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1前言
彈簧是人們熟悉的機械基礎(chǔ)件，它適用于緩沖或減振，在機械設(shè)備、生活用品上的各種彈性元件都屬于彈簧。彈簧元件在機械設(shè)備中往往處于運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部位，它的質(zhì)量優(yōu)劣對主機的質(zhì)量水平有重要影響。彈簧的優(yōu)劣不僅取決于彈簧材料，還取決于彈簧的加工工藝。中國彈簧行業(yè)專業(yè)化、自動化程度還比較低，不少工序還停留在手工操作水平上。工人勞動強度大、勞動條件差、生產(chǎn)效率低。國外磨簧等關(guān)鍵工序都已實現(xiàn)機械化、自動化。德國磨簧機有10種，中國僅有4種，而且設(shè)備精度較差。為滿足國內(nèi)彈簧生產(chǎn)的需要現(xiàn)設(shè)計立式磨簧機。
磨簧機主要用于彈簧端面的磨削。彈簧鋼絲經(jīng)過卷簧機卷制，形成彈簧的半成品，其兩個端面不平行，還不能滿足使用要求。需要通過磨簧機將半成品的兩個端面磨平，并使兩端面與彈簧的軸線保持一定的垂直度。
磨簧分兩種形式：A.只需將彈簧端面磨平；
B.高度磨削。除了要把彈簧端面磨平外，還要把彈簧磨到指
定的高度。
本課題來源于鹽城市雙圓彈簧廠。為高效率磨削彈簧端面需設(shè)計立式磨機。其
中：
a.磨簧機應(yīng)能滿足加工要求，保證加工精度；
b.磨簧機應(yīng)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單；
c.工件裝卸方便，便于維修、調(diào)整；
d.盡量使用通用件，以便降低制造成本。
在陳祥林老師的指導(dǎo)下，首先進行了方案論證，確定機床總體結(jié)構(gòu)。由于磨簧機是針對彈簧磨削而設(shè)計的，所以整個設(shè)計過程都是圍繞彈簧磨削這一功能而展開的。首先根據(jù)彈簧的材料，選擇合適的砂輪，然后根據(jù)普通磨削的要求確定砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速、砂輪的進給量等。根據(jù)以上的參數(shù)計算磨削功率，分析擬定傳動裝置的簡圖，畫出總裝備圖，然后根據(jù)裝備圖設(shè)計零件圖。
2總體方案論證
本次設(shè)計的課題是立式磨簧機，用于彈簧端面的磨削。為避免彈簧多次裝夾引起的加工精度誤差，以及減少裝夾時間，擬采用兩個砂輪一起磨削，提高工作效率。兩個砂輪有兩個獨立的電機驅(qū)動。為適合加工不同高度的彈簧，以及在磨削時砂輪實現(xiàn)進給運動，磨頭要能實現(xiàn)軸向移動。為簡化傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，只要一個磨頭實現(xiàn)進給，另一個磨頭固定。
2.1進給磨頭的確定
為彈簧順利進入磨削區(qū)域，下磨頭要和工作臺處于同一個平面。假如下磨頭實現(xiàn)進給運動，那么工作臺也要隨著磨頭運動。工作臺比較質(zhì)量比較大，上下運動在結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜，定位難以實現(xiàn)，加工精度難以得到保證。綜合各方面因素，確定由上磨頭實現(xiàn)進給運動。下磨頭在經(jīng)過長時間的磨削運動，砂輪厚度會減小，砂輪就會低于工作臺，料盤就難以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。所以砂輪經(jīng)過一段時間磨削后，下磨頭需要實現(xiàn)高度補償，使砂輪和工作臺重新處在同一個平面。在結(jié)構(gòu)上用升降桿來調(diào)節(jié)下磨頭高度。
2.2工作臺高度的確定
工作臺的高度主要根據(jù)人的身高來確定，工作臺不宜太高，太高會使工人的手上抬，長時間工作會加快工人的勞累；工作臺太低，使工人弓著腰工作，同樣加快工人的疲勞。工作臺高度定位標準是使工人工作舒適。綜合國人的平均身高，工作臺的高度擬確定120.5㎝。
2.3工作臺工作方式
為便于以后磨頭的維修、調(diào)整，把工作臺設(shè)計成活動的，即磨頭在維修、卸載時可以方便地把工作臺打開。
3磨頭設(shè)計
3.1工件材料
彈簧材料的種類繁多,目前大量使用的是彈簧鋼,其次是具有特殊性能的彈簧材料,如不銹耐酸鋼、耐熱鋼(合金)、銅合金以及橡膠、塑料等。
一般彈簧鋼包括:
a.碳素彈簧鋼 ；
b.合金彈簧鋼 。
本次設(shè)計擬確定工件材料為碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼。
3.2砂輪的選擇
