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湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(diǎn) 用磨料磨具 砂輪 砂帶 油石和研磨料等 為工具進(jìn)行切削加工的機(jī)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(nèi)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(jī)床相比 具有以下幾個特點(diǎn) 1 磨床的磨具 砂輪 相對于工件做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(shí)現(xiàn)自動化和自動線 進(jìn)行高效率生產(chǎn) 5 磨床通常是電動機(jī) 油泵 發(fā)動部件 通過機(jī)械 電氣 液壓傳動 傳動部件帶動工件和砂輪相 對運(yùn)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(nèi) 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(jìn)行荒加工 粗加工 精加工和超精加工 可以進(jìn)行各種高硬 超硬材料的加工 還可以刃 磨刀具和進(jìn)行切斷等 工藝范圍十分廣泛 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 對機(jī)械零件的精度和表面質(zhì)量要求越來越高 各種高硬度材料的應(yīng)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(qiáng)力磨削 進(jìn)一步 提高了磨削效率 因此 磨床的使用范圍日益擴(kuò)大 它在金屬切削機(jī)床所占的比重不斷上升 目前在工 業(yè)發(fā)達(dá)的國家中 磨床在機(jī)床總數(shù)中的比例已達(dá) 30 40 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 2 頁 據(jù) 1997 年歐洲機(jī)床展覽會 EMO 的調(diào)查數(shù)據(jù)表明 25 的企業(yè)認(rèn)為磨削是他們應(yīng)用的最主要的加工 技術(shù) 車削只占 23 鉆削占 22 其它占 8 而磨床在企業(yè)中占機(jī)床的比例高達(dá) 42 車床占 23 銑床占 22 鉆床占 14 3 由此可見 在精密加工當(dāng)中 有許多零部件是通過精密磨削來達(dá)到 其要求的 而精密磨削加工會要在相應(yīng)的精密磨床上進(jìn)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(shí)現(xiàn)精密磨削加工 則所用的磨床就應(yīng)該滿足以下幾個基本要求 1 高幾何精度 精密磨床應(yīng)有高的幾何精度 主要有砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度和導(dǎo)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(dāng)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(yīng)小于 1um 軸向圓跳動應(yīng)限制在 2 3um 以內(nèi) 2 低速進(jìn)給運(yùn)動的穩(wěn)定性 由于砂輪的修整導(dǎo)程要求 10 15mm min 因此工作臺必須低速進(jìn)給運(yùn) 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(chǎn)生振動 會對加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響 故對于精密磨床 在結(jié) 構(gòu)上應(yīng)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(dá)到總誤差的 50 故機(jī)床和工藝系統(tǒng)的熱變 形已經(jīng)成為實(shí)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(zhuǎn)是引起切削旋轉(zhuǎn)的主要來源和原因 基本得外圓磨削方法有兩種 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(shí)上 外圓磨削可以通過其他以下幾種方法來實(shí)施 1 傳遞方法 在這種方法中 磨削砂輪和工件旋轉(zhuǎn)以及徑向進(jìn)給都應(yīng)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(jìn)給來調(diào)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(jìn)給和無軸向進(jìn)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(xué)畢業(yè)設(shè)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(jìn)行間隙調(diào)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(diǎn) 端面外圓磨床是外圓磨床的一種變形機(jī)床 它宜于大批量磨削帶肩的軸類工件 有較高的生產(chǎn)率 它的特點(diǎn)如下 1 這種磨床的布局形成和運(yùn)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(shù)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(chǎn) 所以具有自動磨削循環(huán) 完成快速進(jìn)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?qū)Φ堆b置 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(jī)械產(chǎn)品精度 可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應(yīng)用增多 磨削加工技術(shù)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(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小 至 4 m 磨削精度高達(dá) 0 025 m 使用電主軸單元可使砂輪線速度高達(dá) 400m s 但這樣的線速度一般 僅用于實(shí)驗(yàn)室 