外圆无心磨床导轮架及其修整器结构设计-开题报告

上海工程技术大学毕业设计开题报告学院机械工程学院专业机械设计制造及其自动化（现在装备与控制工程）班级学号学生指导教师题目无心磨床导轮架及其修整器结构设计1综述1.1无心磨削的基本概念1.1.1无心磨削的基本原理无心磨削是工件不定回转中心的磨削。有无心外圆磨削和无心内圆磨削。可磨削圆柱表面和圆锥表面、回转体工件内外表面。工件支撑在导轮和托板上、导轮轴线在垂直平面内与砂轮轴线倾斜一小角度。磨削时，砂轮回转和砂轮架横向进给，导轮回转除带动工件回转外，同时使工件自动轴向进给（见图1.1）。工件借助于与其托板的摩擦实现减振。图1.1无心磨削工作原理无心磨削大体上有4种进给磨削方式：切线进给磨削（又称纵向贯穿磨削，工件由砂轮与导轮切线方向通过）、切入进给磨削（又称切入磨削，对带台阶或锥度等零件进行磨削，工件可用挡销定位支撑，由砂轮和导轮进给切入）、断面进给磨削（带台阶零件沿其轴向前进及后退）和通过进给磨削（又称贯通进给磨削工件沿其轴向自动进给），如图1.2所示。图1.2无心磨削4种方法a)通过进给b）切入进给c）切线进给d)端面进给1—砂轮2—工件3—导轮4—导向板（送料板）5—挡板图1.3砂轮、导轮和托板的相对位置示意图在图1.3中，W表示工件，G表示砂轮，C表示导轮，B表示托板。砂轮的作用是磨削工件，因而又称磨削轮（或磨轮），它和工件的接触点1叫做磨削点。导轮的作用是引导和控制工件的运动，它和工件的接触点2叫做控制点。托板是用来支承工件的，它和工件的接触点3叫做支承点。另外，导轮和托板联合起来，可对工件进行定位，因此2、3两点又叫做定位点。正常工作时，磨轮和导轮同向旋转，他们的速度分别为Gn和cn；工件的转速为wn，其转向和砂轮相反。通常，为使工件以进给量nwf做轴向运动，导轮轴线应相对砂轮轴线倾斜一个角度，被称为导轮倾角。以保证工件和导轮线接触。一般认为，工件运动完全取决于导轮。严格说，这种观点是不全面的。从整个磨削过程来看，若磨削短小工件，则工件的线速度0||wV和导轮的线速度0||cV都沿导轮轴线变化，但二者的变化规律完全不同。这至少说明工件的运动不仅仅取决于导轮。理论和实践一致表明，工件的运动不仅和砂轮、导轮、托板的材料以及砂轮运、导轮运动、磨削余量有关，而且还受到无心磨削几何布局的影响。因此，工件的运动是砂轮，导轮和托板的联合作用的结果。1.1.2导轮修整的角度设置导轮在无心磨削中有两个作用，一是工件磨削时的定位基面，与托板工作面成“V”形定位装置；二是导轮与砂轮一起使工件获得均匀的回转运动与轴向运动。常用导轮曲面为单叶回转双曲面。常用导轮曲面为单叶回转双曲面。导轮的修整器的作用，是把导轮的外形修整成内凹的形状，因为导轮是圆柱体，如果还修成圆柱的，那么导轮在调整磨削角度的时候，导轮和砂轮的接触点只有在一个点上。如果不调整磨削角度，那么不能形成螺旋线，工件在通磨的时候不能往前移动，只用于停止磨削。磨削角度的作用：导轮修整后形成的内凹和两边凸，如果两边凸的地方跟工件接触，那么只能两边磨削到，砂轮的中间接触不到工件。砂轮和刀片的面是在水平位置不变的，无心磨大多都是通过调整的倾斜角度和水平角度来或者和砂轮的接触面，这个接触面就是磨削区域同时在调整的时候产生了螺旋线，给了工件往前的力。如图1.4所示。图1.4导轮修整角度示意图1.2无心磨削的国内外研究现状及发展趋势1.2.1无心磨削的国内外研究现状在无心磨削的整个理论研究过程中，主要涉及到以下几个方面的内容：成圆过程，运动和动力学分析。(1)无心磨削成圆过程的研究情况无心磨削中工件磨削表面如何被磨圆，是国内外专家和学者们感兴趣的问题。早在20世纪30年代就有这方面的论文发表，目前，国内外仍有许多单位和个人在研究它。研究无心磨削成圆理论比较成熟的国家有俄罗斯、日本、英国、德国和中国等。在符·波·费里金引入傅里叶级数的分析方法后，人们对无心磨削成圆效应有了新的认识，从而极大地推动了这一问题的研究。