双端面磨床说明书

毕业设计任务
设计一台精密双端面磨削机床，其具体要求如下：
1）操作性：
A.结构紧凑、搬运灵活、方便。

B.操作人员只要稍加培训就可熟练的进行操作。

2）经济性：
A.成本应比较低。

3）功能性：
A.能利用不同的夹具加工各种小型刀片、密封件几精密钢质零件。

B.加工工件时具有比较高的生产效率，磨削时间极短。

C．利用极强的刚性保证极高的形状及尺寸精度。

4）机床的性能要求：
磨削主轴单元
进给轴：
A.行程……………………200mm；
B.速度…………………………-16mmmin；
C.分辨率……………………1μm；
磨削主轴：
A.数量………………………………2；
B.磨削主轴直径…………………………210mm；
C.驱动功率…………………………26KW；
D.旋转速度…………………………0—1145r/min；
E.砂轮直径…………………………500mm；
工件台：
摇摆轴：
A.行程…………………………60mm；
J.分辨率…………………………5μm；
毕业设计背景[1][2][3]
随着工业生产和科学技术的迅速发展，各种硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷刀片，小型密封件及精密钢质零件对形状和尺寸精度，生产效率等的要求越来越高。

双端面磨削是一种高效率的加工方法，在轴承、汽车、拖拉机等大量生产的工业部门得到广泛的应用。

双端面磨床是一种高效率的平面磨床，它可以在一次行程中加工出两个具有一定精度及表面光洁度要求的平行端面。

机床本身的自动化程度很高，一般一小时可以加工出数千工件。

双断面磨床可分为卧轴双端面磨床和立轴双端面磨床。

双端面磨床经常用来加工活塞销、活塞环、十字轴、三销轴、进排气阀座、制动件、手工工具、轴承环、垫片、纺绽轴承、滚柱、各类排档的锥塞、冰箱压缩机阀件、滚动活塞以及电子工业的磁钢等。

端面磨床相对于车床、铣床等采用数控系统较晚，是因为它对数控系统的特殊要求。

近十几年来，借助CNC技术，磨床上砂轮的连续修整，自动补偿，自动交换砂轮，多工作台，自动传送和装夹工件等操作功能得以实现，数控技术在平面磨床上逐步普及。

近来国内大型机床展览会上，CNC磨床在整个磨床展品中已占大多数，全功能CNC平磨，已经成主流，在开发高档数控平磨的同时，开始积极发展中、低档数控平磨。

数控磨床行业独特需求，机床生产厂也积极开发机械部分，对磨床的数控系统，提出独特控制要求。

当连接上一个合适的测量头时能直接去控制装置与最终尺寸进行比较。

强化固定磨削方法：根据磨削零件不同形状，有四种不同的磨削方法，具有砂轮轴角度倾斜控制功能，荒磨、粗磨、精磨、
无火花磨削一整套磨削循环，砂轮修整补偿功能，修整器相对于被修整轮法线方向控制功能，修整滚轮外缘圆弧半径补偿功能，系统分辨率可设定为μm。

平磨制造厂自行开发软件，使用之更适合平面和成型磨削，如德国JUNG公司，采用该公司专用软件，用JUNGKONTUR编程语言对砂轮进行成型修整，工具磨床并有图形辅助操作功能。

日本冈本公司开发了OPL语言用于磨削加工，等等。

直线电机、动平衡等技术、工艺的日益发展，又大大提高了机床的工效，适宜的测量技术应用对数控系统的开发利用。

我国目前在双端面加工机床方面已经有所成就，但和西方发达国家相比任有很大的差距，我们的加工精度还远远落后人家。

日本、瑞士、德国等国家目前已经有商品化的高精度双端面加工机床。

西方国家为了保持在制造技术上的优势，仍然将双端面加工机床及其关键技术作为重要战略物资与技术，对我国实行严格的技术禁运。

因此，我国发展精密双端面加工技术的唯一出路，就是坚持自主创新、自主研发，力争掌握一大批精密双端面加工的核心技术，研制出拥有自主知识产权的、商品化、系列化的精密双端面加工设备。

