随着社会和科技的发展，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，磨床的使用范围日益扩大。，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，而精密磨削加工会要在相应的精密磨床上进行，因此精磨磨床在精密加工中占有举足轻重的作用。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。本文主要研究的是大直径滚筒外圆专用磨床的导轨设计和磨头设计，导轨和磨头的设计影响磨床的精度，设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种导轨和主轴箱形式，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、调整维修方便的导轨和合理的主轴。
关键词：专用磨床，大直径辊筒，导轨，磨头
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Abstract
Along with the development of the society and science and technology, more and more high request to accuracy and surface quality of machine spare parts, the application of various high degree of hardness material increases day by day and the use of grinding machine scope extends day by day., Process in the precision-machined , there are many zero partses whetting to pare to attain its request through a nicety, but the nicety whet to pare to process would at correspond of precise grinding machine up carry on, so the Jing whet grinding machine to occupy a prominent function in the nicety process.In addition, more and more high to the environmental protection request of grinding machine, the tool machine products of overwhelming majority all adopt the cover hull of whole closingses, absolutely didn't slice scraps or slice to pare the phenomenon that the liquid outside splashes.This text mainly what to study be circle track design and emery wheel mounting of the lead of appropriation grinding machine to account out of the big diameter roller, guide rail and wheelhead design influence the accuracy of the grinding machine, have to from actual the circumstance set out and organically combine various guide rail and principal axis box form, try hard for to design a structure in brief, work credibility, the cost is conveniently low and adjusts to maintain a reasonable principal axis and guide rail .
Keywords: special purpose grinding machine, big diameter roller, guide rail, wheelhead
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目录
目录 .................................................................................................................................................. 3 1.绪论 .............................................................................................................................................. 4
1.1磨床的类型与用途 ............................................................................................................ 4
1.1.1磨床的类型及特点 ................................................................................................ 4 1.1.2 磨床的用途 ........................................................................................................... 4 1.1.3 外圆磨削 ............................................................................................................... 5 1.2 磨床的现状及其发展趋势 ............................................................................................... 6 2.设计任务书 ................................................................................................................................... 8