實(shí)際生產(chǎn)中常用的砂輪線速度為 40 60m s 從精度上看 定位精度 2 m 重復(fù)定位 精度 1 m 的機(jī)床已越來越多 從主軸轉(zhuǎn)速來看 8 2kw 主軸達(dá) 60000r min 13kw 達(dá) 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(jī)床廠引進(jìn)日本豐田工機(jī)公司先進(jìn)技術(shù)并與之合作生產(chǎn)的 GA P 62 63 數(shù)控外圓 數(shù)控端 面外圓磨床 砂輪架采用原裝進(jìn)口 砂輪線速度可達(dá) 60m s 砂輪架主軸采用高剛性動靜壓軸承提高旋轉(zhuǎn) 精度 采用日本豐田工機(jī)公司 GC32 ECNC 磨床專用數(shù)控系統(tǒng)可實(shí)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(jī)床產(chǎn)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(jī)和切削液處理機(jī)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(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 5 頁 第 2 章 設(shè)計任務(wù)書 1 畢業(yè)設(shè)計題目 MKS1632A 數(shù)控高速端面外圓磨床及其砂輪架設(shè)計 2 畢業(yè)設(shè)計目的 本課題旨在讓學(xué)生綜合運(yùn)用大學(xué)四年所學(xué)的知識 設(shè)計數(shù)控端面外圓磨床 MKS1632A 及其砂輪架 樹立理論聯(lián)系實(shí)際的作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)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(shè)計說明書 此外 要求學(xué)生跟隨指導(dǎo)老師和研究生參與部分科學(xué)研究 進(jìn)行磨削溫度的測試實(shí)驗(yàn)并撰寫科研報 告 3 任務(wù)與要求 1 機(jī)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 20mm 320mm B 最大加工長度為 750mm C 最大加工重量 200 D 砂輪線速度 60m s E 機(jī)床中心高 1095mm F 工件轉(zhuǎn)速范圍 30 300rpm 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 6 頁 3 主要運(yùn)動 A 砂輪轉(zhuǎn)動 B 工件轉(zhuǎn)動 C 工作臺縱向移動 D 砂輪架斜向進(jìn)給運(yùn)動 E 砂輪修整器斜向進(jìn)給運(yùn)動 F 砂輪修整器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 5 設(shè)計重點(diǎn)與難點(diǎn) 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(shè)計和選用 3 皮帶的選用和帶輪的設(shè)計 4 磨床液壓系統(tǒng)的設(shè)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(nèi)外磨床相關(guān)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(yàn)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(zhuǎn)精度 增強(qiáng)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(zhuǎn) 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(shè)計磨床液壓系統(tǒng)的設(shè)計 7 參考磨削溫度測試研究論文 認(rèn)真 虛心向指導(dǎo)老師和研究生學(xué)習(xí) 進(jìn)行大量的磨削溫度的測 試實(shí)驗(yàn) 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 7 頁 第 3 章 磨床總體布局 3 1 磨床總體設(shè)計 1 加工零件的工藝分析 表面形狀 尺寸 材料 技術(shù)條件 批量 加工余量等 2 調(diào)查研究 比較國內(nèi) 外同類機(jī)床 經(jīng)驗(yàn)總結(jié) 進(jìn)行改革創(chuàng)新 3 圖紙?jiān)O(shè)計 總圖 部件裝配圖 零件圖 工藝卡 目錄 標(biāo)準(zhǔn)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(diào)試 5 小批量生產(chǎn) 設(shè)計改進(jìn) 3 2 總體設(shè)計注意事項(xiàng) 1 保證機(jī)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(diào)整方便 4 安全保護(hù) 冷卻液供給 回收 廢渣的排除 3 3 磨床總體布局設(shè)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(jìn)給電機(jī) I 修整 器進(jìn)給電機(jī) j 電器框 k 工作臺進(jìn)給電機(jī) l 工件旋轉(zhuǎn)電機(jī) m 潤滑冷卻裝置 n 數(shù)控裝置 3 3 3 總體布局初步設(shè)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(dǎo)軌傾斜 30 角 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(shù) 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(shù)控框 7 數(shù)控系統(tǒng)的四坐標(biāo)軸 X 軸 砂輪架進(jìn)給 Y 軸 修整器進(jìn)給 Z 軸 工作臺移動 W 軸 工件旋轉(zhuǎn) 各軸采用交流伺服電機(jī) 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(dú) 減小熱變形 簡化機(jī)床結(jié)構(gòu) 易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化 通用化 便于維修 9 電器框與機(jī)床采用空中走線 10 機(jī)床前防護(hù)罩采用全封閉結(jié)構(gòu) 3 3 4 縱向與橫向尺寸的確定 1 