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1、题目：磨床机械结构设计系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化班 级 姓 名 学 号 导 师 2014年12月12日一、毕业设计（论文）综述 （题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1、题目背景1.1 磨床的类型及其特点用磨料磨具（砂轮、砂带、油石和研磨料等）为工具进行切削加工的机床，统称为磨床（英文为Grinding machine），它们是因精加工和硬表面的需要而发展起来的。磨床种类很多，主要有：外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、工具磨床和用来磨削特定表面和工件的专门化磨床，如花键轴磨床、凸轮轴磨床、曲轴磨床等。对外圆磨床来说，又可分为普通外圆磨床、万能外圆磨床、无心外圆磨床、 宽
2、砂轮外圆磨床、端面外圆磨床等。以上均为使用砂轮作切削工具的磨床。此外，还有以柔性砂带为切削工具的砂带磨床，以油石和研磨剂为切削工具的精磨磨床等。磨床与其他机床相比，具有以下几个特点：1磨床的磨具（砂轮）相对于工件做高速旋转运动（一般砂轮圆周线速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上发展）；2它能加工表面硬度很高的金属和非金属材料的工件；3它能使工件表面获得很高的精度和光洁度；4易于实现自动化和自动线，进行高效率生产；5磨床通常是电动机-油泵-发动部件，通过机械，电气，液压传动-传动部件带动工件和砂轮相对运动-工件部分组成。1.2 磨床的用途磨床可以加工各种表面，如内、外圆柱面和圆锥面、平
3、面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形表面。磨床可进行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以进行各种高硬、超硬材料的加工，还可以刃磨刀具和进行切断等，工艺范围十分广泛。随着科学技术的发展，对机械零件的精度和表面质量要求越来越高，各种高硬度材料的应用日益增多。精密铸造和精密锻造工艺的发展，使得有可能将毛坯直接磨成成品。高速磨削和强力磨削，进一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范围日益扩大。它在金属切削机床所占的比重不断上升。目前在工业发达的国家中，磨床在机床总数中的比例已达30%-40%。据1997年欧洲机床展览会(EMO)的调查数据表明，25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术，车削只占
4、23%， 钻削占22%，其它占8%；而磨床在企业中占机床的比例高达42%，车床占23%，铣床占22%，钻床占14%3。由此可见，在精密加工当中，有许多零部件是通过精密磨削来达到其要求的，而精密磨削加工会要在相应的精密磨床上进行，因此精密磨床在精密加工中占有举足轻重的作用。但是要实现精密磨削加工，则所用的磨床就应该满足以下几个基本要求： 1.高几何精度。 精密磨床应有高的几何精度，主要有砂轮主轴的回转精度和导轨的直线度以保证工件的几何形状精度。主轴轴承可采用液体静压轴承、短三块瓦或长三块瓦油膜轴承，整体度油楔式动压轴承及动静压组合轴承等。当前采用动压轴承和动静压轴承较多。主轴的径向圆跳动一般应小
5、于1um，轴向圆跳动应限制在23um以内。2.低速进给运动的稳定性。 由于砂轮的修整导程要求1015mm/min，因此工作台必须低速进给运动，要求无爬行和无冲击现象并能平稳工作。3.减少振动。 精密磨削时如果产生振动，会对加工质量产生严重不良影响。故对于精密磨床，在结构上应考虑减少振动。4.减少热变形。 精密磨削中热变形引起的加工误差会达到总误差的50，故机床和工艺系统的热变形已经成为实现精密磨削的主要障碍：磨削是历史悠久的切削加工方法之一。古代的刀、枪、剑戟都要经过磨削加工；在现代机器制造业中，磨削加工也是金属切削加工的一种重要方式。磨床就是用砂轮，油石或者研磨料等作为工具对工件表面进行切削
6、加工的一种机床。通常把使用砂轮进行加工的机床称为磨床，而用油石和研磨料进行加工的机床称为精磨机床。大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工，如珩磨机、超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等。 磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。采用导轮的无心外圆磨床已被广泛采用于成批大批量生产中，用以高生产率制造宽广品种的任精度的制件，其中包括精密制件。这种磨削方法的广泛采用是由于其具有一系列的磨削特点。1.3 研究意义平面磨床是一种
7、机械加工常用机床，对运动平稳性、换向精度、换向频率都有较高的要求；平面磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。精密卧式平面磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。因此把“精密卧式平面磨床的机械结构设计”作为本次本科毕业论文的课题，既有较大的学术价值，又有广阔的应用前景。1.4 内外相关研究情况： 十八世纪30年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。这些磨床是在当时现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成的，它们结构简单，刚度低，磨削时易产生振动，
