磨床砂輪架設計制造中若干問題的探討與分析

徐桂蘭，趙利平，焦小明

（陜西工業職業技術學院，陜西咸陽 712000）

砂輪架是磨床的關鍵部件，它不但擔負著磨床的主運動，而且其精度要求對保證工件的加工精度起著非常重要的作用。不同磨床砂輪架要根據加工對象的不同和工作狀況的差異分別提出不同的結構、尺寸、精度、裝配關系及其制造工藝等。本文就砂輪架設計、制造、裝配等方面對其進行比較研究，說明設計與制造砂輪架時各種零件性能相互間的配合關系，從而滿足不同性能的要求，做到品質、效益、效率三統一。

1 正確分析砂輪架的使用性能

各種用途的砂輪架有其性能要求的特殊性，但作為砂輪架本身，由于其加工工藝范圍和加工方式的基本相同，其性能有其相同的共性，主要表現在砂輪架應滿足結構緊湊、高剛性、小變形;主軸工作時應回轉平穩、運行可靠;機床加工時主軸精度及性能應高度穩定。砂輪架雖然不參與工件的成形運動，但其回轉精度卻對零件的加工表面品質、形狀精度等都有很大的影響。砂輪架除要滿足其共性的要求外，更重要的是滿足其特殊要求，。轉速是影響砂輪架特殊性能的最重要因素，因此砂輪架的設計制造中應密切注意轉速高低，重點研究轉速對其性能的影響，主要解決轉速對砂輪架力學、熱學、精度及其穩定性、表面粗糙度等性能的影響問題。根據不同的速度要求，有目的選擇不同的設計方案，采取不同的零件結構、組件和部件裝配方式，采用適合的裝配方法，砂輪架的設計制造只有充分體現了其特殊性能的要求，才能使其應用于不同的工作條件和環境下;其次主要考慮到磨床的加工材料范圍，磨床的加工材料不僅影響機床的加工精度，重要的是影響機床的受力變形、熱效應、應力大小等，它對磨床的結構、強度、功率大小等都有很大的影響，尤其是對機床熱學特性的復雜性和多變性的影響。所以機床空載下的熱學特性（溫升、熱態幾何精度等）已作為衡量精密機床的重要指標，其主軸承空運轉溫度已成為機床主要性能標準。例如金剛石專用磨床以5 500 r/min轉速磨削金剛石等特硬材料時、普通磨床以2 500 r/min的轉速磨削各種工具鋼時，一般對主軸都提出了主軸承空運轉2 h，溫度≤40℃（夏季溫升≤25℃）的指標要求。所以正確的分析砂輪架的工作性能和工作條件，正確理解砂輪架的技術要求和精度指標要求，是做好砂輪架設計與制造的關鍵所在。

2 正確選擇設計方案

砂輪架的裝配傳動關系比較簡單，一般在砂輪架箱體中不設計傳動零件，只在電動機與主軸間設計一級皮帶傳動或升速或降速即可，現在也有逐漸將電主軸、磁懸浮主軸等等引人一般磨床砂輪架結構中的趨勢。不論是哪種結構的砂輪架與何種方式的傳動，一般都要解決好以下的關系。

2.1 主軸的支承方式

砂輪架主軸在工作中主要承受徑向力、軸向力、彎矩、扭矩等。由于砂輪架使用性能的要求，其主軸的支承距離較小。主軸的軸向采用一端固定一端自由的安裝方式，其前端為自由端，后端為固定端。這一方面可以消除由于主軸受熱沿軸向的伸長而附加的軸向應力，另一方面又可以減少由于砂輪架受熱后的徑向抬高（一般說前頭的抬高比后頭的抬高要大）使軸向擋圈（止推圈環）與軸心線偏斜更大而更加重軸肩與擋圈（止推圈）的摩擦與磨損，有利于機床的精度穩定和保持。對于采用滑動軸承支承的砂輪架，應對主軸設計軸向磨損自動補償機構，而對滾動軸承支承則可以不對其進行補償設計，其磨損較小。

2.2 軸承的選擇與安裝

在載荷不太大、轉速不太高的情況下，主軸軸承較適于采用三片、五片瓦動壓滑動軸承組合，其徑向間隙由調整螺釘調整，軸瓦的傾斜度可以隨軸徑位置不同而自動調整，以適應軸的彈性變形和偏斜等。但其極限轉速相對較低，對徑向間隙的變化非常敏感。該軸承組合通過軸肩來確定軸向位置和軸向間隙，并且回轉時軸肩與止推圈之間為滑動摩擦，限制了軸承極限轉速的提高，適合于轉速較低的主軸部件。

