1、 湖南大学毕业设计（论文） 第 1 页1 绪论1.1 课题背景及目的随着工业的不断发展，对机械零件加工质量的要求也是越来越高，在加工精度和表面粗糙度的这些主要的技术指标的要求更为严格。尤其是高档汽车发展的需要和芯片产业的不断膨胀和升级，对加工精度和质量不断提出新的要求，也不断促进了机械加工行业的发展。而磨学加工目前还是保证高精度主要方法，在磨床的需求量上也是不断增加，在机床中所在的比例也越来越大。据欧洲机床展览会（EMO）的调查表明：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%，转削占 22%，其它的占 8%；而磨床在企业中占机床的比例高达 42%，车床占 23%，铣床占
2、 22%，钻床占 14%1。而在这一大批的磨床中仍有不少是低端产品，很难适应机械行业快速发展的需求。尤其是在国内，这种情况就是更我严重，并且大多数磨床并没有实现数控化。加上我国汽车行业不断升温，芯片行业也开始成长，此外，为了提高产品的性能，一些新材料也涌现出来，难加工的脆硬材料也开始增多，以及一些磨削研究的需要。这一系列的情况都要求我国研究适合国情的高精度磨床 1,2。国内外都采用超精密磨削，精密修整，微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削的研究，以求得到亚微米级的尺寸精度。日本见面磨削时代使用的砂轮粒度为40008000，其微粒的平均尺寸为 1.54 ，加工后工件表面粗糙度可达到m0.0010
3、.003 ，日本开发了电解在线修整（ELID ）超精密境面磨削技术，使得用超m细微超硬磨料制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料的高精度，高效率超精密磨削。做平面研磨运动的双端面精密磨削技术，其加工精度，切除率都比研磨高得多，且可获得很高的平面度。电泳磨削技术也是一种新的超精密级纳米磨削技术。它是在机床无切深进给条件下，利用吸附在磨粒层本身厚度的增加来实现微量进给。在普通机床上应用该技术，不仅可以有效地降低工件表面粗糙度，同时还可以实现微米级的磨削精度。超精密加工技术已在诸如航空、航天、计算机、电子、能源等领域得到了广泛应用。超精密磨学技术是其一个重要铸成部分。目前世界上最先进的超精密磨床当属由Cr
4、anfield 大学精密工程所 (CUPE)研制的 QAGM2500，此设备可用于加工大型天文望远镜等大型超精密零件。我国对于超精密磨削技术的研究刚刚起步，其中一个重要原因就是缺乏超精密磨削设备，所以研制超精密磨削设备，特别是大型超精密磨削设备已湖南大学毕业设计（论文） 第 2 页成为当务之急 3-5。1.2 国内外研究现状1.2.1 世界磨床发展不久前举行的美国芝加哥国际制造技术展览会(IMTS)上，我们了解到目前平面磨床的发展趋势和世界机床技术的一些特点。 平面磨床发展趋势 据不完全统计，本届展览会有 20 多家平磨专业生产厂以平磨实物形式参展，包括了欧、美、日及我国的主要平磨制造厂，有
5、60 多台平磨，主要特点是： 从规格上看，以小型平磨为主，在全部平磨展品中，台面宽 200mm 以下的几乎占 50%，小规格机床的运输及布展比较方便；国外平磨不分普通、精密、高精度的精度等级，相对小规格机床，精度容易做得很高；在国际市场上，中、小规格平磨的潜在需求很大。 从控制上看，70%以上的平磨展品为数控型，有单轴、双轴及三轴数控，最多达五轴控制，尤其是 400 以上的大规格机型，全为数控型。由于技术水平的发展导致功能变化，平磨已从传统的平面磨向成形磨转变，常规控制已难以实现功能的要求。数控平磨已形成一个市场潮流。 从功能上看，50%以上的平磨不仅仅用于水平平面加工，而且转向成形、台阶、切
6、入、快速抖动、三维空间曲线等表面磨削加工，如 ELB、BLM 公司以平磨为基础变化而成的五轴联动磨削中心，可实现非平面型复杂曲面的磨削；Unison、Trutech 公司的柔性磨削系统，可实现成形、无心、外圆、工具、轮廓等磨削工艺；还有裕福、Parker 公司等的快速抖动磨等，反映出平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。发展呈现四大变化作为国际制造技术展览会，金切机床历来都是最大的展点，IMTS 亦不例外。加工中心、车削中心、磨削中心、数控车、数控铣、数控镗等金切机床，构成了庞大的展品群，这些由传统的切削原理结合现代设计理念和先进的控制技术相融合而成的金切机床，代表了世界机床的发展方向和趋