縱向尺寸 工件最大長度 1750lm 頭架長度 24 尾架長度 3l 上臺面長度 41230 2 4 160l m 下臺面長度 54 l 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 9 頁 床身長度 6514035llm 后床身長度 考慮砂輪架和修整器大小按經(jīng)驗(yàn)給定 7 整個床身寬度 視覺效果 8l 砂輪架中心與機(jī)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(dǎo)軌作為橫向尺寸的基準(zhǔn) 畫出床身的平面導(dǎo)軌作為高度尺寸的基準(zhǔn)線 根據(jù)確定的工作臺參數(shù) 導(dǎo)軌參數(shù) 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 3 1 20 5 hl 下工作臺 中心 3 2 14 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 10 頁 為工作臺導(dǎo)軌的中心距 工作臺導(dǎo)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(dǎo)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(diǎn)是使導(dǎo)軌的承載壓力較大 故常適當(dāng)加寬 V 型導(dǎo)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(jù)工人身高 經(jīng)驗(yàn) 類比取 1095Hm 212 73 6hCOS 5 工作臺回轉(zhuǎn)中心位置 B9 9 501Bl 6 確定機(jī)床總高 H2h 頭 架 測 量 儀 739 610463 55m 所以 H 取 2000mm 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 11 頁 3 3 5 砂輪架相關(guān)尺寸設(shè)計 1 砂輪架導(dǎo)軌 V 平導(dǎo)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(dǎo)軌為 0 15MPa 的卸荷導(dǎo)軌 圖 3 3 砂輪架的導(dǎo)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(jìn)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(shù)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(dǎo)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(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 12 頁 導(dǎo)軌的高度 h0 為避免上 下工作臺運(yùn)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(jìn)給機(jī)構(gòu)穿過床身的位置等 根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 取610 5hm 6130h 砂輪架中心距后床身頂面 712697485Hm 砂輪架底座安裝修整器 內(nèi)有傳動絲桿 取 40hm 后床身進(jìn)給導(dǎo)軌內(nèi)裝絲桿 取 3195734h 820175 圖 3 4 砂輪架的高度和寬度 砂輪架底板長度 9l9l 1 5 2 中 心 07 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 13 頁 取 900mm9l 砂輪架導(dǎo)軌長度 10950 8ll 橫 37m 取 1035l 4 砂輪架主軸電機(jī)的選擇 用類比法 砂輪架主軸電機(jī)的功率取 15kw 計算法 3 6 N 切電 空 取 23 8 5 ZPV 砂15KW 電 3 3 6 頭架相關(guān)尺寸的確定 長 寬 高 440 400 411mm 1 主軸錐孔 莫氏 5 錐孔 中心高 3 7 max 2HDK 30 35189 通過以上計算頭架中心高取 180mm 主軸轉(zhuǎn)速 3 8 0 6 045 2 IVVms 砂 取 4ImsI716 in3axr min20IV 交流伺服電機(jī)選擇 用類比法 交流伺服電機(jī)選擇 IFT5076 DA D1 18N M 電機(jī) 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(jī)通過 20 38 的雙楔齒輪帶傳遞給工件 即 合格4183 20 NNsl 實(shí) 主軸不旋轉(zhuǎn) 主軸靠撥盤帶動旋轉(zhuǎn) 3 3 7 尾架相關(guān)尺寸的確定 5 莫氏錐孔 中心高 180mm 臺面傾斜 10 直線滾動導(dǎo)軌 液壓油缸 頂緊力 12 5kg 3 3 8 工作臺 要求上 下臺面便于調(diào)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(cè)面 3 3 9 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu) 交流伺服電機(jī) 聯(lián)軸器 滾珠絲桿 砂輪架 壓力卸荷導(dǎo)軌 壓力油 0 15Mpa 卸去 壓力60 75 V 平導(dǎo)軌 10 95 砂輪架行程 37lm 橫 3 3 10 砂輪修整器 伺服電機(jī) 絲桿 修整器 直線滾動導(dǎo)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(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 15 頁 修整器行程為 160mm 3 3 11 液壓系統(tǒng) 修整器 尾架 量儀 兩個 潤滑油 床身導(dǎo)軌 砂輪架卸荷導(dǎo)軌 絲桿 直線 滾動導(dǎo)軌 間歇 3 3 12 電氣部分 SIMENS 810G 控制五坐標(biāo)軸 砂輪架主軸 3 3 13 機(jī)床保護(hù)系統(tǒng) 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 尾架伸縮油缸靜壓供油系統(tǒng) 設(shè)置自動循環(huán)電路 可手動 也可用于腳踏 當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)時 由于 互鎖裝置 使起無效 油箱液壓控制 數(shù)控系統(tǒng) 在各坐標(biāo)軸 自診斷與保護(hù)功能 如 電池電壓低 程序錯誤 各坐標(biāo)軸由行程開關(guān)控制最大位移量 安全防護(hù)罩 砂輪罩 