砂輪選擇應(yīng)考慮的因素：
砂輪對磨削過程的影響是多方面的，其中包括加工精度，表面粗糙度和生產(chǎn)效率等。為了獲得良好的磨削效果，正確選擇砂輪十分重要。選擇砂輪時主要考慮下列磨削條件和技術(shù)要求：
a．工件材料的物理機械性能；
b．工件的熱處理方法；
c．工件的加工精度和表面粗糙度的要求；
d．工件的形狀和尺寸；
e．工件的磨削余量；
f．磨削方式（外圓、內(nèi)圓或平面磨、開槽、切斷等）；
g．磨削用量，切削液情況，磨床情況，生產(chǎn)類型以及操作者的熟練程度。
3.2.1磨料的選擇
磨料直接參加磨削工作，所以磨料的硬度要高，耐熱性要好，還要具有一定的韌性和強度；為了能進行切削，磨料上還必須具有鋒利的邊刃。
磨料分為天然磨料和人造磨料兩大類。一般天然磨料含雜質(zhì)多，質(zhì)地不均。
表3-1磨料的特點和應(yīng)用范圍
磨料名稱
新代號
舊代號
特點
應(yīng)用范圍
棕剛玉
A
GZ
棕褐色、硬度高韌度大、價格便宜
磨削和研磨碳鋼、和金剛、鑄鋼、硬青銅等
白剛玉
WA
GB
白色，硬度比棕剛玉略高，韌度較棕剛玉低
磨削、研磨、衘磨和超精加工、淬火鋼、高速鋼、螺紋、齒輪及薄壁零件等
單晶剛玉
SA
GD
淺黃色或白色，顆粒呈球狀，硬度和韌度都比白剛玉高
磨削、研磨或衘磨不銹鋼和高釩高速鋼等高強度韌度大的材料
微晶剛玉
MA
GW
顏色于棕剛玉近似，剛度高，韌度和自勵性能良好
磨削或研磨不銹鋼、軸承鋼、球墨鑄鐵、并適于高速磨削
鉻剛玉
PA
GG
玫瑰紅，或紫紅色，硬度和韌度比白剛玉高，磨削表面粗糙度細小
磨削、研磨、或衘磨淬火鋼，高速鋼軸承等表面粗糙度值要求較小的量具，儀表零件和薄壁工件
根據(jù)彈簧材料：碳素彈簧鋼或65Mn來確定磨料，并對照磨料的應(yīng)用范圍來選擇。
對照表3-1，綜合考慮磨料的應(yīng)用范圍以及價格，磨料選擇棕剛玉，代號：A。
3.2.2粒度的選擇
砂輪的粒度是指砂輪所含磨料顆粒尺寸的大小，通常以粒度號表示。磨料按其顆粒尺寸大小分為41個號，粒度號數(shù)越大顆粒越小。
選擇磨料粒度時應(yīng)遵循以下原則：粗磨用粗粒度、精磨用細粒度；工件材料軟、塑性大（如有色金屬）和磨削面積大的時，為避免砂輪堵塞，應(yīng)選用粗粒度；成形磨削和高速磨削時粒度應(yīng)選細些；磨削淬火鋼及硬質(zhì)合金鋼時，宜選用中等粒度的磨料；內(nèi)磨應(yīng)選用較外磨為粗的粒度；磨削大尺寸工件、薄板及薄壁工件應(yīng)選用較粗的粒度。
表3-2不同粒度磨具的使用范圍
粒度號數(shù)
實用范圍
非金剛石磨具
22~40
磨鋼錠、去鑄件毛刺、切鋼坯等
46~60
一般外圓、內(nèi)圓、平面、無心磨、工具磨等
60~90
外圓、內(nèi)圓、平面、無心磨等半精磨
100~240
精磨、成形磨、衘磨、超精磨刀具刃磨
280~W20
精密磨、衘磨、螺紋磨等超精加工
W20以下
研磨、精細磨、境面磨等超精加工
表3-3加工表面粗糙度與磨料粒度的關(guān)系
磨料粒度
加工表面粗糙度Ra(μm)
24~36
≤5
>36~46
2.5~1.25
>46~60
0.63~0.32
80～120
0.16
彈簧端面磨削是一次性磨削，且對端面的粗糙度要求不是太高，根據(jù)粒度與粗糙度的關(guān)系，對照表3-2，表3-3，磨具的粒度選取50。
3.2.3磨具硬度的選擇
磨具硬度是指沙粒在磨削力的作用下，從磨具表面脫落的難易程度。硬度高，表示磨粒難易脫落，硬度低則表示容易脫落。
硬度選擇的一般原則是：加工硬鋼或淬火鋼時選擇較軟的磨具，加工軟鋼時選擇較硬的磨具；加工青銅、韌黃銅時選軟磨具；磨具與工件接觸面積大時選擇較軟的磨具；磨削導(dǎo)熱性差的材料時選擇較軟的磨具；精磨、精密磨、超精磨和成形磨時，應(yīng)該選擇硬的磨具；磨平面時應(yīng)選用磨削相同金屬零件外圓時為軟的砂輪；干磨時所用砂輪應(yīng)較濕軟些；鏡面磨削、緩進時宜選較軟砂輪；采用寬砂輪大縱向進給磨外圓時應(yīng)選較軟砂輪；砂輪粒度較細時，硬度應(yīng)稍軟些。機械加工中常用的砂輪硬度等級是H-N。
彈簧磨削是干磨，由彈簧材料可知，彈簧的材料的硬度屬于中硬，根據(jù)磨具選用原則，彈簧磨削磨具選中軟，代號為K。
3.2.4結(jié)合劑的選擇
表3-4 結(jié)合劑的分類及應(yīng)用范圍
名稱
代號
特性
應(yīng)用范圍
陶瓷結(jié)合劑
V
由粘土等配置，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐熱、耐油、耐酸、耐堿，多用性好，耐用度高，強度較高，成本低，但較脆
適用成形磨削，如磨螺紋、齒輪、軸承滾道等，砂輪速度宜在35m/s以下
樹脂結(jié)合劑
B
強度高、彈性好，能在高速下工作，耐熱性差，在200攝氏度以上失去粘結(jié)作用,不耐算堿
