三 江 学 院
本科生毕业设计（论文）
题 目 高速平面研磨机机械结构设计
高职院 院（系） 机械设计制造及其自动化 专业
学生姓名 常芷铭 学号 G095152003
指导教师 沈仙法 职称 讲师
指导教师工作单位 三江学院
起讫日期 2012.12.27～2013.4.5
摘 要
高速研磨技术是一种既能保证研磨加工精度和加工质量，又能显著提高研磨加工效率，降低加工成本的新研磨加工先进技术。本设计是根据目前研磨加工现状，重点采用固着磨料高速研磨方法，设计了平面高速研磨机，这大大地提高了研磨加工精度、加工质量、加工效率及精度的稳定性，并且有效地降低了加工成本。本文主要设计的内容如下:开发设计平面高速研磨机的总体结构及其工作原理,进行系统的机械结构设计；进行系统的硬件设计和软件结构设计；平面高速研磨机固着磨料高速研磨对工件表面性能的影响分析,主要探讨固着磨料高速研磨中一些研磨参数对工件表面性能,如粗糙度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等的影响关系。
通过此次设计，真正熟悉高速研磨技术内部结构及其工作原理，把所学的知识运用到生产实践中去。
关键词：高速；研磨机；机械结构
ABSTRACT
High-speed grinding technology is a kind of grinding machining precision and machining quality can be ensured, and can significantly improve the efficiency of grinding process, reduce the processing cost of the new grinding processing of advanced technology. This design is according to the current grinding processing present situation, mainly USES the fixation high-speed abrasive grinding methods, design the plane high-speed lapping machine, this greatly improves the milling machining precision and machining quality, machining efficiency and precision of stability, and effectively reduce the processing cost. This article main design content is as follows: design plane high-speed lapping machine overall structure and work principle, mechanical structure of the system design; System hardware design and software structure design; Plane fixation abrasives high-speed grinding machine grinding on the workpiece surface performance analysis of the influence of this paper mainly discusses some solid in high-speed grinding with abrasive grinding parameters on the surface properties, such as roughness, hardness, wear resistance, corrosion resistance, etc. The influence of the relationship.
Through this design, familiar with real internal structure and working principle of high speed grinding technology, apply the learned knowledge into production practice.
