磨床砂輪架設(shè)計(jì)制造中若干問題的探討與分析

徐桂蘭，趙利平，焦小明

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000）

砂輪架是磨床的關(guān)鍵部件，它不但擔(dān)負(fù)著磨床的主運(yùn)動(dòng)，而且其精度要求對(duì)保證工件的加工精度起著非常重要的作用。不同磨床砂輪架要根據(jù)加工對(duì)象的不同和工作狀況的差異分別提出不同的結(jié)構(gòu)、尺寸、精度、裝配關(guān)系及其制造工藝等。本文就砂輪架設(shè)計(jì)、制造、裝配等方面對(duì)其進(jìn)行比較研究，說明設(shè)計(jì)與制造砂輪架時(shí)各種零件性能相互間的配合關(guān)系，從而滿足不同性能的要求，做到品質(zhì)、效益、效率三統(tǒng)一。

1 正確分析砂輪架的使用性能

各種用途的砂輪架有其性能要求的特殊性，但作為砂輪架本身，由于其加工工藝范圍和加工方式的基本相同，其性能有其相同的共性，主要表現(xiàn)在砂輪架應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)緊湊、高剛性、小變形;主軸工作時(shí)應(yīng)回轉(zhuǎn)平穩(wěn)、運(yùn)行可靠;機(jī)床加工時(shí)主軸精度及性能應(yīng)高度穩(wěn)定。砂輪架雖然不參與工件的成形運(yùn)動(dòng)，但其回轉(zhuǎn)精度卻對(duì)零件的加工表面品質(zhì)、形狀精度等都有很大的影響。砂輪架除要滿足其共性的要求外，更重要的是滿足其特殊要求，。轉(zhuǎn)速是影響砂輪架特殊性能的最重要因素，因此砂輪架的設(shè)計(jì)制造中應(yīng)密切注意轉(zhuǎn)速高低，重點(diǎn)研究轉(zhuǎn)速對(duì)其性能的影響，主要解決轉(zhuǎn)速對(duì)砂輪架力學(xué)、熱學(xué)、精度及其穩(wěn)定性、表面粗糙度等性能的影響問題。根據(jù)不同的速度要求，有目的選擇不同的設(shè)計(jì)方案，采取不同的零件結(jié)構(gòu)、組件和部件裝配方式，采用適合的裝配方法，砂輪架的設(shè)計(jì)制造只有充分體現(xiàn)了其特殊性能的要求，才能使其應(yīng)用于不同的工作條件和環(huán)境下;其次主要考慮到磨床的加工材料范圍，磨床的加工材料不僅影響機(jī)床的加工精度，重要的是影響機(jī)床的受力變形、熱效應(yīng)、應(yīng)力大小等，它對(duì)磨床的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、功率大小等都有很大的影響，尤其是對(duì)機(jī)床熱學(xué)特性的復(fù)雜性和多變性的影響。所以機(jī)床空載下的熱學(xué)特性（溫升、熱態(tài)幾何精度等）已作為衡量精密機(jī)床的重要指標(biāo)，其主軸承空運(yùn)轉(zhuǎn)溫度已成為機(jī)床主要性能標(biāo)準(zhǔn)。例如金剛石專用磨床以5 500 r/min轉(zhuǎn)速磨削金剛石等特硬材料時(shí)、普通磨床以2 500 r/min的轉(zhuǎn)速磨削各種工具鋼時(shí)，一般對(duì)主軸都提出了主軸承空運(yùn)轉(zhuǎn)2 h，溫度≤40℃（夏季溫升≤25℃）的指標(biāo)要求。所以正確的分析砂輪架的工作性能和工作條件，正確理解砂輪架的技術(shù)要求和精度指標(biāo)要求，是做好砂輪架設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵所在。

2 正確選擇設(shè)計(jì)方案

砂輪架的裝配傳動(dòng)關(guān)系比較簡單，一般在砂輪架箱體中不設(shè)計(jì)傳動(dòng)零件，只在電動(dòng)機(jī)與主軸間設(shè)計(jì)一級(jí)皮帶傳動(dòng)或升速或降速即可，現(xiàn)在也有逐漸將電主軸、磁懸浮主軸等等引人一般磨床砂輪架結(jié)構(gòu)中的趨勢(shì)。不論是哪種結(jié)構(gòu)的砂輪架與何種方式的傳動(dòng)，一般都要解決好以下的關(guān)系。

