YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床的设计与开发

YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床的设计与开发

姓名：曲世金申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化

指导教师：方世杰

20100401

摘 要

本文“YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床的设计与开发”，是受文登天润曲轴股份有限公司委托，制定针对曲轴双面磨削自动化磨床的总体设计方案并完成自动化磨床整体设计的应用项目。

本课题设计过程中，在充分考察调研基础上，查阅大量文献资料，综合运用机械设计、电控、机电一体化等多种理论技术，来解决实际问题。在设计过程中，充分考虑到人的因素，不仅满足机械设计的基本功能要求，而且充分将人体工程学的设计理念应用其中，降低工人的劳动强度、改善工人的工作环境，充分体现新时代条件下“以人为本”的设计思想；同时，该课题研究成果可以为企业带来更大的经济效益，具有广阔的应用前景。

首先，结合企业的实际生产加工状况，提出曲轴双面磨削自动化磨床的整体设计方案。 其次，基于自动化磨床整体设计方案，分别完成刀具磨削工作系统的设计、工件进给系统的设计、夹具系统的设计以及电动机的选择。本文根据磨削及机械设计原理，结合机电一体化知识，着重对上述三个系统功能模块开展创新性设计，按照三个系统功能模块的结构设计原理，对曲轴双面磨削自动化磨床的三个系统功能模块进行分析设计依据、论证设计方案、阐述设计过程；根据各系统功能模块的设计原理、企业的实际生产要求等多方面因素来确定部件的选择和参数的设定，例如步进电机，既要满足机械设计要求，又要方便电气设计时进行控制。

再次，基于Pro/Engineer设计软件完成自动化磨床在三维环境下，刀具磨削工作系统、工件进给系统、夹具系统的三维建模设计和自动化磨床整体虚拟装配。

最后，对曲轴双面磨削自动化磨床的整体设计进行深一步的说明，指出该自动化磨床具备一定的加工通用性，可以通过系统软件升级来完成YC6108Q型号曲轴的改进型或相近型及不同型号曲轴的磨削加工任务。

关键词：曲轴；双面磨削；自动化磨床；Pro/Engineer

I

ABSTRACT

This “The design and development of YC6108Q crankshaft double-sided grinding automatic grinding machine”, is subject to the text beyond the bounds Wendeng Tianrun Crankshaft Co., Ltd. was commissioned to both develop the overall design program of crankshaft double-sided grinding automatic grinding machine and complete the overall design of the automation grinder. This is a application project.

In the design tasks of this topic, in the full investigation and study was based on access to a large number of literature, the integrated use of mechanical design, electric control, mechanical and electrical integration of a variety of theoretical techniques to solve practical problems. In the design process, fully taking into account the human factor, not only to meet the basic functions of mechanical design requirements and to fully integrate the application of ergonomic design concepts which reduce labor intensity and improve the working environment of workers to fully reflect the conditions of a new era under the “people-oriented” design ideas; the same time, the subject of research results can lead to greater economic benefits for the enterprise, has broad application prospects.

First of all, combined with the actual production and processing enterprise situation and recommended the overall design of crankshaft double-sided grinding automatic grinding machine.

Secondly, based on the overall design of automatic grinding machine program, to complete the work of system design tool, workpiece feed system design, fixture system design and motor choice. Based on the grinding and mechanical design principles, combined with knowledge of mechanical and electrical integration, focusing on these three systems function modules to carry out innovative design, functional modules in accordance with the structure of the three systems design principle of the automatic grinding machine crankshaft grinding three double-sided systems analysis and design based on functional modules, demonstration design, set design process; system function modules of the various design principles, the enterprise's actual production requirements, and other factors to determine the choice of components and parameters settings, such as stepper motors, it is necessary to meet mechanical design requirements, but also facilitate the design of electrical control.

Again, based on Pro / Engineer design software to complete automation of grinding machine in three-dimensional environment, the tool system of work, the workpiece feed system, fixture design system, three-dimensional modeling and automation, grinding the whole virtual assembly.

Finally, double-sided grinding crankshaft grinding machine automation of the overall design of deep-step instructions, pointing out that the automatic grinding machine with a certain degree of processing versatile, and can be accomplished through the system software upgrades improved version of the crankshaft YC6108Q model or similar type and different models of crank shaft the grinding task.

Key words: crankshaft; double-sided grinding; automatic grinder; Pro / Engineer

II

烟台大学学位论文原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。

论文作者签名：曲世金 日期：2010 年 5 月 20 日

学位论文使用授权说明

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（保密论文在解密后遵守此规定）

论文作者签名：曲世金 导师签名：方世杰

日期：2010 年 5 月 20 日

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版权声明

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1 绪 论

1.1 本课题来源

烟台大学机电汽车工程学院与文登天润曲轴股份有限公司联合立项进行YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床的设计与开发。在导师的精心指导下，本人顺利完成了YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床机械部分的设计与开发工作。

文登天润曲轴股份有限公司是以生产“天”牌发动机曲轴为主导产品的中国规模最大的曲轴专业生产企业，国家520户重点企业，各项经济技术指标始终稳居全国同行业首位。公司拥有全国行业首家“曲轴工程技术研究中心”，“国家博士后科研工作站”，公司成为中国一汽集团无锡柴油机厂、大连柴油机厂、广西玉柴机器股份有限公司、上海柴油机股份有限公司、东风康明斯发动机有限公司、哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司、北内京安云豹发动机有限公司、山东潍坊柴油机厂等主机厂首选整机配套产品，并随主机远销20多个国家和地区，主机装机率达80%。

公司生产的YC6108Q曲轴是锻造的，在锻造成型后会留有呈180度对称分布的毛边。在进行车削加工前必须要去除这两条毛边，以免在车削过程中损伤刀具。现在公司去除毛边这道工序是工人手动操作来实现的，不仅企业的生产效率低，而且生产工人的劳动强度大，工作环境差。公司处于各方面的考虑急需设计生产一台能够实现自动化或半自动化的磨床来提高生产效率并改善工人的工作环境。

本课题主旨是去除YC6108Q曲轴飞边，提高生产效率，减轻工人的劳动强度，改善工人的工作环境。结合企业的实际生产加工状况，在考虑了多方面的因素后，提出针对YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床总体设计方案后，分别对该自动化磨床的刀具磨削工作系统、工件进给系统及夹具系统的结构进行设计并进行磨床整体的设计与装配。

1.2 本课题研究的背景和意义

1.2.1 本课题研究的背景

曲轴是将直线运动变成旋转运动，或将旋转运动便成直线运动的零件。它是往复式发动机、压缩机、剪切机与冲压机械的重要零件。曲轴的结构复杂，由主轴颈、连杆颈、主轴颈与连杆颈之间的连接板组成，其结构细长多曲拐，刚性差。而且随着汽车产品的更新换代，发动机强化指标不断提高和大功率发动机的不断涌现，曲轴的工作条件更加

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恶劣。曲轴在周期性变化的往复、旋转运动引起的惯性力的作用下，既弯曲又扭转，因此对曲轴零件的加工精度和表面质量都提出了更高的要求。尤其是曲轴连杆轴颈与连杆相连接，直接承受各种复杂的交变载荷，轴颈与轴瓦间长期处于高速相对运动状态，因

［1］此对连杆颈的形状、位置精度及表面粗糙度都有很严格的要求。

随着科学技术的迅速发展，国民经济各部门所需求的多品种、多功能、高精度、高品质、高度自动化的技术装备的开发和制造，促进了先进制造技术的发展。磨削加工技术是先进制造技术中的重要领域，是现代机械制造业中实现精密加工、超精密加工最有效、应用最广的基本工艺技术。

当今，磨削加工技术的发展趋势是向着采用超硬磨料磨具，发展高速、高效、高精度磨削新工艺，装备CNC数控磨床的方向发展，但普通磨床及专用磨床、普通磨料磨具、传统磨削工艺仍占有重要地位。资料表明磨削加工量约占机械加工总量的30%～40%。在金属切削机床的11个大类中，磨床的品种规格是最为繁多的一类，这正是为满足各种零件的不同材质、不同形面，不同的加工要求而开发的繁多磨削工艺方法所需

［2］要的结果。

1.2.2 本课题研究的意义

随着我国汽车工业、造船业等的发展，对各种内燃机的需求量越来越大，这就促使各种内燃机的产量越来越大，质量要求也越来越高。曲轴是汽车发动机和内燃机上的关键零件，需求量大，种类众多，要求的加工精度高，其加工精度对发动机的性能起着决定性的作用。

本课题涉及到的YC6108Q曲轴是配装在二汽集团广西玉柴机器股份有限公司生产的YC6108Q、YC6105QC型柴油机上，其主机主要作为二汽集团中等吨位车辆的配套动力使用。该曲轴是文登天润曲轴股份有限公司生产的主要曲轴之一，产量很大，常年为广西玉柴机器股份有限公司生产供应该型号的曲轴，然而目前，该曲轴的去除飞边这道工序是由工人手动操作来实现的，生产效率极低，且生产工人的劳动强度大，工作环境差，还存在严重的安全隐患，这些严重影响到曲轴的其他加工程序，迫切需要对该曲轴简易磨削设备进行改造升级，目前企业在用的去处YC6108Q曲轴飞边的简易磨削设备如图1.1所示，工人的实际工作情况如图1.2、图1.3所示。

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图1.1 在用的简易磨削设备

图1.2 工人工作实况（1）

图1.3 工人工作实况（2）

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目前国内还没有一款合适的曲轴专用磨床能用于该项工序。这也就有了该课题的主要任务——YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床的设计与开发。即，设计一个工作于二维空间上的自动化磨床，同时也具备三维空间进给的手动控制能力，在没有实现自动化进给的第三维度方向上，可通过手轮调节工件位置。

该课题研究成果不仅能够能显著提高曲轴产品磨削加工的生产效率，还能大大提高曲轴的磨削加工精度，降低废品率，从而降低成本、提高生产率，为企业带来更大的经济效益；同时，能够降低工人的劳动强度，提高工人的生产积极性；更有利于提高发动机、内燃机等以曲轴为关键部件的产品性能，从而增强产品的市场竞争力。同时，该课题的研究成果对促进数控磨削技术在我国的研究与发展也有着重要意义。

1.3 曲轴磨削加工技术的国内外研究概况

磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法。用磨料去除材料的加工是人类最早使用的生产技艺方法。远在石器时代，已开始使用磨料研磨加工各种贝壳、石头及兽骨等，用于生活和狞猎工具。青铜器出现以后，用磨料的加工技术得到了进一步的发展，用来制造兵器及生产工具，用磨料研磨铜镜已达到镜面的要求。铁器的出现，更使磨料加工成为一种普遍的工艺技巧得到应用。

18世纪中期出现第一台外圆磨床，用石英石、石榴石等天然磨料敲凿成磨具，进而用天然磨料和粘土烧结成砂轮，随后又研制成功平面磨床，应用磨削技术逐渐形成。1901年以后，相继发明人工熔炼的氧化铝(刚玉)、碳化硅磨料。20世纪40年代末期，人造金刚石问世。1957年研制成功立方氮化棚。超硬磨料人造金刚石砂轮与立方氮化棚砂轮的应用及磨削技术的发展，使磨削加工精度及加工效率不断提高，磨削加工应用范围日益扩大。［2-3］

1.3.1 国外研究概况

随着人类社会由工业经济时代步入知识经济时代，在以高科技产业为主要支柱、以智力资源为主要依托的知识经济条件下，制造业正在发生性的变化，制造技术正在发生质的飞跃，出现了数控技术、超高速加工技术、精密和超精密加工以及虚拟制造等先进制造技术。特别是高速加工技术是当今先进实用的制造技术，正成为磨削加工的主流，具有强大的生命力和广阔的应用前景。

当今，高速高效磨削、超高速磨削在欧洲、美国和日本等一些工业发达国家发展很快，如：德国的Aachen大学、Bremm大学、美国的Connecticut大学等，有的在实验室

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完成了Vs为250 m/s、350m/s、400m/s的实验。据报道，德国Aachen大学正在进行目标为500m/s的磨削实验研究。在实用磨削方面，日本已有Vs=200m/s的磨床在工业中应用。日本用激光在研磨过的人造单晶金刚石上切出大量等高性一致的微小切刃，对硬脆材料进行精密磨削加工，效果很好。超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要用于磨削难加

［］

工材料，精度可达0.025µm。4-9

1.3.2 国内研究概况

前，我国磨床工业及磨料工业几乎是一片空白。上海亚中机器厂(今上海第三机床厂)于1944年制造出我国第一台外圆磨床。后，我国相继建立了现代化的磨床、磨料磨具制造厂及专业研究所，造就了一大批从事磨床设计制造、磨料磨具研究、制造的专业科学技术队伍。20世纪80年代高品位级的人造金刚石、优质立方氮化棚相继面世。

我国磨床工业经历了50年代初的测绘、仿制阶段， 50年代末期开始自行设计。改革开放推动了磨床工业的巨大发展。现在我国已能设计制造高精度、高效率、机电一体化的磨床，形成品种比较齐全的磨床产品，装备了国民经济各部门的制造业，并出口60多个国家和地区。［10］

我国对高速磨削及磨具的研究已有多年的历史，在70年代末期便进行了80m/s、120m/s的磨削工艺实验；前几年，也计划开展250m/s的磨削研究(但至今尚未见到这方面的报道)，所以说有些高速磨削技术还只是实验而已，尚未走出实验室，技术还远没有成熟，特别是超高速磨削的研究还开展得很少。在实际应用中，砂轮线速度Vs一般还是45～60 m/s。［11］

总之，随着工业的发展和科学技术的进步，国内外曲轴磨床均有了突飞猛进的发展，发展的主要趋势就是提高生产率、提高自动化程度和加工质量以保证曲轴的加工精度和光洁度。

1.4 本课题研究的主要内容

本文将运用Pro/Engineer软件，完成自动化磨床在三维环境下的刀具磨削工作系统、工件进给系统及夹具系统的结构设计和磨床整体虚拟装配。主要包括以下内容：

1、通过对YC6108Q曲轴的介绍与分析，根据企业的实际生产状况，提出YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床的总体设计方案，为了便于对该设计方案进行模块化设计，我们将该自动化磨床划分为三大功能模块，即刀具磨削工作系统、工作进给系统和夹具系统。