對于主軸轉速高，中、高載荷的磨床，根據其加工的具體情況，宜使用滾動軸承組合比較合適。一般前軸承主要承擔徑向力，后軸承主要承受軸向力也可承受一定的徑向力。經過分析與生產檢驗，前軸承選擇圓柱或圓錐滾子類軸承較好。圓錐孔圓柱滾子軸承，其極限轉速較高，承載能力較大，可以通過調整內圈的軸向位置來對軸承進行徑向預緊調整，使軸承始終在無間隙的情況下進行運轉，很適于機床前軸承的支承。后軸承則選用角接觸球軸承較為合適，并采用面對面的安裝組合。此組合安裝方便、維修容易，對軸及軸承孔的加工精度要求較低，經濟性較好，同時對磨床的精度影響不大。后軸承對砂輪架的精度影響可以通過對主軸的誤差方向和大小測量掌握，使其對前軸承的誤差還可起抵消的作用，但此安裝方式沒有背對背安裝時支承剛度高。磨床砂輪架軸承精度一般要達到D級及以上的等級要求，對于一些高速、重載、精度較高的磨床主軸其支承應考慮對皮帶輪的卸載設計，一般磨床則因為通常皮帶輪位于主軸的后端，其彎曲對加工精度影響不很大，可以不考慮卸載的問題。

2.3 選擇軸承系列

按照上述的安裝方式，軸承系列的選擇或軸承寬度的選擇直接影響主軸的精度。如果軸承系列選擇不當，則會造成軸承的承載能力不足或對主軸及箱體軸承孔的安裝精度要求過高。在高速，中、高載的情況下，軸承應選用寬系列或雙列軸承，如果采用滑動軸承應該選擇長瓦形式的軸承。采用滾動軸承，其前軸承宜用寬系列或雙列滾動軸承、后軸承選用成對安裝的單列球軸承的組合。寬系列軸承對軸撓曲變形的適應性較低，安裝的剛度也偏低，對軸及軸承孔的要求較高。這是因為軸承運行是在預緊的條件下進行，其預緊量不但要足夠而且須均勻，如果軸承發生偏斜，則會加大軸承的不均勻磨損，影響砂輪架的使用性能和壽命。若砂輪架屬于中速，低、中載系列的用途，則應該選擇普通系列軸承。

2.4 軸承與軸、孔的配合

磨床主軸轉速高、載荷大、振動大、工作溫度高，其主軸與軸承內圈的配合較緊，變形較大，殼體孔與軸承的配合則采用較松的配合;三片瓦或五片瓦動壓軸承始終處于間隙狀態下工作，因此軸承內孔與軸徑為間隙配合，間隙大小及變化將影響軸承的工作性能，其值有嚴格一致的規定要求。

2.5 潤滑

軸承的潤滑方式與潤滑液影響軸承的發熱與散熱。對于普通磨床軸承選用油潤滑，方式為浸油飛濺式，其潤滑及冷卻效果好;對于高速，中、高載荷磨床考慮到高速攪油損失、發熱以及維修的方便，且易于密封、效果好，宜采用脂潤滑。

2.6 密封

普通磨床轉速不高利用橡膠圈密封。對于較高速、中或高載荷的砂輪架，加工硬度高的材料時，為防止磨屑碎粒對軸承的磨粒磨損和有效的密封，選擇非接觸迷宮式密封，該密封方式簡單易行，可靠穩定，而對散熱的不利影響并不大。

3 零件結構設計與技術要求

砂輪架零件較少。主要零件有砂輪架殼體、主軸、皮帶輪等，因為這些零件在工作中都處于高速回轉狀態，因此其結構、技術要求對砂輪架的工作性能有很大的影響。

3.1 殼體的結構與技術要求設計

砂輪架殼體是裝配砂輪架的基礎件，其結構應主要滿足大剛性，足夠的強度，抗振、吸振能力強，精度穩定，容易加工等，所以殼體零件的尺寸應盡量小，尤其是軸向尺寸盡量小，以保證其高剛性的要求;殼體的安裝基面應平直，表面粗糙度要細;軸承孔的尺寸、形狀精度高，與基面應嚴格平行，對于動壓滑動軸承等中心可調的軸承組合，箱體軸承孔的同軸度要求較低，一般達到0.01 mm級就可滿足要求。對于滾動軸承尤其是寬系列軸承，其同軸度要求很高，一般須達到0.001 mm級才可達到使用要求，如0.005 mm等。

