珩磨机双进给主轴设计说明书

毕业设计 珩磨机双进给主轴设计摘 要毕业设计的论文阐述的是针对珩磨头采用分体式结构的珩磨机双进给主轴系统的设计。在论文中，首先，介绍了内孔珩磨原理，珩磨油石及珩磨头结构，珩磨工艺参数的选择等；接着,详细论述了液压伺服系统的工作原理、方案设计和传动系统中二级传动轴的设计及仿真运动分析。该设计的意义在于：同道工序中不停机实现粗精磨两次进给，使粗精磨两种珩磨切削性能一致，从而保证了珩磨网纹的整齐清晰，获得理想的珩磨表面微观结构。目前，珩磨普遍采用的是一次进给珩磨头，采用此类珩磨头只能在一次进给过程中实现砂条涨缩，因此，对加工像发动机汽缸套等一些表面质量要求较高的场合，需要采用两道工序（粗精磨）来实现。而本设计中的双进给珩磨头将解决由两道工序加工所引起的缺陷。这个显著优势将使它获得长足的发展和广泛的应用。关键词：分体式、双进给、液压伺服系统、二级传动轴、不停机、粗精磨- 33 -A design of Dual Feed Spindle of honing machineAbstractThe thesis deal with a design of Dual Feed Spindle of honing machine whose head structure is split.The first part of the paper introduces the principles of the hole honing, the structure of honing whetstone and honing head, the selection of honing technical parameters and so on.; then discusses in detail the working principle、program design of hydraulic servo system , the design of two shaft and analysis of simulation exercise in transmission. The significance of this design is to ensure the neat and clear of the honing to achieve an ideal surface of honing by non-stop among the same working procedure to achieve coarse, fine grinding which two cutting is the same.At present, the honing is a widely used one-time feed honing head, which can only achieve article sand rise and reduction in one course of feed. therefore, when requires high surface quality such as engine cylinder, we need to use two processes (rough 、fine grinding) to achieve。Dual Feed honing head in the design will solve the defects caused by the two machining processes. This will give it a significant advantage of rapid development and wide application.Keywords：Split； Dual feed；Hydraulic servo system；The secondary drive shaft； Non-stop； Rough and fine grinding目 录第一章 绪论11.1引言 11.2珩磨技术的发展状况 11.3论文研究的背景和内容 21.3.1技术背景 21.3.2研究内容 2第二章 珩磨机液压伺服系统的基本原理42.1 珩磨加工的原理与特点42.1.1 珩磨加工的原理简介 42.1.2珩磨加工的特点 42.2 液压伺服系统的工作原理 6第三章 方案设计93.1 工艺方案的拟订 93.2 主轴的直线往复运动方案设计 93.2.1 方案的提出 93.2.2 方案的比较 93.2.3 方案的确定 103.3 珩磨头油石径向进给运动方案设计 103.3.1 方案的提出 103.3.2 方案比较 103.3.3 方案确定 113.4 主轴回转运动方案设计 113.4.1 方案的提出 113.4.2 方案比较 113.4.3 方案确定 123.5 变频电机原理简介及其选择 123.5.1 概述 123.5.2 