外圓表面砂帶光整加工裝置設計含4張CAD圖
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外圓表面砂帶光整加工裝置設計
摘 要
近年來，國內對于砂帶磨削的研究成果有很大的進展，從低質量產品到半成品以及成品的進口和不斷學習，使得砂帶磨削在我國有了雨后春筍般的發(fā)展。
本論文主要設計外圓表面砂帶光整加工裝置機構，主要包括工件的驅動和夾持裝置、砂帶磨削裝置和回轉頂尖固定裝置三大部分結構設計。工件驅動裝置由交流電動機通過帶傳動直接對工件進行驅動，由變頻器調節(jié)速度，滿足不同尺寸工件的轉速要求；采用三爪卡盤夾持工件，回轉頂尖支撐，提高工件的支撐剛度。砂帶磨削加工裝置主要包括收放帶帶輪及其電機、接觸輪、張緊輪、導向輪等結構；針對砂帶磨削裝置所占空間過大問題，論文設計了三層空間布局，可對徑向和軸向進給分別控制。光整加工裝備整體結構中由交流直線往復電機實現軸向進給功能，安裝方式為反裝，可有效減少磨削裝置所占空間。裝置總體結構研究得出兩種方案進行對比，最終選擇經濟效益較好的三導柱機構方案。
論文所設計光整加工裝備可對直徑為60-150mm，最大長度為600mm的外圓表面進行光整加工。
關鍵詞：外圓磨削裝置；光整加工；砂帶
I
ABSTRACT
In recent years, the domestic research on the grinding of the belt has made great progress, from low-quality products to semi-finished products and finished products imported and continuous learning, making the belt grinding in China has mushroomed development.
In this paper, we mainly design the mechanism of the belt finishing device, and make two kinds of schemes to compare and finally choose the three-pillar mechanism with better economic benefits. Then the design of the spindle form and strength check, the choice of motor and workpiece clamping device, clamping device selection of common three-jaw chuck, rotary top support, improve the support stiffness of the workpiece. Followed by the design of the tailstock tailstock fixed device, and finally the design of belt grinding device. Mainly drive motor, retractable pulley, contact wheel, tension wheel and other structures. In order to save the device space, the paper design on the middle and lower three-dimensional layout, radial and axial feed can be controlled separately.
The finishing equipment can be designed for the finishing of the outer surface of the diameter of 60-150mm and the maximum length of 600mm.
Key Words：Cylindrical grinding device；Finishing；Belt
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 論文的研究背景 1
1.2砂帶磨削介紹 1
1.3 論文的主要內容 4
2.砂帶磨削裝置總體分析 5
2.1砂帶加工裝置總體分析 5
2.2加工裝置運動功能分析 5
2.3運動功能方案設計 6
2.4總體方案的提出、比較和分析 7
3.砂帶加工裝置驅動機構設計 9
3.1 驅動機構的設計總體方案 9
3.2主軸組件的設計 9
4.砂帶磨削加工裝置設計 19
4.1 砂帶接觸輪結構設計 19
4.2砂帶驅動輪結構設計 20
4.3砂帶軸向竄動機構設計 21
4.4 砂帶張緊輪設計 22
4.5砂帶支撐結構空間布局 22
5.結論 24
參 考 文 獻 25
附錄1：外文翻譯 26
附錄2：外文原文 33
致 謝 41
II
外圓表面砂帶光整加工裝置設計
1 緒論
1.1 論文的研究背景
目前，隨著科學技術的不斷發(fā)展,機械零件向著高精度、高承載力、高壽命的方向發(fā)展。因此這些零件不僅要有良好的力學性能,還要有較高的表面質量,必須有先進的加工技術以及加工裝置來滿足工業(yè)生產的需要。光整加工是指工件表面質量在大幅度提高的同時,保證精度的穩(wěn)定甚至提高工件加工精度等級的一種加工技術[1]。光整加工一般作為最終的加工工序，加工后的零件大部分情況下可直接裝配使用，工件經加工以后的表面質量，不僅直接影響它本身的精度和使用壽命，還會影響到工件之間的配合性質，進而影響到整套設備的力學性能及使用壽命。光整加工分為手工研磨及拋光、機械光整加工、非傳統(tǒng)光整加工和復合非傳統(tǒng)光整加工四部分。機械光整加工又分為磨削、研磨、拋光、超精加工。
1.2砂帶磨削介紹
1.2.1砂帶磨削的特點