可作較厚的砂輪和石墨砂輪，用于細粗糙度、高精度磨削，用作切斷和開槽用的薄片砂輪，修磨鋼坯、鑄件的粗粒度砂輪
橡膠結(jié)合劑
R
彈性好磨粒容易脫落,耐熱、耐酸、耐油性均差，且有異味
可作切斷、開槽用的薄砂輪及拋光砂輪、無心磨導(dǎo)輪，不適于粗磨
金屬結(jié)合劑
J
強度高、韌度高和成形性好，但自勵性差
常用的為青銅結(jié)合劑，主要用于金剛石砂輪，用于粗磨，半精磨硬質(zhì)合金及切斷光學(xué)玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體等
根據(jù)結(jié)合劑的特性和應(yīng)用范圍選擇：陶瓷結(jié)合劑。
3.2.5 磨具形狀及尺寸的選擇
A．砂輪型號的選擇
各種砂輪的形狀及尺寸在參考文獻[11]中已有規(guī)定。
表3-5砂輪型號
砂輪名稱
代號
一般用途
平形砂輪
P
根據(jù)不同尺寸用于外圓磨、內(nèi)圓磨、平面磨、無心磨、工具磨、螺紋磨和砂輪機上
雙斜面一號砂輪
PSX1
用于磨齒輪齒面和磨單線螺紋
雙面凹砂輪
PSA
用于外圓磨和刃磨刀具，還用作無心磨的砂輪和導(dǎo)輪
薄片砂輪
PB
用于切斷和開槽等
筒形砂輪
N
用于立式平面磨床上
坯形砂輪
B
用其端面刃磨刀具，也可用其圓周磨平面和內(nèi)孔
碗形砂輪
BW
用于刃磨刀具，也可用于導(dǎo)軌磨床磨機床導(dǎo)軌
碟形一號砂輪
D1
適于磨銑刀、鉸刀、拉刀等，大尺寸的用于磨齒輪的齒面
根據(jù)砂輪的一般用途，選擇砂輪：平行砂輪，代號：P
B．砂輪內(nèi)外直徑的選擇
砂輪的內(nèi)外直徑?jīng)Q定了砂輪的磨簧寬度，磨簧寬度主要有料盤來決定。有設(shè)計任務(wù)書可知，彈簧的最大外徑為φ50mm，根據(jù)彈簧的最大外徑，通過作圖法來確定相關(guān)參數(shù)。
圖3-1砂輪、料盤位置示意圖
由圖3-1可知，彈簧的排列寬度為100.4mm,，則砂輪的磨削寬度應(yīng)該在100mm左右。對照參考文獻[11]，確定砂輪的內(nèi)外經(jīng)以及砂輪的厚度。砂輪外徑φ400mm，內(nèi)徑φ203，厚度為50mm。
3.3.1磨削功率計算
F=C(v?f?B/ v)tg? (3-1)
公式中各參數(shù)的含義：
C———單位切屑所需的力（N/mm）；
v———指工件的速度。這里指彈簧相對料盤軸線的線速度；
f———徑向進給量（mm）,這里指料盤旋轉(zhuǎn)一周后，砂輪的磨削量；
B——— 原指砂輪的寬度，這里取彈簧中徑的1/4；
v———指砂輪的線速度；
———磨粒的錐頂半角（60°～75°）。
確定公式中各參數(shù)值：
表3-6各種工件材料的C值
工件材料
花崗石
硅
純鐵
鑄鐵
高速鋼
C（N/mm）
4300
5500
2800
4900
18000
根據(jù)彈簧材料65Mn和砂輪材料棕剛玉，選擇：C＝10000N/ mm。
表3-7 磨削常用進給量f（mm）
磨削方式
平面磨削
粗磨
0.010～0.025
精磨
0.005～0.015
簧磨削屬于粗磨，對照表3-7，f擬確定0.02mm。
砂輪普通磨削線速度30－35m/s,高速磨削35m/s以上。彈簧磨削屬于干磨，速度不宜太高。速度過高會產(chǎn)生高溫，影響彈簧的性能。在這里我擬選用v＝30m/s。
錐頂半角＝60°。
由設(shè)計任務(wù)書可知，彈簧鋼絲最大直徑8mm,彈簧最大外徑50mm，則彈簧中徑為：
D=50-16=34mm
D=(34+50)/2=42mm
B= D/4=10.15mm
參照平面磨削參數(shù)工件的速度v＝0.15m/s。
表3-8磨削的摩擦系數(shù)
工件材料
砂輪切削液
干磨
退火碳素鋼
A46NV
0.73
淬火高速鋼
A46GV
0.32
彈簧磨削屬于干磨，工件材料為65Mn或者碳素鋼，所以摩擦系數(shù)選擇＝0.73。
由公式3－1得：
F＝×10000(0.15×0.02×10.5/ 30) ×tg60°×0.73
＝20.84N
F是磨單個彈簧所需的磨削力，有圖3-1可知，有7個彈簧同時進行磨削
P＝7× F ×v/1000＝720.8430/1000＝4.38KW
總傳動效率：
軸有4個角接觸軸承支撐，單個軸承的傳動效率為0.99，則總傳動效率為：
＝0.99＝0.96
電機輸入功率為：
P＝ P/＝4.38/0.96＝4.56KW
3.3.2選擇電動機
電機轉(zhuǎn)速：
n＝(D為砂輪的外徑) (3-2)
由3－2得：
n ＝＝1433.12r/min
根據(jù)輸入功率以及輸入轉(zhuǎn)速選擇電機，查參考文獻[3]，選擇電動機的型號Y132S-4，額定功率5.5KW，同步轉(zhuǎn)速1500r/min，滿載轉(zhuǎn)速1440r/min。
