M8820砂轮轴接头强度的校核分析

皇天鸣

(洛阳LYC轴承有限公司 球轴承厂，河南 洛阳 471039)

1 问题的提出

采用M8820摆头磨床粗磨22316C外滚道时，常出现砂轮轴接头(图1)断裂现象，断裂大部分发生在砂轮轴的砂轮退刀槽处。此处为应力集中点，若再加上轴的强度不足，很容易产生断裂。由此，有必要对砂轮轴接头进行强度校核，并在分析的基础上加以改进。

图1 改进前砂轮轴接头结构示意图

2 磨削力计算

砂轮在磨削工件时，磨粒与工件之间产生磨削力，为了实际的需要(加工精度)和便于分析，通常将磨削力F分解为3个相互垂直的分力，其中径向力Fy是作用于工件半径方向的分力，是砂轮对工件的压力，是磨削力的主要分力。因此，在进行磨削力的计算时，一般应核算Fy的大小[1]。

Fy=9.81CfyZ′0.7B0Ky,

(1)

式中：Fy为径向磨削力，N；Cfy为切削力影响系数；Z′为单位宽度磨削量，mm2/min；B0为砂轮宽度，mm；Ky为砂轮硬度系数。Cfy，Ky值见表1。

表1 Cfy，Ky数值表

磨削时每个磨粒的切削深度和切削宽度相差不大，试验证明，切削深度ap、纵向进给量fz和工件转速nw对磨削力的影响基本相同，所以在计算磨削力时，可用砂轮每毫米宽度每分钟切下的金属量Z′作为计算单位，即

(2)

式中：Dw为工件外圆或内圆的直径，mm；纵向进给量fz为

fz=(0.2～0.8)B0。

(3)

以实际加工22316C/01为例进行磨削力的计算，其中，Cfy=0.17，B0=56 mm，Ky=1.10，Dw=170 mm，nw=200 r/min，ap=0.50 mm，fz=0.6×56=33.6 mm/r。计算得Z′=32 044.245 07 mm2/min，Fy=146.5 kN。

3 砂轮轴接头强度校核

由M8820加工原理和图1可知，在切削力的作用下，加工外滚道时砂轮轴接头可以简化为一个悬臂梁，如图2所示。

图2 砂轮轴接头简化结构

砂轮轴接头轴颈受弯曲应力的作用，砂轮轴为实心轴时，抗弯截面模量W=πd3/32≈0.1d3。因此，砂轮轴直径的计算公式为[2]

(4)

式中：M为作用于轴上的最大弯矩，M=Fy×28=4.102×106N·mm；[δ]为轴使用材料的许用弯曲应力，MPa。

实际所用砂轮轴接头材料为20#钢，渗碳后调质处理，经查许用弯曲应力[δ]=650 MPa，由(4)式得，d≥18.48 mm。而实际用砂轮轴退刀槽处直径d=18 mm，显然砂轮轴接头退刀槽处断裂是由于此处弯曲强度不足造成的。

4 改进措施

改进前砂轮轴接头上安装的砂轮采用螺母固定，剩余的砂轮外径均在55 mm左右。改进后的砂轮轴接头结构如图3所示，加大了外径尺寸，并将原来的螺母固定砂轮改为内螺钉(M16)固定，不仅增加了砂轮轴的强度，提高了安全性能，而且提高了砂轮的有效利用率。砂轮轴外径根据砂轮的孔径进行确定。对于空心轴，其外径d2为

图3 改进后的砂轮轴接头结构

(5)

式中：d2为外径；α=d1/d2；d1为内径。

进行弯曲强度校核，得出d2≥28.86 mm，小于实际外径(32 mm)，完全能够满足强度的要求，消除了安全隐患，提高了生产效率，试运行良好。