8、要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。 1876年在巴黎博览会展出的美国布朗-夏普公司制造的万能外圆磨床，是首次具有现代磨床基本特征的机械。它的工件头架和尾座安装在往复移动的工作台上，箱形床身提高了机床刚度，并带有内圆磨削附件。1883年，这家公司制成磨头装在立柱上、工作台作往复移动的平面磨床。1900年前后，人造磨料的发展和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。随着近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。例如20世纪初，先后研制出加工气缸体的行星内圆磨床、曲轴磨床、凸轮轴磨床和带电磁吸盘的活塞环磨床等。自动测量装置于1908年开始应用到磨床上。到了1920年
9、前后，无心磨床、双端面磨床、轧辊磨床、导轨磨床，珩磨机和超精加工机床等相继制成使用；50年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床；60年代末又出现了砂轮线速度达6080米/秒的高速磨床和大切深、缓进给磨削平面磨床；70年代，采用微处理机的数字控制和适应控制等技术在磨床上得到了广泛的应用。随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。由于长期以来对新技术的应用相对滞后，国内机床产品的总体技术水平比之先进国家同类型机床还有着相当大的差距，劳动生产率低下，在国际市场中竞争力不足，经济效益不高。在国外高档机床大举进攻中国市场的情况下
10、，我们只有以积极的姿态面对这一严峻的形势。尽快应用先进的设计技术，能快速开发出结构合理、自动化水平高、加工精度高、低振动、低成本的机床新产品响应市场，我国的机床工业才有出路。为了达到这一目的，掌握先进的机床设计方法就显得尤为重要。我国机床工业的竟争能力的提高也就取决于机床新品的开发和关键技术的研究、掌握、应用和迅速推广。随着我国加入世界贸易组织和全球经济一体化环境的形成，机床行业的市场竞争将会愈演愈烈。目前，国内外机床产品技术水平之间的差距仍然很大，主要表现为:产品仿制多，创新少，市场竞争力不足，利润低:设计方法落后，机床结构设计，尚处于传统的经验、静态、类比的设计阶段，很少考虑结构动、静态特
11、性对机床产品性能产生的影响，产品精度低，质量难以保证;设计周期长，成功率低，反复设计、试制与修改，产品更新换代慢，且成本高。二、本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1、本次设计的主要内容：(1)通过调研和参阅相关资料，了解平面磨床机械传动装置及工作原理； (2)完成原理方案设计和结构方案设计，确定实施方案； (3)对平面磨床进行传动装置等机械参数的初步设计，并完成相关的计算； (4)完成平面磨床进行传动装置等机械参数的具体设计；（X1000mm，Y400mm，Z500mm，X、Y定位精度0.006mm）； (5)完成装配图和零件图。2.2平面磨削方式的选型2.2.1 装夹
12、工具选型对于精度要求高的平面以及淬火零件的平面加工，需要采用平面磨削方法。平面磨削主要在平面磨床上进行。平面磨削时，对于外形简单的铁磁性材料工件，采用电磁吸盘装夹工件，操纵简单方便，能同时装夹多个工件，而且能保证定位面与加工面的平行度要求。对于外形复杂或非铁磁性材料的工件，可采用精密平口虎钳或专用夹具装夹，然后用电磁吸盘或真空吸盘吸牢，根据本课题需要，选择电磁吸盘作为装夹工具。2.2.2 磨削方式的选型根据砂轮工作面的不同，平面磨削分为周磨和端磨（1）周磨采用砂轮的圆周面对工件平面进行磨削。这种磨削方式，砂轮与工件的接触面积小，磨削力小，磨削热小，冷却和排屑条件较好，而且砂轮磨损均匀。（2）端
13、磨它是采用砂轮端面对工件平面进行磨削。这种磨削方式，砂轮与工件的接触面积大，磨削力大，磨削热多，冷却和排屑条件差，工件受热变形大。此外，由于砂轮端面径向各点的圆周速度不相等，砂轮磨损不均匀。根据平面磨床工作台的外形和砂轮工作面的不同，用砂轮端面磨削的平面磨床与用砂轮圆周面磨削的平面磨床相比，由于端面磨削的砂轮直径往往比较大，能同时磨削出工件的宽度和面积大，同时砂轮悬伸长度短，刚性好，可采用较大的磨削用量，生产率较高。但砂轮散热、冷却、排屑条件差，所以加工精度和表面质量不高，一般用于粗磨。而用圆周面磨削的平面磨床，加工质量较高，但这种平面磨床生产效率低，适合于精磨。由于课题中精度0.006mm，
14、所以本课题采用周磨磨削进行工件加工。2.3平面磨床结构分析：平面磨床的结构如图1所示，由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮箱、滑座、立柱等部分组成。图1 平面磨床基本结构图图1卧轴矩台式平面磨床外形图。工作台2沿床身1的纵向导轨的往复直线进给运动。工件用电磁吸盘式夹具装夹在工作台上。砂轮架4沿滑座5导轨作横向间歇进给。滑座和砂轮架一起可沿立柱7导轨作间歇的垂直切人运动。砂轮主轴由内装式异步电动机直接驱动2.4 采用的方案及研究方法 平面磨床的三个坐标轴：X轴：工作台的横向运动 Y轴：工作台的纵向运动Z轴：砂轮架进给 2.4.1 研究方案初定方案一：盘工作台除了做X、Y轴直线运动外，还做Z轴上、下直线
15、运动，磨床主轴带动的砂轮刀片只做自转运动，此方案工作台结构复杂，机器自重大，运动惯性大，定位精度不高，成本高；方案二：电磁吸盘工作台只做X、Y轴直线运动，磨床主轴带动的砂轮刀片除了自转外，还要做Z轴上、下运动，此方案总体较简单，但磨床主轴带动的砂轮刀片运动行程太大，影响加工时间，提高了成本；方案三：电磁吸盘工作台做X轴直线运动，磨床主轴带动的砂轮刀片做Z轴上、下及Y轴直线运动，此方案此方案总体结构简单，砂轮刀片运动范围小，有利于零件的平面磨削。通过对以上三种方案的比较,选取方案三为最终的方案，其结构比较简单：2.5 驱动系统选型2.5.1步进电机优点1.电机旋转的角度正比于脉冲数；2.电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；3.由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精