機(jī)床前罩 全封閉式 導(dǎo)軌面保護(hù) 工作臺導(dǎo)軌 不銹鋼可伸縮防護(hù)罩 砂輪架導(dǎo)軌 前部 翻板式護(hù)罩 橡皮 防水 后罩 鋼罩 修整器導(dǎo)軌 折疊式 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 16 頁 第 4 章 部件設(shè)計 砂輪架 4 1 砂輪架設(shè)計的基本要求 砂輪架是磨床上用來帶動砂輪作高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)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(shè)計提出的基本要求也是針對主軸軸承部分的 砂輪架設(shè)計應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)基本要求 1 1 主軸旋轉(zhuǎn)精度高 旋轉(zhuǎn)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(diào)整維修方便 4 2 主軸旋轉(zhuǎn)精度及其提高措施 1 砂輪架旋轉(zhuǎn)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 5 m 10 m 2 提高主軸旋轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shè)計 1 砂輪架主軸的強(qiáng)度校核 進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核時 應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況采取相應(yīng)的計算方法 并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用 應(yīng)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(yīng)該按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度 計算 且在選取許用應(yīng)力時應(yīng)該選取較小值 砂輪架主軸材料采用 42MnVB 并進(jìn)行淬火 故選取許用 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 17 頁 應(yīng)力為 40MP 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 4 1 639 5102PnTTWd 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 單位為 MP T 軸所受扭矩 單位為 Nm 軸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù) 單位為 TW3 軸傳遞的功率 單位為 KW p 軸的轉(zhuǎn)速 單位為 r mm n 計算界面處的直徑 單位為 mm d 許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 單位為 r mm T 由上式可得軸的直徑為 4 2 6339 5102 TPdn 633 040 mm1 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(dāng)量直徑 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 18 頁 因?yàn)槭请A梯軸 所以用當(dāng)量直徑法作近似計算當(dāng)量直徑為 4 3 41vniLdl L 140 640 20 32 10 932mm444932061018vd 89 36mm 2 允許撓度 允許撓度 y 0 0002L 0 0002 660 0 132mm 3 計算主軸前端撓度值 1 4 4 2 3PalYEI 主 軸 載荷 單位為公斤 150 9 8 P 軸兩端的跨距 單位為厘米 66 00 l 懸伸長度 單位為厘米 13 2 a 材料的彈性模數(shù) 單位為公斤 平方厘米 21 02 E 510 截面慣性矩 平方厘米 I 25103 79 9 808Y 主 軸 0 001cm 0 01mm 又因?yàn)?y 0 135 0 01 0 135 即 y 由上述校核可以得知 主軸剛度符合要求 主 軸 一般存在一個使主軸前端撓度最小 即剛性最好的支承跨距 L 由經(jīng)驗(yàn)得知 L 為 3 6 D 時 主 軸前端撓度最小 D 120mm L 為 360 720mm 取 L 為 640mm 4 6 動靜壓軸承 靜壓軸承是利用外部油源產(chǎn)生承載能力的油膜軸承 動靜壓混合軸承是一種既綜合了液體動壓和靜 壓軸承的優(yōu)點(diǎn) 又克服了兩著缺點(diǎn)的新型多油楔油膜軸承 它利用靜壓軸承的節(jié)流原理 使壓力油腔中 產(chǎn)生足夠大的靜壓軸承載力 從而克服了液體動壓軸承啟動和停止時出現(xiàn)的干摩擦造成主軸與軸承磨損 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 19 頁 現(xiàn)象 提高了主軸和軸承的使用壽命及精度保持性 軸承油腔大多采用淺腔結(jié)構(gòu) 在主軸啟動后 依靠 淺腔階梯效應(yīng)形成的動壓承載力和靜壓承載力疊加 大大地提高了主軸承載能力 而多腔對置結(jié)構(gòu)又極 大地增加了主軸剛度 高壓油膜的均化作用和良好的抗振性能 保證了主軸具有很高旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)轉(zhuǎn)平 穩(wěn)性 它的優(yōu)點(diǎn)如下 1 速度和載荷范圍廣 應(yīng)用范圍廣 動靜壓軸承在零件轉(zhuǎn)速到很高的范圍內(nèi)的 各種相 對速度下都能承載 而且載荷范圍大 其承載能力取決于供油壓力 軸承軸頸結(jié)構(gòu)和相對大小 2 油膜剛度高 阻尼大 抗振性好 3 摩擦阻力 磨損小 由于總有一層油膜將相對運(yùn)動表面隔開 因此摩擦阻力小 磨損小 能長期保 持很高的運(yùn)動精度 壽命長 且對軸承軸頸材料要求也較低 4 主軸回轉(zhuǎn)精度高 動靜壓軸承中靜壓油膜具有良好的糾正軸和軸向跳動 5 安全性好 在萬一供油受阻或切斷時 可利用軸承中動壓效應(yīng)來承載 6 承載能力高 由于動壓效應(yīng) 使軸承轉(zhuǎn)速越高承載能力越大 同時軸承還能承受方向不斷變化的動 載及瞬時過載 7 穩(wěn)定性好 8 使用較經(jīng)濟(jì) 由于動靜壓軸承高速下主要靠動壓承載 故這時供油壓力可相對較小 軸承可設(shè)計成 較小軸頸 軸承結(jié)構(gòu)簡單 制造精度和材料要求不高 動靜壓軸承需要一套供油系統(tǒng) 