万能外圆磨床的工作台结构及液压系统的设计.docx

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万能外圆磨床的工作台结构及液压系统的设计

摘要

本次设计的内容是万能外圆磨床的工作台结构及液压系统的设计，设计了头架结构、带动工作台的液压缸等各个部件，本文重点设计和介绍了液压系统图及外圆磨床的机械工作原理图。

随着科技步伐的加快，液压技术在各个领域中得到了广泛应用，液压系统已成为主机设备中最关键的部分之一。

本文主要研究的是液压传动系统，液压传动系统的设计需要与主机的总体设计同时进行。

设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。

关键词：

外圆磨床；工作台；液压系统；原理

Abstract

Thisdesignisthecontentofuniversalcylindricalgrinderworkbenchstructureandhydraulicsystemdesign,designthefirstframestructure,leadingworkbenchofhydrauliccylinder,etc,thispaperputsemphasisonthepartsdesignandintroducedthehydraulicsystemdiagramandcylindricalgrindermechanicalworkprinciplediagram.

Withthequickeningpaceofscienceandtechnologyinvariousfields,hydraulictechnologybewidelyused,hydraulicsystemhasbecomethemostkeyhostdevicesoneofthepart.Thispapermainlystudiesishydraulictransmissionsystem,hydraulictransmissionsystemdesignneedsandhostoftheoveralldesignsimultaneously.Whenthedesign,mustfromactualconditions,organicallycombinedwithallkindsoftransmissionform,givefullplaytotheadvantagesofhydraulictransmission,strivetodesignasimplestructure,reliableoperation,highefficiencyandlowcost,simpleoperation,convenientmaintenancehydraulicdrivesystem.

Keywords:

cylindricalgrinder;Worktable;Hydraulicsystem;principle

目　　录

1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Grindingmachine），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、曲轴磨床等[2]。

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，而精密磨削加工会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，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应小于1um，轴向圆跳动应限制在2—3um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外圆磨削和端面外圆磨床

1.外圆磨削

在外圆磨削过程中，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。

基本得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。

事实上，外圆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.端面外圆磨床及其特点

端面外圆磨床是外圆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外圆磨床相似，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1－3所示，数控端面外圆磨床MKS1632A的砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜30°。

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40－60m/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。