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2、刀具磨削工作系统的设计。这其中包括：对电机的介绍与选择，Z向伺服传动机构的设计（包括减速器的设计、齿轮副的选择与设计、丝杠螺旋副的设计），带传动机构的设计，还有轴承、砂轮、摆架和联轴器的设计，最后，运用Pro/E设计软件完成刀具磨削工作系统的三维建模。

3、工件进给系统的设计。这其中包括：Y向伺服传动机构的设计，包括丝杠螺旋副的介绍、设计与选择，滑动导轨的选择与设计；X向传动机构的设计，最后，运用Pro/E设计软件完成工件进给系统的三维建模。

4、夹具系统的设计。这其中包括：对机床夹具的介绍，在对YC6108Q曲轴的详细分析的基础上，通过对V型块、偏心轮、圆柱弹簧、凸轮机构和机械手的设计与选择，完成了整个夹具系统的设计，最后，运用Pro/E设计软件完成夹具系统的三维建模。

5、磨床整体设计。通过前面对刀具磨削工作系统的设计、工件进给系统的设计、夹具系统的设计，充分发挥Pro/E设计软件的三维建模功能，将三大模块进行整合和装配，完成YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床的整体设计。

1.5 本课题的创新点

1、在本课题设计任务中，综合运用机械设计、电控、机电一体化等多种理论技术，来解决实际问题。在设计过程中，充分考虑到人的因素，不仅满足机械设计的基本功能要求，而且充分将人体工程学的设计理念应用其中，降低工人的劳动强度、改善工人的工作环境，充分体现新时代条件下“以人为本”的设计思想。

2、目前，国内还没有一款合适的专用磨床来满足的文登曲轴厂曲轴双面磨削的实际生产需要，本课题设计的曲轴双面磨削自动化磨床恰恰能够填补曲轴双面磨削领域的空白，该自动化磨床不仅能够能显著提高曲轴产品磨削初加工的生产效率，还能大大提高曲轴的磨削加工精度，降低废品率，从而降低成本、提高生产率，不但满足了文登曲轴厂的实际生产需要，还为企业带来更大的经济效益。同时，该课题的研究成果对促进曲轴数控磨削技术在我国的研究与发展也有着重要意义。

3、本课题所研究设计的磨床，不仅是专用于曲轴双面磨削的高效自动化机床，同时，我们还赋予该专用机床更大的通用性，使其不仅可以磨削特定的YC6108Q型号曲轴，还可以通过系统软件升级来完成YC6108Q型号曲轴的改进型或相近型及不同型号曲轴的磨削加工任务。

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2 YC6108Q曲轴

2.1 概述

曲轴是发动机最重要、载荷最大、价格较贵的的机件之一。曲轴一般用中碳钢或中碳合金钢模锻造而成。为提高耐磨性和耐疲劳强度，轴颈表面经高频淬火或氮化处理，并经精磨加工，以达到较高的表面硬度和表面粗燥度的要求。它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。工作时，曲轴承受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷的冲击作用。同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损

［12-14］

且润滑良好。

2.2 YC6108Q曲轴

YC6108Q曲轴实物图2.1所示，产品图如图2.2所示。YC6108Q曲轴材质选用QT900-2高强度球墨铸铁，表面进行离子氮化处理，氮化后曲轴表面呈暗灰色或黑色。由于在氮化时，氮离子轰击的特殊作用，轴颈表面粗糙度略有下降，但不影响使用。氮化后曲轴轴颈表面硬度增加，疲劳强度也相应增加30%～50%，曲轴具有更高的可靠性和更高的使用寿命。

图2.1 YC6108Q曲轴

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图2.2 YC6108Q产品图

目前，YC6108Q曲轴主要配装在二汽集团广西玉柴机器有限公司生产的YC6108Q（YC6105QC）型柴油机上，其主机主要作为二汽中等吨位车辆的配套动力。

YC6108Q型柴油机是经德国FEV公司咨询开发的产品，1997年3月份投入批量生产，1997年10月被国家经贸委审定为国家级新产品。现已配套开发78种变型产品，已装配35个整车，262种车型，至1999年6月底累计已销售四万三千多台，YC6108Q型柴油机已广泛应用在前、后置客车及城市公交客车；仅上海各大公交公司就已累计使用配装YC6108Q型柴油机的各类公交车达2500多辆，北京、福州、杭州、郑州等城市也都已批量使用，从YC6108Q型柴油机在后置公交车上的使用情况来看，都没有出现水温高等故障，受到各公交公司的一致好评。YC6108Q型柴油机同时还出口古巴、越南、南非等国家，2009年1～10月份，达1000多台。YC6108Q型柴油机的纵横剖面图如图2.4所示。

图2.4 YC6108Q型柴油机的纵横剖面图[25]

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YC6108Q型车用柴油机是玉柴消化吸收国外先进技术而自行开发的新产品，其前身是YC6105QC型柴油机，1995年开始投放市场，因动力性好、工作可靠而深受用户欢迎。为进一步降低整机噪声，满足国家法规及汽车用户对柴油机噪声污染提出的更加严格的要求，广西玉柴机器有限公司技术中心和华中理工大学，从1995年10月起组织联合攻关，通过对机体的模态分析、燃烧过程及各缸工作均匀性分析、传动齿轮系统的振动与噪声分析，配气系统动态特性分析，壳形零件的振动噪声辐射分析，成功地找到了噪声控制源。于1997年10月完成了攻关任务。课题进行时，高度重视了高校学科交叉、工厂设计和工艺有机结合的优势，充分考虑了批产时生产节拍、工序衔接、成本控制的要求，使主要的研究成果迅速应用于批量生产。攻关成果于1999年7月通过了国家教育部技术鉴定，鉴定结论为应用了国外先进研究技术，研究水平居国内领先。YC6108Q柴油机就是在YC6105QC型柴油机基础上应用该研究成果后的改进型柴油机。同时也提高了YC6108Q型柴油机的市场竞争力，取得了显著的经济效益和社会效益。

[25]

2.3 曲轴的加工工艺

曲轴的加工可分为粗加工和精加工。按照我国的国情和工艺生产水平，国内的曲轴生产厂家的生产线存在较多的是陈旧生产线。为了降低生产成本，陈旧生产线主要由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度较低。粗加工是沿用20世纪70年代以前就盛行的车削方法，采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，工序质量稳定性差，容易产生较大的加工应力，难以达到合理的加工余量。采用的刀具材料是高速钢和普通硬质合金。一般精加工采用MQ8260普通曲轴磨床粗磨→半精磨→精磨→抛光，通常靠手工操作，加工质量不稳定，尺寸一致性差。老生产线一个主要的特点就是普通设备太多，按加工球墨铸铁曲轴来算，一条生产线35～40台设备，生产效率完全是靠多台设

［16］

备分解工序和余量来提高的。

在进入二十一世纪以来，高效加工技术在装备汽车制造业得到了迅速的应用，生产效率得到了很大的提高，发动机曲轴生产线生产设备数量正急剧减少，在欧美国家的先进的曲轴生产商，全线设备（包括热处理、表面强化）仅有十几台设备，产品周转线短，加工效率高，易于质量管理。二十世纪八十年代后期，德国BOEHRINGER公司和HELLER公司开发出了完善的曲轴车—车拉机床，该加工工艺是将曲轴车削工艺与曲轴车拉工艺完美结合，生产效率高，加工精度好，柔性强，自动化程度高，换刀时间短，特别适合有沉割槽曲轴的加工，加工后曲轴可直接进行精磨，省去粗磨工序；而且在加

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［17］

工过程中能去除多次进刀产生的毛坯余量台阶。

曲轴锻造工艺过程：下料→加热→辊锻（若需要）→预成型→终锻→切边→扭拐（部

［15］分曲轴）→校正。

材料在中频电感应连续加热炉内进行加热，将坯料加热到1150±50℃，这与传统油料加热相比较，不仅简化了操作，同时也解决了加热温度不稳定，坯料加热不均匀，导致过热、过烧、材料热消耗高和不利于环境保护等一系列问题。

扭拐是对连杆轴颈不在一个平面内的曲轴，在终锻时将所有连杆轴颈锻在一个平面上，切边后在扭拐机上根据需要将连杆绕主轴颈中心线扭转到要求的角度，通常是90度或120度。增加扭拐工序解决了终锻模具分模复杂、型腔深、锻造工艺性差、毛坯缺肉等问题，并提高生产效率。

曲轴粗加工比较流行的工艺是：主轴颈采用车拉和高速外铣，连杆颈采用内铣或者

［18］高速外铣，全部采用干式切削。

由于国外此类设备价格昂贵，产品加工成本很高，国内一些机床生产厂家相继开发出了数控曲轴车床、数控高速曲轴铣床，数控曲轴车拉机床等专用机床。

磨削是曲轴精加工的最主要工序之一。磨削工序采用国内数控磨床磨削情况已相当普遍，产品加工精度已有相当程度的提高。为满足曲轴日益提高的加工要求，对曲轴磨床提出了很高的要求。随着现代驱动和控制技术，测量控制，CBN（立方氮化硼）砂轮和先进的机床部件的应用，为曲轴磨床的高精度、高效率、高柔性磨削加工创造了条件。一种称之为随动磨削工艺正是体现了这些新技术综合应用的具体成果。而这种随动磨削工艺可显著地提高曲轴轴颈的磨削效率、加工精度和加工柔性。在对连杆颈进行随动磨削时，曲轴以主轴颈为轴线进行旋转，并在一次装夹下磨削所有主轴颈和连杆轴颈。在磨削过程中，磨头实现往复摆动进给，跟踪着偏心回转的连杆轴颈进行磨削加工。实现随动磨削，X轴除了必须具有高的动态性能外，还必须具有足够的跟踪精度，以确保连杆轴颈所要求的形状公差。CBN砂轮的应用是实现连杆轴颈随动磨削的重要条件。由于CBN砂轮耐磨性高，在磨削过程中砂轮的直径几乎是不变的，一次修整可磨削600～800条曲轴。CBN砂轮可以采用很高的磨削速度，在曲轴磨床上一般可采用高达120～

［19-22］140m/s的磨削速度，有的甚至可更高些，磨削效率很高。

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2.4 曲轴制造技术的发展趋势

2.4.1 铸造技术

（1）熔炼

对于高牌号铸铁的熔化，将采用大容量中频炉进行熔炼或变频中频炉熔炼，并采用直读光谱仪检测铁水成分。球墨铸铁处理采用转包，研制新品种球化剂，采用随流孕育、型内孕育及复合孕育等先进孕育方法。熔化过程的各参数实现微机控制和屏幕显示。 （2）造型

消失模铸造将得到发展和推广。在砂型铸造中，无箱射压造型和挤压造型将受到重视并继续在新建厂或改建厂中推广应用。原有的高压造型线将继续使用，其中部分关键元件将得到改进，实现自动组芯和下芯。

2.4.2 锻造技术

以热模锻压力机、电液锤为主机的自动线是锻造曲轴生产的发展方向，这些生产线将普遍采用剪切下料、辊锻（楔横轧）制坯、中频感应加热、精整液压机精压等先进工艺，同时配有机械手、输送带、带回转台的换模装置等辅机，形成柔性制造系统（FMS）。通过FMS可自动更换工件和模具以及自动进行参数调节，在工作过程中不断测量。显示和记录锻件厚度和最大压力等数据并与定值比较，选择最佳变形量以获得优质产品。由控制室监控整个系统，实现无人化操作。

2.4.3 机械加工技术

曲轴粗加工将广泛采用数控车床、数控内铣床、数控车拉床等先进设备对主轴颈、连杆轴颈进行数控车削、内铣削、车-拉加工，以有效减少曲轴加工的变形量。曲轴精加工将广泛采用CNC控制的曲轴磨床对其轴颈进行精磨加工。此种磨床将配备砂轮自动动平衡装置、中心架自动跟踪装置、自动测量、自动补偿装置、砂轮自动修整、恒线速等功能要求，以保证磨削质量的稳定。高精设备依赖进口的现状，估计短期内不会改变。

2.4.4 热处理技术和表面强化技术

（1）曲轴中频感应淬火

曲轴中频感应淬火将采用微机监控闭环中频感应加热装置，具有效率高、质量稳定、运行可控等特点。 （2）曲轴软氮化

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对于大批量生产的曲轴来说，为了提高产品质量，今后将采用微机控制的氮基气氛气体软氮化生产线。氮基气氛气体软氮化生产线由前清洗机、预热炉、软氮化炉、冷却油槽、后清洗机、控制系统及制气配气等系统组成。 （3）曲轴表面强化技术

球墨铸铁曲轴圆角滚压强化将广泛应用于曲轴加工中，另外，圆角滚压强化加轴颈表面淬火等复合强化工艺也将大量应用于曲轴加工中，锻钢曲轴强化方式将会更多地采

［23-24］用轴颈加圆角淬火处理。

2.5 本章小结

本章结合文登天润曲轴股份有限公司生产的YC6108Q曲轴，分别从曲轴的加工工艺和曲轴制造技术的发展趋势作了叙述，并围绕YC6108Q型曲轴的实际使用情况作了详细的介绍，为下面课题研究工作奠定基础。

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3 整体设计方案

3.1 概述

基于前面的背景分析和任务描述，为完成本课题YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床的设计与开发，首先我们要确定该自动化磨床的整体设计方案。

如前面所述，该曲轴自动化磨床是为磨削曲轴YC6108Q锻压后的毛边而设计的，曲轴的形状不规则，毛边分布不均，严重制约着使用普通磨床来完成这道工序。目前，企业采用的加工方法非常原始，加工速度非常慢，加工质量低，工人的工作条件极其恶劣、劳动强度高，生产效率很低，这严重影响公司的经济效益，制约公司的进一步发展，因此本课题任务就是设计完成一台自动化程度高，加工质量好、生产效率高，能够改善工人劳作环境、大大降低劳动强度的磨床，使企业在提高生产效率的同时，能够更加人性化，使企业在创造良好社会经济效益的同时，也承担起必要的社会责任，使操作工人能够在健康的条件下工作。锻压后的YC6108Q曲轴实物如图3.1所示。

