磨床砂轮架设计与制造研究
发布时间：2015-10-19胡建辉 焦小明
（陕西工业职业技术学院，咸阳 712000）
关键词：砂轮架；设计；制造；比较；分析
1 正确选择设计方案
砂轮架结构与装配关系，由于其使用性能的要求，其传动关系比较简单，一般在砂轮架箱体中不设计传动零件，只在电动机与主轴间设计一级皮带传动或升速或降速即可，现在也有逐渐将电主轴、磁悬浮主轴等等引人一般磨床砂轮架结构中的趋势。不论是哪种结构的砂轮架与何种方式的传动，一般都要解决好以下的关系。
1.1主轴的支承方式选择（径向、轴向、调整）
砂轮架主轴在工作中主要承受径向力、轴向力、弯矩、扭矩等的作用。由于砂轮架使用性能的要求，其主轴的支承距离较小，主轴的支撑方式通常采用两支点的方式已足够满足其工作要求。尤其是工具磨床更是如此。主轴的轴向采用一端固定一端自由的安装方式，其前端为自由端，后端为固定端。这一方面可以消除由于主轴受热沿轴向的伸长而附加的轴向应力，另一方面又可以减少由于砂轮架受热后的径向抬高（一般说前头的抬高比后头的抬高要大）、使轴向挡圈（止推圈环）与轴心线偏斜更大而更加重轴肩与挡圈（止推圈）的摩擦与磨损，有利于机床的精度稳定和保持。对于采用滑动轴承支承的砂轮架，应对主轴设计轴向磨损自动补偿机构，而对滚动轴承支承则可以不对其进行补偿设计，一般其磨损较小。
1.2轴承选择与安装
在载荷不太大、转速不太高的情况下，主轴轴承较适于采用三片、五片瓦动压滑动轴承组合，其径向间隙由调整螺钉调整，轴瓦的倾斜度可以随轴径位置不同而自动调整，以适应轴的弹性变形和偏斜等。但其极限转速相对较低，对径向间隙的变化非常敏感。该轴承组合通过轴肩来确定轴向位置和轴向间隙，并且回转时轴肩与止推圈之间为滑动摩擦，限制了轴承极限转速的提高，适合于转速较低的主轴部件。
而对主轴转速高，中、高载荷的磨床，根据其加工的具体情况，宜使用滚动轴承组合比较合适。一般前轴承主要承担径向力，后轴承主要承受轴向力也可承受一定的径向力。经过分析与生产检验，前轴承选择圆柱或圆锥滚子类轴承较好。对于圆锥孔圆柱滚子轴承，其极限转速较高，承载能力较大，可以通过调整内圈的轴向位置来对轴承进行径向预紧调整，使轴承始终在无间隙的情况下进行运转，很适于机床前轴承的支承后轴承则选用角接触球轴承较为合适，并采用面对面的安装组合。此组合安装方便、维修容易，对轴及轴承孔的加工精度要求较低，经济性较好，同时对磨床的精度影响不大。因为按照误差的传递规律，后轴承的安装精度对磨床的砂轮架的回转精度影响没有前轴承的影响大。后轴承对砂轮架的精度影响可以通过对主轴的误差方向和大小测量掌握，使其对前轴承的误差还可起抵消的作用，但此安装方式没有背对背安装时支承刚度高。磨床砂轮架轴承精度一般要达到D级及以上的等级要求，对于一些高速、重载精度较高的磨床主轴其支承应考虑对皮带轮的卸载设计，一般磨床则因为通常皮带轮位于主轴的后端，其弯曲对加工精度影响不很大，可以不考虑卸载的问题。
1.3轴承与轴、轴承孔的配合磨床主轴转速高、载荷大、振动大、工作温度高，其主轴与轴承内圈的配合较紧，变形较大，壳体孔与轴承的配合则采用较松的配合；三片瓦或五片瓦动压轴承始终处于间隙状态下工作，因此轴承内孔与轴径为间隙配合，间隙大小及变化将影响轴承的工作性能，其值有严格一致的规定要求。
1.4润滑
轴承的润滑方式与润滑液的选取，将影响轴承的发热与散热状况。对于普通磨床轴承选用油润滑，方式为浸油飞溅式，其润滑及冷却效果好；对于高速，中、高载荷磨床考虑到高速搅油损失、发热以及维修的方便，且易于密封、效果好，宜采用脂润滑。
1.5密封
普通磨床转速不高利用橡胶圈密封。对于较高速、中或高载荷的砂轮架，加工硬度高的材料时，为防止磨屑碎粒对轴承的磨粒磨损和有效的密封，选择非接触迷宫式密封，该密封方式简单易行，可靠稳定，而对散热的不利影响并不大。
2 正确设计零件结构与技术要求
砂轮架零件较少，主要零件有砂轮架壳体、主轴、皮带轮等，因为这些零件在工作中都处于高速回转状态。因此其结构、技术要求对砂轮架的工作性能有很大的影响。
2.1砂轮架壳体的结构与技术要求设计