砂帶磨削作為光整加工中的一類，他是機械零件加工的主要工藝之一，也是零件加工的終極工藝，對于零件最終的表面質量起著決定性的作用，他的主要磨削工具是砂帶。砂帶是指用粘結劑將磨料粘結在柔軟基體上的特殊磨具，屬于一種單層磨料的磨具，是砂帶磨削的主體，它由磨料、粘結劑、基體材料三要素組成，它是一種特殊形態(tài)的多刀、多刃的切削工具，如圖1.1所示。
1-磨料； 2-復膠； 3-底膠； 4-基底
圖1.1 砂帶組成斷面圖
其切削功能主要由粘附在基底上的磨粒來完成[2]。并且可以滿足不同的工件材料在不同的加工條件下進行磨削加工的要求。由于砂帶磨削摩擦生熱少，磨粒散熱時間間隔長，可有效地減少工件變形、燒傷。且因砂帶磨削與工件是柔性接觸，具有較好的拋光作用，經磨削的工件表面殘余應力和表面硬化深度均大大低于砂輪磨削。作為工件表面的光整加工，砂帶磨削加工精度一般可達到IT7-IT6，表面粗糙度值可達Ra=0.8～0.2mm。
砂帶磨削的主要特點：
（1）砂帶磨削過程是一個彈性磨削過程，具有拋光、磨削、研磨等多種作用；
（2）砂帶上的磨粒比砂輪磨粒具有更強的切削力，砂帶磨削的效率非常高；
（3）砂帶磨削后工件表面質量高；砂帶磨削過程中磨削溫度較低，工件表面不易出現磨削燒傷等現象；磨削速度穩(wěn)定，砂帶接觸輪不會像砂輪一樣越磨直徑越小而導致速度下降；
（4）砂帶磨削精度高。隨著砂帶制作質量的提高，砂帶磨削可達到精密或超精密加工等級，最高精度可達到0.1μm。
(5) 砂帶磨削成本低。砂帶磨削操作簡便，輔助時間少；砂帶磨削設備簡單；砂帶磨削比大，切削效率高。
（6）砂帶磨削安全，噪音和粉塵小，且易于控制，環(huán)境效益好，砂帶磨削工藝靈活性大、適應性強。砂帶磨削可加工平面、內外圓和復雜曲面；對同一種工件，砂帶磨削可采用各種不同的磨削方式進行加工。
1.2.2砂帶磨削的研究現狀
（1）砂帶磨削國外研究現狀
自上世紀靜電砂植技術成熟以來，歐美國家就對砂帶磨削技術進行了大量的研究開發(fā)，至今已經發(fā)展幾十年，已經達到了強力、高效、自動化磨削的新階段。歐、美及日本等工業(yè)發(fā)達國家，從事磨削技術研究、開發(fā)的機構以及砂帶制造、磨床制造等廠家很多，而且實力雄厚，其成果和產品代表了當今世界砂帶磨削技術的最高水平。
美國在砂帶磨削領域做了大量的研發(fā)，有了很多創(chuàng)造性產品，一直處于世界領先地位。著名的美國3M公司，以鋁氧化物合成物作為磨料發(fā)明了Cubicut砂帶；生產了一種安裝在直徑為1.73m的回轉臺及四個工作主軸的砂帶平面磨床；美國Metabo公司，研制了 6 軸5 聯動數控磨床；西屋電氣公司，用無心砂帶磨床加工 60 馬力的電機轉子，每小時高達 1000 件；盧森機床公司生產電機轉子同心度要求 0.005mm，尺寸誤差要求為正負 0.012mm，用無心砂帶磨床加工，一小時可加工 200 件[3]。2006年，美國QED工藝技術公司M.Tricard等人采用穩(wěn)態(tài)磁流體噴射拋光光學零件表面成功解決等角自由曲面峭壁內凹形狀的光學零件難光整加工的問題。2010 年美國國際制造技術展覽會上，克林貝格( KELLENBERGER) 公司展出新產品KEL-VERA RS250/400型數控磨床，主要用于大尺寸零件卡盤裝夾下的切入磨削[4]。
日本在砂帶磨床和砂帶研制方面做了較深入的研究，并獲得了眾多成果?，F已研制出兩種新型磨料涂附砂帶，即球形復合磨粒砂帶和軟木復合磨料砂帶；近20年來，日本在高速、超高速砂帶磨削領域也有了突出成果。成功研制出磨削速度為400m/s的超高速平面磨床，最高線速度達395m/s。Shinizu等人為了獲得超高速磨削速度改制了磨床，使工件和砂輪間的實際磨削線速度接近1000m/s。2006年在第56屆CIRP大會上，日本慈城大學工程系的周力波等人研究出單晶硅底層無缺陷化學機械磨削新工藝，此工藝方法比化學機械拋光(CMP) 更容易得到好的表面品質。2010年，日本YASDA公司、SODICK公司、MAKINO公司展出亞微米級超精密機床。在機理研究方面，日本研究者通過不斷試驗，利用模糊理論獲得了磨削條件和影響平面度因素相對關系的表達式，既能精確地表達磨削過程，又能夠滿意地改善工件表面精度，為定量分析磨削參數變化對平面精度的影響供了科學依據[5]。
英國著重發(fā)展輸送帶式砂帶磨床、內圓砂帶磨床及渦輪葉片砂帶磨床。布魯克生產的內圓砂帶磨床能對長達 15m，直徑為 25-250mm 的長管件內孔進行加工；施麗亞當斯生產的窄渦輪葉片砂帶磨床和羅爾羅伊斯公司生產的渦輪葉片寬砂帶型面砂帶磨床處于領先地位。
德國知名的砂帶品牌有Hermes、VSM等，研發(fā)了具有多過專利的空心球復合磨料，其制作的砂帶使用壽命長，切削效率高，成本低。
(2) 砂帶磨削國內研究現狀
我國砂帶磨削是五十年代末期開始應用由航空工業(yè)部門引進國外仿型窄砂帶磨床加工發(fā)動機葉片開始的。雖然起步晚，各方面技術落后，但是近幾年來我國的砂帶磨削技術也在不斷發(fā)展。
在加工設備研發(fā)方面，應恒晶研究自制了可進行大軸頸、大孔徑、大平面和大曲面工件表面中加工多使用的新型高效砂帶磨頭，在普通機床（臥車、立車和龍門刨床等）上就可以進行磨削。解決了國內對大尺寸大軸徑工件難加工、耗時多、質量低等問題。其結構簡單，適用性強，加工效率高。
張萍[6]，李家春設計了旋轉砂帶磨削機，該裝備可實現砂帶的“公轉”和“自轉”，外加氣動張緊裝置，可對生銹及有明顯表面缺陷的鋼絲進行打磨拋光。開發(fā)出針對盤條磨削加工的環(huán)保型砂帶磨削設備，對促進我國的拉絲制造業(yè)發(fā)展具有重要意義。
吉林大學王聽、母焰[7]等研究了具有接觸輪庫的砂帶磨削加工裝置，可實現磨削平面、回轉體、自由曲面零件,且能實現同一工位多工序的集中加工，包括底座、立柱、五自由度工作臺、動力裝置、砂帶支撐張緊裝置、磨頭裝置、接觸輪庫、自動換輪裝置。五自由度工作臺,既可以磨削平面零件和回轉體零件,也可以磨削自由曲面,其加工產品范圍廣,穩(wěn)定性好。此磨削加工中心既能適應大批量產品生產,也能適應零件比較復雜,產品更換頻繁的中小批量生產。
