是金属切削加工的一种重要方式。磨床就是用砂轮，油石或者研磨料等作为工具对工件表面进行切削加工的一种机床。通常把使用砂轮进行加工的机床称为磨床，而用油石和研磨料进行加工的机床称为精磨机床。大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工，如珩磨机、超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等。 磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。采用导轮的无心外圆磨床已被广泛采用于成批大批量生产中，用以高生产率制造宽广品种的任精度的制件，其中包括精密制件。这种磨削方法的广泛采用是由于其具有一系列的磨削特点。1.3 研究意义平面磨床是一种机械加工常用机床，对运动平稳性、换向精度、换向频率都有较高的要求；平面磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。精密卧式平面磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。因此把“精密卧式平面磨床的机械结构设计”作为本次本科毕业论文的课题，既有较大的学术价值，又有广阔的应用前景。1.4 内外相关研究情况： 十八世纪30年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。这些磨床是在当时现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成的，它们结构简单，刚度低，磨削时易产生振动，要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。 1876年在巴黎博览会展出的美国布朗-夏普公司制造的万能外圆磨床，是首次具有现代磨床基本特征的机械。它的工件头架和尾座安装在往复移动的工作台上，箱形床身提高了机床刚度，并带有内圆磨削附件。1883年，这家公司制成磨头装在立柱上、工作台作往复移动的平面磨床。1900年前后，人造磨料的发展和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。随着近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。例如20世纪初，先后研制出加工气缸体的行星内圆磨床、曲轴磨床、凸轮轴磨床和带电磁吸盘的活塞环磨床等。自动测量装置于1908年开始应用到磨床上。到了1920年前后，无心磨床、双端面磨床、轧辊磨床、导轨磨床，珩磨机和超精加工机床等相继制成使用；50年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床；60年代末又出现了砂轮线速度达6080米/秒的高速磨床和大切深、缓进给磨削平面磨床；70年代，采用微处理机的数字控制和适应控制等技术在磨床上得到了广泛的应用。随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。由于长期以来对新技术的应用相对滞后，国内机床产品的总体技术水平比之先进国家同类型机床还有着相当大的差距，劳动生产率低下，在国际市场中竞争力不足，经济效益不高。在国外高档机床大举进攻中国市场的情况下，我们只有以积极的姿态面对这一严峻的形势。尽快应用先进的设计技术，能快速开发出结构合理、自动化水平高、加工精度高、低振动、低成本的机床新产品响应市场，我国的机床工业才有出路。为了达到这一目的，掌握先进的机床设计方法就显得尤为重要。我国机床工业的竟争能力的提高也就取决于机床新品的开发和关键技术的研究、掌握、应用和迅速推广。随着我国加入世界贸易组织和全球经济一体化环境的形成，机床行业的市场竞争将会愈演愈烈。目前，国内外机床产品技术水平之间的差距仍然很大，主要表现为:产品仿制多，创新少，市场竞争力不足，利润低:设计方法落后，机床结构设计，尚处于传统的经验、静态、类比的设计阶段，很少考虑结构动、静态特性对机床产品性能产生的影响，产品精度低，质量难以保证;设计周期长，成功率低，反复设计、试制与修改，产品更新换代慢，且成本高。二、本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1、本次设计的主要内容：(1)通过调研和参阅相关资料，了解平面磨床机械传动装置及工作原理； (2)完成原理方案设计和结构方案设计，确定实施方案； (3)对平面磨床进行传动装置等机械参数的初步设计，并完成相关的计算； (4)完成平面磨床进行传动装置等机械参数的具体设计；（X1000mm，Y400mm，Z500mm，X、Y定位精度0.006mm）； (5)完成装配图和零件图。2.2平面磨削方式的选型2.2.1 装夹工具选型对于精度要求高的平面以及淬火零件的平面加工，需要采用平面磨削方法。平面磨削主要在平面磨床上进行。平面磨削时，对于外形简单的铁磁性材料工件，采用电磁吸盘装夹工件，操纵简单方便，能同时装夹多个工件，而且能保证定位面与加工面的平行度要求。对于外形复杂或非铁磁性材料的工件，可采用精密平口虎钳或专用夹具装夹，然后用电磁吸盘或真空吸盘吸牢，根据本课题需要，选择电磁吸盘作为装夹工具。2.2.2 磨削方式的选型根据砂轮工作面的不同，平面磨削分为周磨和端磨（1）周磨采用砂轮的圆周面对工件平面进行磨削。这种磨削方式，砂轮与工件的接触面积小，磨削力小，磨削热小，冷却和排屑条件较好，而且砂轮磨损均匀。（2）端磨它是采用砂轮端面对工件平面进行磨削。