Key words: High-speed; grinding machine; mechanical structure
目 录
第一章 高速平面研磨机总体方案设计 1
1. 1 机床的主要技术性能 1
1. 2 机床的总体布局 1
1. 3 高速平面研磨机的传动系统 3
第2章 平面高速研磨机机械系统设计 5
2. 1 机械系统的功能及性能要求 5
2.1.1 机械系统的功能 5
2.1.2 机械系统性能要求 5
2.2 机械系统的结构设计 5
2.2.1 主轴的设计 5
2.2.2 传动系统设计 7
2.2.3 轴承的选择与安装 12
2.2.4 箱体的设计 12
2.2.5 主轴组件 13
2.2.6 气动压头 13
2.3 冷却系统的设计 14
第三章 平面高速研磨机磨具的设计 15
3. 1 磨料的选择 15
结束语 18
致 谢 19
参考文献 20
附录 21
第一章 高速平面研磨机总体方案设计
1. 1 机床的主要技术性能
本文设计的平面高速研磨机严格执行国家规程,可用于研磨玻璃、硬质合金、各种陶瓷和超硬材料等，因此根据国家规定规程的要求，对系统制订了如下技术指标：
主轴转速范围 50r/min~720r/min 连续可调
压缩空气压力 0.05 ~ 0.4Mpa
磨具材料 金刚石微粉
被加工工件尺寸 ㎜
平面度 0.03µm
表面粗糙度 Ra2.83nm
摆幅调节范围 300
摆臂升降距离 60㎜
压头最大升降距离 50㎜
总之，系统应具有操作简单，加工精度高、加工效率高，设置简便，使用方便等特点。
1. 2 机床的总体布局
本设计的平面高速研磨机主要用来精磨抛光Φ350mm以下的工件，该机床主要用于研磨加工，在主轴转速和工作压力较低的档次下可进行抛光加工。机床采用高、低两极气动加紧，由气压系统的电磁阀和时间继电器控制加压循环，机床还备有研磨液和抛光掖的恒温装置和过滤装置，并可实现冷却液或抛光液的冷却和回收。
高速平面研磨机在考虑到加工范围、加工精度、生产效率、经济性等要求的前提下，进行了全面的综合的考虑。同时很好地结合了人机学，在线形、色彩、质感方面具有美感，该机床各部件几何形体的比例尺度协调，机床的部件、组件都是有一些简单或复杂的几何体组成，它们的表面造型也由不同的几何体构成，以小圆角代替了过去的大圆角，以直线和平面代替了过去的弧线和曲面，该机床简洁、大方、雅致、精细。
磨具是固着高速研磨所采用的切削工具。对高速研磨来说磨具对研磨加工的影响比较大，它直接影响着研磨加工的精度、加工质量、加工效率和加工成本。一般情况下，磨具是根据被加工工件的具体要求以及研磨机的状况来设计和制作。
磨具主要由切削部分、支撑部分和安装部分组成。切削部分主要是对被
加工工件表面进行微量切削。事实上在研磨加工过程中，不仅是磨料对工件表面进行切削作用，还存在着其它加工作用，但切削作用是研磨加工的主要形式。对固着磨料研磨，一般是先把磨料制成丸片，在将丸片粘结在磨具上，形成磨具的切削部分。磨具的支撑部分一般是根据被加工工件的表面廓形上需要，尽量按表面廓形制造，以避免修整磨具的工作量。安装夹持部分是根据采用的机床及研磨加工运动关系来决定。
1— 下床身；2—皮带轮； 3—上床身；4—定位盘；5—磨具；6—压力头；7—摆臂
8—立轴；9—电动机； 10—变频器； 11—冷却箱。
图1.1 高速平面研磨机总体布局图
图1.1为高速平面研磨机的总体结构布局图。它主要有上下床身、主轴组件、立轴、摆臂、压力头、电动机、变频器、皮带轮、气压系统和冷却系统电气系统等部分组成。主轴组件装在床身上，立轴上装有摆臂，摆臂上装有压力头了，立轴垂直安装在主轴的后面，装用小型空气压缩机和冷却箱安放在机床的外侧，以减少对机床的震动。
平面高速研磨是采用固着磨料高速研磨固着磨料高速研磨是将散粒的磨料固结起来制成专用的磨具，在高速研磨机上进行研磨的方法，其结构功能框图如图1.2所示。所用的专用磨平面高速研磨机要求高稳定的机床结构，即个部件尺寸稳定性好，刚度高，变形小，结构的抗振减振性能好。
图1.2 高速研磨机结构功能框图
1. 3 高速平面研磨机的传动系统
三相异步电机，结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳定性和动态特性，因此我们选择三相异步电机。
齿轮减速箱，结构紧凑、 效率高，工作寿命长，维护简便，但传动不平稳，振动大，噪音大，所以我们不采用。
带传动，结构简单，传动平稳，振动小，噪音小。多用于精密机械。
使用变频器时具有以下优点：
1) 平滑的加减速运行，可消除加工物的破裂、缺口。
2) 驱动部分小型化（代替了原来的涡流制动方式、直流电机）。