3.4磨頭主軸的設(shè)計
通常，軸的設(shè)計步驟包括：
a.按工作要求合理選擇軸的材料和熱處理方法；
b. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
c.軸的強度校核計算；
d.必要時作軸的剛度或振動穩(wěn)定性等的校核計算；
e.繪制軸的零件工作圖。
A．軸的材料及其熱處理選擇
軸的常用材料是碳素鋼，合金剛及球墨鑄鐵。
鋼軸毛坯多數(shù)用軋制圓鋼或鍛件，也有的用圓鋼。
碳鋼比合金鋼價廉，對應(yīng)力集中的敏感性低，經(jīng)熱處理或化學(xué)處理可得到較高的綜合力學(xué)性能（尤其在耐磨性和抗疲勞強度兩個方面），應(yīng)用最多。常用的碳鋼有35、40、45和50等優(yōu)質(zhì)中碳鋼，其中45鋼應(yīng)用最廣，通常進行正火或調(diào)質(zhì)處理，一般用于比較重要或承載較大的軸。對于不重要或承載較小的軸，也可采用Q235,Q275等普通碳素鋼。
合金鋼比碳素鋼具有更好的力學(xué)性能和熱處理性能，常用于承載很大而重量、尺寸受限或有較高耐磨性、防腐性要求的重要的軸，以及處理高溫或低溫條件下工作的軸。
選擇軸的材料和熱處理方法，主要根據(jù)軸的受力、轉(zhuǎn)速、重要性等對軸的強度和耐磨性提出的要求。研究表明，鋼材的種類和熱處理措施對其彈性模量影響甚小，如欲采用合金鋼代替碳素鋼或通過熱處理來提高軸的高度，收效甚微。軸的剛度主要取決于軸的剖面尺寸，可用適當(dāng)增加軸的截面面積來提高軸的剛度。此外，合金鋼對應(yīng)力集中敏感性較強，價格也較高。選材是也應(yīng)考慮到。
綜合考慮軸的運行環(huán)境以及軸材料的力學(xué)性能，軸的材料選擇45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
3.4.1磨頭主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計就是要確定軸的合理外形和結(jié)構(gòu)，以及包括各軸段長度、直徑及其他細小尺寸在內(nèi)的全部結(jié)構(gòu)尺寸。
軸的結(jié)構(gòu)主要取決以下因素：軸在機器中的安裝位置及形式；軸的毛坯種類；軸上作用力的大小和分布情況；軸上零件的布置及固定方式；軸承類型及位置；軸的加工工藝以及其他一些要求。由于影響因素很多，且其結(jié)構(gòu)形式又因具體情況的不同而異，所以軸沒有標準的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計具有較大的靈活性和多樣性。但是，不論具體情況人如何，軸的結(jié)構(gòu)一般應(yīng)滿足以下幾個方面的要求：
a.軸和軸上零件要有準確的工作位置；
b.軸上零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整；
c.軸應(yīng)具有良好的制造工藝性；
d.軸的受力合理，有利于提高強度和剛度；
e.節(jié)省材料，減輕重量；F
f.形狀及尺寸有利于減小應(yīng)力集中。
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一般已知裝配簡圖、軸的轉(zhuǎn)速、傳遞的功率及傳動零件的類型和尺寸等。
3.4.2軸的最小直徑估算
轉(zhuǎn)軸受彎扭組合作用，在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計前，其長度、跨距、支反力及其作用點的位置等都未知，尚無法確定軸上彎矩的大小和分布情況，因此也無法按彎扭組合來確定轉(zhuǎn)軸上各軸段的直徑。為此應(yīng)先按扭轉(zhuǎn)強度條件估算轉(zhuǎn)軸上僅受轉(zhuǎn)矩作用的軸段的直徑——軸的最小直徑d，然后才能通過結(jié)構(gòu)設(shè)計確定各軸段的直徑。
d=C (3-3)
C———計算常數(shù)，取決于軸的材料和受載情況。
當(dāng)軸段上開有鍵槽時，應(yīng)適當(dāng)增大直徑以考慮鍵槽對軸的削弱：d>100mm時，單鍵槽增大3％，雙鍵槽增大7％；d100mm時，單鍵槽增大5％～7％，雙鍵槽增大10％～15％。最后對d進行圓整。
查參考文獻[10]P292表11.3（軸常用C值）：
C＝111
由公式3-3得：
d＝111＝17.35mm
電機和軸的連接方式是直聯(lián)，即在軸的一段開孔，電機主軸套在孔內(nèi)，并用鍵連接。查閱參考文獻[3]可知，Y132S-4電機主軸直徑為φ38mm，計算值d比電機主軸小得多，砂輪在磨削時軸受到的徑向力，以及振動比較大，d＝17.35mm難以滿足強度要求。綜合各種因素，以及指導(dǎo)老師的建議，磨頭主軸d＝φ60。