2机床的总体描述

2.1机床的结构

M1432A型万能外圆磨床是普通精度等级万能外圆磨床，主要用于磨削圆柱形和圆锥形的外圆和内孔，还可以磨削阶梯轴的轴肩和端平面。

机床应达到的加工精度和表面粗糙度如表2.1所示。

表2.1M1432A型万能外圆磨床（最大磨削长度1000mm）的加工质量

加工方法、工件及其装夹方式

表面粗糙度

圆度公差

圆柱度公差

精磨外圆工件支承在前、后尖上，不用心

架；工件尺寸：

直径60mm长度500mm。

Ra0.16~0.32um

3um

5um

精磨外圆工件装夹在夹盘上，不用中心架；工件尺寸：

直径50mm，悬伸长度150mm。

Ra0.16~0.32um

5um

精磨内孔工件装夹在夹盘上，不用中心架；工件尺寸：

孔径62.5mm，长度125mm。

Ra0.32~0.63um

这种机床适用于工具车间、机修车间和单件、小批生产车间。

由于机床自动化程度较低，磨削效率不够高，所以，它不宜用于大批量生产车间。

2.2机床的总体布局

M1432A型万能外圆磨床由下列各主要部分组成，见图2.2。

1、床身1：

是磨床的基础支承件，它支承着工作台、头架、尾架、垫板及横向滑鞍、砂轮架等部件，使它们在工作时保持准确的相对位置。

床身内腔用作液压油的油池。

2、头架2：

用以装夹工件，并带动工件旋转。

3、尾架5：

尾架顶尖和头架顶尖一起，用以支承工件。

4、工作台8：

它由上工作台和下工作台两部分组成。

上工作台可绕下工作台的心轴在水平面内调整至某一角度位置，用以磨削锥度较小的长圆锥面。

工作台面上装有头架和尾架，它们同工作台一起沿床身导轨作纵向往复运动。

5、砂轮架4：

用以支承并传动高速旋转的砂轮主轴。

砂轮架装在滑鞍6上，当需要磨削短圆锥面时，砂轮架可以调整至一定的角度位置。

6、内圆磨具3：

用以支承磨内孔的砂轮主轴。

内圆磨具主轴由专门的电动机驱动。

7、滑鞍6及横向进给机构：

转动横进给手轮7，可以使横进给机构带动滑鞍6及砂轮架沿床身垫板的导轨作横向移动。

也可以利用液压装置，使滑鞍6作周期的自动切入进给。

此外，在床身内还有液压传动装置。

图2.2M1432A型万能外圆磨床外形图

2.3机床的主要技术性能

外圆磨床的主要参数为磨削工件的最大直径，本机床的主参数为320mm。

外圆磨削直径8～320mm

外圆最大磨削长度1000mm；1500mm；2000mm

内孔磨削直径30～100mm

内孔最大磨削长度125mm

磨削工件最大重量150kg

砂轮尺寸

砂轮转速1670r/min

头架主轴转速6级：

25，50，80，112，160，224r/min

内圆砂轮转速10000r/min；15000r/min

工作台纵向移动速度（液压无级调速）0.05～4m/min

机床外形尺寸（三种规格）3200，4500，5800kg

3机床的机械传动系统

M1432A型机床，除工作台的纵向往复运动、砂轮架的快速进退及尾架顶尖套筒的缩回为液压传动外，其于运动都是机械传动的。

机械传动系统如（图3.3）

图3.3M1432A型万能外圆磨床传动系统图

3.1头架（带动工件）的传动

此传动链用于实现工件的圆周进给。

运动由双速电动机驱动，经三级皮带传动，使头架的拨盘拨动工件，实现圆周进给。

这时，主轴本身是不旋转的。

3.2外圆砂轮的传动

砂轮主轴的运动是砂轮架电动机（1440r/min，4kw）经4根三角带直接传动的。

3.3内圆磨具的传动

内圆磨具主轴由电动机（2840r/min，1.1kw）经平皮带直接传动。

更换平皮带轮，主轴可获得2种转速。

内圆磨具装在内圆磨具支架上。

为了保证工作安全，内圆磨具电动机的启动与内圆磨具支架的位置有联锁的作用，只有当支架翻到磨削内圆的工作位置时，电动机才能启动。

此外，当支架翻到磨内圆位置时，砂轮架快速进退手柄就在原位置上自动联锁住，这时，砂轮架不能快速移动。

3.4工作台的手动驱动

调整机床及磨削阶梯轴的台阶时，工作台还用手轮A驱动。

当液压传动工作台纵向往复运动时，为了避免工作台带动手轮A快速转动以致碰伤工人，液压传动和手轮A的传动有联所作用（原理在液压传动中论述）。

3.5滑鞍及砂轮架的横向进给运动

横向进给运动，可用手转动手轮B来实现，也可由进给柱塞油缸驱动，实现周期的自动进给。

横向进给的传动路线表达式为；

当手轮B转l圈时，若经齿轮副50/50传动，砂轮架横向移动量为2mm。

手轮B的刻度盘D圆周上分为200格，所以，粗进给时刻度盘D每格的进给量为0.01mm，同理，细进给每格的进给量为0.0025mm。

在磨削一批尺寸相同的工件时，为了节省时间及简化操作，通常在试磨第一个工件达到要求的直径后，调整刻度盘上挡块F的位置，使它在横向进给磨削至所需直径时，正好与固定在床身前罩上的定位爪相碰。

