1、目 錄中文摘要ABSTRACT第一章 緒 論21.1概述21.2外圓磨床的發展概況和前景31.3外圓磨床典型部件的功能介紹41.3.1 機床總體布局41.3.2 主要部件結構5（1）磨床的主要部件5（2）外圓磨床外觀圖51.4課題任務和意義6第二章 數控專用磨床砂輪架設計72.1砂輪架設計要點7主軸旋轉精度及提高措施7（1）主軸旋轉精度7（2）提高主軸旋轉精度的措施8主軸系統的振動、發熱及其降低措施9（1）主軸系統的振動與發熱9（2）減小振動措施9（3）降低發熱的措施102.2主軸設計及計算10主軸強度計算校核10（1）選擇軸的材料，確定許用應力10（2）按扭矩強度估算軸的最小直徑10（3）主

2、軸砂輪上的作用力的計算10（4）主軸的結構設計10（5）校核軸的強度112.3軸承的選擇與計算13第三章 橫向進給部件設計153.1橫向進給部件的設計要求153.2橫向進給部件的機械傳動設計153.3滾珠絲杠的設計和計算16滾珠絲杠副傳動特點與應用16滾珠絲杠副的結構形式17滾珠絲杠的支承與軸承18滾珠絲杠副的選用與計算193.4直線滾珠導軌的設計與壽命計算21直線滾珠導軌的設計21直線滾動導軌的壽命計算213.5橫向進給部件裝配圖22第四章 數控專用磨床砂輪架及橫向進給部件建模234.1 SolidWorks的介紹及相關的模塊234.1.1 SolidWorks的介紹234.1.2 Soli

3、dWorks的特點244.2砂輪架及橫向進給部件的建模264.3砂輪架及橫向進給部件的裝配28第五章 SolidWorks運動仿真的簡單介紹305.1 Animator具有如下特點305.2 運動仿真的過程31爆炸視圖動畫31動畫向導32第六章 SolidWorks有限元分析346.1有限元分析方法概況346.2 有限元分析法的運用35第七章 結束語36謝 辭37參考文獻38第一章 緒 論1.1概述磨床是利用磨具對工件表面進行磨削加工的機床。大多數的磨床是使用高速旋轉的砂輪進行磨削加工，少數的是使用油石、砂帶等其他磨具和游離磨料進行加工，如珩磨機、超精加工機床、砂帶磨床、研磨機和拋光機等。外圓

4、磨床是使用的最廣泛的，能加工各種圓柱形和圓錐形外表面及軸肩端面的磨床。萬能外圓磨床還帶有內圓磨削附件，可磨削內孔和錐度較大的內、外錐面。不過外圓磨床的自動化程度較低，只適用于中小批單件生產和修配工作。 內圓磨床的砂輪主軸轉速很高，可磨削圓柱、圓錐形內孔表面。普通內圓磨床僅適于單件、小批生產。自動和半自動內圓磨床除工作循環自動進行外，還可在加工中自動測量，大多用于大批量的生產中。 平面磨床的工件一般是夾緊在工作臺上，或靠電磁吸力固定在電磁工作臺上，然后用砂輪的周邊或端面磨削工件平面的磨床；無心磨床通常指無心外圓磨床，即工件不用頂尖或卡盤定心和支承，而以工件被磨削外圓面作定位面，工件位于砂輪和導輪

5、之間，由托板支承，這種磨床的生產效率較高，易于實現自動化，多用在大批量生產中。 大型曲軸磨床工具磨床是專門用于工具制造和刀具刃磨的磨床，有萬能工具磨床、鉆頭刃磨床、拉刀刃磨床、工具曲線磨床等，多用于工具制造廠和機械制造廠的工具車間。砂帶磨床是以快速運動的砂帶作為磨具，工件由輸送帶支承，效率比其他磨床高數倍，功率消耗僅為其他磨床的幾分之一，主要用于加工大尺寸板材、耐熱難加工材料和大量生產的平面零件等。 專門化磨床是專門磨削某一類零件，如曲軸、凸輪軸、花鍵軸、導軌、葉片、軸承滾道及齒輪和螺紋等的磨床。除以上幾類外，還有珩磨機、研磨機、坐標磨床和鋼坯磨床等多種類型。我國生產的磨床走進了數字化的時代，

