便携式高速研磨机的设计

长春理工大学

硕士学位论文

便携式高速研磨机的设计

姓名：王慧

申请学位级别：硕士

专业：机械制造及其自动化指导教师：杨建东

20080401

摘要

研磨是一种非常重要的精密超精密加工方法，许多人从事研磨加工技术的研究，目的都是进一步提高研磨加工效率和加工精度，降低加工成本．

研磨机是保证研磨加工的重要条件。但是目前研磨机的生产者和研制者对设备的用户考虑得还不够全面。为了满足用户的生产实际要求，本文是将现有的大型高速研

磨机进行了小型化。本文所设计的研磨机结构简单．易于实现。此研磨机制作成本低，并且既能满足研磨加工要求，又能达到便于携带的目的。

本文主要是合理的设计了便携式高速研磨机的结构，使其具有足够的刚度、强度和稳定性，从而避免研磨机在高速运行中出现振动现象。并且对机床的主要零部件进

行了强度校核及刚度校核。还设计了机床的电气系统、磨具、冷却液输送装置以及压

力可调式加压系统。

关键词：便携式高速研磨研磨机设计

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｌａｐｐｉｎｇ ｉｓ ａ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｌ＇ｅｃｉｓｓｉｏｌｌ ａｎｄ ｕｌＣａｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ．ａｎｄ ｔｈｅｒｅ锄ｍａｎｙ ｔｈｅ ｌａ：ｐｐｍｇ ｐｅｏｐｌｅ ｗｈｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｌａｐｐｉｎｇ。Ｔｈｅｉｒ ｐｌＬｒｐｏ∞ｉｓ ｔｏ

ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ

ａｎｄ ｌａｐｐｉｎｇ ａｃｃｔｌｉ２ｌｃｙ ｆｕｒｔｈｅｒ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｌａｐｐｉｎｇ ｃｏｓｔｓ． Ｌａｐｐｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ ａｎ ｍａｃｈｉｎｅ ｐｒｏｄｕｃｅｒｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ｅｎ圈Ｊｍ ｔｈｅ ｌａｐｐｉｎｇ，Ｂｕｔ ｎｏｗ ｔｈｅ ｌａｐｐｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｒｓ ｄｏｎ’ｔ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ ｅ

ｎｏｕｇｈ ｆｏｒ ｕｓｅ稻．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ

ｉｏｎ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｎｌｉｎｉａ嘶ｚｅｄ

ｔｈｅ ｅｘｉｓｔａｎｇ ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｌａｐｐｉｎｇ ｍａｃ

ｈｉｎｅ．Ｔｈｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｐｐｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｄｅｉｇｎｅｄ

ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ，ｓｏ ｉｔ ｃ孤ｂｅ ｍａｎｕｆａｃＵｎｅｄ ｅａｓｉｌｙ．Ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｅａｓｉｌｙ ｉｓ ｌｏｗ，ａｎｄ ｉｔ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｒｅｑｕｉｒｖ锄ｅｎｔｓ

ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｍｅｅｔ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｌａｐｐｉｎｇ ａｖｏｉｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｈａｖｅ ｅｎｏｕｇｈ

ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ．ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ＳＯ ｉｔ

ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｒｕｎ ａｔ ａ ｈｉ。ｇｈ ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ

ｓｔ呦ｇｔｈ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｅ

ｄ．

ｂ蛐ｅＳＳ ｃａｎ ｏｆｔｈｅ ｍａｉｎ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ａｒｅ ｃｈｅｃｋｅｄ．Ａｌｓｏ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ

ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ，ａｂｒａｓｉｖｅ，ｃｏｏｌａｎｔ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｔｅ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｒｔａｂｌｅ；ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｌａｐｐｉｎｇ；ｌａｐｐｉｎｇ Ｍ

