半球面螺旋槽研磨機(jī)研磨頭部件設(shè)計(jì),半球面螺旋槽研磨機(jī)研磨頭部件設(shè)計(jì),半球,螺旋,研磨機(jī),研磨,部件,設(shè)計(jì) 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 半球面螺旋槽研磨機(jī)研磨頭部件設(shè)計(jì) The Design of the Grinding Head of the Hemispherical Spiral Groove Muller 摘 要 半球面螺旋槽數(shù)控研磨機(jī)是一種高效率,高精度,低成本,自動(dòng)化的專用數(shù)控研磨設(shè)備。本文設(shè)計(jì)的研磨頭是半球面螺旋槽數(shù)控研磨機(jī)的主要部件，實(shí)現(xiàn)砂輪的切削運(yùn)動(dòng)，與工件主軸箱、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)按工件加工要求，實(shí)現(xiàn)半球面螺旋槽加工。本設(shè)計(jì)采用彈簧夾頭安裝砂輪，采用螺栓調(diào)整主軸箱位置，采用壓縮彈簧機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)研磨壓力調(diào)節(jié)，采用直流電磁鐵及接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)“提刀”，采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行可靠、成本低的特點(diǎn)。具有廣泛的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞: 半球面 螺旋槽 研磨頭 Abstract The hemispherical spiral groove muller is one kind of special numerical control mulling equipment which has higher efficiency, higher degree of accuracy, lower cost and automate procedures. The grinding head mentioned in this design is the major component of the hemispherical spiral groove muller, which can be used to realize cutting procedures of the grinding wheel. And if it connects with work spindle headstock and swiveling table according to the request of processing workpieces,it can realize the processing of the hemispherical spiral groove. This design uses spring chuck to install the grinding wheel, and uses bolt to adjust the situation of spindle headstock, and uses compression spring mechanism to adjust the mulling pressure. Also the design uses the direct current electromagnet and proximity switch to realize “l(fā)ifting knife”, and uses asynchronous machine to drive. This design has the features of the simple structure, the reliable operation and the lower cost. And this design also has comprenhensive applicable prospects. Key Word: hemispherical spiral groove the grinding head 目 錄 第一章 緒論 1.1 本課題研究的背景 1.2本課題研究的意義 1.2.1 研磨加工的現(xiàn)狀 1.2.2 研磨技術(shù)的新發(fā)展 1.3設(shè)計(jì)目的和內(nèi)容 第二章 總體設(shè)計(jì)方案 2.1 研磨機(jī)原理方案設(shè)計(jì) 2.1.1 球面螺旋線的加工原理 2.1.2 球面螺旋槽的加工原理 2.1.3 半球體螺旋槽數(shù)控研磨加工原理 2.2研磨機(jī)結(jié)構(gòu)方案 第三章 研磨頭部件設(shè)計(jì) 3.1 研磨頭的工作原理 3.1.1 砂輪主運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 3.1.2 主軸箱位置的調(diào)整 3.1.3 研磨壓力的調(diào)整 3.1.4 提刀動(dòng)作的實(shí)現(xiàn) 3.1.5電機(jī)選擇 3.1.6十字聯(lián)軸器 3.2研磨頭部件結(jié)構(gòu)方案 3.2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 3.2.2 砂輪主軸連接及支撐方式 3.2.3 調(diào)整螺釘及主軸箱導(dǎo)向 3.2.4 導(dǎo)軌的選擇： 3.2.5 壓力調(diào)整機(jī)構(gòu) 3.2.6 提刀實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu) 3.2.7 直線軸承 第四章 計(jì)算分析 4.1 工件主軸受力及變形 4.2 彈簧的壓力計(jì)算 4.3 軸承壽命計(jì)算 第五章 結(jié)論 參考文獻(xiàn)及致謝 第一章 緒論 1.1 本課題研究的背景 隨著航天技術(shù)以及微電子技術(shù)的發(fā)展，精密和超精密加工技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得成功的關(guān)健技術(shù)。因?yàn)楝F(xiàn)代工業(yè)需要很高的制造精度，需要精密和超精密加工的零、部件越來(lái)越多，由此產(chǎn)生了以精密工程、細(xì)微工程和納米加工技術(shù)為代表的現(xiàn)代制造技術(shù)的前沿技術(shù)。精密和超精密加工技術(shù)成為各國(guó)發(fā)展尖端技術(shù)的基礎(chǔ)，其發(fā)展水平成為代表制造業(yè)發(fā)展程度的重要標(biāo)志。 我國(guó)現(xiàn)在的機(jī)械制造技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有相當(dāng)大的差距，主要表現(xiàn)在兩個(gè)發(fā)展方向上:一是高度自動(dòng)化技術(shù)，以FMS、CIMS和敏捷制造技術(shù)為代表;另一個(gè)是精密和超精密加工技術(shù)，以超精密加工為代表。 當(dāng)代超精密加工多種加工方法已達(dá)到納米級(jí)，而且實(shí)現(xiàn)了單個(gè)原子的移動(dòng)。為了進(jìn)一步提高超精密加工技術(shù)水平，各發(fā)達(dá)國(guó)家都在努力研究新方法、新工藝，以實(shí)現(xiàn)新的突破。日本的ERATO計(jì)劃中，把納米技術(shù)作為其六項(xiàng)優(yōu)先技術(shù)之一。英國(guó)國(guó)家納米技術(shù)困ION)計(jì)劃已經(jīng)進(jìn)行。我國(guó)已把先進(jìn)制造技術(shù)作為今后重要發(fā)展的研究領(lǐng)域，而超精密加工技術(shù)就是其中的一個(gè)重要組成部分。 研磨作為精密和超精密加工的重要方法之一，一直受到國(guó)內(nèi)外的高度重視。多年來(lái)，很多人致力于這一方面的研究，取得了很多的研究成果，出現(xiàn)了很多的加工方法和實(shí)現(xiàn)形式，并在這一領(lǐng)域，努力實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的研磨加工。 空氣靜壓球面軸承的球面成型數(shù)控加工在我國(guó)屬于空白技術(shù)領(lǐng)域。該產(chǎn)品傳統(tǒng)的特殊螺旋槽研磨加工工藝，是采用在特殊杠桿機(jī)構(gòu)組成的手工研磨設(shè)備上進(jìn)行加工的方法，效率低、精度差。如果采用通用的5坐標(biāo)4聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨床加工，不僅投資大，成本高，編程工作費(fèi)時(shí)，而且要適應(yīng)研磨作業(yè)的需要對(duì)機(jī)床還進(jìn)行改造。因此，迫切需要研制一種高效率、高精度、低成本、自動(dòng)化的專用研磨數(shù)控設(shè)備。 1.2本課題研究的意義 在航空、航天的陀螺儀和激光照排機(jī)等設(shè)備上，廣泛使用著高精度的空氣靜壓球面軸承。這種球面軸承由對(duì)稱的兩個(gè)半球體組成，為形成氣膜，要求在這兩個(gè)高硬度、高精度的半球體上加工出3~24道特殊形狀的螺旋槽。螺旋槽的主參數(shù)有球面半徑、槽數(shù)、起始角、終止角、螺旋方向等，要求各參數(shù)能方便地調(diào)整。 該設(shè)備用于陀螺儀和激光照排機(jī)等設(shè)備上高精度空氣靜壓球面軸承上螺旋槽的研磨加工。