本课题“精密双端面磨床”就是在以上背景下提出的。

课题研究内容
1、对精密双端面磨床的整体布局分析和研究，完成整体布局的设计。

2、根据加工内容的要求，设计相关附件及合理的动作方案。

3、完成传动总体方案的研究和主轴设计。

4、采用工程软件AUTO CAD 进行二维工程图的绘制。

5、部分相关外文文献翻译。

第二章方案的拟定与选择
总体方案拟定[4][5][6]
2.1.1 方案简述
设计原则：
1．在速度和精度方面达到国际同类型同规格产品的先进水平；
2．高刚性结构设计，保证机床设计寿命长；
3．高效率设计，满足现代高生产率的要求；
4．注重环保。

根据精密双端面磨削加工机床应实现的功能，根据机械原理、机械设计的有关知识，在观察相关产品的布局之后，设计了一下四种方案：
方案一：立式床身双端面磨削，直线式送料装置。

方案二：立式床身双端面磨削，旋转式送料装置。

方案二：卧式床身双端面磨削，直线式送料装置。

方案二：卧式床身双端面磨削，旋转式送料装置。

这两种方案的区别主要在于机床结构布局形式以及工件的送料装置是直线式还是旋转式。

2.1.2分析选择：
（1）对于常用端面磨削和双端面磨削：
长期以来，工件端面的磨削方式大都采用贯穿式磨削或单磨头平面磨削。

贯穿式磨削是工件通过两个相对旋转的砂轮端面对套圈端面进行磨削，从而磨出相互等高的两个平面，这种磨削方式生产效率高，生产成本低，但加工工件的端面尺寸精度一般，满足不了精密级工件加工精度的要求。

单面磨削是把多个工件一
起放到磁盘上单面磨削后，将工件翻转后进行另一面的磨削，这种加工方式主要是靠操作者手工上、下料，每次都需调整砂轮进给量，加工出的工件高度尺寸离散性大，生产效率及产品质量相比贯穿式磨削更差。

双端面磨削通过旋转式或直线式送料盘上、下工件，其加工出的工件双端面的尺寸精度和几何精度都能达到P2及以上，工件精度要明显高于常用两种磨削方式。

（2）对于机床主轴安装方式
立式床身有以下优点：工件装夹稳定，刀台刚性高，加工精度高。

缺点是：由于重力影响，排屑较卧式结构困难。

图2-1 立式机床主轴结构图
卧式床身则有以下优点：排屑效果好，便于深孔加工。

缺点是：承载能力低，刀台刚性较差，大进给容易影响导轨的精度，而且工件容易因为导轨变形的影响而降低加工精度。

图2-2 卧式机床主轴结构图
（3）对于送料装置
直线式和圆盘式送料装置都能满足工件加工精度的要求，直线式送料装置占据的空间较小使整个机床的结构更加紧凑，圆盘式送料装置占据的空间较大。

综上所述，综合考虑所设计的机床的加工精度要求及机构特点选择第一种方案：立式床身双端面磨削，直线式送料装置。

这种结构适用于大批量小型零部件表面的磨削加工。

本机床采用立式布局，上下磨头垂直放置，位于同一中心线上。

工作时，通过直线送料装置将工件送至两个砂轮中间，同时磨削工件的两端面，使机床具有很高的生产效率。

机床具有良好的结构刚性，砂轮为CBN砂轮，根据需要，砂轮工作表面可以修整，砂轮运转平稳，可以提高工件的磨削质量。

机床采用数控系统，控制两个步进电机，控制上下砂轮，完成轴向进给运动。

磨削主轴进给系统方案拟定[7][8]
2.2.1方案比较
（1）齿轮齿条进给
这种方案，利用步进电动机或者伺服电动机驱动齿轮，进而齿轮驱动齿条带动磨头来轴向的进给。