ａｃｈｉｎｅ

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作者签名：至兰坠１年立月卫日

指导导师签名：塑塑：丛＆

年』月丛日

第一章

绪论

１．１研磨技术发展状况

研磨是一种重要的精密和超精密加工方法。它是指利用磨具通过磨料作用于工件

表面，进行微量加工的过程ｎ’。研磨加工的特征是加工精度和质量高。并且加工材料广，

几乎可以加工任何固态材料。近年来，随着人们对产品性能的要求日益提高，研磨加

工以其加工精度和加工质量高再次受到人们的关注。尤其近几年信息技术和光学技术

的发展，对光学零件不仅需求量增大，而且对其质量和精度都提出很高要求，而研磨作

为光学加工中一种非常重要的加工方法，起到了不可替代的作用。许多人从事研磨加

工技术的研究，目的都是进一步提高研磨加工效率和加工精度，降低加工成本

目前国内外研磨加工普遍采用散粒磨料在慢速研磨机上研磨，存在的缺点主要有：

１．磨料散置于磨盘上，为避免磨料飞溅，磨盘转速不能太高，因此加工效率低：

２．磨料与从工件上磨下的碎屑混淆在一起，不能充分发挥切削作用，而且还要与

这些碎屑一起被清洗掉，浪费能源、浪费磨料：

３．磨料在磨盘上是随机分布的，其分布密度不均，造成对工件研磨切削量不均，

工件面形精度不易控制：特别是磨料与工件问的相对运动具有随机性，这也增加了工件

面形精度的不确定因素：

４．在研磨加工中要严格控制冷却液的流量，以避免冲走磨料，这使得冷却效果变

差，容易引起工件升温，造成加工精度下降：

５．大颗粒磨料起主要切削作用，易划伤工件表面，所以对磨料尺寸均匀性要求高：

６．磨料能嵌入软材质的工件表面，影响工件的使用性能：

７．在研磨中磨料之间相互切削，浪费磨料：

８．磨盘磨损后修整难，需要三个磨盘对研：

９．各道工序问清洗工件要严格：

１０．工人劳动强度大，对工人操作技术水平要求高：

由于传统研磨存在上述缺点，所以许多人在研究如何改进这种研磨技术。有人研

究新型研磨液，有人研究不同磨料和不同材料磨盘的研磨效果，以寻求对应于不同工件

的最佳磨料和磨盘。

研磨加工的面形范围很广，几乎可以加工任何面形的工件，研磨加工方法不同，

于是人们根据不同的面形探讨了不同的加工方法。Ｊｅｏｎｇ－ＤｕＫｉｍ，Ｍｉｎ－ＳｃｏｇＣｈｏｉ“１和

ｋａｓａｉ“１等人专门研究了圆柱面的研磨加工，我国的学者，如ＴａｋｅｏＳｈｉｎｍｕｒａ“１，Ｔｏｓｈｉ

ｏ

天津大学的邓广敏“１等人专门研究了陶瓷圆柱面的研磨，周俊“１研究了主轴套筒的研

磨，朱长茂ｎ１研究了高精度小轴的研磨加工。

刀具的质量直接影响着被加工工件的质量“’。为提高工件的质量，人们对刀具提

出了较高的要求，特别是用于精密和超精密加工的金刚石刀具都要采用研磨加工。所

以国内外一些人专门研究刀具加工技术的研究．为了提高加工效率。有人研究可以同时

加工工件两个表面的双面研磨机。

最近人们也探索了许多新的研磨技术“’，如施加特殊研磨力研磨，有振动研磨、磁

性流体研磨和磁力研磨。采用微粒子冲击去除材料研磨，有弹性发射加工、非接触研磨

和利用电泳动研磨。用特殊工具研磨有砂带研磨、液体结合剂砂轮研磨、采用研磨膜

研磨和固着磨料研磨。复合研磨有机械化学研磨和电解研磨法等等。

（１）振动研磨就是在研磨过程中，使磨料与工件的相对运动附加以振动１１０１。其主

要目的是提高加工效率。如在研磨中采用振幅（１２～２５）¨ｍ，频率为（２０～５０）ｋＨｚ

的超声波振动，可提高加工效率１５倍ｎ“…。

（２）磁性流体研磨是利用磁性流体本身所具有的液体流动性和磁性材料的磁性以

及外磁场作用来保持磨粒与工件之间产生相对运动而达到研磨光整工件表面的精加工

方法。其特点是：加工质量好，表面精度高，不会在加工表面形成新的加工变质层，适

应加工材料广，并可适用于有复杂形面的表面精加工。南京航空学院的潘良贤等人在

这方面做了许多工作ｍ’，在研磨机理方面进行了深入的研究，取得了一些成果，已加

工表面粗糙度达Ｒ。０．００５１ａｍ。哈尔滨工业大学的金沫吉“¨等人专门研究了磁流体研磨

法加工陶瓷球，得出了研磨参数与研磨效率的关系，证明这种加工方法的高效性和高

质量性，取得了较好的效果。

（３）磁性磨料研磨也称为磁力研磨［ＩＳｌ９它是将工件置于磁场中，而在磁场中填充