图3.1 锻压后的YC6108Q曲轴

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曲轴锻压后的毛边如图3.2所示。

图3.2 YC6108Q曲轴锻压后的毛刺

工人的现场操作情况如图3.3所示。在目前的加工条件下，去除毛边后的曲轴如图3.4所示。

图3.3 工人正在去除毛边

图3.4 去除毛边的曲轴

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由上述图片我们清晰可见，YC6108Q曲轴经过初次锻压后，毛边比较多，比较大，高度可达30mm，长度20mm，厚度可达5mm，在此情况下，通过工人手动操作简易的磨削设备来去除这些毛边，可想而知工人的劳动强度有多大。再者，为了能够降低企业的生产成本，我们将该自动化磨床设计为可以磨削不同型号曲轴毛边的通用设备，能够加工公司提出所要加工的各种曲轴，因此，对该自动化磨床的设计与开发提出了严格的要求。

3.2 设计方案

按照前面的分析和企业的要求，结合实际生产情况，我们形成下面设计方案，自动化磨床设计原理简图如图3.5所示。

刀具系统

夹具系统

进给系统

图3.5 磨床设计原理简图及空间坐标系

由上图我们可以明确看出，该设计方案可以将曲轴双面磨削自动化磨床划分为刀具系统、进给系统，夹具系统三大主要模块部分，接下来对该设计方案做进一步说明。

3.2.1 建立磨床工作坐标系

为了便于对该设计方案的叙述，现将磨床三大主要模块的运动维度进行一下分配。由前面的各项分析可以看出，本课题所要设计的磨床主要是实现单一的平面运动，因为YC6108Q曲轴的毛边主要集中分布在一个平面上，且在同一平面内呈180º对称，因此，该磨床的设计方案只需要在两个方向（即：Z方向和Y方向）的进给上实现自动化即可。

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在此，先建立起空间坐标系，如图3.5所示。坐标Y方向为，曲轴轴向进给方向；坐标Z方向为，砂轮相对工件的径向进给方向；X方向运动，可用于机床夹具的位置调整及一些特殊情况下的曲轴加工使用，因而在设计方案中设置了手轮，使其既可与手动模式结合使用，也可与自动模式结合使用。

采用手轮时，负荷不大，可以使用手轮直接驱动夹具沿X方向的调整动作。同时，两个需要伺服驱动系统控制的进给维度（Z方向和Y方向）由砂轮架和机床工作台各承担一个，避免因负荷过度集中于砂轮架和机床工作台而加大该方向伺服驱动系统和整体机械系统的设计难度。

3.2.2 三大模块的设计

1、刀具磨削工作系统的设计。刀具磨削工作系统需要实现砂轮的运转以及砂轮架的垂直升降。结构上包括床体、立柱、砂轮架、辅助支撑、三相异步电动机、步进电动机、传动机构以及砂轮等。其中，床体用于承担重量和支持其他零件的空间分布；立柱用于砂轮架的导向；砂轮架则是为了固定砂轮；辅助支撑用于缓解电机重量导致的皮带张紧力过大的问题（因砂轮相对工件的径向进给量较小，采用皮带自动张紧装置）；三相异步电动机带动砂轮工作；步进电动机提供动力并控制Z向进给；传动机构分为砂轮传动机构和进给传动机构，前者为带传动，后者经由齿轮副减速后连接丝杠螺旋副传递动力；砂轮为执行单元，用于磨削工件。

2、工件进给系统的设计。工件进给系统包括Y向进给传动机构和X向手轮进给传动机构两部分。从结构上看，Y向进给传动机构由步进电动机、减速齿轮副、丝杠螺旋副、下工作台等组成；X向手轮进给传动机构则由手轮、丝杠副和上工作台组成，二者结构上较为简单。

3、夹具系统的设计。通过现场实地观察，并根据企业的实际生产需要，可以明确本课题所设计的夹具是用来定位并夹紧YC6108Q曲轴，以便砂轮磨削曲轴上的毛边。由于这道工序是一道粗加工工序，所以对精度要求不高；曲轴在加工过程中的周向转动力也不大，所以对夹紧力的要求不高。设计方案中夹具系统主要由V型块、偏心轮、圆柱弹簧、凸轮机构和机械手等组成，采用V型块来实现工件定位和砂轮的对刀，夹紧装置采用了简易机械手来实现，控制机械手拉杆上下运动的装置用两个凸轮的旋转来实现拉杆的上升和下降，从而实现机械手的夹紧和松开；凸轮的旋转是通过一个偏心轮机构的旋转来实现的，在这里，偏心轮机构还有自锁功能。

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3.2.3异步电动机的放置

在磨床的设计方案中，我们采用异步电动机来驱动砂轮。因为砂轮架的重量最终将集中作用于Z向传动丝杠上，此时，异步电动机的重量无疑将增加该丝杠的负担，而若设置多个丝杠同时运作，又会增加安装精度要求的难度，安装不慎即可导致运动“卡死”现象，引发意外事故。因此，不能将异步电动机放置于砂轮架上，设计方案是将其放置在底座的一个摆动平台上，使得异步电机可以通过自重及摆动来适应砂轮架的垂直升降。

这样做遵循了设计中的两个基本原则：其一，我们所需加工的曲轴工件纵向进刀行程较短，工件相对的最深进刀不过100mm左右，驱动砂轮的异步电动机动作时摆角较小。其二，异步电动机重量许可。

3.3 本章小结

本章在深入文登天润曲轴股份有限公司实地考察调研的基础上，初步制定出YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床的设计方案，并对设计方案进行说明。

经初步分析，该设计方案能够顺利完成自动化磨床的磨削过程：

Z向进给的实现过程：Z向步进电动机带动丝杠转动，丝杠带动砂轮架垂直升降，驱动砂轮的异步电机通过自重来改变仰角（因砂轮相对工件的径向进给量较小，采用皮带自动张紧装置），以适应砂轮架的上下动作，进而完成刀具的进给。

Y向进给的实现过程：Y向步进电动机带动底座工作台丝杠转动，丝杠带动工作台Y向动作，进而完成工件的进给。

X向进给的实现过程：手轮转动带动丝杠转动，丝杠带动上工作台X向动作，进而完成工件的补充进给。

三大模块的具体设计过程将在后面的三章内容里做详细说明。

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4 刀具磨削工作系统设计

4.1 概述

刀具磨削工作系统需要实现砂轮的运转以及砂轮架的垂直升降。从组成结构上看，刀具磨削工作系统包括床体、立柱、砂轮架、辅助支撑、三相异步电动机、步进电动机、传动系统以及砂轮等。其中，床体用于承担重量和支持其他零件的空间分布；立柱用于砂轮架的导向；砂轮架则是为了固定砂轮；辅助支撑用于缓解电机重量导致的皮带张紧力过大的问题；三相异步电动机带动砂轮工作；步进电动机提供动力并控制Z向伺服传动进给的机构；传动机构分为砂轮传动机构和伺服传动进给机构，前者为带传动，后者经由齿轮副减速后连接丝杠螺旋副传递动力；砂轮为执行单元，用于磨削工件。

刀具磨削工作系统的工作原理如下：

打开异步电动机，通过皮带传动带动砂轮转动，然后操纵步进电动机，通过变速箱减速后带动丝杠转动，从而带动砂轮刀架上下移动，下降高度和速度是通过程序软件控制；异步电动机的上下摆动，可协调皮带轮与皮带得松紧关系，可防止异步电动机过重，而损坏皮带，同时，在异步电动机的底座下面加入辅助支撑，对电机起到了一定的支承作用；在这里，大光杠起导向作用，并且减少丝杠承受径向力的作用，从而可以使丝杠只承受轴向力的作用，从而缓解了丝杠的压力。

刀架的上下运动，由变速箱上的步进电动机驱动，通过变速箱变速后，带动丝杠的转动，从而带动刀架的上下运动，实现砂轮的上下磨削。

砂轮的转动，由异步电动机驱动，电机转动通过带传动，带动砂轮进行运动，实现切削过程。砂轮的磨削速度是靠选的电机不同而不同。

由于本课题设计初衷要求该磨床能够通过升级数控部分的系统软件来加工各种不同型号的曲轴，因此将砂轮设计的比较大，这样能够在大皮带轮不妨碍加工条件下，加工各种样式的曲轴了。[28]

4.2 Z向伺服传动机构的设计

按照前面总体设计方案，Z向伺服传动机构由步进电动机、减速齿轮副、丝杠螺旋副组成，步进电动机通过两级齿轮减速，将转矩传递于丝杠，继而通过丝杠螺旋副控制砂轮架的升降。Z向伺服传动机构的工作原理如图4.1所示。

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本课题立项时，在与文登天润曲轴有限公司的总工程师进行探讨交流过程中，结合YC6108Q曲轴的实际磨削加工情况，综合考虑步进电机、减速器、砂轮、丝杠螺旋副等的自重，企业总工程师给出丝杠螺旋副中螺杆的承载的轴向力F约为2512N，该数值也能够满足自动化磨床的设计要求；根据曲轴厂所给的YC6108Q 设计图纸，可确定砂轮的走刀路径总长度为4036.6mm。

图4.1 Z向伺服传动机构工作原理图

4.2.1 减速齿轮副的设计

众所周知，步进电机工作在较低转速下是不合理的，若直接连接丝杠必然要承受很强的震动干扰，加之步进电机驱动能力有限，势必要求增加减速机构，常用的定传动比减速机构有齿轮减速、涡轮蜗杆减速以及谐波齿轮减速等，从经济性、实用性、工作效率和工作空间等方面考虑，在本课题设计中，决定使用齿轮副传动减速。

［29-34］

齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，齿轮传动具有以下特点：

（1） 瞬时传动比恒定。非圆齿轮的瞬时传动比又能按需要的变化规律来设计。 （2） 传动比范围大。可用于减速或増速。

（3） 速度（指节圆圆周速度）和传递功率的范围大，可用于高速（V>40m/s）、中速和低速（V<25m/s）的传动；功率可从小于1w到105kw。

（4） 传动效率高。一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率可达99%以上。 （5） 结构紧凑。适用于近距离传动。

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（6） 制造成本较高。某些具有特殊齿形或精度很高的齿轮，因需专用或高精度的机床、刀具和测量仪等，故制造工艺复杂，成本高。

（7） 精度不高的齿轮，传动时噪声、振动和冲击大，污染环境。 （8） 无过早载保护作用。 （9）工作可靠、使用寿命长。

齿轮传动分为开式、半开式及闭式，在设计中采用润滑及防护条件较好的闭式传动。 至于传动比的确定，则是一个跟步进电机选择一样需要综合权衡的题目。机械系统设计中需要解决力矩和空间的矛盾，所要求输出的力矩越大，显然传动比也要求越大，而大的传动比则往往导致齿轮副空间结构的加大，考虑到各种设计因素，本课题的齿轮变速箱（减速器）采用两级齿轮变速，传动比定为8，该方案能够符合设计要求，两级齿轮变速的结构简图如图4.2所示。下面的内容里将作进一步的设计说明。

步进电动机

高速级齿轮传动

低速级齿轮传动

图4.2 两级齿轮变速结构（减速器）简图

一、高速级齿轮传动的设计

1、选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数。

1）参照图4.2的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动，齿数比μ=3.2。

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2）本课题设计的减速器用于曲轴磨削自动化磨床，属于金属切削机床，传递速度不太高，故选用7级精度（GB10095—88）。

3）材料选择，查表可知，选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差40HBS。 4）选小齿轮齿数为z1=20，大齿轮齿数z2=i*z1=3.2*20=。 2、按齿面接触强度设计 由设计计算公式进行试算，即：

d1t≥2.323KtT1μ±1ZE2

⋅()

φd

μ[σH]1）确定公式内的各计算数值： （1）试选载荷系数Kt=1.3

（2）确定小齿轮传递的转矩，根据前面步进电动机的设计，选T1=9.23×103N.mm； （3）查圆柱齿轮的齿宽系数表，选取齿宽系数φd=1；

（4）查材料的弹性影响系数表，选取弹性影响系数ZE=1.8MPa；

（5）按齿面硬度查图表，选取小齿轮的接触疲劳强度极限σHlim1=600MPa；大齿轮的接触疲劳强度极限σHlim2=550MPa；

（6）计算应力循环次数，预计本课题研究设计的自动化磨床，工作寿命为15年，每年工作300天，两班制，每班工作8小时，按照下式N=60njLh来计算应力循环次数，其中，n为齿轮转速，按照步进电机的转速，此处取1000r/min；j为齿轮每转一圈时，。可得： 同一齿面啮合的次数；Lh为齿轮的工作寿命（单位为h）

N1=60n1jLh =60×1000×1×(2×8×300×15)=4.32×109 N2= N1/3.2=1.35×109

（7）查接触疲劳寿命系数图，选取接触疲劳寿命系数KHN1=0.90，KHN2=0.95 （8）计算接触疲劳许用应力

取失效概率为1%，安全系数为S=1，由式[σ]= [σH]1=

[σ1

2

KNσlim

得 S

KHN1σlim1

=0.9×600 MPa =0 MPa SKHN2σlim2]==0.95×550 MPa =522.5 MPa H2

S

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2）计算：

（1）试计算小齿轮分度圆直径d1t，代入[σH]中较小的值

3

KtT1μ+1ZE21.3×9.23×104.21.82

d1t≥2.323⋅()=2.32×3()mm=29.6mm

φdμ[σH]13.2522.5

（2）计算圆周速度v

v=

3.14×29.6×1000

=1.55 m/s

60×100060×1000

=

πd1tn1

（3）计算齿宽b

b=φd⋅d1t=1×29.6mm=29.6mm （4）计算齿宽与齿高之比b/h；

模数mt=d1t/z1=29.6/20mm=1.48mm 齿高h=2.25mt=2.25×1.48mm=3.33mm b/h=29.6/3.33=8. （5）计算载荷系数

根据圆周速度v=1.55m/s及7级精度等级，由图表查得动载系数Kv=1.05； 直齿轮，假设KAFt/b<100N/mm。由表查得KHα=KFα=1.2； 由表查得使用系数KA=1；

由表查得7级精度、小齿轮相对支撑非对称布置时，

KHβ=1.12+0.18(1+0.6φd2)φd2+0.23×10−3b=1.12+0.18(1+0.6×1)×1+0.23×10×29.6=1.41

2

2

−3

由b/h=8.，KHβ=1.41，查表得KFβ=1.4，故载荷系数

K=KAKVKHαKHβ=1×1.05×1.2×1.41=1.78

（6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由已知公式得，

d1=d1t3K/Kt=29.6×31.78/1.3=32.87mm （7）计算模数m

m=d1/z1=32.87/20mm=1.mm 3、按齿根弯曲强度校核

由已知公式得弯曲强度的设计公式为：

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m≥3

2KT1YFaYSa

() 2φdz1[σF]

1）确定公式内的各项计算数值

（1）由表查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE1=500Mpa，大齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE2=380Mpa；

（2）由表查得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.87，KFN2=0.； （3）计算弯曲疲劳许用应力；

取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由已知公式得

KFN1σFE10.87×500

=MPa=310.7 Mpa S1.4Kσ0.×380

[σF]2=FN2FE2=MPa=241.6 Mpa

S1.4[σF]1=

（4）计算载荷系数K=KA×KV×KFα×KFβ=1×1.05×1.2×1.4=1.7； （5）查表后，取齿形系数YFa1=2.85；YFa2=2.41； （6）查表后，取应力校正系数YSa1=1.；YSa2=1.67； （7）计算大、小齿轮的

YFaYSa

并加以比较， [σF]

YFa1YSa12.85×1.