2.1毕业设计题目 .................................................................................................................... 8 2.2零件工艺分析 .................................................................................................................... 8 3.机械传动原理图及说明 ............................................................................................................. 11
3.1主要运动 .......................................................................................................................... 11 3.2设计重点与难点 .............................................................................................................. 11 3.3拟采用的途径与手段 ...................................................................................................... 12 3.4磨床总体布局 .................................................................................................................. 12 4.导轨设计..................................................................................................................................... 14
4.1导轨的功用和分类 .......................................................................................................... 14 4.2导轨的设计要求 .............................................................................. 错误！未定义书签。 4.3导轨的截面形状选择 ...................................................................... 错误！未定义书签。 4.4导轨的组合形式 .............................................................................. 错误！未定义书签。 4.5导轨组合形式的选用 ...................................................................... 错误！未定义书签。 4.6导轨的传动形式 .............................................................................. 错误！未定义书签。
4.6.1滚珠丝杠副的选择 .............................................................. 错误！未定义书签。
5.砂轮架设计 ................................................................................................. 错误！未定义书签。
5.1砂轮架设计的基本要求 .................................................................. 错误！未定义书签。 5.2砂轮架设计应满足以下几点基本要求： ...................................... 错误！未定义书签。 5.3主轴轴承系统的刚性 ...................................................................... 错误！未定义书签。 5.4砂轮架主轴强度的校核 .................................................................. 错误！未定义书签。 5.5主轴刚度校核 .................................................................................. 错误！未定义书签。 5.6电动机的选择 .................................................................................. 错误！未定义书签。 5.7皮带设计 .......................................................................................... 错误！未定义书签。 