着微细且具有磁性的磨料，磨料在磁场的作用下对工件表面产生压力。当工件相对磁

场存在着相对运动时，磨料对工件产生研磨切削作用。这种加工方法的优点是通过控

制磁场强度，很容易控制研磨压力：并且因为是柔性研磨，适合研磨工件的形状较为广

泛：另外还可以去除较小的毛刺。我国的李益民“¨等人探讨了用磁力研磨法去毛刺，

取得了较好的效果。除此之外，我国还有一些学者从事着磁力研磨机理研究，也取得

很多成就。

（４）弹性发射加工（ＥＥｌ）是利用微粒子在材料表面上滑动去除材料ｎ”。微粒子以

接近水平的角度与材料碰撞，在接近材料表面处产生最大剪断力，既不使其体内的位

错、缺陷等发生移动（塑性变形），又能产生微量的“弹性破坏”，以进行去除加工。其

去除量可控制在几个至几十个原子级。表面粗糙度达到ｌｒｍ。

（５）液体结合剂砂轮研磨作为一种高效研磨的方法，正在受到人们的重视。日本

的河田研治等人在这方面做了许多研究工作，取得了较好效果“”。采用该方法加工，

工件已加工表面粗糙度达０．０１岬以下。液体结合剂砂轮结构与普通砂轮大体相同。

结构如图１．１所示。

结合剂（藏体）填充材料磨车立置粒结合剂ｔｉｅｒｓ）气孔

（?）普通的液体结合剂砂轮（ｂ）复合斜体结合剂砂轮

图１．１液体结合剂砂轮结构示意图

采用液体结合剂砂轮研磨有如下特点：加工精度与普通研磨一样时，加工效率能高

于普通研磨几倍：磨粒自锐性好，能长时间保持高效率研磨：砂轮成形非常容易，可适

用于球面等复杂形状的研磨：相对加工性而言，可以制成非常宽的砂轮；由于只需要磨

粒和适宜的液体就可以制作砂轮，所以加工面的质量控制非常容易：由于结合剂可以

使用酸性溶液和碱性溶液，所以可用于期待化学作用的研磨和有吸湿性的特殊工件的

研磨：由于液体结合剂砂轮没有普通研具那样的连续的弹性，故可进行无塌边的研磨。

另外，液体结合剂砂轮不必像普通砂轮那样烧制，所以制造周期短，可以廉价生产。

（６）电解研磨是应用较早的电化学复合加工工艺，可蚀除金属表面大的粗糙度而

使表面平整：也可蚀除金属表面微观不平，使其光滑成镜面“订０电解研磨原理是通过电

解蚀除表面金属，但在蚀除过程中，会产生钝化膜，所以再加上机械研磨，去除表面

微观高点的钝化膜，使其能继续电解蚀除，如此反复进行，从而使加工表面逐渐平整

光滑。这种加工方法可以消除传统散粒磨料研磨加工在工件已加工表面上产生的加工

变质层，因此受到了人们的重视，国内外许多学者从事着这一加工技术的研究。哈尔

滨工业大学刘晋春哪。等人，研究了电解研磨中，电解和磨粒研磨复合作用机理及主要

参数的影响规律。结果表明该成果能在短时间内获得Ｒｚ值小于Ｏ．０５岬的大面积镜

面，而且适合于加工不同曲面。北京理工大学的陈幼松““探讨了在电解研磨中应用电

火花加工技术，开发了电解电火花复合研磨加工方法。杭州电子工业学院的文贵林。１

利用粘弹性磨料布进行电解复合加工镜面，也取得了很好的效果，并研制出相应的加

工装置。

但这些研磨加工技术主要是提高研磨加工的质量和加工精度。没能有效地提高加

工效率。而固着磨料高速研磨能提高研磨加工精度和加工质量及稳定性。下面主要介

绍下本文所研制的研磨机采用的固着磨料研磨的研究现状。

１．２固着磨料高速研磨的研究现状

固着磨料高速研磨是将散粒的磨料固结起来，制成专用磨具，在高速研磨机上进

行研磨的方法。１。所用的专用磨具是根据工件的要求，用不同的磨料制成丸片，再用

丸片制成不同形状的磨具，图１．２为平面固着磨料研磨的磨具示意图。固着磨料高速

研磨国外是在六十年代发展起来的，我国是从七十年代开始着手研究的。固着磨料研

磨很好地解决了传统的散粒磨料研磨中所存在的大部分缺欠憎１。其最大特点是能显著

提高研磨加工效率，而加工效率低是限制传统研磨广泛应用的最大障碍，因此固着磨

料高速研磨一出现就受到了人们的重视。长春理工大学从七十年代起开始从事固丸片

着磨料研磨加工技术的研究“１，并成立了专门从事这一技术研究的课题组，探讨了在

固着磨料研磨中，研磨压力、研磨速度、冷却液等对研磨效率和加工质量的影响，这

些研究有力地推动了这一新技术的推广应用。

丸片

图１－２固着磨科研磨磨具示意图

进入八十年代，我国从事固着磨料研磨研究的人逐渐增多。较早的有北京理工大

学的查立豫教授ｍ’”，浙江大学的曹天宁憎１教授等。他们既探讨研磨机理、研磨工艺，

