I 摘 要 滾動(dòng)軸承普遍應(yīng)用于航空 軍工 汽車 機(jī)械等工業(yè)中 它作為各種機(jī)械裝備十分 重要的基礎(chǔ)件是一種精密的機(jī)械元件 而球軸承作為滾動(dòng)軸承家族中重要的一員其應(yīng)用 尤為廣泛 鋼球加工質(zhì)量的優(yōu)劣是制約精密機(jī)械裝備發(fā)展的重要原因 因?yàn)殇撉虻闹圃炀仍?球軸承里的影響能很大成程度上決定球軸承的質(zhì)量 鋼球是球軸承里最關(guān)鍵的零件 目 前 國內(nèi)普遍采用的鋼球生產(chǎn)工藝為 備料 冷鐓壓 光球 熱處理 硬磨 表面強(qiáng)化 處理 精研 光電外觀檢查和尺寸分組 清洗 涂油包裝入庫 通過現(xiàn)場(chǎng)勘察 發(fā)現(xiàn)光 球工序加工質(zhì)量很差余量較大 對(duì)后面的工序造成的影響很大 為了到達(dá)提高光磨工序的質(zhì)量 降低后續(xù)工序加工余量這個(gè)目的 本課題旨在研究 鋼球生產(chǎn)中用于去除冷鐓球坯缺陷并可以替代原有光球工序的新工藝 并對(duì)其相關(guān)工藝 設(shè)備進(jìn)行改進(jìn) 研究的主要內(nèi)容有研究現(xiàn)有光球工藝機(jī)理 分析存在的缺點(diǎn)和造成缺點(diǎn) 的原因 提出創(chuàng)造使用新工藝的重要性 提出利用砂帶磨削鋼球的新工藝及具體方案 分析不同該方案的好壞 選取最佳工藝參數(shù) 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證砂帶磨削鋼球的表面質(zhì)量?jī)?yōu) 于現(xiàn)有光球工藝所加工的鋼球 如此加工效率便得到提高 參考現(xiàn)有磨削機(jī)床 完成鋼 球砂帶磨床的設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)了新技術(shù)的實(shí)際方面的應(yīng)用 在加工設(shè)備方面 本課題圍繞有關(guān)現(xiàn)有光球 機(jī)的幾大技術(shù)上的缺點(diǎn) 設(shè)計(jì)了節(jié)能減排 清潔生產(chǎn)需求的全新砂帶磨床 該機(jī)床采用 新的機(jī)械式進(jìn)給系統(tǒng) 并將阻尼板以模塊化機(jī)構(gòu)的形式安裝到新型機(jī)床中 為了可普遍應(yīng)用于實(shí)際鋼球生產(chǎn)中 開始了新型光球工藝與設(shè)備的研究 它將對(duì)傳 統(tǒng)的光球加工工藝產(chǎn)生非常大的影響 在經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)與工藝參數(shù)改進(jìn)后 能實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 化控制和流水線生產(chǎn) 市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊 關(guān)鍵詞 光球 砂帶磨床 工藝 磨削 II IV VI i 目 錄 摘 要 I 目 錄 I 第 1 章 緒論 1 1 1 課題來源 1 1 2 課題的科學(xué)依據(jù) 1 1 2 1 課題的科學(xué)意義 1 1 2 2 國內(nèi)外研究狀況及其應(yīng)用前景 2 1 3 課題的指導(dǎo)思想及研究?jī)?nèi)容 3 1 3 1 課題指導(dǎo)思想 3 1 3 2 課題研究?jī)?nèi)容 3 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 5 2 1 擬采取研究方法 技術(shù)路線 實(shí)驗(yàn)方案的提出及可行性分析 5 2 1 1 研究方法和技術(shù)路線 5 2 2 研究方案的確定 7 2 2 1 動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)的確定 7 2 2 2 進(jìn)料系統(tǒng)的確定 7 2 2 3 壓模板升降系統(tǒng)的確定 8 2 2 4 砂帶磨頭結(jié)構(gòu) 的確定 9 2 2 5 機(jī)床總體布局 的確定 9 第 3 章 鋼球的運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究 10 3 1 剛體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 10 3 1 1 剛體一般運(yùn)動(dòng)的描述 10 3 1 2 剛體一般運(yùn)動(dòng)的微分方程 11 3 2 鋼球動(dòng)力學(xué)分析 13 3 2 1 磨削模型的建立 13 3 2 2 鋼球受力分析 13 3 2 3 鋼球運(yùn)動(dòng)微分方程 18 3 3 鋼球表面磨削跡線 19 第 4 章機(jī)床部件的設(shè)計(jì)及其校核 21 4 1 電機(jī)的選擇 21 4 2 V 帶的選擇計(jì)算及其校核 21 ii 4 3 張緊機(jī)構(gòu)中彈簧的選擇及其校核 24 第 5 章 結(jié)論與展望 27 5 1 課題總結(jié) 27 5 2 課題不足之處 27 5 3 課題未來展望 27 參考文獻(xiàn) 29 致謝 30 附錄 A 砂帶磨削的組成及其特點(diǎn) 31 1 第 1 章 緒論 1 1 課題來源 滾動(dòng)軸承普遍應(yīng)用于航空 軍工 汽車 機(jī)械等工業(yè)中 它作為各種機(jī)械裝備十分 重要的基礎(chǔ)件是一種精密的機(jī)械元件 而球軸承作為滾動(dòng)軸承家族中重要的一員其應(yīng)用 尤為廣泛 鋼球加工質(zhì)量的優(yōu)劣是制約精密機(jī)械裝備發(fā)展的重要原因 因?yàn)殇撉虻闹圃炀仍?球軸承里的影響能很大成程度上決定球軸承的質(zhì)量 鋼球是球軸承里最關(guān)鍵的零件 目 前 國內(nèi)普遍采用的鋼球生產(chǎn)工藝為 備料 冷鐓壓 光球 熱處理 硬磨 表面強(qiáng)化 處理 精研 光電外觀檢查和尺寸分組 清洗 涂油包裝入庫 各個(gè)過程產(chǎn)生的球的外 表如圖 1 1 所示 其實(shí)從冷鐓件到光球這一工序很重要 很大程度上決定了生產(chǎn)出鋼球的 質(zhì)量 通過到無錫鋼球廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察 發(fā)現(xiàn)光球工序加工質(zhì)量很糟糕 留下的余量很 大 對(duì)后道工序的加工造成了較大的困難 根據(jù)工件的形狀 選擇相應(yīng)的接觸方式 在一定的壓力作用之下 使得高速運(yùn)動(dòng)的 砂帶與工件相接觸產(chǎn)生摩擦 將工件表面上的余量漸漸地磨除或者拋磨光滑的這種方式 就是砂帶磨削 而利用砂帶對(duì)工件進(jìn)行加工的技術(shù)在國內(nèi)為日趨成熟 六十年代以來 砂帶磨削在國外發(fā)展的十分迅速 應(yīng)用的范圍也在逐漸擴(kuò)大 五十年代末我國開始是用 砂帶磨削這一方法 然而當(dāng)前的技術(shù)水平與國外工業(yè)發(fā)達(dá)的國家相差很大 縱觀國內(nèi)外 當(dāng)前很少有將砂帶磨削這一方式應(yīng)用于鋼球的磨削 因此本課題在市場(chǎng)的前景十分廣闊 因此本課題目的是尋找新的工藝 這新的工藝可以代替原有的光球工藝 利用砂帶 磨床將冷鐓件加工為光球 來提高光磨工序的質(zhì)量 降低后續(xù)工序的加工余量使得后續(xù) 的加工變得更加容易 圖 1 1 鋼球的生產(chǎn)工藝流程 2 1 2 課題的科學(xué)依據(jù) 1 2 1 課題的科學(xué)意義 鋼球是球軸承的重要零件 而球軸承是各類機(jī)械裝備的重要基礎(chǔ)件 為了客觀地說 明了鋼球在軸承中的重要性 有大量實(shí)驗(yàn)表明 鋼球占影響球軸承噪聲全部原因的 60 軸承失效由于鋼球損壞的比例達(dá) 58 5 國外僅占 23 4 因?yàn)楝F(xiàn)在的市場(chǎng)很需要高質(zhì)量的軸承投放 來滿足各行業(yè)的需求 所以目前 我國 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)正日新月異地發(fā)展 使得高端機(jī)械裝備的需求量迅速增長 對(duì)機(jī)械零部件 的制造精度也提出了越來越高的要求 在軸承行業(yè)中的顯著進(jìn)步 也相應(yīng)帶動(dòng)了了鋼球 制造的進(jìn)步與發(fā)展 尤其是軸承行業(yè)經(jīng)過六五 七五 八五 三期技術(shù)改造后 鋼球的 生產(chǎn)不管是在產(chǎn)品質(zhì)量 生產(chǎn)工藝還是裝備水平等方面都達(dá)到了一個(gè)新的境界 