异步电动机调速的原理及方法 123.5.3 变频调速的控制方式143.5.4 电机的选择 15第四章 珩磨机主轴的设计计算164.1 轴的种类和特点 164.2 轴的材料选取 164.3 轴的设计与校核计算 17第五章 珩磨机主轴往复运动仿真分析205.1 仿真方法简介 205,2 速度特性分析 215.2.1 M向运动分析215.2.2 N向运动分析225.3 速度特性的补偿245.3.1 开环系统的补偿 245.3.2 闭环系统的补偿 245.3.3 结论 25第六章 双进给主轴珩磨机的应用266.1 双进给主轴珩磨机的优点 266.2 其他常见的珩磨技术 266.2.1 激光珩磨技术 266.2.2 刷珩磨 28结论 30参考文献 31致谢辞 32插图清单 图2-1 珩磨件内孔表面形状5图2-2 常见内孔加工中的缺陷6图2-3 珩磨机液压伺服系统原理图7图3-1 珩磨头简图10图3-2 推杆的运动简图11图4-1 二级传动轴18图4-2 一级传动轴18图5-1 主轴往复运动机构简图20图5-2 液压回路简图21图5-3 不同负载力的速度比曲线23图5-4 速度反馈补偿方框图25图 6-1气缸的磨损曲线27图6-2 珩磨前后的工件表面质量29图6-3 传统珩磨与刷珩磨的对比29第一章 绪论1.1 引言珩磨加工是利用可涨缩的磨头使珩磨头压向工件表面，以产生一定的接触面积和相应的压力，在适当的珩磨液压力下，珩磨条对被加工表面作旋转和往复进给的相对综合运动，从而达到改善表面质量，改善表面应力状况和提高被加工零件精度的目的，是一种多刃切削的精加工方法。近几年来，由于珩磨技术的发展，如人造金刚石和立方氮化硼等超硬磨料的应用，把珩磨技术推向一个新的阶段。现在珩磨已不仅用作高精度要求的终加工工序，并且还可作为切除较大余量的中间工序，是一种高效，优质的加工方法。本文所介绍的珩磨机采用的是一种双进给实时检测珩磨头，这种珩磨可以在工作过程中不停机实现粗精磨两次进给，这种珩磨方法效率更高，获得珩磨表面微观网纹更合理。论文中介绍了内孔珩磨原理，珩磨油石及珩磨头结构，珩磨工艺参数的选择等，将详细论述液压伺服系统的工作原理、方案设计和传动系统中二级传动轴的设计与防真运动分析。1.2 珩磨技术的发展状况早在1992年，美国国家物理实验室的Swyt先生和东京科技大学的Taniguchi先生预测工业零部件的制造公差将进一步紧缩（实际上20世纪80年代常规加工手段所要求达到的零件精度为5Lm，而90年代的精度要求已是1Lm）这种挑战在汽车制造业表现的尤为激烈，现代制造技术要求任何一种加工手段首先必须满足批量生产的环境要求，实现CPK2，并且加工结果是可以追溯和验证的。精密和超精密切削已逐渐地开始替代传统的加工方法，作为一种重要的精密加工方法，珩磨根据珩磨头结构形式的不同，分类为通用珩磨（涨缩式砂条珩磨），可调整的整体珩磨（金刚石电镀刀具珩磨）以及特殊珩磨。传统的珩磨加工利用可涨缩的磨头使珩磨砂条压向工件表面，以产生一定的接触面积和相应的压力，压力愈大，切削量愈大，同时砂条对工件表面作旋转和往复运动，珩磨砂条重复着3种变化过程，在加工初始期的磨粒脱落阶段，随着珩磨进行的磨粒破碎切削阶段，以及最终的堵塞切削阶段。金刚石镀层刀具应用于珩磨工艺是60年代发展起来的技术，随着工业金刚石的产业化发展，20世纪80年代这种整体式珩磨技术因其在竞争中的显著优势获得了长足的发展和广泛的应用，尤其适用于有一定生产批量的，零件形状精度在0.5Lm以内的精密零件加工。整体式珩磨加工是由金刚石或立方氮化硼镀层的杆状刀具完成的。在最初期的刀具刃磨后，刀具仅需要偶尔的尺寸调整以补偿金刚石的磨损。刀具旋转着，一次性走刀通过工件，即完成加工，故这种加工方式又称为Singlepass。与传统的砂条珩磨加工不同，Singlepass刀具在每一个加工循环中不涨缩，这样就避免了传动误差。金刚石自身具有极高的硬度，高的耐磨性和热传导性以及与金属的低摩擦系数，当使用较高的切削速度时刀具的磨损依然甚小。这种高的尺寸耐用度是精密加工中实现超光滑的加工表面和高加工精度的保证。在整个切削过程中，沿着金刚石刀具圆周方向以及长度方向的成千上万颗细小的超硬磨料同时进行切削，加工时间短，产生的加工应力和热变形最小。10年前，针对阀类零件的精加工，美国的零部件制造商多采用内孔磨削的方法，一些工厂采用涨缩式珩磨加工阀孔，而与之相对应的轴则多采取配磨的方式以保证合适的配合间隙。应用Singlepass整体式珩磨加工后，严格的阀孔尺寸控制在批量生产中就完全可以做到，配磨已不再需要，这样因为配磨产生的测量误差，工装量具和人工的耗费都不再存在，同时加工工艺的改善使得实际的机床运行成本，工人的劳动强度甚至于劳动技能要求都大大地降低了。在实际的零件加工中，大多数的应用可能需要一系列预设定的singlepass刀具。加工余量的去除和表面粗糙度能力取决于特定刀具的超硬磨料的尺寸。