又探讨磨具与工件间的相对运动。后来裴庆魁憎“１、林锦文［３１Ｊ章黎明恤ｌ、王翠娣哪！、王锴”１、辛企明“１等一批专家学者都从事着固着磨料研磨加工技术的研究。

由于固着磨料研磨具有许多优点，因此不仅国内的专家学者从事这一技术的研究，

而且国外也有人从事这一技术的研究。早在８０年就有人研究固着磨科研磨机理哪’，固

着磨料研磨加工工件已加工表面粗糙度及破坏层等的变化规律”１。研究的加工材料是

玻璃”１，重点是探讨工件已加工表面粗糙度和材料去除量随研磨加工时间的变化规律。

还比较了不同冷却液的效果。发现了表面粗糙度与破坏层深度有一恒定关系，这就使

人们能根据工件表面粗糙度值来确定下道工序的去除深度。

目前国外较重视磨料性能的改进，以及丸片制作技术的研究，如探讨如何避免丸

片的脱层及裂缝，避免丸片中混入空气，提高磨料和结合剂的均匀性等。为了更好地

改善固着磨料研磨效果，提高丸片质量，日本东京大学有人还研究了利用电泳沉积法

制造高质量、细磨粒丸片。采用他们研制的丸片加工硅片，已加工表面质量得到了很

大改善“１。国外还有人采用金刚石丸片研磨加工球面和非球面，提高了加工效率，取

得了很好的效果。

为进一步完善固着磨料研磨加工技术，长春理工大学的杨建东老师对固着磨料的

浮动研磨中工件转速进行了研究‘柚１，解决了工件转速与偏心距、研磨压力、工件半径、

工件与磨具间的摩擦系数等加工参数之间的关系，并提出了磨具均匀磨损及工件均匀

研磨理论。

本文正是以这一理论为基础，设计磨具及给定研磨加工的参数，从而保证在研磨

加工过程中，不修整磨具，也能保持磨具及加工工件的面形精度，从而在保证研磨加

工精度的同时，提高加工效率。降低操作者的劳动强度。为此，本文在保证加工精度

的同时，努力做到使机床结构简单，操作方便。

１．３研磨机的发展情况及论文研究内容

研磨机是保证研磨加工的重要条件，因此人们专门研究了各种不同的研磨机。目前

国内生产高速研磨机的厂家不少，但由于研磨加工的针对性较强，对不同的工件，研磨加

工的方法也有很大的差别。所以人们研究开发出了许多专用的研磨机。研磨机从加工

精度上基本分为两种。一种是加工不仅对精度要求较高并对面形精度也有所要求的工

件。另外一种是加工只要求表面粗糙度的零件，例如一些钨钢表带和纽扣等。这种研磨

机适合加工一些尺寸较小，而且数量较大的零件。在研磨中将工件与磨料一起置入一

容器内，加以振动，进行研磨抛光。还有人专门研制出相应的振动研磨机。目前这种

振动研磨机国内外都有厂家生产，而且这种研磨加工技术比较成熟，应用也日趋广泛。

目前国内外生产后一种的厂家较多。本文主要研究加工精度较高的前种研磨机．

我国在八十年代研究出来第一台ＰＪＭ３２０型平面研磨机。曾获得国家科学大会奖。

现在西安秦川发展有限公司生产的ＰＪＭ３２０Ｂ就是以它为原型改进的。在光学加工中研

磨又称精磨，所以研磨机也称为精磨机。目前还有南京仪机股份有限公司生产的

ＰＬＭ一４００精密抛光机。以及我国台湾高钰精密有限公司生产的各种精磨机。其中平面精

磨机有ＤＬ－３８０和ＣＤＬ一６００和及ＣＤＬ一９００型号和双面精磨机有ＣＤＬ－４Ｂ－４Ｌ和ＣＤＬ－６Ｂ－６Ｌ

及ＣＤＬ一９Ｂ－５Ｌ等型号。其中ＣＯＬ－３８０型研磨机研磨精度高，可达到的平面度为０．２

０．５ｕ １１ ｍ～ ｍ，表面粗糙度Ｒａ（Ｏ．１ ＩＩ ｍ，它可加工各种材质。

为提高加工效率人们研制出双面研磨机，如兰州东胜机械制造有限责任公司生产

的ＤＳＬ９Ｂ－５Ｐ型双平面研磨机，它加工出的产品精度为１０微米级，平面度及平行度在千

分之一毫米。还有深圳宏达公司生产的双平面研磨机，其平行度及平面度也为千分之一

毫米。球面高速研磨机按加工工件表面的曲率半径不同，分为大球面、中球面和小球面

三种，其中Ｑ８７５型高速精磨机和Ｑ删一４０小球面高速精磨机和ＱＪＭ一１００中球高速研磨

机应用较为普遍。

目前，国外高品质的研磨机床己实现系列化，而且加工精度已达到很高的水平。

如ＳＰＥＥＤＦＡＭ高速平面研磨机，具有粗研磨及精研磨的广泛研磨能力，能以短时间和低

成本获得较高的平行度、平面度以及表面粗糙度。即使不熟练的操作人员，亦能达到

尺寸公差３Ｉｌｍ、平面度０．３ｌｌｍ、平行度３ｌｌⅢ，表面粗糙度ＲａＯ．２ｕｍ以内的高精度加工 水平。又如Ｔａｋａｏ ＮＡＫＡ删ＲＡ等人研制的硅片研磨机，可同时加工５片直径为１２５ｍｍ