潤滑油要經(jīng)過嚴(yán)格過濾以保持清潔 目前廣泛應(yīng)用的是定壓供油系 統(tǒng) 一定壓力的壓力油 經(jīng)節(jié)流器流入兩相對運(yùn)動體間的油腔 通過油腔壓力來平衡外載荷 在定壓供 油系統(tǒng)中 節(jié)流器是關(guān)鍵部分 它起著限制流入油腔流量的阻尼作用 使油腔壓力僅隨外載荷的變化而 變化 靜壓軸承常用的固定節(jié)流器有毛細(xì)管和小孔節(jié)流器兩種 本次設(shè)計選用毛細(xì)管節(jié)流器 動靜壓軸承廣泛用于高速精密設(shè)備中 目前 在改造舊精密磨削設(shè)備方面 用得較多的是北京中航設(shè) 備改造廠的 WMB 型表面節(jié)流液體動靜壓混合軸承 砂輪架主軸的軸向定位采用軸向止推靜壓軸承 軸向止推軸承由兩個相對的環(huán)形油腔構(gòu)成 軸上具 有臺肩以形成承載面 軸承的間隙通過修磨調(diào)整墊圈的厚度來保證 4 7 傳動裝置設(shè)計 為了提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度 皮帶輪不直接裝在主軸上 而是裝在單獨(dú)的支架上 并用花鍵套帶動主 軸旋轉(zhuǎn) 即采用卸荷皮帶輪的方案 如圖 4 2 所示 這個方案的優(yōu)點(diǎn)是 減少了主軸的變形 同時還提 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 20 頁 高了承載能力 圖 4 2 卸荷皮帶輪 1 電動機(jī)的選擇 N 切電 空 3 8102ZPV 砂 2 35 8 82 3 8 12 62kw 通過以上計算 取 15kw 選擇 Y100L 4 型電動機(jī)N電 2 皮帶設(shè)計 因?yàn)槎嘈◣Ъ嬗?V 帶和平帶的優(yōu)點(diǎn) 外輪廓尺寸小 比 V 型帶傳動平穩(wěn) 所以皮帶采用多楔帶 5 多楔帶以平帶為基體 內(nèi)表面有等距離縱向楔型的環(huán)形帶傳動 工作面為楔側(cè)面 有橡膠和聚氨酯兩種 5 1 皮帶材料的選用 皮帶材料選用聚氨酯 2 設(shè)計計算 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 21 頁 已知小帶輪轉(zhuǎn)速 即 1500r min 傳動比 i 2 5 n1 1 計算功率 由 機(jī)械設(shè)計 表 8 7 查得 工作情況系數(shù) 為 1 1 故KA 4 5 15 6APKkw ca 2 由 和 選擇帶型n1 由于 16 5kw 1500r min 查表后可知 取帶型為 L 型 ca 3 確定帶輪基準(zhǔn)直徑 由 金屬切削機(jī)床設(shè)計簡明手冊 表 4 43 取主動輪基準(zhǔn)直徑 80mm D1 由此得 12nDi 120nDm 4 驗(yàn)算帶速 4 6 1856 8 6060Vs 6 28 m s 30 m s 所以帶速合格 5 初定軸向間距 由公式 4 5 0 7 2 4 7 1D20a1D2 可知 196 560 取 400 0a 6 所需基準(zhǔn)帶長 4 8 210120 2 4dLDa 2 08 8 4 1248 82mm 由 金屬切削機(jī)床設(shè)計簡明手冊 表 4 5 取相近的基準(zhǔn)帶長 1250 mm 6 dL 7 實(shí)際軸向間距 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 22 頁 4 9 002dLa 1548 4 401 18mm 所以皮帶的實(shí)際軸向間距取 401mm a 8 多楔帶每楔的基本額定功率 1P 由 金屬切削機(jī)床設(shè)計簡明手冊 表 4 40 可以查得 0 34kw 1P 9 小帶輪的包角 4 10 021 57 318Da 162 85 10 多楔帶楔數(shù)的確定 4 11 1 AdlKPZ 其中 1 bih 查表得 34 610bK 代入 的計算公式中 得 0 849kw i P P 又已知 0 955 1 00 得 l 1 514 53 0 3489 0 Z 由此可以確定 取 Z 15 3 帶輪設(shè)計 1 帶輪設(shè)計的要求 1 質(zhì)量小 結(jié)構(gòu)工藝性好 無過大的鑄造應(yīng)力 2 質(zhì)量分布均勻 轉(zhuǎn)速高時要經(jīng)過動平衡校證 3 槽輪工作面要經(jīng)過精細(xì)加工 以減少帶的磨損 4 輪槽的尺寸和角度應(yīng)有一定的精度 以使載荷分布均勻 2 帶輪的材料選用 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 23 頁 帶輪的材料選用 HT200 3 帶輪的結(jié)構(gòu) 1 小帶輪直徑 d 為軸的直徑 所以采用實(shí)心式 1 2 5 3 D 2 大帶輪 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(dǎo)體定律 由導(dǎo)體 A 和 B 組成的熱電偶 當(dāng)接入第三導(dǎo)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(zhì)導(dǎo)體定律 7 由一種均勻?qū)w組成的閉合回路 不論導(dǎo)體的截面和長度如何 以及各處的溫都不能產(chǎn)生熱電勢 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 46 頁 a b 圖 2 1 熱電偶均質(zhì)導(dǎo)體定律 2 均質(zhì)導(dǎo)體定律引出的結(jié)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(gòu)成熱電偶 第 3 章 實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(nèi)部的若干標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測得 也可以用溫涂料測試工件 內(nèi)部的溫度 最近出現(xiàn)了用紅外光導(dǎo)纖維測量磨削溫度方面的研究 并且已經(jīng)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(jìn)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(biāo)定 在實(shí)際應(yīng)用中 如果保持自由端溫度 T 不變 就可以根據(jù)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(biāo)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(shí)際應(yīng)用中應(yīng)有所選擇 已被國際上公認(rèn)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(jù)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(yīng)用一般為 0 5 3mm 實(shí)驗(yàn)研究 使用時 根據(jù)需要可以拉延至更細(xì)的直徑 這種熱電偶的特點(diǎn)是價格低廉 靈敏度高 復(fù)現(xiàn)性好 高溫 下抗氧化能力強(qiáng) 是工業(yè)中和實(shí)驗(yàn)室里大量采用的一種熱電偶 但在還原性介質(zhì)或硫化物氣氛中易被侵 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 47 頁 蝕 鎳鉻 鎳硅熱電偶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下表 3 所示 表 3 1 鎳鉻 鎳硅熱電偶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 3 1 1 試驗(yàn)?zāi)康?