这种磨削方式，砂轮与工件的接触面积大，磨削力大，磨削热多，冷却和排屑条件差，工件受热变形大。此外，由于砂轮端面径向各点的圆周速度不相等，砂轮磨损不均匀。根据平面磨床工作台的外形和砂轮工作面的不同，用砂轮端面磨削的平面磨床与用砂轮圆周面磨削的平面磨床相比，由于端面磨削的砂轮直径往往比较大，能同时磨削出工件的宽度和面积大，同时砂轮悬伸长度短，刚性好，可采用较大的磨削用量，生产率较高。但砂轮散热、冷却、排屑条件差，所以加工精度和表面质量不高，一般用于粗磨。而用圆周面磨削的平面磨床，加工质量较高，但这种平面磨床生产效率低，适合于精磨。由于课题中精度2m/s，缺点：若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。典型用途：大版面钢板、玻璃数控切割机，建筑施工升降机可达30层楼高。2.7.3丝杠传动 1.普通梯形丝杠可以自锁，这是最大优点，但是传动效率低下，比上述二者低许多，所以不适合高速往返传动。缺点是时间久了传动间隙大，回程精度差，用在垂直传动较合适。2.滚珠丝杠不能自锁，传动效率高，精度高，噪音低，适合高速往返传动，但是水平传动时跨距大了要考虑极限转速和自重下垂变形，所以传动长度不可太大，要么改用丝母旋转丝杠不动，但还是不能太长，要么就用齿轮齿条。 2.7.4涡轮蜗杆传动1.实现大传动比2.传动平稳、噪声低3.可实现自锁4.结构紧凑5.涡轮蜗杆传动最主要的特点就是具有反向自锁的功能，而且相比其它传动具有较大的速比，涡轮蜗杆的输入、输出轴不在同一轴线上，甚至不在同一个平面上2.8各轴确定分工能解分功能 12345A导向滑动导轨滚动导轨液体静压导轨气体静压导轨B传动齿形带传动齿轮齿条传动齿轮传动丝杠传动涡轮蜗杆传动C驱动步进电机交流伺服机直流伺服机直线电机滚动机1.X轴部件的确定滚珠丝杠不能自锁，传动效率高，精度高，噪音低，适合高速往返传动，但是水平传动时跨距大了要考虑极限转速和自重下垂变形，所以传动长度不可太大；因为X轴工作台往返工作距离较长，故排除以丝杠作为传动对象，也可以通过步进电机以及齿轮齿条实现承片台的往复直线运动。由于齿轮齿条，承载力大，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高。因而最终确定X轴由步进电机带动齿轮齿条使工作台沿X轴向滚动导轨进行往复直线运动。滚动导轨主要用于直线导轨的结构中，它具有较高的制造精度和定位精度。由于钢球在装配时有预加负荷，所以它有很高的刚度，在15M每分钟的速度下往复运行1200KM后，钢球的磨损量仅为0.001mm.所以X轴采用滚动导轨来实现工作台的运动.2.Y轴部件的确定 直流伺服电机精确的速度控制,转矩速度特性很硬,原理简单。用滚珠丝杠来传动，可获得高达97%的传动效率，从而使驱动扭矩降低到1/3以下，滚珠丝杠螺母副采用双螺母结构，并采用垫片消除丝杠与螺母之间的间隙，双螺母安装在螺母座上，并通过与工作台连接驱动工作台运动.采用燕尾型导轨，丝杠位于两导轨之间，滑座与床身之间采用矩形导轨。3.Z轴部件的确定 滚珠丝杠的传动效率高，且Z轴定位精度0.006mm，但由于滚珠丝杠没有自锁能力，为了保证主轴箱能够停止在所需要的位置上，在电动机上加有制动装置。当电动机停转时，切断电磁线圈的电流，由弹簧压紧摩擦片使其制动。滚动导轨定位精度高，一般滚动导轨的重复定位误差约为0.10.2m，而滑动导轨的定位误差一般为1020m。因此，由于要求z轴运动精确且微量，且滚动导轨对脏物及导轨面的误差比较敏感，故采用滚动导轨，用十字滑块联轴器与直流伺服相连。2.9机械传动系统如下述 X轴通过步进电机带动齿轮齿条运动，从而使工作台横向往复运动，Y轴由直流伺服电机通过十字滑块联轴器与丝杠相连，滚珠丝杠螺母副采用双螺母结构，并采用垫片消除丝杠与螺母之间的间隙，双螺母安装在螺母座上，并通过与工作台连接驱动工作台运动.采用燕尾型导轨，丝杠位于两导轨之间，滑座与床身之间采用矩形导轨。Z轴电动机上加有制动装置，采用直流伺服电动机，实现砂轮架的进给运动。三重点及难点，前期已开展工作3.1重点及难点内容：（1）磨床总体布局中各部件尺寸的确定；（2）传动系统的设计；（3）动力系统的选取及确定；3.2前期已开展的工作：a.调研、查阅相关资料、书籍及文献，了解卧式平面磨床方面的相关知识，并理解其原理；b.通过和老师同学的交流，准备开题报告的内容，并初步开始着手进行设计。四、完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）：(1)1-3周：调研，通过查阅相关文献和刊物，了解平面磨床机械传动装置及工作原理，完成开题报告。 (2)4-5周：完成原理方案设计和结构方案设计，确定拟实施的方案，完成英文资料翻译。 (3)6-13周：对平面磨床进行传动装置等机械参数初步设计，并完成相关的计算；完成平面磨床进行传动装置等机械参数进行具体设计；完成中期报告。 (4)14-18周：完成设计图纸，写出毕业论文，准备答辩。指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日参考文献1 曾志新，吕明.机械制造技术基础在M.武汉：武汉理工大学出版社.2 何伟主编,数控机床原理及应用 .机械工业出版社.3 孙桓，陈作模.机械原理M.北京：高等教育出版社.4 李伯民，赵波主编.现代磨削技术M.北京:机械工业出版社.5 濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京：高等教育出版社.6 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