当每把刀具被设定分别去除总加工余量的一部分时，较粗粒度的刀具用于最初的余量去除，较细粒度的刀具完成所要求的表面粗糙度，以此实现最大的效率Singlepass珩磨加工技术从最初的铸铁零件加工发展至今，已成功地应用于几乎各种工件材料的盲孔，通孔和台阶孔的加工。并可实现多种的表面纹理，如交叉网纹，螺旋线或正弦曲线。如今越来越多的元器件制造商采用了这种加工工艺，从而实现了更高的产品质量并极大地降低了生产成本。Singlepass超硬磨料加工技术的发展使得珩磨已不仅用作高精度要求的终加工工序，并且还可作为切除较大余量的中间工序。在不远的将来，随着Singlepass加工技术更多的发展，必将取代传统的加工方式。1.3 论文研究的背景和内容1.3.1 技术背景目前，珩磨普遍采用的一次进给珩磨头，采用这种珩磨头只能在一次进给过程中实现砂条一次涨缩，因此，通常在发动机气缸套等一些表面加工质量要求较高的场合，均采用两道珩磨工序来实现，先进行粗珩磨，主要用于去除加工余量，修整圆柱度以及拉网，之后再安排一道精珩磨，主要用于抛光，以及有特殊要求的去除粗珩磨表面尖角。但这样的工序方案缺点有三个：一是工效低，设备占地面积大；二是由于两台珩磨设备的性能、磨削参数存在差异以及装夹状况改变，无法保证珩磨网纹的切削参数一致，易造成网纹紊乱；三是这种珩磨头无法实现珩磨过程中实时掌握加工尺寸，只能通过操作人员的操作经验与技能，珩磨质量严重受到人为因素制约，内孔尺寸及网纹质量不稳定。1.3.2 研究内容为解决单进给珩磨头存在缺陷，本珩磨头采用分体式结构，获得一种双进给实时检测珩磨头，这种珩磨头可以在珩磨加工过程中不停机实现粗精磨两次进给，同时根据气动测量原理，在珩磨头本体上设置了气动检测头，从而实现珩磨过程的实时检测。本珩磨头解决其技术问题所采用的技术方案是：将珩磨头本体上的砂条磨槽分别设置成粗、精磨两组，且粗精磨砂条磨槽两两相隔，控制砂条涨缩的砂条座斜面在轴向位置上粗精磨两两错对，再将珩磨头锥芯采用分体式结构，分别与粗精磨斜面相配。珩磨动作通过珩磨头主轴内进给油缸的复合顶杆连接，其中粗磨与外杆连接，精磨与内杆连接，从而通过油缸控制复合顶杆，最终实现珩磨双进给；在实时测量装置方面，在珩磨头的本体上设置护板，护板采用硬质合金焊接，在本体中部设置气动测量头喷嘴，由珩磨颈部通过轴向细长孔与之贯穿，上接气动测量气路，通过严格控制珩磨头本体上的喷嘴径向尺寸，通过喷嘴与工件壁间的间隙变化，实现实时精确检测。本珩磨头的有益效果是，可以在同道工序中不停机实现粗精磨两次进给，使粗精磨两种珩磨切削性能一致，从而保证了珩磨网纹的整齐清晰，获得理想的珩磨表面微观结构。本论文正是对这种结构的珩磨机双进给主轴系统的设计。第二章 珩磨机液压伺服系统的基本原理2.1 珩磨加工的原理与特点2.1.1 珩磨加工的原理简介珩磨是利用安装于珩磨头圆周上的一条或多条油石，由胀开机构（有旋转式和推进式两种）将油石沿径向胀开，使其压向工件孔壁， 以便产生一定的面接触。与此同时，使珩磨头作旋转运动和直线往复运动，对孔进行低速磨削和摩擦抛光。由于珩磨头的旋转及往复运动的结果，油石上的磨粒在孔的表面上的切削轨迹成交叉而不重复的网纹，因而获得表面粗糙度较小的加工表面。径向加压运动是油石的进给运动，加压压力愈大，进给量就愈大。在大多数情况下，珩磨头与机床主轴之间或珩磨头与工件夹具之间是浮动的。这样，加工时珩磨头以工件孔壁作导向。因而加工精度受机床本身精度的影响较小，孔表面的形成基本上具有创制过程的特点。所谓创制过程是油石和孔壁相互对研、互相修整而形成孔壁和油石表面。其原理类似两块平面运动的平板相互对研而形成平面的原理。珩磨时由于珩磨头旋转并往复运动或珩磨头旋转工件住复运动，使加工面形成交叉螺旋线切削轨迹，而且在每一往复行程时间内珩磨头的转数不是整数，因而两次行程间，珩磨头相对工件在周向错开一定角度，这样的运动使珩磨头上的每一个磨粒在孔壁上的运动轨迹亦不会重复。此外，珩磨头每转一转，油石与前一转的切削轨迹在轴向上有一段重叠长度，使前后磨削轨迹的衔接更平滑均匀。这样，在整个珩磨过程中，孔壁和油石面的每一点相互干涉的机会差不多相等。因此，随着珩磨的进行孔表面和油石表面不断产生干涉点，不断将这些干涉点磨去并产生新的更多的干涉点，又不断磨去，使孔和油石表面接触面积不断增加，相互干涉的程度和切削作用不断减弱，孔和油石的圆度和圆柱度也不断提高，最后完成孔表面的创制过程。为了得到更好的圆柱度，在可能的情况下，珩磨中经常使零件掉头， 或改变珩磨头与工件轴向的相互位置。需要说明的一点：由于珩磨油石采用金刚石和立方氮化硼等磨料，加工中油石磨损很小，即油石受工件修整量很小。因此，孔的精度在一定程度上取决于珩磨头上油石的原始精度。所以我们用金刚石和立方氮化硼油石时，珩磨前要很好地修整油石，以确保孔的精度。2.1.2 珩磨加工的特点（1）加工精度高特别是一些中小型的通孔，其圆柱度可达0001mm以内。一些壁厚不均匀的零件，如连杆，其圆度能达到0002mm。