然而 在加工質(zhì)量或者是能源的浪費(fèi)上我國生產(chǎn)的鋼球 都與國外先進(jìn)水平相差很 遠(yuǎn)這是因?yàn)槭艿搅宋覈募夹g(shù)與設(shè)備的限制的影響 我國現(xiàn)在使用的高精度 G3 級(jí)鋼球 主要還依賴進(jìn)口 G3 級(jí)鋼球可廣泛應(yīng)用于精密儀器 先進(jìn)武器中的高精度軸承中 可以 說 我國裝備制造業(yè)乃至國防工業(yè)能否高速發(fā)展都取決于是否能大批量生產(chǎn) G3 級(jí)精度的 鋼球 為了使鋼球產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到國際領(lǐng)先的生產(chǎn)水平 打破外國的壟斷和技術(shù)封鎖 解 決國外的高價(jià)進(jìn)口鋼球的問題 為企業(yè)和社會(huì)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益 本課題在理論研究 的基礎(chǔ)上 以開發(fā)綠色 節(jié)能 高效的軸承鋼球光球設(shè)備為目標(biāo) 有助于提升我國鋼球 生產(chǎn)能力 使我國高精度鋼球磨削設(shè)備實(shí)現(xiàn)自給自足 本課題的研究也是全國滾動(dòng)體行 業(yè) 十一 五 技術(shù)攻關(guān)的首項(xiàng)任務(wù) 具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義 1 2 2 國內(nèi)外研究狀況及其應(yīng)用前景 在 2009 年中國軸承行業(yè)報(bào)告中提出 2008 年全國軸承產(chǎn)量 100 億套 如果按球軸承 占總量的 85 來計(jì)算 那么球軸承產(chǎn)量為 85 億套 配套要生產(chǎn)的鋼球預(yù)計(jì)達(dá)到 1190 億粒 現(xiàn)在國外的 G3 級(jí)鋼球生產(chǎn)已形成大規(guī)模的流水線 而我國高精度軸承還必須依賴進(jìn)口 因?yàn)樵趪鴥?nèi) G3 級(jí)鋼球的大批量生產(chǎn) 目前還無法實(shí)現(xiàn) 這對(duì)我國機(jī)械行業(yè)的發(fā)展非常不 利 隨著國內(nèi)對(duì)光磨 硬磨 研磨機(jī)理的研究的逐漸深入 顏世一等人指出光球運(yùn)動(dòng)可 以分解為自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn) 認(rèn)為光磨是一種固定金屬磨粒磨削 其 自銳性 是由于疲勞磨 損而獲得 國內(nèi)還有人研究了光球磨削的微觀機(jī)理 分析了磨粒在鋼球表面的微觀運(yùn)動(dòng) 規(guī)律 李茂龍討論了球體在直圓弧槽和曲圓弧槽中的滾動(dòng)規(guī)律 得出了接觸弧長和阻力 矩的計(jì)算公式 湘潭大學(xué)的朱晨建立了同軸三盤研磨方式的鋼球研磨運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及研磨 跡線理論 并闡述了三盤研磨的力學(xué)特性 后來國內(nèi)很多高校對(duì)四軸球面研磨技術(shù) 錐 形研磨方式 超聲波振動(dòng)研磨技術(shù) 磁性流體研磨技術(shù)等新型高精度研磨技術(shù)做了大量 的研究 取得了不錯(cuò)的成效 目前 我國軸承鋼球制造仍以單機(jī)為主 且多采用傳統(tǒng)的 電氣控制 而國外著名的軸承公司都在進(jìn)行磨削自動(dòng)線連續(xù)生產(chǎn)的研究 國內(nèi)少數(shù)企業(yè) 想引進(jìn)這些關(guān)鍵的磨削制造設(shè)備 但由于價(jià)格昂貴 設(shè)備折舊成本過高而紛紛作罷 面 3 對(duì)日益增長的國內(nèi)外兩個(gè)市場(chǎng)的需求 軸承行業(yè)迫切希望能獲得大量性能穩(wěn)定可靠 高 精度的軸承鋼球磨削設(shè)備 光球 作為鋼球生產(chǎn)工藝中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié) 假如能夠 從根本上得到改進(jìn)甚至創(chuàng)新 對(duì)我國球軸承質(zhì)量的提高有著非同尋常的意義 在調(diào)研中還發(fā)現(xiàn) 國外鋼球生產(chǎn)傾向于 以磨代光 因?yàn)樗麄兊睦溏吋|(zhì)量很好 余量很小所以逐步淘汰了光球工藝 因此將砂帶磨削工藝引入鋼球光磨加工是大勢(shì)所趨 英 美 日 俄等國的鋼球企業(yè)對(duì)球坯不同部位的形狀分別作了改進(jìn)并進(jìn)行了大量的試 驗(yàn)研究工作 60 年代末 日 美 英 法 俄等國家先后采用光磨工藝取代了 原銼削 軟磨 老工藝 并相繼出臺(tái)了各自的光磨機(jī)設(shè)備 日 德 英 俄等國普遍采用了保護(hù) 氣氛加熱工藝 鋼球表面強(qiáng)化處理等鋼球制造新工藝 70 年代末原蘇聯(lián)對(duì)固定精研盤的 形狀做了改進(jìn) 后來國外很多軸承廠都對(duì)研磨盤做了正壓偏溝試驗(yàn) 日本先后發(fā)展了磁 流體研磨技術(shù) 同軸三盤研磨技術(shù) 磁浮研磨技術(shù)以及批量生產(chǎn)的超細(xì)樹脂砂輪鋼球精 磨技術(shù) 目前 國外鋼球加工設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是追求高效率 高精度 質(zhì)量穩(wěn)定性好和 自動(dòng)化程度高 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 我國對(duì)高端機(jī)械裝備的需求量也在高速增長 市場(chǎng)迫切 需要大量高性能 高精度軸承投放 以滿足各行業(yè)的需求 我國 十一 五 規(guī)劃制定 了軸承行業(yè)的發(fā)展總目標(biāo) 到 2010 年 軸承產(chǎn)量達(dá)到 80 億套 銷售額 840 億元 按 85 為 球軸承計(jì)算 軸承鋼球配套需求量達(dá)到 920 億粒 軸承出口量達(dá)到 40 42 億套 出口創(chuàng) 匯 25 億元 因?yàn)楣?jié)能 環(huán)保 實(shí)用的設(shè)備必將受到人們的青睞 而本設(shè)備使用的砂帶磨 削鋼球 在加工工藝與理念上都與傳統(tǒng)的加工方法有很大的改進(jìn) 所以一經(jīng)實(shí)現(xiàn)必然會(huì) 有很廣闊的市場(chǎng) 1 3 課題的指導(dǎo)思想及研究?jī)?nèi)容 1 3 1 課題指導(dǎo)思想 本課題將本著節(jié)能 環(huán)保 創(chuàng)新 實(shí)用的思想 對(duì)原有工藝和機(jī)床進(jìn)行全新設(shè)計(jì) 在改革開放新時(shí)期 建設(shè)環(huán)境友好型 資源節(jié)約型社會(huì) 努力走可持續(xù)發(fā)展道路是全面 建設(shè)小康社會(huì) 落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的重要組成部分 二十一世紀(jì)全球能源危機(jī) 石油價(jià)格 一再上漲 鋼鐵資源短缺等 而能源是現(xiàn)代社會(huì)快速發(fā)展的重要因素 這些原因都讓我 們不得不大力提倡資源節(jié)約 目前 我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展是以能源的大量消耗為代價(jià)的 這樣浪費(fèi)下去會(huì)馬上會(huì)遇見沒能原可用的窘?jīng)r 所以節(jié)能已經(jīng)迫在眉睫 而我國的各鋼 球生產(chǎn)企業(yè)又是耗材 耗能的大戶 以無錫鋼球廠為例 該公司每年生產(chǎn)軸承鋼球約 40 億顆 消耗電能約 2000 萬度 消耗優(yōu)質(zhì)軸承鋼材 6000 多噸 現(xiàn)在每加工一粒鋼球 其 加工余量為成品的 21 且鋼球磨削效率低 僅一道粗磨 光球 工序就需十幾個(gè)小時(shí) 耗費(fèi)大量的電能 本課題從節(jié)能的思想出發(fā) 對(duì)鋼球的加工工藝和設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn) 提高鋼球的光球效率 縮短加工時(shí)間 按照加工余量每減少 1 就可以節(jié)省優(yōu)質(zhì)鋼材 60 噸來計(jì)算 鋼材的總節(jié)約額是不容忽視的 如果在全國范圍內(nèi)推廣 其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì) 效益將十分顯著 