3.4.3軸的總長度
軸的長度主要決定磨頭的穩(wěn)定性，為滿足裝配空間的要求，盡可能把軸設(shè)計得長些。首先確定下磨頭的長度。從總體方案中知道工作臺的高度為1205㎜，查閱參考文獻[3]可知Y132S-4電機的安裝尺寸，電機總長度為475㎜，砂輪和電機的安裝空間擬確定為162.5㎜，則軸的長度：
L＝1205－475－162.5＝568.5mm。
上磨頭要實現(xiàn)進給運動，根據(jù)磨簧的高度15-150mm，彈簧的磨削量以及砂輪厚度的補償，來確定上磨頭的主軸長度。
L＝568.5＋150＋71.5＝790mm。
3.4.4各軸段直徑和長度的確定
A.各軸段的直徑
階梯軸各軸段直徑的變化應(yīng)遵循下列原則：a.配合性質(zhì)不同的表面（包括配合表面與非配合表面），直徑應(yīng)有所不同；b.加工精度、粗糙度不同的表面，一般直徑亦應(yīng)有所不同；c.應(yīng)便于軸上零件的裝拆。通常從初步估算的軸段最小直徑d開始，考慮軸上配合零部件的標準尺寸、結(jié)構(gòu)特點和定位、固定、裝拆、受力情況等對軸結(jié)構(gòu)的要求，一次確定軸段的直徑。具體操作時還應(yīng)注意以下幾個方面問題：
d.與軸承配合的軸頸，其直徑必須符合滾動軸承內(nèi)徑的標準系列。
e.軸上螺紋部分必須符合螺紋標準。
f.軸肩定位是軸上零件最方便可靠的定位方法。軸肩分定位軸肩和非定位軸肩，定位軸肩通常用于軸向力較大的場合，非定位軸肩是為加工和裝配方便而設(shè)置的，其高度沒有嚴格的規(guī)定。
g.與軸上傳動零件配合的軸頭直徑，應(yīng)盡可能圓整成標準直徑尺寸系列。
h.非配合的軸身直徑，可不取標準值，但一般應(yīng)取成整數(shù)。
B.各軸段的長度
各軸段的長度決定于軸上零件的寬度和零件固定的可靠性，設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點：
a.軸頸的長度通常于軸承的寬度相同。
b.軸頭的長度取決于與其相配合的傳動輪轂的寬度。
c.軸身長度的確定應(yīng)考慮軸上各零件之間的相互位置關(guān)系和拆裝工藝要求，各零件間的間距查參考文獻[3]。
根據(jù)軸設(shè)計的準則以及軸上零件裝配要求，把軸設(shè)計成如下結(jié)構(gòu)形式：
圖3-2 磨頭主軸結(jié)構(gòu)示意圖
在L1段和L4段安裝軸承，用于軸的定位。
軸的詳細尺寸見圖MHJ-01-18,MHJ-01-10。
3.4.5軸承的選擇
選擇滾動軸承的類型，一般從載荷的大小、方向和性質(zhì)入手。在外廓尺寸相同的條件下，滾子軸承比球軸承承載能力大，時用于載荷較大或有沖擊的場合。當(dāng)承受純徑向載荷時，通常選用徑向接觸軸承或深溝球軸承；當(dāng)承受純軸向載荷時，通常選用推力軸承；當(dāng)承受較大徑向載荷和一定軸向載荷時，可選用角接觸球軸承。
根據(jù)軸的應(yīng)用場合可知，軸在砂輪、彈簧的作用下受到軸向力，以及在磨削時受到的徑向力。查詢常用滾動軸承的性能和特點，選擇角接觸球軸承。角接觸球軸承的性能特點：可同時承受徑向負荷和軸向負荷，也可承受純軸向符合。適用于剛性較大跨距不大的軸及須在工作中調(diào)整游隙時，常用于蝸桿減速器、離心機、電鉆、穿孔機等。
角接觸球軸承所能承受的軸向力是單向的，磨簧機的磨頭在磨削時，收到的軸向力一般是雙向的，所以為滿足使用要求，角接觸軸承是成對使用，用背對背的方式安裝。
由圖MHJ-01-10可知
D=60mm；D=70mm
則軸兩端的軸承型號分別是：7212AC,7214AC。
3.4.6軸承的潤滑
潤滑對于滾動軸承具有重要意義。軸承中的潤滑劑不僅可以降低摩擦阻力，還具有散熱、減小接觸應(yīng)力、吸收振動、防止銹蝕等。潤滑方式與軸承速度有關(guān)，一般根據(jù)軸承的d值（d為滾動軸承內(nèi)徑，單位mm；n為軸承轉(zhuǎn)速，單位r/min）作出選擇。
d＝d×n (3-4)
式中d=60mm;n=1433.12r/min
由公式3－4得：
d＝60×1433.12＝8.6×10mm?r/min
表3-9 d值界限（10mm?r/min）
軸承類型
脂潤滑
油潤滑
角接觸球軸承
16
>25
對照表3-9，軸承的潤滑方式選擇脂潤滑。
3.4.7滾動軸承的密封
軸承工作時，潤滑劑不允許很快流失，且外界灰塵、水分及其他雜物也不允許進入軸承，故應(yīng)對軸承設(shè)置可靠的密封裝置。密封裝置可分為接觸式和非接觸式兩類。
A.接觸式密封
通過軸承蓋內(nèi)部放置的密封件與傳動軸表面的直接接觸而起密封作用。密封件主要用毛氈、橡膠圈、皮碗等軟性材料，也有用減磨性好的硬質(zhì)材料如石墨、青銅、耐磨鑄鐵等。軸與密封件接觸部位需要磨光，以增強防泄漏能力和延長密封件的壽命。
