外圆无心磨床导轮架及其修整器结构设计

摘要
无心磨削是工件不定回转中心的磨削。

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。

无心磨削技术相较于其他磨削方法，具有生产效率高，支撑刚度好等特点。

本设计在充分了解无心磨削原理的基础上，通过总结前人的设计经验，进行无心磨床导轮架与修整器的结构设计。

导轮架结构设计中，主要对导轮的传动系统与其结构进行设计与分析。

为了获得导轮的相应转速，对传动系统进行了设计和校核计算，包括电动机的选型，形带和蜗轮蜗杆的传动设计。

此外，对主轴进行了相应的强度与刚度校核，以确保设计的合理性。

修整器结构设计中，金刚石笔由导轨来带动，所以从导轨与传动机构两方面进行设计。

通过对、两个方向的导轨副与传动方案的设计，以满足使用要求。

关键词：无心磨削，导轮架，修整器，结构设计，校核
无心磨床导轮架与其修整器结构设计
引言
金属切削机床的加工方式和使用范围非常广泛，生产的品种恨多，是机械制造工业中的主要技术装备。

在一般的机械制造厂中，金属切削机床约占生产设备的以上。

磨床是金属切削机床的一种。

在磨床上加工的机械零件，可以获
得较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度，并且可以加工车床、铣床、钻床、插床等难以加工的淬硬零件。

在所有的磨床中，外圆磨床是应用得罪广泛的一类机床，工件采用无心夹持，一般支承在导轮和托架之间，由导轮驱动工件旋转，进行磨削的磨床。

它一般是由基础部分的铸铁床身，工作台，支承并带动工件选转的头架、尾座、安装磨削砂轮的砂轮架，控制磨削工件尺寸的横向进给机构，控制机床运动部件动作的电器和液压装置等主要部件组成。

外圆磨床一般可分为普通外圆磨床、万能外圆磨床、宽砂轮外圆磨床、端面外圆磨床、多砂轮外圆磨床、多片砂轮外圆磨床、切入式外圆磨床和专用外圆磨床。

外圆磨床的主要用途是进行工件的内外旋转体表面与端面的磨削工作。

综述
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）。

工件借助于与其托板的摩擦实现减振。

图无心磨削工作原理
无心磨削大体上有种进给磨削方式：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与后退）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），如图所示。

图 无心磨削种方法
)通过进给 ）切入进给 ）切线进给 )端面进给 —砂轮 —工件 —导轮 —导向板（送料板） —挡板
图 砂轮、导轮和托板的相对位置示意图
在图中，表示工件，表示砂轮，表示导轮，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，它和工件的接触点叫做控制点。

托板是用来支承工件的，它和工件的接触点叫做支承点。

另外，导轮和托板联合起来，可对工件进行定位，因此、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G n 和c n ；工件的转速为w n ，其转向和砂轮相反。

通常，为使工件以进给量n w f 做轴向运动，导轮轴线应相对砂轮轴线倾斜一个角度α，α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||w V 和导轮的线速度0
||c V 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、托板的材料以与砂轮运、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“”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。

如图所示。

图导轮修整角度示意图
无心磨削的国内外研究现状与发展趋势
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，主要涉与到以下几个方面的内容：成圆过程，运动和动力学分析。

()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。

早在世纪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，阻尼和质量)以与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。

世纪年代，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，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、工件转速与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。

()运动学和动力学分析
从世纪年代斯姆尼洛斯基、年代米津荣、年代王玉昆到年代钱安宇和年代夏新涛，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
从无心磨削的发展与现行生产动向来看，无心磨削应向着高速、宽砂轮、高精度、自动化与闭环系统方向发展。

（）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／／，无心磨削目前可达／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％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，对机床和砂轮与电机都将有更高的要求。

（）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。

（）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、精度以与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。

（）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与砂轮的自动平衡等。

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型，无锡机床股份有限公司型无心磨床配置了步进龙门式机械手；而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。

（）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、设备保养以与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。

北京市机电研究院型立式数控内曲线磨床，运用开发的磨削软件，通过轴与轴联动插补，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。

方案论证
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。

传动方案
2.2.1 传动方案比较
方案一：
图传动方案一
如图所示，导轮由一个功率较小的电动机驱动。

运动从电机轴经过一对带轮、，挂轮、以与\的蜗杆蜗轮而传到导轮（此时离合器向上啮合）。

改变挂轮、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，可将离合器向下捏合，电动机则通过链轮、和一对螺旋齿轮、而驱动导轮。