同時(shí)由于光球效率提高 電力的耗費(fèi)也將大大降低 4 1 3 2 課題研究?jī)?nèi)容 本課題的研究以現(xiàn)有光球機(jī)床的缺陷以及以及現(xiàn)有砂帶磨床的結(jié)構(gòu) 工作原理 提 出新的加工工藝 并設(shè)計(jì)全新的鋼球砂帶磨削機(jī)床 具體研究?jī)?nèi)容和方法如下 1 研究現(xiàn)有設(shè)備的結(jié)構(gòu) 生產(chǎn)工藝 提出改進(jìn)方案 本課題通過參考現(xiàn)有 mm2420a 砂帶磨床的磨削原理與結(jié)構(gòu) 結(jié)合旋轉(zhuǎn)阻尼板進(jìn)料系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鋼球從冷鐓件到光球的加工 2 完成鋼球砂帶磨削機(jī)整體及布局的設(shè)計(jì)和二維裝配圖與零件圖的繪制 3 利用 solidworks 進(jìn)行三維建模 對(duì)不同方案的優(yōu)劣從直觀及其工藝上進(jìn)行評(píng)價(jià) 4 對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b 完成砂帶磨削鋼球冷鐓件的實(shí)驗(yàn) 分析幾種 方案結(jié)果并比較其優(yōu)劣 5 分析鋼球加工時(shí)運(yùn)動(dòng)機(jī)理 列出鋼球運(yùn)動(dòng)微分方程 整理相關(guān)資料 編寫說明書 5 6 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 2 1 擬采取研究方法 技術(shù)路線 實(shí)驗(yàn)方案的提出及可行性分析 2 1 1 研究方法和技術(shù)路線 該設(shè)計(jì)主要包括傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 進(jìn)料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工磨削系統(tǒng)的設(shè)計(jì)三部分內(nèi) 容 由于砂帶運(yùn)動(dòng)方式單一且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 傳動(dòng)系統(tǒng)采用電機(jī)通過V帶直接帶動(dòng)上下滾 筒轉(zhuǎn)動(dòng) 進(jìn)料系統(tǒng)采用振動(dòng)料斗實(shí)現(xiàn)進(jìn)料 通過中間傳遞裝置 將待加工鋼球送到特定 位置 磨削系統(tǒng)采用上下相對(duì)方式的兩個(gè)砂帶 加工時(shí)兩個(gè)砂帶相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng) 結(jié)合阻尼裝 置實(shí)現(xiàn)鋼球的磨削 此三部分內(nèi)容均分為二維設(shè)計(jì)和三維立體設(shè)計(jì) 該部分設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 比 較簡(jiǎn)單 但它是中心環(huán)節(jié) 后面的所有設(shè)計(jì)都是基于此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上展開的 二維設(shè)計(jì) 用AutoCAD軟件 三維設(shè)計(jì)用solidworks軟件 研究方案的確定砂帶磨削的基本原型如圖 2 1 圖2 1 砂帶磨削原理 兩砂帶平行配置 鋼球運(yùn)動(dòng)為 不變相對(duì)方位 的滾轉(zhuǎn) 球坯磨削區(qū)域?yàn)橐画h(huán)帶 如圖 2 2 圖2 2 平行砂帶磨削效果示意圖 為了使鋼球表面任何一個(gè)區(qū)域都能參與磨削加工 鋼球必須做 變相對(duì)方位 運(yùn)動(dòng) 即 鋼球除了繞著X軸滾轉(zhuǎn)之外 還必須增加繞著Y軸的樞轉(zhuǎn) 這可以通過增加鋼球繞與X軸成 角的P軸轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn) 如圖2 3 7 圖2 3 全方位鋼球磨削示意圖 為了使鋼球能夠做變相對(duì)方位運(yùn)動(dòng) 本課題設(shè)想了以下三種方案 1 旋轉(zhuǎn)阻尼板式砂帶磨削方案 2 角度式配置式砂帶磨削方案 3 螺旋進(jìn)料式砂帶磨削方案 旋轉(zhuǎn)阻尼板砂帶磨削方案如圖 2 4 其運(yùn)動(dòng)原理是上下砂帶的相對(duì)平行運(yùn)動(dòng)使得鋼球 有一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng) 阻尼板的存在使得鋼球有另一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng) 兩個(gè)運(yùn)動(dòng)合成可以使 鋼球全部表面均可以被磨削到 從而達(dá)到預(yù)期的目標(biāo) 此方案結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 預(yù)期的運(yùn) 動(dòng)過程比較容易實(shí)現(xiàn) 可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)加工 效率比較高 通過對(duì)鋼球的運(yùn)動(dòng)分析 可以得出鋼球的表面均可以被比較均勻地磨削到 精度較高 但如果加工小直徑的鋼球 阻尼板會(huì)磨損得很厲害 且磨損后不宜修整 需要經(jīng)常更換 增加了成本 尼板磨損后 會(huì)使加工精度降低 影響后來鋼球的加工精度 圖2 4旋轉(zhuǎn)阻尼板式砂帶磨削方案圖 圖2 5角度式配置式砂帶磨削方案圖 互成角度型砂帶磨削方案如圖 2 5 所示 較方案一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)稍復(fù)雜 方案為 用相互 平行的隔板將鋼球隔開 上下砂帶互成一定角度 上面的壓模板采用平面式 下面的開 有凹槽 運(yùn)動(dòng)時(shí)上下砂帶以一定的夾角相向運(yùn)動(dòng) 上面的砂帶給鋼球提供一個(gè)方向的運(yùn) 動(dòng) 隔板提供另一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng) 兩個(gè)運(yùn)動(dòng)合成達(dá)到磨削鋼球整個(gè)表面的目的 此方案 加工效率高 易實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工 上面采用平面式壓磨板可以降低運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力 螺旋推進(jìn)式砂帶磨削方案如圖 2 6 所示 采用蝸桿機(jī)構(gòu) 將蝸桿的齒槽加工成與要加 8 工鋼球半徑相同的弧狀 蝸桿下方放置砂帶 隔板 壓模板 通過蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鋼球 轉(zhuǎn)動(dòng) 壓模板的凹槽方向使得鋼球向前運(yùn)動(dòng)以達(dá)到磨削表面的目的 此方案可以實(shí)現(xiàn)連 續(xù)加工 需要提供的動(dòng)力相對(duì)較小 可加工效率低 雖然增加蝸桿可以提高加工的效率 但是這會(huì)使得機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜 對(duì)蝸桿材料要求較高 需要它耐高溫和耐磨 從而增 加了成本 圖2 6 螺旋推進(jìn)式砂帶磨削方案原理圖 綜合以上對(duì)比 從磨削鋼球均勻的程度以及所達(dá)到的精度考慮 并結(jié)合機(jī)床結(jié)構(gòu) 加工效率 節(jié)能環(huán)保等方面最終確定選用方案一 2 2 研究方案的確定 2 2 1 動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)的確定 由于在磨削過程中 需要電機(jī)提供的克服磨削鋼球阻力的轉(zhuǎn)矩并不是很大 故所選 的電機(jī)的功率也不大 如果采用一個(gè)電機(jī)和中間傳動(dòng)裝置來帶動(dòng)上下兩個(gè)砂帶運(yùn)動(dòng) 一 定會(huì)增加制造機(jī)床的成本 結(jié)構(gòu)上也會(huì)很復(fù)雜 故采用兩個(gè)電機(jī)分別上下砂帶運(yùn)動(dòng) 大 大優(yōu)化了機(jī)床的結(jié)構(gòu) 降低了制造成本 