的硅片，当硅片厚度在５００－５１５ ｐ ｍ时，经过２４～３０ｍｉｎ的抛光，尺寸可达到４８０士３ 肛ｍ，平均材料去除率０．５ｌ～Ｏ．５７ｕｍ／ｍｉｎ。

目前国内外生产的研磨机基本上都是中大型的。对于小型便携式高速研磨机的研

究有限。而目前便携式的研磨机只有专门维修阀门的维修机具。目前国内外的高速研

磨机的发展方向主要是进一步提高研磨加工质量和加工效率，提高研磨机的自动化程

度，以减轻操作者的劳动强度。而对维修设备现场使用的便携式研磨机还没有人进行研

究和开发。这表明研磨机的生产者和研制者对设备的用户考虑得还不够全面，所以本文

就是根据不同用户的需要研制一种便于携带的高速研磨机。以填补这一领域的空白。

本文主要是将现有的大型研磨机进行小型化，使其既能满足研磨加工要求，又能达

到便于携带的目的。本文主要目是设计出能便于携带的高速研磨机

本题的技术难点是：

１．合理地设计研磨机的结构，以保证研磨机具有足够的刚度、强度和稳定性，从而

避免研磨机在高速运行中出现振动现象：

２．压力可调的工件加压方式。

本题的关键技术是：

１．使磨具能达到均匀磨损，从而避免了磨具修整的麻烦，降低磨具的损耗，提高加

工效率，保证工件的加工精度和质量：

２．合理地确定出被研磨的工件相对于磨具的位置：

主要技术指标：体积小，体积在０．０４ｍ３以内。

１．４论文研究目的和意义

本文是将现有的高速研磨机进行小型化，以满足用户的生产实际要求。目前的高速

研磨机的体积和重量较大，这些设备一般都固定安装在加工车间里进行研磨加工．这就

是说，工件只能在车间里加工，但是事实上，有些工件最好是在工件的使用现场进行加工。比如在生产设备维修时，某一工件需要研磨修复时，人们非常希望在生产设备的使用现场进行试配性的修复加工，以保证所修复的工件能与现场的生产设备相匹配。这既

能有效地保证加工精度和加工尺寸的要求，又能显著地减少修复时间、降低生产成本。

特别是大企业的生产设备每年都要进行大修，在设备大修期问全部生产线都要停产。由于停产给企业带来的损失很大，所以企业对设备大修时间控制很严，希望设备大修的时间短。如果能在设备现场维修有关零部件就可以显著地减少大修时间。

本文研制的便携式研磨机就能很好地解决这一问题。如化工企业常用的反应釜，其中的一个关键件就是机械密封，其价格昂贵，有的一套就达上百万元人民币。在生产中机械密封会出现磨损，降低了密封性能，从而影响反应釜的工作，这时就要停产维修。维修的主要方式就是更换一套新的机械密封，但这浪费很大。事实上我们只需对旧机械