采用2坐標(biāo)2聯(lián)動(dòng)方案，即采用2球面旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)加工復(fù)雜曲線，極大降低了球面加工的難度，有利于精度的提高。更重要的是簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，，大大降低了成本。改善5坐標(biāo)4聯(lián)動(dòng)方案存在的不足。 研磨技術(shù)廣泛應(yīng)用于零件的精加工，尤其是淬硬件和高硬度材料的精加工。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)器和零件的尺寸，形狀精度以及表面粗糙度要求越來(lái)越高，并且各種高硬度材料應(yīng)用日益增多，而現(xiàn)有的加工手段及機(jī)床已不能很好的滿足這種日益迫切的要求。這需要我們科技人員盡快改進(jìn)我們的加工水平，設(shè)計(jì)有效的機(jī)床，以滿足這種要求。 本設(shè)計(jì)就是為了滿足上述要求而設(shè)計(jì)的一種超精加工研磨機(jī)，該研磨機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)： （1）選用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)床通用手動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，改制成數(shù)控工作臺(tái)； （2）由兩幅直線軸承構(gòu)成直線道軌系統(tǒng)； （3）采用兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)完成兩數(shù)控旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的零為識(shí)別； （4）采用MFZ1—25型電磁鐵實(shí)現(xiàn)短距離退刀； （5）用測(cè)微儀確定工件安裝的位置，精確可靠，還可補(bǔ)償工件半圓球的尺寸誤差； （6）株洲箱的傳動(dòng)元件采用諧波減速器與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接連接，結(jié)構(gòu)緊湊，回差?。? （7）盡量選用標(biāo)準(zhǔn)、通用的元器件。例如：直接選用已有的模具電磨的主軸及其外殼配件，作為本機(jī)工件主軸系統(tǒng)和研磨具主軸系統(tǒng)的主軸部件及夾持裝置。采用這些標(biāo)準(zhǔn)部件和通用器件，不僅設(shè)計(jì)、研制的周期縮短，成本降低，而且質(zhì)量、精度、可靠度都較高，從而保證了機(jī)床的精度及可靠度。 超精密加工技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r： 精密和超精密加工已經(jīng)成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)樵S多現(xiàn)代產(chǎn)品需要很高的制造精度。發(fā)展尖端技術(shù)，發(fā)展國(guó)防工業(yè)，發(fā)展微電子工業(yè)都需要精密和超精密加工零、部件。當(dāng)代的精密工程、微細(xì)工程和納米技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的前沿，也是明天技術(shù)的基礎(chǔ)。 我國(guó)現(xiàn)在的機(jī)械制造技術(shù)水平和國(guó)外相比還有相當(dāng)大的差距，主要表現(xiàn)在兩個(gè)發(fā)展方向上:一個(gè)是高度自動(dòng)化技術(shù)，以FMS,CI MS和敏捷制造技術(shù)為代表;另一個(gè)是精密和超精密加工，以超精密加工為代表。當(dāng)代多種 超精密加工方法已達(dá)到納米級(jí)，而且實(shí)現(xiàn)了單個(gè)原子的移動(dòng)。為了進(jìn)一步提高超精密加工技術(shù)水平，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都在努力沖刺。日本的ERATO計(jì)劃中，把納米技術(shù)作為其六項(xiàng)優(yōu)先技術(shù)之一。美國(guó)的VHSIC計(jì)劃正在進(jìn)行，在英國(guó)國(guó)家納米技術(shù)(NION)計(jì)劃已經(jīng)實(shí)行。令人鼓舞的是我國(guó)已把先進(jìn)制造技術(shù)做為今后重要發(fā)展的研究領(lǐng)域，而超精密加工技術(shù)就是其中的一個(gè)重要組成部分。 1.2.1研磨加工的現(xiàn)狀 研磨是一種重要的精密和超精密加工方法。研磨加工除了加工質(zhì)量和加工精度高這一特點(diǎn)外，還具有加工材料廣，幾乎可以加工任何固態(tài)材料。正是由于這一特點(diǎn)，研磨加工方法的應(yīng)用比較早，在原始社會(huì)，人類的祖先就用研磨加工方法來(lái)加工石器。后來(lái)，由于切削刀具材料的發(fā)展，切削加工因效率高而逐漸受到重視，使得切削加工在機(jī)械加工領(lǐng)域中占很大。 1.2.2研磨技術(shù)的新發(fā)展 目前普遍采用的傳統(tǒng)散粒慢速研磨，存在的缺點(diǎn)主要有： （1）磨料散置于磨盤(pán)上，為避免磨料飛濺，磨盤(pán)轉(zhuǎn)速不能太高，因此加工效率低； （2）磨料與從工件上磨下的碎屑混淆在一起，不能充分發(fā)揮切削作用，而且還要與這些碎屑一起被清洗掉，浪費(fèi)能源、浪費(fèi)磨料； （3）磨料在 磨盤(pán)上是隨機(jī)分布的，其分布密度不均，造成對(duì)工件研磨切削量不均，工件面形精度不易控制;特別是磨料與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)具有隨機(jī)性，這也增加了工件面形精度的不確定因素； （4）在研磨加工中要嚴(yán)格控制冷卻液的流量，以避免沖走磨料，這使得冷卻效果變差，容易引起工件升溫，造成加工精度下降； （5）大顆粒磨料起主要切削作用，易劃傷工件表面，所以對(duì)磨料尺寸均勻性要求高； （6）磨料能嵌入軟材質(zhì)的工件表面，影響工件的使用性能； （7）在研磨中磨料之間相互切削，浪費(fèi)磨料； （8）磨盤(pán)磨損后修整難，需要三個(gè)磨盤(pán)對(duì)研； （9）各道工序間清洗工件要嚴(yán)格； （10）工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)工人操作技術(shù)水平要求高； 考慮到上述原因，人們?cè)噲D探索新的研磨方法，以解決散粒磨料研磨所存在的問(wèn)題。所以出現(xiàn)了振動(dòng)研磨、磁流體研磨、磁力研磨、彈性發(fā)射、用液體結(jié)合劑砂輪研磨、電解研磨、ELID在線修整研磨、固著磨料研磨等各種新的研磨加工方法。 振動(dòng)研磨就是在研磨過(guò)程中，使磨料與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)附加以振動(dòng)。其主要目的是提高加工效率。如在研磨中采用振幅12-251im，頻率為2-5萬(wàn)赫茲的超聲波振動(dòng)，可提高加工效率15倍251。為了研磨復(fù)雜曲面的工件，有人研究了柔性磨體振動(dòng)研磨，取得了很好的效果，國(guó)內(nèi)外都已有相應(yīng)的研磨機(jī)床出售。另外，對(duì)于一些尺寸較小而且數(shù)量較大的零件，有廠267將其與磨料一起置人一容器內(nèi)，加以振動(dòng)，進(jìn)行研磨拋光，還有人專門(mén)研制出相應(yīng)的振動(dòng)研磨機(jī)。目前這種振動(dòng)研磨機(jī)國(guó)內(nèi)外都有廠家生產(chǎn)，而且這種研磨加工技術(shù)比較成熟，應(yīng)用也日趨廣泛。磁性流體研磨是利用磁性流體本身所具有的液體流動(dòng)性和磁性材料的磁性以及外磁場(chǎng)作用來(lái)保持磨粒與工件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而達(dá)到研磨光整工件表面的精加工方法。其特點(diǎn)是：加工質(zhì)量好，表面精度高，不會(huì)在加工表面形成新的加工變質(zhì)層，適應(yīng)加工材料廣，并可適用于復(fù)雜形面的表面精加工。南京航空學(xué)院的潘良賢等人在這方面做了許多工作，在研磨機(jī)理方面進(jìn)行了深人的研究，取得了一些成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的金沫吉等人專門(mén)研究了磁流體研磨法加工陶瓷球，得出了研磨參數(shù)與研磨效率的關(guān)系，證明這種加工方法的高效性和高質(zhì)量性，取得了較好的效果。磁性磨料研磨也稱為磁力研磨，它是將工件置于磁場(chǎng)中，而在磁場(chǎng)中填充著微細(xì)且具有磁性的磨料，磨料在磁場(chǎng)的作用下對(duì)工件表面產(chǎn)生壓力。當(dāng)工件相對(duì)磁場(chǎng)存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磨料對(duì)工件產(chǎn)生研磨切削作用。這種加工方法的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，很容易控制研磨壓力;并且因?yàn)槭侨嵝匝心?