电磁无心夹具的研究毕业设计

电磁无心夹具的研究毕业设计 电磁无心夹具的研究1. 绪 论1.1 前 言 夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。电磁夹具适合成批大量加工生产，由于调整简便，也适合于多品种，变批量的生产，制造与调整过程中积累了大量数据资料，为电磁夹具的设计打下了良好的基础。 目前，在轴承磨床的夹具设计中，国内外都广泛采用电磁无心夹具来夹持，定位并加工工件。目前，使用最广泛的是单极式的电磁无心夹具，这种夹具具有结构简单，使用方便，在断电后剩磁小，以及易冲洗掉磨屑等优点。但由于散磁多，磁能利用率低，易达到磁饱和状态。对于薄壁小型工件，如带防尘盖槽，关节轴承等类套圈，磨削时显得磁力不够;因此，在设计中，往往是采用增加线圈的安匝数来提高吸力;但导致线圈功率、发热量增大， 电磁无心夹具产生热变形，影响机床的精度，尤其对工件位置影响较大。电磁无心夹具不但可以有效克服定心式机械夹具的弊病，还可以缩短工件装夹的辅助时间，大大地降低劳动强度，提高生产效率，从而，提高劳动生产率达60以上。 近几年来从国外引进的轴承套圈磨床上 常见到一种新型的电磁无心夹具这种夹具对提高套圈磨加工精度有重要意义1。它有两个特点.. 一是在沟道磨削采用与工件外径表面相吻合的圆弧形浮动支承 用以增大支承与套圈的接触面积 使得接触处单位面积压力减轻 有效地避免了划伤和减轻擦痕同时能部份抵消外径的不圆度对沟道的影响.. 二是在内部结构上让激磁线圈与工件轴一起旋转 用电刷在工件轴后端供电完全消除了夹具磁路中的气隙 在保证足够吸力的条件下 激磁线圈的体积减小 电流下降 从而基本上排除了夹具温升对加工的不良影响1.2 机械加工夹具的发展趋势 在机械加工制造过程中凡是用来固定加工对象使其占有正确的位置，以便接受加工检测的装置都可统称为夹具。 夹具的发展历程 大约可以分为三个阶段:第一个阶段主要表现在夹具与人的结合上 这是夹具主要是作为人的单纯的辅助工具 使得加工过程进一步提高效率和趋于完善第二阶段 夹具成为人与机床之间的桥梁 夹具的机能发生变化 它主要用于工件的定位和夹紧第三阶段表现为夹具与机床的结合 夹具作为机床的一部分 成为机械加工中不可缺少的装备。 夹具是机械加工不可缺少的部件在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环 2保方向发展的带动下夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展 。 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要求 更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 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精密平口钳的平行度和垂直度在 5μm 以内夹具重复安装的定位精度高达 ?5μm瑞士EROWA 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。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。 组合夹具元件模块化是实现组合化的基础。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。组合夹具分会与华中科技大学合作 正在着手创建夹具专业技术网站 为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开发的公共平台 争取实现夹具设计与服务的通用化、远程信息化和经营电子商务化。 经济夹具的通用性直接影响其经济性。