溫度標(biāo)定指的是確定熱電偶的熱電特性 也就是確定熱電偶結(jié)的溫度 電勢曲線 此項(xiàng)試驗(yàn)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(zhǔn)備對高效深磨試驗(yàn)中用到的鎳鉻 鎳硅絲 進(jìn)行標(biāo)定 以得到這種材料的第一手資料 為以后的試驗(yàn)奠定一個堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 3 1 2 實(shí)驗(yàn)方法及裝置 1 溫度標(biāo)定方法簡圖 溫度標(biāo)定的方法的簡圖如下 管式電爐的爐溫可調(diào) 爐溫可調(diào) 與在該爐溫下測得的標(biāo)定熱電偶的 熱電勢相對應(yīng)就可以畫出待標(biāo)定熱電偶的熱電特性曲線 熱電偶標(biāo)定裝置如下圖所示 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 48 頁 圖 3 1 熱電偶標(biāo)定裝置 2 所用到的實(shí)驗(yàn)裝置 臥式管形電爐 型號 SRLK 2 9 功率 2kw DWK 精密溫度自動控制裝置 最大輸出功率 10kw 控制精度 1250 0 5 UJ37 型電位差計 測量范圍 1 0 103 毫伏 準(zhǔn)確度級別 0 1 級 使用溫度范圍 5 45 標(biāo)準(zhǔn)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 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 K 3 1 3 試驗(yàn)步驟 將試驗(yàn)設(shè)備各電路連線按設(shè)備說明書的要求聯(lián)結(jié) 將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被測熱電偶扎好一起放入臥式管形電爐中 接通電源 將 DWK 精密溫度自動控制裝置調(diào)到一定數(shù)值 測出檢定爐溫下被測熱電偶的熱電勢值 記錄數(shù)據(jù) 按照標(biāo)定方案中的數(shù)據(jù)重復(fù) 和 切斷各設(shè)備電源 拆卸聯(lián)結(jié)線 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 49 頁 3 1 4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及總結(jié) 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如下表所示 表 3 1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù) 上面表格中 前的數(shù)據(jù)為測得的兩種熱電偶的電勢值 后的數(shù)據(jù)為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分度表 格插值得到的相應(yīng)的溫度值 利用 MATLAB 繪出相應(yīng)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(biāo) 圖 3 5 采用圖 2 的橫坐標(biāo) 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(chǔ)上又有一 定的隨機(jī)誤差 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(xué)畢業(yè)設(shè)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(shù) 制作的熱電偶進(jìn)行標(biāo)定后 即用實(shí)驗(yàn)方法測出熱電勢系數(shù)后 0 ET 在實(shí)際應(yīng)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(diǎn)處的溫度 0 3 2 試件的制作 試件的結(jié)構(gòu)如下圖所示 圖 3 6 試件的結(jié)構(gòu)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(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 52 頁 空隙 由于試件的材料為 42Cr 是金屬導(dǎo)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(chǎn)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(biāo)定 端部展平即為箔片 厚度不大于 0 035mm 粘結(jié)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(dāng)于工件磨削面 上的溫度 它在本質(zhì)上應(yīng)該是離散分布在接觸弧面上的磨粒磨削點(diǎn)溫度在試件材料本身的傳導(dǎo)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(guān) 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(yàn)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(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 第 53 頁 參考文獻(xiàn) 1 蘭雄侯 王繼先 高航磨削溫度理論研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展 A 沈陽 東北大學(xué)機(jī)械工程及自動化 