（2）滚珠丝杠螺母副进给
这种方案是目前大多数双端面磨削机床的解决方案，选择外购的API和PMI 公司生产的分辨率达到5000/步和导程为5mm的滚珠丝杠副，通过与螺母连接的工作台，进而带动安装在工作台上的磨头，完成轴向进给。

（3）直线电机进给
随着直线伺服进给技术的不断发展，直线电机技术渐渐成熟，他可以提供更快的反应速度和极高的运动精度，加速度可达20g以上。

该方案直接将磨头安装
在直线电机拖动的工作台上，进而完成进给。

2.2.2分析选择：
齿轮齿条在啮合过程中会出现回差（主动轮空转的转角和对应的从动轮的滞后转角之差），所以很难实现小分辨率，不能达到要求的精度。

滚珠丝杠副进给拥有定位准确，传动效率高运动平稳，可靠性高，成本低，技术成熟等优点，但是反应速度较慢，而且精度相较于第三种方案略低，因为主轴进给对速度没有太高的要求，而且通过选择精密等级的滚珠丝杠螺母副并将滚珠丝杠螺母副与交流伺服电机结合使用，可以达到要求的精度。

直线电机进给拥有很多有点，反应速度快，运动精度高，但因为是一种新技术，价格较其他三种方案高，不利于控制成本。

综上所述，本文设计的机床采用了第二种方案——滚珠丝杠螺母副。

磨削主轴方案拟定[9][10][11]
2.3.1方案简述
（1）电主轴转动
电主轴是电动机的转子直接作为机床的主轴，主轴单元的壳体就是电动机机座，并且配合其他零部件，实现电动机与机床主轴的一体化。

目前，随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。

电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。

图2-3 电主轴结构原理图
（2）电机通过同步带带动主轴转动
图2-4 电机通过同步带带动主轴转动
带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，在近代机
械传动中应用十分广泛。

摩擦型带传动能过载打滑、运转噪声低，但传动比不准确（滑动率在2%以下）；同步带传动可保证传动同步，但对载荷变动的吸收能力稍差，高速运转有噪声。

带传动除用以传递动力外，有时也用来输送物料、进行零件的整列等。

综上所述，根据所设计的机床的精度及结构等方面的要求，本机床的设计采用电主轴传动。

工作台系统拟定
2.4.1 方案简述
（1）工作台进给
通过轴向进给的分析，结合工作台安装摇摆轴装置及系统摇摆轴分辨率的要求，工作台反应速度的要求，可以选择滚珠丝杠螺母副的方案。

其中丝杠精度选择导程为5mm的精密丝杠，并与交流伺服电机配合使用，即可达到满足要求的定位精度。

（2）摇摆轴结构设计
摇摆轴由曲柄滑块机构实现。

曲柄滑块机构常用于将曲柄的回转运动变换为滑块的往复直线运动；或者将滑块的往复直线运动转换为曲柄的回转运动。

曲柄滑块机构具有运动副为低副，各元件间为面接触，构成低副两元件的几何形状比较简单，加工方便，易于得到较高的制造精度等优点，因而在各类机械中得到了广泛的应用，如自动送料机构、冲床、内燃机、空气压缩机等。

图2-5 曲柄滑块机构原理图
本章小结
对于机床的总体设计，主轴的轴向传动系统，工作台进给系统，磨削主轴系统设计都提出了不同的方案，通过对多种方案优劣的比较，选取了其中更为适合的解决方案。