对于大孔（孔径在200mm以上），圆度也可达0005mm，如果没有环槽或径向孔等，直线度达到001mm/m以内也是有可能的。珩磨比磨削加工精度高，磨削时支撑砂轮的轴承位于被珩孔之外，会产生偏差，特别是小孔加工，磨削比珩磨精度更差。珩磨一般只能提高被加工件的形状精度，要想提高零件的位置精度，需要采取一些必要的措施。如用面板改善零件端面与轴线的垂直度（面板安装在冲程托架上，调整使它与旋转主轴垂直，零件靠在面板上加工即可）。（2）表面质量好表面为交叉网纹，有利于润滑油的存储及油膜的保持。有较高的表面支承率（孔与轴的实际接触面积与两者之间配合面积之比），因而能承受较大载荷，耐磨损，从而提高了产品的使用寿命。珩磨速度低（是磨削速度的几十分之一），且油石与孔是面接触，因此每一个磨粒的平均磨削压力小，这样珩磨时，工件的发热量很小，工件表面几乎无热损伤和变质层，变形小。珩磨加工面几乎无嵌砂和挤压硬质层。磨削比珩磨切削压力大，磨具和工件是线接触，有较高的相对速度。因而会在局部区域产生高温，会导致零件表面结构的永久性破坏。（3）加工范围广主要加工各种圆柱形孔：通孔，轴向和径向有问断的孔，如有径向孔或槽孔、键槽孔、花键孔、盲孔、多台阶孔等。另外，用专用珩磨头，还可加工圆锥孔、椭圆孔等，但由于珩磨头结构复杂，一般不用。用外圆珩磨工具可以珩磨圆柱体，但其去除的余量远远小于内圆珩磨的余量。珩磨几乎可以加工任何材料，特别是金刚石和立方氮化硼磨料的应用，进一步拓展了珩磨的运用领域，同时也大大提高了珩磨加工的效率。（4）切削余量少为达到图2.1所示图样要求的精度，采用珩磨加工是所有加工方法中去除余量最少的一种加工方法。在珩磨加工中，珩磨工具是以工件作为导向来切除工件多余的余量而达到工件所需的精度。珩磨时，珩磨工具先珩工件中需去除余量最大的地方，然后逐渐珩去其余需去除余量大的地方，直至珩至需去除余量最少的地方。图2-1 珩磨件内孔表面形状（5）纠孔能力强由于其余各种加工工艺方面存在不足，致使在加工过程中会出现以下一些加工缺陷。如图2.2，失圆、喇叭口、波纹孔、尺寸小、腰鼓形、锥度、镗刀纹、彩虹状、孔偏及表面粗糙度等。采用珩磨工艺加工可以通过去除最少加工余量而极大地改善孔和外圆的尺寸精度、圆度、直线度、圆柱度和表面粗糙度。图2-2 常见内孔加工中的缺陷2.2 液压伺服系统的工作原理液压系统由液压油源、控制油路、及液压缸等组成，采用叠加阀型式。系统由两台叶片泵提供液压油源，一套油源供给左边珩磨头的往复缸及涨砂条缸用的压力油，另一套油源除了供给右边珩磨头的往复缸及涨砂条缸的用油外，还供给系统的上下料、夹紧、抬起、插销等辅助动作用油。左边珩磨头与右边珩磨头的动作完全相同。根据不同的加工品种，两泵可单独工作，又可同时工作。珩磨头涨缩缸通过连杆与珩磨头连在一起，由往复缸的活塞杆带动，旋转着在孔中做上下往复运动，同时涨缩缸动作，把砂条涨出，以完成珩磨。液压系统工作循环及原理如下（见图2-3）：（1）液压泵起动 压力油经电磁卸荷溢流阀流回油箱，液压泵卸载。（2）托架抬起 此工步是让夹具上的托架抬起至一定高度后，随伺服移动工作台移动至接料位，为接料作好准备。电磁铁1DT、9DT通电，托架抬起。抬起压力由减压阀J2调整。（3）送料及送料返回 工作台移至接料位后， 6DT、7DT通电，压力油经换向阀1、电磁节流阀2至液压缸，快速送料。送至一定距离后，7DT断电，油液经节流阀进入液压缸，实现缓冲送料。当送料到位后，6DT断电，7DT通电，送料缸自动返回。（4）托架落下 送料到工作台上后，工作台移至加工位，9DT断电，托架落下。（5）插销 此工步是将定位销插入工件的定位销孔中，以实现工件的定位。当托架落下后，10DT通电，压力油经换向阀10至液压缸无杆腔，实现插销。（6）夹紧 插销后，压力继电器3SP动作，使4DT通电，压力油经减压阀J1、换向阀8至无杆腔，夹紧工件。夹紧压力由减压阀J1调整，一般为1.52MPa。（7）主轴慢下 夹紧工件后，压力继电器1SP动作，2DT、14DT断电，压力油经节流阀4、换向阀5的右位、电动单向调速阀6、单向阀7进入“行程控制”操纵箱。操纵箱由先导阀、换向阀、液动阀等组成。在图示情况下，压力油同时进入先导阀、换向阀和液动阀，通过控制油路使液动阀和换向阀处于各自的位置，主压力油经换向阀的右位、液动阀的左位进入液压缸的无杆腔和有杆腔，形成差动回路，活塞向下移动。有杆腔的回油需经单向顺序阀，其作用是为了防止活塞和运动部件在悬停期间因自重而自行下滑。调整时要使其开启压力稍微大于活塞和运动部件因自重而在液压缸下腔产生的压力。主轴慢下的速度由电动单向调速阀6调整。14DT通电时，涨砂条缸活塞处于中间位置，砂条在缩回状态，其原理见回中位。单向阀7的作用是防止停机时，因顺序阀的微小泄漏而引起活塞下降。（8）低压粗珩 主轴慢下至下端终点时，碰到挡铁，通过杠杆机构使先导阀换向，接通左位。主轴由变频电机带动开始旋转，3DT通电，压力油经节流阀4换向阀5的右位，电动单向调速阀6、单向阀7至操纵箱中。