7、势。 高速、复合、高精度、高刚性仍是金切机床的发展主调，但又有新的变化。复合，已从原来的为复合而复合转为从实用高效考虑为主，如车、铣复合，车、铣、湖南大学毕业设计（论文） 第 3 页钻的复合，铣床和电火花的复合；从功能上看，复合型机床的针对性很强，针对某类零件考虑；从精度上看，定位精度2m，重复定位精度1m 的机床已比比皆是；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。 模块化的设计在机床制造中已应用得炉火纯青。横向系列、纵向系列、全系列、跨系列的模块化设
8、计，在展品中体现得淋漓尽致，无论是大隈、牧野等为代表的日本机床，还是Haas、Cincinnati等为代表的美国机床，同样两台展品，外形上看，好象完全一样，但功能则完全不同，所构成的模块很多则是通用的。 全自动的概念已发生变化。传统的全自动机床是用一只气动或液动的机械手实现工件的自动上、下料，但展览上有超过 10 台以上的加工中心和车削中心，采用真正意义的多关节串联式机器人，来实现工件的上、下料，包括完工零件的堆放。控制的范围加大，组线的灵活性加强，同时辅助配套的机械大大减少。 环保要求越来越高。在展出的展品中，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。另一方面，大
9、量的工业清洗机和切削液处理机系统的展出，亦同时反映现代制造业对环保越来越高的要求。 根本在于设计创新平磨是磨床类机床中发展潜力最大的机床，这是本届展览会给笔者带来的一个全新概念。在完成传统的平面磨削功能外，以平磨的床身、拖板、台面、磨头等大件为基础，可以演变成外圆、曲线、工具、无心等磨床，如 k.o.lee 公司的 C1020N2外圆磨床和 B6062PC2 工具磨的基础就是平磨。我国应在完成平磨规格系列的完善后，跳出传统的平面磨削的思维转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上去进一步发展，形成具有我们自己特色的技术和产品。 模块化设计将是贯穿产品设计全过程的一条主线，无论是机床技术发展的潮流还
10、是市场竞争的要求；无论是降低成本的需要，还是提高产品质量的需要，都要求我们在今后产品的开发设计中，切实做好模块化设计工作。 世界机床工业的发展，根本一点是设计创新理念的发展，美国芝加哥展览会，是世界上第一台虚拟轴机床的展示地，本届展览会上的大量先进机床展品亦无不昭示着一点：传统的金属切削原理，用一种全新的现代设计理念，结合先进的控制技术，正在推动机床技术发生重大变化。湖南大学毕业设计（论文） 第 4 页1.2.2 我国磨床行业现状为适应市场多变形势的需求，我国磨床行业近年来加强了产品结构调整，使老产品不断更新，并开发了一批适销对路的高效、精密、数控磨床及各类专用磨床新产品，使中国磨床市场迅速活
11、跃起来，表现在磨床的产量、销售量都在迅速增长。同时数控磨床的显着增长优化了磨床的产品结构，在销售总额中的占有率正快速提高。“九五”期间磨床产量的数控化率为 6.5%，产值的数控化率为 17.1%，而 2001 年分别为 8.8%和 21.3%。 数控磨床正在迅速崛起，在磨床市场所占的份额不断增长。随中国经济建设的发展，科学技术和国防事业的发展，国内外市场对数控磨床及数控磨削成套设备的需求就更加迫切。由於国内及国外的数控系统日趋成熟，使磨床制造企业可与国际同步选用数控系统，为数控技术在磨床及磨削成套设备上的应用创造了客观条件。磨床是金属切削机床中的一个大类，以精度高、品种多着称，是能源、交通、冶
12、金、航天、军工等行业精密加工必备的设备之一。当今平磨的发展趋势是转向成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线表面磨削加工。可以说，平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。在完成传统的平面磨削功能外，以平磨的床身、拖板、台面、磨头等大件为基础，可以演变成外圆、曲线、工具、无心等磨床。我国应在完成平磨规格系列的完善后，跳出传统的平面磨削的思维转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上去进一步发展，形成具有我们自己特色的技术和产品。数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造水平和竞争力。我国数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有很大差距，高档数控