因此，磨削后继的工件时，只须转动横进给手轮B，直到挡块F与定位爪相碰时，就达到所需的磨削直径。

应用这种方法，磨削过程中测量工件直径尺寸的次数可显著地减少。

但是，当砂轮磨损或修正后，工件尺寸就要变大，此时，必须重新调整刻度盘D上挡块F的位置，以补偿由于砂轮直径减少带来的影响。

4机床的液压传动系统

液压传动具有传动平稳、无级调速方便、换向频率较高等优点，所以在磨床上得到了广泛的应用。

液压传动系统如（图4.1）

图4.1M1432A型万能外圆磨床的液压系统图

4.1本机床液压系统的功用

1、工作台纵向往复运动：

工作台能在0.05～4m／min之间进行无级调速，并能作低速无爬行运动以精修砂轮。

工作台换向过程平稳，起动、停止迅速。

为磨削阶梯轴和阶梯孔，工作台具有较高的换向精度，以防止砂轮碰撞工件台阶，造成事故。

为了避免工件两端因磨削时间较短而引起外圆尺寸偏大（或内孔尺寸偏小），工作台换向时能作短时间停留，其停留时间可在l～0.5s范围内进行调节。

为了减小横向切入磨削时的表面粗糙度及提高磨削较短工件的磨削效率，工作台能实现高频率、短行程的换向（通常称抖动）。

为保证安全操作，机床工作台的液压驱动和手动操作能互锁。

2、砂轮架快速进退：

为提高生产率、缩短辅助时间，保证操作安全，砂轮架能快速进退。

3、尾架套筒的液压驱动退回。

4、液压消除砂轮架丝杠一螺母副间隙。

5、导轨及丝杠一螺母副的润滑。

6、液压周期自动进给。

4.2液压系统的工作原理

M1432A型万能外圆磨床液压系统的主要元件有：

定量液压泵其功用是供给系统压力油。

它由电动机带动，油液通过滤油器被吸入液压泵，使机械能转换成液压能。

自液压泵输出的压力油，一路至换向阀，一路至砂轮架快速进退阀，一路至精滤油器,多余的油液经溢流阀流回油池；

工作台液压缸其功用是在压力油作用下，带动工作台进行往复运动，使液压能转换成机械能；

溢流阀其功用是使液压系统油液保持一定压力，并溢出液压系统中多余油液回油池；

先导阀及换向阀其功用是改变油液的方向，以控制工作台的运动方向；

开停阀它是一个转阀，A、B、C、D,为其四个剖面，A,B二剖面连接在工作台液压缸的回油路上，它能接通或断开主油路，起着开停作用，故称开停阀；

节流阀其功用是通过改变其开口的大小来控制流过油液的流量。

它连结在主油路的回油路上（E、F是其二个剖面），所以，调节节流阀开口的大小，可以改变回油路的流量，从而改变工作台的移动速度实现无级调速；

液压缸是砂轮架快速进退用的液压缸。

液压系统的具体工作情况如下:

（1）工作台的纵向往复运动:

如图4.1所示位置。

开停阀打开，节流阀处于开口最大的位置，这时工作台向左运动。

主油路中的油流为：

进油路泵—油路1—换向阀—油路3—工作台液压缸的左腔，则液压缸推动工作台向左运动。

回油路工作台液压缸的右腔—油路2—换向阀—油路4—先导阀—油路22—开停阀的A剖面—轴向槽—B断面—油路23—节流阀F断面—轴向槽—E断面—油箱。

当工作台左移至行程终点时，工作台上右边的行程挡块碰换向拨杆，使先导阀移至右端。

换向阀在压力油的作用下也被推向右端位置，因而改变了主油路中油流的方向，使工作台反向运动。

这时主油路油流为

进油路泵—油路l—换向阀—油路2—工作台液压缸右腔：

则液压缸带动工作台向右运动。

回油路工作台液压缸左腔—油路3—换向阀—油路5—先导阀—油路22—开停阀A断面—轴向槽—B断面—油路23—节流阀F断面—轴向槽—E断面—油箱。

当工作台向右运动到行程终点时，工作台右边的挡块碰到换向拨杆，使先导阀移至左端。

换向阀在压力油的作用下也被推向左端。

又改变了主油路中油流的方向，工作台又向左运动。

如此反复，工作台就不停地作往复运动。

无论工作台向左或向右运动，其主油路的回油都经过节流阀，所以改变节流阀开口的大小就可以使工作台运动进行无级调速。

（2）工作台运动的速度调节

由上述可知，工作台液压缸的回油，都是经节流阀流回邮箱的。

所以旋转节流阀，改变节流口（E断面上周围方向的三角槽）开口大小，便可使工作台的运动速度在0.05～4mm范围内做无级调整。

由于节流阀装在回油路上，液压缸的回油腔有一定背压，造成阻尼，因而防止震动，可是工作台运动平稳，而且比较易实现低速运动。

（3）工作台的换向过程

工作台的换向是由工作台行程挡块碰换向拨杆操纵的，它首先推动先导阀移动，从而改变控制油路的油流方向，并使换向阀移动；然后再由换向阀改变主油路的油流方向，从而实现工作台的反向运动。