2.1 主軸的支承方式

砂輪架主軸在工作中主要承受徑向力、軸向力、彎矩、扭矩等。由于砂輪架使用性能的要求，其主軸的支承距離較小。主軸的軸向采用一端固定一端自由的安裝方式，其前端為自由端，后端為固定端。這一方面可以消除由于主軸受熱沿軸向的伸長而附加的軸向應(yīng)力，另一方面又可以減少由于砂輪架受熱后的徑向抬高（一般說前頭的抬高比后頭的抬高要大）使軸向擋圈（止推圈環(huán)）與軸心線偏斜更大而更加重軸肩與擋圈（止推圈）的摩擦與磨損，有利于機(jī)床的精度穩(wěn)定和保持。對(duì)于采用滑動(dòng)軸承支承的砂輪架，應(yīng)對(duì)主軸設(shè)計(jì)軸向磨損自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，而對(duì)滾動(dòng)軸承支承則可以不對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，其磨損較小。

2.2 軸承的選擇與安裝

在載荷不太大、轉(zhuǎn)速不太高的情況下，主軸軸承較適于采用三片、五片瓦動(dòng)壓滑動(dòng)軸承組合，其徑向間隙由調(diào)整螺釘調(diào)整，軸瓦的傾斜度可以隨軸徑位置不同而自動(dòng)調(diào)整，以適應(yīng)軸的彈性變形和偏斜等。但其極限轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，對(duì)徑向間隙的變化非常敏感。該軸承組合通過軸肩來確定軸向位置和軸向間隙，并且回轉(zhuǎn)時(shí)軸肩與止推圈之間為滑動(dòng)摩擦，限制了軸承極限轉(zhuǎn)速的提高，適合于轉(zhuǎn)速較低的主軸部件。

對(duì)于主軸轉(zhuǎn)速高，中、高載荷的磨床，根據(jù)其加工的具體情況，宜使用滾動(dòng)軸承組合比較合適。一般前軸承主要承擔(dān)徑向力，后軸承主要承受軸向力也可承受一定的徑向力。經(jīng)過分析與生產(chǎn)檢驗(yàn)，前軸承選擇圓柱或圓錐滾子類軸承較好。圓錐孔圓柱滾子軸承，其極限轉(zhuǎn)速較高，承載能力較大，可以通過調(diào)整內(nèi)圈的軸向位置來對(duì)軸承進(jìn)行徑向預(yù)緊調(diào)整，使軸承始終在無間隙的情況下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，很適于機(jī)床前軸承的支承。后軸承則選用角接觸球軸承較為合適，并采用面對(duì)面的安裝組合。此組合安裝方便、維修容易，對(duì)軸及軸承孔的加工精度要求較低，經(jīng)濟(jì)性較好，同時(shí)對(duì)磨床的精度影響不大。后軸承對(duì)砂輪架的精度影響可以通過對(duì)主軸的誤差方向和大小測(cè)量掌握，使其對(duì)前軸承的誤差還可起抵消的作用，但此安裝方式?jīng)]有背對(duì)背安裝時(shí)支承剛度高。磨床砂輪架軸承精度一般要達(dá)到D級(jí)及以上的等級(jí)要求，對(duì)于一些高速、重載、精度較高的磨床主軸其支承應(yīng)考慮對(duì)皮帶輪的卸載設(shè)計(jì)，一般磨床則因?yàn)橥ǔＦл單挥谥鬏S的后端，其彎曲對(duì)加工精度影響不很大，可以不考慮卸載的問題。

2.3 選擇軸承系列

按照上述的安裝方式，軸承系列的選擇或軸承寬度的選擇直接影響主軸的精度。如果軸承系列選擇不當(dāng)，則會(huì)造成軸承的承載能力不足或?qū)χ鬏S及箱體軸承孔的安裝精度要求過高。在高速，中、高載的情況下，軸承應(yīng)選用寬系列或雙列軸承，如果采用滑動(dòng)軸承應(yīng)該選擇長瓦形式的軸承。采用滾動(dòng)軸承，其前軸承宜用寬系列或雙列滾動(dòng)軸承、后軸承選用成對(duì)安裝的單列球軸承的組合。寬系列軸承對(duì)軸撓曲變形的適應(yīng)性較低，安裝的剛度也偏低，對(duì)軸及軸承孔的要求較高。這是因?yàn)檩S承運(yùn)行是在預(yù)緊的條件下進(jìn)行，其預(yù)緊量不但要足夠而且須均勻，如果軸承發(fā)生偏斜，則會(huì)加大軸承的不均勻磨損，影響砂輪架的使用性能和壽命。若砂輪架屬于中速，低、中載系列的用途，則應(yīng)該選擇普通系列軸承。