13、机床及功能部件大多数依靠进口。我国机床市场现状是，消费第一、进口第一，高端失守，低端混战。在磨床的核心部分数控系统，在国内也有一些公司正在研究，也有一些产品问世，虽然在功能和性能上和国际著名厂家的产品有很大的差距，但在一些要求不是很高的机床上也有使用。相信通过我们的努力一定会在这个领域有新的进步，不断学习，不断探索，不断研究，我国的磨床事业一定会上到一个新的台阶 2-6。1.3 课题研究方法本课题主要是通过一系列的设计计算，综合运用所学知识，最终完满的完成设计任务，锻炼自己的能力。为了完成本次设计采用的方法主要是通过所学的知识进行设湖南大学毕业设计（论文） 第 5 页计、计算以及校核。通过参考
14、有关的书籍，了解磨床的工作原理，以及在设计过程中应当注意的事项，尤其是如何保证设计的磨床有较高的加工精度以及精度保持性。同时综合各类精密机床中运用的一些较好的机构和设计理念，上网和查阅相关的资料，充分的了解磨床的发展状况和发展趋势，尤其是了解一些国内外先进的磨床，这些产品中有许多巧妙的设计可以运用到本次设计中来。除了参考一些资料和书籍外，还通过参观磨床实物充分的了解磨床各个部分的组成、工作原理和一些细节，进一步的了解磨床。主要是在汽车工程学院高效磨削与精密制造技术重点实验室参观杭州机床厂生产的 MGK7120。这台磨床是国内精度较高的高精度磨床，有不少的参考价值。此外，我们还参观了常德烟草机械
15、有限责任公司的一台很先进的磨床，是德国一家著名的磨床生产厂家生产的高精度矩形工作台平面磨床，其最小的自动进给也能达到 1 ，在设计上采用了不少的巧妙的方法，在本设计中的m中央立柱式横向进给方式就是借鉴了这台磨床的机构。1.4 论文的构成及研究内容1.4.1 论文的构成1 绪论2 数控平面磨床总体布局设计3 磨头垂直进给机构设计4 磨床砂轮修整器（杯形砂轮修整器）的设计5 磨床微机数控系统的硬件电路设计6 总结7 致谢8 参考文献1.4.2 设计研究的内容本课题设计一台精密数控平面磨床 MGK7120，用砂轮周边磨削平面，也可以磨削台阶平面。用于机械制造业及工具模具制造行业，能加工各种难加工材料
16、。设计的主要内容有：1 磨床的总体布局设计；2 磨头垂直进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杠副设计计算，垂直进给机械机构装配图；湖南大学毕业设计（论文） 第 6 页3 砂轮修整器设计；4 磨床微机数控系统的硬件电路设计；5 翻译指定的英文专业文献；6 撰写毕业设计论文（说明书） 。设计基本要求：图纸总工作量折合 A0 图纸 3 张以上，毕业设计论文字数不少于1.5 万字，参考文献至少 15 篇以上1.5 设计的主要技术参数主要参考参数：1. 磨床主要规格工作台面尺寸（宽 长）：200 500（630）m2. 加工范围可磨削最大工件尺寸（宽 长 高）：200 500（630 ） 3603. 工作台
17、工作台纵向移动速度（无级）： 0.3-25/in工作台横向自动进给：连续（无级）： .1m断续（无级）： /工作台一行程0.5-12m4. 磨头磨头垂直快速升降速度：400 ，垂直自动进给： ，最小进给/in0.1-2m量：0.0001mm，砂轮尺寸（外径 宽 内径）200 20 32，砂轮转速30r/in5. 工作精度磨削表面粗糙度 ，加工后表面对基面的平行度为 300：0.002Ra=0.3m湖南大学毕业设计（论文） 第 7 页2 磨床总体布局设计2.1 总体布局方案设计机床总体布局应满足的要求：1) 保证工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置和相对运动2) 保证机床具有所要求的加工精度相适
18、应的刚度和抗振性3) 便于操作、调整、修理机床；便于输送、装卸工件、排除切屑；4) 经济效果好，节省材料，减少机床占地面积等5) 造型美观。 7机械制造装备必须满足五个方面的一般功能，分别是：1） 加工精度方面的要求；2） 强度、刚度和抗振性方面的要求；3） 加工稳定性方面的要求；4） 耐用度方面的要求；5） 技术经济方面的要求 8。由于 MGK7120 磨床在实际中已经有应用，本次主要是对其进行改进，故在其结构布局形式上不作变化，仍然采用立式。机床的总体布局关系着机床的性能、质量和整机的合理性。因此磨床的总体布局是按照简单、合理、经济的原则，以确保机床满足以上五个一般功能，同时应该注意的问题