朱俊生[8]發(fā)明了一種能夠快速并有效的去除深窄槽中毛刺的深窄槽去毛刺用砂帶裝置?？梢苑奖愕睦脵C床軸的旋轉,完成對金屬件深窄槽的去毛邊工作,提高了具有深窄槽金屬件的產品合格度,又可保證深窄槽內壁的光滑度,直接提高工件表面質量。
在關鍵技術方面，2006年，國家高效磨削工程技術研究中心研制出非圓截面輪廓精密磨削技術，主要用于軸類零件加工，廣泛應用于汽車發(fā)動機、航天航空、印刷、紡織機械及其他精密機械制造業(yè)。2006年漢江機床公司開發(fā)研制了國內第一臺SK722數控絲錐磨床，主要加工直槽磨牙絲錐，可采用單線或多線砂輪磨削，可直接在淬火后沒有螺紋的絲錐坯體上磨出螺紋[9]。
2008 年由湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心、浙江工業(yè)大學超精密加工研究中心、寧波凱泰智邦機械有限公司、杭州智邦納米技術有限公司、湖大海捷制造技術有限公司共同開發(fā)的Olymball-E600精密球體高效研磨機和Olymball-D600精密球體研磨機項目在杭州市通過了中國機械工業(yè)聯合會組織的科技成果鑒定和寧波市經濟委員會組織的新產品及投產鑒定[10]。
2011年險峰機床廠在軋輥磨床上采用德國的DITTELDE的M6000型機電式平衡模塊，此款主要針對高精度磨床研發(fā)而成，可以對不平衡進行監(jiān)測和評估，可以完成快速精確的不平衡補償。同年，甘肅天水星火機床有限責任公司在軋輥磨床上采用帶箱磨削裝置，磨削過程中不需要再拆卸箱架，只需找正帶箱滾徑上的母線和側母線，完成帶箱滾徑直線度調節(jié)后，即可拖動磨削，避免拆卸或安裝過程中的零破壞、精度降低，同時縮短了磨削輔助時間，大大提高了生產效率[11]。
1.3 論文的主要內容
論文旨在進行軸類零件外圓表面電化學砂帶復合光整加工裝備設計。論文中將重點設計整套光整加工裝備的機械結構。具體工作如下：
（1）整體結構設計：包括整體結構的固定支撐，各組成單元的空間布置，加工部分軸向進給結構等。
（2）工件驅動與夾持裝置設計：包括主軸結構、軸承支撐結構、工件的驅動方式、裝夾固定結構等。
（3）工件加工裝置：砂帶磨削裝置設計接觸輪結構及快換結構、驅、動輪結構、軸向竄動結構、張緊結構和砂帶支撐結構空間布局等。
2.砂帶磨削裝置總體分析
2.1砂帶加工裝置總體分析
（1）加工精度
加工精度是指被加工的工件輪廓的形狀位置、尺寸的精確度、表面粗糙度程度。本砂帶磨削裝置的加工精度等級應為IT6級[12]。
（2）工藝范圍
工藝范圍是指加工裝置能夠滿足包括可加工的零件類型、形狀和尺寸范圍，能完成的工序種類等不同生產需求的能力[13]。砂帶光整加工裝置的在本設計主要是針對于外圓表面零件的加工，其中加工零件的具體數據中直徑范圍為60-150mm；長度范圍為最大600mm。
2.2加工裝置運動功能分析
依據本次砂帶加工裝置整體結構設計要求和砂帶磨削加工的特點，可知該裝置所應具備的下述三種運動：
（1）工件的回轉運動：工件的回轉運動是在一定程度上滿足下面的基本要求且是加工過程主運動。
（2）砂帶磨削裝置軸向進給:砂帶磨削裝置的軸向進給目的是確保機構在工件的長度方向上持續(xù)、均勻地進行加工，保證軸向運動的平穩(wěn)性及工件表面的一致性。這就要求進給系統(tǒng)設計應滿足如下的基本要求：
①足夠的靜剛度和動剛度.快速響應性要求。預防低速或微量進給運動時出現不爬行的狀況，使其運動平穩(wěn)；
②靈敏度高；
③抗振性要求要好，避免因摩擦自振引起齒輪傳動的沖擊噪聲或傳動件的抖動；
④擁有足夠寬的調速范圍，確保能夠達到實現所要求的進給量，來滿足不同的加工尺寸，以達到能傳動較大的扭矩的作用；
⑤高傳動精度和定位精度。希望達到最佳精準度；
⑥簡潔進給要求，加工和裝配的工藝性讓調整維修方便，操縱輕便靈活。
(3)砂帶磨削機構的徑向進給。徑向進給是用來說明工作臺每一個行程內工件相對于砂帶接觸輪徑向移動的距離，其特征量是磨削深度ap,，單位為mm/行程。
砂帶磨削裝置需滿足下列運動功能：
（1）砂帶的進給運動。主要通過各支撐件的相互作用，保證磨削區(qū)域時刻都有砂帶，并保證成品的表面質量。
（2）砂帶接觸輪的徑向進給（精進給）。接觸輪的徑向進給屬于精進給，但是接觸輪徑向進給量小，位置保持性要好。
（3）砂帶磨削裝置的軸向竄動。該運動是本設計裝置特有的運動，其主要功用就是為了提高被加工件的尺寸精度和表面粗糙度，避免砂帶磨削不均勻或者過度磨削造成被加工工件表面質量參差不齊的現象出現。
本次設計的光整加工裝備不僅要求在運動功能方面須得滿足上述要求，還要求工件操作便捷、夾持牢固、定位精準、易于操作等。上述分析后，下面進行總體方案設計。
2.3運動功能方案設計
本此設計中選擇參照機床坐標系和直角坐標系。沿X、Y、Z軸的直線運動和運運動量仍用X、Y、Z來表示；繞X、Y、Z軸的回轉運動用A、B、C表示，運動量用α、β、γ表示。運動功能式包含機床的運動個數、形式、功能及排列順序。形式是指直線運動和回轉運動，功能是指主運動、進給運動、非成形運動，且分別使用下標p、f、a表示。在其左側寫工件，用W表示；右側寫刀具，用T表示；中間以運動順序排列方式來寫運動，并使用“/”來分開工件。本設計中的砂帶光整加工裝置的運動功能式如下：
W/Cp，Zf，Yf/T (2.1)
運動功能圖如圖2.1所示，在砂帶光整加工裝的運動功方式只可以看出包含工件與刀具之間的相對運動，但相對"地”來講組件支撐部件安放在哪個地還不明確，因此哪些運動是由工件一側完成，哪些運動由刀具一側完成依舊處于未知狀態(tài)，故此必須明確運動功能的分配問題。
圖2.1 運動功能圖
運動功能分配式的作用就是用來確定功能式中"接地”的位置設計，符號用“?”表達。依據設計要求，在“?”符號左側的運動由工件來去完成，而右側的運動由刀具來完成。由于符號“?”的不確定位置，所以上面的運動功能式改為運動分配式后有以下幾種設計方案：
