气缸体专用平面磨床设计

气缸体专用平面磨床设计第 1章 绪论1.1 磨床的类型与用途1.1.1 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 [1] 。

磨床种类很多，主要有：平面磨床、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 [2] 。

对平面磨床来说，又可分为普通平面磨床、万能平面磨床、无心平面磨床、 宽砂轮平面磨床、端面平面磨床等。

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35m/s左右，目前已向200m/s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）磨床通常是由电动机—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-工件等部分组成 [1] 。

1.1.2 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 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，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于1um，轴向圆 跳动应限制在（2-3）um以内。

（2）低速进给运动的稳定性。

由于砂轮的修整导程要求（10-15）mm/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。

1.1.3 平面磨削和端面平面磨床（1）平面磨削在平面磨削过程中，工件是安装在两顶尖的中心之间，砂轮旋转是引起切削 旋转的主要来源和原因。

基本的平面磨削方法有两种，即横磨法磨外圆和纵磨法 磨外圆，如图1－1和图1－2所示。

事实上，平面磨削可以通过其他以下几种方法来实施。

1）传递方法：在这种方法中，磨削砂轮和工件旋转以及径向进给都应满足 所有的整个长度，切削的深度是由磨削砂轮到工件的纵向进给来调整的。

2）冲压切削方法：在这种方法中，磨削是通过砂轮的纵向进给和无轴向进 给来完成的，正如我们所看到的，只有在表面成为圆柱的宽度比磨削轮磨损宽度 短时，这种方法才能完成。

图 1.1 横磨法磨外圆图 1.2 纵磨法磨外圆3）整块深度切削方法：除了在磨削过程中，要进行间隙调整外，这种方法 与传递方法很相似，同时这种方法具有代表性，除了磨削短而粗的轴。

（2）端面平面磨床及其特点端面平面磨床是平面磨床的一种变形机床， 它宜于大批量磨削带肩的轴类工 件，有较高的生产率。

它的特点如下：1）这种磨床的布局形成和运动联系与平面磨床相似，只是砂轮架与头架， 尾架中心连线倾斜一角度（通常 10°，15°，26.23°，30°，45°），如图 1尾架中心连线倾斜30°。

－3所示，数控端面平面磨床MKS1632A的砂轮架与头架，为避免砂轮架与工件或尾架相碰，砂轮安装在砂轮架的右边，从斜向切入，一次 磨削工件外圆和端面。

2）由于它适用于大批量生产，所以具有自动磨削循环，完成快速进给（长 切入）-粗磨-精磨-无花磨削。

由定程装置或自动测量控制工件尺寸。

3）装有砂轮成型修整器，按样板修整出磨削工件外圆和端面的成型砂轮， 为保证端面尺寸稳定及操作安全，一般具有轴向对刀装置。

图 1.3 砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜一角度1.2 磨床的现状及其发展趋势随着机械产品精度、可靠性和寿命的要求不断提高以及新型材料的应用增 多，磨削加工技术正朝着超硬度磨料磨具、开发精密及超精密磨削（从微米、亚 微米磨削向纳米磨削发展）和研制高精度、高刚度、多轴的自动化磨床等方向发 展 [4] ，如用于超精密磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均半径可小至4μm、 磨削精度高达 0.025μm；使用电主轴单元可使砂轮线速度高达 400m/s，但这样 的线速度一般仅用于实验室，实际生产中常用的砂轮线速度为（40－60）m/s； 从精度上看，定位精度＜2μm，重复定位精度≤±1μm 的机床已越来越多；从 主轴转速来看，8.2kw 主轴达 60000r/min，13kw 达 42000r/min，高速已不是小 功率主轴的专有特征；从刚性上看，已出现可加工60HRC硬度材料的加工中心。

北京第二机床厂引进日本丰田工机公司先进技术并与之合作生产的GA（P） 62－63 数控外圆/数控端面平面磨床，砂轮架采用原装进口，砂轮线速度可达 60m/s，砂轮架主轴采用高刚性动静压轴承提高旋转精度，采用日本丰田工机公 司 GC32－ECNC 磨床专用数控系统可实现二轴（X 和 Z）到四轴（X、Z、U 和 W） 控制。

此外，对磨床的环保要求越来越高，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩 壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。

大量的工业清洗机和切削液处理机系统 反映现代制造业对环保越来越高的要求。

1.3 本课题的设计目的和意义设计目的：发动机气缸体对其平面度要求十分严格，用专用磨床加工可确保 其加工质量。

设计意义：气缸体作为重要的工艺要求精密的零部件，其外表面的粗糙度一 直是制约产品质量的一个瓶颈问题， 如何能使气缸体的表面粗糙度和平面度达到 技术要求，因此设计一台用于气缸体表面加工用的专用磨床。

