无心外圆超精机总体设计毕业论文.docx

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无心外圆超精机总体设计毕业论文

无心外圆超精机总体设计

摘要

超精研是一个由磨料的振动从而对工件产生磨削的过程。

在这个过程中刀具有很高的速度，以便在接触旋转的工件时去除多余材料。

超精研通常被认为是最终的精加工工序，或是用在对难加工材料的加工工艺中。

因此，设计与工艺师尽可能使用包括陶瓷，钨和硅碳化物，轴承材料，火焰和等离子涂料，硬铬等材料以提高加工质量

无心贯穿式超精机是以贯穿方式对圆柱（圆锥）滚子表面进行超精加工的一种机床，它不但具有高效高精度，能很好地改善工件的粗糙度、波纹度和圆度的优点，而且能形成微量凸度，如果使用这种带凸度的滚子装配轴承就能地减少或消除滚子边缘应力集中，减小温升，有利于弹性流体润滑从而提高轴承的使用寿命1-2倍。

此次主要是关于无心外圆超精机的总体设计实现油石振荡部件和工件定位驱动部件的组合确定机床配置形式、制订影响机床总体布局和技术性能的主要部件的结构方案。

总体方案的拟定是设计组合机床最关键的一步。

方案制定的正确与否，将直接影响机床能否达到合同要求，保证加工精度和生产率，并且结构简单、成本较低和使用方便。

关键词：

圆柱滚子外圆超精机，总体设计，油石振荡部件，定位，驱动。

THEOVERALLDESIGNOFCENTERLESSSUPERFINISHINGMACHINEFORCYLINDRICALROLLER

ABSTRACT

Superfinishingisaprocessthatinducesavibratoryrubbingactionoftheabrasivestonewithrespecttotheworkpiece.Theprocessinvolveshighspeedoscillationofthetool,whichremovesmaterialbycontactingarotatingworkpiece.

Superfinishingisconsideredastheultimatefinishingprocessforprogressiveapplicationsandexoticmaterialsthattraditionallyhavebeenconsidereddifficult-to-machinematerial.Hence,itallowsdesignandmanufacturingengineerstoimprovequalitybyusingmaterialsthatincludeceramics,tungstenandsiliconcarbides,bearingmaterials,flameandplasmacoatings,hardchrome,etc.

Inadvertentcross-cuttingofultra-precisionmachineiswaythroughthecylinder（Cone）rollersurfaceSuperfinishingamachine,itnotonlywithhighprecision,couldwellimprovetheroughnessoftheworkpiece,bellowsandroundnessofthemeritsof,Butalsoatracecrown,iftheuseofsuchcrownwiththerollerbearingassemblywillbeabletoreduceoreliminaterolleredgeofstressconcentration,reducingthetemperatureriseisconducivetoflexiblefluidlubricatingbearingstoimprovethelifeexpectancyof1-2Times.

Thisismainlyabouttheultraprecisionmachinecenterlessoveralldesign.Realizeimportantoscillationcomponentsandpartsofworkpiecepositiondrive.Determinethemachineconfigurationforms,affectoverallarrangementandtechnicalperformanceofmachinepartsstructurescheme.Theschemeofoveralldesignisthekeystepofmodularmachinetool.Theschemeiscorrectornotwilldirectlyinfluencethemachine,whethertomeettherequirementsofmachiningaccuracyandproductivity,andsimplestructure,lowcostandeasytouse.