即采用立式床身，主轴轴向采用滚珠丝杠螺母副进给传动系统，工作台采用滚珠丝杠螺母副及摇摆轴共同组成传动方案，磨头的转动采用电主轴。

第三章 磨削主轴机械结构的设计与计算
总体设计原则[4][12]
（1）注意零件的互换性，多用标准化、通用化部件。

（2）注意零件的可靠性，多选用强度高、满足设计要求的零部件。

（3）选用零部件时，精度应当满足设计要求。

（4）在满足设计要求的条件下，尽量采用低摩擦的传动和导向元件，尽量消除传动 间隙，提高系统刚度
磨削主轴设计计算[6][13][14][15]
3.2.1磨削主轴系统的参数
（1） 主传动功率
机床主传动的功率P 可根据切削功率
c P 与主运动传动链的总效率η来确定
ηc P P = （3-1） 双端面磨床的切削功率
c P 可根据有代表性的加工情况进行选择，由其主切削
力z F 按下式来确定 ()kW Mn v F P z c 6500060000== （3-2） 式中 z F ——主切削力的切向分力，N ；
v —— 切削速度，m/min ；
M ——切削转矩， N ·cm ；
n ——主轴转速，r/min ；
主传动的总效率一般为0.950.98η=-。

（2）电机功率的确定
选择双端面磨床加工硬质合金刀片。

圆周力 F F F c c c c C x y n c F p
c F F C a f v K = （3-3） 功率 60000c c F v P = （3-2） c F C ——取决于工件材料和切削条件的系数；
,,c c c F F F x y z ——公式中背吃刀量p a 、进给量f 和切削速度c v 的指数；
c F K ——当实际加工条件与求得经验公式的试验不同时，各种因素对切削力
的修正系数。

3.2.2磨削主轴结构
主轴是直接体现机床性能的关键部件。

并联运动机床大多数采用内装变频电动机的主轴部件。

它是一种机电一体化的功能部件，其电动机转子与主轴是一体的，无需任何机械连接。

改变供电的频率，就可实现主轴调速。

3.2.2.1主轴类型的选择[16]
方案一：具有滚动轴承的电主轴
具有滚动轴承的电主轴，价格较为低廉，使用维护方便，是并联运动机床设计首选的主轴部件。

该类主轴电动机的转子和主轴连成一体，前后轴承皆采用双排径向止推滚动轴承。

标准配置时，轴承润滑采用高压油雾润滑系统，但在降低最高转速时，也可以选用油脂润滑。

轴承的密封采用空气迷宫间隙密封。

方案二：具有静压轴承的电主轴
具有静压轴承的电主轴结构紧凑，动、静态刚度较高。

特别在采用自动液压刀具夹紧机构时，可以利用同一能源，是一种值得考虑的方案。

它的主要缺点是
价格较高，使用维护较为复杂。

方案三：具有磁浮轴承的电主轴
磁浮轴承的电主轴具有一系列的优点：
（1）具有较高的转速和较大的功率；
（2）转动时能够自动平衡，没有振动；
（3）磁浮轴承不用润滑，无需维修，寿命无限长；
（4）刚度较高，特别是主轴在高速运转时；
（5）具有过程监控和力测量传感器。

磁浮轴承电主轴采用高压水冷，以保证电动机和磁浮轴承的稳定性。

磁浮轴承电主轴除了磁浮轴承外，前有还有一对辅助的滚珠轴承。

它与壳体之间有一定的间隙，主要不是用于承受载荷，而是用作辅助支撑，以增加主轴工作的安全性。

磁浮轴承电主轴具有恒转矩特性。

方案四：具有双电动机的电主轴
为了缩小高频电主轴的尺寸，改善它的电功率—转速特性，可以将高速小转矩和低速大转矩的负载特性分别由两个电动机来承担。

综合考虑本加工中心的实际情况，精度要求为0.001mm，在达到该精度要求的前提下，采用具有滚动轴承的电主轴最为经济合理，故本加工中心选用具有滚动轴承的电主轴。

3.2.2.2滚动轴承的选择
主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。

为了实现双端面磨床主轴的高刚性，选用陶瓷轴承。

陶瓷轴承是指轴承滚动体是用陶瓷材料制成，而内外圈则仍用轴承钢制造。

陶瓷材料为高密度热压氮化Si N）。

之所以选用陶瓷作为滚动体，主要因为它有以下特性：
硅（
34
（1）重量轻，是轴承钢的40%；
（2）热膨胀系数小，是轴承钢的25%；
（3）弹性模量大，是轴承钢的倍。