5.8带轮设计 .......................................................................................... 错误！未定义书签。 5.9砂轮的选用 ...................................................................................................................... 16 6.结论 ............................................................................................................................................ 17 致谢 ................................................................................................................................................ 18 参考文献......................................................................................................................................... 20
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1.绪论
1.1磨床的类型与用途
1.1.1磨床的类型及特点
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：外圆磨床，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，凸轮轴磨床等【2】。本次设计是大直径辊筒专用外圆磨床。
对外圆磨床来说，又可分为普通外圆磨床，万能外圆磨床，无心外圆磨床，宽砂轮外圆磨床，端面外圆磨床等。
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。
磨床与其它机床相比，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（一般砂轮的圆周线速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上发展）；
（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——传动部件带动砂轮和工件相对运动——工件部分组成【1】。 1.1.2 磨床的用途
磨床可加工各种表面，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。
随着社会和科技的发展，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
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范围日益扩大。它在金属切削机床中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%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，而精密磨削加工会要在相应的精密磨床上进行，因此精磨磨床在精密加工中占有举足轻重的作用。但要实现精密磨削加工，则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小于1微米，轴向圆跳动应限制在2～3微米以内。
（2）低速进给运动的稳定性。由于砂轮的修整导程要求10—15mm/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 外圆磨削
在外圆磨削过程中，工件一般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。基本上外圆磨削方法有两种，即横磨法磨外圆和纵磨法磨外圆，如图1—1和图1—2所示。
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图1—1 横磨法磨外圆
图1—2 纵磨法磨外圆
事实上，外圆磨削可以通过其它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。
（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。
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，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4微米、磨削精度高达0.025微米；使用电主轴单元可使砂轮线速度高达400米每秒，但这样的线速度一般仅用于实验室，实际生产中常用砂轮的线速度为40—60米每秒；从精度上看，定位精度＜2微米，重复定位精度≤±1微米的机床已越来越多；从主轴转速来看，8.2KW主轴达6000r/min,13KW主轴达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。
多特蒙德技术大学切削工艺研究所（ISF）所长Dirk Biermann博士在总结
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外圆磨削的发展趋势时曾说过：“继续不断发展外圆磨削的首要目的是改进可达到的精度、提高设备性能并增加机床灵活性。”在他看来，重点之一是在同一台机器上组合各种磨削工艺，如内外圆磨削、平面磨削和仿行磨削等，甚至可与其他生产工艺结合。其中车削和磨削是最为著名的工艺组合。
该研究所的一项研发成果是车削-磨削-珩磨工艺组合。这种共生现象不仅减少了工件加工的时间，而且还提高了调整工件表面质量的灵活性。
外圆磨床的进一步发展不仅体现于机加工和磨削技术方面，NC控制器也有进一步发展的潜力。据Biermann说：“模拟仿真技术的应用就不像今天的铣削加工那样先进且普遍。另一个方面是不同加工阶段的润滑剂的使用，包括超高速磨削加工。”瑞士Fritz Studer公司负责产品开发、研究和技术的主任Frank Fiebelkorn博士说：“我们的客户要求生产性磨床具有更大的灵活性，同时，对设备在整个寿命周期的质量期望值也越来越高。据说，设备生产厂家很有必要在其产品系列中添加低价品种，用于工件运输自动化，为较为简单的机器实现多机联动运行提供支持。”