（1） W/Cp,Zf,Yf/T
（2） W/Cp,? Zf,Yf/T
（3） W/Cp,Zf,? Yf/T
在此對以上的三種方案進行分析對比之后，比較得出方案（2）更容易實現，相對于其他五種方案來說在結構上顯得更加合理。
2.4總體方案的提出、比較和分析
根據上面提出的運動分配式（2）提出下面兩種總體方案。
(1)車床改裝方案
根據對運動功能分配式W/Cp，· Zf,cf/T的分析可知，主運動（即對工件的驅動）和進給運動同車床的運動是相似的。而在車床上的主運動是工件在三爪卡盤夾持下由電機驅動，并且在進給運動方面，兩者同樣都是沿軸向的直線運動。所以，在車床改裝方案中，可以由砂帶磨削機構來完成后面的三個運動，將砂帶磨削機構整體安裝到車床的刀架位置，用來代替車刀刀架的結構，通過單獨設計，使得砂帶在這套光整加工裝置中成為它的切削刀具。
（2）三導柱結構
在三導柱機床結構中，由三根導柱做支撐結構來完成機床床身的整體框架支撐，而砂帶磨削部分按照上面的分析安裝到機床的進給機構上，并且單獨設計成為一個整體。下面對兩種方案進行分析、比較。
選擇(1)號方案“車床改裝方案”的好處是：車床的結構的成熟化，使得設計部分只涉及到砂帶磨削機構的整體安裝，而在軸驅動和進給運動方面，大部分滿足設計要求，設計的內容較少；而缺點在于：車床刀架和三爪卡盤的回轉中心高度是固定值，在這種設定下設計砂帶磨削機構時高度方向上會受到很大的限制，可能會造成類似干涉等問題的出現；但由于砂帶磨削對剛性要求不高，從而會遭成其大部分結構在砂帶光整加工中并未發(fā)揮作用，使得出現材具浪費的問題，這就使得成本提高且浪費。
選擇(2)號方案“三導柱機床結構”的好處是：在自己設計的機床結構中，可以充分考慮到性價比以及砂帶磨削的特點，設計符合自己運用的機床。在整體設計機床本身的時候由于砂帶是彈性磨削過程，在加工過程中砂帶跟工件間沒有太大的剛性聯系，不需要很高的剛性要求，由此可以在設計砂磨機床身結構時避免車床功能上的浪費；同時，在成本方面，購買一臺車床的費用會遠遠高于五導柱結構的床身設計后的費用，極大地節(jié)約了成本；砂帶磨削部分的尺寸設計的時候在高度的方向上將不再受到限制，可以保證更佳的加工質量，提高了效率，變相的降低了成本；缺點也是顯而易見的：前期的設計工作量較大，設計的周期加長，人工成本提高。
經過分析前后兩者的優(yōu)缺點之后，從成本性價比的角度出發(fā)，選擇砂帶光整加工裝置的總體方案為(2)號方案“三導柱結構”。
總裝配圖如圖2.2所示：外圓表面磨削裝置由驅動夾持裝置、回轉頂尖裝置、砂帶磨削裝置三大部分構成。
1)砂帶磨削裝置；2）三爪卡盤；3）主軸；4）機床底座；5）機床導柱；6）回轉頂尖；7）砂帶
圖2.2 外圓表面砂帶磨削裝置設計總裝配圖
3.砂帶加工裝置驅動機構設計
3.1 驅動機構的設計總體方案
驅動機是用來實現本裝置砂帶磨削的主運動，他的設計是十分重要的，作為動力的輸入端，不僅要求具有足夠的功率來傳動所需要的扭矩，況且其精確度的大小可以直接影響加工的精度。驅動機構的設計包括電動機的選型，主軸的設計，主軸的支撐布置，電機到主軸的帶傳動設計。
如圖3.1所示為驅動機構裝配圖，由主軸組件、驅動帶輪、三抓卡盤構成。主要作用是為工件驅動提供動力和對工件進行夾緊定位。
1）三爪卡盤；2)主軸；3）主軸支承件；4）帶輪
圖3.1 驅動機構裝配圖
3.2主軸組件的設計
主軸主要組件是由主軸和其支承軸承、傳動件、定位元件等組成。主軸和組件完成加工過程的主運動是，機床的重要組成部分。主軸主要承載切削力和傳送扭矩，運動形式由主軸組件傳送給加工件，縮小傳動誤差。主軸組件直接參與磨削，故主軸的機能會直接影響加工的精度和生產率，是確定機床經濟性指標和總體性能的重要參數。
主軸組件的設計滿足以下基本要求：
（1）靜剛度：簡稱剛度，指主軸組件在靜載荷作用下，防止機床變形的能力。一般以主軸端部發(fā)生單位彈性變形時，在位移方向施加的力表示。
（2）動剛度：指機床處于額定動載荷下做切削運動時，主軸部件抵抗變形的能力。在不同硬度、多刃切削、尺寸誤差、連續(xù)切削等不利環(huán)境下，切削力是一個變量。
(3)旋轉精度：主軸旋轉精度是機床的一種幾何精度。旋轉精度指主軸組件完成裝配后，保持靜止或低速空載情況，刀具或工件安裝基面上的全跳動值。它由主軸，支承軸承，箱體孔等部分的制造精度，調整精度和安裝精度共同決定。
(4)溫升和熱變形：主軸組件運動的時候，切削，軸與軸承間的摩擦，齒輪間的嚙合，都會產生一定的熱量，導致周圍出現升溫現象，發(fā)生熱變形。主軸熱變形會產生很多負面影響，如軸承間隙變化，軸心位置偏移，使定位基面的形狀和位置尺寸改變。溫升也會加熱潤滑油，使其粘度下降，阻尼減小，潤滑效果降低。
3.2.1驅動電機的選型
驅動電機的選擇依據是功率大小和轉速范圍。查閱文獻[14]知：平均相對線速度v=1m/s。論文開篇設計的加工的外圓表面的直徑D=60-150mm。
線速度和轉速間的換算關系如下：
v=πdn6000(rmin) (3.1)
其中，v為線速度，m/s；d為工件直徑，mm；n為工件轉速，r/min。將上述數據代入公式數中，得到工件的極限轉速：
Nmax=6000vπdmin=6000×1/(π×60)=318.31(r/min) (3.2)
Nmin=60000v/(πdmin）=60000×1/(π×150)=127.32(r/min) (3.3)
綜上，工件轉速范圍n=127.32-318.31（r/min）。為滿足不同尺寸工件的加工要求，在實際選取電機轉速時，其范圍應該寬于范圍應大于計算結果。
驅動工件和軸承和軸回回轉運動消耗了許多的功率上。工件材料選取45鋼，取其密度ρ=7850kg/m^3，得出最大尺寸工件的質量：
mmax=14πd2ρlmax=14×π×0.152×7850×0.6=82.23kg （3.4）
由于還沒有確定主軸及軸承的配置，考慮到不可避免的能量損失，另外消耗功率部分的質量估計為m=200kg.