，適合研磨工件的形狀較為廣泛;另外還可以去除較小的毛刺。我國(guó)的李益民等人探討了用磁力研磨法去毛刺，取得了較好的效果。除此之外，我國(guó)還有一些學(xué)者從事著磁力研磨機(jī)理研究，也取得很多成就。彈性 發(fā) 射 是利用微粒子在材料表面上滑動(dòng)去除材料。微粒子以接近水平的角度與材料碰撞，在接近材料表面處產(chǎn)生最大剪斷力，既不使其體內(nèi)的位錯(cuò)、缺陷等發(fā)生移動(dòng)(塑性變形)，又能產(chǎn)生微量的“彈性破壞”，以進(jìn)行去除加工。其去除量可控制在幾個(gè)至幾十個(gè)原子級(jí).液體 結(jié) 合 劑砂輪研磨作為一種高效研磨的方法，正在受到人們的重視。日本的河田研治等人在這方面做了許多研究工作，取得了較好的效果，采用該方法加工，工件已加工表面粗糙度很高。液體結(jié)合劑砂輪結(jié)構(gòu)與普通砂輪大體相同。磨粒結(jié)合劑(液體) 氣孔結(jié)合劑(液體)填充材料磨粒(a)普通的液體結(jié)合劑砂輪(b)復(fù)合液體結(jié)合劑砂輪液體結(jié)合劑砂輪結(jié)構(gòu)采用液體結(jié)合劑砂輪研磨有如下特點(diǎn)： （1）加工精度及表面質(zhì)量與普通研磨一樣時(shí)，加工效率能高于普通研磨幾倍； （2）磨料自銳性好，能長(zhǎng)時(shí)間保持高效率研磨； （3）砂輪成形非常容易，可適用于非球面等復(fù)雜形狀的研磨； （4）相對(duì)加工性而言，可以制成非常寬的砂輪； （5） 由于只需要磨粒和適宜的液體就可以制作砂輪，所以加工面的質(zhì)量控制非常容易； （6） 由于結(jié)合劑可以使用酸性溶液和堿性溶液，所以可用于期待化學(xué)作用的研磨和有吸濕性的特殊工件的研磨； （7） 由于液體結(jié)合劑砂輪沒(méi)有普通研具那樣的連續(xù)的彈性，故可進(jìn)行無(wú)塌邊的研磨。 電解研磨是應(yīng)用較早的電化學(xué)復(fù)合加工工藝，可蝕除金屬表面大的粗糙度而使表面平整；也可蝕除金屬表面微觀不平，使其光滑成鏡面。電解研磨原理是通過(guò)電解蝕除金屬表面，但在蝕除過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生鈍化膜，所以再加上機(jī)械研磨，去除表面微觀高點(diǎn)的鈍化膜，使其能繼續(xù)電解蝕除，反復(fù)進(jìn)行，從而使加工表面逐漸平整光滑。這種加工方法可以消除傳統(tǒng)散粒磨料研磨加工在工件已加工表面上產(chǎn)生的加工變質(zhì)層，因此受到了人們的重視，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從事著這一加工技術(shù)的研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉晉春等),J341研究了電解研磨中，電解和磨粒研磨復(fù)合作用機(jī)理及主要參數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明該成果能在短時(shí)間內(nèi)獲得R:值小于0.05 Atm的大面積鏡面，而且適合于加工不同曲面。北京理工大學(xué)的陳幼松探討了在電解研磨中應(yīng)用電火花加工技術(shù)，開(kāi)發(fā)了電解電火花復(fù)合研磨加工方法。采用這一新方法，加工Sic陶瓷，加工效率提高4倍。杭州電子工業(yè)學(xué)院的文貴林利用粘彈性磨料布進(jìn)行電解復(fù)合加工鏡面，也取得了很好的效果，并研制出相應(yīng)的加工裝置。 一般來(lái)說(shuō) ，磨粒尺寸越小，所加工的工件表面粗糙度值越小，但對(duì)于固著磨料研磨，磨粒尺寸太小，容易使磨具上的工作面被加工過(guò)程產(chǎn)生的磨屑堵塞，至使加工過(guò)程無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。ELID(電解在線修整)技術(shù)則很好地解決了這一問(wèn)題，ELID加工原理圖。工件被壓在磨具上，磨具通過(guò)電刷連接到電源的正極上，電源負(fù)極則固定在磨具上方約0.3㎜處，通過(guò)磨削液負(fù)極與磨盤(pán)之間發(fā)生電解現(xiàn)象，在機(jī)械磨削與電解的雙重作用下，可以使磨具保持有良好的自銳性，Nobuhide ITOH使用電源冷卻液爭(zhēng)工件。 1.3設(shè)計(jì)目的和內(nèi)容 在航空,航天的陀螺儀和激光照排機(jī)等設(shè)備上,廣泛使用著高精度的空氣靜壓球面軸承.這種球面軸承由對(duì)稱的兩各半球體組成,為形成氣膜,要求在這兩個(gè)高硬度,高精度的半球面加工出3～24道特殊形狀的螺旋槽。（圖1）其曲線公式為： θ=f（Ψ）=tgvαIntg(π/4+Ψ/2) 圖1.2 加工原理 圖1.1 半球體上的螺旋 螺旋槽的主參數(shù)有球面半徑,槽數(shù),起始角,中止角,螺旋方向等,要求各參數(shù)能方便地調(diào)整,螺旋槽的深度約為5μm。 空氣靜壓球面軸承的球面成型數(shù)控加工在我國(guó)屬于空白技術(shù)領(lǐng)域.該產(chǎn)品傳統(tǒng)的特殊螺旋槽研磨加工工藝,是采取在特殊杠桿機(jī)構(gòu)組成的手工研磨設(shè)備上進(jìn)行加工的方法,效率低,精度差.如果采用5坐標(biāo)4聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨床加工,不僅投資大,成本高,編程工作費(fèi)時(shí),而且要適應(yīng)研磨工作的需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行改造.因此,迫切需要研制一種高效率,高精度,低成本,自動(dòng)化的專用研磨數(shù)控設(shè)備.基于上述要求,我們應(yīng)用戶的要求,在校,院領(lǐng)導(dǎo)的支持和老師的幫助下開(kāi)發(fā)了本作品。 本設(shè)計(jì)基于數(shù)控機(jī)床完成復(fù)雜曲面加工的工作原理，并針對(duì)本項(xiàng)目產(chǎn)品的特殊情況加以創(chuàng)新而成。采用計(jì)算機(jī)，通過(guò)接口電路控制機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)與協(xié)調(diào)?？紤]到加工對(duì)象的球面特征，采用2坐標(biāo)2聯(lián)動(dòng)的球面坐標(biāo)系，通過(guò)磨具的旋轉(zhuǎn)進(jìn)給和工件的旋轉(zhuǎn)進(jìn)給完成對(duì)球面螺旋槽的加工，其原理如下： 在Ψ和θ兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的作用下，從球面的某指定點(diǎn)C開(kāi)始，設(shè)定空氣靜壓軸承繞球心轉(zhuǎn)動(dòng)的相垂直的兩坐標(biāo)Ψ和θ。 利用球面坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)原理，就可以實(shí)現(xiàn)刀具沿零件球面上預(yù)定的曲線路徑運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工藝所要求的加工。在加工過(guò)程中，Ψ和θ兩坐標(biāo)分別采用兩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并在電控和機(jī)械兩部分同時(shí)對(duì)步距進(jìn)行細(xì)分，以達(dá)到步距的精度要求，加工出符合精度要求的曲線。 第二章 總體設(shè)計(jì)方案 2.1研磨機(jī)原理方案設(shè)計(jì) 本研磨機(jī)基于數(shù)控機(jī)床完成復(fù)雜曲面加工的工作原理，并針對(duì)本研磨機(jī)的特殊情況加以創(chuàng)新而成。采用計(jì)算機(jī)，通過(guò)接口電路控制機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)與協(xié)調(diào)。考慮到加工對(duì)象的球面特征，我們采用了2坐標(biāo)2聯(lián)動(dòng)的球面坐標(biāo)系， 2.1.1球面螺旋線的加工原理 其原理如下： 在ψ（即C）和θ（即X）兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的作用下，從球面上的某指定點(diǎn)C開(kāi)始，可以通過(guò)任意路徑到達(dá)某任意指定點(diǎn)A。我們?cè)O(shè)定空氣靜壓軸承繞球心轉(zhuǎn)動(dòng)的相垂直的兩坐標(biāo)ψ和θ，利用球面坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)原理，就可以實(shí)現(xiàn)刀具沿零件球面上預(yù)定的曲線路徑運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工藝所要求的加工。在加工過(guò)程中，ψ和θ兩坐標(biāo)分別采用兩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并在電控和機(jī)械兩部分同時(shí)對(duì)步距角進(jìn)行細(xì)分，已達(dá)到步距的精度要求，加工出符合精度要求的曲線。如下圖所示。 