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并生产的GA(P)62－63数控外圆/数控端面外圆磨床，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。
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2.设计任务书
2.1毕业设计题目
大直径辊筒专用外圆磨床设计（一）（磨头及导轨传动结构设计） 设计任务
（1） 根据纺织机械中大型辊筒类零件的特点，对零件进行工艺分析; （2） 工厂调研及文献检索；
（3） 参与总体方案设计，完成外圆磨床磨头及导轨总体方案设计; （4） 设计参数的计算及校核; （5） 根据设计参数确定最佳结构方案;
（6） 设计大型辊筒类零件专用外圆磨床磨头及导轨结构并绘制工程图; （7） 编写设计说明书; （8） 外文资料翻译；
2.2零件工艺分析
（1）锡林结合件
图2－1锡林结合件示意图
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① 作用：完成梳理、剥取与转移。 ② 结构：锡林体、针布。
③ 要求：动平衡、表面圆整度要好。
锡林的材料是铸铁或钢板卷焊，由滚筒，堵头和芯轴组成。锡林的加工路线：钢板卷焊—车削—磨削。锡林的直径和长度较大，加工精度要求较高。如果锡林几何误差、动不平衡较大，包针布后产生中凹变形，会影响锡林与刺辊、盖板、道夫的间距，造成纤维转移变化、棉网不均匀、条干恶化。 （2）道夫结合件
图2－2道夫结合件示意图
① 道夫的作用：配合锡林梳理，将棉网输出机外；
② 结构：与锡林相似，由滚筒和针布组成，不过其直径较小，转速较低。 （3）锡林与道夫间
① 作用性质：为分梳作用。由两者之间为分梳作用，两针面都能抓取纤维。针齿配置：分梳作用（平行针齿）。道夫结构类似锡林，直径600～707，转速20~30r/min；高产梳棉机道夫线速度90m/min，出条速度130~170m/min。
② 作用过程
锡林针面抓取的纤维，尾端受到道夫针面的梳理，通过大漏底与刺辊带来的新纤维相遇，实现新旧纤维的混和，而后来到锡林盖板工作区梳理。
道夫针面抓取的纤维，前端受到锡林的梳理，形成棉网输出；输出棉后弯钩纤维
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较多。
（4）设计大直径滚筒专用外圆磨床的必要性
由于锡林和道夫的直径和长度较大，而且加工精度要求较高，锡林的年生产量4000件/台，加上道夫，年生产量达8000件/台，如果用普通外圆磨床，外圆磨床的规格较大，生产成本较高，装卸调整不方便。工件的年生产量较大，故有必要设计大直径滚筒专用外圆磨床。
图2－3锡林、道夫结合件
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3.机械传动原理图及说明
3.1主要运动
机床的主要运动有拖板的纵向移动，磨头的横向移动，砂轮的转动及工件的转动等。
拖板通过直线导轨连接在床身上。有伺服电机驱动，经联轴器及滚珠丝杠副，带动垫板及磨头一起做纵向移动。磨头固定在垫板上面，通过直线导轨连接在拖板上。由伺服电机驱动，经联轴器，滚珠丝杠副带动砂轮做横向移动。砂轮由主轴电机单独驱动，经V带、皮带轮带动砂轮主轴转动，磨削工件。
图3－1传动原理简图
3.2设计重点与难点
（1）磨床总体布局中各部件尺寸的确定； （2）砂轮架主轴和轴承的设计和选用； （3）皮带的选用和带轮的设计；
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（4）导轨的设计与选用
3.3拟采用的途径与手段
（1）查阅国内外磨床相关资料，确定磨床总体布局中各部件尺寸； （2）检验主轴前端挠度，确保主轴刚度； （3）参考机械设计，选择V带和带轮； （4）采用Auto CAD绘制装配图和零件图；
（5）查阅机械设计手册，机床设计手册，合理设计砂轮主轴箱； （6）查阅导轨设计相关资料，确定导轨的组合形式。
3.4磨床总体布局
图3－2磨床总体布局示意图
（1）加工零件
大直径滚筒,Ra1.6～Ra6.3,材料45 （2）初步估计组成部分
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a.床身；b.工作台面；c.砂轮架；d.测量装置；e.砂轮进给电机，f.电气框；g.工作台进给电机；h.工件旋转电机；i.润滑冷却装置；j.数控装置；
（3）总体布局初步设计 ① T型床身； ② 工作台移动；
③ 机床前防护罩采用全封闭结构
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4.导轨设计
4.1导轨的功用和分类
（（1）质量小，结构工艺性好，无过大的铸造应力； （2）质量分布均匀，转速高时要经过动平衡校正； （3）轮槽工作面要经过精加工，以减少带的磨损；
（4）轮槽的尺寸和角度应有一定的精度，以使载荷分布均匀。 2）带轮的材料选用
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带轮的材料选用HT200 。 3）带轮的结构
带轮的基准直径dd ≤ 2.5d（d为安装带轮的轴的直径，mm），可采用实心式。
4）大带轮的结构尺寸
图5－2大带轮的结构尺寸
d1 = (1.8～2)d, d为轴的直径
d1 = (1.8～2)×72 = 129.6～144 mm ，取d1 = 130 mm d2 = dd + 2h = 150 + 3.5×2 = 157 mm ,h—基准线上槽深。 L = (1.5～2)d = (1.5～2) ×72 = 108～144 ，取L = 125 mm B = （Z－1）e + 2f 其中Z—V带的根数， e—V带的槽间距，
f—第一槽对称面到端面的距离。 B = （6－1）×19 + 2×11.5 = 118 mm
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5.9砂轮的选用
（1）科技名词定义
中文名称：砂轮，英文名称：Grinding wheel。用磨料和结合剂混合经压坯、干燥、焙烧而制成的，疏松的盘状、轮状等各种形状的磨具。