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。德国 demmeler 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。随着我国经济的高速发展 社会对机械产品需求多样化的趋势也越来越明显。为此 制造技术的研究者提出了成组技术的科学理论及实践 它能从根本上解决生产由于品种多 产量小带来的矛盾。成组技术 GT GroupT2echnology是一门生产技术科学 它研究如何识别和发掘生产活动中有关事务的相似性 并对其进行充分利用。即把相似的问题归类成组 寻求解决这一组问题相对统一的最优 以取得所期望的经济效益。成组技术应用与机械加工方面 乃是将多种零件按其工艺的相似性分类成组以形成零件族 把同一零件族中零件分散的小生产量汇集成较大的成组生产量 从而使小批量生产能获得接近于大批量生产的经济效果。 目前发展的成组技术是应用系统工程学的观点 把中、小批生产中的设计制造和管理等方面作为一个生产系统整体统一协调生产活动的各个方面 全面实施成组技术以提高综合经济效益。 产品设计方面:由于用成组技术指导设计 赋予各类零件以更大的相似类 这就为在制造管理方面实施成组技术奠定了良好的基础 使之取得更好的效果。以成组技术为指导的设计合理化和标准化工作将为实现计算机辅助设计CAD奠定良好的基础为设计信息最大程度地重复使用 加快设计速度 节约时间作出贡献。据统计当设计一种新产品时往往有3/4 以上的零件设计可参考借鉴或直接引用原有的产品图纸 从而减少新设计的零件这不仅可免除设计人员的重复性劳动也可以减少工艺准备工作和降低制造费用。 制造工艺方面:成组技术在制造工艺方面最先得到广泛应用。开始是用于成组工序 即把加工方法、安装方式和机床调整相近的零件归结为零件组 设计出适用于全组零件加工的成组工序。成组工序允许采用同一设备和工艺装置以及相同或相近的机床调整加工全组零件 这样 只要能按零件组安排生产调度 就可以大大减少由于零件品种更换所需要的机床调整时间。此外 由于零件组内诸零件的安装方式和尺寸相近可设计出应用于成组工序的公用夹具只要进行少量的调整或更换某些零件公用夹具就可适用于全组零件的工序安装。 生产组织管理方面:成组加工要求将零件按工艺相似性分类形成加工族加工同一加工族有其相应的一组机床设备。因此很自然成组生产系统要求按模块化原理组织生产即采取成组生产单元的生产组织形式。成组技术是计算机辅助管理系统技术基础之一。这是因为运用成组技术基本原理将大量信息分类成组并使之规格化、标准化这将有助于建立结构合理的生产系统公用数据库可大量压缩信息的储存量由于不再是分别针对一个工程问题和任务设计程序可使程序设计优化。 成组技术的发展现状:成组技术从20 世纪50 年代提出到如今已经历了近 5年的发展和应用。成组技术作为一门综合性的生产技术科学是计算机辅助设计、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助制造CAM和柔性制造系统等方面的技术基础。我国早在20 世纪60 年代初就在纺织机械、飞机、机床及工程机械等机械制造业中推广应用成组技术 并初见成效。因此成组技术受到国家有关部、局和工厂企业 研究所及高等院校的重视。 目前 正积极开展这一方面的科学研究、人材培训和推广 应用等工作。原机械部设计研究院负责组织研制的全国机械零件分类编码系统JLBMI它将对我国推广应用成组技术起到积极推进作用3。我国不少高等工业院校结合教学和科研工作 在成组技术基本理论及其应用方面如零件分类编码系统、零件分类成组方法和计算机辅助编码、分类、工艺设计、零件设计、生产管理的软件系统等方面都开展了许多研究工作 并取得了不少成果。可以相信随着应用推广和科研工作的持续开展成组技术对提高我国机械工业的制造技术和生产管理水平将日益发挥其重要的作用。