學(xué)院 2 徐鴻鈞 磨削溫度的測量技術(shù)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(jì)南 山東大學(xué) 2001 4 徐鴻鈞 高航 磨削溫度的測量技術(shù) 徐鴻鈞 高航 沈陽 東北大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)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(yīng)用 J 安慶師院學(xué)報 自然科學(xué)版 1995 年 8 月 7 袁希光 傳感器技術(shù)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(jī)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(biāo)定 J 儀器儀表學(xué)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(shù) 下冊 北京 中央電視大學(xué)出版社 1984 12 任敬心 華定安 磨削原理 西安 西北工業(yè)大學(xué) 2000 13 王西彬 師漢民 任敬心 結(jié)構(gòu)陶瓷的磨削溫度 西安 西北工業(yè)大學(xué) 2002 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(shí)驗(yàn)研究 K Ramesh H Huang L Yin 制造技術(shù) 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(zhì)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(xué)物質(zhì) 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(yán)格遵守相關(guān)法律規(guī)定 但這些費(fèi)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(shí)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(dāng) 達(dá)不 到一定的速度 冷卻液將無法進(jìn)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(guān)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(zhì)量和更長的刀具壽命已經(jīng)非常普遍 1 但是 在冷卻液中加入地有害化學(xué)物質(zhì) 給操作 人員的身體健康帶來了危害 有數(shù)據(jù)表明 在一個工件的加工成本中 冷卻液潤滑的費(fèi)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(jìn)一步研究冷卻液流動裝置 從這點(diǎn)來說 綠色加工已經(jīng)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(shè)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(guān)的磨削特性 2 分析 砂輪與工件之間的相互作用產(chǎn)生熱 這是由摩擦和表面的塑性變化導(dǎo)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(shí)際的磨削上升溫度和冷卻效果 強(qiáng)調(diào)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(chǎn)生的熱 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(jié)而成 一層層組成 砂輪高速旋轉(zhuǎn)與緩慢轉(zhuǎn)動的 工件表面接觸 下列的一些假設(shè)用來建立冷卻液速度和它的散熱特性之間的關(guān)系 液體流動速度為液體的平均速度 砂輪已進(jìn)行充分?jǐn)D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(nèi) 砂輪兩邊沒有 對流是熱傳遞的主要形式 這個問題被認(rèn)為是強(qiáng)迫對流 在這種情況下 熱傳遞的效率取決于經(jīng)驗(yàn)和對流類型 對流類型可以通過方程 1 計算雷諾系數(shù)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(shù) 在方程 1 中計算得到的雷諾系數(shù)表明了冷卻液的流動類型 雷諾系數(shù)介于 16030 9 和 73719 之間 當(dāng)雷諾系數(shù)小于 時 冷卻液為紊流 熱傳遞效率可由強(qiáng)迫對流的經(jīng)驗(yàn)公式計算得出 510 2 1 2 3 64RePrNu 其中 為努塞爾系數(shù) 為雷諾系數(shù) 為普朗特系數(shù) 還可以進(jìn)一步定義為 Nu 3 chlkecvl rpCk 其中 k 為冷卻液的熱傳導(dǎo)率 W m k Cp 為比定壓熱容 結(jié)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(shè)計了一套裝 備 它可以使冷卻液速度發(fā)生變化 這個設(shè)計包括一個測流計噴嘴 冷卻液從此噴嘴進(jìn)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(xué)畢業(yè)設(shè)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(shù)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(diào)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(diào)節(jié)的噴嘴 構(gòu)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(shí)驗(yàn)條件 每一個噴嘴都在事先確定的實(shí)驗(yàn)條件下 在 SS304 上進(jìn)行一系列的磨削測試 冷卻液的速度和壓力 都要調(diào)節(jié)到磨削測試實(shí)驗(yàn)要求達(dá)到的數(shù)據(jù) 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 tF b 為砂輪寬度 單位為 mm D 為砂輪直徑 單位為 mm 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 可以用方程 8 表示 