B.非接觸式密封
接觸式密封必然在接觸處產(chǎn)生摩擦，非接觸式密封則可以避免此類缺點，故非接觸式密封常用于速度較高的場合。
鑒于磨頭主軸在靠近砂輪端受到的振動比較大，在磨削時產(chǎn)生的磨削四處飛濺。假如用接觸式密封，主軸在高速旋轉(zhuǎn)時軸和密封圈摩擦厲害，磨簧機運轉(zhuǎn)一定時間密封圈就達不到密封效果。磨屑容易進入軸承，影響軸承壽命和磨削精度。權(quán)衡利弊，我選擇非接觸式密封，即選用迷宮式密封，在縫隙中填脂。
3.5磨頭進給系統(tǒng)設(shè)計
軸一般由軸承固定，難以實現(xiàn)軸向移動?，F(xiàn)在用套筒和導(dǎo)向套來實現(xiàn)軸的軸下移動。首先把軸安裝在套筒內(nèi),套筒安裝在導(dǎo)向套內(nèi),由套筒在導(dǎo)向套內(nèi)實現(xiàn)軸向移動,從而實現(xiàn)磨頭的軸向移動。詳細結(jié)構(gòu)見磨頭裝配圖MHJ-01-00。
3.5.1套筒和導(dǎo)向套的設(shè)計
A.套筒的設(shè)計
套筒的內(nèi)經(jīng)主要有軸承的外徑來確定。見圖3-2，軸承的最大外徑在L4段，根據(jù)軸承型號7214AC可知，軸承外徑D=125㎜，軸承7214AC安裝尺寸D＝116mm，對套筒內(nèi)徑進行圓整，則D=110mm，現(xiàn)擬確定套筒厚度為25mm，則套筒外徑D＝160mm。
套筒的長度主要以下磨頭主軸的長度作為設(shè)計依據(jù)。考慮到安裝尺寸，套筒長度確定為500mm。
我們可以把套筒看成空心軸。空心軸對提高軸的剛度、減小軸的質(zhì)量具有顯著的作用。由計算知，內(nèi)外徑之比為0.6的空心軸與質(zhì)量相同的實心軸相比，截面系數(shù)可增大70％。
套筒剛度校核：
i= (3-5)
由公式3－5得：
i＝＝0.69
V =)L (3-6)
由公式3-6得：
V ＝)×500＝5298750mm
V＝L (3-7)
由公式3-7得：
V＝×602×568.5 ＝1606581 mm
V> V；i>0.6
所以套筒滿足剛度要求。
上磨頭因為要實現(xiàn)軸向移動，所以上磨頭套筒長度要比下磨頭套筒長些。上磨頭套筒長度增量主要取決于磨簧高度，由設(shè)計任務(wù)書可知，磨簧高度在15－150㎜，再考慮安裝尺寸、砂輪補償?shù)男枰?，上磨頭升降套筒長度確定為700.5㎜。
B.導(dǎo)向套的設(shè)計
導(dǎo)向套的內(nèi)徑由套筒的外徑確定，為160㎜，外徑擬確定為220㎜?？紤]到其他零件的安裝尺寸，以及砂輪的補償高度，導(dǎo)向套的長度擬確定為425mm。
導(dǎo)向套剛度校核：
由公式3-5得：
i＝＝0.73
由公式3-6得：
V=)×425=7606650 mm
V> V；i>0.6
所以導(dǎo)向套滿足剛度要求
3.5.2上磨頭進給系統(tǒng)設(shè)計
磨頭進給動力有電機來提供，磨頭進給是直線運動，而電機是旋轉(zhuǎn)運動。磨頭進給系統(tǒng)主要的功能是把電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成磨頭的直線運動。根據(jù)這一要求，選擇齒輪-齒條機構(gòu)來實現(xiàn)磨頭的進給運動。
A.上磨頭質(zhì)量計算：
根據(jù)繪制零件圖的尺寸，計算各零件的質(zhì)量：
a.升降套筒：
由公式3-6得：
V＝)×700.5＝7423548.75 mm
b.磨頭主軸：
V＝45×45×25×＋×642×16＋24××1092＋
702×69＋×652×577＋×602×50
＝2646309.925 mm (3-8)
c.軸承：
查參考文獻[3]，可知7212AC軸承的質(zhì)量為0.8㎏；214AC軸承的質(zhì)量為1.1㎏。
則軸承總質(zhì)量為：
0.8×2＋1.1×2＝3.8㎏
e.電機質(zhì)量：
查參考文獻[3]，電機Y132S-4的質(zhì)量為68㎏。
f.上電機法蘭質(zhì)量：
上電機法蘭形狀不規(guī)則，根據(jù)繪制的零件圖，用相關(guān)計算軟件計算上電機法蘭
的質(zhì)量，計算結(jié)果為：26.52㎏。
g.砂輪質(zhì)量：
查詢參考文獻資料[11]，砂輪質(zhì)量為50㎏。
h.上磨頭總質(zhì)量：
鋼的密度＝7.8㎏/cm
M＝50＋3.8＋68＋26.52＋（7423548.75＋2646309.925）/1000×7.8/1000
＝226.86㎏ (3-9)
B.磨頭進給功率計算：
F＝M?g (3-10)
由公式3-10得：
F＝226.86×9.8＝2223.228N