圖2.1 球面坐標(biāo)系 2.1.2球面螺旋槽的加工原理 本研磨機(jī)的加工對(duì)象是在航空、航天的陀螺儀和激光照排機(jī)等設(shè)備上使用的高精度空氣靜壓球面軸承，球面軸承由對(duì)稱的兩個(gè)半球體組成，為形成氣膜，要求在這兩個(gè)高硬度、高精度的半球體上加工出3~24道特殊形狀的螺旋槽。其曲線公式為： 螺旋槽的主參數(shù)有球面半徑、槽數(shù)、起始角、終止角、螺旋方向等，要求各參數(shù)能方便地調(diào)整，螺旋槽的深度約為。半球面螺旋槽如下圖。 圖2.2 半球體上的螺旋槽 2.1.3半球體螺旋槽數(shù)控研磨加工原理 由于工件表面已經(jīng)涂鍍了一層硬度很高的TiN或TiC涂層，必須采用研磨或金剛石磨削才可能進(jìn)行加工。對(duì)于加工深度只有約的情況，采用研磨方案更有把握，因此我們采用這一方案。 研磨加工的原理是：旋轉(zhuǎn)的研磨具在一定壓力作用下，利用金剛石研磨膏對(duì)工件表面進(jìn)行加工。研磨的深度與研磨具的旋轉(zhuǎn)速度和壓力成正比，也與研磨具和工件之間的相對(duì)移動(dòng)速度成正比。如下圖所示： 圖2.3 研磨加工原理 2.2研磨機(jī)結(jié)構(gòu)方案 半球面螺旋槽的加工對(duì)機(jī)械系統(tǒng)提出以下要求： 1)能實(shí)現(xiàn)球面坐標(biāo)定位，即ψ和θ兩旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的定位，且速度可任意設(shè)定。 2）能實(shí)現(xiàn)對(duì)研磨工具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的無(wú)級(jí)變速。 3）研磨部件沿軸線方向能產(chǎn)生軸向推力，保證研磨具端面以一定壓力和工件表面接觸，以實(shí)現(xiàn)有效的研磨；同時(shí)，當(dāng)完成一個(gè)槽的加工而需要轉(zhuǎn)入另一個(gè)槽時(shí)，研磨部件能夠完成“提刀”，即研磨具能夠沿軸線后退一個(gè)小距離，以免研磨具劃傷工件表面。 為了滿足以上功能，機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有研磨頭、主軸箱部件和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)部件三部分組成，分別實(shí)現(xiàn)研磨頭、θ旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)和ψ旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的驅(qū)動(dòng)。如下圖所示。 圖2.4 機(jī)械系統(tǒng)的組成 第三章 研磨頭部件設(shè)計(jì) 3.1研磨頭的工作原理 研磨頭部件的結(jié)構(gòu),研磨具夾持在研磨具主軸的彈簧夾頭內(nèi),由70YNJ型單相交流異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng).通過(guò)專門(mén)配套的控制器,實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)磁調(diào)速,構(gòu)成了研磨具主軸系統(tǒng).電動(dòng)機(jī)安裝在主軸箱,而主軸箱則與上連接板連接,二者沿軸線的相對(duì)位置可通過(guò)螺釘調(diào)整.上連接板主軸箱箱體支承在兩套直線滾動(dòng)軸承上,保證了研磨具主軸箱箱體可沿X方向?qū)崿F(xiàn)靈活“提刀”向工件表面施壓的運(yùn)動(dòng).其中壓力是通過(guò)彈簧的壓縮產(chǎn)生的,壓力大小通過(guò)調(diào)壓螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié).提刀工作則是通過(guò)直流電磁鐵MFZ-2.5實(shí)現(xiàn),當(dāng)線圈通電時(shí),連接銜鐵的銅桿向外伸出,推動(dòng)與研磨主軸系統(tǒng)固連的上連接板,從而實(shí)現(xiàn)提刀動(dòng)作.反應(yīng)提刀 動(dòng)作是否正確的檢測(cè)信號(hào)由行程開(kāi)關(guān)K1提供.上連接板同研磨具主軸箱沿X軸向的相對(duì)位置,通過(guò)主軸箱調(diào)位螺釘進(jìn)行調(diào)整,以適應(yīng)不同直徑半球體加工的需要。 3.1.1砂輪主運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 十字連軸器 彈簧夾頭 圖3.1 主軸的運(yùn)動(dòng)主要是由一部異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)聯(lián)軸器從而控制彈簧夾頭夾持砂輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的，此處應(yīng)注意聯(lián)軸器及彈簧夾頭的選擇。 3.1.2主軸箱位置的調(diào)整 圖3.2 圖3.3 為了滿足加工的需要，使主軸箱可以在箱體上浮動(dòng)，因此主軸箱應(yīng)放置于燕尾槽之上。主軸箱位置的調(diào)整主要是由一個(gè)主軸箱調(diào)位螺釘控制的，主軸箱可以在燕尾槽中浮動(dòng)，主要通過(guò)對(duì)調(diào)位螺釘?shù)目刂苼?lái)調(diào)整主軸箱和下面部件的相對(duì)位置，從而達(dá)到工作所滿足的要求。 3.1.3研磨壓力的調(diào)整 研磨壓力主要由下箱體的研磨壓力調(diào)整彈簧調(diào)整，壓力調(diào)整彈簧置于研磨壓力調(diào)整螺釘和擋板之間，通過(guò)研磨壓力調(diào)整螺釘?shù)乃删o控制彈簧對(duì)擋板的壓力來(lái)控制上連接板處研磨頭對(duì)工件的壓力，此處要考慮彈簧的壓力及壽命。研磨壓力調(diào)整彈簧由緊定螺釘固定于彈簧套之中。 3.1.4提刀動(dòng)作的實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)的提刀是由一個(gè)直流電磁鐵實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)退刀位置開(kāi)關(guān)閉和時(shí)，電源給電直流電磁體通電產(chǎn)生磁性，推動(dòng)刀具與零件接觸。當(dāng)退刀位置開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電源斷電直流電磁鐵磁性消失，刀具和零件斷開(kāi)。實(shí)現(xiàn)提刀。 3.1.5電機(jī)選擇 電動(dòng)機(jī)是專門(mén)工廠批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)部件，設(shè)計(jì)時(shí)要選具體型號(hào)以便購(gòu)置。選擇電動(dòng)機(jī)包括確定類型、結(jié)構(gòu)、容量（功率）和轉(zhuǎn)速，并在產(chǎn)品目錄中查處類型號(hào)和尺寸。 3.1.5.1選擇電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)形式 電動(dòng)機(jī)分交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩種。由于直流電動(dòng)機(jī)需要電源，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高，維護(hù)比較不便，因此無(wú)特殊要求時(shí)不宜使用。 生產(chǎn)單位一般用三相交流電源，因此，無(wú)特殊要求都應(yīng)選擇交流電動(dòng)機(jī)。交流電動(dòng)機(jī)有異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)兩類。異步電動(dòng)機(jī)有籠型和繞線型兩種，其中以普通籠型異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最多。我國(guó)新設(shè)計(jì)的Y系列三相籠型異步電動(dòng)機(jī)屬于一般用途的全封閉自扇冷電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，價(jià)格低廉，維護(hù)方便，適用于不宜燃、不宜暴、無(wú)腐蝕性氣體和無(wú)特殊要求的機(jī)械上。由于起動(dòng)性能好，也適用于某些要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較高的機(jī)械。電動(dòng)機(jī)除按功率、轉(zhuǎn)速排成系列之外，為適應(yīng)不同的輸出軸要求和安裝需要，電動(dòng)機(jī)機(jī)體又有幾種安裝結(jié)構(gòu)形式。電動(dòng)機(jī)的額定電壓一般為380V。 電動(dòng)機(jī)類型要根據(jù)電源種類（交流或直流），工作條件（溫度、環(huán)境、空間位置尺寸等），載荷特點(diǎn)（變化性質(zhì)、大小或過(guò)載情況），起動(dòng)性能和起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)的頻繁程度，轉(zhuǎn)速高低和調(diào)速性能要求等條件來(lái)確定。 3.1.5.2 選擇電動(dòng)機(jī)的容量 電動(dòng)機(jī)的容量（功率）選得合適與否，對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。