此时先导阀控制的换向阀也接通左位，压力油经换向阀的左位、液动阀的左位、单向顺序阀至液压缸的有杆腔，活塞快速上移。当上移碰到上端挡铁时，杠杆机构操纵先导阀换向，又开始快速差动向下运动移动的速度可由节流阀4调整，其调整范围为325.4m/min。主轴往复移动的同时，压力油经减压阀J5、换向阀11、12、13的右位至涨砂条缸的无杆腔，有杆腔回油经阀14、13的右位、单向阀至油箱，活塞向下移动由其控制的珩磨头粗砂条涨出，实现低压粗珩。因减压阀的最低稳定压力为0. 5MPa，而低压珩磨时仅需要0.3MPa左右，所以在此回路中，采用开启压力约为0.35MPa的单向阀作为背压阀。调整J4约为0.651.15MPa，这样作用在活塞上的力相互抵消一部分，使最终作用在砂条上的力达到要求的数值。此回路中有一个固定节流孔，它能使珩磨头压力在小范围内波动时迅速稳定。图2-3 珩磨机液压伺服系统原理图（9）高压粗珩 低压粗珩到一定尺寸时，气测装置发信号，11DT通电，压力油经减压阀J4、换向阀1左位、12的右位、13右位至液压缸无杆腔，实现高压粗珩。J4的调整压力约为0.851.35MPa。（10）低压精珩 高压粗珩到一定尺寸时，气测发信号，13DT通电，压力油经减压阀J5、换向阀11、12的右位、13的左位、14的右位至液压缸的有杆腔，无杆腔回油经换向阀13的左位、单向阀至油箱。活塞向上移动，精砂条涨出，实现低压精珩。（11）回中位 低压精珩到一定尺寸时，气测发信号，14DT通电，压力油经减压阀J5、换向阀11、12、13的右位至液压缸的无杆腔，此时液压缸最下端油口被阀14封死，回油经液压缸中间的油口、换向阀14的左位、阀13的右位、单向阀至油箱，活塞向下移动。当活塞下移至液压缸体中间位置时，活塞的宽度将中间油口封死，活塞停止在中间位置，精砂条缩回。（12）光珩 低压精珩后，尺寸基本达到设定值再经过光珩是为了修整孔的光洁度。回中位后经过一定时间，12DT、13DT通电，压力油经减压阀J3、换向阀12、13的左位、14的右位至有杆腔，无杆腔回油经1的左位、单向阀至油箱。活塞向上移动，精砂条涨出实现光珩。J3的调整压力约为0.450.65MPa。（13）主轴慢上 光珩至设定值，气测发信号，3DT断电，14DT、15DT通电，再次回中位，主轴停转。压力油经节流阀4、换向阀5的右位、电动单向调速阀6、单向阀7至操纵箱，因15DT通电，液动阀总是处于右位，此时不论珩磨头正向下或向上运动，即不管先导阀处于哪个位置，活塞立即向上慢速运动。（14）放松 磨头上移至水圈位时，如需在下一工位继续加工，则移动工作台至下个工位。如果已加工完毕，则5DT通电，压力油经减压阀J1、换向阀8至夹紧缸，完成工件的放松。（15）拔销 放松以后，10DT断电，压力油经换向阀10至插销缸，完成拔销动作。（16）托架抬起 工作原理同前，拔销后，移动工作台移至下料位，托架抬起。（17）下料 托架抬起后，8DT通电，压力油经换向阀3至下料缸，完成下料。接着进入下一个工作循环。第三章 方案设计3.1 工艺方案的拟订工艺方案的拟订是珩磨机设计的关键一步，因其在很大程度上决定了机床的结构配置和使用性能。因此，应根据珩磨机的特性和应用范围，按一定的原则，结合机床常用工艺方法，充分考虑各种影响因素，并经技术经济分析后拟订出先进、合理、经济、可靠的工艺方案。珩磨机的运动分为主轴的回转运动和直线往复运动以及珩磨头油石的径向进给运动，下面分别进行设计。3.2 主轴的直线往复运动方案设计3.2.1 方案的提出对于主轴的直线往复运动，可采取的方案有两种，一是完全由机械传动机构组成，其工作原理是：滑块固定在曲柄上，曲柄杆由电机带动旋转，是主动元件，滑杆通过连杆随曲柄杆的旋转而上下往复运动。另一种方案是有液压缸的往复运动代替第一种方案的曲柄连杆结构运动，来驱动主轴的上下往复运动。3.2.2 方案的比较对于第一种方案，珩磨机珩磨头的行程L的大小是通过改变滑块在曲柄杆上的固定位置来调整的。珩磨头运动上下止点通过改变万向节连杆的长短来调整。由于珩磨机是立式布置的,这样就给调整带来了许多不便。另外,由于结构的关系,珩磨的行程也受到了一定的限制。而对于第二种方案，液压系统采用限压式变量叶片泵作为油源，通过行程开关控制电磁铁电流的通断，改变换向阀的工作状态，控制液压缸带动滑杆上下往复运动。液压缸往复运动速度的调整由限压式变量泵和调速阀协同实现。第二种方案于第一种方案相比，具有以下优点：(1)调整简便易行,降低了操作者的劳动强度,提高了生产效率。(2)由于液压系统中采用了液压缸的差动连接方式,并使其活塞往复运动过程中的速度保持相等,因此使加工孔的内表面网纹更加均匀一致,加工质量提高。同时,可根据工件的材料不同,加工精度不同,调节珩磨头往复运动的速度,所有这些是第一种方案所不具备的。(3)行程比第一种方案大,扩大了加工件的尺寸范围。(4)可使珩磨头准确停在任意位置,避免了第一种方案由于机构的惯性给工件装夹和拆卸带来的不便。