6、而我們的社會也早已經走入了一個信息化的社會，每天人們都要接受大量的信息和處理大量的數據，僅靠紙和筆已經不能適應這個時代的要求，人們必須采取新的手段，于是信息技術進入我們的生活，計算機不再只是簡單的計算工具，它已成為我們生活中處理大量信息和解決工作難題不可缺少的手段。一個國家要強大，要繁榮就要靠工業的發展來推動經濟的發展，而機械行業又是我國工業的中流砥柱。隨著我國機械行業的發展，機械設計必不可少而且越來越重要。設計師在對一個產品進行設計時，頭腦中的圖像“翻譯”出來，描繪到圖紙上。用它來進行指導生產和技術交流。這就是通常所說的二維工程圖紙。二位工程圖在手工和人控的機加工環境中起著重要的作用。人們一

7、直期待著能夠有一種手段，在產品正式生產前，能夠直接把頭腦重的三維圖像模擬出來，以確認設計的可靠性。傳統的方法是用模型的方法把實體實際地制造出來，既費時又費事還浪費資金。計算機的三維軟件產生，實現了設計師的這一夢想，通過它把設計師頭腦中的圖像直接仿真到屏幕上，既形象又直觀。可以說：應用三維軟件進行設計是設計師思想不經“翻譯”的直接反映，是自然的思維過程。因此，三維軟件可以進行直觀的交流，思想表達更準確、清晰。于是CAD的三維建模軟件SolidWorks就誕生了。的確，國內機床廠的圖紙大部分還是二維圖紙，無論設計者看起來、工人加工起來還是學生學起來都要有很高水平的讀圖能力，這樣便給設計和教學帶來不

8、便。然而這種時代一去再不復返了，大家也再也不用為復雜的圖紙感到困惑，是因為有了計算機，有了CAD-Computer Aided Design 即計算機輔助設計和動態仿真Dynamic Simulation。鑒于這種情況，出現問題，解決問題，也是我這次畢業論文設計的基本目的，本次畢業設計用著名CAD軟件SolidWorks來進行三維建模，使磨床的三維模型一幕了然，不僅便于理解數控磨床的功能和作用，而且便于尺寸修改和再次造型。然而設計者再設計磨床過程中使不知道生產出來的磨床是否能使用，是否完美，是否能達到精度要求，是否還有零件之間的干涉。1.2外圓磨床的發展概況和前景外圓磨床是以砂輪磨削各種軸類零

9、件外圓的磨床，是現代精密機械加工必不可少的重要設備。國外外圓磨床一般包括普通外圓磨床，萬能外圓磨床，卡盤外圓磨床，無心外圓沒出，專門外圓磨床（曲軸、凸輪、軋騉磨床），其他外圓磨床等。國外的外圓磨床生產歷史較長，使用較廣，第一臺外圓磨床由美國布朗夏普（Brown&Sharpe） 公司于1864年造出的，至今已有一百多年歷史。二十世紀七十年代以來，由于經濟危機的影響，各國外圓磨床的產量，按臺份計，一般占磨床的1525左右，產值一般占3040，但都有下降。目前生產外圓的主要國家是美國、西德、瑞士、蘇聯、日本、英國等。美國由于汽車、拖拉機、工具、宇航、電子、武器、飛機制造等工業比較發達，外援磨

10、床產值較高，制造工廠較多，偏重于提高機床效率和自動化程度。西德的外圓磨床，尤其是大型、精密、高效自動化外圓磨床都是具有世界第一流的規模和水平。瑞士的外圓磨床產量雖不多，但精度高而穩定，精密外圓磨床在世界上仍然領先，并且聲譽最高。蘇聯從1838年開始生產外圓磨床，七十年代以來，為了同美帝國爭霸，發展也很快，大部分進行了更新，水平也有很多提高。日本的外圓磨床積極引進國外名牌產品，敢于采用新技術，目前已接近世界先進水平。英國由于其生產歷史較長，產品質量較好，精度性能穩定，在世界上仍有一定地位和聲譽。七十年代以來，隨著工業的發展和科學技術的進步，各種高速、強力、寬砂輪等高效磨削方式進一步向穩固扎實方向