第 2章 总体结构设计2.1 基本参数和设计内容根据设计任务书，本气缸体专用平面磨床的设计基本参数如下。

电动机功率：2.8kW主轴转速：2800rpm磨头行程：垂直方向260mm，纵向840mm磨削头砂轮直径：250mm该磨床的总体设计包括如下主要内容:（1） 系统设计包含数控装置的功能设计、元件和部件设计,程序段格式设计及系统的总体 设计。

（2） 逻辑设计包含运算器设计、控制器设计及电路设计。

（3） 机床主机的结构设计。

本次设计主要对总体结构进行设计。

2.2 磨床总体设计（1）加工零件的工艺分析（表面形状，尺寸，材料，技术条件，批量，加 工余量等）；（2）调查研究和比较国内外同类机床，经验总结，进行改革创新；（3）图纸设计（总图，部件装配图，零件图，工艺卡，目录，标准件，外 购件目录，铸件，锻件目录，说明书，装箱单，合格证）；（4）制造，装配，调试；（5）小批量生产，设计改进。

2.3 总体设计注意事项（1）保证机床满足加工精度要求，刚性、稳定性好；（2）传动系统力求简短；（3）操作调整方便；（4）安全保护，冷却液供给，回收，废渣的排除。

第 3章 磨床总体布局设计3.1 加工零件发动机气缸体对其平面度要求十分严格，用专用磨床加工可确保起加工质 量。

气缸体材料为45#、40cr、球墨铸铁等；3.2 初步估计组成部分磨床的主要组成包括：a.床身；b.工作台面；c头架；d尾架；e砂轮架；f 修整器；g 测量装置；h 砂轮进给电机；I 修整器进给电机；j 电器框；k工作 台进给电机；l 工件旋转电机；m 润滑冷却装置；n数控装置。

3.3 总体布局初步设计确定初步设计方案如下。

（1）T型床身；（2）工作台移动；（3）工作台型面采用倾斜10°的型面；（4）砂轮架主轴与床身导轨倾斜30°角；（5）头尾架中心线平行；（6）采用成型砂轮修整器（金刚石滚轮），采用MARPPOS公司轴向，径向测 量仪；（7）数控系统的四坐标轴X轴：砂轮架进给 Y轴：修整器进给Z轴：工作台移动 W轴：工件旋转各轴采用交流伺服电机，通过精密无间隙弹性连轴器直接与滚珠丝杆相连；（8）液压油箱单独（减小热变形，简化机床结构，易实现标准化，通用化， 便于维修）；（9）电器框与机床采用空中走线；（10）机床前防护罩采用全封闭结构。

3.4 纵向与横向尺寸的确定（1）纵向尺寸①工件最大长度1 750 l mm = ； ②头架长度2 440 l mm = ； ③尾架长度3 320 l mm = ； ④上台面长度4123 100(20~40)1640 l l l l mm =++++= ； ⑤下台面长度( ) 544 15%~20%2000 l l l mm =+´= ； ⑥床身长度651 4003150 l l l mm =++= ； ⑦后床身长度7 1600 l mm = （考虑砂轮架和修整器大小按经验给定）； ⑧整个床身宽度 8 1650 l mm = （视觉效果）；⑨砂轮架中心与机床床身对称线相距023 120 l l l mm=-=图 3.1 磨床纵向尺寸（2）横向尺寸1）画出横向尺寸床身的 V 型导轨作为横向尺寸的基准，画出床身的平面导 轨作为高度尺寸的基准线，根据确定的工作台参数，导轨参数 B1’，B2’中心画出左视图。

2）确定上、下工作台厚度和宽度（a）厚度：用类比法上工作台 ( ) 2 0.25~0.35' h l = 中心（3.1） 下工作台 ( ) 1 0.3~0.4' h l = 中心 （3.2）' l 为工作台导轨的中心距，工作台导轨选用80´75´250取 1 ' h =0.3´250=75mm2 'h =0.38´250=95mm （b）宽度45 ' B l B B=++ 工作台 （3.3）( ) ( ) ( ) 1/212~301/2752058 B B mm =+=´+= ∵ 46 B B ³ ∴ 4 70 B mm= ( ) ( ) ( ) 71 1/2'12~301/2752060 B B mm=+=´+= ∵ 57 B B ³ ∴ 5 70 B mm= 2507070390 B mm=++= 工作台 3）确定头，尾架顶尖中心位置顶尖中心安排在V 型导轨的中心线上，这样有利于磨削最小直径工件的，砂 轮架趋近于工作台不致相碰。