2.4 軸承與軸、孔的配合

磨床主軸轉(zhuǎn)速高、載荷大、振動(dòng)大、工作溫度高，其主軸與軸承內(nèi)圈的配合較緊，變形較大，殼體孔與軸承的配合則采用較松的配合;三片瓦或五片瓦動(dòng)壓軸承始終處于間隙狀態(tài)下工作，因此軸承內(nèi)孔與軸徑為間隙配合，間隙大小及變化將影響軸承的工作性能，其值有嚴(yán)格一致的規(guī)定要求。

2.5 潤滑

軸承的潤滑方式與潤滑液影響軸承的發(fā)熱與散熱。對(duì)于普通磨床軸承選用油潤滑，方式為浸油飛濺式，其潤滑及冷卻效果好;對(duì)于高速，中、高載荷磨床考慮到高速攪油損失、發(fā)熱以及維修的方便，且易于密封、效果好，宜采用脂潤滑。

2.6 密封

普通磨床轉(zhuǎn)速不高利用橡膠圈密封。對(duì)于較高速、中或高載荷的砂輪架，加工硬度高的材料時(shí)，為防止磨屑碎粒對(duì)軸承的磨粒磨損和有效的密封，選擇非接觸迷宮式密封，該密封方式簡單易行，可靠穩(wěn)定，而對(duì)散熱的不利影響并不大。

3 零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)要求

砂輪架零件較少。主要零件有砂輪架殼體、主軸、皮帶輪等，因?yàn)檫@些零件在工作中都處于高速回轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此其結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求對(duì)砂輪架的工作性能有很大的影響。

3.1 殼體的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求設(shè)計(jì)

砂輪架殼體是裝配砂輪架的基礎(chǔ)件，其結(jié)構(gòu)應(yīng)主要滿足大剛性，足夠的強(qiáng)度，抗振、吸振能力強(qiáng)，精度穩(wěn)定，容易加工等，所以殼體零件的尺寸應(yīng)盡量小，尤其是軸向尺寸盡量小，以保證其高剛性的要求;殼體的安裝基面應(yīng)平直，表面粗糙度要細(xì);軸承孔的尺寸、形狀精度高，與基面應(yīng)嚴(yán)格平行，對(duì)于動(dòng)壓滑動(dòng)軸承等中心可調(diào)的軸承組合，箱體軸承孔的同軸度要求較低，一般達(dá)到0.01 mm級(jí)就可滿足要求。對(duì)于滾動(dòng)軸承尤其是寬系列軸承，其同軸度要求很高，一般須達(dá)到0.001 mm級(jí)才可達(dá)到使用要求，如0.005 mm等。

3.2 主軸的設(shè)計(jì)與技術(shù)要求

砂輪架主軸上無傳動(dòng)零件，其結(jié)構(gòu)比較簡單，一般也設(shè)計(jì)為階梯軸，材料選擇應(yīng)滿足高穩(wěn)定性要求，支承軸徑處的尺寸精度、形狀精度、位置精度隨著軸承組合的不同而有所區(qū)別:采用動(dòng)壓滑動(dòng)軸承組合的主軸，其軸徑的形狀精度要求很高，一般達(dá)到0.001～0.002 mm，而支承軸徑間的同軸度要求相對(duì)較低，一般包括在尺寸精度范圍內(nèi)即可。對(duì)于滾動(dòng)軸承尤其是寬系列或雙列滾動(dòng)軸承組合，其形狀精度要求相對(duì)較低達(dá)到0.003～0.005 mm即可，但對(duì)支承軸徑的同軸度要求很高一般須達(dá)到0.003～0.005 mm，這是由于后者徑向游隙和預(yù)緊量是通過內(nèi)圈的外脹變形來調(diào)整，軸承始終處于預(yù)緊變形條件下工作，外脹變形量很難精確控制，提高軸徑的形狀精度對(duì)保證軸承的安裝精度意義不大，而前者則對(duì)徑向間隙非常敏感，它將影響主軸的回轉(zhuǎn)精度、承載能力和液體摩擦的形成條件以及軸承的回轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，例如某金剛石專用磨床主軸頸的徑向跳動(dòng)要求為0.005 mm，普通磨床主軸支承軸頸徑向跳動(dòng)精度要求為0.0015 mm，后者比前者徑向跳動(dòng)精度高的多。主軸上螺紋、圓錐面等連接緊固面應(yīng)嚴(yán)格與主軸中心線同軸，否則容易引起連接不可靠，主軸緊固彎曲等裝配缺陷。