3) 便于维修。
4) 在净化等空调室内，可提高运行效率。
5) 对于不需要软启动的外围设备，使的控制电路简单化。
平面高速研磨机达到的加工精度高，所以要求主轴转动平稳、无冲击、刚度好、轴向及径向跳动小；同时为扩大机床的加工范围，主轴系统还因具有变速功能。因此采用交流电机边变频器来控制机床的主轴转速。机床传动系统链为：电动机——皮带轮——机床主轴。这样在主轴传动环节上就减轻了由于传动链零件机械加工精度低对主轴平稳运转的影响。变频器具有调速范围广，可以无级调速、转速平稳、效率高等优点，而且还可以在运转中调速。因为固着磨料在研磨加工过程中存在着比较严重的冲击，所以机床主轴在启动时作无冲击的缓加速运动，在停止时做缓减速运动，主轴的这一运动方式可以通过调整变频器的有关参数来实现。
第2章 平面高速研磨机机械系统设计
平面高速研磨机是集机、电为一体的系统，其功能的实现，离不开机械系统。本系统的机械系统主要有气动部分、磨具、机械传动部分、主轴组件和床身等组成。
2. 1 机械系统的功能及性能要求
2.1.1 机械系统的功能
1) 实现主轴的调速范围连续可调
主轴转速的调节，是由变频器控制三相异步电机，通过皮带轮带动主轴转动来实现的。
2) 实现磨具的均匀磨损
通过改变研磨参数，控制工件相对磨具的运动轨迹密度分布，调整研磨参数，使得工件相对磨具的运动轨迹密度分布及磨具磨损强度分布于磨具磨料密度相适应，使得磨具达到均匀磨损，也就是说磨具磨损后仍能保持原有的面形精度。
3) 实现工件的均匀研磨
在固着磨料高速研磨时，通过适当的选择加工工艺参数，就可以实现工件的均匀研磨，从而保证工件的面形精度。
4) 实现对工件的加紧
工件在研磨时，主要受磨具作用其上的切削力和为提高研磨加工效率压在其上的正压力。这个正压力是由气缸带动压头通过压盖施加于工件之上的，工件在研磨过程中只能绕自身回转中心转动。
2.1.2 机械系统性能要求
1) 高精度 机械系统的精度直接影响着平面高速研磨机的精度，这就要求专用高速研磨磨具，制造具有较高的精度，主轴的位置精度高，安装位置精度要高，同时要求整个机械系统结构变形小，传动机构的传动环节少，误差要小。
2) 良好的稳定性 要求机械系统的工作性能不受外部条件的影响，具有较强的抗干扰能力，这就要求高速研磨机的床身，主轴等不受环境的影响而变形，尽量减少系统的振动，把冷却装置放在系统的外边，避免其振动对高速研磨机的影响。
2.2 机械系统的结构设计
2.2.1 主轴的设计
主轴的材料选45钢，调质处理,使主轴表面具有较高的硬度，心部具有较大的韧性，把主轴做成空心轴，一用来为冷却液提供通道。二以保证轴的刚度及扭转稳定性。
输出轴上的功率P1，转速n1,转矩T1，皮带传动效率取=0.96
P1=P=3×0.96KW=2.88KW (2.1)
(2.2)
(2.3)
初步确定轴的最小直径：
(2.4)
A0= 查表知取A0=120
P为输出功率为2.88KW
n为主轴的转速，取主轴的最小转速50r/min
即空心轴的内径与外径之比，取
=0.3
取轴的最小直径为
按弯扭合成校合轴的强度进行校合时，通常只校合轴上承受最大弯矩和扭矩（即危险截面）的强度
(2.5)
：轴的计算应力，单位为Mpa
M ：轴所受的弯矩，单位为N·㎜
T ：轴所受的扭矩，单位为N·㎜
W ：轴的抗玩截面系数，单位为mm3
：对称循环变应力时轴的许用弯曲应力
：折合系数，取
轴的弯矩图如图2.1所示。
图2.1 轴的弯矩图
轴的扭矩如图2.2所示 。
图2.2 轴的扭矩图
由机械设计（表15—1）查得=70Mpa，因此
<
，故安全。
2.2.2 传动系统设计
机械的传动系统是传递转矩和转矩，目的是使执行元件与负载之间在转矩和转速方面得到最佳匹配。传动机构采用皮带轮减速，通过变频器来控制主轴转速。
（1） 电动机的选择
三相异步电机，结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳定性和动态特性，因此我们选择三相异步电机。
电机所需输出的功率为：P=3kW
容量相同的同类型电机，有不同的转速，低转速电动机的极数多，外廓
尺寸及质量都较大，价格高，但可使传动转动比较小，从而降低传动装置的成本；高速电机则相反。因此在确定电机时进行了综合考虑。
r/min (2.6)
式中： ：为电动机可选转速范围，单位为r/min
：传动装置的合理范围
：为工作机转速，单位为r/min
设计中常选用同步转速为1000或1500r/min的电动机，所以选择1500r/min.