(5)所采用的限压式变量叶片泵调整阀背压阀式调速回路,能保证稳定的低速运动,具有较好的速度刚性和较大的调速范围,安装的背压阀可改善运动的平稳性。并且该种回路并有较高的效率。3.2.3 方案的确定通过两方案的对比，决定采用第二种方案，而且此种方案也是当前机床设计中的主流方案。但是，仅仅采用一个液压缸虽然行程比第一种方案大了一些，但是对于较深的内孔来说，还是不够的，所以，为了提高珩磨机的适用范围，应加大往复运动的行程。因此，本珩磨机拟采用二级液压传动，用两个液压缸来推动主轴的上下往复运动。这样，运动行程可增加一倍，对于大多数的孔都可以加工了。3.3 珩磨头油石径向进给运动方案设计3.3.1 方案的提出对于珩磨头油石的径向进给运动，有两种可选择的方案，一种是机械式（弹簧），另一种是液压式（推杆）。机械式是在油石座上安装弹簧，当所加工的孔慢慢变大时，利用弹簧的压力将油石往外推，以实现油石的进给。液压式是在主轴的上方加一个液压缸，它推动推杆向下进给，推杆的下端是锥形的，而珩磨头油石座设计成斜面，与推杆的锥形面接触，当推杆向下运动时，推动该斜面径向涨开，从而推动油石的径向进给（如图3-1所示）。3.3.2 方案比较如果采用第一种方案，当磨条进入正常磨损后，要经常人工调节张紧螺母，使其补偿因磨条磨损所减小的工件内孔上的正压力，因此工作效率低。因为弹簧压力无法控制，所以加工精度不高，而且螺母的调节对工人的要求很高。目前大多数厂家都采用液压张开式珩磨头，这种设计使油石张开均匀，而且自动精确调节，可以自动补偿磨条的磨损。这种设计的生产率很高，而且对于工人的技术要求不高，适合自动化大批量生产。1油石座 2 斜面体 3 油石 4推杆 5油石 6推杆 7 接头图3-1 珩磨头简图1 油缸盖 2 轴承 3 活塞 4 油缸 5 油缸盖 6 推杆图3-2 推杆的运动简图3.3.3 方案确定通过比较，决定采用第二种方案。然而，现代大多数的液压张开式珩磨头的活塞随着推杆一起转动，油缸、活塞和密封圈的寿命较短，而且常出现漏油的现象，要经常更换O型密封圈，给工作带来了不便。在我们的设计中，采用了新型推杆，它既能保证张力均匀，可调，能起到补偿磨条磨损的作用，而且不会漏油，摩擦力小，使用寿命也比普通推杆长。它的结构特点是油缸和活塞的相对运动只有往复运动，油缸和活塞都不转动，只有推杆随传动轴和珩磨头转动，推杆不是直接连接在活塞上，而是通过一对轴承与活塞相连(如图3-2)，轴承外圈与活塞内壁配合，通过轴承内外圈的相对转动，将推杆和活塞的运动分开。3.4 主轴回转运动方案设计3.4.1 方案的提出对于主轴的回转运动，也有两种方案供选择，一种是采用普通异步电机，通过齿轮变速器，带动主轴做回转运动，通过离合器和变速杆的调节，可以获得8级或12级转速。另一种方案是采用变频变速电机，通过带传动，带动主轴回转运动，可以获得无级变速。3.4.2 方案比较比较两种方案，第一种方案结构复杂，体积大，装配麻烦，由于齿轮系复杂，容易产生误差累积，传动精确度降低，且效率较低。但因为采用普通异步电机，所以它的成本较低。第二种方案体积小，结构简单，能实现无级变速，且传动精确，效率高，但由于采用变频电机，成本较高，且维修不方便。但随着近几年变频技术的快速发展，变频电机的使用越来越广泛，其成本也越来越低。因为珩磨机主轴转速要求精确，变速范围要求较广，故宜采用第二种方案。3.4.3 方案确定通过比较，决定在本次设计中采用第二种方案。然而，若是用变频电机通过带传动直接带动主轴，电机要竖放，不利于电机的固定，易于引起机床的震动，使加工产生误差。且由于带横向传动，两个带轮都要加挡圈，传动不稳定，摩擦力大，效率也受影响。所以，我们采用电机横放，通过同步带传动到中间轴，再由两个锥形齿轮经90角传动到主轴。3.5 变频电机原理简介及其选择3.5.1 概述20世纪50年代以前，电动机运行的基本方式是转速不变的定速拖动。对于控制精度要求不高以及无调速要求的许多场合，定速拖动基本能够满足生产要求。随着工业化进程的发展，对传动方式提出了可调速拖动的更高要求。用直流电动机可方便地进行调速，但直流电动机体积大，造价高，并且无节能效果。而交流电动机体积小、价格低廉、运行性能优良、重量轻，因此对交流电动机的调速具有重大的实用性。使用调速技术后，生产机械的控制精度可大为提高，并能够较大幅度地提高劳动生产率和产品质量，而且可对诸多生产过程实施自动控制。通过大量的理论研究和实验，人们逐渐认识到：对交流电动机进行调速控制，不仅能使电力拖动系统具有非常优秀的控制性能，而且在许多场合中，还具有非常显著的节能效果。鉴于此，交流变频调速技术获得了迅速发展和广泛应用。而且，随着电工电子技术的发展，交流电机的变频调速已逐步取代了传统的变极调速、电磁调速和调压调速系统。3.5.2 异步电动机调速的原理及方法三相交流电动机定子绕组中的三相交流电在定子气隙圆周上产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速称同步转速，记为，实际电动机转速n要低于同步转速，故一般称这样的三相交流电动机为三相异步电动机。