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)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 是切削深度 f 是砂輪在切削方向的磨削力 以標(biāo)準(zhǔn)的 樣品為參照 用電子掃描顯微鏡 放大倍數(shù)為 1000 和 500 來測量工件 以分析磨削后的工件表面質(zhì)量 用光學(xué)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(zhì)量的影響 表 2 列出了實(shí) 驗(yàn)的磨削條件 5 結(jié)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(nèi)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(dāng)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2m 0 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(jié)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(qiáng)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(jù)預(yù)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(xì)了解冷卻液速度的作用 還需要做更多 的實(shí)驗(yàn) 5 2 變化的能量 圖 6 所示為在確定的實(shí)驗(yàn)條件下 見表 2 能量與冷卻液之間的關(guān)系 能量可以利用方程 7 計算 得到 很明顯 當(dāng)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(shù)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(xué)畢業(yè)設(shè)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(dāng)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(dāng)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(guān) 因此必須用另一機(jī)械裝置來計算剩余的能量 另一種與磨 削過程有關(guān)的機(jī)械裝置產(chǎn)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(nèi) 因此可以這樣理解 當(dāng)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(nèi)的原子層之間的摩擦十分嚴(yán)重 而當(dāng)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(yīng)于相應(yīng)的碎屑成形所需的能量 這個能量被認(rèn)為是一個常量 因此 所得到的 實(shí)驗(yàn)結(jié)果中這一部分能量 即當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(dǎo)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(jié)果還可以進(jìn)一步驗(yàn)證樣品的硬度 5 5 硬度 SS304 的標(biāo)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(dāng) 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(dāng)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(jìn)一步證實(shí)了 的重大意義 當(dāng)然 它也表明 微觀下所有試件的硬度值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高 于所能接受的硬度值 200HV 這是源于磨削熱和機(jī)械拉力 結(jié)果表明 增加 可以減少熱灼傷 因此 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(dǎo)地位的熱或機(jī)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(shí)驗(yàn)中 據(jù)觀察 隨著 的增加 表面粗糙 度下降 在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi) 當(dāng) 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?yàn)檩^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(yàn)范圍內(nèi) 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(dú)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 和流 動速度的范圍如表 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(qiáng)滲透效果 表 4 總結(jié)了各種冷卻液流動速度的情況 當(dāng) 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(zhì)量都較差 當(dāng)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 從 35 減小到 10m s 導(dǎo)致最小限度從 24 26 減小到 18 20lpm 這個結(jié)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(jié)論 控制 對高效精密磨削有重大意義 試驗(yàn)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 的控制降低了這種最低限制 當(dāng)然 增強(qiáng)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(xué)畢業(yè)設(shè)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(xiàng)目執(zhí)行過程中提供了 測量儀器和實(shí)驗(yàn)助手 這個項(xiàng)目得到了科學(xué)技術(shù)和研究基金會的支持 項(xiàng)目號 C01 P 067A