車床磨削化數(shù)控改造中的砂輪架設(shè)計(jì)

楊智宇，張樹仁

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

根據(jù)行業(yè)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Freedonia集團(tuán)的預(yù)計(jì)，到2014年，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)機(jī)床的需求將增長(zhǎng)14.2%至3890億元人民幣。然而，我國(guó)目前有三百多萬臺(tái)普通機(jī)床，這些機(jī)床的質(zhì)量較差，性能落后，單臺(tái)機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的1/10左右。由此可見，為加強(qiáng)機(jī)床自身的生產(chǎn)能力，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，對(duì)原有普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造是最合理的選擇。我國(guó)現(xiàn)有數(shù)控改造主要集中于普通車床改造為數(shù)控車床，普通磨床改造為數(shù)控磨床等。而如果能夠?qū)⑵胀ㄜ嚧哺脑鞛閿?shù)控磨床，則擴(kuò)大了加工的范圍，更好的利用了原有機(jī)床。而砂輪架的設(shè)計(jì)就是磨削化改造中的主要部分。

1 砂輪架結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則，原有CM6125機(jī)床頭架部分不進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，所以本文采用內(nèi)圓磨床有關(guān)原理，即磨頭即作縱向往復(fù)運(yùn)用，又作橫向進(jìn)給。

砂輪架是磨床上用來帶動(dòng)砂輪作高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，通常上主要由主軸的軸承和傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。在設(shè)計(jì)砂輪架時(shí)，首先考慮主軸的旋轉(zhuǎn)精度、軸承的剛性、軸向的止推形式、砂輪架整體的潤(rùn)滑與密封效果，以及砂輪架運(yùn)行中振動(dòng)與發(fā)熱的問題等。在眾多的因素中，主軸與軸承是設(shè)計(jì)的核心。其次，砂輪架電機(jī)和帶傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算與選擇也是必不可少的。對(duì)砂輪架的設(shè)計(jì)要求，一是要保證主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)磨削精度高且持續(xù)穩(wěn)定;二是軸承系統(tǒng)剛性應(yīng)滿足加工要求;三是要求在加工過程中讓主軸振動(dòng)盡可能小，且發(fā)熱較低，砂輪架整體不存在漏油現(xiàn)象且便于售后維修。

2 砂輪架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 提高砂輪架主軸旋轉(zhuǎn)精度的方法

砂輪架旋轉(zhuǎn)精度是指主軸一前端的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)大小，它對(duì)工件的表面光潔度和表面缺陷產(chǎn)生了決定性的影響。提高砂輪架主軸旋轉(zhuǎn)精度的方法有多種。首先可以采用靜壓軸承可以有效提高旋轉(zhuǎn)精度，同時(shí)材料采用38CrMoA1A，這種合金結(jié)構(gòu)鋼也可有效增加主軸的硬度。其次選擇雙向止推的形式相比于其他類止推形式可增加主軸的旋轉(zhuǎn)精度。最后還可以采用花鍵、平鍵等其他方法來提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度。

2.2 提高主軸軸承系統(tǒng)剛性的方法

主軸軸承系統(tǒng)剛性是指在磨削力或傳動(dòng)力作用下抵抗變形的能力。如果剛性不滿足磨削條件，就會(huì)降低磨削的生產(chǎn)效率，還會(huì)影響工件的表面光潔度和加工精度，引起工件形狀的缺陷。主軸軸承系統(tǒng)剛性包括主軸本身的剛性、軸承剛性和接觸剛性。選擇動(dòng)靜壓滑動(dòng)軸承，可以有效提高主軸本身的剛性。對(duì)于軸承的剛性，既可以增加油的粘度，又可以減少油膜間隙。而對(duì)于接觸剛性的提高，一是可以減少層次，二是適當(dāng)?shù)脑黾咏佑|面積。

2.3 減少主軸系統(tǒng)的振動(dòng)及降低熱量的方法

在砂輪架的運(yùn)行當(dāng)中，主軸的振動(dòng)和發(fā)熱對(duì)其有較大影響。振動(dòng)對(duì)磨削工件表面的光潔度產(chǎn)生影響，并且會(huì)損壞磨床的加工精度。砂輪架發(fā)熱則會(huì)使砂輪主軸的結(jié)構(gòu)變形。所以尋找減小振動(dòng)和降低發(fā)熱的方法迫切之極。通常減少主軸系統(tǒng)振動(dòng)的方法有五種:一是在主軸上裝的一些零件要盡量對(duì)稱;二是對(duì)砂輪實(shí)行靜平衡;三是對(duì)傳動(dòng)砂輪的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)平衡;四是用一些吸振材料將電動(dòng)機(jī)底座與砂輪架隔離開，避免其互相影響;五是傳動(dòng)系統(tǒng)的皮帶要選得均勻。降低發(fā)熱的方法是在砂輪架主軸達(dá)到剛性要求的前提下，盡可能用較低粘度的潤(rùn)滑油。本文采用壓力循環(huán)潤(rùn)滑。