(1)工作原理异步电动机的同步转速遵从电机学基本关系： （3.1）式中：f电源交变频率 p 电机定子磁极对数电机学中还常用转差率s参量，其定义为 （3.2）电机的实际转速 （3.3）(2)变频调速控制方式由式(3.3)可知，异步电动机变频调速的控制方式基本上有以下3种:1) 电源频率低于工频范围调节。电源的工频频率在我国为50Hz。电机定子绕组内的感应电动势为: （3.4）式中： 定子绕组中感应电动势的频率，与电源频率f相等，Hz。 电机定子绕组的绕组系数，其值取决于绕组结构，。 电机定子绕组每相串联的线圈匝数 电机每极磁通定子电压与定子绕组感应电动势的关系为 （3.5）式中： 定子绕组每组阻抗 定子绕组相电流若忽略定子压降，则 （3.6）把该式整理成 （3.7） （3.8） （3.9）电动机的电磁转矩M与()成正比，若下调频率，同时也下调，使（）比值保持恒量，则磁通不变，因此转矩也保持常值，此时电动机拖动负载的能力不发生改变，这种控制方式称为恒磁通调压调频调速，也叫恒转矩调速。2) 电源频率高于工频范围调节。由于使频率增加，变小，而不能高于额定电压，在该控制方式中，保持不变，由于频率变高，由式（3.9）知道，定子磁通变小，电磁转矩M也变小，但电源频率增加，设电动机转动角速度，电机的功率是电磁转矩M与角速度的乘积 （3.10）调节过程中，使频率f与转矩的变化成一定协调关系，从而保持电机功率P为恒量，即功率不发生变化，这种升频定压调速为恒功率调速。3) 转差频率控制。三相异步电动机中，定子与转子之间的圆周空隙有一旋转磁场，转速为，电机转子实际转速为，()是转子与旋转磁场之间的相对切割速度。对频率、电压进行谐调控制，使不变，此时，磁通也不变，在不变的条件下，电磁转矩M与成正比。对频率f进行调节，即调节（），因此，在实现转速调节时也实现了转矩的调节。3.5.3 变频调速的控制方式变频调速的控制方式经历了控制、转差频率控制、矢量控制的发展，前者属于开环控制，后两者属于闭环控制，正在发展的是直接转矩控制。现分别介绍如下。(1)控制异步电动机的转速与定子电源频率f和极对数有关。改变f就可平滑地调节同步转速，但f上升或下降可能会引起磁路饱和、转矩不足现象。所以在改变f的同时，需调节定子电压。使气隙磁通维持不变、电机效率不下降，这就是 控制。控制简单，通用性优良，但因是开环控制，调速精度低、范围小，只能用在调速精度和动态响应要求不高的场合，如风机、泵机控制、流水线上的工作台转动。(2)转差频率控制由电机学基础知识可知，异步电动机转矩M与气隙磁通、转差频率的关系为：只要保持气隙磁通一定，控制转差频率就能控制电机转矩，这就是转差频率控制。转差频率控制利用速度检测器检出电机的转速，然后以电机速度与转差频率的和给定逆变器的输出频率，其控制精度和过电流的抑制等特性较控制都有所提高，但由于维持磁通和转矩恒定的基本关系式是从稳态机械特性上推导出来的，没有考虑电机电磁惯性的影响，所以动态转矩仍没得到控制，动态响应效果仍不理想。(3)矢量控制矢量控制是在交流电动机上模拟直流电机控制转矩的规律，将定子电流分解成相应于直流电机的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制，获得和直流电机一样的优良性能，它适用于要求快速响应或对起动、制动有严格要求的场合。(4)直接转矩控制直接转矩控制（DTC）的变频调速是目前正在发展的调速方式，它无需像矢量控制那样进行复杂的矢量变换运算，直接由定子空间矢量分析三相电动机的数学模型，并决定其控制量DTC能够用开环方式对转速和转矩进行控制，它的PWM波形直接由转矩决定，其控制性能比PWM磁通矢量控制方式更优越。3.5.4 电机的选择根据珩磨机主轴的功率及其转速，选择矢量控制的Y系列6级三相异步电机，电机额定转速为960r/min，额定功率为5.5Kw。它能够快速、准确的实现无级变速。且转速控制精确，操作简单。第四章 珩磨机主轴的设计计算4.1 轴的种类和特点轴是组成机械的一个重要零件。它支承着其他转动件回转并传递转矩，同时它又通过轴承和机架连接。所有轴上零件都围绕轴心线作回转运动，形成了一个以轴为核心的回转体轴系部件。所以在轴的设计中，不能只考虑轴本身，还必须和轴系零、部件的整个结构密切联系起来。轴按受载情况分：（1）转轴 既支承传动机件，又传动动力，即承受弯矩和扭矩两种作用。（2）心轴 只起支承旋转机件作用而不传递动力，既只承受弯矩作用。心轴又可分为固定心轴（工作时轴不转动）和转动心轴（工作时轴转动）两种。（3）传动轴 主要传递动力，即主要承受扭矩作用。按结构形状分：光轴，阶梯轴，实心轴，空心轴等。按几何轴线形状分：直轴，曲轴，钢丝软轴等。设计轴时应考虑多方面因素和要求，其中主要问题是轴的选材、结构、强度和刚度。对于高速轴还应考虑振动稳定性问题。