帶傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)相比 它的主要優(yōu)點(diǎn)是 帶 具有彈性 可以起到緩沖 吸振的作用 可以使傳動(dòng)變的比較平穩(wěn) 當(dāng)傳動(dòng)過載時(shí) 帶 在帶輪上打滑可以防止其他零件的破壞 保護(hù)原動(dòng)機(jī) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低 本砂帶機(jī)砂 帶運(yùn)動(dòng)方式比較固定 且需要很短時(shí)間從靜止運(yùn)動(dòng)到高速 故適合采用V 帶直接帶動(dòng)滾筒 轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng) 2 2 2 進(jìn)料系統(tǒng)的確定 如圖2 7 所示的自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng) 加工時(shí) 將鋼球冷鐓件放入震動(dòng)料斗1中 通過輸送盤 2將毛坯送入旋轉(zhuǎn)盤4 旋轉(zhuǎn)盤4旋轉(zhuǎn)將鋼球帶入砂帶進(jìn)行磨削 由于輸送盤2下方的輸送 管到旋轉(zhuǎn)盤的距離小于鋼球的直徑 故鋼球毛坯只能落入旋轉(zhuǎn)盤上預(yù)定的加工孔內(nèi) 轉(zhuǎn) 盤4是通過其下方的電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng) 同時(shí)通過同步帶5帶動(dòng)另一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng) 在加工時(shí) 上下兩個(gè)砂帶提供兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)盤4的圓周運(yùn)動(dòng)相結(jié)合可以使鋼球的各個(gè)表面均 可被磨削到 鋼球被磨削完畢后 拉動(dòng)箱體的滑塊 使鋼球落進(jìn)下料箱3中 由于下料箱 內(nèi)部地面是個(gè)斜面 拉動(dòng)箱體前面的封門可使鋼球落入預(yù)置的容器中 下料箱3分為兩個(gè) 部分 分別接受上面兩個(gè)旋轉(zhuǎn)盤加工好的鋼球 從而可以磨削不同精度的鋼球 9 2 2 3壓模板升降系統(tǒng)的確定 如圖2 7 所示 壓模板上下的移動(dòng)是通過升降機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的 壓模板固定在升降機(jī)構(gòu) 的移動(dòng)塊上 升降時(shí)只需要轉(zhuǎn)動(dòng)手輪 通過錐齒輪使絲杠轉(zhuǎn)動(dòng) 將回旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成上下 運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)滑塊沿著套筒的中心方孔上下移動(dòng) 從而帶動(dòng)壓模板上下移動(dòng) 圖2 7 升降機(jī)構(gòu) 1 套筒 2 絲杠 3 移動(dòng)滑塊 4 錐齒輪 10 2 2 4 砂帶磨頭結(jié)構(gòu)的確定 1 電機(jī) 2 V 帶 3 驅(qū)動(dòng)滾筒 4 上磨頭張緊裝置 5 上砂帶 6 側(cè)固板 7 壓磨板 8 上支承板 9 下磨頭張緊裝置 10 V 帶 11 驅(qū)動(dòng)滾筒 12 電機(jī) 13 滑板 14 壓磨板升降機(jī)構(gòu) 15 下支承板 16 下砂帶 圖 2 8 砂帶磨頭結(jié)構(gòu) 磨頭是磨床的關(guān)鍵部件 鋼球磨削加工最終依靠磨頭來實(shí)現(xiàn) 正確設(shè)計(jì)砂帶磨頭的 結(jié)構(gòu)至關(guān)重要 圖 2 8 為本課題所設(shè)計(jì)的砂帶磨頭 它由上下兩個(gè)磨頭組成 其中下磨 頭由電機(jī) 1 V 帶 2 驅(qū)動(dòng)滾筒部件 3 砂帶 16 張緊裝置 9 以及下支承板 15 等部 件構(gòu)成 上磨頭由電機(jī) 12 V 帶 10 驅(qū)動(dòng)滾筒部件 11 砂帶 5 張緊裝置 4 上支承 板 8以及壓磨板 7 等部件構(gòu)成 上下磨頭之間通過兩個(gè)側(cè)固板 6 聯(lián)結(jié) 2 2 5 機(jī)床總體布局的確定 圖2 9 總體結(jié)構(gòu)布局圖 11 第 3 章 鋼球的運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究 3 1 剛體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 3 1 1 剛體一般運(yùn)動(dòng)的描述 剛體在運(yùn)動(dòng)時(shí) 若其運(yùn)動(dòng)學(xué)條件不受任何限制 則稱為剛體的一般運(yùn)動(dòng) 在進(jìn)行球 坯磨削運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí) 可以將球坯和砂帶都看成是剛體 球坯的運(yùn)動(dòng)形式為剛體的一般 運(yùn)動(dòng) 于是可以借助理論力學(xué)中剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)來得出球坯在磨削時(shí)的 運(yùn)動(dòng)規(guī)律 圖 3 1 描述剛體運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系 這里首先介紹剛體一般運(yùn)動(dòng)的描述方法和運(yùn)動(dòng)方程 如圖 3 1 設(shè)某一剛體相對(duì)于固 定參考系 O xyz 作一般運(yùn)動(dòng) 為了確定剛體在固定參考系 O xyz 中的位置 可以在剛體 上選擇一個(gè)基點(diǎn) C 比如剛體質(zhì)心 以基點(diǎn) C 為原點(diǎn) 分別建立剛體平動(dòng)坐標(biāo)系 和連體坐標(biāo)系 坐標(biāo)系 相對(duì)于固定參考系 O xyz 作平動(dòng) 坐標(biāo)Cxyz C xyz 系 與剛體固連 這樣 剛體的位置就取決于基點(diǎn) C 的位置和連體坐標(biāo)系相對(duì)于平 動(dòng)坐標(biāo)系 的位置 而基點(diǎn) C 的位置可由該點(diǎn)在固定坐標(biāo)系中的笛卡爾坐標(biāo) 來描述 連體坐標(biāo)系相對(duì)于平動(dòng)坐標(biāo)系 的位置可以由連體坐標(biāo)系相對(duì) Cxyz xyz 于平動(dòng)坐標(biāo)系的歐拉角 來描述 因此 作一般運(yùn)動(dòng)的剛體其位置可以由 6 個(gè)獨(dú)立 的廣義坐標(biāo) 來確定 即一般運(yùn)動(dòng)的剛體有 6 個(gè)自由度 當(dāng)剛體運(yùn)動(dòng)時(shí) Cxyz 這 6 個(gè)廣義坐標(biāo)一般都隨時(shí)間 而變化 并且可以表示為時(shí)間 的函數(shù) 即t t 3 1 Cxtyztt 如果已知這 6 個(gè)函數(shù) 就可以確定在任一時(shí)刻剛體的空間位置 所以方程 2 1 完全 描述了作一般運(yùn)動(dòng)的剛體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 這就是剛體一般運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 若已知?jiǎng)傮w 12 的歐拉角隨時(shí)間的變化規(guī)律 則剛體的角速度矢量 在連體坐標(biāo)系中的 t t 坐標(biāo)列陣可以用下式表達(dá) 3 2 sincos0in1 3 1 2 剛體一般運(yùn)動(dòng)的微分方程 由理論力學(xué)可知 剛體的一般運(yùn)動(dòng)可以分解為隨著基點(diǎn)的平移運(yùn)動(dòng)和繞著基點(diǎn)的 定 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng) 若將剛體質(zhì)心作為基點(diǎn) 則剛體的一般運(yùn)動(dòng)可以看成是隨剛體質(zhì)心的平 動(dòng)和繞質(zhì)心的 定 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng) 其中剛體隨質(zhì)心的平動(dòng)可以通過質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理來描述 