KEYWORDS:

centerlesssuperfinishingmachineforcylindricalroller,overalldesign,importantparts,positioning,drivingvibration

前言

作为整个工业基础的机械制造业，正在朝着高精度、高效率、智能化和柔性化的方向发展。

磨削、超精研加工（简称“磨超加工”）往往是机械产品的终极加工环节，其机械加工的好坏直接影响到产品的质量和性能。

作为机械工业基础件之一轴承的生产中，套圈的磨超加工是决定套圈零件乃至整个轴承精度的主要环节，其中滚动表面的磨超加工，则又是影响轴承寿命以及轴承减振降噪的主要环节。

因此，历来磨超加工都是轴承制造技术领域的关键技术和核心技术。

本机床是具有高效高精度的机床，具有能很好改善工件的粗糙度波纹度和圆度的特点。

当机床换上圆柱导辊后，还能超精研加工直径Φ5~120mm以内的圆锥形外圆表面，机床可实现半自动循环，它广泛应用于轴承、机车、摩托车、液压泵油嘴和液压件等行业。

就我个人而言，我希望通过这次毕业设计对自己未来从事的工作进行一次适应性的训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后工作中的实地工作打下一个良好的基础。

因此，它在我们四年大学生活中占有举足轻重的地位。

由于能力所限，设计尚有许多不足之处，恳请各位老师给与指正。

第1章超精研加工技术

§1.1超精研技术概述

作为整个工业基础的机械制造业，正在朝着高精度、高效率、智能化和柔性化的方向发展。

磨削超精研加工（简称“磨超加工”）往往是机械产品的终极加工环节，其机械加工的精度直接影响到产品的质量和性能。

作为机械工业基础件之一的轴承的生产中，套圈的磨超加工是决定套圈零件乃至整个轴承精度的主要环节，其中滚动体表面的磨超加工，则又是影响轴承寿命以及轴承减振降噪的主要环节。

因此，历来磨超加工都是轴承制造技术领域的关键技术和核心技术。

国外轴承工业，60年代已形成一个稳定的套圈磨超加工工艺流程及基本方法，即：

双端面磨削——无心外圆磨削——滚道切入无心磨削——滚道超精研加工。

除了结构特殊的轴承，需要附加若干工序外，大量生产的套圈均是按这一流程加工的。

几十年来，工艺流程未出现根本性的变化，但是这并不意味着轴承制造技术没有发展。

简要地说，60年代只是建立和发展“双端面——无心外圆——切入磨——超精研”这一工艺流程，并相应诞生了成系列的切入无心磨床和超精研机床，零件加工精度达到3～5um，单件加工时间13～18s（中小型尺寸）。

70年代则主要是以应用60m/s高速磨削、控制力磨削技术及控制力磨床大量采用，以集成电路为特征的电子控制技术的数字控制技术被大量采用，从而提高了磨床及工艺的稳定性，零件加工精度达到1～3um，零件加工时间10～12s。

80年代以来，工艺及设备的加工精度已不是问题，主要发展方向是在稳定质量的前提下，追求更高的效率，调整更方便以及制造系统的数控化和自动化。

超精研加工方法是从30年代中期开始发展起来的，其创立就是针对轴承滚动体表面加工的，它是一种精密的、经济的加工工艺，随着机械加工零件精密度及表面质量要求的不断提高，超精研加工得到愈来愈广泛的应用。

在我们轴承制造的光整加工（抛光、砂布带研磨、超精磨和超精研）中占据重要地位。

超精研加工，简称“超精加工”，一般是指在良好的润滑条件下，被加工工件按一定的速度旋转，油石按一定的压力弹性地压工件加工表面上，并在垂直于工件旋转方向按一定规律作往复振荡运动的一种能够自动完结的光整加工方法。