砂轮架壳体是装配砂轮架的基础件，砂轮主轴组件将装配于其中。按照砂轮架的使用性能要求以及其工作条件，壳体结构应主要满足大刚性，足够的强度，抗振、吸振能力强，精度稳定，容易加工等，所以壳体零件的尺寸应尽量小，尤其是轴向尺寸尽量小，以保证其高刚性的要求。壳体的安装基面应平直，表面粗糙度要细。轴承孔的尺寸、形状精度高，与基面应严格平行。对于动压滑动轴承等中心可调的轴承组合，箱体轴承孔的同轴度要求较低，一般达到丝米级就可满足要求。对于滚动轴承尤其是宽系列轴承，其同轴度要求很高，一般须达到微米级才可达到使用要求，如0.005等。
2.2主轴的设计与技术要求
砂轮架主轴结构由于其上无传动零件，所以比较简单，一般也设计为阶梯轴，但其尺寸及形位精度、表面粗糙度等应满足结构与安装高刚性的要求，材料选择应满足高稳定性的要求，支承轴径处的尺寸精度、形状精度、位置精度随着轴承组合的不同而有所区别：采用动压滑动轴承组合的主轴，其轴径的形状精度要求很高，一般达到0.001-0.002，而支承轴径间的同轴度要求相对较低一般包括在尺寸精度范围内即可。对于滚动轴承尤其是宽系列或双列滚动轴承组合，其形状精度要求相对较低达到0.003-0.005即可，但对支承轴径的同轴度要求很高一般须达到0.003-0.005，这是由于后者径向游隙和预紧量是通过内圈的外胀变形来调整，轴承始终处于预紧变形条件下工作，外胀变形量很难精确控制，提高轴径的形状精度对保证轴承的安装精度意义不大，而前者则对径向间隙非常敏感，它将影响主轴的回转精度、承载能力和液体摩擦的形成条件以及轴承的回转平稳性，例如某金刚石专用磨床主轴颈的径向跳动要求为0.005mm，普通磨床主轴支承轴颈径向跳动精度要求为0.0015mm，后者比前者径向跳动精度高得多。主轴上的螺纹、圆锥面等连接紧固面应严格与主轴中心线同轴，否则容易引起连接不可靠，主轴紧固弯曲等装配缺陷。
3 正确确定制造加工方法
砂轮架的制造工艺主要考虑壳体两轴承孔的同轴度、主轴的尺寸及形状精度、装配精度的调整等。
3.1壳体轴承孔的加工
根据上述设计方案，对于高速，中、高载荷磨床，其滚动轴承组合要求安装同轴度很高，以免轴承工作时加重扭曲使工作温度急剧升高。因此要求砂轮架壳体孔具有高精度的同轴度以及轴承内孔与轴径接触的高刚性要求（两者的精度指标分别需达到微米级和80%以上的接触面积（对于圆锥孔轴承，且须在大端接触），才能使轴承安装稳定，主轴位置准确、回转平稳，因此壳体轴承孔的加工工艺可采用同心研磨棒研磨，保证同轴度为微米级；而对于较低转速，中、低载荷、三片瓦、五片瓦轴承安装时，其中心可作相应的调整，采用调头世已能满足同轴度丝米级精度要求。
3.2主轴的加工
磨床主轴的加工，都对其精度要求很严。但采用不同的安装方式其精度指标则有较大的区别。主轴的加工精度对于主轴的回转精度影响很大。尤其是支承轴径处的尺寸、位置、形状精度对其影响更大。磨床的Z终加工方法一般都要通过超精加工来完成。加工中的定位基准一顶尖孔的要求较高，要对顶尖孔的加工和修复安排合理，精度足够，至少其精度应比工件的相应精度要求高一级。
3.3砂轮轴轴向窜动调整
两种磨床都采用配磨垫片来调整，考虑到普通磨床轴向窜动时与壳体止推端面间为滑动，金刚石专用磨床轴向窜动时轴承为滚动摩擦，因此垫片端面跳动前者为0.003，后者为0.005，前者垫片的位置和形状精度比后者要求高。
4 正确制定砂轮架装配工艺
砂轮架的零件与组件较少，其装配过程较简单，但仍然有一些应该注意的问题。高速回转的零件装配前必须进行静、动平衡。轴、轴组件以及砂轮架部件装配方法，对保证砂轮架的精度影响很大。在批量生产时，一般用调整法进行装配，批量不大的情况下，可采用修配法进行装配。在调整法装配中有的砂轮架结构以及主轴组件结构通过在砂轮架壳体中的调整进行装配，有的结构则可以将轴组件装配好后再整体装人砂轮架壳体。
5 结论
砂轮架是机床的关键部件，其精度要求随着加工条件的改变有很大的不同。设计、制造时有些问题虽小但对机床加工精度的影响却很大，如果考虑不周将会严重影响机床的使用性能。因此不仅需从机床整体设计、制造、装配、润滑、密封等环节进行详尽考虑，而且还应从零件的关键精度指标上提出合理科学的要求，当出现矛盾的时候，要综合考虑，取舍合理，措施恰当。如某金刚石专用磨床砂轮架壳体的两个主轴承孔同轴度要求不合理（与普通工具磨床的壳体孔同轴度要求相同均为0.025），导致轴承装配后空运转的温升大大超过国家标准要求。其原因就是没有考虑到主轴的具体装配情况和各个零件的使用要求与条件，影响了机床精度，造成了不应有的损失。现在壳体孔之间同轴度0.005的指标要求，正是经过分析与改进后确定的，经验教训可说是深刻的。
来源：《机械设计与制造》