砂轮是磨削加工中最主要的一类磨具。砂轮是在磨料中加入结合剂，经压坯、干燥、焙烧而制成的多孔体。由于磨料、结合剂及制造工艺不同，砂轮的特性差别很大，因此对磨削的加工质量、生产率和经济性有着重要影响。砂轮的特性主要是由磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、形状、和尺寸等因素决定【6】。
① 磨料：分为天然磨料和人造磨料两大类。一般天然磨料含杂质较多，质地不匀。天然金刚石虽好，但价格昂贵，故目前主要使用人造磨料。常用人造磨料有棕刚玉（A）、白刚玉（WA）、铬钢玉（PA）、黑碳化硅（C）、绿碳化硅（GC）、人造金刚石（MBD等）和立方氮化硼（CBN）。
② 粒度：指磨粒的大小。粒度的表示方法有两种：对于用筛选法来区分的较大磨粒（制砂轮用），以每英寸筛网长度上筛孔的数目来表示。如46#粒度表示磨粒刚能通过每英寸46格的筛网。所以粒度号越大，磨粒的实际尺寸越小。对于用显微镜测量来区分的微细磨粒（微粉，供超精磨和研磨用），以其最大尺寸（单位为μm）前加W来表示，如W28、W40。
③ 结合剂：把磨粒固结成磨具的材料成为结合剂。结合剂的性能决定了砂轮的强度、耐冲击性、耐腐蚀性和耐热性。此外，它对磨削温度和磨削表面质量也有一定的影响。
④ 硬度：磨粒在外力作用下从磨具表面脱落的难易程度成为硬度。砂轮的硬度反映结合剂固结磨粒的牢固程度。砂轮硬就是磨粒固结的牢，不易脱落；砂轮软，就是磨粒固结的不太牢，容易脱落。砂轮的硬度对磨削生产率和磨削表面质量都有很大影响。如果砂轮太硬，不易脱落，磨削效率很低，工件表面粗糙易烧伤。砂轮太软，太易脱落，砂轮损耗大，形状不易保持，影响工件质量。
⑤ 组织：表示砂轮中磨料、结合剂和气孔间的体积比例。根据磨粒在砂轮中占有的体积百分数，砂轮可分为0～14组织号。组织号从小到大，磨料率从大到小，气孔率由小到大。组织号大，砂轮不易堵塞，切削液和空气易带人磨削区域，可降低磨削温度，减少工件变形和烧伤，也可提高磨削效率。
（2）砂轮材料的选择
通过对砂轮的了解和工件的特性，查阅相关资料手册，选用立方氮化硼砂轮。立方氮化硼磨粒非常锋利又非常硬，其寿命为刚玉磨粒的100倍。立方氮化硼砂轮用来磨削超硬的、高韧性的、难加工钢材，如高钒高速钢、耐热合金等。立方
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氮化硼砂轮特别适合高速磨削。
（3）磨削加工的发展趋势： ① 提高磨削效率
随着磨料磨具的发展及磨床结构改进，在磨削加工中采用了高速磨削，强力磨削，宽砂轮和多砂轮磨削、以及其它的磨削工艺（如砂带磨削、电解磨削）,使磨削效率不断提高。 ② 提高机床的自动化程度
近年来，普通磨床的自动化程度在不断提高。自动化的措施有自动进给、砂轮的自动修整和补偿、自动分度、自动装卸料和自动测量等。其自动化的显著趋势是向数控磨床及适应控制方向发展。 ③ 精密及超精密磨削
目前，对磨削加工精度和表面质量要求越来越高，高精度外圆磨削的圆度要求小于0.5μm；表面粗糙度要求达到Ra＜0.01～0.02；高精度内圆磨削的内孔圆度要求小于0.8μm；表面粗糙度要求达到Ra＜0.08～0.16。
为了达到上述高精度和高表面质量要求，在机床结构中采取了一系列提高精度和抗振性的措施。其中主要的措施有：采用高刚度和高旋转精度的新型主轴轴承；提高整机及主要部件的动态特性，尤其是动刚度及静刚度；采用精密微量进给机构；严格控制机床的热变形；隔绝各种振源；采用各种高精度的自动测量装置以及高效率的冷却液净化装置等。
6.结论
经过三个多月的努力，我终于完成了本次的毕业设计，对磨床的设计过程有了一个基本的认识，特别是对大直径外圆专用磨床的设计过程有了深刻和清晰的
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了解。这次毕业设计是对我大学四年所学知识的一次综合应用，它涉及到机械制图、机械制造技术、机械原理、机械设计、互换性和测量技术等多门课程的内容，使我对综合知识的应用有了很大的提高。
本次设计的大直径辊筒外圆专用磨床，主要是用来磨削纺织上用的锡林和道夫，磨削直径和长度较大。起初，我通过上网，去图书馆查资料等途径研究磨床的总体布局，然后和老师交流，初步确定磨床的总体布局。
在大直径辊筒专用外圆磨床设计中，我们两人每人负责一部分，我负责的是磨头和导轨。磨头是磨床上带动砂轮做高速旋转的关键部件，主要有传动部件和主轴轴承部分组成，主轴和轴承是砂轮架的主要组成部分。首先是根据砂轮架主轴的要求进行轴的设计，然后再选取轴承，设计皮带和皮带轮等等。
由于磨床是高精密加工机床，对各部件的设计要求都较高，为了提高旋转精度，可以使用动静压轴承。动静压混合轴承是一种既综合了液体动压和静压轴承的优点，又克服了两者缺点的新型多油楔油膜轴承。它可以提高主轴和轴承的使用寿命及精度保持性，保证主轴具有很高旋转精度和运转平稳性。
导轨应满足精度高、承载能力大、刚度好、摩擦阻力小、运动平稳、精度保持性好、寿命长、结构简单、工艺性好、便于加工、装配调整和维修、成本低。在选择导轨的组合形式时，我选择了矩形和和三角形导轨的组合，这类组合的导轨导向性好，刚度高，制造方便，应用最广。如车床、磨床、龙门铣床。
导轨面间的间隙对机床工作性能有直接影响，如间隙过大，将影响运动精度和平稳性，间隙过小，运动阻力大，导轨的磨损加快。为了保证导轨具有合理间隙，磨损后又能方便地调整，可以通过改变垫片的厚度来调整导轨间隙。
这次毕业设计是对我大学所学知识的综合，使我运用知识的能力有了很大提高，培养了我动手、动脑、查手册、检索资料的能力和理论结合实际的作风，改变了我以前设计不切合实际的想法，很多设计力求标准化和规范化。
致谢
经过三个多月的努力，毕业设计一接近尾声了。在肖老师的指导下，我终于
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完成了本次的毕业设计。肖老师渊博的知识、严谨的治学态度和高度的责任心给我留下了很深刻的印象，同时也给我的学习、工作、生活以很大的影响，使我受益匪浅。值此论文完成之际，谨向导师表示衷心的感谢，并感谢同组同学对我的合作和支持。
此外，我还要感谢我的答辩老师樊老师、牛老师等对我的指导和帮助。还有，院里的领导和其他老师也给了我很大的关心，再一次对大家表示衷心的感谢！
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参考文献
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