密封进行修复，就可以将其重新使用，照样能保证生产正常进行，从而减少浪费。修复机械密封的主要工作就是研磨加工其动密封的端面，如果将其拿到机械密封生产厂进

行修复，在时间上不允许。如果能在现场用便携式高速研磨机进行修复，仅仅几分钟

就可以将几千元的、甚至几十万元的机械密封修好。

便携式高速研磨机应用范围很广，它既可以替代原有的普通研磨机，用于采用研

磨加工的生产企业进行生产加工，而且由于它还具有体积小、重量轻，易于携带等优

点，还可以直接应用到使用研磨机加工生产的产品用户，用于有关产品的维修和修复，

这就使它的应用范围扩大了很多。因为应用研磨加工的产品的用户非常多，以往由于

研磨机体积较大、价格较高，使用研磨加工产品的企业一般都不购买研磨机，对研磨

加工的产品只是从外面购进，用坏后就买新的产品更换。而本文研制的便携式高速研

磨机体积小、价格低、携带方便，就使得企业积极购买，用于研磨加工件的修复，从

而降低生产费用，为企业节约大量的资金。因此说本文研制的便携式高速研磨机具有

很好的应用前景．

第二章机械系统的设计

研磨机是保证加工质量的重要条件。本文研制的研磨机要质量较轻，以便于携带，

并要努力做到结构简单易于制造。在这一章里，主要介绍了机床工作原理及各机械系

统的设计，并且对各主要零部件的强度进行校核。

２．１机床总体结构设计

根据加工工件尺寸、精度、材料以及工件加工的工艺性，确定本文设计的便携式

高速研磨机床样机的性能参数如下：

１．体积小、重量轻，体积在０．０４一以内：

２．研磨速度高，研磨机主轴转速可达２００ＲＰＭ；

３．电机功率９０ｗ。

研磨机工作原理如图２．１所示。电机带动皮带轮ｌ转动，通过皮带轮２带动主轴旋

转。经主轴传动带动磨具旋转。同时在压杆上施加力，通过杠杆作用在压头上。压头

通过压盖作用在工件上。从而使工件只能绕自身轴线旋转。在研磨开始前，工件和磨

具均处于静止状态。研磨开始时，磨具在电机的带动下开始旋转，工件通过研磨磨削

力的作用开始绕压头中心旋转。

电机的转速为１４００ｒ／ｍｉｎ，经皮带轮减速后主轴转速为２００ｒ／ｍｉｎ。而传统的慢速

研磨机转速为４０－６０ｒ／ｍｉｎ．与之相比，转速提高，加工效率明显提高。

因为机床要求达到的加工质量和加工精度高，所以要求主轴传动平稳，无冲击，

刚度好，轴向及径向跳动小，因此本文选择机床主传动系统的传动链为：电动机一皮带

—机床主轴。由于机床的各执行机构动作比较简单，为降低成本，其电气控制系统采

用的是继电器顺序控制。

２．２传动部分设计

２．２．１电机的选择

本设计要求电机转速较低，并且为保证加工精确度要求振动小，主轴负载不高。

功率要求较小。根据要求选择ＹＳ５６２４三相异步电机。安装形式为Ｂ５。该电机具有振

动小，噪声低、运行平稳的特点，适用于驱动小型机床及要求低振动，低噪声环境中

使用。该电机的功率为９０ｗ，额定转速为１４００ｒ／ｒａｉｎ。效率为５８％，功率因数Ｏ．６ｌ。起动转矩为２．２Ｎｍ，起动电流为６Ａ，最大转矩为２．４Ｎｍ，重量为３．２ｋｇ。