==0.01413 [σF]1310.7

YFa2YSa22.41×1.67

==0.01666，比较后，看出大齿轮的数值大。 [σF]2241.62）设计计算

2×1.7×9.23×1032KT1YFaYSa3()=×0.01666mm=1.10mm m≥322φdz1[σF]1×20

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m=1.mm大于由齿根弯曲疲劳强度校核计算的模数m=1.10mm，这符合机械设计的要求，按照机械设计的原则取模数

m=1.mm，并就近圆整为标准值m=2mm，按齿面接触疲劳强度算得的分度圆直径d1=32.87mm，算出小齿轮齿数。

z1=d1/m=32.87/2=18

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大齿轮齿数取z2=μz1=3.2×18=57.6，取z2=58。

这样的齿轮传动设计结果，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，且做到结构紧凑，避免浪费，完全符合本课题的设计要求。 4、几何尺寸计算

1）计算分度圆直径 d1= z1×m=18×2=36mm d2= z2×m=58×2=116mm 2）计算中心距

a=(d1+d2)/2=(36+116)/2=76mm 3）计算齿轮宽度

b=d1×φd=36×1=36mm

至此，齿轮减速副的高速级齿轮传动设计已完成，齿轮减速副的高速级齿轮传动结构设计如图4.2所示。

二、低速级齿轮传动的设计

（一）选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数。

1）同样参照图4.2的传动方案，选齿方案采用直齿圆柱齿轮传动，齿数比为µ=2.5。 2）由于传递速度不太高，同样采用7级精度（GB10095—88）。

3）材料选择，查表可知，选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材，硬度为240HBS，二者材料硬度差40HBS。 料为45钢（调质）

4）小齿轮齿数为z1=30，大齿轮齿数z2=μz1=2.5×30=75。

接下来，就是按照齿面接触强度进行设计，按照齿根弯曲强度进行校核，分别对低速级齿轮传动进行设计和校核，计算过程同于上述高速级齿轮传动的设计计算过程，在此不再赘述。

最后，经计算校核得低速级齿轮传动模数m=3mm，z1=26，大齿轮齿数取

z2=μ×z1=2.5×26=65 （二）几何尺寸的计算 （1）分度圆直径

d1=z1×m=26×3=78mm

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d2=z2×m=65×3=195mm （2）计算中心距

a=(d1+d2)/2=(78+195)/2=136.5mm

（3）计算齿轮宽度

b=d1×φd=78×1=78mm

至此，齿轮减速副的设计已完成，综合上述齿轮减速副设计校核结果，该结论完全符合本课题的设计要求，齿轮减速副的结构设计如图4.2所示。

4.2.2 丝杠螺旋副（螺旋传动）的设计

本课题所要设计的丝杠螺旋副，亦即大家常说的螺旋传动，它是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要是将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。

（一）螺旋副的失效及对材料的要求：

一般情况下，滑动螺旋的主要失效形式是磨损；在密封，润滑良好，速度较高时，主要为胶合，如速度较低，则为擦伤。为此，在选择螺杆材料和热处理时，应提高螺杆的表面硬度，并降低其粗糙度值，这样可提高耐磨性，特别是在磨料磨损时，尤其要提高螺杆的表面硬度。一般情况下，螺杆硬度值应比螺母高30%～40%以上。精密传动螺纹，对螺杆原材料的金相组织，非金属夹杂，疏松度，弯曲度和硬度的不均匀性都有要求，

［29-33］并在加工工程中进行数次实效处理，才能长期保持尺寸稳定性。

在本课题设计中，螺杆材料选用T10，球化调质，硬度200-230HBS；螺母材料选用铸锡青铜，摩擦系数低0.08～0.1，抗胶合与耐磨性能好。

螺杆牙型选择梯形螺纹，其特点自锁性能好，螺牙可双向受力，螺纹强度高，螺纹径向调动对运动精度的影响较大。转矩输入采用圆柱形输入。 （二）螺杆与螺母尺寸的确定

结合以往的设计经验和有关机械设计方面的材料，在本课题中，螺杆选择公称直径

d=50mm，查表（GB/T5796.3-2005）可知，螺距P=12mm，螺杆中径d2=44mm，螺杆小径d1=37mm，大径D=51mm。

螺母高度H=φd2，设计时，φ值根据螺母的形式选定，对于整体螺母，由于磨损后不能调整间隙，为使受力分布比较均匀，螺纹工作圈数不宜过多，取φ=1.2～2.5，在本

25

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课题设计中，φ取2.5，则H=2.5×44=110mm，

螺纹工作圈数u=H/P=110/12=9.1<10～12，取螺纹工作圈数为9； 螺纹的工作高度h，对于梯形螺纹h=0.5P=0.5×12=6mm。 （三）螺纹与螺杆的校核

根据本课题预设的条件可知螺杆的轴向力F约为2512N，螺纹工作面上的耐磨条件为：

p=

2512F

==0.3367MPa πd2hu3.14×0.044×0.006×9

查表得，钢与青铜许用压力为7-10MPa，则p=0.34Mpa<7MPa，完全符合机械设计要求。

1、对螺纹自锁验算：

螺纹升角：

ψ=arctan

SnP12=arctan=arctan=arctan0.087=4.97

3.14×44πd2πd2

ff

=arctan，f为摩擦系数，查表取f=0.1；α为牙型角，cosβcos(α/2)

0.1

=5.91 cos15o

ϕv=arctan

梯形螺纹为30°，则ϕv=arctan

比较上述两个计算结果，ψ＜ϕv，则螺纹能够自锁，符合机械设计的要求。 2、螺杆强度的校核：

校核螺杆强度时，应根据第四强度理论求出危险截面的计算应力σca，其强度条件为：

⎛4T⎞1

⎟σca= F2+3⎜⎜⎟A⎝d1⎠

2

式中，

，单位为N；本课题中，F取值约为2512N； F—螺杆所受的轴向压力（或拉力）

A—螺杆螺纹段的危险截面面积，单位为mm2；A=πd12/4=3.14×372/4=1074.665mm2； d1—螺杆螺纹小径，单位为mm；

T—螺杆所受扭矩，单位为N·mm；T=Ftan(ψ+ϕv)×44/2=10622.16N·mm；

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d2

=2512×tan（4.97+5.91）2

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d2—螺杆螺纹中径，单位为mm。

1⎛4×10622.16⎞

25122+3×⎜于是，σca=⎟=2.98MPa

1074.66537⎝⎠

查表得，[σ]=σs/5=390/5=78MPa，比较后得σca＜[σ]，符合设计要求。σs为材料的屈服极限。 3、螺纹牙强度校核：

螺纹牙根部的厚度b=0.65P=0.65×12=7.8mm 螺纹牙危险截面剪切强度为：

2

F

，式中各参数意义及数值同前。 πDbu

2512

于是，τ==0.22MPa

3.14×51×7.8×9 τ=

查表知，青铜的许用剪切应力[τ]=30～40MPa，显然，τ≤[τ]，符合设计要求。 螺纹牙危险截面弯曲强度为：

σb=

6Fl

，式中，l为弯曲力臂，单位为mm，l=（D-d2）/2=（51-44）/2=3.5mm，πDb2u

6×2512×3.5

=0.6MPa 2

3.14×51×7.8×9

其他参数意义及数值同前。

于是σb=

查表知，青铜的许用弯曲应力[σb]=40～60MPa，显然，σb≤[σb]，符合设计要求。 4、螺杆的稳定性校核：

在本课题的设计中，很明显螺杆的柔度λs远小于40，因此按照机械设计原则不必对螺杆的稳定性进行校核。 5、螺杆的驱动转矩：

T=Ftan(ψ+ϕv)

d2

=2512×tan（4.97+5.91）×44/2=10.6N·m 2

至此，丝杠螺旋副的设计已基本完成，螺杆与螺母组成丝杠螺旋副的配合原理如图4.3所示。

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图4.3 螺杆与螺母组成丝杠螺旋副的配合草图

通过上述的计算、校核过程，可以看出，该丝杠螺旋副完全可以满足当前设计的要求。

4.2.3 步进电动机的选择

步进电动机是一种专门用于位置和速度要求精确控制的特种电机。步进电动机的最大特点是其“数字性”，对于控制器发过来的每一个脉冲信号，步进电动机在其驱动器的推动下运转一个固定角度，即：接受一串脉冲，步进电动机将连续运转一段相应距离。同时，可以通过控制脉冲频率，直接对电机转速进行控制，故又称之为脉冲电动机。由于步进电动机工作原理易学易用，成本低，电机和驱动不易损坏，非常适合微电脑和单片机控制，因此，步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如：数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷

［］

设备等中亦有广泛应用。27

在本课题的设计中，为满足自动化磨床的工作要求，优先考虑步进电动机的使用性能问题，故选用三相混合式步进电动机来驱动丝杠的转动。其特点是输出力矩大，动态性能好，步距角小。

根据Z向伺服传动机构设计要求可知，步进电动机通过驱动丝杠螺旋副进行传动，通过丝杠带动刀架进行运动所需的力矩为：

T=Ftan(ψ+ϕv)

d2

=2512×tan（4.97+5.91）×44/2=10.6N·m（该结果在前面齿轮减2

速器的设计中已进行详细的分析计算。）

根据设计要求，根据计算结果可知，需要小于10.6N·m的力矩才能被步进电动机所驱动，10.6N·m这个力矩对步进电动机要求太大，根本承受不了，而且步进电动机在丝

28

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杠低速运行时可能极其不平稳，因此，我们要在步进电机与丝杠之间加入两级齿轮减速器，这样不仅将电机进行了降速，并且将转矩增大，由于我们加入了两级齿轮减速，传动比选定为i=8，此时要想能够被步进电动机所驱动，可以选用启动转矩相对比较小的步进电动机，综合考虑后，选用863S22型三相混合式步进电动机。

步进电动机的选择是综合权衡的结果。对于机械系统设计来说，自然希望电机的执行能力达到预期效果；而对于电气系统设计来说，则是更偏向于电机的受控能力，电机的参数决定了其所需要表达信息和存储的脉冲信息的上限，如果电机每转一周所需要发出的软件激励信号越多，则需要存储该脉冲信息的字节单元越多，当前使用16比特位（即两个字节）表示某个步进电机所需要执行的软件激励信号总数，其最大值是216=65536，若此最大值不能满足要求，则要考虑使用软件对路径文件中的长数据进行分段执行，虽然比较经济，却加大了程序设计方面的复杂性，故而这也了步进电动机的选定和使用，最终权衡的结果是863S22，其有关参数如表4.1所示。 相数 3 步距角 1.2º

保持转矩 2.26 N.m 额定电流 5.0 A 相电感 2.4 mH 相电阻 0.96 ohm 引线数 6 转子惯量 1100 Kg.cm2 定位转矩 1.0 kg.cm

电机重量 1.7 kg 机身长 71 mm 步距精度 +5%（整步、空载） 温升 80ºC Max 环境温度 -10℃～+50℃ 绝缘电阻 100MΩ min.500VDC 耐压

500VAC for one minute

径向跳动 0.06 Max（450g-load）轴向跳动 0.08 max（450g-load）

表4.1 863S22型三相混合式步进电动机参数

4.3 带传动机构的设计

带传动是由固连于主动轴上的带轮（主动轮）、固连于从动轴上的带轮（从动轮）和紧套在两轮上的传动带组成的。当原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮之间的摩擦，便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力。带传动具有结构简单、传动平稳、造价

［29-33］低廉以及缓冲吸振等特点，在现代机械设计中被广泛应用。

带传动的主要失效形式即为打滑和疲劳破坏，因此，带传动的设计准则为：在保证带传动不打滑的情况下，具有一定的疲劳强度和寿命。

29

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基于以上论述，在该自动化磨床的带传动机构设计中，决定使用普通V带向砂轮传递动力，这实际上是沿用了文登天润曲轴厂现有简易磨削设备的设计方案。

4.3.1 驱动砂轮电动机的选择

Y系列三相异步电动机是全封闭自扇风冷式鼠笼型交流异步电动机，是统一标准设计的最新系列，防护等级为IP44。Y系列电动机具有高效、节能、起动转矩大、性能好、噪声低、振动小、可靠性高，功率等级和安装尺寸符合IEC标准，使用维护方便等优点。

Y系列电动机适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的一般场所和无特殊要求的机械

［26］上，如：金属切削机床、水泵、风机、运输机械、搅拌机、农业机械、食品机械等。

在该课题设计中，选用三相Y系列（IP44）异步电动机，通过皮带传动来驱动砂轮磨削。根据设计要求和实际使用情况，最终确定驱动砂轮的异步电动机型号为Y100L1-4型异步电动机，额定功率2.2KW，电压380V，电流5.0A，频率50Hz，绝缘B，噪音70dB(A)，额定转速1430r/min，效率81.0%，功率因数0.82，额定转矩2.30N.M，堵转转矩2.2 N.M。

选用Y100L1-4型异步电动机来驱动砂轮是借鉴文登天润曲轴有限公司现在使用的设备的驱动电机来选定的，根据企业的实际生产状况，Y100L1-4型异步电动机在磨削各种曲轴过程中，能够达到所需要求，同时也能满足机械设计的要求。