19、有，保证机床的刚度、精度和稳定性，达到结构简单、高效率，维修方便、安全可靠。矩形工作台平面磨床要顺利的完成磨削任务，除了砂轮的转动外，还要完成三个方向的进给运动，即垂直进给，横向进给和纵向进给。而这三个方向的进给形式也有多种选择：（1）工作台完成横向和纵向的进给，而磨头则只完成垂直方向的进给；（2）磨头完成横向和垂直方向的进给，工作台只完成纵向的进给；（3）工作台不移动，横向和纵向的运动都由立柱来完成，垂直方向进给运动由磨头来完成；（4）纵向运动由工作台完成，横向运动由立柱完成，而垂直进给则由磨头来完成，该运动实现形式又叫中央立柱移动式。这几种运动实现形式各有各的特点。第一种形式比较传统，技术
20、比较成熟，并且湖南大学毕业设计（论文） 第 8 页实现起来比较简单，设计中不存在太大的技术冒险，并且设计可参考的信息较多，设计周期也较短，能很好的实现市场响应。同时这种形式也存在一些不足之处，比如说这种形式的磨床的整体刚性不是太好，因此，这种形式用与本设计的高精度磨床不是太适合。第二种形式虽然在结构上有了一定的改变，但砂轮和电机的转动引起的振动会对磨床的精度有一定的影响，也不是很适合本设计的一种运动实现形式。第三种形式虽然提高了磨床的整体刚性和运动的稳定性，但这种形式的运动件的质量太大，在这种情况下，不仅对能源是一定的浪费，而且响应的速度会大大降低，这样得来一定的精度提高的成本太高，在大多数不
21、是特别高的精度场合是不采用的。而第四种形式则有效的综合了第二种和第三种的特点，有很好的刚度和精度。除此之外，这种运动形式使运动范围限定在较小的空间内完成，有效的减少了占地面积。这一优点在现代加工中有着非常大的意义，不但能很好的减少厂房面积，节约资金，并且有利于机床的布局，对加工物流也是非常重要的。因此，第四种的这种形式有较高的综合效益，也逐渐在各类磨床中采用，并得到了消费者的认可。通过上面的综述，对于本设计中这种精度等级的磨床完全可以采用第四种这种进给运动实现方式。由于该设计要求达到较高的精度等级，因此，各个方向的进给的具体实现都是通过滚珠丝杠传动来实现的。之所以在纵向上放弃传统的液压驱动的主
22、要原因是纵向运动在进行较小的进给时会出现爬行现象，这对于磨削的精度有很大的影响。用伺服电机驱动滚珠丝杠替代了液压驱动后不仅消除了爬行现象，并且去除了液压系统，使得机构更进一步的简化，使得磨床更加紧凑，这种运动实现形式的优点得到了更好的发挥。由于横向和垂直方向的精度要求较高，在这两个方向的实现形式自然要采用伺服电机驱动滚珠丝杠完成。因为滚珠丝杠不仅加工精度很高，能提高传动精度，并且滚珠丝杠的一些巧妙设计很好的消除了回程误差，这对精度的提高也是有很大的意义。所以在一些高精度的机床设计中都采用这种驱动形式，也带动了这方面的厂家不段出现和提高，能广泛的提供这方面的产品以适应各种设计，也有不少的配套产品
23、，这对于设计提供了很好的帮助。采用这种形式的驱动在垂直方向的实现上就出现了问题，因为滚珠丝杠不能进行自锁，这使得垂直方向的定位和精度要求难以得到保证。2.2 设计结果设计结果见图 2.1。湖南大学毕业设计（论文） 第 9 页图 2.1 总体布局图湖南大学毕业设计（论文） 第 10 页3 垂直进给机构的设计3.1 磨削力的计算磨削力起源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。磨削力可分解为相互垂直的三个力，即沿砂轮切向的切向磨削力 ，沿砂轮径向的法向磨削力 以及沿砂轮轴向的轴向磨削力 。tFnFaF一般磨削中，轴向磨削力 较小，通常忽略不计，
24、只考虑砂轮切向的切向摩擦力和砂a轮径向的法向磨削力。由于砂轮磨粒具有较大的负前角，法向磨削力 通常大于切向n磨削力 ，所以把 / 称为磨削力比。磨削力比不仅与砂轮的锐利程度有关，且随被tFntF磨材料的特性不同而不同，还与磨削方式等有关。而磨削力与砂轮的耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比能等均有直接关系。图 3.1 磨削力的力学模型要进行合理的结构设计，必须得先了解各个方向最大磨削力的大小。在磨削过程中纵向和垂直方向的磨削力较大，对磨削精度的影响也较大，也是各个零件尺寸和结构设计的基础。此外，为了合理的选择伺服电机，首先也得计算出磨削情况下可能的最大磨削力。 9,101）磨削普通钢材（以 45#为例）：由一个磨削力的经验公式得：0.86.41.062tpwsFav（3.1）其中： 磨削过程中的最大切向磨削力（N） ；maxtF