11、發展，各種自動數字進給、自動測量、自動修整補償、砂輪自動平衡等自動化迅速采用，以微處理器為代表的數控技術的發展突飛猛進，計算機技術、有限單元法、人機工程學嶄新技術向外圓磨床的滲透和傳統技術的結合，使外圓磨床的生產效率、自動化程度、加工精度、動態特性、操作性能、三化水平都提高到一個新的水平。目前，國內外圓磨床總的發展趨勢，主要使提高機床的效率、自動化程度和精度這三個方面：1. 提高磨床的生產效率，如正在大力發展高速磨削（60米/秒以上），強力磨削，多砂輪磨削（多至十片砂輪），寬砂輪磨削（寬達300毫米以上），衡壓力磨削和砂帶磨削的磨床。2. 提高磨床自動化程度，特別是大力發展“機械加工中心”機床

12、，數字程序控制和適應控制磨床。3. 提高磨床精度，采用靜壓、空氣軸承、靜壓導軌、微量進給等新技術。1.3外圓磨床典型部件的功能介紹1.3.1 機床總體布局1. 機床焊接式矩形床身；2. 墊板固定于后床身部；3. 工作臺置于床身的前部，V-平導軌上，由置于其下方與床身固定且與下工作臺相連的工作臺移動機構驅動實現控制運動；4. 砂輪架置于墊板之上，實現工件及其回轉運動控制；5. 頭尾架置于上下工作臺之上，實現工件定位及回轉運動控制；6. 機床操縱電箱置于機床前防護內，量儀控制箱裝入其中；7. 機床控制電箱置于機床后，輸入輸出電纜從機床內走線；8. 機床冷卻水箱置于機床左后方，主軸潤滑箱置于機床右后

13、方；9. 液壓控制油箱、導軌潤滑油箱置于機床左側。機床的總體布局關聯著機床的性能、質量和整機的合理性。此次磨床的布局考慮到以下幾個方面：(1) 保證機床的剛度、精度、抗震性和穩定性。支撐部件應力求有足夠的剛度，運動部件在不影響剛度的條件下，盡可能的做到體積小，重量輕；(2) 傳動系統力求簡短，達到結構簡單，提高傳動精度和效率；(3) 機床操作、調整要簡易，裝拆、維修要方便，排屑、冷卻要暢通，連鎖、防護要安全可靠；(4) 機床的外形輪廓應平整、大方、調和，既要排斥不求實效的追求“線型”，又要反對“粗、大、傻”的外形。1.3.2 主要部件結構外圓磨床分為普通外圓磨床和萬能外圓磨床，其中萬能外圓磨床

14、是應用最廣泛的磨床。在外圓磨床上可磨削各種軸類和套筒類工件的外圓柱面、外圓錐面以及臺階軸端面等。下圖是M1432A型萬能外圓磨床的外形圖。M1432A編號的意義是：M磨床類；1外圓磨床組；4萬能外圓磨床的系別代號；32最大磨削直徑的1/10，機最大磨削直徑為320mm；A在性能和結構上作過一次重大改進。（1）磨床的主要部件（a）床身  床身1是磨床的基礎支承件，在它的上面裝有砂輪架5、工作臺3、頭架2、尾座7及橫向滑鞍等部件，使這些部件在工作時保持準確的相對位置。床身內部用作液壓油的油池。（b）頭架  頭架2用于安裝及夾持工件，并帶動工件旋轉,頭架在水平面內可逆時針方向轉9

15、0°。（c）內圓磨具  內圓磨具4用于支承磨內孔的砂輪主軸，內圓磨具主軸由單獨的電動機驅動。（d）砂輪架  砂輪架5用于支承并傳動高速旋轉的砂輪主軸。砂輪架裝在滑鞍6上，當需磨削短圓錐面時，砂輪架可以在水平面內調整至一定角度位置（±30°）。（e）尾座  尾座7和頭架2的頂尖一起支承工件。（f）滑鞍及橫向進給機構  轉動橫向進給手輪9，可以使橫向進給機構帶動滑鞍6及其上的砂輪架作橫向進給運動。 （g）工作臺  工作臺3由上下兩層組成。上工作臺可繞下工作臺的水平面內回轉一個角度(±10°

16、)，用以磨削錐度不大的長圓錐面。上工作臺的上面裝有頭架2和尾座7，它們可隨著工作臺一起，沿床身導軌作縱向往復運動。（2）外圓磨床外觀圖1床身  2頭架  3工作臺  4內圓磨具 5砂輪架  6滑鞍  7尾座  8腳踏操縱板 9橫向進給手輪圖1-1 磨床1.4課題任務和意義通過參與上海第三機床廠數控專用磨床砂輪架部件設計工作，進一步培養綜合運用所學專業知識技能的能力，基本上能獨立地完成本項目的設計要求。通過與企業工程技術人員的密切接觸與交流，了解生產企業的設計規范，盡快適應企業對工程設計人員的要求，做到能解決實際設計生產中的遇到的各種問