4.3.2 V带的设计

1、确定计算功率Pca

查表得工作情况系数KA=1.4，故Pca=KAP=1.4×2.2=3.08kw； 2、选择V带的带型

根据计算功率Pca和小带轮转速n1=1430r/min，查图表可确定带型为B型； 3、确定带轮的基准直径dd1和dd2 并验算带速V

1）初选小带轮的基准直径dd1，根据V带截型，查表后，取带轮的基准直径dd1=200mm≥ddmin（为提高V带的使用寿命，选取较大直径）； 2）验算带的速度v，按公式v=

πdd1n1

60×1000

，验算带的速度v=14.98m/s，按照机械设计

理论，一般推荐带速为5m/s3）计算从动轮的基准直径dd2，根据已知计算公式，计算大带轮的基准直径dd2，选

30

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传动比i为1.5，dd2=i·dd1=300mm；按V带轮的基准直径系列适当的加以圆整，取从动轮的基准直径dd2为315mm。 4、确定中心距a和带的基准长度Ld

①根据传动的结构需要，初定中心距a0取：0.7（dd1+dd2）＜a0＜2（dd1+dd2），即360.5mm＜a0＜1030mm，初步选定a0=1000mm。

②a0取定后，根据带传动的几何关系，按下式计算所需带的基准长度Ld＇：

Ld＇≈2a0+π（dd1+dd2）/2+（dd2-dd1）2/4a0=2811.85mm，查表后，选取和Ld＇相近的V带的基准长度Ld=2800mm。

③再根据Ld来计算实际中心距。由于V带传动的中心距一般是可以调整的，故可）/2=994mm。 以采用下式做近似计算，即：a≈a0+（Ld-Ld＇

考虑到安装调整和补偿预紧力的需要，中心距地变动范围为：

amin=a-0.015Ld=994-42=952mm；amax=a+0.03Ld=994+84=1078mm 因此，中心距的变化范围为952～1078mm。

5、验算主带轮上的包角α1，α1≈180°-（dd2-dd1）×57.5°/a=180°-6.65°=173.35°。 6、计算带的根数z

z=

Pca

，Kα为包角系数，KL为长度系数，P0为单根V带的基本额定

(P0+ΔP0)KαKL

功率，∆P0为单根V带的基本额定功率的增量，以上参数均可查表得到，查表得

P0=1.98kw，∆P0=0.26kw，Kα=0.98，KL=1.09，将上述数据分别代入式中计算的z=1.28。 根据实际算法，该带传动系统至少需要一根V带，但为了更为稳定，我们在实际设计中，选择两根V带。 7、确定V带的预紧力F0

由公式F0=500

Pca2.5

(−1)+qv2，可以计算出单根V带所需的预紧力，其中，q为zvKαV带的单位长度质量，查表得B型带的单位长度质量q=0.18kg/m，其他参数值同前。

经计算得，F0=120.06N。

8、计算带传动作用在轴上的力，即压轴力Fp

，其中，z为带的根数，F0为单根带的预紧力，α1为主按照公式Fp=2zF0sin（α1/2）

动轮上的包角，各个参数的数值同前，代入公式计算得

31

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Fp=2×2×120.06×sin（173.35°/2）=402N。

［29］

至此，V带的设计过程已完成。在该带传动机构中，本课题选用的带轮实物及其

结构如图4.4所示。

图4.4 V带带轮的实物结构图

综合上述的设计结果，运用Pro/Engineer设计软件，按照前面对带传动机构的设计，可以生成带传动机构的实体模型，如图4.5所示。

图4.5 带传动系统设计方案

4.4 其他部件的设计

4.4.1 轴承的设计

滚动轴承是现代机械设计中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。与滑动轴承比较，具有摩擦阻力小，功率消耗低，启动容易等优点。常用的轴承大多已经标准化，在机械设计中，只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸，验算轴承的承载能力等有关的轴承装置设计的问题即可。

32

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选用轴承时，首先要选择轴承的类型。轴承所受载荷的大小，方向和性质，是选择轴承的主要依据。

根据载荷的大小选择轴承时，由于滚动轴承中的主要元件是线接触，宜于承受较大的载荷，承载后的变形也较小。而球轴承中则主要是点接触，宜用于承受较轻的或中等的载荷。

在本课题的设计中，经过计算分析，载荷冲击不是太大，故选用球轴承；在输出轴中，由于要承受螺杆传递过来较大的轴向载荷，故选用推力轴承。

由于滚动轴承的滚道和滚体之间是承受应变力的点接触（或线接触）的表面接触应力，所以其失效形式多以点蚀为常见的疲劳失效，其载荷p和寿命之间的关系如下：

L10=（C/P）ξ

上式中，L10的单位为10r。ξ为指数。对于球轴承，ξ=3；对于滚子轴承，ξ=10/3。C为当量动载荷，其值可在相关表中，按轴承型号查出。在计算式，若以小时表示寿命，可将上式改写为：

6

106CξLh=()

60nP

对轴承的寿命校核。本课题设计中，变速箱采用的轴承主要是角接触轴承，主要是用来承受径向和轴向力。在只承受轴向力的位置采用推力轴承。对轴承的校核主要是轴承寿命的计算。按照上述公式分别对课题设计中使用到的轴承寿命进行校核，其使用

［29］［33-34］

寿命均符合设计要求，具体验算校核过程在此不再赘述。

4.4.2 砂轮的设计

砂轮是用磨料和结合剂、树脂等制成的有通孔的圆形固结磨具。砂轮是磨具中用量最大、使用面最广的一种，使用时高速旋转，可对金属或非金属工件的外圆、内圆、平面和各种型面等进行粗磨、半精磨和精磨以及开槽和切断等。

本课题设计中，由于带轮直径比较大，为了能够完成切削所需要求，将所选砂轮确定为平行砂轮，代码为P，标准型号为GB2485-84，主要尺寸为D×d×H=600×203×20，由于实际加工工件为球磨铸铁，因此查设计手册可确定砂轮的材料为黑色碳化硅，即陶瓷砂轮。磨粒为金刚石，可以磨削比较硬的工件。

根据前面设计，知异步电动机的转速为1430r/min，带轮的传动比i=1.5，则砂轮转速为n=950r/min。

33

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由v=2×3.14×950/60×0.75=39.6m/s

通过查切削手册，这个切削速度对于切削本课题涉及的YC6108Q曲轴的毛边来说，是合适的。对工件进行磨削时，要选择合适的进给量；本课题设计的自动化磨床针对的加工工艺是粗磨YC6108Q曲轴的毛边，故可将磨削进给量适当增大，由前面所进行的设计结果及查机械加工工艺手册得，工作台的横向进给量fr=20mm/r，且磨削毛边的磨削深度可适当增大。2

［］［34-36］［45］

4.4.3 摆架和辅助支撑的设计

摆架（图3.5所示），一方面是出于减轻砂轮架重量的考虑，另一方面主要是解决带传动系统在切削过程中的不同张紧程度问题。实现过程是：靠电机的自重或定子的反力矩张紧，这种方式多用于小功率电动机的带传动。在前面的设计中，选定三相异步电动机的型号为Y100L1-4，功率2.2KW，重34kg，显然，该电机非常适合这种张紧方式。但是，由于异步电动机的自身重量，在刀架上行、下行运动时，皮带要承受很大的拉力，这样不仅会加大大带轮轴所受的力，也会加大电动机底座支撑的受力，且长期对皮带的过紧拉力，会使皮带过早的失效，这样对皮带传动系统非常不利。

在摆架下放置了辅助支撑，以此来防止张紧力过大，以增加设备安全性和增长设备的使用寿命。

辅助支撑:在电机底座与摆架之间放有自动调距的弹簧装置，满足皮带传动中，主动轮与从动轮间距小幅变化的需要。

4.4.4 联轴器的设计

联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。

许多联轴器已经标准化。选择时先应根据工作要求选定合适的类型，然后按照轴的直径计算扭矩和转速，再从有关手册中查出适用的型号，最后对某些关键零件作必要的校核验算。

在本课题设计中，步进电动机和齿轮轴的连接，由于电动机的外接轴比较短，必须加入联轴器才能将齿轮轴和电机轴进行相连。考虑到机械设计要求和实际生产需要，查询机械设计手册后，确定联轴器选LX3型弹性柱销联轴器。该联轴器适用于各种同轴

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线的传动系统，利用尼龙棒横断面剪切强度传递转矩，传递转矩为160～160000N·m，工作温度为-20～80℃，结构简单，维修方便，具有缓冲、减震性能和一定的轴向偏移

［29］［34］

补偿能力。

4.5 本章小结

本章详细的对刀具磨削工作系统进行了设计，包括Z向伺服传动机构（减步进电机、齿轮副、丝杠螺旋副等）、带传动机构以及轴承、砂轮、摆架、联轴器等部件都进行了较为详尽的设计、计算、校核、验算，并最终确定最佳选择方案。

至此，本课题所设计的自动化磨床的刀具磨削工作系统已基本设计完成，刀具磨削工作系统的装配情况如图4.6所示。

下面进一步分析一下刀具磨削工作系统的工作原理：异步电机开启后在额定功率下运行，动力由两根V型带传送至砂轮轴，砂轮轴带动砂轮运转。当砂轮架上升时，一方面两带轮的中心连线斜率增加，但各自的包络角不变，另一方面，摆架和电动机的仰角下降。两方面均可有效的适应砂轮架的上升动作；而当砂轮架下降时，情况恰好相反。显然，因为砂轮架总的工作行程较短，且两带轮的中心距相对较长，故而电机实际的摆角很小，系统相对较为稳定。但这里特别需要注意的一个细节是大带轮的直径设计和砂轮的直径系列选择，若大带轮直径设计的过大，而砂轮直径又选的太小，则当砂轮向下切削工件时，大带轮也会碰到工件，出现工作与磨床部件相互干涉现象。若减小大带轮直径尺寸，必然会要求缩短两带轮之间的中心距，这就要求结构上更为紧凑，但是，我们终归需要保证砂轮直径与大带轮直径之间有一定的差值，因为正是这个差值决定我们所能深入到工件中的最深距离，当然，在实际生产中，对曲轴磨削提出的要求不是太高，给了我们一定的设计空间。

综合本章的设计内容，运用Pro/Engineer设计软件，按照前面对刀具磨削工作系统的设计，生成刀具磨削工作系统的实体模型，如图4.7所示。

Pro/Engineer（Pro/E）是美国PTC（参数技术公司）开发的一款三维软件，是一款全方位的3D产品开发软件，集零件设计、产品装配、磨具开发、数控加工、钣金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据库管理等功能于一体。其首创的参数式设计给传统的磨具设计带来了许多新观念，强调实体模型架构优于传统的面模型架构和线模型架构，Pro/E还具有良好的数据接口，它可

［37］

以将图纸输出为多种格式，可以方便地和AutoCAD、SolidsWork等进行数据交换。

35

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减速齿轮副

步进电机

砂轮

丝杠螺旋副 异步电动机

自动调距装置

摆架及辅助支撑

带传动机构

图4.6 刀具磨削工作系统装配图

图4.7 刀具磨削工作系统

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5 工件进给系统设计

5.1 概述

数控机床伺服进给系统是数控机床的关键组成部分。一般由控制电路、电器驱动部件和执行部件组成。进给传动部件一般认为是从电机到工作台之间的传动链。进给传动部件的动态特性的好坏直接影响到一台机床的工作性能和加工精度。另外，机械传动部件的设计好坏对进给伺服系统的伺服性能的影响也很大。由于进给运动速度低、功率小，进给传动链长，往往还包括细长的传动轴，传动件尺寸小、刚度低，进给运动执行件质量大和导轨面间的摩擦特性复杂等因素，因此，进给系统传动部件的动刚度在工件进给系统中是最薄弱的。现代数控机床日益向着高速、高效率、高精度方向向发展。对机床进给传动部件的设计要求也越来越高。[38-39]

在本课题研究设计中，工件进给系统即Y向进给传动机构和X向手轮进给传动机构的统称。Y向进给传动机构由步进电动机、减速齿轮副、丝杠螺旋副、下工作台等组成。X向手轮进给传动机构则由手轮、丝杠副和上工作台组成。二者结构上均较为简单，下面分别对Y、X向进给传动机构进行设计。

5.2 Y向进给传动机构的设计

Y向进给传动机构设计中，步进电动机和齿轮减速副（减速器）的设计与选择问题与第四章里Z向伺服传动机构的极其相似，这里不再赘述。下面将着重对丝杠螺旋副和承载工作台的导轨进行研究设计。

5.2.1 丝杠螺旋副的设计

本课题设计中，磨床的工件进给运动是直线运动，其动力源（电动机）为旋转运动。因此，在进给传动系统中，采用丝杠螺母机构把旋转运动变为直线运动。丝杠螺母机构是机床上最常用的一种将旋转运动变为直线运动的机构。[40-42]

本课题中，因为工件、夹具及工作台的总体重量较大，进给时所产生的摩擦力矩均需要由丝杠进行克服，这必然加大了对丝杠螺母副的性能要求，故而设计采用滚珠丝杠来替代滑动丝杠，因此，在该自动化磨床Y向伺服传动机构设计中，我们采用滚动丝杠螺母（滚珠丝杠副）。

接下来，将通过相关计算确定选用滚珠丝杠副的型号，当然，选择滚珠丝杠型号须

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知到下列参数：[33]

1) 轴向变载荷 Fi(N)，其中i表示第i个工作载荷，i=1、2、…n； 2) 第i个载荷对应的转速ni(r/min)； 3) 第i个载荷对应的工作时间t i(h)； 4) 丝杠副最大移动速度Vmax(mm/min)； 5) 丝杠预期寿命Lh(h)；

6) 工作条件(载荷性质、有无冲击、工作温度等)以及对运动精度的要求等。 根据滚珠丝杠副的有关知识，按照本课题的设计要求，同时结合企业的实际生产状况，查阅有关设计手册，选择滚道截面形状选为：双圆弧形；滚珠螺母的循环方式选为：浮动式内循环；预紧方式选为：双螺母垫片预紧式。[44]