此后，各国许多学者都采用了类似的方法对成圆效应进行数学分析和解释，得出了许多有用的结论。迄今为止，无心磨削成圆的研究可以归纳为三个方面：几何成圆理论、静态成圆理论和动态成圆理论。几何成圆理论的本质在于导轮、砂轮、托板和工件之间的相对几何关系决定了无心磨削的成圆过程。这种理论忽略了系统的振动、变形和磨削机制，仅考虑几何关系，因而称之为几何成圆理论。静态成圆理论比几何成圆理论稍有发展。这种理论之所以称为静态成圆理论，是因为它除了考虑几何关系外，还引进了系统静刚度因素。动态成圆理论是比较完善的无心磨削成圆理论。这种理论不仅考虑了几何因素，而且还考虑了磨削系统的振动参数(静刚度K，阻尼C和质量m)以及具有反馈特性的磨削机制。动态成圆理论又叫做无心磨削动态稳定性理论。日本学者对有局部缺口的工件进行无心磨削研究，对频谱图法的发展有十分重要的意义，但没有建立谐波分布函数，不能有针对性地控制显著(较大)谐波和谐波分布状态。20世纪90年代，国内学者提出了无心磨削准动力学成圆理论，该理论有机地统一了几何成圆和动态成圆两大理论，并具备了两种理论的优点。近半个世纪的无心磨削理论和实践研究表明。工件表面圆度误差生成主要依赖于系统振动、工件转速与几何布局。为了从本质上描述无心磨削成圆机理，A.Y.Chien提出了谐波的频谱图法，研究系统对诸次谐波的频率响应问题。日本学者对有局部缺口的工件进行无心磨削研究，对频谱图法的发展有十分重要的意义，但没有建立谐波分布函数，不能有针对性地控制显著(较大)谐波和谐波分布状态。所以建立无心磨削准动力学成圆理论，研究工件表面谐波分布状态与系统振动、工件转速及几何布局之间的内在规律性，以实现谐波的合理控制，并进一步发展频谱图法。准动力学谐波生成机理较有效地描述了工件表面的谐波生成规律。目前，对影响工件圆度误差的各种因素的研究，尤其是磨削区几何形状的研究比以前有了新的发展。具体表现在除对工件圆度误差进行支承误差复映外，还根据工件圆度误差的“杠杆假设”，做进一步的矢量分析，从而得到无心磨削几何区域稳定图。近年来，国内外除了从稳态磨削方面研究外，还从动态磨削方面对工件圆度误差的影响进行了一定的单项试验与理论研究，并取得了很大的发展。他们主要分析了工艺系统在受迫振动条件下对工件圆度误差的影响，但是忽略了颤振的影响。(2)运动学和动力学分析从20世纪50年代斯姆尼洛斯基、60年代米津荣、70年代王玉昆到80年代钱安宇和90年代夏新涛，他们对无心磨削过程中，工件的运动和受力状态进行了详细的推导和分析，使得对工件的运动和受力状态的研究逐渐成熟并区域完善。这些研究不仅具有理论价值，而且可以解释生产中的现象，受到人们极大的关注。以上述专家的成果为依据，本文通过建立新的数学模型，通过新的研究方法，更加全面、有效、方便的分析了无心磨削过程中几何参数，动态参数对工件圆度误差的影响。除了以上两种研究外，导轮修整、无心磨削表面质量等也是人们关心的问题。但是这些方面的研究还远远不够，停留在比较简单的阶段，有待进一步的研究发展。1.2.2无心磨削的发展趋势从无心磨削的发展及现行生产动向来看，无心磨削应向着高速、宽砂轮、高精度、自动化及闭环系统方向发展。（1）高速磨削。高速磨削是通过提高砂轮速度来达到提高磨削效率和磨削质量的一种加工方法。高速磨削的砂轮线速度一般为50m／s~80m／s，无心磨削目前可达80m／s的砂轮线速度。高速磨削的特点是可以提高生产率、提高砂轮使用寿命(比普通磨削提高75％左右)和提高加工精度与表面质量。但是，在磨削过程中，要消耗更多的功率；因此，对机床和砂轮及电机都将有更高的要求。（2）宽砂轮磨削。宽砂轮磨削和高速磨削一样，都属于高效率磨削方法。顾名思义，宽砂轮磨削主要是增加砂轮工作宽度，使之和工件有更大的磨削接触面积。这样有利于提高生产率和扩大磨床使用范围。切入磨削时，可以磨削更长的工件，或者同时磨削两个其至更多的短工件，贯穿磨削时，可以加大一次通磨的磨削余量，减少通磨次数，或者粗精磨一次完成。