轴设计特点：在轴系零、部件的具体要求未确定之前，轴上力的作用点和支点间的跨距无法精确确定，故弯矩大小和分布情况不能求出，因此在轴的设计中，必须把轴的强度计算和轴系零、部件结构设计交错进行，边画图、边计算，边修改。轴设计的程序：（1）根据机械传动方案的整体布局，拟定轴上零件的布置和装配方案（2）选择轴的合适材料（3）初步估算轴的直径（4）进行轴系零、部件的结构设（5）进行强度计算（6）进行刚度计算（7）校核键的连接强度（8）验算轴承（9）根据计算结果修改设计（10）绘制轴的零件工作图对于一些不太重要的轴，上述程序中的某些内容可以省略。4.2 轴的材料选取轴的常用材料 ：轴的常用材料很多，设计时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。轴的常用材料是35、45、50优质碳素钢，最常用的是45钢。对于受载较小或不太重要的轴，可采用合金钢、球墨铸铁和一些高强度铸铁，由于铸造性好，易于铸成复杂形状，且减振性能好，应力集中敏感性低，支点位移的影响小，故常用于制造外形复杂的轴。特别是我国研制成功的稀土-镁球墨铸铁，冲击韧性好，同时具有减磨、吸振和对应力集中敏感性小等优点，已用于制造汽车、拖拉机、机床上的重要轴系零件。根据工作条件的要求，轴可在加工前或加工后经过整体或表面处理，以及表面强化处理（如喷丸、辊压等）和化学处理（如渗碳、渗氮、氮化等），以提高其强度（尤其疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等性能。在一般工作温度下，合金钢的弹性模量与碳素钢相近，所以只为了提高轴的刚度而选用合金钢是不合适的。轴一般由轧制圆钢或铸件经切削加工制造。轴的直径较小，可用圆钢棒制造；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，采用锻坯。为节约金属和提高工艺性，直径大的轴还可以制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。对于形状复杂的轴（如凸轮轴、曲轴）可采用铸造。4.3 轴的设计与校核计算二级传动轴上作用的弯矩较小，我们根据轴受的扭矩来计算。对其弯矩，用降低许用扭应力的方法加以考虑。用这种方法是为了初步估算轴径，在此基础上做轴的结构设计。对于一般不十分重要的轴，也可以作为最后计算结果1计算花键轴的强度查表36.3-1由公式 d. (4.1)其中， A按定的系数，见表36.3-2n轴的转速 p轴传递的额定功率kw空心圆轴内径和外径d之比已知: n=250 p=5.5kw 因为此轴选用45钢，查表36.3-2取A=110;代入公式，有: d.=35.2 考虑到此轴与同步带轮为花键连接，需将其轴径增加，故取直径为d=60mm此轴左端与二级传动轴相连，为了便于轴承的安装，左端采用轴端压盖固定一对轴承，轴承外在安装一个轴承端盖.根据轴的受力，选取8000型推力球轴承，取装轴承处压盖直径及轴左端直径为50，初步选轴承: 左为9000型推力圆柱磙子轴承（额定动负荷比为1.71.9）右为8000型推力球轴承（额定动负荷比为1）2安全系数校核计算由于一级、二级传动轴不受弯矩或受很小的弯矩，我们只对其进行扭转强度校核初选一级传动轴直径为10mm，二级传动轴为空心轴，外径为20mm，内径为10mm，如图4-1图4-1 二级传动轴3一级传动轴的强度校核为了制造及安装的方便和机床的可靠性，对较长而直径又较小的一级传动轴，其与轴承通过一个连接杆连接，它们通过一个圆柱销连接，如下图：图4-2 一级传动轴通过对轴受力分析，截面A处为危险截面，对此截面进行安全系数校核计算，根据公式26.3-2式中 式中45钢弯曲对称循环应力时的疲劳极限，由表26.1-1查得=270MPa正应力有效应力集中系数，由表26.3-6按花键取2.38 表面质量系数，经拉削加工，按表26.3-9查得 尺寸系数，由表26.3-12查得根据式26.3-3 =5.37式中 45号钢扭转疲劳强度极限，由表26.1-1查得=270MPa 剪应力有效应力集中系数，查表26.1-1取=1.8 、 同正应力情况 平均应力折算系数，由表26.3-4查得=0.21轴的A截面上的安全系数由式26.3-1确定S=由表26.3-5可知 =1.32.5故该轴A截面处是安全的。按抗扭截面系数校核计算由表26.3-15，其抗扭截面系数计算公式为：=由公式26.3-4，计算只考虑扭矩时的安全系数为：故满足表26.3-14中，在1.62.5之间，故强度满足要求，该轴合格。第五章 珩磨机主轴往复运动仿真分析5.1 仿真方法简介 珩磨是孔光整加工的一种有效方法，工件经珩磨后，尺寸精度、形位精度均能提高，表面粗糙度可达Ra0.8Ra0.2m，有的甚至低于Ra0.025m。影响工件珩磨精度的因素很多，但主要有三种：珩磨头旋转速度，油石的膨胀压力，珩磨头往复运动速度。这三种因素合理的配合