图4.1中，控制工作台运动的主油路用实线表示，而控制换向阀运动的控制（辅助）油路用虚线表示。

工作台的换向包括工作台的减速制动、瞬时停留及反向起动三个过程。

现以工作台向右运动至行程终点时的换向为例来说明上述过程。

当工作台向右运动至行程终点时（图4.1），工作台左边的行程挡块碰换向拨杆，使先导阀右移，阀杆的制动锥将主油路口逐步减小，对工作台起缓冲、减速与制动作用。

当回油口5关闭时，控制油路7与9接通，而8与油池相通，因而由精滤油器来的压力油经7—9—顶开单向阀12—油路13—换向阀右端，推动换向阀移动。

换向阀的移动随着其左端控制油路回油路线的不同而依次分三步进行：

换向阀第一次快跳当辅助油路8直通油池时，换向阀左湍的回油经油路8直接流回油池，毫无阻力，故阀杆移动速度很快，出现换向阀的第一次快跳，从而加快工作台的减速与制动。

换向停留当换向阀向左移动盖住左端油路8时，换向阀左端的回油只能经节流阀流回油池，换向阀移动很慢。

在这一过程中，换向阀阀杆中间的轴肩正好移到阀体中间沉割槽处，由于中间沉割槽比阀杆中间轴肩宽，故液压缸两腔油路连通，工作台迅速停止运动，实现工作台瞬时停留。

改变节流阀（右端）及（左端）的开口大小，就可控制换向阀阀杆移动的速度，从而控制工作台行程终点的停留时间。

换向阀第二次快跳当换向阀阀杆移到它的左端环槽使油路l0和8接通时，其回油路线为：

换向阀左端—油路12—油路10—换向阀左端环槽—油路8—先导阀—油池。

回油又畅通，换向阀实现第二次快跳。

这时主油路被迅速换向，工作台反向启动。

换向阀的移动，控制了工作台反向的三个过程。

第一次快跳的目的是为了缩短减速制动过程，第二次快跳的目的是为了缩短启动时间、迅速起步，而换向停留则是磨削加工的需要，也是为了减少冲击、保证换向平稳。

当开停阀居处于“开”的位置时，从主油路l来的压力油经开停阀剖面和油路15，进入手摇机构液压缸K，推动活塞移动，使一对啮合齿轮脱开，因此，工作台液压驱动时，手轮A不会转动。

当把开停阀转过90°至“停”位置时，开停阀剖面关闭通往节流阀F的回油路，而开停阀剖面此时将液压缸。

两腔连通，工作台停止运动。

手摇机构液压缸K中的油经油路15开停阀剖面的径向孔流回油池。

活塞在弹簧作用下退回，使齿轮重新啮合，此时就可通过摇动手轮来移动工作台。

2、砂轮架的快速进退：

砂轮架的快速进退运动由手动二位四通换向阀（砂轮架快速进退阀）控制。

当它的右位接入系统时，砂轮架快速前进，其液压回路为：

进油路：

油路1—进退阀—油路26—单向阀I4—砂轮架快速进退液压缸右侧，然后由活塞经丝杠、螺母带动砂轮架快速前进。

回油路：

砂轮架进退缸左腔—油路25—进退阀—油箱。

扳动快进阀手柄，使阀的左位接入系统时，通道1—25接通、25—油箱接通，于是砂轮架快速后退。

砂轮架在快进位置时，进退阀手柄使行程开关1XK接通，使头架电动机旋转，冷却泵启动，于是即可进行磨削。

砂轮架后退时，行程开关断开，头架电动机和冷却泵自动停止。

当内圆模具支架翻下到磨削工作位置时，使一微动开关闭合，电磁铁1DT通电，将快速进退阀的手柄锁住在快进位置上，这样就可避免因误动作而引起砂轮架后退，发生砂轮和工件相撞的事故。

3、尾架套筒的退回：

为了便于装卸工件，尾架套筒退回运动由脚踩式换向阀来控制。

脚踩换向阀，压力油进入尾架缸，使尾架套筒退回；松开换向阀（如图示位置），阀P在左端弹簧的作用下切换至左边通路，尾架缸的油液与油池相通。

尾架套筒在右端弹簧力作用下向外伸出。

为保证操作安全，将操纵尾架套筒退回的压力油与砂轮架快速进退液压缸左腔相通，即当砂轮架处于快退位置时，脚踏投向阀，压力油才进入尾架缸；而当砂轮架处于快进时，尾架缸所接的左腔与油池相通，脚踏尾架阀也不能使尾架套筒退回。

所以，在液压系统中使砂轮架的快进运动与尾架套筒的退回产生了互锁，从而保证了操作安全。

4、消除砂轮丝杠一螺母的间隙：

图4.1上柱塞缸N（闸缸），固定在垫板上，压力油进入柱塞缸N中，推动柱塞顶紧砂轮架，从而消除砂轮架丝杠一螺母的间隙。

5、导轨及砂轮架丝杠一螺母副的润滑：

压力油经精滤油器到润滑油稳定器，分别润滑平导轨、V形导轨及砂轮架丝杠一螺母副