容量小于工作要求，就不能保證工作機(jī)的正常工作，或使用電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載而過(guò)早損壞，容量過(guò)大，則電動(dòng)機(jī)價(jià)格高，能力又不能充分利用，由于經(jīng)常不滿載運(yùn)行，效率和功率因數(shù)都較低，增加電能消耗，造成很大浪費(fèi)。電動(dòng)機(jī)的容量主要根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱條件決定。 3.1.5.3 確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 容量相同的同類型電動(dòng)機(jī)，有幾種不同的轉(zhuǎn)速系列供使用者選擇，如三相異步電動(dòng)機(jī)常用的有四種同步轉(zhuǎn)速，即3000、1500、1000、750/（相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)為2、4、6、8）。同步轉(zhuǎn)速為電流頻率與極對(duì)數(shù)而定的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)空載時(shí)才可能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速都低于同步轉(zhuǎn)速。 低轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)多，轉(zhuǎn)矩也大，因此外廓尺寸及重量都較大，價(jià)格較高，但可以使傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比減小，使傳動(dòng)裝置的體積、重量減??；高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)則相反。因此確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)要綜合考慮，分析比較電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)裝置的性能、尺寸、重量和價(jià)格等因素。 電動(dòng)機(jī)的規(guī)格：一般異步電動(dòng)機(jī).變速異步電動(dòng)機(jī).冶金及起重用異步電動(dòng)機(jī).防暴異步電動(dòng)機(jī).振動(dòng)電動(dòng)機(jī).微型電動(dòng)機(jī).直流電動(dòng)機(jī)等。 電動(dòng)機(jī)選擇應(yīng)考慮到以下問(wèn)題： （1）根據(jù)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng).制動(dòng).調(diào)速等要求，選擇電動(dòng)機(jī)類型 （2）根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)距.速度變化范圍和起動(dòng)頻繁程度要求，考慮電動(dòng)機(jī)的溫度限制.過(guò)載能力和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選擇電動(dòng)機(jī)的容量，并確定冷卻通風(fēng)方式，所選電動(dòng)機(jī)容量應(yīng)留有余量，負(fù)荷一般取0.8-0.9。過(guò)大的備用容量會(huì)使電動(dòng)機(jī)的效率降低，對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其功率因數(shù)將變壞，并使按電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)強(qiáng)度的機(jī)械造價(jià)提高。 （3）根據(jù)使用場(chǎng)所的環(huán)境條件，如溫度.濕度.灰塵.雨水.腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)方式，選擇電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。 （4）根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)功率因數(shù)的要求，確定電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)和類型。 （5）根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)濾過(guò)程性能的要求，以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。 此外，選擇電動(dòng)機(jī)還必須符合節(jié)能要求，考慮運(yùn)行可靠性.設(shè)備的供貨情況.備品備件的通用性.安裝檢修的難易，以及產(chǎn)品價(jià)格.建設(shè)費(fèi)用及考慮生產(chǎn)過(guò)程前后期電動(dòng)機(jī)容量變化等各因素。 根據(jù)以上所述，及設(shè)計(jì)題目中所給的參數(shù)，綜合所有條件考慮，選用70YNJ型單項(xiàng)交流異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，其額定功率2.2，滿載時(shí)（額定電流4.8，轉(zhuǎn)速2840/，效率80.5％，功率因數(shù)0.86），同步轉(zhuǎn)速3000 /，額定轉(zhuǎn)矩2.2/，額定電流7.0A，最大轉(zhuǎn)矩2.3/，振動(dòng)速度1.8/，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2.5kg/c，重量25。 3.1.6十字聯(lián)軸器 3.1.6.1聯(lián)軸器概念 聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中常用的部件。主要是用來(lái)把兩軸連接在一起，以傳遞運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)矩；機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸不能分離；只有在機(jī)器停車并將聯(lián)接拆開(kāi)后，兩軸才能分離。 聯(lián)軸器所連接的兩軸，由于制造及安裝誤差、承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證嚴(yán)格的對(duì)中，而是存在著某種程度的相對(duì)位移，這就要求設(shè)計(jì)聯(lián)軸器時(shí)，要從結(jié)構(gòu)上采取各種不同的措施，使之具有適應(yīng)一定范圍的相對(duì)位移的性能。 3.1.6.2聯(lián)軸器種類 根據(jù)對(duì)各種相對(duì)位移有無(wú)補(bǔ)償能力（即能否在發(fā)生相對(duì)位移條件下保持聯(lián)接的功能），聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器（無(wú)補(bǔ)償功能）和彈性聯(lián)軸器（有補(bǔ)償能力）兩大類。彈性聯(lián)軸器又可按是否具有彈性元件分為無(wú)彈性元件的彈性聯(lián)軸器和有彈性元件的彈性聯(lián)軸器兩個(gè)類別。 1.剛性聯(lián)軸器 剛性聯(lián)軸器最典型的是凸緣聯(lián)軸器，是把兩個(gè)帶有凸緣的半聯(lián)軸器用鍵分別與兩軸聯(lián)接，然后用螺栓把兩個(gè)半聯(lián)軸器聯(lián)成一體，以傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。這種聯(lián)軸器屬于剛性聯(lián)軸器，構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低、可傳遞較大轉(zhuǎn)矩，故當(dāng)轉(zhuǎn)速低、無(wú)沖擊、軸的剛性大、對(duì)中性較好時(shí)常采用。但對(duì)所聯(lián)兩軸間的相對(duì)位移缺乏補(bǔ)償能力，故兩軸對(duì)中性的要求很高。當(dāng)兩軸有相對(duì)位移存在時(shí)，就會(huì)在機(jī)件內(nèi)引起附加載荷，使工作情況惡化，這是它的主要缺點(diǎn)。所以本回轉(zhuǎn)工作臺(tái)不宜采用此類型聯(lián)軸器。 2.彈性聯(lián)軸器 彈性聯(lián)軸器又可按是否具有彈性元件分為無(wú)彈性元件的彈性聯(lián)軸器和有彈性元件的彈性聯(lián)軸器兩個(gè)類別。 1）無(wú)彈性元件的彈性聯(lián)軸器 這類聯(lián)軸器因具有彈性，故可補(bǔ)償兩軸的相對(duì)位移。但因無(wú)彈性元件，故不能緩沖減震。所以本設(shè)計(jì)中也不宜采用此類型聯(lián)軸器。 2）有彈性元件的彈性聯(lián)軸器 這類聯(lián)軸器銀裝有彈性元件，不僅可以補(bǔ)償兩軸間的相對(duì)位移，而且具有緩沖減震的能力。彈性元件所能儲(chǔ)蓄的能量愈多，則聯(lián)軸器的緩沖能力愈強(qiáng)；彈性元件的彈性滯后性能與彈性變形時(shí)零件間的摩擦愈大，則聯(lián)軸器的減震能力愈好。 