磨頭進給速度不能太高，太高會引起磨削力的突變，容易引起砂輪的崩
碎。鑒于以上原因砂輪進給速度為：
v=20㎜/min
則P＝F?v (3-11)
由公式3-11得：
P＝2223.228×0.02/60＝0.74
C.傳動齒輪、齒條的設(shè)計
選擇齒輪材料、熱處理方法、精度等級、齒數(shù)：
考慮到齒輪傳遞的功率不大，故齒輪、齒條都選用45鋼調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度分別為220HBS、260HBS,7級精度。
齒輪、齒條的模數(shù)擬確定為：m=3；
圓柱齒輪齒數(shù)為：z=19
分度圓直徑：d=m?z (3-12)
由公式3-12得：
d＝3×19＝57mm
因為齒輪－齒條傳遞的功率不大，齒寬系數(shù)：=0.4
b= ?d (3-13)
由公式3-13得：
b ＝0.4×57＝22.8mm
對齒寬進行圓整b=25mm
b= b+(5～10)mm (3-14)
由公式3-14 得：
b＝25+5
＝30mm
齒高h=2.25m (3-15)
由公式3-15得：
H＝2.25×3＝7.25㎜
D.校核齒根彎曲疲勞強度：
(3-16)
確定公式中各參數(shù)值：
a.計算載荷系數(shù)K：
K＝KAKvK (3-17)
查參考文獻[10]P112表6.2得使用系數(shù)KA=1；根據(jù)v＝20㎜/min、7級精度，查參考文獻[10]P114圖6.10得動載系數(shù)Kv=1，查參考文獻[10]P115圖6.13得K=1.15
則由公式3-17得：
K＝1×1×1.15 ＝1.15
由公式3-2得：
n＝＝0.112r/min
T＝9.55×106× (3-18)
由公式3-18得：
T ＝9.55×106×＝6.3098×10N?mm
b. 查參考文獻[10]P111圖6.9，齒輪、齒條的彎曲疲勞強度極限＝220MPa,=240MPa；
c.彎曲疲勞壽命系數(shù)：
查參考文獻[10]P109圖6.7取K=0.90,K=0.88；
d.許用彎曲應(yīng)力：
取定彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,應(yīng)力修正系數(shù)Y=2.0
[]＝K Y/ S (3-19)
由公式3-19得：
[]＝K Y/ S＝240×0.88×2/1.4＝282.86MPa
[]＝K Y/ S＝220×0.9×2/1.4＝301.71MPa
e.齒型系數(shù)Y、Y和應(yīng)力修正系數(shù)Y、Y：
查參考文獻[10]P120，表6.4得：
Y＝2.85，Y＝2.06
Y＝1.54，Y＝1.97
f.計算大小齒輪的Y Y/[]于Y Y/[]，并加以比較取其中大值
代入公式計算：=＝0.0156
＝＝0.0100
圓柱齒輪的數(shù)值大，應(yīng)按圓柱齒輪校核齒根彎曲疲勞強度
g.校核計算：
將相關(guān)參數(shù)代入3-16得：
＝×2.85×1.54＝163.37MPa<
所以設(shè)計的齒輪、齒條滿足使用要求。
E．傳動軸的設(shè)計
a. 軸的材料選擇：
軸的材料選擇45鋼
b.最小直徑估算：
查參考文獻[10]P292表11.3，C=110。
由公式3-3得：
d＝110＝20.64mm
因為軸上開有鍵槽，
所以d= d×(1+7%) (3-20)
由公式3-20得：
d＝20.64×（1＋7％）＝22.08㎜
對軸進行圓整：
D＝30㎜
d＝d＝30mm
由于軸的直徑和齒輪的分度圓直徑相差不大，所以考慮做成齒輪軸。如圖所示：
圖3-3 齒輪軸結(jié)構(gòu)示意圖
軸1段裝滾子鏈聯(lián)軸器，鏈與鏈輪間的嚙合間隙可補償兩軸間的相對位移。
軸2、軸6段裝軸承，該軸主要承受徑向力，所以采用深溝球軸承。
軸4段為齒輪。
F.齒條長度以及齒輪軸的安裝高度的確定：
齒輪軸、齒條安裝示意圖如圖3－4所示高度L5取決于彈簧的最長長度,L5 取決于彈簧的最小長度。L4為齒條的長度。假設(shè)初始狀態(tài)下，上下磨頭之間的距離為100mm，彈簧的最小長度是15mm，則L2＝100-15=85mm，彈簧的最長長度為150mm，則L5=150-100=50mm，齒條向下移動時，為有足夠的下移空間L1=90mm，考慮到齒條的安裝尺寸，以及防止齒條因過量進給與支撐板產(chǎn)生碰撞，齒輪軸的安裝高度為175mm。齒條的安裝尺寸擬確定為25mm,為防止在齒條最高、最低點時與齒輪嚙合不充分，把齒條適當(dāng)增長，擬確定為10mm，砂輪的補償高度為5mm。
則齒條的總長度：
L4＝L5＋L2＋25×2＋10×2＋5
＝50＋85＋50＋20＋5
＝210mm
G．電機與減速器的選擇
有上面的計算可知，輸出功率為0.74W，則輸入功率：