17、題。要求了解和掌握現代設計技術的方法和手段及先進制造技術的發展方向。第二章 數控專用磨床砂輪架設計砂輪架（磨具，磨頭）是磨床上用來帶動砂輪作高速旋轉的關鍵部件，主要由傳動部分與主軸軸承部分組成。2.1砂輪架設計要點設計砂輪架時主要應考慮下列幾個方面的問題：主軸與軸承;軸向竄動與軸向止推；潤滑與密封；振動與平衡；發熱與冷卻；砂輪破碎與保護等。從表面上看，問題似乎很多，又各不相同，實際上它們之間是有內在聯系的。整體設計過程，就是如何使這些問題在一只砂輪架上得到比較合理的解決。主軸與軸承是砂輪架的關鍵部分，因此對砂輪架設計提出的基本要求主要也是針對主軸軸承部分的。 砂輪架設計應滿足下列四點基本要求：

18、（1） 主軸旋轉精度高且穩定；（2） 主軸軸承系統剛性好；（3） 振動小，發熱低，不漏油；（4） 制造裝配簡單，調整維修方便。 2.1.1主軸旋轉精度及提高措施（1）主軸旋轉精度砂輪架旋轉精度是指主軸前端的徑向跳動和軸向竄動大小，它直接影響工件的表面光潔度和表面缺陷，如直波形和拉毛等。外圓磨床砂輪架（磨頭的徑向，軸向跳動允差：0.005-0.010毫米。（2）提高主軸旋轉精度的措施1.選擇合適的主軸軸承：由于砂輪架主軸轉速很高，且不需要經常變速，故目前絕大部分使用滾動軸承。一般根據主軸前端要求的徑向和軸向跳動允差，選取“”級或更高的“”級精度。這里我采用了兩對角接觸球軸承，因為角接觸球軸承即能

19、承受徑向力又能承受軸向力及通過軸向移動內外圈來調整間隙實現預緊外，還能達到較高的轉速。此外，在安裝時采用了背對背的排列方式。這樣軸承的接觸角線向外擴散，加大了支撐寬度，較穩定，剛性好。當轉速較高時，內圈的軸向伸長量比外圈大，背對背排列不會因此增加軸承的負載，從而保證了軸承的正常運轉。2.提高主軸的加工精度：主軸本身的加工精度，對旋轉精度有直接的影響，因此必須規定合理的技術要求。砂輪主軸除其主要尺寸有配合公差要求外，應規定主軸軸頸的幾何形狀允差（圓度及圓錐度誤差）；前、后軸頸與前端定心錐面的同軸度誤差；軸肩軸向支承面與軸頸中心線的垂直度誤差等。一般精度外圓磨床砂輪架的主軸軸頸圓度、圓錐度誤差：0

20、.0020.003毫米，前、后軸頸與前端錐面的跳動誤差和軸肩與軸頸中心線的垂直度誤差：0.003-0.005毫米。圖2-1：砂輪架主軸3.正確選擇主軸軸向止推形式：主軸軸向止推可分為單向。雙向兩種。雙向止推支承一般安裝在主軸前軸承的外側，由套及壓緊環靠主軸軸肩兩端，磨制中間調整墊圈，保證留0.01毫米間隙。這種結構能承受兩個方向的軸向力，且在很大軸向力的情況下能獲得較好的軸向定位精度，但制造、裝配與調整比較復雜，一般用于需要雙面磨削的大型機床。單向止推支承裝在前、后軸承外側。改善了上述缺點，還減小了砂輪中心至前軸承中心的距離，提高剛性。所以我選用了單向止推形式。4.采用提高旋轉精度的其他措施：