功率消耗計算公式如下:
P=12JZW2 （3.5）
其中，P為剛體繞定軸回轉時消耗的功率，w；W為剛體對軸的轉動慣量剛體，kg/m2；W為剛體的角速度，rad/s。把計算數值代入式（3.5）中便可得驅動電機所消耗功為：
P=12JZW2=1212mr2w2=14mv2=14×82.23+200×12=70.56(w) （3.6）
根據所求出的電機轉速范圍和功率大小，進行驅動電機的選型。通過查閱機械設計手冊，選取的電機型號為Y90S-6，該類的電動機為三相異步電動機，有高效率、性能穩(wěn)定、運轉穩(wěn)妥可靠、維護快捷等益處。
表3-1 Y90S-6 電動機技術參數
型號 額定 轉速 同步 電流 功率 額定 最大 質量
功率 r/min 轉速 /A 因數 轉矩 轉矩 /kg
/kw r/min N·mm N·mm
Y90S-6 0.75 910 1000 2.3 0.7 2.0 2.2 23
3.2.2主軸結構設計
主軸構造布局正常要按照下列基本原則設計：軸的最終設計結構應該使得安裝在軸上的零件拆卸方便，定位要可靠，軸受力須均勻；并且具備優(yōu)良的結構工藝，保證加工精度和加工制造；在尺寸設計方面，先求的最小軸徑，然后按跟軸配合的零件設計階梯軸的尺寸。另外要注意退刀槽、越程槽以及軸肩的設計。下面首先計算軸徑最小允許尺寸。
根據扭轉強度計算軸的最小軸徑尺寸的公式：
d≥35Tτ131-r4=A3Pn11-r4(mm) (3.7)
其中，d為軸的直徑，mm；T為軸傳遞轉矩，N·mm；P是軸傳遞的額定功率，kw；n為軸的轉速，r/min；[τ]為軸材料的許用切應力，M·pa ；A為系數：r為空心軸的內徑d0和外徑d之比，r=d0/d。
工件的動力輸入經過帶傳動最后輸入到主軸的功率p為：
P=P額ηφ=0.75×0.98×0.7=0.52（kw) (3.8)
把軸最低的轉速代入公式中，得到在保證強度前提下的軸的最小尺寸。本次設計A值取較大值A=112。把主軸設計前端部分空心后半部分實心的設計理念。原因是：前段空心結構可以用來增加光整加工裝備的工藝范圍。
下面分兩種不同的情況，分別進行計算：
當軸為空心，r=0.5帶入公式：
d1≥35Tτ131-r4=A3Pn11-r4=19.31mm (3.9)
當主軸是實心結構時，r=0時,帶入公式：
d2≥35Tτ131-r4=A3Pn11-r4=18.90mm (3.10)
經過圓整之后得到的最小軸徑尺寸是：d1=24mm；d2=26mm。
支撐跨距較小時，雖然可以減小主軸的彎曲形變，但是由支撐形變導致的主軸前端位移量增大過多；當支撐跨距過大，支撐形式引起的主軸前端位移雖然有所下降，但是主軸彎曲形變過大，同樣會引起主軸前端的大位移。主軸前端伸縮量a即主軸前端面到前軸承徑向支反力作用中點的距離。他主要由前端部的結構所決定其大小、前支撐軸承配置和密封裝置的型式以及尺寸，都是在結構設計后分析得到。盡可能在滿足功能要求下對伸縮量進行縮短處理。通過以上可知存在最佳跨距。主軸的設計方案和具體尺寸如下圖3.2所示：
由前文知主軸基本結構是前端為空心后端為實心。在力學范疇上屬于簡支梁結構，主軸前端受力大并且有較大的直徑，向尾部呈階梯狀逐漸遞減，尾部的徑向尺寸也是最小的同時受力也是最小的。主軸的力學模型為外伸梁結構。
通常情況下，主軸所受載荷相對不大，產生的應力遠小于鋼材的屈服極限。所以，強度不做為主軸材料選擇的主要依據。當主軸的慣性矩為定值時，設計尺寸參數已確定不變時，彈性模量越大，主軸的剛度越小，但是鋼材之間彈性模量值基本相近，所以剛度也不對主軸材料的挑選產生大影響。加工尺寸精度受耐磨性、熱處理方法及熱變形的影響較大，依次選擇主軸材料。綜上所述，選用40Cr作為主軸材料，調質后硬度為241-286HBS。
圖3.2 主軸結構圖
主軸為階段空心軸，以方便卸下頂尖，穿過長棒料、管道和導線等。主軸前端定位
基準為短錐面和端面，為了夾持工件用法蘭固定三爪卡盤。V帶作為動力的輸入端放
后面，V帶輪用平鍵固定。
3.2.3主軸軸承配置設計
由機床主軸粗大且主軸軸承的直徑較大決定了，軸承所承受的載荷比起其額定動載荷要小很多，所以，通常情況下，選擇主軸軸承就不會依靠承載能力和疲勞壽命來作決定。需要憑借剛度、旋轉精度和極限轉速來決定主軸軸承。
主軸采用滾動軸承支承，以前后支承做為支承方式，前端使用徑向承載能力較強的圓錐滾子軸承是基于受力較大的原因，背靠背放置；后端則用到角接觸球軸承，面對面放置。由于主軸的低轉速，軸承的潤滑以脂潤滑為主，在裝配時既需要加入大量的潤滑脂，從而確保軸承穩(wěn)定持久的得到潤滑。主軸的回轉精度受到軸承的影響非常大，尤其是前軸承對其的影響最為突出，從而需要選取軸承需要遵循前軸承的精度要大于后軸承的原則，指定軸承精度的時候，通常前軸承選擇P3級，后軸承則為P4級。