而 繞質(zhì)心的 定 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)則可以通過相對(duì)質(zhì)心的動(dòng)量矩定理來描述 如圖 3 2 設(shè)一質(zhì)量為 m 質(zhì)心為 C 的剛體在外力 的作用下相對(duì)于固定1F 2n 參考系 O xyz 作一般運(yùn)動(dòng) 剛體在慣性參考系中的坐標(biāo)為 于是由質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定 Cxyz 理可以得出剛體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)微分方程 它描述了剛體隨質(zhì)心的平動(dòng) 圖 3 2 剛體的一般運(yùn)動(dòng) 3 3 CxyzmF 下面再由動(dòng)量矩定理導(dǎo)出剛體定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)微分方程 剛體對(duì)質(zhì)心 C 的動(dòng)量矩 在連CH 體坐標(biāo)系 中的坐標(biāo)列陣可以表示為C 3 4 CHJ 其中 表示剛體相對(duì)于坐標(biāo)系 的慣性矩陣 表示剛體的角速度矢量 CJ 在坐標(biāo)系 中的坐標(biāo)列陣 根據(jù)相對(duì)質(zhì)心 C 的動(dòng)量矩定理 有 13 3 5 CdHMFt 用 和 分別表示 在固定坐標(biāo)系 O xyz 和連體坐標(biāo)系 中對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù) CdHt tCH C 由矢量的相對(duì)導(dǎo)數(shù)和絕對(duì)導(dǎo)數(shù)之間的關(guān)系可知 3 6 CCdHtt 將式 3 6 代入式 3 5 中可得 3 7 CCMFdt 將上式寫成在連體坐標(biāo)系 中的矩陣形式 有C 3 8 CCHF 將式 3 4 代入上式可得 3 9 CCMJJF 又 代入上式有 0CJ 0 3 10 JJMF 式 3 10 即為剛體繞質(zhì)心做定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的微分方程 于是由式 3 3 和式 3 10 就得出了剛 體一般運(yùn)動(dòng)的微分方程 3 11 CxyzmFJJMF 上式中后三個(gè)方程只確立了作用力矩與角速度的關(guān)系 為了獲得力矩與剛體姿態(tài)的關(guān) 系 還需補(bǔ)充運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 由式 3 2 可以得出剛體角速度與歐拉角 之間的關(guān)系 14 3 12 sincosinco 將式 3 11 和式 3 12 聯(lián)立即可求解剛體一般運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問題 對(duì)于鋼球磨削運(yùn)動(dòng)來 說 是已知鋼球受到的力來求解鋼球運(yùn)動(dòng)的問題 對(duì)于此問題 需要通過數(shù)值積分的辦法 求 解 3 2 鋼球動(dòng)力學(xué)分析 3 2 1 磨削模型的建立 采用旋轉(zhuǎn)送進(jìn)式砂帶磨削方案時(shí) 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型如圖 3 3 所示 上下砂帶未在圖中 示出 其中圓形送料盤繞其軸線以角速度 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 在距離圓盤軸心 R 的圓弧上開 有一系列的圓形孔 鋼球嵌在圓形孔內(nèi)隨圓盤一起公轉(zhuǎn) 同時(shí)鋼球還繞著通過球心的某 一軸以角速度 自轉(zhuǎn) 上下砂帶運(yùn)動(dòng)方向與 軸平行 其線速度分別為 和 取一粒鋼 x1v2 球?yàn)檠芯繉?duì)象 當(dāng)鋼球運(yùn)行到圖中 點(diǎn)時(shí)開始與上下砂帶接觸 接觸點(diǎn)分別為 A B 此時(shí)1C 鋼球球心 在圓盤上所對(duì)應(yīng)的圓弧角為 在 t 時(shí)刻 鋼球運(yùn)動(dòng)到 C 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置 1C0 此時(shí)在圓盤上對(duì)應(yīng)的圓弧角為 下面將對(duì)鋼球在任意位置 C 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析 圖 3 3 球坯磨削運(yùn)動(dòng)模型及坐標(biāo)系設(shè)定 為了描述鋼球的運(yùn)動(dòng) 需要建立以下三種坐標(biāo)系 1 固定坐標(biāo)系 固定于慣性空間 原點(diǎn)為 軸沿圓盤軸線向上 軸Oxyz Ozx 與上砂帶線速度方向一致 軸滿足右手定則 2 鋼球平動(dòng)坐標(biāo)系 固定于鋼球球心 軸始終與 C Cx y y 軸分別保持平行 z 3 鋼球連體坐標(biāo)系 固結(jié)于鋼球 原點(diǎn)為 其方位由 相對(duì)于 C 的歐拉角 確定 Cxy 設(shè)定了以上幾種坐標(biāo)系 就可以按照前一節(jié)提出的方法對(duì)鋼球的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述 鋼球 質(zhì)心位置由固定坐標(biāo)系中的坐標(biāo) 來表示 其姿態(tài)則由歐拉角 來描述 Cxyz 于是 鋼球在任一時(shí)刻的位置就可以由廣義坐標(biāo) 來確定 Cxyz 3 2 2 鋼球受力分析 如圖 3 4 所示 取鋼球?yàn)檠芯繉?duì)象進(jìn)行受力分析 設(shè)鋼球質(zhì)量為 m 理論半徑為 r 則 15 鋼球在質(zhì)心 C 處受到重力 G 的作用 鋼球與上下砂帶在 A B 兩點(diǎn)接觸 在 A 點(diǎn)受到上砂 帶的切向磨削力 和法向壓力 在 B 點(diǎn)受到下砂帶的切向磨削力 和法向壓力 假1F 1P 2F 2P 設(shè)圓孔與鋼球在 D 點(diǎn)接觸 則圓孔壁對(duì)鋼球的彈力為 方向指向球心 C 由于鋼球相對(duì) 質(zhì)心 C 還發(fā)生自轉(zhuǎn) 則鋼球與圓孔壁在 D 點(diǎn)將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng) 設(shè)鋼球與圓孔壁的摩擦系 數(shù)為 則在 D 點(diǎn)鋼球還受到圓孔壁的摩擦力 的作用 f 圖 3 4 鋼球受力分析 用 分別表示 1OF2 1OP2 OFfOG1F 在固定坐標(biāo)系 和平動(dòng)坐標(biāo)系 中的列陣 則有2 P fGxyz Cxyz 110O 220O 110OP 2 13 22OP OGmg 前已假設(shè)圓孔壁在 D 點(diǎn)與鋼球接觸 則如圖 3 5 所示 在 平面內(nèi)彈力 將沿著xCy F 接觸點(diǎn)的法線方向 即圖中的 方向 設(shè) 與 軸的夾角為 那么 在慣性系C F x 中的列陣可以表示為Oxyz 3 14 cosin0O 圖 3 5 圓孔壁對(duì)鋼球的彈力示意圖 16 下面計(jì)算摩擦力 同時(shí)垂直于圓孔壁對(duì)鋼球的彈力 和鋼球角速度 即 垂f F f 直于 和 所構(gòu)成的平面 其大小為 設(shè)平面 的單位法矢量為 的單位向F F nF 量為 則 由下式確定 cos in0 e 3 15 Fen 又 在固定坐標(biāo)系 中的列陣為 Oxyz 3 16 cosisninO 則 在固定坐標(biāo)系中的列陣可以表示為下式Fe 3 17 si cos in in FOe 記 則 摩擦力 可以用下式表達(dá)FeL 1 n f 3 18 FeL 將摩擦力 表示為固定坐標(biāo)系中的列陣 有f 3 19 sin cos i i OFfL 為了求得各力在連體坐標(biāo)系 中對(duì)各軸的矩 需要計(jì)算在作用點(diǎn) A B D 處C 各力的矢徑 用 分別表示過 A B D 三點(diǎn)的力的矢徑 則它們?cè)谄絼?dòng)坐標(biāo)系A(chǔ)r BD 的列陣可以表示為 3 20 0AOr 0BOr cosin0DOr 用 表示各力的矢量和 則有 于是它們?cè)趹T性F 1212FPFGf 坐標(biāo)系中的列陣可以表示為 17 3 21 1212120cos00in sin cs oi io OOOOFPFGfmgFL 