21、皮帶輪不直接裝在主軸上，而裝在單獨的支架上，并采用花鍵、平鍵或其他方式帶動主軸旋轉。因此我采用了卸荷皮帶輪，雖然結構上比較復雜，但這樣減少了主軸變形和軸承受力。如圖：2-2圖2-2 卸荷機構主軸系統的振動、發熱及其降低措施（1）主軸系統的振動與發熱由于砂輪主軸作高速旋轉，所以振動和發熱對砂輪架正常工作影響較大。振動會影響磨削工件表面光潔度，產生直波形缺陷，而且會使磨床精度很快喪失。 圖2-2 卸荷機構砂輪架的發熱，會使砂輪主軸膨脹、伸長、位移，使工件產生幾何形狀誤差，嚴重的將直接影響砂輪主軸的正常工作以至發生“抱軸”現象。砂輪架一般要求正常運轉2-4小時后，溫升，不大于20。（2）減小振動措施

22、主軸軸承系統的振動，一般分強迫振動和自激振動兩種。強迫振動是外界干擾力引起的，因此他的振動頻率和外界干擾里的頻率相等（或是其倍數）；自激振動是運轉或磨削過程中本身所引起并維持的振動。 由于砂輪和高速旋轉零件的不平衡，傳動砂輪的電動機不平衡，傳動皮帶長短不一致等，都會引起砂輪對工件的強迫振動，可采取下列相應措施來減小振動：（a）靜平衡砂輪，使砂輪在平衡架上任意轉動一個角度都能靜止下來，或采用砂輪自動平衡裝置;（b）對傳動砂輪的電動機進行平衡，最好將電動機連同皮帶輪一起進行整機動平衡（c）電動機底座與砂輪架之間用硬橡皮、木板或其他吸振材料隔振；（d）避免在主軸上裝不對稱零件，如銷子、鍵等。主軸上高

23、速旋轉的零件的材質要均勻，尺寸要對稱；（e）三角皮帶要選長短、厚薄均勻，在功率允許的情況下減少皮帶根數。高精度、高速度，宜采用皮帶、絲織帶或棉綸帶。為了減小磨削時的自激振動，應選用合適的砂輪和磨削用量。（3）降低發熱的措施砂輪架在滿足主軸剛性的條件下，選用粘度比較低的潤滑油。一般滾動軸承的砂輪架采用油浸式潤滑，油池應考慮有適當容積，使油溫不至于太高。2.2主軸設計及計算 2.2.1主軸強度計算校核（1）選擇軸的材料，確定許用應力主軸的材料為45鋼，調質處理，查書<機械設計基礎>表13-1可知: 650MP =360 MP 查表13-6可知： =102 MP =60 MP =215

24、MP （2）按扭矩強度估算軸的最小直徑砂輪架的主軸與電動機直接相接，由于是高速軸從機構要求考慮，輸入端軸頸應最小。最小直徑為：d （2-1） 式中C為軸的材料和軸承情況有關的系數；P為軸的傳遞的功率（kW）；n為軸的轉速（r/m）；查表13-5可得，45鋼取C=118，則d 118 × mm = 16.3 mm取最小直徑d=17mm。（3）主軸砂輪上的作用力的計算砂輪所受的轉矩為:T = 9.55 × 10 P/n = 9.55 × 10 × 0.75/280 = 25580 N·mm （2-2）砂輪的作用力：圓周力：F=2T/d=2×

25、;25580/90=568N徑向力：F=433N軸向力：F=352N（4）主軸的結構設計主軸結構設計時，需同時考慮軸系中相配零件的尺寸以及軸上零件的固定方式，按比例繪制結構草圖。（1）確定軸上零件的位置及固定方式。將左、右彈簧座布置在箱體的中間部分，軸承對稱布置在彈簧做的兩邊，軸外伸的端安裝砂輪和帶輪。 主軸帶輪靠錐度和螺母實現軸向定位和固定，靠莫氏錐度配合實現周向固定；兩端軸承靠套筒、軸肩來實現軸向定位，靠過盈配合實現周向固定；主軸通過兩端軸承端蓋實現軸向定位；砂輪安裝在砂輪罩中，砂輪罩靠軸肩、平鍵和過盈配合分別實現軸向定位和周向固定。（2）確定各段軸的直徑。將估算軸徑d=8mm作為外伸出端最小直徑,由于要與帶輪相配，故選取d1=20mm。考慮到主軸帶輪用錐度實現軸向定位，取第二段直徑為d2=25mm, 右彈簧座和右端軸承從左側裝入，考慮裝拆方便及零件固定的要求，裝軸承處軸徑d3應大于d2，考慮滾動軸承直徑系列，取d3=35mm.為便于彈簧座的拆裝，與彈簧座配合處軸徑d4應大于d3，取d4=42mm。d5是安裝左側軸承，根據選定軸