下面，计算滚珠丝杠副的主要参数： 1）

初步确定滚珠丝杠副的导程Ph：

Ph≥vmax/nmax=15*103/1500=10mm，

mm/min；nmax滚珠丝杠副最大相对转速，r/min。查表后，vmax滚珠丝杠副最大移动速度，取Ph=10mm。

2）

初步计算当量转速nm：

nm=∑

niti

，式中i=1、2、…n，如转速在nmax和nmin间变化，则， ti

nm=（nmax+nmin）/2=1500/2=750r/min。 3）

初步计算当量载荷Fm：

⎛Fi3niti

Fm=⎜⎜∑nt

ii⎝⎞

⎟⎟⎠

1/3

，式中i=1、2、…n，如载荷在Fmax和Fmin间周期变化，则，

（2Fmax+Fmin）/3，根据实际设计情况和企业的生产要求，初步估算Fmax为2300N，Fm=

Fmin为350N，可计算出Fm=（2×2300+350）/3=1650N。

4）

计算丝杠所需的额定载荷：

如 nm＞10，计算额定动载荷Cam′：

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fwFm(60nmLh)1/3

按Cam′=计算，式中fa精度系数，fc可靠性系数，fw载荷性质系数，

100fafcLh预期工作寿命；由于本课题设计的滚珠丝杠副在实际生产中有轻微载荷冲击，查表后选fw=1.3；设计滚珠丝杠副精度等级为3，查表后选fa=1.0；设计滚珠丝杠副可靠度为

97%，查表后选fc=0.44；该课题设计的磨削系统为一数控磨床，查表后选定该数控磨床预期工作寿命Lh=20000h。将上述各数据带入式中得

1.3×1650×(60×750×20000)Cam′=

100×1.0×0.44

1/3

=47068N

如 nm≤10，则计算额定静载荷 Cam″：

按照最大载荷Fmax计算，即，Cam″=fe•Fmax，fe是预加载荷系数。由在设计中采用轻预载滚珠丝杠副，查表后选fe=6.7。

5）

确定滚珠丝杠副型号：

根据前面初定的Ph=10mm 和初步计算所得的额定动载荷Cam′，在《机械设计手册》中查到相对应的丝杠的类型系列，选取导程等于Ph，变载时，取 Ca 等于或稍大于

Cam′的丝杠。

最终，选择的滚珠丝杠副的型号为：FD4010－5，由于本文的篇幅关系，在此处省略了对所选丝杠的部分校核计算过程。经过另外进行的校核计算，验证选择FD4010－5型滚珠丝杠副完全能够适合设计和实际生产需要。经过上述计算，根据计算结果，绘制出滚珠丝杠副的二维设计图，如图5.1所示。

图5.1 滚珠丝杠副二维设计图

39

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5.2.2 导轨的设计

导轨主要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨迹运动并承受运动部件的重量和工作载荷。两个做相对运动的部件构成一对导轨副。在运动导轨和固定导轨之间一般只允许有一个自由度。按照机械设计的原则，对于不同设备的导轨，必须作具体分析，对其提出相应的设计要求。必须指出，下面是对导轨设计的几点要求。[33]

1、一定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关基面间的相互位置的准确性。

2、运动轻便平稳。工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象。 3、良好的耐磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。导轨在使用过程中要磨损，但应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整。

4、足够的刚度。运动件所受的外力，是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度。为此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压；设置辅助导轨，以承受外载。

5、温度变化影响小。应保证导轨在工作温度变化的条件下，仍能正常工作。 6、结构工艺性好。在保证导轨其它要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配和调整，降低成本。

由于本课题所设计的进给系统的工作台具有轴向和径向两个自由度的运动，所以这个工作台需要设计两层导轨，控制轴向运动的导轨在本设计中称之为Y向滑动导轨，控制径向运动的导轨在本设计中称之为X向滑动导轨。

一、滑动导轨截面设计及参数的选用

由于Y向滑动导轨承载着X向滑动导轨、工作台、夹具和曲轴等的重量，载荷较大，因此我们选用双矩形导轨，这种矩形导轨适用于普通精度机床和重型机床。

为了保证导轨的正常运动，运动件和支撑件之间应保持适当间隙，间隙过小会增加摩擦力，操作费力还会加大磨损，间隙过大会使精度降低，甚至会产生震动。因此，除在装配过程中仔细调整导轨的间隙外，在使用一段时间后因磨损还需重调。

调整的方法有：1）采用磨、刮相应的结合或加垫片的方法获取合适的间隙。2）用镶条或压板来调整导轨的间隙。在Y向滑动导轨的设计中，设计采用平镶条来调整导轨间隙。这种镶条有以下几个特点：1)镶条各面彼此平行；2）制造简单，调整麻烦，各处间隙很难调整到一处；3）沿镶条全长只有几点受力，接触刚度差；4）用于短的或受力不大和不太重要的场合。[33]

按照本课题的设计压球，经查《机械设计师手册》，在Y向滑动导轨的设计中选用

40

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如下参数，如表5.1所示。

单位： mm

H B B1 A A1 h h1 平镶条b 32 70 25 500 39 20 H-0.5 10 表5.1 Y向滑动导轨各项参数值

依据上述参数，结合企业实际生产要求，绘制出Y向滑动导轨的二维设计图，如图

5.2所示。

图5.2 Y向滑动导轨二维设计图

由于X向滑动导轨承载着工作台，夹具和曲轴，载荷也较大，且X向滑动导轨带动工作台做径向运动，它的导轨跨度较大，因此，选用三角形—矩形组合构成的混合导轨，这种导轨具有以下特点：导向性好，能自动补偿磨损，刚性较好，制造较方便，应用广泛，如卧式车床，龙门刨床，磨床。下导轨为凸型导轨，便于排屑，不易保存润滑油，只适用于低速运动。

按照本课题的设计要求，经查《机械设计师手册》，在X向滑动导轨的设计中选用如下参数，如表5.2所示。

B b A α

50 5 800 90 表5.2 X向滑动导轨各项参数值

单位： mm

依据上述参数，结合企业实际生产要求，绘制出X向滑动导轨的二维设计图，如图

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5.3所示。

图5.3 X向滑动导轨二维设计图

二、滑动导轨材料的选择[33] 导轨材料应具有以下性能： （1） 良好的耐磨性。 （2） 良好的摩擦性能。 （3） 良好的尺寸稳定性。 （4） 工艺性好，成本低。

根据曲轴尺寸及加工要求，本课题中设计的Y向滑动导轨静导轨长度为2500mm，动导轨长度为1300mm；X向滑动导轨的静导轨长度为600mm，动导轨长度为500mm。

查《机械设计师手册》，选用灰铸铁HT200做静导轨，HT150做动导轨。为了增强导轨的抗磨损能力，可将铸铁表面进行高频淬火，淬火前的硬度不应低于180HBS，淬火后可取48~55HRC，硬化层厚度1.5~2.5mm，其相对寿命可提高两倍。导轨的静摩擦系数为0.27，滑动速度在300mm/min时的动摩擦系数为0.10。

经过对所设计导轨的有关校核验算，上述设计方案足可以满足实际生产要求。

5.3 X向进给传动机构的设计

X向进给传动机构直接由手轮驱动上工作台移动来实现，结构较为简单，在此不再对该部分设计做具体叙述。X向进给传动机构中的滑动导轨设计，即为5.2内容中所设计的X向导轨。X向进给传动机构中的工作平台设计如图5.4所示，该平台的具体设计数据可参照前面的设计数据来选择，在此不再赘述。

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图5.4 X向进给传动平台设计方案

5.4 本章小结

本章详细的对工件进给系统进行了设计。重点对Y向进给传动机构（包括丝杠螺旋副和滑动导轨等）进行了设计、计算、校核、验算与选择，还对X向进给传动机构进行了有关设计，并最终确定工件进给系统的最佳设计方案。

至此，对工件进给系统设计已基本完成。综合本章的设计内容，我们运用

Pro/Engineer设计软件，按照前面对工件伺服进给系统的设计，生成工件进给系统的实体模型，如图5.5所示。

图5.5 工件进给系统

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6 夹具系统设计

6.1 概述

夹具是机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置，又称卡具。从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具。例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床夹具等。其中机床夹具最为常见，常简称为夹具。在机床上加工工件时，为使工件的表面能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的相互位置精度等技术要求，加工前必须将工件装好（定位）、夹牢（夹紧）。[33]

6.1.1 夹具的现状及发展

夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向着高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，机床夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。[46-49]

1、高精。随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度对夹具的制造精度提出更高要求。目前，高精度夹具的定位孔距精度高达±5μm，夹具支承面的垂直度达到0.01mm/300mm，平行度高达0.01mm/500mm。德国DEMMELER（戴美乐）公司制造的4m长、2m宽的孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为±0.03mm；精密平夹具重复安装的定位精度高达±5μm；瑞士EROWA口钳的平行度和垂直度在5μm以内；

柔性夹具的重复定位精度高达2～5μm。机床夹具的精度已提高到微米级，为了适应不同行业的需求和经济性，夹具有不同型号、不同档次的精度标准供选择。

2、高效。为了提高机床的生产效率，双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。为了减少工件的安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。新型的电控永磁夹具，加紧和松开工件只用1～2秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。为了缩短在机床上安装与调整夹具的时间，瑞典3R夹具仅用1分钟，即可完成线切割机床夹具的安装与校正。采用美国JERGENS（杰金斯）公司的球锁装夹系统，1分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上。球锁装夹系统用于柔性生产线上更换夹具，起到缩短停机时间，提高生产效率的作用。

3、模块、组合。夹具元件模块化是实现组合化的基础。利用模块化设计的系列化、

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标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。省工、省时、节材、节能，体现在各种先进夹具系统的创新之中。模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打下基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。模拟仿真刀具的切削过程，既能为用户提供正确、合理的夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。

4、通用、经济。夹具的通用性直接影响其经济性。采用模块、组合式的夹具系统，一次性投资比较大，只有夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围广，通用性好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济性好。德国DEMMELER（戴美乐）公司的孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少的配套元件，即能组装成多种多样的焊接夹具。元件的功能强，使得夹具的通用性好，元件少而精，配套的费用低，经济实用才有推广应用的价值。

6.1.2 机床夹具的设计要求

1、保证工件加工的各项技术要求。正确确定定位方案、夹紧方案，正确确定刀具的导向方式，合理制定夹具的技术要求，必要时要进行误差分析与计算。

2、具有较高的生产效率和较低的制造成本。为提高生产效率，应尽量采用多件夹紧、联动夹紧等高效夹具，但结构应尽量简单，造价要低廉。

3、尽量选用标准化零部件。尽量选用标准夹具元件和标准件，这样可以缩短夹具的设计制造周期，提高夹具设计质量和降低夹具制造成本。

4、夹具操作方便安全、省力。为便于操作，操作手柄一般应放在右边或前面；为便于夹紧工件，操纵夹紧件的手柄或扳手在操作范围内应有足够的活动空间；为减轻工人劳动强度，在条件允许的情况下，应尽量采用气动、液压等机械化夹紧装置。

5、夹具应具有良好的结构工艺性。所设计的夹具应便于制造、检验、装配、调整和维修。[46-47]

6.2 夹具系统设计

夹具设计在制造系统中是非常重要的，它直接影响工件加工质量、生产效率和制造成本。在一个柔性制造系统(FMS)中，夹具设计制造的费用占到整个系统费用的10―

20%，夹具在单件、成批、大量生产中得到了广泛的应用，它是在制造加工过程中根据

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设计说明书，在合理的位置定位和牢固装夹工件，从而完成所要求的加工过程的一种装置。

现在，企业生产中的夹具如图6.1所示，根本没有专门的定位夹紧装置，全是靠人工手扶来定位夹紧。结构极其简陋，费时费力，还存在安全生产隐患。

图6.1 现在工厂使用的简易夹具

6.2.1 YC6108Q曲轴尺寸分析

前面已经讲到，本课题组所设计YC6108Q曲轴双面磨削自动磨床是为曲轴粗车做前期准备工作的，就是粗磨锻造后的YC6108Q曲轴毛边。

如图6.2所示，YC6108Q曲轴是一个较长的曲轴，它长是970mm，而且对加工精度要求不高。在磨削过程中，曲轴受到使其转动的力，在深入加工车间考察时，注意到当时加工工人用手扶着曲轴就可以克服这个使曲轴转动的力。所以，初步设想采用机械手卡爪夹紧左、右两个曲轴颈的方法来夹紧工件。两个机械手之间的距离可以通过图6.2标注的尺寸算出，计算过程如下：设两个机械手的距离为L，则：

L=238mm+238mm+34mm+30mm=0mm。

夹紧部位为YC6108Q曲轴最左端和最右端的曲轴颈部位。通过以上尺寸就可以定出夹紧装置的一些参数。曲轴左端的支撑部位直径是60mm，长度是84.7mm；右端的

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支撑部位直径是118mm，长度是51.3mm。这些数据在接下来的设计中会用到。

图6.2 YC6108Q曲轴尺寸图

6.2.2 确定工件夹具系统的设计方案

通过现场实地观察，并根据企业的实际生产需要，可以明确本课题所设计的夹具是用来定位并夹紧YC6108Q曲轴，以便砂轮磨削曲轴上的毛边。这道工序是粗加工前的一道工序，所以对精度要求不高；曲轴在加工过程中的周向转动力也不大，所以对夹紧力的要求不高。

下面来确定夹具的结构方案： （1）确定定位方案，选择定位元件。

任何一个物体在空间直角坐标系中都有6个自由度。要确定其空间位置，就需要限，6个点了工件的6个自由度，这就制其6个自由度。将6个支承抽象为6个“点”

是六点定位原理。“点” 的含义即是对自由度的，与实际接触点不同。

曲轴在放置加工的时候需要两个方向的定位，一个是轴向定位，一个是圆周向定位。

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轴向定位采用两端的V型块来实现，而周向定位的要求并不严格可由人工目测配合机械手卡爪来实现。

（2）确定对刀或导向方式。

在本套夹具中可选择V型块来实现砂轮的对刀或者在另外加一个简易的对刀块。 （3）确定夹紧方案，选择夹紧机构。

本课题设计中，工件的夹紧是由两个机械手卡爪来实现的。卡爪其实是一个连杆机构，与连杆机构相连的是凸轮，且连杆上有弹簧，通过凸轮的转动和弹簧的伸缩来控制拉杆的上下移动，从而控制卡爪的张开和夹紧动作的实现。与凸轮相连接的轴上还有一个偏心轮。偏心轮的作用是在夹紧过程中实现自锁。这样，一但曲轴被卡爪夹紧时就不会自动松开。夹具在不工作时卡爪处于张开状态。