12 12csincos in si sinco FLPmg 用 表示各力對(duì)球心 C 點(diǎn)的力矩之和 則 可以用下式來進(jìn)行計(jì)算 CMF CMF 3 22 121212 0ABABDDrFrPrfff 其中 110A ijkrFrFj 220BijkrrFj cossin0in c o sin sinco iicos snc Dij krfrrLFr jLk 將上式寫成慣性坐標(biāo)系中的列陣形式 有 18 1212 sini sinco 0co cos sin sinCABDOMFrrFrfLrrrFrFL 12 coicois s rL 3 23 用 來表示坐標(biāo)系 相對(duì)于 的方向余弦矩陣 由方向余弦和歐拉角 CC xyz 的關(guān)系 可知 cosincosicosincossini coi i 3 24 用 表示合力矩 在連體坐標(biāo)系中的列陣 則 由下式求 CMF CMF CMF 得 cosincosisincoscinsioci iTO 12si sics conoin cs FL MFrrrL A 3 25 上式中各項(xiàng)的值分別為 2 21212 sin cossin cosinisinsincocosinrrFFMLLrFrr 19 21212 sin sisin2 coscoi insinc sincossFFMLLrFrrrr 2 212 is 2cos cosiFFLLLrr 3 26 至此 鋼球在慣性坐標(biāo)系中的合力以及在連體坐標(biāo)系中各軸所受到的合力矩均已 求出 于是就可以通過上一節(jié)提出的剛體一般運(yùn)動(dòng)的微分方程來求解鋼球的運(yùn)動(dòng)規(guī) 律 3 2 3 鋼球運(yùn)動(dòng)微分方程 前文已經(jīng)分析了鋼球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力 其運(yùn)動(dòng)可以看作剛體的一般運(yùn)動(dòng) 現(xiàn)在 我們可以通過質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理和歐拉動(dòng)力學(xué)方程建立鋼球一般運(yùn)動(dòng)的微分方程 根據(jù) 式 3 11 有 3 27 CxyzmFJJMF 對(duì)于鋼球 其質(zhì)心坐標(biāo)為 3 28 0coscsini 0CxRtyz 從而求出鋼球質(zhì)心加速度為 3 29 20cos inCxtyRz 鋼球?qū)?各軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相等 即 3 30 25Jmr 由式 3 12 可以得出鋼球繞 各軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度 即 3 31 sincosinsicosinnicocoi 將式 3 21 3 26 3 29 3 30 3 31 分別代入式 3 27 中就可以得到鋼球 20 磨削運(yùn)動(dòng)的微分方程 經(jīng)過化簡(jiǎn)整理可得 3 32 21 0cosin cos cos FFmRtL 3 33 20is in t 3 34 12in sico FPmgL 3 35 2 21212 sincosiinsin 5 coisin sicosinsnicorFLLFrrr r si 3 36 221212 sicscsi co 5n in csi cossi sin2nc incmrFFLLrrrFr o 3 37 2 2 212 s5in isinco coscos corrmFFLLLr 其中 2 si sic 以上 6 個(gè)方程中 為未知數(shù) 可作為已知 在解方程時(shí)根據(jù) F 1 FP 磨削條件自行設(shè)定 值則由方程 確定 聯(lián)立其中的 2P 5 個(gè)方程 再結(jié)合鋼球運(yùn)動(dòng)的初始條件 0 0 0 0 通過數(shù)值積分的方法即可求得鋼球在磨削時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 0 初始條件 時(shí)刻 鋼球球心在 位置 有 0t 1C0 0 0 0 0 3 3 鋼球表面磨削跡線 前已提出 傳統(tǒng)的同軸兩盤磨削方式是一種 不變相對(duì)方位 的磨削運(yùn)動(dòng) 為了能夠 21 證明所選擇的砂帶磨削方案是一種 變相對(duì)方位 磨削運(yùn)動(dòng) 就需要建立磨削過程中砂 帶與鋼球表面接觸點(diǎn)在鋼球表面刻畫的磨削軌跡 這里稱之為磨削跡線 當(dāng)包絡(luò)在鋼球 表面的磨削跡線能夠覆蓋鋼球表面所有區(qū)域的時(shí)候 證明了球坯表面所有區(qū)域均能夠參 與磨削 因此其成球精度和效率將得到大幅度提高 本節(jié)將針對(duì)兩種磨削運(yùn)動(dòng)的磨削跡 線進(jìn)行討論 分析磨削跡線在球坯表面的分布規(guī)律 在建立鋼球磨削跡線方程之前 需設(shè)定若干笛卡爾坐標(biāo)系 仍按照?qǐng)D 3 3 中的相關(guān)設(shè) 定來進(jìn)行分析 假設(shè)在理想狀態(tài)下鋼球只在 A B 兩點(diǎn)與砂帶接觸 那么在磨削過程中 A B 兩點(diǎn)在鋼球表面刻畫的軌跡就代表了上下砂帶對(duì)鋼球表面的磨削 設(shè) A B 兩點(diǎn)在平動(dòng)坐標(biāo)系 中的坐標(biāo)為 和 則由圖 3 3Cxyz Axyz Bxyz 可以得出 3 38 0Axyrz 0Brz 連體坐標(biāo)系 相對(duì)平動(dòng)坐標(biāo)系中 的坐標(biāo)變換矩陣為 于是可以得C Cxyz C 出 A B 兩點(diǎn)在鋼球連體坐標(biāo)系 中的坐標(biāo) 和 它們的列陣 A B 可以表示為 3 39 sincoAAxryz sincoBBryz 由式 3 39 就可得出 A B 兩點(diǎn)在鋼球連體坐標(biāo)系 中的運(yùn)動(dòng)方程C 3 40 sincoAr sincoBr 由于歐拉角 均是時(shí)間的函數(shù) 則當(dāng) 隨時(shí)間變化時(shí) A B 兩點(diǎn)的位置在以 C 為球心 以 r 為半徑的球面上運(yùn)動(dòng) 由動(dòng)力學(xué)方程確定 從而可以繪制 A B t t 兩點(diǎn)的磨削跡線及其在球面的包絡(luò)情況 22 23 第 4 章機(jī)床部件的設(shè)計(jì)及其校核 4 1 電機(jī)的選擇 本機(jī)床的動(dòng)力源及傳動(dòng)裝置均是參考現(xiàn)有砂帶磨床 MM2430 設(shè)計(jì)的 其機(jī)床的技術(shù) 參數(shù)為工作臺(tái)尺寸為 1000 310 mm 氣鼓砂筒尺寸為 100 200 mm 砂帶速度 576m min 砂帶尺寸 2262 300mm 主軸轉(zhuǎn)速 1700 r min 電機(jī)功率 1 5KW 機(jī)床外形 尺寸 1100 902 500mm 機(jī)床重量 135kg 由于本機(jī)床工作載荷與該機(jī)床相似 根據(jù)類比 法 選用與該機(jī)床電機(jī)功率相近的電機(jī) 預(yù)選用的電機(jī)為 YA90L 2 其技術(shù)參數(shù)為 額 定功率 P 2 2KW n 2840r min 80 5 I p 7 0A T 2 2N m 飛輪轉(zhuǎn)矩 0 014N m2 質(zhì)量 m 25kg 4 2 V 帶的選擇計(jì)算及其校核 1 砂帶磨削速度選擇 影響磨削質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素是磨削速度 而在選擇砂帶線速度時(shí)需要考慮的因 素較多 目前砂帶磨削線速度最高可達(dá) 40 50m s 通常各種工件材料對(duì)應(yīng)著不同的砂帶 線速度 加工高硬度和高耐磨性材料時(shí) 砂帶線速度不宜過高 反之應(yīng)選擇較高的線速 度 例如 磨削硬質(zhì)合金時(shí) 最佳線速度范圍為 8 12m s 而磨削碳鋼時(shí) 最佳線速度 范圍為 25 38m s 砂帶粒度的粗細(xì)對(duì)線速度的選擇也有參考價(jià)值 對(duì)于細(xì)粒度的砂帶可 選擇的線速度比粗粒度的砂帶要高 另外 磨削負(fù)載的大小也影響砂帶線速度的選擇 對(duì)于大功率重載磨削 應(yīng)選擇較低的砂帶線速度 對(duì)于精加工和拋光等輕載磨削 應(yīng)選 擇較高的砂帶線速度 而對(duì)于中等載荷磨削 砂帶線速度應(yīng)適中 針對(duì)鋼球砂帶磨 鋼球材料為硬度高且耐磨的軸承鋼 