3.1.6.3聯(lián)軸器的確定 所以本回轉(zhuǎn)工作臺(tái)采用有彈性元件的彈性聯(lián)軸器中的彈性套柱銷聯(lián)軸器。這種聯(lián)軸器的構(gòu)造與凸緣聯(lián)軸器相似，只是用套有彈性套的柱銷代替了聯(lián)接螺栓。因?yàn)橥ㄟ^(guò)蛹狀的彈性套傳遞轉(zhuǎn)矩，故可緩沖減震。彈性套的材料常用耐用橡膠，以提高其彈性。制造容易，拆裝方便，成本較低。 由于加工部件的需要及工件加工對(duì)研磨機(jī)的要求，我們需要對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行進(jìn)一步的選擇。 套筒聯(lián)軸器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.制造容易.徑向尺寸較小.成本較低。只能用于聯(lián)接兩軸直徑相同的圓柱形軸伸。通常適用于工作平穩(wěn)和小功率傳動(dòng)的軸系。 凸緣聯(lián)軸器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.制造成本較低，裝拆和維護(hù)均較簡(jiǎn)便，應(yīng)用較廣。只要用于載荷較平穩(wěn)的場(chǎng)合。 齒式聯(lián)軸器：外型較小，承載能力高，適用于反轉(zhuǎn)多變，起動(dòng)頻繁和大功率水平傳動(dòng)的聯(lián)接。 滑塊聯(lián)軸器：徑向外型尺寸較小，允許兩軸徑向位移大，但對(duì)角位移較敏感，不宜用于高速。 滾子鏈聯(lián)軸器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，重量較輕。不宜用于沖擊載荷很大的逆向傳動(dòng)。也不宜于垂直傳動(dòng)軸。 十字萬(wàn)向聯(lián)軸器：結(jié)構(gòu)緊湊，維修方便，可在兩軸有較大的角位移條件下工作，但兩軸不在同一軸線時(shí)，主動(dòng)軸等速回轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)軸不等速轉(zhuǎn)動(dòng)，故有附加動(dòng)載荷，為消除這一缺點(diǎn)，常成對(duì)使用。 十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器：外型尺寸小，緊湊，維修方便，能傳遞空間兩相交軸之間的運(yùn)動(dòng)，兩軸線間夾角大，當(dāng)采用單個(gè)萬(wàn)向聯(lián)軸器時(shí)，從動(dòng)軸作不等速轉(zhuǎn)動(dòng)。用于聯(lián)接軸線相交的兩軸。 膜片聯(lián)軸器：傳動(dòng)平穩(wěn).耐酸和耐腐蝕，但緩沖吸振能力差，用于載荷較平穩(wěn)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)。 輪胎式聯(lián)軸器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，彈性好，扭轉(zhuǎn)剛度小，減振能力強(qiáng)，補(bǔ)償兩軸相對(duì)位移量大，但徑向尺寸大，附加軸向力大，主要用于有較大沖擊載荷，正反轉(zhuǎn)多變，起動(dòng)頻繁的運(yùn)動(dòng)。 橡膠金屬聯(lián)軸器：具有很高的彈性和較好的減振性能，補(bǔ)償兩軸的相對(duì)位移量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜制造困難。 橡膠板聯(lián)軸器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，維護(hù)方便，具有一定的彈性和補(bǔ)償兩軸相對(duì)位移的能力，但平衡精度不高，主要用于轉(zhuǎn)速不高，對(duì)傳動(dòng)的緩沖性能要求不高的重載傳動(dòng)軸系的連接。 聯(lián)軸器選擇通常需要以下條件： ①.聯(lián)軸器傳遞的載荷和性質(zhì) ②.聯(lián)軸器工作的轉(zhuǎn)速 ③.聯(lián)軸器連接兩軸的相對(duì)位移 ④.聯(lián)軸器的工作環(huán)境 考慮到工件的加工需要，由于工件加工為2坐標(biāo)2聯(lián)動(dòng)，通過(guò)對(duì)各種聯(lián)軸器的對(duì)比。由于十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器，外型尺寸小，緊湊，維修方便，能傳遞空間兩相交軸之間的運(yùn)動(dòng)，兩軸線間夾角大，當(dāng)采用單個(gè)萬(wàn)向聯(lián)軸器時(shí)，從動(dòng)軸作不等速轉(zhuǎn)動(dòng)。用于聯(lián)接軸線相交的兩軸，所以應(yīng)該采用十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器，以達(dá)到工件加工及設(shè)計(jì)所滿足的要求。 3.2研磨頭部件結(jié)構(gòu)方案 研磨頭部件的結(jié)構(gòu)如(圖6)所示.研磨具夾持在研磨具主軸的彈簧夾頭內(nèi),由70YNJ型單相交流異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng).通過(guò)專門(mén)配套的控制器,實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)磁調(diào)速,構(gòu)成了研磨具主軸系統(tǒng).電動(dòng)機(jī)安裝在主軸箱,而主軸箱則與上連接板連接,二者沿軸線的相對(duì)位置可通過(guò)螺釘調(diào)整.上連接板主軸箱箱體支承在兩套直線滾動(dòng)軸承上,保證了研磨具主軸箱箱體可沿X方向?qū)崿F(xiàn)靈活“提刀”向工件表面施壓的運(yùn)動(dòng).其中壓力是通過(guò)彈簧的壓縮產(chǎn)生的,壓力大小通過(guò)調(diào)壓螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié).提刀工作則是通過(guò)直流電磁鐵MFZ-2.5實(shí)現(xiàn),當(dāng)線圈通電時(shí),連接銜鐵的銅桿向外伸出,推動(dòng)與研磨主軸系統(tǒng)固連的上連接板,從而實(shí)現(xiàn)提刀動(dòng)作.反應(yīng)提刀 動(dòng)作是否正確的檢測(cè)信號(hào)由行程開(kāi)關(guān)K1提供.上連接板同研磨具主軸箱沿X軸向的相對(duì)位置,通過(guò)主軸箱調(diào)位螺釘進(jìn)行調(diào)整,以適應(yīng)不同直徑半球體加工的需要。 3.2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 半球體螺旋槽數(shù)控研磨機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下: (1) 選用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)床通過(guò)用手動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái),改制成數(shù)控工作臺(tái); (2) 由兩副直線軸承構(gòu)成直線導(dǎo)軌系統(tǒng); (3) 采用兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)完成兩數(shù)控旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的零位識(shí)別; (4) 采用MFZ1-25型電磁鐵實(shí)現(xiàn)短距離退刀; (5) 用測(cè)微儀確定工件安裝的位置,精確可靠,還可補(bǔ)償工件半圓球的工作誤差; (6) 主軸箱的傳動(dòng)元件采用諧波減速器與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接連接,結(jié)構(gòu)緊湊,回差小; (7) 盡量選用標(biāo)準(zhǔn),通用的元件.例如:直接選用電動(dòng)機(jī)工具中S1J-CD-25型模具電磨的主軸及其外殼配件,作為本機(jī)工件主軸系統(tǒng)和研磨具主軸系統(tǒng)的主軸部件及夾具裝置.采用這些標(biāo)準(zhǔn)部件和通用器件,不僅設(shè)計(jì).研制的周期短,而且質(zhì)量,精度,可靠度都比較高,從而保證了機(jī)床的精度和可靠度。 3.2.2砂輪主軸連接及支撐方式 砂輪主軸連接方式為二個(gè)深溝球軸承實(shí)現(xiàn)，軸承采用脂潤(rùn)滑，軸承固定方式為一端固定一端游動(dòng)，電機(jī)通過(guò)一個(gè)十字聯(lián)軸器與軸連接，砂輪通過(guò)鍵一端與軸相連。 圖3.4砂輪的連接及支撐 3.2.2.1軸（主軸）系用軸承的類型與選擇 1.標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承 1）標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承 滾動(dòng)軸承已標(biāo)準(zhǔn)化系列化，有向心軸承.向心推力軸承.等十種類型。在軸承設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)承載的大小.旋轉(zhuǎn)精度.剛度.轉(zhuǎn)速等要求選用合適的軸承類型。 