超精研工整个过程包括独立的区分明显的三个阶段：

修整、恒定切削、磨光（也有分为：

切削阶段或自锐阶段、半切削阶段、光整阶段）。

并且整个过程在基本工艺参数（如切削速度、油石压力和硬度、振荡频率、磨料种类、工件材料以及润滑冷却液等）不变的条件下自动完结。

§1.1.1超精研加工的优点

（1）能有效的减小圆形偏差（主要是波纹度）。

（2）能有效地改善母线的直线性或加工成所需要的凸度形状。

（3）能去除磨削变质层，降低表面粗糙度值。

（4）能使表面具有残余的压应力。

（5）能够在加工表面形成纹理均匀细腻的、较理想的交叉纹路。

（6）能使工作接触支承面积增大。

§1.1.2超精加工对滚动轴承工作性能的影响 

（1） 提高轴承的旋转精度，减低轴承的振动和噪声。

（2） 提高轴承的承载能力。

（3） 提高轴承的润滑效果，减小磨损。

（4） 减小轴承工作时的发热。

§1.1.3超精研加工技术 

1. 油石制造技术 

它决定油石的使用性能，是超精研技术存在的前提，使用上要求：

油石切削性能要好，损耗要慢，又要有足够的强度。

 其中，陶瓷结合CBN超精油石，能够保持连续不变的高切削率，同时磨损量非常小，临界压力高，可大大提高工件加工的整体质量和统一性。

金刚石超精油石，能够获得最高的切削率，最小的磨损率和最佳的表面精研效果。

立方体碳化硅油石，类似于金刚石立方体氮化硼，切削力和加工质量仅次于前两者，比一般的碳化硅高。

2. 超精加工工艺技术 

超精加工工艺上将整个超精研过程分为粗超和精超二个阶段。

粗超阶段中油石磨料比较锋利，油石压力较高，工件转速较低，摆头频率较高，因而切削能力强，是去除工件加工量的主要阶段。

精超阶段中油石磨料相对钝化，油石压力较低，工件转速较高，摆头频率较低，因而切削能力减弱，对工件表面的抛光作用加强，大大降低表面粗糙度值。

其中，一序二段法，一序二步法，油石自动补偿技术，油石自动供给技术，粗、精超油石自动变换技术和高频小振荡加低频大往复技术等都在国内或国外设备上有所应用。

3. 工件定位技术 

目前滚道超精研机常用的工件定位方式有下列几种：

端面滚轮机械压紧式无心夹紧，液压定心端面滚轮机械压紧式夹紧，双滚轮驱动端面压紧式无心夹紧。

4. 润滑冷却技术 

超精加工时润滑液主要三个作用：

冲洗冷却，润滑，形成吸附油膜。

超精加工对润滑冷却的要求：

适当的粘度，防锈功能，挥发性小，重复使用。

超精加工对润滑冷却液的过滤精度有严格的要求，因此必须有高精度的过滤装置来保证。

§1.2超精研加工技术原理

超精加工最重要的是选择油石，油石选择的准确与否对于加工质量、生产效率和降低成本都有很大的影响。

油石选择不合适，即使其他条件如何好，也不能得到良好的结果。

超精加工发展的历史表明了这一事实，初期由于油石质量不稳定，而使超精加工中停，走回头路，把油石超精机改为纱布超精机，美国和苏联都经历了这一过程。

超精加工为一低速、低温、低压的微量磨削过程。

油石在工作中不进行修复，而要在循环加工中保持其加工特性，既要有切削作用，又要有摩擦、跑和等光整加工的性能。

这就要求油石质量均匀、稳定和具有良好的自锐性，才能在短时间内，切除较多的留量，获得高精度和高光洁度的表面。

所谓超精研加工就是将油石放在平面、圆柱面、球面和其他加工表面上，施加低压并作短促的振动，在较低的加工速度和加上适应粘度的润滑油或专用的超精研液体条件下所进行的光整加工。

油石以一定压力作用于工件加工表面上，超精研加工的过程是从切削作用逐渐转化为光整作用的过程。

加工开始时，凸峰接触，接触面积小，单位面积上的压力大，加工表面与油石切削面间不能形成完整的润滑油膜，在磨粒的切削方向不断变化下，磨粒极易破碎或脱落，从而使油石保持或形成锐利的切削刃，此阶段主要是切削作用；随着工件加工表面粗糙度的逐渐改善，高凸峰顶不断地被剪除。

油石磨料切削刃逐渐钝化，油石与工件的接触面积不断增大，单位面积上的压力逐渐减小，润滑油膜逐渐形成，油石对工件的切削作用逐渐减弱，并过渡至超精研加工的光整阶段，直至加工表面与油石切削面间全部形成润滑油膜，油石与工件加工表面无直接接触，超精研加工过程（油）将从头开始，这样就可连续加工下去，形成切削过程的自动循环。