（3）高精度磨削。高精度磨削后的工件在形状精度、位置精度、尺寸精度，粗糙度和波纹度等方面都具有很高的精度(质量)级别。那种认为高精度仅对圆度误差而言的看法是片面的。高精度磨削是在高精度磨床上进行的。磨削时，砂轮部件、导轮部件和托板部件的刚度、精度以及几何布局部直接影响着工件精度。因此．在设计高精度磨床时，有必要对磨床的静态和动态件能给以预测。预测方法包括理论和试验两个方面的内容。（4）磨削自动化。无心磨削自动化的内容有：工件上下料自动化，自动测量，自动进给，砂轮和导轮的自动修整以及砂轮的自动平衡等。在机床设计过程中，实现磨床综合自动化不可或缺的一个重要手段是，配置自动上下料机构。根据不同工艺方式，不同零件，而采用标准模块组合式上下料装置、机械手、机器人或借助于机床自身的功能元部件来实现自动山下料。例如无锡光洋机床有限公司KC200型，无锡机床股份有限公司MKlll50型无心磨床配置了步进龙门式机械手；而MKlll50型无心磨床上的则为双轴型龙门式机械手，使卸料与装料时间达到了最大限度的重合，在提高磨床综合自动化程度时，缩短了辅助时间。（5）磨削闭环系统。磨削闭环系统的显著标志是使磨削的各种参数、磨床的各种动作、工件精度的测量与预测、信息的反馈与比较、设备保养以及意外事故处理等方面和谐地处于同一机制之中。随着磨床应用计算机数控技术的普遍化，其应用水平正得到不断的提高，利用当今CNC系统所具备的高速运算、处理与多坐标插补功能。北京市机电研究院MK8580型立式数控内曲线磨床，运用开发的磨削软件，通过C轴与X轴联动插补，实现了非圆内、外曲面的磨削。计算机数控技术作为实现磨床综合自动化的关键手段，不仅被用于磨削进给与砂轮修整各种运动的控制，而且被用于各种辅助运动控制。2方案论证2.1调速方法的选择目前异步电动机调速方法很多，大致可分为以下几种类型：①改变转差率调速，包括有降低电源电压，绕线式异步电动机转子串电阻等方法；②改变旋转磁势同步转速调速，包括有改变定子极对数，改变电源频率等方法；③串级调速；④利用转差离合器。上述第一类型的两种调速方法设备比较简单，但它们的调速范围窄，最主要的是它们属有级调速，不能满足调速要求，因此没能广泛应用；变频调速和串级调速，具有无级调速平滑性好的优点，从这一点考虑这两种方法比较符合调速要求，但由于变频调速和串级调速多采用大功率晶体管、可控硅组成变频器和控制器元件，价格贵，制造技术复杂，控制功率大，也没有得到广泛应用。利用电磁转差离合器对电机转速进行调节，既实现了无级调速，又克服变频、串级调速控制器大的缺点，因而得到了广泛应用。因此，本设计选用电磁转差离合器进行电机转速的调节。2.2传动方案2.2.1传动方案比较方案一：图2.1传动方案一如图2.1所示，导轮由一个功率较小的电动机N2驱动。运动从电机轴经过一对带轮z1、z2，挂轮a、b以及k\z3的蜗杆蜗轮而传到导轮（此时离合器M向上啮合）。改变挂轮a、b的数值便可调整导轮的工作转速，从而也就改变了纵向磨削时工作的纵向进给速度。在用金刚刀修整导轮时，导轮的转速应该提高。为此，可将离合器M向下捏合，电动机则通过链轮z1、z2和一对螺旋齿轮z4、z5而驱动导轮。方案二：SDabK\Z3导轮修整器转差离合器图2.2传动方案二如图2.2所示，导轮由电机SD驱动。运动从电机轴经过一对带轮a、b以及K\Z3的蜗杆蜗轮而传到导轮。使用转差离合器便可调整导轮的工作转速，从而也就改变了纵向磨削时工作的纵向进给速度。在用金刚刀修整导轮时，提高导轮转速。方案一中的导轮传动系统主要由带传动和齿轮传动组成。但是由于链传动和齿轮传动极易产生振动,并且这两级传动都处在高速区,无论是在修整导轮还是在磨削工件时,这两级传动都在工作,因此它们产生的振动会严重影响机床的加工精度。而方案二中电机通过带传动直接通过蜗轮蜗杆传动，机床振动减小,运行平稳,这样主轴与轴瓦之间的间隙可以维持正常水平,润滑良好,延长了主轴的使用寿命，使用转差离合器达到了无