磨床砂轮架设计制造中若干问题的探讨与分析

徐桂兰，赵利平，焦小明

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000）

砂轮架是磨床的关键部件，它不但担负着磨床的主运动，而且其精度要求对保证工件的加工精度起着非常重要的作用。不同磨床砂轮架要根据加工对象的不同和工作状况的差异分别提出不同的结构、尺寸、精度、装配关系及其制造工艺等。本文就砂轮架设计、制造、装配等方面对其进行比较研究，说明设计与制造砂轮架时各种零件性能相互间的配合关系，从而满足不同性能的要求，做到品质、效益、效率三统一。

1 正确分析砂轮架的使用性能

各种用途的砂轮架有其性能要求的特殊性，但作为砂轮架本身，由于其加工工艺范围和加工方式的基本相同，其性能有其相同的共性，主要表现在砂轮架应满足结构紧凑、高刚性、小变形;主轴工作时应回转平稳、运行可靠;机床加工时主轴精度及性能应高度稳定。砂轮架虽然不参与工件的成形运动，但其回转精度却对零件的加工表面品质、形状精度等都有很大的影响。砂轮架除要满足其共性的要求外，更重要的是满足其特殊要求，。转速是影响砂轮架特殊性能的最重要因素，因此砂轮架的设计制造中应密切注意转速高低，重点研究转速对其性能的影响，主要解决转速对砂轮架力学、热学、精度及其稳定性、表面粗糙度等性能的影响问题。根据不同的速度要求，有目的选择不同的设计方案，采取不同的零件结构、组件和部件装配方式，采用适合的装配方法，砂轮架的设计制造只有充分体现了其特殊性能的要求，才能使其应用于不同的工作条件和环境下;其次主要考虑到磨床的加工材料范围，磨床的加工材料不仅影响机床的加工精度，重要的是影响机床的受力变形、热效应、应力大小等，它对磨床的结构、强度、功率大小等都有很大的影响，尤其是对机床热学特性的复杂性和多变性的影响。所以机床空载下的热学特性（温升、热态几何精度等）已作为衡量精密机床的重要指标，其主轴承空运转温度已成为机床主要性能标准。例如金刚石专用磨床以5 500 r/min转速磨削金刚石等特硬材料时、普通磨床以2 500 r/min的转速磨削各种工具钢时，一般对主轴都提出了主轴承空运转2 h，温度≤40℃（夏季温升≤25℃）的指标要求。所以正确的分析砂轮架的工作性能和工作条件，正确理解砂轮架的技术要求和精度指标要求，是做好砂轮架设计与制造的关键所在。

2 正确选择设计方案

砂轮架的装配传动关系比较简单，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。

2.1 主轴的支承方式

砂轮架主轴在工作中主要承受径向力、轴向力、弯矩、扭矩等。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，其磨损较小。

2.2 轴承的选择与安装

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。

对于主轴转速高，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。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。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。

2.3 选择轴承系列

按照上述的安装方式，轴承系列的选择或轴承宽度的选择直接影响主轴的精度。如果轴承系列选择不当，则会造成轴承的承载能力不足或对主轴及箱体轴承孔的安装精度要求过高。在高速，中、高载的情况下，轴承应选用宽系列或双列轴承，如果采用滑动轴承应该选择长瓦形式的轴承。采用滚动轴承，其前轴承宜用宽系列或双列滚动轴承、后轴承选用成对安装的单列球轴承的组合。宽系列轴承对轴挠曲变形的适应性较低，安装的刚度也偏低，对轴及轴承孔的要求较高。这是因为轴承运行是在预紧的条件下进行，其预紧量不但要足够而且须均匀，如果轴承发生偏斜，则会加大轴承的不均匀磨损，影响砂轮架的使用性能和寿命。若砂轮架属于中速，低、中载系列的用途，则应该选择普通系列轴承。

2.4 轴承与轴、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。

2.5 润滑

轴承的润滑方式与润滑液影响轴承的发热与散热。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。

2.6 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。

3 零件结构设计与技术要求

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。

3.1 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，其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0.01 mm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0.001 mm级才可达到使用要求，如0.005 mm等。

3.2 主轴的设计与技术要求

砂轮架主轴上无传动零件，其结构比较简单，一般也设计为阶梯轴，材料选择应满足高稳定性要求，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 mm，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 mm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 mm，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0.005 mm，普通磨床主轴支承轴颈径向跳动精度要求为0.0015 mm，后者比前者径向跳动精度高的多。主轴上螺纹、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。

4 制造装配方法

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。

4.1 壳体轴承孔的加工

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，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、位置准确、回转平稳，因此壳体轴承孔的加工工艺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，采用调头镗已能满足同轴度丝米级精度要求。

4.2 主轴的加工

磨床主轴的加工精度，根据不同的安装方式其要求有较大的区别，主轴支承轴径处的尺寸、位置、形状精度是其加工精度的主要指标。磨床的最终加工方法一般都要通过超精加工完成，加工中的定位基准——顶尖孔的加工和修复安排要合理，精度足够，至少其精度应比工件的相应精度要求高一级。

4.3 主轴轴向窜动调整

主轴轴向窜动均采用配磨垫片来调整，因滑动与滚动推力轴承摩擦性质不同，因此对于普通磨床和金刚石专用磨床，其配磨垫片的端面跳动前者为0.003 mm，后者为0.005 mm，前者垫片的位置和形状精度比后者要求高。

5 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入砂轮架壳体。

6 结论

砂轮架设计方案、制造及装配其精度要求随着加工条件的改变有很大的不同。设计、制造砂轮架时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 mm），导致轴承装配后空运转的温升大大超过国家标准要求。又如某磨床砂轮架主轴径向与轴向精度高低颠倒反向，导致的主轴装配卡死故障（另有文章介绍），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，以及装配工艺与机床精度指标不匹配等问题。前者壳体孔之间同轴度0.005 mm的精度指标，后者现行的装配工艺（另有文章介绍），正是经过分析与不断改进后确定的。

［1］中国机械设计大典编委会.中国机械工程学会中国机械设计大典［M］.三卷.南昌:江西科学技术出版社，2002.

［2］许镇宇，邱宣怀.机械零件［M］.北京:人民教育出版社，1981.

［3］机床设计手册编写组.机床设计手册［M］.第三册.北京:机械工业出版社，1986.

［4］天津大学机械零件教研室.机械零件手册［M］.北京:人民教育出版社，1981.