1

从上述超精研加工过程分析可以看出，超精研加工在其基本工业参数（即：

工件转速、振荡频率和幅度、油石的种类和压力以及切削液等）不变的条件下，它是一个可以自动完结的切削过程。

下面介绍无心超精加工原理：

无心超精加工原理如图1-1所示，用两根圆柱形导辊支承工件，在工件上方布置若干块油石，两导辊轴线在铅垂平面内反向倾斜±λ角，工件在中间截面的支承角为γ0，两导辊中心距为2A，工件中心高度为h0，工作时两导辊同时以转速n同方向转动，工件反转，曲面导辊对工件的轴向分力迫使工件做直线进给运动，进给速度ν，完成无心贯穿式超精研加工。

振动部分迫使油石以一定的压力压向工件，并沿工件轴线方向作高频小振幅振动，以达到切除余量的目的。

在工件超精加工过程，工件旋转运动、油石的振荡运动和油石的进给运动组成了超精研的运动过程。

油石靠近工件，对工件进行微量的磨削，又在工作中保持加工特性，而不进行修复，保证了工件的加工精度和表面质量。

图1-1无心贯穿式超精加工原理

第2章圆柱滚子外圆超精机的概述

§2.1机床的主要技术要求

1.工件的定位夹紧方案正确。

工件驱动的运动参数和动力参数应满足机床以下要求：

加工范围：

直径8—50mm，长度8—100mm;加工质量：

去除表面变质层，Ra达0.064—0.1μm（加工前Ra0.2μm），不破坏加工前的圆度。

2.工件驱动传动方案合理，工件定位驱动部件机械结构合理，设计图纸量不少于3张零号图（折合），图面表达正确。

§2.2机床的用途

本机床是以贯穿方式对圆柱表面进行超精加工的一种机床，他不但具有高效高精度，又能很好地改善工件的粗糙度、波纹度和圆度的优点，而且能形成微量凸度，如果使用这种凸度的滚子装配轴承就能较明显地减少或消除滚子边缘应力集中减小温升，有利于弹性流体润滑，从而提高轴承的使用寿命1-2倍。

当机床换上加工直母线的导辊后，还能超精加工直径Φ6-Φ120以内的圆柱形小轴以及套圈外径，机床可实现半自动化循环。

§2.3机床的主要部件结构

§2.3.1 床身结构

床身是一个长方体的箱式结构具有足够的刚性，床身内左侧安装有驱动导辊的4Kw交流电机，由电机驱动床面上的减速箱体来拖动导辊旋转。

床身内右侧为配电板和床身上方左后侧安装变频器控制箱。

床身内中部及后部是气动系统装置。

床身上面装有导辊装置和振荡装置压力汽缸紧固在振荡头的燕尾导轨上。

床身上面的左侧装有减速箱体。

床身正前面是按钮板。

床身后面是过滤和冷却装置。

§2.3.2 导辊装置

本机床导轮支撑在带预加负荷的C级向心推力轴承上，以保证良好的刚性和运动精度，前后移动靠在床身上的矩形导轨，导辊喉截面对中靠后导辊支板的轴向移动，导辊的平行靠前导辊支板的旋转来实现。

导辊部件是该装备的主轴部件，它完成工件的定位和驱动，其工作性能对加工质量和生产效率有着重要影响。

各种装备的主轴的工作状况虽各有不同，它们所需要的转速变化范围和承受的载荷等也相差很大，但是对其有个共同的要求，就是主轴在其工作载荷下，应能长期保持所需稳定的工作精度，以保持工件的加工精度和表面质量。