2.4 砂輪架電機(jī)的選擇與計(jì)算

砂輪架電機(jī)功率可以用三種算法來計(jì)算，一是計(jì)算法，二是類比法，三是經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式法。本文采用計(jì)算法計(jì)算，相比另外兩種算法，計(jì)算得出的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，使數(shù)控改造的成本更小，生產(chǎn)過程中更節(jié)約電力，有利于加工產(chǎn)品成本的控制。

(1)確定縱向進(jìn)給量S縱:

式中，B為砂輪的寬度，取值為75mm。

(2)砂輪表面線速度的計(jì)算:

式中，v砂為砂輪表面的線速度，取值為60m/s。

(3)切向磨削力的計(jì)算:

式中，Cp為磨削力系數(shù)，取值為2.2;t為磨削深度，取t=S橫=0.001mm/r。

(4)砂輪電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算:

式中，η1為傳動(dòng)效率，一般為0.75～0.8，取值為0.76。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選擇YD801-4/2型號(hào)雙速電機(jī)。電機(jī)額定數(shù)據(jù)如表1所示:

表1 YD801-4/2雙速電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)

2.5 砂輪架帶傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算與選擇

按照工作原理的不同，帶傳動(dòng)分為摩擦型和嚙合型。在摩擦型帶傳動(dòng)中，又根據(jù)傳動(dòng)帶橫截面形狀的不同，可以分為圓帶傳動(dòng)、平帶傳動(dòng)、V帶傳動(dòng)和多楔帶傳動(dòng)。其中平帶傳動(dòng)相比其他傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，帶輪易于制造，適用于機(jī)床數(shù)控改造項(xiàng)目。所以本文選用平帶傳動(dòng)。帶傳動(dòng)系統(tǒng)原理如圖1所示。

平帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算:

(1)膠帶選擇:選用薄型棉綸片復(fù)合平帶。

(2)小帶輪直徑:

(3)帶速:

式中，Vmax為膠帶所允許的最大帶速。

(4)大帶輪直徑:

式中，ε為彈性滑動(dòng)率取值0.02，d2為大帶輪直徑，取值為200mm。

(5)軸間距:

因?yàn)閮?nèi)圓磨床的砂輪架結(jié)構(gòu)及電機(jī)尺寸所限制，所以取值為240mm。

(6)所需帶長(zhǎng):

(7)小帶輪圍包角:

然而，三年之后的陳羽凡會(huì)是什么樣？能脫胎換骨嗎？而這三年之中羽泉這樣的經(jīng)典組合又會(huì)出現(xiàn)何種變數(shù)？還會(huì)令歌迷滿意嗎？會(huì)不會(huì)在某一天突然宣布解散？這些也許都得三年之后驗(yàn)證，拭目以待吧！

(8)曲撓次數(shù):

式中，m為帶輪數(shù)，取值為2。

(9)帶厚:

(10)帶寬:

式中，KA為工況系數(shù)，取值1.2;Kf為拉力計(jì)算系數(shù)，取值0.72;Kα為包角修整系數(shù)，

取值0.925;Kβ為傳動(dòng)布置系數(shù)，取值1.0;Ki為傳動(dòng)比系數(shù)，取值1.0;［σ］為帶的許用拉應(yīng)力，取值20MPa;σc為帶的離心拉應(yīng)力，取值4.1MPa。

2.6 砂輪架建模

運(yùn)用CATIA軟件，參照計(jì)算所得數(shù)據(jù)所選擇的部件，對(duì)砂輪架進(jìn)行三維建模，確保砂輪架整機(jī)及有關(guān)部件的尺寸的合理性及砂輪架設(shè)計(jì)的可行性。砂輪架在機(jī)床上結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 砂輪架在機(jī)床上的正視圖與俯視圖

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，砂輪架設(shè)計(jì)是普通車床磨削功能數(shù)控化改造的主要改造部分。砂輪架的好壞直接影響到機(jī)床整體的性能。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中應(yīng)滿足砂輪架設(shè)計(jì)的四個(gè)基本要求。并且通過CATIA的建模，合理設(shè)計(jì)砂輪架整體及有關(guān)部件的尺寸。

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