4 制造裝配方法

砂輪架的制造工藝主要考慮殼體兩軸承孔的同軸度、主軸的尺寸及形狀精度、裝配精度的調(diào)整等。

4.1 殼體軸承孔的加工

對(duì)于高速，中、高載荷磨床，其滾動(dòng)軸承組合要求安裝同軸度很高，因此要求砂輪架殼體孔具有高精度的同軸度以及軸承內(nèi)孔與軸徑接觸的高剛性要求，兩者的精度指標(biāo)分別需達(dá)到微米級(jí)和80%以上的接觸面積（對(duì)于圓錐孔軸承，且須在大端接觸），才能使軸承安裝穩(wěn)定、位置準(zhǔn)確、回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此殼體軸承孔的加工工藝采用同心研磨棒研磨，保證同軸度為微米級(jí);而對(duì)于較低轉(zhuǎn)速，中、低載荷、三片瓦、五片瓦軸承安裝時(shí)，其中心可作相應(yīng)的調(diào)整，采用調(diào)頭鏜已能滿足同軸度絲米級(jí)精度要求。

4.2 主軸的加工

磨床主軸的加工精度，根據(jù)不同的安裝方式其要求有較大的區(qū)別，主軸支承軸徑處的尺寸、位置、形狀精度是其加工精度的主要指標(biāo)。磨床的最終加工方法一般都要通過超精加工完成，加工中的定位基準(zhǔn)——頂尖孔的加工和修復(fù)安排要合理，精度足夠，至少其精度應(yīng)比工件的相應(yīng)精度要求高一級(jí)。

4.3 主軸軸向竄動(dòng)調(diào)整

主軸軸向竄動(dòng)均采用配磨墊片來調(diào)整，因滑動(dòng)與滾動(dòng)推力軸承摩擦性質(zhì)不同，因此對(duì)于普通磨床和金剛石專用磨床，其配磨墊片的端面跳動(dòng)前者為0.003 mm，后者為0.005 mm，前者墊片的位置和形狀精度比后者要求高。

5 砂輪架裝配工藝

砂輪架的零件與組件較少，其裝配過程較簡單，但仍然有一些應(yīng)該注意的問題。高速回轉(zhuǎn)的零件裝配前必須進(jìn)行靜、動(dòng)平衡，軸、軸組件以及砂輪架部件裝配方法，對(duì)保證砂輪架的精度影響很大。在批量生產(chǎn)時(shí)，一般用調(diào)整法進(jìn)行裝配，批量不大的情況下，可采用修配法進(jìn)行裝配。在調(diào)整法裝配中有的砂輪架結(jié)構(gòu)以及主軸組件結(jié)構(gòu)通過在砂輪架殼體中的調(diào)整進(jìn)行裝配，有的結(jié)構(gòu)則可以將軸組件裝配好后再整體裝入砂輪架殼體。

6 結(jié)論

砂輪架設(shè)計(jì)方案、制造及裝配其精度要求隨著加工條件的改變有很大的不同。設(shè)計(jì)、制造砂輪架時(shí)不僅需從機(jī)床整體設(shè)計(jì)、制造、裝配、潤滑、密封等環(huán)節(jié)進(jìn)行詳盡考慮，而且還應(yīng)從零件的關(guān)鍵精度指標(biāo)上提出合理科學(xué)的要求，當(dāng)出現(xiàn)矛盾的時(shí)候，要綜合考慮，取舍合理，措施恰當(dāng)。如某金剛石專用磨床砂輪架殼體的兩個(gè)主軸承孔同軸度要求不合理（與普通工具磨床的殼體孔同軸度要求相同均為0.025 mm），導(dǎo)致軸承裝配后空運(yùn)轉(zhuǎn)的溫升大大超過國家標(biāo)準(zhǔn)要求。又如某磨床砂輪架主軸徑向與軸向精度高低顛倒反向，導(dǎo)致的主軸裝配卡死故障（另有文章介紹），就是沒有考慮到主軸的具體裝配情況和各個(gè)零件的使用要求與條件，以及裝配工藝與機(jī)床精度指標(biāo)不匹配等問題。前者殼體孔之間同軸度0.005 mm的精度指標(biāo)，后者現(xiàn)行的裝配工藝（另有文章介紹），正是經(jīng)過分析與不斷改進(jìn)后確定的。

［1］中國機(jī)械設(shè)計(jì)大典編委會(huì).中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)中國機(jī)械設(shè)計(jì)大典［M］.三卷.南昌:江西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

［2］許鎮(zhèn)宇，邱宣懷.機(jī)械零件［M］.北京:人民教育出版社，1981.

［3］機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.第三冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

［4］天津大學(xué)機(jī)械零件教研室.機(jī)械零件手冊(cè)［M］.北京:人民教育出版社，1981.