对主轴部件的基本要求：

旋转精度好，刚度要高，抗振性要强，温升要小，耐磨性要好。

1.主轴组件的旋转精度是指机床在空载低速转动时，在主轴前端定位面上测得的径向圆跳动、端面圆跳到和轴向窜动值的大小。

主轴组件的旋转精度直接受轴承精度和间隙的影响，同时也和与轴承相配合零件（箱体、主轴本身）的精度及轴承安装、调整等因素有关。

运动精度还取决于主轴转速、轴承组合设计和轴承的性能以及主轴组件的平衡等。

2.主轴组件的刚度是指在外加载荷作用下抵抗变形的能力。

通常是指在主轴工作端部作用一个静态力F（或扭矩Mn）时，F与主轴在F作用方向上所产生的变形y之比，如图2-1所示，即

K=F/y

式中K为刚度，单位为N/μm。

影响主轴组件刚度的主要因素是主轴的结构型式以及尺寸，轴承的类型、配置及预紧，传动件的布置方式以及主轴组件的制造与装配质量等。

图2-1主轴组件的刚度

3.主轴组件的抗振性是指机器工作时主轴组件抵抗振动、保持主轴平稳运转的能力。

主轴组件的振动会影响工件的表面质量、刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，还会产生噪声而影响工作环境。

4.主轴组件的热变形是指机器工作时，因各相对运动处的摩擦和受力不均等耗损而发热造成的温差，使主轴组件在形状和位置上产生畸变。

热变形可在主轴组件运转一段时间后因发热而造成的各部分位置变化来度量，也可以用温升近似表示。

影响主轴组件温升和热变形的主要因素是轴承的类型、配置方式及预紧力的大小以及润滑方式和散热条件等。

5.主轴组件的耐磨性是指长期保持其原始制造精度的能力，即精度的保持性。

因此，主轴组件的各滑动表面（包括主轴端部定位面、锥孔与滑动轴承配合的轴颈表面，轴向移动的主轴组件的导向表面等）都必须具有很高的硬度，以及保持其耐磨性。

影响耐磨性的主要因素为主轴、轴承的材料与热处理，轴承（或衬套）类型及润滑方式等。

由于各类机械装备的工艺特点的不同，主轴组件所传递的转速、承受的工作载荷等工作条件各异，故对主轴组件的要求也各有侧重，决不能强求一律。

§2.3.3 振荡机构

本机床的振荡机构采用无极变频的振荡方式，它由交流电机通过同步带驱动偏心套从而使固连在振荡板上的振荡头振荡，最后达到油石振荡的目的。

§2.3.4 压力汽缸

压力汽缸安装在振荡头上的燕尾导轨上，当接通压缩空气后，压力汽缸的活塞杆能上下移动，当活塞杆向下移动时，夹在活塞杆上的油石压向工件表面，并保持一定的压力，在加工过程中它能自动地实现切入进给，设置在压力汽缸上方的阀杆可以控制压力汽缸的活塞杆上下移动，当油石断裂或油石过短而使活塞杆下移时，和活塞杆固连在一起的撞块顶死挡铁而免使油石夹子接触工件或导辊。