（4）确定夹具其他组成部分的结构形式（如分度装置等）。

由于曲轴在去除毛边的时候，不需要很精确的定位，所以没有设置分度盘装置。当工人加工完一个面后可以用拨插来实现曲轴的180°翻转。然后在定位夹紧，对第二个面实现磨削。

（5）确定夹具的形式和夹具的总体结构。

在确定夹具结构方案的过程中，提出了几种不同的设计方案进行比较分析，最后，选取其中最为合理的结构方案。该方案是：夹紧装置采用了简易机械手来实现，该机械手结构简易，占用空间更小；控制机械手拉杆上下运动的装置用两个凸轮的旋转来实现拉杆的上升和下降，从而实现简易机械手的夹紧和松开；凸轮的旋转是通过一个偏心轮机构的旋转来实现的，在这里，偏心轮机构不但能够带动凸轮的旋转而且还有自锁功能。

6.2.3 工件夹具系统设计方案的工作原理

通过上面对设计方案的叙述，可以看出这套夹具是一套可调节的夹具。机械手夹紧部分可以沿着上面的导槽做水平方向的移动，这样就可以根据不同型号的曲轴夹紧不同的部位；两端的V型块也是可以调节的，它可以实现水平和竖直两个方向的调节。具体操作过程如下：当夹具不工作的时候，机械手卡爪处于松开状态，偏心轮的手柄向上（这个设计是考虑到工人师傅工作时的安全性，如果机械手卡爪处于夹紧状态时，偏心轮的手柄朝上，那么曲轴在磨削过程中，如果被卡住或出现其他情况，偏心轮的手柄迅速向下，可能会伤害到工人师傅），凸轮和机械手拉杆相接触的部位是凸轮的最高点。工人师傅通过简易起重装置把曲轴放置到两端的V型块上面，利用V型块的侧面实现曲轴的轴向定位。由于曲轴的加工精度要求不高，所以圆周向定位可以由人工目测来实现。

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当曲轴的一面毛边朝上的时候，这时工人师傅用手扳动偏心轮的手柄，偏心轮的手柄转动后，就会带动与之相连的轴转动，轴转动的同时会带动轴上的两个凸轮从凸轮的最高点转动到最低点，这时与凸轮相接触的机械手连杆会在弹簧的作用力下，向下移动。当机械手的连杆向下移动后，机械手卡爪就会夹紧，这时工作台就可以进给实现曲轴毛边的磨削。YC6108Q曲轴的毛边是呈180度两边对称的，所以，磨削完一面毛边后还要磨削另一个面的毛边。这时工人师傅扳动偏心轮的手柄使机械手卡爪松开，然后利用拨叉把工件反转180度，然后再实现定位夹紧。对另一面毛边进行磨削。偏心轮机构在这套夹具中有自锁功能，所以当工件被夹紧的时候，不会自动松开，可以保证曲轴的顺利加工。支撑两个面板之间的支柱，由于曲轴较重需要承受较大的力，所以选择了四个直径为60mm的阶梯立柱来支撑，阶梯立柱两端的部分是光滑的主要起到导向定位的作用。夹具系统的设计方案如图6.3、6.4所示。

图6.3 夹具系统的设计方案（1）

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图6.4 夹具系统的设计方案（2）

6.2.4 V型块的设计

V型块是机床夹具中常用的定位元件之一。 它是一种比较特殊的定位元件。它虽然是一个单独定位元件，但它的定位基面的结构要素却不是单一的，有两个定位平面，从某种意义上来讲这种形式的定位可看作是两个平面的组合定位。由于V型块是两个平面的组合定位，不能用分析单一表面的定位元件的定位基准方法来分析其定位基准。[50]

在设计夹具的时候，考虑到了夹具的可调节性，在设计V型块的时候，也将V型块设计成可调式的。V型块下面的支架与V型块由两边的光孔导向，中间的连接部位带有螺纹，而下面采用了双螺母结构，通过第一个螺母旋转沿着带有螺纹的连接部位上下移动从而带动V型块的上下移动，这样就实现了V型块的高度方向的可调，从而保证

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了曲轴的同轴度；另一方面，V型块前后方向的移动可通过V型块沿着轨道的滑动来实现。

由于曲轴两端的支撑部位直径和长度不同，所以在设计选择V型块时尺寸并不相同。V型块的尺寸由《金属切削机床夹具设计手册》211页查得，V型块的设计图如图

6.5和图6.6所示。

图6.5 V型块的设计计算图（一）

图6.6 V型块的设计计算图（二）

图6.5中V型块的参数如下：

N=70，D=60，L=125，B=50，H=42，A=96； 由公式T=H+0.707D-0.5N 得T=49.42≈50

图6.6中V型块的参数如下：

N=100，D=118，L=180，B=60，H=68，A=125；

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由公式T=H+0.707D-0.5N 得T=88.462≈

其中N代表V型块的最大口径，D代表曲轴被定位夹紧的轴径，L代表V型块的长度，B代表V型块的宽度。H代表V型块的高度，T代表轴心与基准面之间的距离。

常规的V型块可以工件的四个自由度，由于曲轴小径内端与V型块的内端对齐，这样就可以曲轴轴向的自由度，因此本设计方案中用的V型块可以工件的五个自由度。曲轴绕其轴线的转动可以利用机械手的夹紧来。

6.2.5 偏心轮机构的设计

偏心轮在夹具系统中，主要通过传动机构起到驱动机械手的作用，同时，偏心轮又具有自锁功能，这是设计偏心的主要作用之一。

自锁现象在机械工程中具有十分重要的意义，主要有如下两方面：一是当设计机械时，为能实现预期的运动，必须避免该机械在所需的运动方向发生自锁；二是有些机械的工作原理就是利用了自锁的特性。例如，手摇螺旋千斤顶。机械只是在一定的受力条件和受力方向下发生自锁，而在另外情况下却是可动的；机械发生自锁的实质是机械中所含的运动副发生了自锁。[44]

一、机械自锁条件的确定

对于一个机械机构来说，可以通过分析其所含的运动副的自锁情况或从机械效率的观点分析来判断其是否自锁，也可从产生阻力方面或自锁的现象(或定义)方面分析来判断其是否自锁，故判断机械发生自锁的条件就有如下四种方法：[44]

1)根据机械所含运动副的自锁条件来判断其是否自锁。因为机械的自锁实质上就是其中的运动副发生了自锁。

2)根据机械效率小于等于零（即η≤0）的自锁条件来判断其是否自锁。因为当机械发生自锁时，无论驱动力如何增大都不能使机械发生运动，这实质上是驱动力所能作的功Wd总不足以克服其所能引起的最大损失功Wf 之故，根据η＝1-Wf/Wd知，这时，

η≤0。

3)根据机械的生产阻力小于等于零（即G≤0）的自锁条件来判断其自锁状态。由于当机械自锁时，机械已不能运动，所以这时它所能克服的生产阻抗力G≤0。G<0意味着只有当阻抗力反向变为驱动力后，才能使机械运动。故可利用当驱动力任意增大时，

G≤0是否成立来判断机械是否自锁，并据以确定机械的自锁条件。

4)根据作用在构件上的驱动力的有效分力小于等于由其所引起的同方向上最大摩

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擦力（即Ft≤F·fmax）的自锁条件来判断其自锁状态。

二、偏心轮的工作原理

偏心轮的旋转中心与几何中心间距离e为偏心距，其行程为2e，当偏心轮顺时针旋转时，圆形外廓距旋转中心的距离逐渐增大，从而压紧工件。偏心轮是半径R的圆盘和装在偏心距为e处的旋转轴所组成。偏心轮夹紧部分相当于楔的作用，偏心距e是圆偏心主要的设计变量与自锁条件、夹紧力密切相关；同时，又和工件压紧部位的尺寸、公差有关，在做偏心轮机构设计时需要特别注意它的自锁。圆偏心的自锁条件是全行程中楔角必须小于摩擦角，如不考虑偏心轮转轴中的摩擦力，当偏心轮处于楔角最大的位置，故 D/e时自锁的条件为e/D≤f/2 ，式中D偏心轮直径，f摩擦系数（常取0.1到0.15）≥20时，就能实现自锁。根据这个自锁的条件，设定偏心轮直径D为120mm，偏心距

e=2mm。120mm/2mm=60＞20，所以满足自锁的条件。[44][51]

偏心轮转动带动轴转动，轴与凸轮键连接，所以凸轮随着偏心轮的转动而转动。从而带动连杆上下移动，实现工件的夹紧和松开。

偏心轮的形状如图6.7所示。

图6.7 偏心轮机构效果图

6.2.6 圆柱螺旋压缩弹簧的设计

弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷作用下产生较大的弹性变形。主要用于： （1）控制机构的运动，如制动器、离合器中的控制弹簧，内燃机气缸的阀门弹簧等。

（2）减震和缓冲，如汽车、火车车厢下的减震弹簧，以及各种缓冲器用的弹簧等。 （3）储存及输出能量，如钟表弹簧。

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（4）测量力的大小，如测力器和弹簧称中的弹簧。

圆柱螺旋压缩弹簧各圈之间应有适当的间距，以便弹簧受压时，有产生相应变形的可能。为了使弹簧在压缩后仍能保持一定的弹性，设计时还应考虑在最大载荷作用下，各圈之间仍保留一定的间距。[44]

在本课题设计的夹具中，弹簧的作用是当凸轮由最高点转向最低点的时候，在弹簧弹力的作用下推动机械手连杆向下运动，从而使机械手处于夹紧状态。基于前面对自动化磨床的设计计算，结合企业实际生产中对曲轴初磨削的状况，经与企业工程师的探讨商量确定圆柱螺旋压缩弹簧的最大工作载荷Fmax为400N。下面对该圆柱螺旋压缩弹簧进行设计：

1、根据工作条件选择材料并确定其许用应力

结合企业的实际生产状况，依据本课题设计的自动化磨床的工作条件，因弹簧在一般载荷条件下工作，按第Ⅲ类弹簧来考虑，对于该圆柱螺旋压缩弹簧的材料选用65Mn，初步假设弹簧钢丝直径d为4.5mm，弹簧钢丝的拉伸强度极限σB=1500MPa，材料的切变模量G为80×103MPa；材料的许用切应力[τ]=0.5σB=750 MPa。

2、根据强度条件计算弹簧钢丝直径

在本课题设计中，选取旋绕比C=6，则可以计算出曲度系数

K≈

4C−10.615

+≈1.25 4C−4C

根据下面公式试算弹簧丝直径dˊ

dˊ≥1.6

FmaxKC

[τ]=1.6×

400×1.25×6

=3.2

750

于是改取d=3.2mm，恰好是标准值，由C=D/d得D=6×3.2=19.2mm，查表取标

准值20mm。

D2=D+d=20+3.2=23.2mm 3、弹簧所需的圈数 由公式n=

Gd

λmax计算得n=18.，总圈数为18.+2=20.，取整数得弹簧的3

8FmaxC

总圈数为21圈。

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4、弹簧的刚度，变形量和负荷校核 由下面公式计算得K=Gd4/8D3n=4.497N/mm 这个数值与所需刚度K相符。 安装变形量 F1=

P501

==11mm K4.497

设自由高度为H0，安装高度为H1，安装变形量为λ1；

则H0=H1+λ1，其中H1在140到150之间，取H1=150，λ1=11.1； 则H0=H1+λ1=150+11.1=161.1 取H0=170mm。

5、自由高度H0=H1+λ1=170mm，

′

压缩高度H3=n1d=114.5mm，其中n'1为调整后弹簧的圈数，

压缩变形量Ho−Hs=170−114.5=55.5mm。 6、结构参数

自由高度 H0=170mm，安装高度 H1=150mm， 设工作负荷下的弹簧高度为H2， 则H2=H1−50=100mm 压缩高度H3=114.5mm 节距t=

H0−1.5d

=7.8mm n

螺旋角α=arctan

t7.8=arctan=4o πD3.14×35

至此，夹具系统中圆柱螺旋压缩弹簧的设计已基本完成，且能够符合机械设计和企业实际生产的要求。在本课题设计的夹具中,弹簧的作用是当凸轮由最高点转向最低点的时候，在弹簧弹力的作用下推动机械手连杆向下运动，从而使机械手处于夹紧状态。由于对夹紧力的大小要求不高，所以弹簧的弹力并不需要很大，如果很大的话，工人在扳动手柄松开机械手的时候也需要很大的力。所以，弹簧的作用力在保证工件夹紧的情况下,设计的并不大。

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6.2.7 凸轮机构的设计

凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。凸轮通常做等速转动，但也有做往复摆动或移动的。被凸轮直接推动的构件称为推杆，凸轮机构就是由凸轮、推杆和机架三个主要构件所组成的高副机构。[44]

使用反转法设计凸轮机构：

要正确确定推杆的反转方向。先要明确凸轮的实际转向，然后在图上用箭头及-ω标出推杆的反转方向。

要正确确定推杆在反转运动中占据的位置。在偏置直动推杆盘形凸轮机构的设计中,其推杆在反转运动中占据的各位置不再是过凸轮轴心的径向线,而是始终切于偏距圆(offset circle)的切线。推杆的位移是沿着这些切线,并从基圆(base circle)上开始向外量取的。

在本课题设计的夹具系统中，凸轮的作用是控制机械手的连杆上下移动。只要保证机械手连杆移动的最高点和最低点的位置就可以，对具体的运动规律要求并不严格。

推杆在复合运动中，其位移s应等于凸轮理论廓线η与基圆在推杆对应各反转位置线上所夹的线段长度。针对在YC6108Q曲轴双面磨削工件夹具系统中凸轮的作用，先确定机械手卡爪张开与加紧时的角度变化，然后再逆推导出与凸轮相接触机械手连杆在垂直方向运动的距离，这样就可以确定凸轮的最高点和最低点之间的距离。具体的计算推导过程如下：

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图6.8 机械卡爪初始状态图 图6.9 机械卡爪运动后状态图