1.3 电磁无心夹具的应用与发展 许多工件夹具系统依然高度依赖操作人员，由他们围绕被装夹的零件，依次松开和拧紧螺母和螺栓，这是一种费时又不可靠的作业。如果没有紧固某个螺栓，或者紧固有变化，则可能产生不合格的夹紧或工件变形。而电磁夹具却可以将所有的夹具一下子移动到位，并具有统一的夹持力，这样可以加快装夹过程中的速度。在机械零件中 诸如轴承套圈、轴肩衬套与端盖一类圆盘或薄壁筒型零件 约占零件总数的60。这些零件重量轻 壁薄易变形但加工精度要求较高 通常在热处理之后 还要进行磨削加工或高精密级的加工对于薄壁的中小型回转体零件的磨削加工 若在普通内外圆磨床上用定心式夹具夹紧定位往往因夹紧而变形 使工件的圆度、不柱度和垂直度等形位公差超差而达不到技术要求4。如果采用电磁无心夹具(以下简称为电磁夹具) 不但可以有效地克服定心式机械夹具的弊病 还能缩短工件装夹的辅助时间 大大地降低劳动强度 提高产品质量 从而 提高劳动生产率达以上。电磁夹具适合成批大量加工生产 由于调整简便 也适合于多品种、变批量的生产 制造成本相应低廉 是一种高效率的机电一体化夹具 因此 应用范围很广。比如电磁无心夹具在万能磨床上的应用。2.电磁无心夹具的研究2.1 电磁无心夹具的工作原理与特征 在电磁无心夹具中，其工作原理是电磁无心夹具的核心点，轴承行业中滚动轴承套圈磨削加工时所采用的夹具，已从中心式发展到无心式。电磁无心夹具是无心式夹具中优点较多、技术较先进的一种，至今已成为轴承磨加工工艺的一种标准化装夹方法。所以有必要了解其工作原理。2.1.1 工作原理与特点 无心夹具的特点是:工件中心不与主轴中心重合，其加工精度不受主轴旋转精度的影响，但工件中心的位置，随着被磨表面尺寸和形状变化而变化或随被支承面的直径尺寸不同而不同5。电磁无心夹具是在滚轮式无心夹具的基础上发展而成的，其原理:工件以磨削过的外径和一个端面在电磁无心夹具中的前后支承上定位后，井利用直流电磁线圈产生吸力，将工件端面紧吸在磁极的端而上，并使工件与工件轴磁极具有一定偏心量e。当磁极绕其轴心O旋转时，磁极就迫使工件绕着本身的中心0’旋转，由于两者有一个偏心，因而磁槛和工件之问产生相对滑动(于是磁极端面对工件产生一个摩擦力矩和一个通过0’并垂直于O0’的摩擦合力F。前者迫使工件回转(后者则使工件紧贴于前后支承上，因而使工件获得稳定的回转运动。 电磁无心夹具是将交流电整流为直流电，通过线圈产生电磁效应，使工件磁化并将工件端面吸紧，实现工件轴向定位。而工件的径向定位是靠调节两个支承，使安放在支承上的工件中心偏离工件轴中心，偏心象限的合理性调整是使用电磁无心夹具的首要条件。在正确的偏心象限及适当的偏心量条件下，采用电磁无心夹具来磨削轴承套圈，可以获得高于主轴旋转精度的加工精度和上、下料快捷的高效性能。在无心磨削过程中，由于回转体内外表面的原始几何精度不一，无论是采用以外圆定位磨内孔、以外圆定位磨外圆，还是以内圆定位磨外圆，工件都会不同程度地出现跳动。为了保持磨削的顺利进行，在调整电磁无心夹具时，必须设置一个预定的偏 心量e，且偏心象限选择正确，使工件瞬时回转中心偏离主轴中心一定的距离，当工件旋转所产生的离心力处于两支承之间，又大于或等于两支承与磨削力形成的合力时，工件便依靠磁极的定位而紧紧地贴着支承工作端面随主轴一起旋转，工件的旋转中心则始终沿着偏心量设置的方向，并在选定的偏心量范围内不断进行位置的瞬时调整，这就是“无心”磨削的本质特征。 ， O—磁极中心 O —工件中心 e—偏心量 β—两支承夹角 图2.1 电磁无心夹具的原理图 电磁无心夹具主要由磁极，两支承组成。电磁无心夹具依据其磁极的磁力线流向可分单磁极式、双磁极式和多极式三种: 第一种:单磁极夹具其磁力线通过磁极和轴承的壁厚。