P入＝(為總傳動效率) (3-21)
軸承的傳動效率為0.98，減速器擬采用擺線針輪減速器，擺線針輪減速器傳動效率高：由于該機嚙合部位采用了滾動嚙合，一般效率為可達0.98。
＝0.98×0.98×0.98＝0.941
由公式3-21得：
P入＝＝0.786W
由公式3-2得：
齒輪轉(zhuǎn)速 ＝＝0.112r/min
齒輪的轉(zhuǎn)速很低，結(jié)合擺線針輪減速器的選擇，傳動比不能太大，傳送比大，擺線針輪的尺寸、價格都會相應(yīng)增加。所以電機選擇YC系列。查閱參考文獻[3]，電機型號選擇YC90S-4，額定功率0.55Kw，滿載轉(zhuǎn)速為1400r/min。
傳動比：i=＝1250
根據(jù)傳動比，以及輸入功率選擇減速器。查閱參考文獻[3],減速器型號選擇：ZD0.55-2B-1250。
3.5.3齒輪軸的校核
軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，進行校核計算。計算準則是滿足軸的強度或剛度要求。
a. 求出主軸上的轉(zhuǎn)矩 T
在工作時，主軸上所承受的功率P=0.74w（不計齒輪的嚙合損耗和軸承損
耗的功率）。則由公式3-18得：
N·mm
b．求作用在齒輪上的力
N (3-22)
N (3-23)
c. 軸的受力分析
計算支承反力：
軸承相對齒輪成對稱安裝。
在水平面內(nèi)：
＝N
在垂直平面內(nèi)：
＝N
d.畫彎矩圖（圖3-4）
在水平面內(nèi)：
MaH=Ftl1=1107×164=181548 N·mm (3-24)
在垂直平面內(nèi) ：
MaV=Frl1=402.9×164=66075.6 N·mm
合成彎矩：
N·mm (3-25)
圖3-4 軸的彎矩、扭矩圖
e.危險截面的判斷
合成彎矩以齒輪為中心成對稱分布，所以只要一邊滿足強度要求即可。
f.軸的彎扭合成強度校核
由參考文獻[10]表11.2查得[σ]=[ σ-1]=60Mpa,
＝0.1×40＝6400mm3 (3-26)
=30.19Mpa<[σ] (3-27)
g. 軸的疲勞強度安全系數(shù)校核
根據(jù)參考文獻[13]表11.2,查得，，，，
=0.2×40=12800 mm3 (3-28)
由參考文獻[10]附表1.8查得，；由附表1.4查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，由附表11.4得表面質(zhì)量系數(shù)。則
彎曲應(yīng)力：
(3-29)
應(yīng)力幅：
平均應(yīng)力：
切應(yīng)力： (3-30)
安全系數(shù)： (3-31)
(3-32)
查參考文獻[13]表11.8得許用安全系數(shù),,則主軸的強度滿足要求。
4論 結(jié)
立式磨簧機主要針對彈簧磨削而設(shè)計的，機床的創(chuàng)新點在于磨簧機能加工不同高度的彈簧，實現(xiàn)磨頭的自動進給、復(fù)位，自動卸料。該立式磨簧機采用雙端面磨削，避免彈簧因多次裝夾引起的加工誤差。料盤采用回轉(zhuǎn)式圓盤，可以同時加工多個彈簧。
立式磨簧機能滿足加工要求，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，工件裝卸方便，便于維修、調(diào)整。
參考文獻：
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[11]全國磨料磨具標準化技術(shù)委員會編. 中國機械工業(yè)標準匯編.北京：中國標準出版社，1999
1立式磨簧機 MHJ-00 A0
2磨頭裝置 MHJ-01-00 A0
3齒條 MHJ-01-01 A3
4齒輪軸 MHJ-01-02 A3
5軸承端蓋(一) MHJ-01-03 A4
6軸承端蓋(二) MHJ-01-04 A4
7軸承座 MHJ-01-05 A3
8下電機法蘭 MHJ-01-06 A2
9下磨頭升降桿 MHJ-01-07 A4
10下磨頭導(dǎo)向套 MHJ-01-08 A3
11下磨頭升降套筒 MHJ-01-09 A3
12下磨頭主軸 MHJ-01-10 A3
13迷宮盤 MHJ-01-11 A3
14密封盤 MHJ-01-12 A3
13砂輪壓蓋 MHJ-01-13 A4
16砂輪座 MHJ-01-14 A3
17砂輪 MHJ-01-15 A3
18彈簧壓板 MHJ-01-16 A3
19導(dǎo)向桿 MHJ-01-17 A4
20上磨頭主軸 MHJ-01-18 A3
21上磨頭導(dǎo)向套 MHJ-01-19 A3
22上磨頭升降套筒 MHJ-01-20 A2
23滑套 MHJ-01-21 A4
24上電機法蘭 MHJ-01-22 A2
25定位環(huán) MHJ-01-23 A4
23