2）非標(biāo)滾動(dòng)軸承 非標(biāo)滾動(dòng)軸承是適應(yīng)軸承要求精度較高，結(jié)構(gòu)尺寸較小或因特殊要求而不能采用標(biāo)準(zhǔn)軸承時(shí)自行設(shè)計(jì)的。 3）靜壓軸承 滑動(dòng)軸承阻尼性能好.支承精度高.具有良好的抗振性和運(yùn)動(dòng)平衡性。按照液體介質(zhì)的不同，目前使用的有液體滑動(dòng)軸承和氣體滑動(dòng)軸承兩大類。按油膜和氣膜壓強(qiáng)的形成方法又有動(dòng)壓.靜壓和動(dòng)靜壓相結(jié)合的軸承之分。 動(dòng)壓軸承是在軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，油（氣）被帶入軸與軸承楔形間隙中，由于間隙逐漸變窄。 3.2.3調(diào)整螺釘及主軸箱導(dǎo)向 電動(dòng)機(jī)安裝在主軸箱上，主軸箱則與上連接板連接，二者沿軸線的相對(duì)位置可通過(guò)螺釘調(diào)整。而主軸箱的運(yùn)動(dòng)則是由導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)的。 3.2.4導(dǎo)軌的選擇： 導(dǎo)軌副應(yīng)滿足的基本要求：機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)軌的基本要求是導(dǎo)向精度高.剛性好.運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn).耐磨性好.溫度變化影響小以及結(jié)構(gòu)工藝性好等。對(duì)精度要求高的直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，還要求導(dǎo)軌的承載面與導(dǎo)向面嚴(yán)格分開(kāi)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)件較重時(shí)，必須設(shè)有卸荷裝置，運(yùn)動(dòng)件的支承，必須符合三點(diǎn)定位原理。 滑動(dòng)導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)及其類型選擇： （1）三角形導(dǎo)軌。該導(dǎo)軌在垂直載荷的作用下，磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償，不會(huì)產(chǎn)生間隙，故導(dǎo)向精度高。 （2）矩形導(dǎo)軌。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造.檢驗(yàn)和修理方便，導(dǎo)軌面較寬，承載能力大，剛度高，應(yīng)用廣泛。 （3）燕尾形導(dǎo)軌。此類導(dǎo)軌磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償間隙，需設(shè)調(diào)整間隙裝置。兩燕尾面起壓板面作用，用一根鑲條就可調(diào)節(jié)水平與垂直方向的間隙，且高度小，機(jī)構(gòu)緊湊，可以承受顛覆力矩。 （4）圓形導(dǎo)軌。制造方便，外圓采用磨削，可達(dá)到精密配合，但磨損后很難調(diào)整和補(bǔ)償間隙。主要用于承受軸向載荷的場(chǎng)合。 根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，主軸受力較大，因此應(yīng)采用燕尾形導(dǎo)軌與矩形組合，它具有調(diào)整方便和能承受較大力矩的優(yōu)點(diǎn)，多用于橫梁.立柱和搖臂等導(dǎo)軌。 3.2.5壓力調(diào)整機(jī)構(gòu) 壓力調(diào)整由研磨壓力調(diào)整螺釘和彈簧共同實(shí)現(xiàn)，主軸箱由燕尾形導(dǎo)軌浮動(dòng)由下箱體之上，上連接板與兩個(gè)直線軸承連接，彈簧通過(guò)控制下箱體中上連接板的的滑動(dòng)，從而控制主軸箱的滑動(dòng)控制研磨壓力。壓力大小由調(diào)壓螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)。 3.2.6提刀實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu) 本系統(tǒng)的“提刀”是通過(guò)直流電磁鐵MFZ—2.5實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)退刀位置開(kāi)關(guān)閉和時(shí)，電源給電直流電磁體通電產(chǎn)生磁性，連接銜鐵的銅桿向外伸出，推動(dòng)與研磨主軸系統(tǒng)固連的上連接板，從而實(shí)現(xiàn)“提刀”動(dòng)作。當(dāng)退刀位置開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電源斷電直流電磁鐵磁性消失，連接銜鐵的銅桿被壓縮回去，連接銜鐵的銅桿與研磨主軸系統(tǒng)固連的上連接板斷開(kāi)。從而實(shí)現(xiàn)“落刀”動(dòng)作。 3.2.7直線軸承 直線軸承,直線導(dǎo)軌軸承與軸配合使用在不限行程的直線運(yùn)動(dòng)系列中，由于鋼球和直線軸間為點(diǎn)接觸，因此摩擦力小，運(yùn)動(dòng)精度高。 構(gòu)造: 直線軸承|直線導(dǎo)軌軸承通過(guò)保持架和球滾道來(lái)調(diào)整軸承與軸的線性關(guān)系。外套筒采用軸承鋼材料。熱處理后內(nèi)外圓經(jīng)磨削加工。 直線軸承的特點(diǎn): 互換性： 直線軸承的尺寸是標(biāo)準(zhǔn)化的，完全可以互換，為了保證裝配精度，直線軸外圓采用磨削加工。 鋼性外套： 經(jīng)淬火處理和精密磨削的軸承鋼外套，可以直接裝入鋼球。 高精度保持架： 整體式的保持架有4到6個(gè)滾道回路，為鋼球的滾動(dòng)和軸承的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)提供精確的導(dǎo)向。 應(yīng)用 直線軸承|直線導(dǎo)軌軸承廣泛用于精密裝備和用于大批生產(chǎn)的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。前者如計(jì)算機(jī)及其外設(shè)、測(cè)量?jī)x器、自動(dòng)記錄儀和三維測(cè)量裝置：后者如多軸鉆床、沖床、工具磨床、自動(dòng)氣割機(jī)、打印機(jī)、卡片分揀機(jī)、食品包裝機(jī)等。 直線軸承特點(diǎn)及技術(shù)資料： 　　直線軸承是一種以低成本生產(chǎn)的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，用于無(wú)限行程與圓柱軸配合使用。由于承載球與軸呈點(diǎn)接觸，故使用載荷小。鋼球以極小的磨擦阻力旋轉(zhuǎn)，從而能獲得高精度的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。 　　直線軸承廣泛用于電子設(shè)備，拉力試驗(yàn)機(jī)及數(shù)字化三維坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備等精密設(shè)備，以及多軸機(jī)床、沖床、工具磨床、自動(dòng)氣割機(jī)、打印機(jī)、卡片分選機(jī)、食品包裝機(jī)等工業(yè)機(jī)械的滑動(dòng)部件。 　　安裝時(shí)注意事項(xiàng)： 　　將直線軸承裝入軸承座時(shí)，應(yīng)使用輔助工作，避免直接敲擊端面或密封圈，應(yīng)使用軸承均勻?qū)?，用緩沖板，借助輕輕地敲擊裝入將光軸穿入直線軸承，必須將軸和軸承的中心線成一直線。若軸傾斜插入，滾珠可能會(huì)脫落，或造成保持架變型，而對(duì)直線軸承造成損壞外加載荷應(yīng)該平均分配在整個(gè)軸承上，尤其是承受瞬間載荷時(shí)，應(yīng)使用兩個(gè)或更多的軸承。直線軸承不承受旋轉(zhuǎn)載荷，否則可以導(dǎo)致意外事故。 圖3.5 直線軸承的系列圖 第四章 計(jì)算分析 4.1 工件主軸受力及變形 由于軸的剛度分為彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度兩種。前者以撓度y或偏角θ來(lái)度量；后者以扭轉(zhuǎn)角來(lái)度量。軸的剛度計(jì)算目的在于計(jì)算變形量，使之不大于允許值。軸在載荷作用下，將發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過(guò)允許的限度，就會(huì)影響軸上零件的正常工作，甚至喪失機(jī)器應(yīng)有的工作性能。例如，安裝齒輪的軸，若彎曲剛度（或扭轉(zhuǎn)剛度）不組而導(dǎo)致?lián)隙冗^(guò)大（或扭轉(zhuǎn)角）過(guò)大，將影響齒輪的正常嚙合，使齒輪沿齒寬和齒高方向接觸不良，造成載荷在齒面上嚴(yán)重分布不均。又如采用滑動(dòng)軸承的軸，若撓度過(guò)大而導(dǎo)致軸頸偏斜過(guò)大時(shí)，將使軸頸和滑動(dòng)軸承發(fā)生邊緣接觸，造成不均勻磨損和過(guò)度發(fā)熱。因此，在設(shè)計(jì)有剛度要求的軸時(shí)，必須進(jìn)行剛度和校核計(jì)算。 軸的彎曲剛度以撓度或偏角來(lái)度量；扭轉(zhuǎn)剛度以扭轉(zhuǎn)角來(lái)度量。軸的剛度校核計(jì)算通常是計(jì)算出軸在受載時(shí)的變形量，并控制其不大于允許值。