所选的是丹东小型电机有限责任公司生产的ＹＳ５６２４系列三相异步电动机，采用接

线座与机体整体压铸结构，接线盒盖采用胶垫密封，并且前后端盖预设出轴密封装置，

使机座完全符合ＩＰ５４、ＩＰ５５的外壳防护等级标准。

电机外壳采用了高热导率的铝合金材料，机壳采用增强散热筋，使电机具备

８

图２．Ｉ便携式高速研磨机工作原理图

更强的冷却能力，电机绕组温升大为降低。电机可在工作环境下维持良好的运行性能；

精确的动平衡校正及专用的低噪声轴承，使电机运转更加平稳、静音；优质的原

材料以及先进的加工、装配工艺，完善的测试设备确保了电机的优越性能。

电机工作噪声由通风噪声、电磁噪声和机械噪声组成。通风噪声包括风扇和转子

旋转形成的气体涡流噪声，电磁噪声是由电机气隙中定、转子磁场相互作用产生的径

向力，使定子铁心和机座周期性变形而引起振动产生的噪声，机械噪声包括由转子机

械不平衡引起的离心力所产生的机械振动噪声和轴承振动噪声。电机采用精确的动平

衡校正及专用低噪声轴承使得电机噪声远低于国标限值。

电机的轴旋转跳动值＜Ｏ．００５ｍ；转轴与法兰定位止口的同轴度＜０．０３ｍ，与法兰定位平面的垂直度＜Ｏ．０３哪。

９

２．２．２传动选择

常见的传动类型有链传动、齿轮传动和带传动等。链传动的优点：能够保证准确

的传动比，压轴力较小；传递功率大，过载能力强；能在低速重载下高温条件下及尘

土大的情况下较好工作；传动效率高。缺点是：工作中有冲击和噪声，磨损后易发生

跳齿。链条的铰链磨损后，使节距变大造成脱节。安装和维护要求较高。

齿轮传动的优点是：能保证瞬时传动比恒定，平稳性高，传递运动准确可靠。传

递的功率和速度范围较大。结构紧凑，工作可靠，可实现较大的传动比。传动效率高，

使用寿命长。缺点是：制造，安装要求较高。

带传动优点是：结构简单，适宜用于两轴中心距较大的场合。造价低廉。带富有

弹性，能缓冲吸振，传动平稳无噪声。缺点是：传动带需张紧在带轮上，对轴和轴承

的压力较大。传动效率低（一般０．９４～０．９６）。

由于设计要求传动稳定，并且尽可能结构简单、制作成本低。所以选择带传动。

在带传动中，常用的有平带传动、Ｖ带传动、多楔带传动和同步带传动。其中Ｖ带应用

最广。传动类型选择Ｖ带传动，Ｖ带的横截面呈等腰梯形，带轮上也做出相应的轮槽。

传动时，Ｖ带只和轮槽的两个侧面接触，所以在相同的张紧力下，Ｖ带传动能产生更大

的摩擦力。而且Ｖ带允许的传动比较大，结构较紧凑，以及Ｖ带已经标准化和大量生

产。带的种类选择普通ｖ带，其当量摩擦系数大，工作面与轮槽粘附性好，允许包角

小，适用于小功率传动。

２．２．３带的设计计算

（１）确定计算功率Ｐｄ

计算功率是根据传递的功率，并考虑到载荷性质和每天运转时间长短等因素影响

而确定的。即

Ｐｄ＝Ｋ＾Ｐ（２．１）其中Ｐｄ为计算功率，单位为肼。传递功率Ｐ在此为电机的额定功率功率，单位为

肼。本文所选电机的额定为ｏ．０９ＫＷ。Ｋ．为工作情况系数，查机械设计手册““得Ｋ＾＿１．０．带入公式２．１得Ｐｄ－－０．０９ＫＷ。

（２）选择带型

普通Ｖ带分为Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ七种带型，截面高度与节宽的比值为０．７。在

此根据Ｐ。和小带轮转速ｎ选择带型，由于Ｐ。较小，转转速ｎ不高，查机械设计手册中

的《普通Ｖ带选型图》选择Ｚ型三角带。

Ｖ带和带轮有两种尺寸制，即有效宽度制和基准宽度制。普通Ｖ带是基准宽度制传

动用带。在此根据表《带的截面尺寸（基准宽度）》，查得ｚ型三角带的截面尺寸为：

节宽６。为８．５ｍ，顶宽ｂ为１０ｍｍ，高度为ｈ为６ｍｍ，楔角伊为４０＂。Ｖ带在规定张紧

力下弯绕在带轮上时外层受拉伸变长，内层受压缩变短，两层之间存在一长度不变的

中性层，沿中性层形成的面称为节面，节面的宽度称为节宽岛。如图２．２所示。

圈２．２Ｖ帚截曲不葸圈

（３）传动比ｉ

ｉ＝旦

（２．２）ｎ２

其中ｎ。为小带轮转速，ｎ２为大带轮转速。将ｎ．＝１４００，ｎ２＝２００带入公式２．２得ｉ＿７。

（４）小带轮基准直径

按表《普通和窄Ｖ带轮（基准宽度制）直径系列》选取小带轮直径ｄ。＝２６ｍｍ。

（５）大带轮基准直径

（２３）ｄｄ２＝ｉｄｄＩ（１－

０

其中ｄ。为大带轮基准直径，￡为弹性滑动率，根据表选８司．０２，带入公式２．３得

?＝７ｘ２６ｘ（１－０．０２）＝１８２ｍｍ。再根据按表《普通和窄Ｖ带轮（基准宽度制）直径系列》

选取标准值取ｄ越＝１８０ｒａｍ。

（６）初定轴间距ａ。

（２．４）Ｏ．７（ｄｄｌ＋ｄ正）ｓａｏ＜２（ｄｄ

ｌ＋ｄ正）

其中ｄ。为小带轮基准直径，ｄ。为大带轮基准直径，ａ。为轴间距。由于要求结构

紧凑，约取ａｏ＝１６０ｍｍ。

（７）所需基准长度Ｌ∞

Ｌ。－－－２ａ。

＋三（ｄ山＋ｄ也卜』！！号毒｝兰 ＝２×１６０＋坐（１８０＋２６）４—（１８—０－２—６）２

２ ４ｘ１６０

＝３２０＋３２５．５６＋３８．０２５

＝６８３ｍｍ ｃｚ．ｓ， 其中ｄ。。为小带轮基准直径，ｄ以为大带轮基准直径，ａｏ为初定的轴间距。根据表

《普通Ｖ带和基准宽度制窄Ｖ带的基准长度系列》选取相近的长度，选择实际长度Ｌｄ为

６５０ｒａｍ．

（８）实际轴间距ａ

ａ砜＋半＝?似半ｚ１４５ｍｍ

＝１４５－０．０１５×６５０

＝１３５ｍｍ 眩６， 其中ａ。为初定的轴间距，Ｌ。为所需基准长度，Ｌｄ为实际长度。

安装时所需最小轴间距ａ血：

ａｎ＝ａ－Ｏ．０１５Ｌ

ｄ （２．７） 张紧或补偿所需最大轴间距ａ一： ａ。２－雷卜ｏ．０３Ｌｄ ＝１４５＋０．０３×６５０

＝１６４．５ｍｍ

（９）小带轮包角％

ｑ：１８００—ｄ—ｄ２＂

ｄ—ｄｌ×５７．３

ａ （２．８）

：１８０。．１８０－２＿＿＿＿＿６６×

５７．３

＝１２矿 （１０）单根Ｖ带传递的额定功率丘

只是口＝１８０＂，载荷平稳时特定基准长度的单根Ｖ带基本额定功率。根据带型和

啊查表‘各种类型Ｖ带的额定功率》得眉＝ｏ．１４ＫＷ。

（１１）传动比ｆ≠１时的额定功率增量媚

根据带型、ｉ和，ｌｌ查表‘各种类型Ｖ带的额定功率》得ＡＥ＝ｏ．０３ＫＷ。

（１２）Ｖ带根数Ｚ

俨百瓦瓣

ｚ：。——三。一 “。７（２．９） 其中乃是计算功率，为０．０９ＫＷ。墨是单根Ｖ带传递的额定功率，为０．１４ＫＷ。△日是

额定功率增量，为０．１４ＫＷ．也是小带轮包角修正系数，根据小带轮包角ｑ查表‘小

带轮包角修正系数》得髟；ｏ．８２。丘为带长修正系数，查表（带长修正系数》得瓦＝ｏ．９６?

