内冷式砂轮的理论研究

第三章内冷式砂轮的结构设计

要解决的主要问题：
1、设计砂轮内部冷却结构，提高砂轮冷却液的利用效率。
2、解决外冷方式冷却不足的问题。
3、保持冷却液在砂轮使用过程中的冷却方向一致。

内冷式砂轮的工作原理
内冷式砂轮工作原理：通过液压系统提供带有一定压力的冷却液，经过主轴上的供油通道输送到砂轮内部，然后经由砂轮内部的送液通道，最后从砂轮的各出液口喷出。从而实现砂轮工作面的快速冷却。

3.1 开槽式内冷式砂轮结构的初步构想
1、为了使冷却液从砂轮内部向外冷却，砂轮与主轴接触面绕轴开封闭槽，使冷却液在砂轮内部形成压力液腔，使冷却液能实现由砂轮内送液通道向外的喷射过程。
2、为了保证冷却液的喷射方向始终保持不变。准备采用径向直通道。
设计内冷式砂轮简图如下：

直喷口砂轮示意图
砂轮的喷液口径向开口可以使砂轮在磨损的过程中始终保持出液方向不变，不过同时我们也发现一个问题，由于喷液口是径向开的，磨削过程中，喷液口迎向切削方向的一侧，与工件待切削面接触时，其接触角度较大，因此与工件的碰撞会产生较大的振动，并且会导致磨损加快，使加工质量不稳定，砂轮寿命缩短。
我们考虑是否可以将这个接触角度变得很小，而又让喷液口在砂轮磨损的过程中角度不发生改变，这样就可以避免振动，克服砂轮使用寿命的制约。

3.1.1渐开线流道分析
我们首先从保持喷液口的角度在磨削过程中不发生变化这一点着手。经过分析后我们觉得渐开线可能满足要求。渐开线的产生原理如下：

由图我们可以得出，渐开线上任一点的法线都与基圆相切，但我们得到的结论渐开线的走向不能满足每一点的方向在该点为半径的圆上方向一致，但如果取较少的磨削层里，可以近似认为一致，这里我们先使用这种曲线，并且继续寻找别一种更为合适的曲线，于是我们将最初的砂轮结构进行了修改。把径向直通道改为渐开线通道，这样一来，开口与工件接触边的角度减小，可以有效的避免径向开口产生的振动，从而提高砂轮的使用寿命。
为了绘制渐开线砂轮的示意图进行分析，但由于我们对于模拟绘图知识的不足，所以利用AutoCAD软件进行了近似作图，最终形成的渐开线是利用近似的渐开线的点在曲线连接下产生的近似曲线 ，其具体的绘图过程如下：

3-2渐开线绘制原理图
3.2.3.1蜂窝式内冷式砂轮的内部容液及密封结构设计
对于砂轮的内部结构，我们首先要考虑到如何均匀的将冷却液分布到各喷液通道，而冷却液的分布又联系到冷却液的密封，因此我们设想在砂轮轴芯套上开圆弧槽，砂轮轴芯套两侧适当外伸，以便于冷却液能分布到砂轮的每个喷液口。下面是砂轮内部结构示意图。

3-11内冷式砂轮结构示意图A
在设计的时候我们考虑要使冷却液均匀分布到每个孔，于是我们把整个内腔都空起来。这里砂轮与轴之间用了密封盖上的键槽作连接，而砂轮芯与密封盖之间用6个连接螺栓进行紧固连接和密封。但我们发现这样的结构所能传递的扭矩小，且砂轮在运转过程中会因为固定不全面产生晃动，严重影响砂轮的磨削加工质量。同时由于只有单侧密封盖受了扭力，磨削过程中可能会因为某些抖动使砂轮连接产生松脱，存在很大的安全隐患。故我们的这种设计在结构上存在很大的问题。
于是我们又对砂轮的冷却系统进行了一些的研究，并通过这方面的了解。我们发现我们一直在一种思维的局限在进行设计，我们把设计结构都定位在了主轴方向进液上了，却没有考虑到其它更好的方式，如果我们把设计结构调整为从砂轮的另一端进液，那么我们设计内部结构将会变得简单易行。有了这一发现，我们马上调整了我们的设计方向，经过调整后我们初步的设计出了砂轮的内部结构，其结构示意简图如下：