經過和軸徑尺寸配合分析得：圓錐滾子軸承選取型號為30212，角接觸球軸承選取型號為7208C。圖3.3即為軸承的配置方式：圓錐滾子軸承置于軸前端，背靠背安
裝；角接觸球軸承置于軸后端，面對面安裝。
圖3.3 主軸軸承配置
圖3.4 主軸力學模型
圖3.5 主軸載荷分析圖
3.2.4主軸強度校核
主軸受力情況：工件的重力作用于其前端，徑向為砂帶磨削力；后端承受扭矩作用。受力分析如圖3.4所示。通過此處做一些簡單描述，作為彈性磨削的磨具的砂帶，它的切削力不大，相比于工件的重力作用基本上可以忽略不計。主軸載荷圖如圖3.5所示。輸入到軸上的功率是：
P1=Pη(kw) (3.11)
其中，η是傳動帶的傳動效率。代入數值計算得：p1=11×0.88=9.68(kw)
主軸傳遞扭矩：
T=9.55×106Pn（n·mm) (3.12)
代入數值計算得：T=9.55×106P106×052127.33=39001.12（n?mm) (3.13)
根據力矩平衡，可以求出軸處的支反力：
F2=F×l1l2=554.9×168177.5=525.2N (3.14)
F1=F+F2=554.9+525.2=1080.1N (3.15)
主軸受到的最大彎矩:M=FL1=554.9×168=93223.2N （3.16）
主軸截面抗彎系數： W=πd3321-β4mm3 (3.17)
代入數值得：W=πd332×1-β4=π×110332×1-0.54=13839(mm3 ) (3.18)
抗彎扭強度校核：
σca=M2+αT2WMPa (3.19)
其中，σca為軸的計算應力，MPa；M為軸所受的彎矩，N?mm；T為軸所受的扭矩，N?mm；W為軸的抗彎截面系數，mm3。
代入數值計算：
σca=M2+αT2W=93223.22+0.6×3900.113938=4.24MPa （3.20）
因為主軸選用的材料為40Cr，調制處理，許用彎曲應力[σ-1]=60Mpa。因為σca<[σ-1]，所以主軸安全。
3.2.5帶傳動選型
通過前述設計得知：驅動電機的額定功率為P=7.5kw;同步轉速n=1000r/min,所以傳遞功率P=0.75kw。而小帶輪轉速為n1=1000r/min。設計的工作時間每天要數少于10h。
(1)確定計算功率：
Pca=KAP=1.0×7.5=7.5kw （3.21）
其中，Pca為計算功率，KA為工作情況系數
（2）選擇V帶的帶型
根據前面的計算功率Pca及其小帶輪的轉速n1，查閱機械設計手冊普通V帶選型圖，最后確定出V帶的類型是B系列，即Z帶。
（3）確定帶輪的基本直徑dd并驗算帶速v
根據B系列V帶類型，它的小帶輪的最小基準直徑是50mm。在基準系列中選擇比該數值大的直徑，初選確定為dd=71mm。如圖3.6所示。
驗算帶速：v=πdn60000=π×71×100060000=3.72ms （3.22）
正常的帶速取值范圍是5-25m/s，故基準直徑的選取符合要求。
圖3.6 帶輪結構圖
（4）確定中心距
中心距的確定依據于機床整體結構的設計，在此初選a=1600mm。
(5)確定帶數
V帶根數的確定公式為：z=PdP1KαKL
其中，Pd為設計功率，KW;P1為單根帶的基本額定功率，KW; KL為帶長修正系數。查表可得Kα=1.0，KL=1.02。帶入上面的公式計算得到：
z=PdP1KαKL=0.750.237×1×1.02=3.1。數據圓整，帶的根數設計為4根。
（6）確定帶的初拉力：
F0=5002.5Kα-1Pdzv+mv2N (3.23)
其中，F0為單根V帶所需的最小初拉力,N；Kα為小帶輪包角修正系數：Pd是設計的帶輪功率，kw；v為帶速，m/s；m為帶長質量，kg/m；又m=0.060kg/m：
將數據代入公式中可得：
F0=5002.5Kα-1Pdzv+mv2=5002.51-1×0.754×3.72+0.06×3.722=38.6（N）
（3.24）
如圖3.4所示設計的帶輪結構圖。實心結構可裝載4跟V帶。帶輪的具體技術
要求：表面粗糙Ra=3.2,輪轂和輪緣處不可有縮孔、裂縫、砂眼和氣泡等。
3.2.6工件夾持裝置設計
工件夾持裝置設計選擇常用的三爪卡盤夾持，回轉頂尖輔助支撐。本次設計的砂帶磨削光整加工設備加工工件的最大直徑為60-150mm，故他為三爪卡盤的選用依據。三爪卡盤的型號為K11-165。詳細結構和尺寸如圖3.7和表3.1所示。
K11-165可以夾持的工件直徑范圍為3-160mm?；剞D頂尖和工件之動態(tài)支撐的關系，他能夠圍繞自己做軸線旋轉運動。可繞自身軸線回轉，有很高的回轉精度，是本次設計的首選固定裝置。
圖3.7 三爪自定心卡盤結構
表3.1 三爪自定心卡盤尺寸 (mm)