磁力较大，但磁吸力不太均匀，磁路中有很大一部分是空气间隙，磁通损耗较大，还有密封性较差的缺点，但经过实际生产验证，能满足生产上所需要的磁吸力，还具有结构简单、通用性强、改装方便等优点，目前现场仍普遍采用。 第二种:双磁极式夹具的磁路中不存在空气间隙而形成磁闭台回路，减少磁路中磁阻。但由于两极之间有一个隔磁环，减少磁极与轴承套圈的接触面积，磁通量受到限制。如果加工薄壁套圈或微型轴承套圈，就显得磁力不足了。在安装无心夹具过程中，对机床主轴要作较大的改动，故使用范围不广。 第三种:双磁极式夹具的磁路中不存在空气间隙而形成磁闭台回路，减少磁路中磁阻。但由于两极之间有一个隔磁环，减少磁极与轴承套圈的接触面积，磁通量受到限制。如果加工薄壁套圈或微型轴承套圈，就显得磁力不足了。在安装无心夹具过程中，对机床主轴要作较大的改动，故使用范围不广。2.1.2 定位形式 电磁无心夹具的定位是由磁极和支承组成的，支承可分为固定支承和浮动支承两种6 。而各类轴承套圈在各磨削工序中，有以下三种定位形式: A以外圆定位磨内圆，这种方法多用于加工轴承外圈的沟道、滚道、挡边及内圈的工序。(如图2.2) 图2.2 以外圆点位磨内圆的电磁无心夹具示意图 B以外圆定位磨外圆。这种方法多用于加工球轴承内圈沟道和滚子轴承内圈滚道及挡边工序。也有用这种形式的定位方法来修磨轴承外径与端面等配合表面。外圈带凸台的套圈其外径表面的加工，只有用这种方法加工，才能获得较高的加工精度与生产效率。(如图2.3) C以内圆定位磨外圆，这种方法多用来加工球轴承内圈沟道和滚子轴承内圈滚道及挡边等工序，这样可以保证较好的内圈滚道对内孔的厚度变动量。如图2.4) 图2.3 以外圆点位磨外圆的电磁无心夹具示意图 图2.4 以内圆定位磨外圆的电磁无心夹具示意图2.1.3 电磁无心夹具与无心外圆磨床的比较 当考察电磁无心夹具以外圆定位磨外圆时，就不难发现这种磨削与无心外圆磨床的加工十分相似，电磁无心夹具中的前后支承，相当于无心外圆磨床中的导轮与支承刀板。无心外圆磨床的磨削原理如图4所示，如果将工件的中心置于砂轮与导轮的中心连线上，工件表面上的任何一个微小的凸点，都会使工件被导轮推向砂轮一边，从而被砂轮磨出一个月牙形的凹坑带，此时，就等于在工件上增添了两个新的凸点;调整工件与砂轮和导轮之间的接触位置，就会使工件上的凸点被交错磨削后而逐步成圆。由于工件中心高的确定，涉?盎 仓髦峋 群凸ぜ 季 鹊戎疃嘁蛩?。事实上，在零件磨削过程中，砂轮、导轮和工件的尺寸毕竟是一个不断变化的动态过程，所以，十分精确的中心高数值只是一个瞬时值，但在磨削之前又必须把工件中心调整到一个逼近理想的高度。为了缩短调整夹具的时间，文献1给出了一个中心高的简化计算式: HO(0325×D砂2 D导3D工式中:D砂、D导和D工分别表示砂轮、导轮和工件的直径。 无心外圆磨床工件中心高一旦确定，砂轮、导轮与刀板之间的夹角在一定的条件下也自然确定，这对于研究电 磁无心夹具前后支承的夹角和成圆原理，有着重要的借鉴作用。2.2 电磁无心夹具的结构设计 电磁无心夹具由于加工对象的不同，按工件磨削定位的形式，可分为以外圆定位磨外圆、以外圆定位磨内孔和以内孔定位磨外圆3种形式，按磁力吸紧工件方式可分为永磁式和电磁式两种。永磁式磁极的优点是在机床断电时仍能使工件不脱落。按电磁式夹具的线圈安放位置，又可分为旋转式线圈和固定式线圈两类。固定式线圈的供电比旋转式线圈方便。按磁力线的来源可分为环形磁极与星形磁极两种，星形磁极可以弥补因零部件端面接触不严而产生漏磁的现象，但磁极的制造比环形磁极要复杂，而且检修较困难。按磁力线的通路可分为单极式与多极式两种。单极式磁极的磁力线要通过空气隙而形成闭合回路，而多极式磁极的磁力线只通过工件本身就可以形成回路，多极式磁极多用于接触端面较宽的工件。按支承块的结构形式，可以分为滚轮式和履式支承两大类。滚轮式支承因受滚轮自身回转精度的影响，定位刚性较差;履式支承是目前应用最广的一种支承形式。