常見(jiàn)的軸大多可視為簡(jiǎn)支梁。若是光軸，可直接用材料力學(xué)中的公式計(jì)算其撓度或偏轉(zhuǎn)角；若是階梯軸，如果對(duì)計(jì)算精度要求不高，則可用當(dāng)量直徑法近似計(jì)算。即把階梯軸看成是當(dāng)量直徑的光軸，然后再按材料力學(xué)中的公式計(jì)算。當(dāng)量直徑（單位為㎜）為 = （4-1） 式中：—階梯軸第i段的長(zhǎng)度，單位為㎜； —階梯軸第i段的直徑，單位為㎜； L—階梯軸的長(zhǎng)度，單位為㎜； z—階梯軸計(jì)算長(zhǎng)度內(nèi)的軸段數(shù)。 當(dāng)載荷作用于兩支承之間時(shí)，L=l(l為支承跨距)；當(dāng)載荷作用于懸臂端時(shí)，L=l+K（K為軸的懸臂長(zhǎng)度，單位為㎜）。 軸的彎曲剛度條件計(jì)算為： 撓度 y≤[y] 偏轉(zhuǎn)角 θ≤[θ] 式中：[y]—軸的允許撓度，單位為㎜； [θ]—軸的允許偏轉(zhuǎn)角，單位為rad。 ？？？？？？ 4.2 彈簧的壓力計(jì)算 彈簧的主要類型.特點(diǎn)及應(yīng)用： 圓柱螺旋彈簧：1）等節(jié)距：制造方便，剛度穩(wěn)定，應(yīng)用最廣2）不等節(jié)距：利用緩沖及消振，可用于支承高速變載荷結(jié)構(gòu)3）扭轉(zhuǎn)：用于各種裝置中的壓緊和蓄能； 圓錐螺旋彈簧：能承受較大的載荷和減振，其防共振性好； 蝸卷形螺旋彈簧：與圓錐螺旋彈簧作用相似，但能吸收更大的能量。制造困難，僅用于空間受限制的場(chǎng)合； 碟形彈簧：緩沖及減振能力強(qiáng)。常用于重型機(jī)械的緩沖及減振裝置； 蝸卷形彈簧：常用作儀表.鐘表的儲(chǔ)能彈簧； 板彈簧：緩沖和減振性能好。主要用于車輛的懸掛裝置； 橡膠彈簧：各項(xiàng)剛度可自由選擇?？沙惺軄?lái)自多方面的載荷。 彈簧的節(jié)距為p,在自由狀態(tài)下各圈之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)拈g距，以便彈簧受壓時(shí)，有產(chǎn)生相應(yīng)變形的可能。為了使彈簧在壓縮后仍能保持一定的彈性，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮在最大載荷作用下，各圈之間仍需保留一定的間距。的大小一般推薦為 =0.1d≥0.2㎜ （4-2） 式中d為彈簧絲的直徑，單位為㎜。 此處我們選擇圓柱螺旋彈簧。 4.3軸承壽命計(jì)算 對(duì)于具有基本額定動(dòng)載荷C的軸承，當(dāng)它所受的載荷P恰好為C時(shí)，其基本額定壽命就是。但是當(dāng)所受的載荷的時(shí)候，軸承的壽命又將是多少呢？這就是軸承的壽命計(jì)算所要解決的一類問(wèn)題。軸承壽命計(jì)算所要解決的另一類問(wèn)題是，軸承所受的載荷等于P，而且要求軸承具有的預(yù)期計(jì)算壽命為，那么需選用多大的基本額定動(dòng)載荷的軸承？下面將討論如何解決這個(gè)問(wèn)題 圖4-2軸承的載荷-壽命曲線 圖4-2所示為在大量實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上得出的代號(hào)為6207的軸承的載荷-壽命曲線。該曲線表示這類軸承的載荷P與基本額定壽命之間的關(guān)系。曲線上相應(yīng)與壽命的載荷（25、5kN），即為6207軸承的基本額定動(dòng)載荷C。其它型號(hào)的軸承，也有與上述曲線的函數(shù)規(guī)律完全一樣的載荷—壽命曲線。把此曲線用公式表示為 （4-3） 式中的單位為。為指數(shù)。對(duì)于球軸承，=3；對(duì)于滾子軸承，=10/3。 實(shí)際計(jì)算時(shí)，用小時(shí)表示壽命比較方便。這時(shí)可將式（4-3）改寫(xiě)。如另n代表軸承的轉(zhuǎn)速（單位為），則以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命（單位為h）為 （4-4） 如果載荷P和轉(zhuǎn)速n為已知，預(yù)期計(jì)算壽命又已取定，則所需軸承應(yīng)具有的基本額定動(dòng)載荷C（單位為N）可根據(jù)式（4-4）計(jì)算得出： （4-5） 在較高溫度下工作的軸承（例如高于125）應(yīng)該采用較高溫度回火處理的高溫軸承。由于在軸承樣本中列出的基本額定動(dòng)載荷值是對(duì)一般軸承而言的，因此，如果要將該數(shù)值用于高溫軸承，須乘以溫度系數(shù)（見(jiàn)表4-2）即 （4-6） 式中為高溫軸承的修正額定動(dòng)載荷；C為軸承樣本所列的同一型號(hào)軸承的基本額定動(dòng)載荷。這時(shí)式（3-3）、（3-4）、（3-5）變?yōu)? （4-7） （4-8） （4-9） 表4-2溫度系數(shù) 軸承工作溫 度/ 120 125 150 175 200 225 250 300 350 溫度系數(shù) 1．00 0．95 0．90 0．85 0．80 0．75 0．70 0．6 0．5 根據(jù)以上的說(shuō)明可以知道，對(duì)于渦輪軸軸承的壽命最終計(jì)算可知 首先選一組數(shù)據(jù)可得： ==2875h 取一組數(shù)據(jù)可得： ==5926h 可知軸承壽命是處在兩個(gè)壽命數(shù)值之間的 以上是軸承的壽命計(jì)算，數(shù)據(jù)是按最惡劣工況計(jì)算所得。 第五章 結(jié) 論 5.1 本文只要完成的研究工作 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了砂輪的切削運(yùn)動(dòng)，滿足了工件主軸箱、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)按工件加工要求，實(shí)現(xiàn)半球面螺旋槽加工。本設(shè)計(jì)采用彈簧夾頭安裝砂輪，采用螺栓調(diào)整主軸箱位置，采用壓縮彈簧機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)研磨壓力調(diào)節(jié)，采用直流電磁鐵及接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)“提刀”，采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 5.2本文的創(chuàng)新之處 5.2.1 提出了在球面零件上加工復(fù)雜曲線的新方法 采用2球面旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)加工復(fù)雜曲線,極大降低了球面加工的難度,有利于精度的提高。更重要的是簡(jiǎn)化了機(jī)械機(jī)構(gòu),大大降低了成本。 5.2.2實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化加工 編制專用軟件實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化加工,可以對(duì)螺旋槽的槽臺(tái)比,螺旋角, ψ的起始角和終止角等14個(gè)零件參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,加工方便靈活 參 考 文 獻(xiàn) [1] 袁哲俊等主編.精密和超精密加工技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，1999 [2] 祝慈壽著.中國(guó)工業(yè)技術(shù)史.重慶出版社·1995(6) [3] 王鴻生編著.世界科學(xué)技術(shù)史，中國(guó)人民大學(xué)出版社.1996(5) [4] V. C. Venkatesh .I. Inasaki，H. K. Toenshof, T. Nakegawa, and IID. Marinescu. Observation on Polishing and Ultraprecision Machining of Semiconductor Substrafe Materials. Annals of the CIRP Vol. 44/2/1995:611~618 [5] M. Touge etc. Removal Rate and Surface roughness in High一Percision Lapping of M n－Zn Ferrite. Annals of the CIRP Vol. 45/1/1996:307～310 [6] Heado Jeong etc. Integrated Planarization Technique with Consistency in Abrasive Machining for Advanced Semiconductor Chip Fabrication. Annals of the CIRP Vol.45/1996:331～333 [7] 談文亮. 超精加工對(duì)零件耐磨性影響的試驗(yàn). 機(jī)械制造，1985,9:10-V12 [8] 李伯民，趙波. 實(shí)用磨削技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社. 1996;226 --241 [9] 何雅全.昊明根. 超精密加工技術(shù)基礎(chǔ). 航空航天部第303研究所. 1993 [10] 裴慶魁等. 平面高速精磨中的均勻磨削光學(xué)機(jī)械. 1991,4:27～31 [11]