祝雁冰

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010）

MS7455 專用磨床是用來(lái)磨削軟磁鐵氧體的專用磨床。因?yàn)檐洿盆F氧體這種材料既硬又脆，而由這種材料做成的磁芯，對(duì)平面度及表面粗糙度要求很高，所以，需經(jīng)過(guò)三至四道工序的磨削才能達(dá)到要求。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)軟磁鐵氧體的行業(yè)，大多數(shù)用M7475B 立軸圓臺(tái)平面磨床來(lái)加工，但用這種磨床加工效率較低，能耗較大。某公司為適應(yīng)市場(chǎng)需求，開(kāi)發(fā)了一種三磨頭四工位的專用磨床。磨床效果圖如圖1 所示：

圖1 專用磨床總體布局

1 磨頭部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磨頭部件作為磨床的核心，其作用是不言而喻的。而磨頭主軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，更是決定機(jī)床性能的關(guān)鍵，所以磨頭主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。該磨頭主軸由內(nèi)聯(lián)式異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，通過(guò)計(jì)算得到的主軸功率為3.26 kW，因此選用的主軸電機(jī)額定功率為4 kW，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=2 850 r/min，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就是砂輪的轉(zhuǎn)速。嵌入式電機(jī)主軸就是直接將空心的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝在主軸上，如圖2 所示。定子通過(guò)冷卻套固定在磨頭箱體孔內(nèi)，形成一個(gè)完整的主軸單元，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)，主軸的變速范圍完全由變頻交流電動(dòng)機(jī)控制，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和磨頭的主軸緊密裝配在一起。嵌裝式磨頭主軸的結(jié)構(gòu)布局方式是電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子置于主軸前、后軸承之間，其優(yōu)點(diǎn)是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大。

圖2 主軸結(jié)構(gòu)示意圖

2 磨頭主軸支承方案設(shè)計(jì)

機(jī)床主軸常用的軸承配置方案有三種：兩端浮動(dòng)支承、一端固定一端浮動(dòng)支承和兩端固定支承。

兩端浮動(dòng)支承結(jié)構(gòu)中兩個(gè)支承端的軸承都對(duì)軸不作精確的軸向定位，因此，都屬于浮動(dòng)支承。此類支承常用于軸向位置已由其他零件限定的場(chǎng)合。

一端固定一端浮動(dòng)支承結(jié)構(gòu)是指軸的一個(gè)支承端使軸承與軸及外殼孔的位置相對(duì)固定，而在軸的另一支承端，使軸承與軸或外殼孔間可以相對(duì)移動(dòng)。這種支承方式運(yùn)轉(zhuǎn)精度高，可以補(bǔ)償熱變形引起的軸向間隙，對(duì)各種工作條件的適應(yīng)性強(qiáng)。

兩端固定支承是指兩個(gè)支承端都限制軸向移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配方便，但不能作精確的軸向定位，尤其不能用于工作溫度較高的場(chǎng)合。

考慮到工件冷卻需要，采用嵌裝式磨頭，盡量加大主軸直徑，一則提高主軸剛性，二則便于冷卻水通過(guò)。主軸設(shè)計(jì)成中間通孔的空心形式，便于磨削時(shí)冷卻液從中間通過(guò)，實(shí)現(xiàn)磨削時(shí)工作區(qū)的冷卻。

在本機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，考慮其受力情況，軸承易磨損，要讓軸承可以自動(dòng)補(bǔ)償，主軸采用的是下端軸承串聯(lián)，承受向上的切削抗力。上端采用向心球軸承與平面軸承相結(jié)合的支承方式，平面軸承承受向上的切削抗力，向心球軸承僅承受徑向力，如圖2 所示。

3 磨頭主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于冷卻的需要，主軸設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，且主軸轉(zhuǎn)速較高，載荷較大，剛度要求較高，同時(shí)考慮制造成本等經(jīng)濟(jì)因素，選取主軸的材料為40Cr，彈性模量E=2.1×106MPa，材料密度DENS=7.82×103kg/mm3，泊松比為0.3，主軸熱處理方法選擇調(diào)質(zhì)處理。

選用的主軸的電機(jī)的額定功率為Ps=4 kW,主軸的轉(zhuǎn)速為n=2 850 r/min，傳動(dòng)效率η=0.95，計(jì)算可得主軸的轉(zhuǎn)矩：

計(jì)算空心軸最小外部直徑，其公式為[1]

式中，

[τ]為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（MPa）,查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：[τ]=40 MPa，

系數(shù)β 是空心圓軸的內(nèi)徑與外徑之比。

其中，

d1 為空心軸內(nèi)徑，

d 為軸的最小外徑。

根據(jù)軸強(qiáng)度計(jì)算理論，取β=3/7

由于軸截面上有一個(gè)鍵槽，式中A 值取100.7

可以計(jì)算：

考慮到主軸中心冷卻液流量和加工工藝問(wèn)題，取空心軸的內(nèi)徑d1=12 mm，最小外徑取d=30 mm，下端軸頸直徑50 mm。

使用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削鐵氧體工件需在有磨削液的條件下進(jìn)行，冷卻液能夠提高磨削工件的表面品質(zhì)。尤其是使用大顆粒磨粒的砂輪粗磨時(shí)，冷卻液的作用更為明顯。

由于鐵氧體的磨屑是不連續(xù)的粉狀，若沒(méi)有磨削液的清洗，磨屑易堵塞砂輪表面使砂輪鈍化，影響磨削效果。此外，若沒(méi)有磨削液的冷卻，樹(shù)脂結(jié)合劑會(huì)因高溫?zé)苟撀洌绊懮拜喣ハ餍Ч?，進(jìn)而影響鐵氧體工件表面品質(zhì)[3]。

由于磨削時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，且砂輪完全覆蓋在工件上，并因?yàn)殡x心力的作用，冷卻水無(wú)法從外部到達(dá)磨削區(qū)域，采用外部噴射冷卻液的方式是不可行的，因此考慮采用高壓大流量?jī)?nèi)部噴射冷卻方式，在設(shè)計(jì)時(shí)磨頭機(jī)構(gòu)采用空心主軸，使冷卻水從主軸孔內(nèi)到達(dá)砂輪與工件接觸區(qū)，在離心力的作用下，冷卻水沿砂輪下端面和工件上平面甩出，帶走磨削熱，起到良好的冷卻、清洗、潤(rùn)滑效果。

為了方便、節(jié)約成本、減少對(duì)環(huán)境的污染，冷卻液選用過(guò)濾后的清水，即不添加任何溶質(zhì)。冷卻液經(jīng)過(guò)濾、沉淀，可循環(huán)使用，不會(huì)變質(zhì)發(fā)臭，節(jié)約了用水。但是，清水對(duì)機(jī)器的腐蝕較大，機(jī)器用材要特別注意，該機(jī)器對(duì)易生銹的零件進(jìn)行了鍍鉻或采用不銹鋼制造。圖3 為主軸結(jié)構(gòu)圖。

圖3 主軸結(jié)構(gòu)詳圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該主軸結(jié)構(gòu)緊湊，選材得當(dāng)，加工工藝性好，目前已加工完畢，專機(jī)也已安裝并投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，工件品質(zhì)好，生產(chǎn)效率得到很大提高，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]張耀宸.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

[2]劉耀乙.材料力學(xué)(II)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

[3]洪求才，趙文祥，等.金剛石砂輪磨削鐵氧體陶瓷表面粗糙度的試驗(yàn)研究[J].工具技術(shù),2006，(40):30-33.