如图6.8和图6.9所示，这两个图就演示机械手卡爪向外移动（α-α′）这么大的一个角度，机械手连杆在竖直方向运动（h-h′）的距离，这么一个原理机构图。在曲轴被夹紧的时候，机械手卡爪处于垂直状态。

图6.8中，tanα=h/a，h=atanα；

在图6.9中α′=90+α-（90+β），α′=α-β，tan（α-β）=h′/a，故h′=a tan（α-β）；

则机械手连杆上升的高度

h-h′= atanα- a tan（α-β）=a[tanα- tan（α-β）]（1） a=69mm，β=30°，α=45° 带入公式（1）得h-h′≈50mm

所以这样就可以确定出凸轮的最低点与最高点之间的距离。其它的过渡部分的形状要求并不严格，具体的凸轮形状如图6.10所示。

图6.10 凸轮设计效果图

6.2.8 夹紧机构—机械手的设计

目前，我国对工业机械手尚无较为统一的分类标准。一般可按机械手的规格、功能或用途等来分类。传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构，根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。[44]

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本课题就机械手的设计采用回转型传动机构和夹钳式手部设计。图6.11为初步设计的机械手机构原理图。

图6.11 夹具系统机械手原理图

一、夹钳式手部设计的基本要求[33]

1、应具有适当的夹紧力和驱动力。手指握力（夹紧力）大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件夹持安全可靠。而对手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。

2、手指应具有一定的开闭范围。手指应具有足够的开闭角度（手指从张开倒闭和绕支点所赚过的角度）或开闭距离（对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离），以便于采取或退出工件。

3、应保证工件在手指内的夹持精度，应保证每个被夹持的工件，在手指内部有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴等一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。

4、要求结构紧凑、重量轻、效率高。在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。

5、应考虑通用性和特殊要求一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范

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围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法。如换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。

二、机械手的设计计算

根据前面叙述的设计要求，在夹具系统设计中采用滑槽杠杆式机械手。

图6.12为常见的滑槽杠杆式手部结构。在杠杆作用下，销轴向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指的滑槽对销轴的反作用力为F1、F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2并指向O点，F1和F2的延长线交O1O2于A及B。机械手的受力分析如图6.13所示。

图6.12 机械手示意图 图6.13 机械手受力分析简图

具体计算过程如下：

∑fx=0得F=F

1

1

2

；

2

∑fy=0得F−F.COSα−F.COSα=0；

F1=F/2COSα

由∑MOO1(F)得−F1'.h+FN.b=0

F1'=FN.b/h

COSα=a/h，h=a/cosα；

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F1'=−F1，FN.b/h=−F/2COSα； F=−2b/a.cos2α.FN。

另一方面，在企业实地参观时，注意到曲轴毛边的最大厚度约为6mm，假定毛边Fc为磨削力，Fp为背向磨削力，Ff为进给磨削力。一般情况下Fp≈（1.5～的厚度为6mm，

3）Fc，根据《机械设计手册》可选用磨削时Fp/Fc=1.7，切削力为：Fc=CFC.apFc.f

x

yFc

.kFC[44]

CFC：工件材料，刀具材料及切削条件等因素有关，ap：背吃刀量，F：进给量，XFC、YFC：指数，KFC：切削条件不同时的修正系数.

根据上述公式及现场参观所了解的情况机械手卡爪的夹紧力FN=150N，就可以满足工件定位夹紧定位的要求，因为FN=150N，α=45。，b=138mm，a=69mm，代入

F=−2b/a.cos2α.FN可得在机械手夹紧弹簧的弹力F=300N。

在企业实际生产中，如图6.1所描述的结构并没有加紧，这是因为砂轮在磨削时施加在工件上的切向转矩较小，工人仅需手扶即可其转动。在这种情况下，设计在机械手卡爪部位可选择摩擦系数较大的材料，如聚乙烯，这种材料具有优良的介电性能，耐冲击，耐水性好，摩擦性能好等特点。结合企业生产要求，这种设计可以满足实际生产情况。

6.3 本章小结

本章详细的对夹具系统进行了设计、校核、验算，综述了有关夹具的发展现状及其设计要求等。结合企业的实际生产状况，在充分调研论证的基础上，提出了工件夹具系统的设计方案，分别对夹具系统组成部分V型块、偏心轮、圆柱弹簧、凸轮和机械手等进行了较为详尽的设计和计算，并最终确定YC6108Q曲轴双面磨削夹具系统的最佳选择方案。

至此，对工件夹具系统设计已基本完成。综合本章的设计内容，运用Pro/Engineer设计软件，按照前面对夹具系统的设计，生成工件夹具系统的实体模型，如图6.14、6.15、

6.16所示。

该套夹具系统的具体工作过程如下：

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A． 上载工件：此时机械手处于松开状态，将工件两端置于V型块上，使工件曲轴

上的毛边朝上。向上拨动拨杆，偏心轮带动刚轴向纸里方向转动并锁紧，此时固定在刚轴上的两个凸轮伴随着轴的转动将顶起的机械手顶杆松开，机械手顶杆在弹簧力的作用下贴着凸轮下降，继而夹紧工件。夹紧力与弹簧力的大小正相关。

B． 卸载工件：此时机械手处于夹紧状态，向下拨动拨杆，偏心轮带动刚轴向纸外

方向转动并锁紧，此时固定在刚轴上的两个凸轮伴随着轴的转动将连接着机械手的顶杆顶起，继而松开机械手。卸下工件。

图6.14 YC6108Q曲轴双面磨削夹具总体图（1）

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图6.15 YC6108Q曲轴双面磨削夹具总体图（2）

图6.16 YC6108Q曲轴双面磨削夹具总体图（3）

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7 自动化磨床整体设计

磨床整体设计即是将前面几章内容详细介绍的刀具磨削工作系统设计、工件进给系统设计以及夹具系统设计三大模块进行整合设计和装配。YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床整体装配效果如图7.1、7.2所示。

综合前面几章内容对刀具磨削工作系统、工件进给系统以及夹具系统的研究设计，结合图7.1和图7.2，可以总结出：

1、刀具磨削工作系统主要是实现砂轮的运转以及砂轮架的垂直升降，通过一系列的设计计算和校核验算，结合企业实际的生产状况，最终确定最佳设计结果，经过与企业工程师及一线操作工人的交流，验证了刀具磨削工作系统的设计结果完全能够符合企业的实际生产要求，机构设计简单、操作简便，实现了自动化，降低了工人的劳动强度，大大提高了生产效率。当然，在设计过程中充分借鉴了企业现有的磨削设备设计原理，比如说：带传动机构、异步电动机的选择、砂轮的选择等。

图7.1 整体装配效果图（1）

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2、工件进给系统主要是实现工件的进给，其关键是进给传动机构的设计和导轨的设计，相对来说比较简单。按照前面第五章对工件进给系统的设计，选用滚珠丝杠螺旋副可以有效降低摩擦力矩，可以适应较长轴向进给的精度要求，且滚珠丝杠螺旋副的工作寿命长，运转平稳；导轨的设计更为简单，完全符合设计和实际生产要求。

3、夹具系统主要是实现对工件的定位与加紧，按照第六章内容对夹具系统的设计，这套夹具系统具有很多创新性，不但能够实现对工件的准确定位，还能对工件进行完全加紧，具有良好的可靠性和稳定性，且操作工人操作起来十分安全、省力、省时，装拆简便，具有较好的可操作性。同时，能够较好的配合刀具磨削工作系统和工件进给系统完成曲轴双面的磨削，达到了预期的设计要求。

刀具磨削工作系统

夹具系统

工件进给系统

图7.2 整体装配效果图（2）

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总之，YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床的整体设计方案是符合企业实际生产要求的，得到了文登天润曲轴有限公司的领导、工程师、操作工人的认可，完全具有投入实际生产的可行性。为此，将刀具磨削工作系统、工件进给系统、夹具系统进行整体装配，在装配中，除了要进一步确定尺寸公差外，关键是要确定各部分的形位公差，选定机床底面为参照面，同时规定和了机床立柱的垂直度和夹具工作台面的平行度等公

差范围，目前选定形位公差等级为7级，至于三大模块内部的装配情况在此不再赘述。

至此，YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床的设计与开发工作已基本完成，综合本章自动化磨床整体设计内容，运用Pro/Engineer设计软件，生成YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床实体模型如图7.3所示。

通过该实体模型可以进一步发现磨床整体设计有无空间干涉问题，经过细致观察及模拟企业实际生产加工状况，该自动化磨床完全能够满足本课题的设计要求，也符合文登天润曲轴有限公司的设计要求。

图7.3 YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床实体模型

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在本课题立项确立设计目标是针对曲轴双面初磨的自动化曲轴磨床，本文的设计重点是曲轴双面磨削自动化磨床的机械设计部分，数控部分是实现曲轴双面磨削自动化磨床进行系列化更行升级的关键部分，本课题的后续主要工作是对曲轴双面磨削自动化磨床进行更新升级，使其具有较好的通用性，不仅可以加工某一型号的曲轴，还可以通过升级数控部分的软件系统来实现自动化磨床加工不同型号曲轴的目的。对于该自动化磨床的数控等其他部分，在该课题的研究设计中另外完成。

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8 总 结

本课题是制定YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床整体设计方案并完成曲轴双面磨削自动化磨床设计的应用项目。

在本课题设计过程中，本人在导师的带领下多次赴文登天润曲轴有限公司开展实地调研考察，与企业工程师座谈学习，与工人师傅交流经验体会，掌握了大量的生产一线的资料和经验，为本课题的顺利开展奠定了坚实基础；查阅大量的文献资料，充分了解当前国内外关于曲轴磨削的发展现状。

本课题在导师的指导下综合运用机械设计、电控、机电一体化等多种理论技术，来解决实际设计中问题。同时，在设计过程中充分考虑到人的因素，不仅满足机械设计的基本功能要求，而且充分将人体工程学的设计理念应用其中，降低工人的劳动强度、改善工人的工作环境，充分体现新时代条件下“以人为本”的设计思想。

设计过程中，为了方便模块化设计，将YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床划分为三大系统功能模块，即刀具磨削工作系统、工作进给系统和夹具系统，本文主要就三大系统功能模块的原理和结构分别进行了分析、阐述和设计。

1、在充分调研取证和广泛征求企业工程师设计建议的基础上，结合企业的实际生产加工状况，提出YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床整体设计方案。

2、基于自动化磨床整体设计方案，查阅大量相关文献资料，分别完成了刀具磨削工作系统（包括Z向伺服传动机构、带传动机构等）的设计、工件进给系统（包括Y向进给传动机构、X向进给传动机构等）的设计、夹具系统（包括V型块、偏心轮机构、圆柱弹簧、凸轮、机械手等）的设计，并运用Pro/Engineer三维设计软件分别对三大功能模块进行三维建模。

3、本文根据磨削及机械设计原理，结合机电一体化知识，着重对上述三大系统功能模块开展创新性设计，按照三个系统功能模块的结构设计原理，分别对三大系统功能模块进行分析设计依据、论证设计方案、阐述设计过程；根据各系统功能模块的设计原理等多方面因素来确定部件的选择和参数的设定，例如步进电机，既要满足机械设计的要求，又要方便电气设计时进行控制。

4、基于Pro/Engineer三维设计软件，完成YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床在三维环境下的刀具磨削工作系统、工件进给系统、夹具系统以及自动化磨床整体的虚拟装

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配。

本课题所研究设计的自动化磨床，是专用于YC6108Q曲轴双面磨削的高效自动化磨床，这也是本课题的遗憾之处，未能全面的研究设计出可磨削加工任何曲轴的自动化磨床，还有待于进一步提高该自动化磨床的通用性。

当然，本课题也给该自动化磨床留出了发展更新空间，本课题是研究设计曲轴双面磨削自动化磨床的主要部分，今后将开展本课题后续的一系列研究设计，进一步提高YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床的通用性，使其不仅可以磨削特定的YC6108Q型号曲轴，还可以通过数控部分的系统软件升级来完成YC6108Q型号曲轴的改进型或相近型及不同型号曲轴的磨削加工任务。

目前，国内还没有一款合适的专用磨床来满足的文登天润曲轴有限公司曲轴双面磨削的实际生产需要，本课题设计的曲轴双面磨削自动化磨床恰恰填补了曲轴双面磨削专用磨床的空白。该自动化磨床的使用不仅能够能显著提高曲轴产品磨削初加工的生产效率，还能大大提高曲轴的磨削加工精度，降低废品率，从而降低成本、提高生产率、增强产品的市场竞争力。

该课题的研究成果——YC6108Q曲轴双面磨削自动化磨床，得到了文登天润曲轴有限公司领导和总工程师的极大认可，生产一线的工程师和工人师傅也对该设计结果给予很好的评价。目前，该研究成果即将试制投入到文登天润曲轴有限公司曲轴双面磨削的实际生产过程中，希望满足了文登天润曲轴有限公司的实际生产需要，为企业带来更大的经济效益，具有广阔的应用前景。

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致 谢

本论文是在导师方世杰教授的精心指导和严格要求下完成的。在论文选题、论文撰写、

修改的全过程都倾注了导师大量的心血。

值此论文工作完成之际，谨向恩师致以深深的谢意。感谢方老师三年来对我的关心和帮助，方老师严谨的治学态度、敏锐的学术洞察力、认真负责、一丝不苟的工作作风和为人宽厚的风格都给我留下了深刻的印象，使我在工作中受益匪浅。

在做课题期间，方老师多次带领我们深入企业参观考察，让我掌握了大量的第一手资料，开阔了视野，这些都为我按时完成课题打下了基础。

感谢我的同学们和朋友们，课题进行中，他们给予了全力的支持、帮助和鼓励，他们是刘安琴、李建福、姚春玲等，对他们的帮助再次说声谢谢。

学校科研处的领导和同事给了我很多的学习时间和学业上的帮助，在此，对他们的理解和支持表示感谢。

还要感谢家人的关爱和支持，使我能够顺利完成学业。

要感谢的人很多，感谢的话更是千言万语，谨向所有曾经关心、帮助和支持我的领导、老师、同学们表示真心的感谢！

特别感谢在百忙之中为我评阅论文和参加论文答辩的各位领导、专家和老师们！ 再次谢谢大家！

曲 世 金

2010年3月22日

烟台大学大机电汽车工程学院

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