根据选定的电机类型及所需要的容量和转速，查出电机的型号和主要技术数据如表2.1。
表2.1 2Y100L2—4电动机的主要参数
平面高速研磨机达到的加工精度高，所以要求主轴转动平稳、无冲击、刚度好、轴向及径向跳动小；同时为扩大机床的加工范围，主轴系统还因具有变速功能。因此采用交流电机边变频器来控制机床的主轴转速。机床传动系统链为：
电动机——皮带轮——机床主轴
这样在主轴传动环节上就减轻了由于传动链零件机械加工精度低对主轴平稳运转的影响。变频器具有调速范围广，可以无级调速、转速平稳、效率高等优点，而且还可以在运转中调速。因为固着磨料在研磨加工过程中存在着比较严重的冲击，所以机床主轴在启动时作无冲击的缓加速运动，在停止时做缓减速运动，主轴的这一运动方式可以通过调整变频器的有关参数来实现。
（2） 带传动设计
带传动是由固联于主轴上的带轮1（主带轮）、固联于从动轴上的带轮3（从带轮）和紧套在两带轮上传动带2组成（如图2.3）。当原动机驱动主带轮转动时，由于带和带轮间摩擦，便拖动从带轮一起转动，并传递一定的动力。带传动具有结构简单，传动平稳，造价低以及缓冲吸振等特点。
图2.3 带抡传动示意图
1) 确定计算功率Pca
计算功率Pca 是根据传递的功率P，并考虑到载荷性质和每天运行时间长短等因素的影响而确定的。即
Pca = KAP (2.7)
式中：Pca ：计算功率，单位为kW P=3kW
P ：传递额定功率，单位为kW
KA ：工作情况系数
KA 由表知取KA = 1.2
Pca = KAP = 1.2×3kW = 3.6 kW
2) 选择带型
由计算功率Pca =3.6 kW和小带轮转速n = 1500r/min,根据表知选普通A型V带。
3) 确定带轮的基准直径dd1和dd2
① 初步确定小带轮的基准直径dd1 根据V带截型，参考表选取dd1 ddmin 为了提高V带的寿命，宜选取较大的直径，故取
dd1 =110㎜
② 计算带的速度
(2.8)
式中： ：分别为主、从动轮的圆周速度，单位为m/s
n1、n2 ：分别为主从动轮的转速，单位为r/min
dp1 、dp2 ：主动轮和从动轮的节圆直径，可用dd1、dd2近似代替，单位为㎜。
对于普通带=25 ~ 30m/s
③ 确定中心距a和带的基准长度Ld
初定中心距a0 取
1. 7(dd1+dd2)< a0 <2(dd1+dd2)
取a0 =600㎜
计算所需带的基准长度L’d
L’d = 2 a0 +
（dd1+dd2）+ (2.9)
由表, Ld= 1250㎜
由于V带的中心距一般是可以调整的，故可采用下式作近似计算
(2.10)
考虑安装调整和补偿预紧力（如带深长而松弛后的张力）的需要，中心距的变动范围为：
( 2.11)
(2.12)
④ 验算主轮上的包角word/media/image68_1.png1
(2.13)
⑤ 确定带的条数z
(2.14)
式中： Ka ：考虑包角不同时的影响系数，简称包角系数
KL ：考虑带长度不同时的影响系数，简称长度系数
P0 ：单根V带的基本额定功率
ΔP ：计入传动比的影响时，单根V带额定功率的增量
参考设计手册表知， Ka = 0.98， KL =0.93， P0 =1.62, ΔP=0.17
(2.15)
取z=3
⑥ 确定带的预紧力
(2.16)
式中： Pca ：计算功率，单位为Kw
z ：带的条数
：带的线速度，单位为m/s
Ka ：包角系数
q ：传动带单位质量，单位为㎏/m
参考表，q=0.12
由于新带容易松弛，所以对非自动张紧的带传动，安装新带时预紧力为上述预紧力的1.5倍。
2.2.3 轴承的选择与安装
轴承所承载的大小，方向和性质，是选择轴承类型的主要依据。对于纯轴向载荷，一般选用推力轴承。较小的纯轴向载荷，可选用推力球轴承；较大的纯轴向力载荷，可选用推力滚子轴承。对于纯径想载荷，一般选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。当轴承在承受径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承或接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承；当轴向载荷较大时，可选用角接触较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，或选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构，分别承受径向载荷和轴向载荷。
由于主轴组件要保证一定的加工精度并承受工作压力和工作台的重力，因此要求有较高的精度、刚度和承载能力。因此在主轴前端应选用精度高、刚度好的D级3182112双列短圆柱滚子轴承，和两个D级8112推力球轴承，后轴承装一对背对背放置的D级36212单列推力球轴承，这样两个方向的轴向力和径向力都能承载，保证了一定的旋转精度和刚度。为了防止制造、装配时推力轴承与主轴不同轴，在止推轴承处装有球面自动调心垫圈，以保证有较好的同轴度。
为了提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚度，减小机器工作时轴的震动，采用预紧的滚动轴承，机床的主轴轴承，采用预紧来提高其旋转精度与轴向刚度，同时减少工作时轴的震动。两轴承之间的隔套是为了施加预紧力，消除轴向间隙，两后轴承外圈不固定是为了补偿主轴受热深长。
润滑对于滚动轴承具有很重要的意义，轴承中的润滑剂不仅可以降低摩擦阻力，还可以起着散热、减小接触应力、吸收振动、防止锈蚀作用。轴承常采用的润滑方式有油润滑和脂润滑两类。此外也有采用固体润滑剂润滑的。选用哪一类润滑方式，这与轴承的速度有关，一般用滚动轴承的dn值（d为滚动轴承的内径，单位为㎜；n为轴承的转速，单位为r/min）表示轴承的速度大小。
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/07881ebc85254b35eefdc8d376eeaeaad1f316a2.html
文档为doc格式