3.2 主軸的設計與技術要求

砂輪架主軸上無傳動零件，其結構比較簡單，一般也設計為階梯軸，材料選擇應滿足高穩定性要求，支承軸徑處的尺寸精度、形狀精度、位置精度隨著軸承組合的不同而有所區別:采用動壓滑動軸承組合的主軸，其軸徑的形狀精度要求很高，一般達到0.001～0.002 mm，而支承軸徑間的同軸度要求相對較低，一般包括在尺寸精度范圍內即可。對于滾動軸承尤其是寬系列或雙列滾動軸承組合，其形狀精度要求相對較低達到0.003～0.005 mm即可，但對支承軸徑的同軸度要求很高一般須達到0.003～0.005 mm，這是由于后者徑向游隙和預緊量是通過內圈的外脹變形來調整，軸承始終處于預緊變形條件下工作，外脹變形量很難精確控制，提高軸徑的形狀精度對保證軸承的安裝精度意義不大，而前者則對徑向間隙非常敏感，它將影響主軸的回轉精度、承載能力和液體摩擦的形成條件以及軸承的回轉平穩性，例如某金剛石專用磨床主軸頸的徑向跳動要求為0.005 mm，普通磨床主軸支承軸頸徑向跳動精度要求為0.0015 mm，后者比前者徑向跳動精度高的多。主軸上螺紋、圓錐面等連接緊固面應嚴格與主軸中心線同軸，否則容易引起連接不可靠，主軸緊固彎曲等裝配缺陷。

4 制造裝配方法

砂輪架的制造工藝主要考慮殼體兩軸承孔的同軸度、主軸的尺寸及形狀精度、裝配精度的調整等。

4.1 殼體軸承孔的加工

對于高速，中、高載荷磨床，其滾動軸承組合要求安裝同軸度很高，因此要求砂輪架殼體孔具有高精度的同軸度以及軸承內孔與軸徑接觸的高剛性要求，兩者的精度指標分別需達到微米級和80%以上的接觸面積（對于圓錐孔軸承，且須在大端接觸），才能使軸承安裝穩定、位置準確、回轉平穩，因此殼體軸承孔的加工工藝采用同心研磨棒研磨，保證同軸度為微米級;而對于較低轉速，中、低載荷、三片瓦、五片瓦軸承安裝時，其中心可作相應的調整，采用調頭鏜已能滿足同軸度絲米級精度要求。

4.2 主軸的加工

磨床主軸的加工精度，根據不同的安裝方式其要求有較大的區別，主軸支承軸徑處的尺寸、位置、形狀精度是其加工精度的主要指標。磨床的最終加工方法一般都要通過超精加工完成，加工中的定位基準——頂尖孔的加工和修復安排要合理，精度足夠，至少其精度應比工件的相應精度要求高一級。

4.3 主軸軸向竄動調整

主軸軸向竄動均采用配磨墊片來調整，因滑動與滾動推力軸承摩擦性質不同，因此對于普通磨床和金剛石專用磨床，其配磨墊片的端面跳動前者為0.003 mm，后者為0.005 mm，前者墊片的位置和形狀精度比后者要求高。

5 砂輪架裝配工藝

砂輪架的零件與組件較少，其裝配過程較簡單，但仍然有一些應該注意的問題。高速回轉的零件裝配前必須進行靜、動平衡，軸、軸組件以及砂輪架部件裝配方法，對保證砂輪架的精度影響很大。在批量生產時，一般用調整法進行裝配，批量不大的情況下，可采用修配法進行裝配。在調整法裝配中有的砂輪架結構以及主軸組件結構通過在砂輪架殼體中的調整進行裝配，有的結構則可以將軸組件裝配好后再整體裝入砂輪架殼體。

6 結論

砂輪架設計方案、制造及裝配其精度要求隨著加工條件的改變有很大的不同。設計、制造砂輪架時不僅需從機床整體設計、制造、裝配、潤滑、密封等環節進行詳盡考慮，而且還應從零件的關鍵精度指標上提出合理科學的要求，當出現矛盾的時候，要綜合考慮，取舍合理，措施恰當。如某金剛石專用磨床砂輪架殼體的兩個主軸承孔同軸度要求不合理（與普通工具磨床的殼體孔同軸度要求相同均為0.025 mm），導致軸承裝配后空運轉的溫升大大超過國家標準要求。又如某磨床砂輪架主軸徑向與軸向精度高低顛倒反向，導致的主軸裝配卡死故障（另有文章介紹），就是沒有考慮到主軸的具體裝配情況和各個零件的使用要求與條件，以及裝配工藝與機床精度指標不匹配等問題。前者殼體孔之間同軸度0.005 mm的精度指標，后者現行的裝配工藝（另有文章介紹），正是經過分析與不斷改進后確定的。

［1］中國機械設計大典編委會.中國機械工程學會中國機械設計大典［M］.三卷.南昌:江西科學技術出版社，2002.

［2］許鎮宇，邱宣懷.機械零件［M］.北京:人民教育出版社，1981.

［3］機床設計手冊編寫組.機床設計手冊［M］.第三冊.北京:機械工業出版社，1986.

［4］天津大學機械零件教研室.機械零件手冊［M］.北京:人民教育出版社，1981.