工作載荷為中等載荷 粗磨 時(shí)選用粗粒度砂帶 那么應(yīng)控制磨削速度不能過高 最佳線速度范圍在 10 25m s 設(shè)計(jì) 磨頭時(shí) 選定砂帶線速度 V s 10m s 2 求計(jì)算功率 CP 根據(jù)電動(dòng)機(jī)所處的工作狀況 選取 故3 1 AK 4 1 kW86 23 1 KPAC 3 選 V 帶型號(hào) 根據(jù) 由圖查出此坐標(biāo)點(diǎn)位于 Z 型和 A 型交界處 選擇按k min r401n Z 型計(jì)算 24 V 帶選型圖 4 求大 小帶輪基準(zhǔn)直徑 2d1 由表可知 應(yīng)不小于 50 現(xiàn)取 則1dm601 d 4 2 m6402 128421 n 由表取 雖使 略有減大 但其誤差小于 5 故允許 m72 25 5 驗(yàn)算帶速 4 3 s m72 910671062 nd 帶速在 范圍內(nèi) 合適 s m2 6 求 V 帶基準(zhǔn)長度 和中心距 dL 初步選取中心距 3 01763 3 210 da 取 符合 2210da 求帶長 0121042daL 4 4 m8263763 7 驗(yàn)算小帶輪包角 1 4 5 120783 5107 5780121 ad 合適 8 求 V 帶根數(shù) z 4 6 LCKP 0 令 查表 8 5a 得min r2401 n61dkW50 1 P 26 傳動(dòng)比 2 10 6712 di 由表 8 5b 得 kW03 P 由 查表 8 8 得 查 8 2 表得 178 9 0 K 1 LK 89 9 5 1862 z 取 2 根 9 求作用在帶輪軸上的 查表得 求得單根 V 帶的初拉力QFm kg7 0 q 4 7 2 917 109 52 865 2502 qKzPFC 則作用在軸上的壓力 7 36421sin 92sin210 Q 10 V 帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于 均小于 300mm 故均采用腹板式 21d 4 3 張緊機(jī)構(gòu)中彈簧的選擇及其校核 1 選擇材料和許用應(yīng)力 根據(jù)彈簧的工作條件 屬于 類載荷彈簧 選用閥門用油淬火 回火鉻釩鋼絲 初 步假設(shè)鋼絲直徑 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表 7 1 4 查得其抗拉強(qiáng)度 查表4dm 1520baMp 7 1 8 查得其許用切應(yīng)力 由表 7 1 4 查得其切變模量0 35 15203bb aMp 37910GMpa 2 彈簧鋼絲直徑 由鋼絲直徑 d 和彈簧中徑 D 計(jì)算其繞線比 從圖 7 1 4 查的其曲度系數(shù)84DCd 帶入式 7 1 8 得 1 8K 4 8 21 201 664 3853PKFdm 根據(jù)國標(biāo) GB1538 取系列值 取 與原本假設(shè)基本接近 45m 3 彈簧的有效圈數(shù) 先按式 7 1 5 計(jì)算彈簧的剛度 4 9 21402 2 FkNmff 再按式 7 1 9 計(jì)算彈簧的有效圈數(shù) 27 4 10 43437910 5 6282GdnDk 取有效圈數(shù) 取支撐圈數(shù) 則總?cè)?shù) 5 n 217 5n 4 彈簧剛度 載荷和變形量的校核 彈簧剛度按式 7 1 5 計(jì)算 與所需剛度基本符合 43437910 852GdkNmnD 再由式 7 1 5 計(jì)算安裝變形量 1f 4 11 318 47Ffk 取安裝變形量 取安裝高度 則工作變形量為19f 156Hm 210fm 對(duì)應(yīng)的安裝載荷為 12 470FfkN 工作載荷為 與要求值接近 故符合要求 29 5 自由高度 壓并高度和壓并變形量 自由高度 016105Hfm 壓并高度 7 43bnd 壓并變形量 07bf 6 實(shí)驗(yàn)載荷和實(shí)驗(yàn)載荷下的變形量 由表 7 1 8 可得出實(shí)驗(yàn)切應(yīng)力最大值 0 5 1520836sbMPa 按 類載荷彈簧考慮 取實(shí)驗(yàn)切應(yīng)力 1 2 3sp p 由此試驗(yàn)切應(yīng)力未超過其最大允許值 由 用式 7 1 10 計(jì)算試驗(yàn)載荷 4 12 s 334 56871482ssdFND 試驗(yàn)載荷下的變形量為 7142 esNk 由于 取 計(jì)算與 相對(duì)應(yīng)的載荷 sbf 3sbfm bsf 2 4769Fk 7 校核彈簧特性 滿足工作變形 在 20 80 之間的要求 90 613bsf 12f 8 彈簧的其余尺寸參數(shù) 由表 7 1 11 中式計(jì)算節(jié)距 28 4 13 13 4 50 145 0 6bfpdmn 由表 7 1 11 中式計(jì)算螺旋角 滿足 的要求 arctn1 3 2 5 9 由表 7 1 11 中式展開長度 1I7574m 9 驗(yàn)算疲勞強(qiáng)度 根據(jù) 由 7 1 4 查的曲度系數(shù) K 1 21 根據(jù)式 7 1 3 計(jì)算 32 4 57CDd 得到 4 14 1min 3820 KFMPa 4 15 2ax3 4645d 從而得到 minax0 76 max0 3152b 從圖 7 1 5 中看出 和 的交點(diǎn)在 107 作用次數(shù)一下 表明此彈簧的壽命 N 107ax 作用次數(shù) 10 驗(yàn)算穩(wěn)定性 彈簧的高徑比 按彈簧一端固定一端回轉(zhuǎn)考慮 其保證穩(wěn)定性的0 65 32bHD 徑高比 因此滿足要求 3 7 11 驗(yàn)算共振 按式 7 1 12 計(jì)算彈簧的自振 4 16 5511224 3 6103 610843ndSD 而迫振頻率 滿足要求 14 irs 0 nt 29 第 5 章 結(jié)論與展望 5 1 課題總結(jié) 本課題針對(duì)現(xiàn)有光球磨削機(jī)床的缺點(diǎn)并且基于生產(chǎn)實(shí)際 提出了開創(chuàng)性的設(shè)計(jì)與改 良方案 第一 本課題從鋼球運(yùn)動(dòng)角度出發(fā) 揭示了影響光球表面質(zhì)量與加工效率的主 要因素 第二 針對(duì)這些影響因素 本課題提出了全新的阻尼板光球加工工藝方案 第 三 結(jié)合三維建模 將改進(jìn)方案應(yīng)用于實(shí)際 完成了對(duì)整臺(tái)新型機(jī)床的設(shè)計(jì)校核工作 本課題主要有兩大創(chuàng)新點(diǎn) 第一 改進(jìn)了現(xiàn)有的光球機(jī)進(jìn)給系統(tǒng) 使用機(jī)械式的振動(dòng)料斗 旋轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)代替原 有的液壓機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn) 節(jié)約能耗的改進(jìn)目的 第二 開創(chuàng)性地使用了砂帶磨削鋼球技術(shù) 通過使用旋轉(zhuǎn)阻尼板 大幅度提高了光 球加工的生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量 使得后續(xù)加工余量的減少為之后互的工序帶來的方便 本課題的這兩大創(chuàng)新點(diǎn) 盡可能地達(dá)到了企業(yè)對(duì)工藝的改良 效率的提升 質(zhì)量的 保證 環(huán)境的改善的這些生產(chǎn)需求 所以本課題是具有良好的市場(chǎng)價(jià)值與應(yīng)用前景 5 2 課題不足之處 目前 本課題的研究還只能停留在理論與圖紙階段 之所以這樣 是因?yàn)槭軙r(shí)間和 經(jīng)費(fèi)限制 另外由于不具備充足的實(shí)驗(yàn)條件 課題中所需的一些實(shí)際參數(shù)還不能得到確 定 因從未經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證 阻尼板系統(tǒng)是否可行還不能得到廣泛的認(rèn)可 機(jī)床系統(tǒng)中的 一些必須由實(shí)踐得來的重要工藝參數(shù) 現(xiàn)在也無法得到確認(rèn) 并且只有等到試驗(yàn)后才知 道所磨削的鋼球最終能夠達(dá)到幾級(jí)精度 以及對(duì)鋼球的軌跡的分析得出的微分方程組太 過復(fù)雜無法求得其解析 需通過計(jì)算機(jī)軟件的輔助才能得出具體的軌跡 對(duì)鋼球運(yùn)動(dòng)機(jī) 理的研究帶來困難 由于本人設(shè)計(jì)能力有限 還有機(jī)床很多細(xì)節(jié)的地方尚不是很完善 