方案二：
图传动方案二
如图所示，导轮由电机驱动。

运动从电机轴经过一对带轮、以与\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级调速的任务要求，同时省去齿轮、离合器等部件等备件。

因此，选择方案二更有利于导轮传动系统。

2.2.2 方案确定
导轮架的结构设计中使用转差离合器来达到无极调速的设计要求。

而在减速方面选用结构紧凑、传动平稳、造价低廉、不需要润滑以与缓冲的带传动。

再结合冲击载荷小，传动平稳的蜗轮蜗杆传动系统，使导轮达到要求转速。

导轮架结构设计 电动机的选择
由于现在工业上普遍使用三相交流电源，可考虑采用系列三相异步电动机。

三相异步电动机的结构简单，工作可靠，价格低廉，维护方便，启动性能好等优点。

一般电动机的额定电压为。

根据设计要求，电动机的输出功率 0.55d P kw = 选定电动机的额定功率 0.55ed P kw = 电动机转速的计算 '
''
12() 2.5101002500/min d
w n i i n r =⋅=⨯⨯= …………（）
通过以上计算，选择电动机，其额定功率为，同步转速为，满载转速为。

.1.2 运动与动力参数的计算
．分配各级的传动比
带轮传动比
11.4
i=
蜗轮蜗杆传动比
29
i=
.确定各轴转速
.确定各轴的功率和转矩
电磁转差离合器
电磁转差离合器主要由电枢与磁极两个旋转部分组成。

电枢部分与异步电动机联接，是主动部分；磁极部分与异步电动机所拖动的负载联接，是从动部分，图为电磁转差离合器的示意图。

图电磁转差离合器示意图
电磁转差离合器的电枢部分在异步电动机运行时，随异步电动机转子同步旋转，转向设为顺时针方向，转速为，见图（），若励磁绕组通入的励磁电流，电枢与磁极二者之间既无电的联系又无磁的联系，磁极与所联之负载则不转动，此时的状态负载相当于被“离开”。

若励磁电流≠，则磁极与电枢二者之间就有了磁的联系，磁力线如图（）中所示，由于电枢与磁极之间有相对运动，电枢上的绕组在磁场作用下要产生感应电动势并产生电流，对着极的绕组条的电流流出纸面，对着极的则流入纸面。

图电磁转差离合器的电磁转矩与磁场分布
电流在磁场中流过受力厂，使电枢受到逆时针方向的电磁转矩。

电枢由异步电动机拖着同速转动，就是与异步电动机输出转矩相平衡的阻转矩，磁极则受到与电枢同样大小，相反方向的电磁转矩，也就是顺时针方向的电磁转矩，在它的作用下，磁极部分以与负载便顺时针转动，转速为´，此时负载相当于被“合上”，若异步电动机旋转方向为逆时针，通过电磁转差离合器的作用，负载转向也为逆时针，二者是一致的，需注意的是：转差离合器电磁转矩的产生有一个先决条件，即电枢与磁极两部分之间有相对运动，因此负载转速´必定小于电动机转速（´，则），所谓转差离合器的“转差”就体现在这里。