将上述值代入公式２．９得。 ７－ Ｚ广一

０．０９ （Ｏ．１４＋０．０３）０．８２×０．９６ ：ｏ．６９ 取Ｚ＝Ｉ 所以需要一根Ｖ带。 （１１）单根Ｖ带预紧力Ｒ

Ｆｏ＝５峰柚昙耐 ＝４４Ｎ Ｑ埘 （１２）作用在轴上的径向力Ｑ

Ｑ＝２Ｆｏ

Ｚ血呈 －－７６Ｎ

（２ｍ） ２．２．４小带轮设计 如图２．３为小带轮结构图，小带轮零件图见附图０１－０７。设计带轮应满足的要求 有：质量小，结构工艺性好；无过大的铸造内应力；质量分布均匀，转速高时要经过

动平衡；轮槽工作面要精细加工，以减少带的磨损；各槽的尺寸和角度应保持一定的

精度，以使载荷分布均匀。 （１）首先选择带轮结构形式。ｖ带轮典型结构有实心式、腹板式、孔板式和椭圆轮辐

式。由于轴的直径较小，故选择实心式。

（２）由于前面所选带型为ｚ型，与之相配带轮的槽型也是ｚ型，根据表查得Ｖ带轮轮

缘尺寸如下：

图２．３小带轮结构示意图

基准宽度％：８．５ｍｍ

基准线上槽深＾ｍ：

基准线下槽深■面：

槽间距ｅ： ２．Ｏｍｍ ７．Ｏｍ １２±０．３ｒａｍ

第一槽对称面至端面的最小距离丘：

槽间距累积极限偏差：

带轮宽Ｂ：

Ｂ＝１６ｍ

外径ｄａ：ｄａ＝力＋２ｈａ

＝２２＋２×２

＝２６ｎＴｍ ７．Ｏｍ ±Ｏ．６咖 ｚ——轮槽数 Ｂ＝（ｚ－ｔ）ｅ＋２ｆ （２．１２）

槽轮角由为３４＂．

相应的基准直径以：

槽轮角巾的极限偏差：

大带轮和小带轮设计类似。 ≤８０ ±０．５。

２．２．５Ｖ带传动的张紧装置

各种材质的Ｖ带都不是完全的弹性体，在预紧力的作用下，经过一定时间的运转

后，就会由于塑性变形而松弛，使预紧力降低。为了保证带的传动能力，应该定期检

查预紧力的数值。如果发现不足，必须重新张紧，才能正常工作。常见的张紧装置有

定期张紧装置、自动张紧装置和采用张紧轮的装置。其中定期张紧装置为最简单的装

置。在此采用定期张紧装置。利用定期改变中心距的方法来调节带的预紧力。

如图２．４所示。电机上装有带轮。在电机调整板上有两个槽，将电机底板的孔和

槽对好，然后在电机调整板的槽处插入螺栓。再在电机底板端拧上螺母。电机调整板

通过螺钉固定在箱体上。此时如图所示电机带轮中心在Ｂ点。两个带轮的中心距为ＡＢ。

当皮带需要张紧时，松开螺母，取下螺栓。然后沿着槽移动电机到Ｃ点，再插入螺栓，

拧紧螺母。此时两个带轮中心距为ＡＣ＞ＡＢ。这样起到了增大中心距，张紧皮带的作用。

电机调整板

电机底板

螺栓

螺钉

图２．４皮带张紧调整示意图

２．３主轴部分的设计

（１）初步确定轴的最小直径

选择轴的材料为４５钢，经调质处理。查表得材料机械性能数据：

材料牌号：４５

热处理： 调质

≤３５ｒａｍ

２１７～２５５

６５０ ＭＰａ 毛坯直径／ｍｍ： 硬度（哪）： 抗拉强度（不小于）ｏ。：

屈服点（不小于）ｏｌ： ３６０ ＭＰａ

弯曲疲劳极限（不小于）ｏ．．：

扭转疲劳极限（不小于）钆：

许用静应力［ｏ＋．］：

许用疲劳应力［ｏ—Ｉ］： ２６０ ＭＰａ ２７０ １５＇ａ １５５ ＭＰａ １８０－２０７ ＭＰａ

按照扭转强度来计算，主轴最小直径为

厣

ｄ二≥＿｛仨

查表得Ａ＝Ｉ １０，Ｐ－－０．０９，ｎ＝２００，代入公式得

（２．１３）

“＞１ｌｏ

摆－８．４９１ｍ 由于皮带轮加键，需要增大轴径。初定轴径为１５ｍｍ。 （２）主轴支承设计方案选择

多数机床的主轴采用前、后两个支承，为提高刚度和抗震性，有的机床主轴也采

用三个轴承支承。由于本文设计的研磨机要尽可能结构简单并且承受的力不大，所以

在此采用在主轴的前端和后端各安装一个轴承支承。常用的轴承配置方案有三种：两

端游动支承、一端固定一端游动支承和两端固定支承。

两端游动支承结构中两个支承端的轴承都对轴不作精确的轴向定位，因此都属于

游动支承。此类支承常用于轴的轴向位置已由其他零件限定的场合。一端固定一端游

动支承结构是指轴的一个支承端使轴承与轴及外壳孔的位置相对固定（固定端），而在

轴的另一支承端，使轴承与轴或外壳孔间可以相对移动（游动端）。这种支承方式运转

精度高，对各种工作条件的适应性强。两端固定支承是指两个支承端都限制轴向移动。