第3章圆柱滚子外圆超精机床工件定位与驱动部件概述

§3.1工件加工原理

机床首先要满足贯穿式超精研工艺的要求，同时滚子中心在导辊上的运动轨迹必须符合特定型的设计轨迹要求。

两导辊既要使滚子高精度定位又要使滚子中心按设计运动轨迹运动。

滚子在导辊上运动时，其中心线始终与其中心运动轨迹相切，油石在其运动轨迹切线方向作高频振荡，使滚子在其包络切削中形成所设计的滚子型。

机床主运动为两导辊同向等速旋转运动，使滚子在其上贯穿通过，机床切削运动为两块振荡板反向等速直线往复运动，振荡板上装有油石加气压缸来对滚子进行切削加工。

§3.2工件定位与驱动部件设计

定位系统主要有定位支承，辅助支承和一些限位元件组成。

定位支承是指在加工过程中维持被加工零件有一定位置的元件。

辅助支承是仅用作增加被加工零件在加工过程中的刚度及稳定性的一种活动式支承元件。

由于定位元件直接与别加工零件接触，因此其尺寸结构精度和布置都直接影响被加工零件的精度。

为避免废品以及经常修理定位元件的麻烦，设计时必须注意以下的问题：

（1）合理布置定位元件，力求使其组成最大的定位支承平面。

提高刚性，减少定位支承系统的变形。

（2）提高定位系统的精度及其耐磨性，以便长期保持夹具的定位精度。

（3）可靠的排除定位支承部位的切屑。

工件定位的任务就是根据加工要求限制工件的全部或部分自由度。

任何未定位的工件在空间直角坐标系中都具有六个自由度，它在空间的位置是任意的，将未定位工件放在空间直角坐标系中，工件可以沿x、y、z轴有不同的位置，称作工件沿x、y、z轴的移动自由度；也可以绕x、y、z轴有不同的位置，称作工件绕x、y、z轴的转动自由度。

在实际工作过程中，一个定位元件可以体现一个或多个支承点。

具体情况要视定位元件的具体工作方式及其与工件接触范围的大小而论。

机床由以下部分组成：

床身部分、导辊部分、振荡部分、油石气缸部分、减速器部分、冷却部分、气动控制系统和电气控制系统等。

其核心部分为导辊部件和振荡部件。

由于机床工件定位与部分驱动系统是保证机床加工精度最重要的部分，因此我重点介绍导辊部件，导辊部件是该装备的主轴部件，它完成工件的定位和驱动，其工作性能对加工质量和生产效率有着重要影响。

设计好导辊部件，机床工件定位部件也基本完成。

用贯穿式无心超精加工方法对圆柱滚子外圆表面进行超精加工，是一种理想的终加工方法，国内也已经研制了数种型号的超精机床，送料导辊是这类超精机的关键部件之一，辊形设计的好坏直接影响到超精加工质量。

无心外圆超精机床是用两根曲面形导辊支承工件，这两根导辊对工件的支承相当于V形块对工件的定位，限制工件4个自由度，在工件加工时，另外2个自由度是不必限制的，工件在导辊上一个挨一个，也可以起到辅助定位的作用。

两根导辊支承工件，在工件上布置若干油石，两导辊轴线在铅垂平面内反向倾斜若干角。

工作时，两导辊同时以一定转速同方向转动，工件反转，曲面导辊对工件的轴向分力迫使工件以一定的进给速度做直线进给运动，完成无心贯穿式超精研加工。

§3.2.1辊形设计

对于圆柱度，直线度有严格要求的工件来说，设计导辊时应该考虑工作时导辊应为油石压力和自重等因素产生的微量变形。

§3.2.2导辊支架的设计

导辊支架是是机床的支承件，支承件是设备的基础构件，这些件一般都比较大，所以也称大件。

它有以下功用：

1.支承和安装机器各部分零部件，并承受各种静态力及动态力。

2.保证各零部件之间的相对位置精度和运动部件的运动精度。

3.用作电气箱或液压油、润滑油、切削夜的存储器。

4.独立完成某些功能，如货架、托架、工作台等。

支承件的材料主要为铸铁和钢。

它的设计有以下基本要求：

1.应具有足够的静态刚度和较高的动态刚度。

2.应具有较好的动态特性。

这包括大的位移阻抗和阻尼；与其他部件相配合，使整机的各阶固有频率不致与激振频率相重合而产生共振；不会发生薄壁振动而产生噪声等。

3.支承件应设计得使整个装备的热变形较小。

4.应该排屑畅通，吊运安全，并具有良好的工艺性以便于制造和装配。

辊型的设计直接影响工件的加工质量，导辊支架的设计与布置与工件的定位紧密相关，可以影响导辊的定位精度，进而影响工件的加工精度和表面质量。

导辊支架分为前导辊支架和后导辊支架，前后导辊支架大致相同，略有差别：

后导辊支架在底座上没有定位销定位，依靠椭圆形螺钉和底座的键定位（参照图3-1）；前导辊支架底座有定位销，可