按支承与工件接触的方式又可分为块状、圆弧状、圆柱状与圆片状多种形式。按支承块与工件接触的稳定程度，还可以制作成固定式和浮动式两种形式。固定式支承与工件是两点接触，而浮动式支承却是四点接触，由于浮动式支承可沿着支承杆轴向在较小角度范围内作微量摆动，能有效地降低因定位面的几何误差而引起的复映误差。 根据本次设计课题选择:以外圆定位磨外圆的电磁无心夹具作为设计对象进行设计。如图2.3所示。2.2.1 设计原则 电磁夹具在设计时 就是要选择一条合理的可调磁路 使直流电通过线圈所产生的磁力线 经过铁心、磁极、线圈罩、工件和“ 空气隙”组成一条闭合磁路 以达到 8吸紧工件的目的 。因此 在设计时必须注意以下三条原则: ?、在保障线圈有效安匝数和考虑夹具整体结构尺寸的前提下 尽可能让最多的磁力线穿过工件 以吸牢工件。力求减少漏磁 克服断磁现象。 ?、对于产生进场的本体—线圈来说 必须具有良好的密封性在使用冷却液磨削情况下不能让线圈进水而受潮 以延长线圈的使用寿命。 ?、夹具必须有一定的调节范围 以适应不同尺寸的工件加工同时 整台夹具必须结构简单、紧凑、重量轻 调整与操作方便 并力求外型美观 与机床造型相适应。2.2.2 铁芯的设计 在线圈中设置一铁芯 目的是线圈在通电后产生外磁场的情况下 形成一个与该磁场方向相同的“ 附加磁场” 以增大磁体的电磁感应强度。常用的铁磁物质有铸铁、纯铁、低碳钢、硅铁和被莫合金等。因夹具的铁芯要与机床主轴直接相连 考虑多方面的技术因素 我们用20号低碳钢铁来制作铁芯较为理想。铁芯的形状 宜设计成一头大、一头小的T型结构 因小头与工件、磁极相连较小的截面积所接受的磁通密度就大磁极的磁力也相应增大 铁芯小头的直径 一般取Φ70mm左右9。2.2.3 磁极的设计 磁极在电磁夹具上 是连接铁芯与工件的过渡件 也是与不同大小工件相配套的一个更换件它起着导磁与支承工件端面的作用为减少磁极与工件端面的接触面积和相互间的磨损 磁极常做成杯型 并在与工件的接触端的圆周上开出3,4个缺口 以利于冷却液和磨屑从此处外排一部分、带走部分磨削热量。磁极常用低碳钢制作 当它与铁芯紧密连接后 它与工件接触的那个端面为满足工件定位精度 一般采用自磨法在本机床上磨平。2.2.4 线圈及线圈罩的设计 线圈是电磁夹具的“心脏”，设计时一要保障必要的磁力 二要使线圈外形尺寸合理具体，具体由导线直径、饱和电感应强度和线圈的外径与宽度比例来确定。 饱和电感应强度是指铁心在磁感应后所释放出来的最大磁化力 由线圈匝数与通过线圈的电流强度的乘积 FC N I来表示。中型电磁夹具的安匝数通常在2 500,3 000范 围内设计而实际使用时常在800,2 000中选取。 线圈罩与线圈的设计是同时进行的 其材料的选用和结构是否合理 直接关系到电磁夹具的使用效果与寿命。线圈罩设置的作用是保护线圈 并起到隔磁的作用。因此它必须用非导磁物质制作 要求无裂纹和缩孔 以保障不漏磁 不进水 能防潮。常用的非导磁物质有铜、铝、不锈钢和胶木塑料等。在电磁夹具上用得最多的是黄铜。 线圈罩的形状有两种即开口向左的“ 〕” 型和开口向右的“〔” 型。“ 〕”型密封性能较好 但易漏磁 且装卸不方便。“ 〔” 型结构的优缺点正好相反 因导磁率高 方便安装 采用较普遍。 线圈外形尺寸设计 取决于导线直径、匝数和夹具整体尺寸 而线圈外形尺寸又决定线圈罩的内腔尺寸 因此 线圈与线圈罩尺寸必须统一考虑。 线圈绕定并经绝缘裹扎后 其外径(通常做成Φ130,D,Φ160)与宽度之比 一般 1为4: 即做成薄环型。这样有利于缩短夹具在水平轴线方向的长度 增强夹具的刚性同时又保障原有磨头的有限行程。 线圈进行绕组成型后 进行绝缘防护处理是必经工序 工程上常用绝缘胶带环绕线圈本体包扎一至两周(厚度约为1,1.5mm)。然后用绝缘漆浸泡一段时间 再.