MS7455專用磨床主軸結構的設計研究

祝雁冰

（南通航運職業技術學院，江蘇 南通 226010）

MS7455 專用磨床是用來磨削軟磁鐵氧體的專用磨床。因為軟磁鐵氧體這種材料既硬又脆，而由這種材料做成的磁芯，對平面度及表面粗糙度要求很高，所以，需經過三至四道工序的磨削才能達到要求。國內生產軟磁鐵氧體的行業，大多數用M7475B 立軸圓臺平面磨床來加工，但用這種磨床加工效率較低，能耗較大。某公司為適應市場需求，開發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 磨頭部件的結構設計

磨頭部件作為磨床的核心，其作用是不言而喻的。而磨頭主軸結構的優劣，更是決定機床性能的關鍵，所以磨頭主軸的結構設計顯得尤為重要。該磨頭主軸由內聯式異步電動機直接驅動，通過計算得到的主軸功率為3.26 kW，因此選用的主軸電機額定功率為4 kW，電機的轉速n=2 850 r/min，電機的轉速就是砂輪的轉速。嵌入式電機主軸就是直接將空心的電動機轉子裝在主軸上，如圖2 所示。定子通過冷卻套固定在磨頭箱體孔內，形成一個完整的主軸單元，通電后轉子直接帶動主軸運轉，主軸的變速范圍完全由變頻交流電動機控制，電動機的轉子和磨頭的主軸緊密裝配在一起。嵌裝式磨頭主軸的結構布局方式是電機的定子、轉子置于主軸前、后軸承之間，其優點是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大。

圖2 主軸結構示意圖

2 磨頭主軸支承方案設計

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

兩端浮動支承結構中兩個支承端的軸承都對軸不作精確的軸向定位，因此，都屬于浮動支承。此類支承常用于軸向位置已由其他零件限定的場合。

一端固定一端浮動支承結構是指軸的一個支承端使軸承與軸及外殼孔的位置相對固定，而在軸的另一支承端，使軸承與軸或外殼孔間可以相對移動。這種支承方式運轉精度高，可以補償熱變形引起的軸向間隙，對各種工作條件的適應性強。

兩端固定支承是指兩個支承端都限制軸向移動。這種結構簡單，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。主軸設計成中間通孔的空心形式，便于磨削時冷卻液從中間通過，實現磨削時工作區的冷卻。

在本機床設計時，考慮其受力情況，軸承易磨損，要讓軸承可以自動補償，主軸采用的是下端軸承串聯，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 磨頭主軸的結構設計

由于冷卻的需要，主軸設計成空心結構，且主軸轉速較高，載荷較大，剛度要求較高，同時考慮制造成本等經濟因素，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質處理。

選用的主軸的電機的額定功率為Ps=4 kW,主軸的轉速為n=2 850 r/min，傳動效率η=0.95，計算可得主軸的轉矩：

計算空心軸最小外部直徑，其公式為[1]

式中，

[τ]為許用扭轉切應力（MPa）,查機械設計手冊：[τ]=40 MPa，

系數β 是空心圓軸的內徑與外徑之比。

其中，

d1 為空心軸內徑，

d 為軸的最小外徑。

根據軸強度計算理論，取β=3/7

由于軸截面上有一個鍵槽，式中A 值取100.7

可以計算：

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

使用樹脂結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行，冷卻液能夠提高磨削工件的表面品質。尤其是使用大顆粒磨粒的砂輪粗磨時，冷卻液的作用更為明顯。

由于鐵氧體的磨屑是不連續的粉狀，若沒有磨削液的清洗，磨屑易堵塞砂輪表面使砂輪鈍化，影響磨削效果。此外，若沒有磨削液的冷卻，樹脂結合劑會因高溫燒焦而脫落，影響砂輪磨削效果，進而影響鐵氧體工件表面品質[3]。

由于磨削時會產生大量的切削熱，且砂輪完全覆蓋在工件上，并因為離心力的作用，冷卻水無法從外部到達磨削區域，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內部噴射冷卻方式，在設計時磨頭機構采用空心主軸，使冷卻水從主軸孔內到達砂輪與工件接觸區，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、潤滑效果。

為了方便、節約成本、減少對環境的污染，冷卻液選用過濾后的清水，即不添加任何溶質。冷卻液經過濾、沉淀，可循環使用，不會變質發臭，節約了用水。但是，清水對機器的腐蝕較大，機器用材要特別注意，該機器對易生銹的零件進行了鍍鉻或采用不銹鋼制造。圖3 為主軸結構圖。

圖3 主軸結構詳圖

4 結束語

該主軸結構緊湊，選材得當，加工工藝性好，目前已加工完畢，專機也已安裝并投入實際生產應用，工件品質好，生產效率得到很大提高，產生較好的經濟效益。

[1]張耀宸.機床設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1986.

[2]劉耀乙.材料力學(II)[M].北京：北京理工大學出版社，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研究[J].工具技術,2006，(40):30-33.