所以它具有离心力小，动摩擦力小，预紧力稳定，弹性变形小，刚度高的优
点。

转速愈高，则由滚动体引起的离心力和惯性力华裔亦随之增高。

采用陶瓷滚动体可以大大减少离心力和惯性华裔，有利于进一步保证主轴刚性。

目前还存在价格昂贵和有关寿命、可靠性的试验数据尚不充分等问题，还需要进一步试验和完善。

但是，陶瓷轴承的优越性是不容置疑的，而且已经用于正式产品的机床上。

3.2.2.3主轴的材料及热处理
评价和考虑主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。

主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性、热处理变形大小等因素确定。

主轴的刚度与材料的弹性模量E 有关，钢的E 值较大
（27/101.2cm N E ⨯=左右），所以主轴材料选用钢料。

钢的弹性模量E 的数值与
钢的种类和热处理方式无关，即不论是普通钢或合金钢，其弹性模量基本相同。

因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢（如45钢），只有在载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密机床主轴需要减少热处理后的变形时，或者轴向移动的主轴需要需要保证其耐磨性时，才考虑选择合金钢。

当主轴轴承采用滚动轴承时，轴颈可以不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，不少45钢主轴轴颈仍进行高频淬火（48-54HRC ）。

当采用滑动轴承时，为减少磨损，轴颈表面必须有很高的硬度。

因此通常在轴颈处进行高频淬火；对大直径主轴也可用火焰淬火来提高其表面硬度；对受较大冲击的主轴，可用15或20钢，并在轴颈表面渗碳、淬火及回火。

主轴材料常采用的有45钢、GCr15等，需经渗氮和感应加热淬火。

机床主轴常用的材料及热处理要求，参见下表
表3-1 主轴常用的材料及热处理要求
综合以上论述主轴材料选择38CrMoAlA，热处理采用氮化处理850～1000HV。

磨削主轴进给系统设计计算
3.3.1零部件选择[13]
3.3.1.1 电机的选择
双端面磨床加工工件时，磨削主轴进给的工作丝杠螺母副是垂直安装的，其要求的主轴进给分辨率要达到1微米，交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证，具有控制精度高，矩频特性好，具有过载能力，加速性能好等优。

长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。

但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。

换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。

而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。

在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪～70﹪。

综上所述，决定选用交流伺服电机。

3.3.1.2 传动部件的选择
滚珠丝杠副的选择在前面的方案分析中已经做过介绍。

选择滚珠丝杠螺母副完成系统的进给。

3.3.1.3 导向部件的选择
由于双端面磨床加工时的定位精度要求很高，，所以这里选用滚动直线导轨，它主要有下列优点：
(1)摩擦系数小摩擦系数一般小于，运动灵活
(2)摩擦力小，故而驱动功率也相应减小
(3)动静摩擦系数基本相同，随动性好，可提高系统的响应速度和灵敏度
(4)运动速度高，瞬时可达普通直线导轨的10倍以上。

(5)定位精度高，重复精度也高，运动平稳，微量移动准确；
(6)寿命长使用耐磨材料制作，摩擦小，精度保持性好。

成对使用导轨副时，由于误差均化效应，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。

3.3.1.4 交流伺服电机与丝杠的连接方式
由于交流伺服电机要求的分辨率很高，且交流伺服电机和丝杠之间的传动必须精确，以达到主轴进给的精度要求，所以步进电机和丝杠之间采用联轴器直接连接。