規(guī)格 D1 D2 D3 H H1 h Z-d
K11-165 130 145 40 96.5 66.5 4.5 3-M8
K11-165可夾持工件直徑范圍為3-160mm，滿足加工工件的尺寸要求，在強度和剛度方面同樣滿足要求。三爪卡盤安裝在主軸前端，內圓表面同主軸前端的小圓錐表面配合，起到定位的作用，可保證裝配后的三爪卡盤的回轉精度。圓周上均布三個的螺紋孔，用來安裝三爪卡盤。
3.2.7其他裝置的設計
(1)回轉頂尖軸向竄動設計
如圖3.8所示，由于頂尖套有直線運動導向溝槽，所以絲杠螺母結構可將后端手輪的回轉運動轉化為軸向的直線運動。逆時針方向旋轉手輪，頂尖套在內螺紋圓柱銷和導向作用和螺母的前推作用下帶動回轉頂尖一起向前運動，實現進給運動。當順時針方向旋轉手輪到底時，回轉頂尖會被絲杠頂出，需更換頂尖時，操作方便。
1）頂尖套；2）鎖緊手柄；3）圓柱銷；4）進給螺母；5）螺母固定端蓋；6）螺栓；7）單向推力球軸承；8）螺栓；9）圓頭普通平鍵；10）回轉頂尖；11）外軸套；12）絲杠；13）外端蓋；14）手輪；15)螺釘
圖3.8 回轉頂尖軸向進給結構圖
（2）尾座支撐結構設計
前文已經設計了回轉頂尖機構，下面設計他在三導柱機床上的支撐結構。其主體使用焊接結構。焊接結構在形式上靈活多變，可焊接成多種簡單便捷輕巧的支撐件。相比鑄造件來說，焊接件經濟實惠，環(huán)境保護能力強，加工簡單，工藝工序少，節(jié)約資源。如圖3.9所示為尾座支撐結構的三維圖。它的上面一層用來安裝回轉鎖緊機構和回轉頂尖，通過緊定螺釘相連；下面一層安裝直線軸承，在下平板上開墊片槽和通孔，左右兩側加裝肋板提高支撐強度。
圖3.9 尾架焊接結構
4.砂帶磨削加工裝置設計
根據緒論中對砂帶磨削技術的簡介可知，砂帶磨削的主要“刀具”是砂帶。本次設計中利用的砂帶為靜電植砂、布基材，磨料材料使用到棕剛玉（代號A，主要成分α－Al2O3）。在磨削抗張強度高的金屬，如各種碳素鋼、可鍛鑄鐵、合金鋼、有色金屬、硬青銅等工件時可發(fā)揮最大作用。硬度在HRC55以下，抗拉強度低于70kg/mm2。砂帶寬度為100mm。
砂帶磨削裝置的設計主要包括接觸輪結構、驅動輪、軸向竄動結構、張緊結構、導向輪和砂帶支撐結構和空間布局等。
如圖4.1所示為砂帶磨削加工裝置總體示意圖。
1）導向輪；2）驅動輪；3）張緊輪；4）砂帶軸向竄動機構；5）接觸輪；6）支撐底座
圖4.1 砂帶磨削裝置總裝配圖
4.1 砂帶接觸輪結構設計
砂帶接觸輪主要起到支撐砂帶、將砂帶支撐至被加工工件上的作用。接觸輪前端正常來講會鍍上一層就能地柔軟的材料，通常鍍上橡膠。這樣就可以增大砂帶與工件的有有效接觸面積，設計中由于砂帶進給速度相對較慢，接觸輪不繞其軸心回轉。
如圖4.2，接觸輪由金屬基體和橡膠材料組成。其中金屬基體可滿足接觸輪強度和剛度的要求，其前端做成半圓狀，方便加工，又適合砂帶進給。橡膠為設計要求。定位方式設計為一面兩孔。
在長期的磨削加工過程中砂帶磨損嚴重，故此需定期更換接觸輪，保證加工精度。為此設計了接觸輪快換機構，在接觸輪兩邊打成通孔，使用緊定螺釘進行固定，通孔直徑大于螺釘直徑，在這里使用大直徑的開口墊片進行緊固。中未畫出。需要更換接觸輪的時候，只需擰出一半螺釘，取出開口墊片，再將接觸輪取出更換即可。
1）橡膠；2）金屬基體
圖4.2 接觸輪結構圖
如圖4.3所示為接觸輪安裝布局。安裝氣缸的目的是為了讓接觸輪始終與工件表面緊貼而提供壓力，從而提高加工質量。氣缸左右兩邊為直線滑動軸承，實現接觸輪的徑向進給。
1）圓形導柱；2）直線軸承；3）氣壓缸；4）接觸輪支撐板；5)接觸輪
圖4.3 接觸輪安裝結構圖
4.2砂帶驅動輪結構設計
砂帶磨削據其基本結構，可分為閉式和開式兩種。如圖4.4和4.5所示，由于閉式結構砂帶呈封閉狀反復進給，造成砂帶磨損加劇，需要經常更換砂帶，提高加工成本和資源浪費率，而且加工的工件表面質量就會下降，效率低下，并不適用于精加工過程；圖4.5所示開式結構砂帶呈開放式布置，收帶輪電機工作時，放帶輪電機不工作。另外還有張緊輪和導向輪作為輔助。砂帶成卷使用。砂帶的使用效率提高，工件表面質量較閉式結構一致性要好。
圖4.4 閉式砂帶磨削形式 圖4.5 開式砂帶磨削形式
如圖4.6所示，開槽長圓柱端緊定螺釘將動力輸入電機軸和軸套連接起來，最外面的那層是帶輪結構，帶輪和軸套用緊定螺釘連接。將鍵插入帶輪和軸套即可工作，實現砂帶進給。放帶帶輪工作。把鍵插入放帶輪和軸之間，取出插入收帶輪的鍵，讓其自動旋轉，完成收帶工作。
1）緊定螺釘；2）電機軸；3）軸套；4）帶輪；5）緊定螺釘；6）圓頭普通平鍵
圖4.6 驅動帶輪結構圖
4.3砂帶軸向竄動機構設計