3-12内冷式砂轮结构示意图B
如图所示，当我们按设想将入液口与砂轮主轴方向分在砂轮两侧后。砂轮的结构就变得简单了。当冷却液从入液口流入砂轮内腔后，自由充满空闲的内腔，当冷却液布满整个内腔，冷却液便形成一定压力，带有压力的冷却液便从各喷液孔道喷出。这个地方，砂轮的内腔容液及压力液分布将不再是问题，我们唯一要考虑的是，砂轮两侧的密封问题。
这里我们首先分析了砂轮的工作原理，及冷却系统的布置情况，结合相关设计我们发现，主轴口一侧，砂轮与主轴为固定连接，所以密封也为固定密封，可以在连接之间使用带弹性的橡胶密封圈，而另一侧，由于砂轮的冷却液供入装置为固定装置，而砂轮又是与主轴一起转动的，不便于再采用前面使用的固定密封圈，于是我们考虑采用带端面密封的旋转接头。端面密封为一种旋转轴用动密封，由动环和静环组成密封端面，动环与砂轮主轴一起旋转，并与静环保持紧密贴合接触，达到旋转密封的目的。
3.2.3.2孔道大小的确定
要确定孔道的大小我们首先要确定我们加工过程中的余量，查《机械加工工艺手册》平面磨削加工余量0.3～0.7之间，具体视加工面大小而定，为保证加工质量，孔道大小取0.2自然能达到最理想的状态，但考虑到实际的制作工艺情况和冷却液的流动阻力等因素，我们将孔道直径大小取为0.5。
由于孔道直径比最小余量要略大些，那这会不会对磨削加工质量有影响呢？当然会有一点影响，但我们不难发现，由于砂轮的孔道分布的，那么就是说，在任意时刻，砂轮磨削区都是由几个这样的冷却喷液孔点与砂轮无孔外弧共同作用，也就是说，喷液孔在无孔外弧支承下并不会与工件表面产生碰撞情况，而只仅仅是起冷却作用。所以这些孔点对磨削加工质量的影响是十分小的，因些在这里我们出于各方面因素的考虑将其忽略。
3.2.3.3砂轮的流道布置分析
对于砂轮的流道分析，我们要考虑很多方面的问题，其中下面两个方面作重点考虑：
1、怎么样分布才能使砂轮在任何时刻与磨削接触面之间都有几个以上的冷却孔道对磨削接触面进行冷却。
2、要确定孔道大小，才能确定孔道密度，孔道距离。砂轮的内圈直径，也直接影响孔道的密度分布。前面分析了孔道大小，所以我们解决分布点情况后可以初步设计出孔道的具体分布情况。
关于磨削接触面上的孔点分布问题，我们通过曲线来进行分析，我们原来的设计为图（a）交错孔，目的是通过交错排列使孔也孔之间的间隔更远，让砂轮不至于因孔点过于密集而产生砂轮局部崩落，有利于砂轮使用性能的提高。

3-13砂轮喷口分布示意图（1）
但我们分析后发现，交错排列存在一个比较明显的缺陷，当前排孔道与后
排孔道之间的距离太远时，砂轮在磨削区的冷却过程为断续冷却，冷却效果不足，当前排孔道与后排孔道太近时，由于砂轮孔道密度太大，使砂轮的强度等性能下降，砂轮的使用易出现崩落等安全问题。两排孔道之间很难取得一个合适的距离，因此我们考虑采用其它的孔道方式进行排列，以求取得更理想的效果。于是我们借鉴了开槽砂轮的不对称人字线开布置孔道图（b），改进后的孔道我们可以看出，人字线右侧的孔道在切削方向上显得更紧凑，这样可以在任意时刻都能有几个以上的点在磨削区进行冷却，但我们也发现，这个人字线并不适合我们这个地方使用，虽然人字线右侧的孔道比较理想，但人字线左边的孔道冷却情况却并不理想，这样容易因为冷却不均匀出现磨削区冷却不均匀或者部分地区冷却不足，而出现质量问题。经过分析我们考虑，既然不对称人字纹右侧长斜纹的孔道布置比较理想那我们将整个孔道都布置在一条长斜纹上是不是就能得到理想的孔道布置线呢？于是我们再次改进孔道布置线为图（c）所示斜纹，这样布置后我们感觉孔