这里我们选用了膜片式联轴器，因为它具有以下优点：
(1)膜片联轴器使用寿命长，一般是齿轮式联轴器的五倍左右。

(2)膜片联轴器不存在径向间隙问题，旋转间隙很低，精度更高。

(3)结构紧凑，强度高。

(4)不受温度和油污影响，具有耐酸、耐碱、防腐蚀的特点，适用于高温、高速条件下的轴系传动。

(5)膜片联轴器与齿式联轴器相比，没有相对滑动，不需要润滑、密封、无噪
声。

3.3.2零部件设计校核
3.3.2.1 交流伺服电机设计校核[5][13]
(1)工作机输入功率的计算
磨削主轴和主轴工作台的重量大约为50Kg，主轴工作台与滚珠导轨之间的
摩擦系数为
所以工作台所受的摩擦力问为
509800419.6w f F W μmg μ..N ====⨯⨯= (3-4)
主轴工作台转矩的计算：
L T =19.6519.522081
sp
s ft N mm πηi π.⨯==⋅⨯⨯⨯⨯⨯ (3-5) 由于主轴工作台丝杠的最高速度为160/min cm ，即/m s
取w η为
可以算得
w P =1000w w w F v η=19.60.0310000.97
⨯⨯== (3-6)
(2)电动机所需的输出功率0P 的计算
查《机械设计手册》可知：
0.995η=联轴器 0.99η=滚动轴承
=ηηηηη联轴器滚动轴承滚动轴承滚动轴承 (3-7)
=0.9950.990.990.99⨯⨯⨯
=
0P 0.61P =0.632()0.965
w
W η== (3-8) 查机械设计手册，根据以上算得的数据，选择合适的交流伺服电机。

3.3.2.2 丝杠螺母副的设计校核[13][17]
(1) 计算最大工作载荷Fm
考虑导轨滑动摩擦系数为，已知工作行程轴向负荷490N ，占工作时间的85%，
快进快退行程轴向负荷490N ，占工作时间10%，加工过程短路快速回退轴向载荷490N ，占工作时间的5%。

工作台工进速度0.27mm/s,快进快退速度为4mm/s,快速回退速度为8mm/s 。

工作台所带主轴本身的负载为：
W=50Kg*Kg=490N
此时工作台所受的合力
F=W =490N
丝杠转速计算
1n =h P r
V 11⨯=02715.mm /s r mm ⨯=s=min
2n =h P r
V
12⨯=415mm /s r
mm ⨯=s=48r/min
3n =h P r V 13⨯=815mm /s r
mm ⨯
=s=96r/min
滚珠丝杠等效转速
m n =1001001003
32211q n q n q n ++ (3-9)
=×+48×+96×
=min
滚珠丝杠等效载荷
13
3
31
1
2
2
13
()100100100
490 3.2408512.354480112.3549600512.354490/m m m m /n q n q n q F F n n n (./././)N
=⨯⨯+⨯+⨯=⨯⨯+⨯+⨯= (3-10)
(2) 计算最大动载荷ae C ：
ae C = 3
61060m h n T ⨯⨯×)f f f /(f F f k a h t m w ⨯⨯⨯⨯ (3-11) 式中：
w f ：滚珠丝杠的负荷性质系数，按一般运转取w f 1～；
h T ： 寿命，以106为单位。

m n ：丝杠等效转速
t f : 温度系数 ,t f =1
k f : 硬度系数 ,k f =
a f : 精度系数 ,a f =1
h f :可靠性系数,h f =1
由上面的式子可以得到：
ae C = 3
61060m h n T ⨯⨯×)f f f /(f F f k a h t m w ⨯⨯⨯⨯ (3-11)
490/（1×1××1） =1764N
(3) 滚珠丝杠螺母副的选型：
由上面所计算的参数计算可以选择PMI 公司的型号为R32-05B2-FSIC 的内循环滚珠丝杠，其结构简图如图3-3所示。

该滚珠丝杠的0C =19404N,a C 0=59976N,c K =588N/µm,螺母长度L=62mm ，螺母外径1D =48mm,导程为h P =5mm,螺纹长度300mm ，两端安装轴承处D 分别为30,25mm 。

另外由于这是一个企业标准化的丝杠，为配合其他与丝杠相关的配套零件，该丝杠的轴端位置经过加工，以安装配套轴承座。

所以该丝杠的余程，全长不符合标准，可根据客户要求生产相应尺寸的零件。