為了提高被加工件的尺寸精度和粗糙度，消除砂帶磨削不均的現象，提高高砂帶的使壽命和耐度，需設計砂帶軸向竄動，即按砂帶寬度方向來回擺動。如圖4.7所示：
整個軸向竄動結構就相當于曲柄滑塊結構。其中，直線軸承座和接觸輪以及他的支撐組件構成滑塊；連桿機構由中間位置的三個方向塊構成，連桿兩端分別用階梯軸連接。配置角接觸球軸承；曲柄機構由右邊的兩個方形塊構成，其中一個方向塊上設長槽。通過兩個方形塊的偏心作用來回擺動形成曲柄。后面依次為電機軸、電機支架和驅動電機。
1） 連桿結構；2）支撐板；3）曲柄結構；4）直線軸承座；5）階梯軸；6）電機支架；7）直流電機
圖4.7 軸向竄動結構圖
4.4 砂帶張緊輪設計
由于砂帶質地較為柔軟，在加工過程砂帶必須保持緊繃狀態(tài)，故此，我們需要為砂帶提供一定的張緊力。如圖4.8，底座支撐桿裝在支撐底板上，導向支撐桿安裝在支撐桿上。導向桿套可以上下移動調節(jié)張緊輪的位置從而達到張緊砂帶的目的。通過螺釘可將桿套固定。在支撐板上還另外加裝了兩個彈簧掛鉤，用來輔助砂帶張緊。
1） 彈簧掛鉤；2）底座；3）張緊輪支撐桿；4)圓頭普通平鍵；5)螺釘；6)桿套
7)導向桿套：8)螺母；9)導向桿
圖4.8 砂帶張緊結構結構圖
4.5砂帶支撐結構空間布局
為了節(jié)省空間，避免各組成組件之間發(fā)生干涉，本次設計的砂帶磨削裝置空間布局設計為前后兩部分，每部分各上中下三層的布局。前面部分為砂帶磨削裝置的執(zhí)行部分，即接觸輪部分，包括接觸輪支撐及其在軸向和徑向的進給裝置：上面一層為氣壓缸和曲柄滑塊結構，中間為直線軸承支撐機構，下面一層為張緊輪；后部分主要為整個裝置輔助部分，包括收放帶輪和張緊輪，亦呈上中下三層布局，如圖4.9所示即為整體布局示意圖。
圖4.9 砂帶支撐結構空間布局
5.結論
本論文主要進行了軸類零件外圓表面砂帶磨削光整加工裝備的具體結構設計，關鍵對其進行機械結構的設計。本裝備適用于直徑為60-150mm，最大長度為600mm的軸類零件外圓表面磨削加工。本論文完成了加工的整體結構的設計，其中包括加工裝置的軸向和徑向進給機構、每個加工單元在空間的位置。沒有選用機床結構而是選擇了自行設計的三導柱結構，最底下的兩根負責導向及尾架支撐固定，而上面的一根導柱主要為了加強整體結構的剛度；設計初期先對驅動主軸進行計算設計，確定了主軸的結構和尺寸，隨之選擇了軸承，以及電動機型號；動力輸入方式為帶傳動；工件夾持裝置選擇三爪卡盤；回轉頂尖的設計目的是為了提高加工質量、改善加工后工件的表面質量?；剞D頂尖通過尾架固定裝置安裝在下面兩根導柱上，選用直線軸承實現進給運動。砂帶磨削裝置空間三層布局，前后兩大部分；包括張緊輪、收放帶輪、驅動輪及其電機、導向輪、接觸輪及支撐組件。另外為了保證接觸輪始終與工件保持接觸，設計氣壓缸作為輔助機構，用直線軸承座為主的曲柄滑塊實現加工裝置的軸向竄動。
論文最終設計完成全部機械結構，并繪制相關圖紙輔助說明。
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附錄1：外文翻譯
脆性固體的加工和表面處理
S CHANDRASEKAR和T N FARRIS
普渡大學工程學院，West Lafayette，IN 47907-1282，美國
電子郵件：chandy @ ecn.purdue.edu
[摘要]：陶瓷材料主要通過磨削加工完成工藝如研磨，研磨和拋光。在研磨中，磨料通常在研磨輪中結合并與其接觸陶瓷表面以相對高的滑動速度。在研磨和拋光，陶瓷壓在拋光塊上，研磨劑懸浮在拋光塊中在它們之間以漿料的形式。這里的材料去除過程sembles三身穿。在所有這些過程中，機械作用的研磨劑可以認為是重復應用相對尖銳滑動壓印陶瓷表面。在這些條件下，少數的機制主導材料去除過程。這些是脆脆的由于裂紋系統(tǒng)定向為平行（橫向）和垂直（徑向/中間）到自由表面，延性切削形成薄帶狀芯片，以及在反應物存在下的化學輔助磨損其通過機械作用（摩擦化學反應）增強。關系每個這些機制的作用在一個特定的整理過程中可以與施加到磨料顆粒的載荷，滑動速度有關顆粒，以及化學反應物的存在。這些磨損機構也導致以微裂紋形式損壞陶瓷表面附近的殘余物應力，塑性變形和表面粗糙度共同決定強度和成品的性能。一個完整的理解導致材料去除的磨損機構的允許允許設計用于生產高陶瓷表面的高效加工工藝質量。
[關鍵詞]陶瓷表面; 磨削加工工藝; 表面處理; 磨損機制。
1.介紹
對可靠的元件制造的先進陶瓷材料的開發(fā)。的這些材料的使用在1990年達到約每年140億美元的銷售額并繼續(xù)下去以每年4％的速度增長（Jahanmir等1992）。先進的優(yōu)點陶瓷與其它材料的組合包括在高溫下的高
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