带传动设计
带传动允许的传动比大，结构紧凑、传动平稳、造价低廉、不需要润滑以与缓冲、吸震、易维护，大多数带已标准化。

带传动的上述特点使它获得了广泛的应用。

1.确定计算功率
为，故：
由[]表查得，工作情况系数K
A
2.选择带的带型
根据
P、电机转速由[]图选用型。

ca
3.确定带轮基准直径
d并验算带速
d
1）初选小带轮的基准直径
d。

由[]表和表，取小带轮的基准
1d
直径
d。

1d
2）验算带速
因为5/30/m s v m s <<，故带速合适。

3） 计算大带轮的基准直径
根据[]表，圆整为2d d 。

. 确定带的中心距和基准长度d L
根据公式 初定中心距0a 。

. 计算带所需的基准长度
由[]表选带的基准长度710d L mm =。

. 计算实际中心距
中心距的变化范围为。

. 验算小带轮上的包角1α .计算带的根数
由1d d 和13000/min n r =，查[]表得0P 。

根据13000/min r n =，和型带，查[]表得0=0.03P ∆。

查[]表得0.95K α=，表得0.99L K =，于是 取根。

. 带的初拉力0F
其中 为带的线质量，由表得型 ,故 . 作用于轴上的力r F .带轮的结构设计
小带轮的基准直径为，外径为，底径为。

大带轮的基准直径为，外径为，底径为 。

.带轮的技术要求
（）轮槽工作面不应有砂眼、气孔，轮辐与轮毂不应有缩孔和较大缺陷。

带轮外缘要倒钝锐边，轮毂孔公差为或，轮毂长度下偏差为零，公差等级为。

（）查[]表带轮工作表面粗糙度为，形位公差圆跳动。

（）轮槽对称平面与带轮轴线垂直度为'30。

（）各带轮轴线应相互平行，各带轮行对应的型槽对称平面应重合，误差不得超过'20。

（）带装入轮槽前，应先调小中心距，不得强行撬入。

蜗轮蜗杆传动设计
蜗杆传动式在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错夹角可为任意值，常用。

这种传动具有传动比大，零件数目少，结构紧凑的特点，而且在传动中，由于蜗杆齿是连续不断地螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合与逐渐推出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低，因此应用颇为广泛。

.选择蜗杆传动类型
根据的推荐采用渐开线蜗杆。

．蜗轮蜗杆的材料
蜗轮蜗杆的材料不仅要具有足够的强度，更重要的是应具有良好的跑合性、减磨性与耐磨性。

蜗杆一般用碳钢或者合金钢制成，对于不太重要的传动与低速中载蜗杆，可采用和钢等，经调质硬度在。

常用的蜗轮材料为铸造锡青铜、铸造铝青铜与铸铁等，效率要求不高时，特别是要求自锁时，可采用灰铸铁，为了防止变形，一般要对蜗轮进行时效处理。

综合考虑，在本机构中蜗杆采用碳钢调质处理，硬度在，蜗轮采用灰铸铁。

．接触强度的初步运算
（1）蜗杆头数1z 和涡轮齿数2z
查[]表 选1z ，则2z 1z ⨯ …………………………（）
（2）cos γ得值
查[]表 初取 9470cos 8710γ
= …………………………（）
（3）载荷系数
按[]表的说明选取
（4）蜗轮转矩2T
21T Ti
η=，由[]表初估0.92η= （5）弹性系数E Z
由[]表查取
E Z =（6）许用接触应力HP σ
循环次数 8160/60120002143/9 1.7110L N tn i ==⨯⨯=⨯ ………（） 寿命系数 由[]图查取 0.8N Z = ()计算2m d 按[]表中公式 ()初选、值
由[]表选用 ．传动基本尺寸
（）蜗轮分度圆直径2d （）传动中心距a （）蜗杆导程角γ . 选定传动精度等级
（）蜗轮圆周速度2v （）滑动速度s v
（）精度等级 参照[]表选定： 传动 . 传动效率
（）啮合效率1η
上式中v ρ由[]表查得 '143v ρ=。

（）考虑搅油损失的效率2η 取20.97η= （）轴承效率3η
蜗杆蜗轮轴均用滑动轴承支撑 230.9850.97η==
（）传动效率 1230.910.970.970.86ηηηη==⨯⨯= …………………（） . 蜗轮接触强度校核
按[]表中的公式接触强度条件为 （）载荷系数 按[]表中的说明
A V K K K K β= …………………（）
取 1.0A K = 1.0V K = 1.0K β=
故
（）蜗轮转矩2T （）计算接触应力H σ
155H Z σ==H HP σσ<，满足接触强度条件
. 蜗轮抗弯强度校核
按[]表中的公式，抗弯强度条件为 （）齿形系数 按
2233'''
36
60cos cos 154355
n z z γ=
=≈。

…………………………………（） 由[]表查得 1.59FS Y = （）螺旋角系数Y β （）许用弯曲应力FP σ
单向传动由[]表查得 '
FP 70MPa σ=
按75.1810L N =⨯，由[]图查得 0.67N Y =
（）计算弯曲应力F σ
F FP σσ<，满足抗弯强度条件
. 其他几何尺寸计算
（）齿形角和顶隙
蜗杆，20x a =。

0.2c *=。