所采取的結(jié)構(gòu)肯定會(huì)有不少的小問題 好多地方還需要進(jìn)一步完善和改進(jìn) 5 3 課題未來展望 阻尼板光球加工是可以根據(jù)需要自主選擇鋼球的磨削一周的時(shí)間 因而一套阻尼板 系統(tǒng)可廣泛適用于多種尺寸 材質(zhì)鋼球的光球加工 所以阻尼板光球加工是一種領(lǐng)先的 鋼球加工工藝 目前 該系統(tǒng)具體的工藝參數(shù) 轉(zhuǎn)速 頻率 工作壓力等 還沒有得到 驗(yàn)證和總結(jié) 是因?yàn)樵撓到y(tǒng)尚未在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 但由于它的開放性以及模塊化 的設(shè)計(jì)理念 在日后的實(shí)驗(yàn)研究中是可以很方便地對(duì)它的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的 進(jìn)而可 以得到最好的加工效果 對(duì)于一周磨削中的效率與精度問題 該系統(tǒng)通過延長有效加工時(shí)間 提高相對(duì)切削 速度和改變自轉(zhuǎn)角 成功地解決了 所以 在進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)后 便可使其在一周 磨削中就完成光球磨削的一個(gè)階段 這樣 根據(jù)三個(gè)階段的不同壓力值 便可使用三臺(tái) 相同的機(jī)床以不同的工作壓力同時(shí)進(jìn)行加工 第一階段的鋼球在完成磨削后不進(jìn)入料盤 而是直接通過輸送器進(jìn)入下一臺(tái)機(jī)床進(jìn)行第二階段磨削 然后再直接進(jìn)入第三臺(tái)機(jī)床 這種加工方式不僅可以舍棄進(jìn)料系統(tǒng)而節(jié)省成本 還能實(shí)現(xiàn)鋼球生產(chǎn)的流水線化 節(jié)省 30 球坯的搬運(yùn) 循環(huán)等待 存放時(shí)間 大大提高生產(chǎn)效率 其自動(dòng)化水平也得到明顯提高 因加工原理相近 新型光球機(jī)在更換磨頭 調(diào)節(jié)工藝參數(shù)后還可直接運(yùn)用于硬磨加工 這樣 配合球坯輸送系統(tǒng) 就有望實(shí)現(xiàn)鋼球生產(chǎn)的全流水線化 如圖 5 1 所示 自動(dòng)化 程度和加工效率可得到進(jìn)一步提高 圖 5 1 流水線化鋼球生產(chǎn)示意圖 在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究中還發(fā)現(xiàn) 光球磨削可以使用大顆粒的砂帶進(jìn)行加工來代替使 用光球板的方法 效果同樣顯著 如圖 5 2 所示 相對(duì)于光球板磨削而言 砂帶磨削具 有體積小 重量輕 低能耗 低成本的特點(diǎn) 在使用變頻調(diào)速的專用阻尼板后 其加工 精度與效率相當(dāng)可觀的 因此 在日后的研究中可對(duì)其進(jìn)行更深層次的探討 圖 5 2 砂帶光球示意圖 對(duì)鋼球光球工藝進(jìn)行研究是一項(xiàng)極具現(xiàn)實(shí)意義的工作 對(duì)我國軸承行業(yè)乃至整個(gè)機(jī) 械行業(yè)發(fā)展都具有推動(dòng)作用 雖然本課題已臨近尾聲 但在此還是希望能有機(jī)會(huì)繼續(xù)完 善課題 為我國 G3 級(jí)鋼球的研制 以及機(jī)械行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn) 31 參考文獻(xiàn) 1 黃云 黃智 現(xiàn)代砂帶磨削技術(shù)及工程應(yīng)用 重慶大學(xué)出版社 2009 81 218 2 濮良貴 紀(jì)名剛 機(jī)械設(shè)計(jì) 第八版 高等教育出版社 2006 3 馮新安 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì) 機(jī)械工業(yè)出版社 2005 4 崇凱 制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指南 化學(xué)工業(yè)出版社 2007 5 魯屏宇 工程圖學(xué) 機(jī)械工業(yè)出版社 2005 6 黃如林 汪群 金屬加工工藝及工裝設(shè)計(jì) 化學(xué)工業(yè)出版社 2006 7 鄭文緯 吳克堅(jiān) 機(jī)械原理 高等教育出版社 2006 8 孫德志 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 東北大學(xué)出版社 2007 36 113 9 吳宗澤 羅圣國 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) 高等教育出版社 2008 10 周澤華 金屬切削原理 M 上海 上海科學(xué)技術(shù)出版社 1984 12 11 劉光富 宋德文 強(qiáng)力切削鋼球光球機(jī)結(jié)構(gòu)淺析 J 制造技術(shù)與機(jī)床 2002 10 12 夏新濤 滾動(dòng)軸承制造工藝學(xué) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2007 13 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室 理論力學(xué) M 北京 高等教育出版社 2005 14 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì) 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 軸承 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2007 110 150 15 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì) 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第二卷 新版 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2004 120 123 16 徐灝 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第四卷 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1991 17 黑部 利次 球 超精密研磨 J 機(jī)械和工具 1990 12 18 李宏 實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) M 沈陽 遼寧科學(xué)技術(shù)出版 1999 93 1000 19 白宇光 國內(nèi)外鋼球生產(chǎn)工藝裝備概況及發(fā)展趨勢(shì) J 工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 1995 03 20 朱晨 鋼球研磨跡線理論與鋼球表面兩類研磨跡線分析 J 湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào) 1996 18 1 21 朱晨 兩種鋼球研磨方式的力學(xué)分析 J 軸承 2000 09 22 李伯民 趙波 實(shí)用磨削技術(shù) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1996 23 H Fihri Fassi L Bousshine A Chaaba A Elharif Numerical simulation of orthogonal cutting by incremental elastoplastic analysis and finite element method J Journal of Materials 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從簡(jiǎn)單的機(jī)械或彈簧方法到寬砂帶與重負(fù)載磨削機(jī)床用的氣動(dòng)及液壓拉緊裝置 同時(shí) 為了獲得最大的生產(chǎn)率 必須使更換砂帶的時(shí)間最少 通常操作者能在 1min 之內(nèi)更換砂 帶 3 砂帶導(dǎo)向裝置 砂帶工作時(shí) 惰輪或張緊輪應(yīng)當(dāng)可以調(diào)整 使砂帶定位及對(duì)中 根據(jù)砂帶的寬度 這一裝置可以手動(dòng)或自動(dòng) 砂帶寬度大于 200mm 時(shí) 通常使用自動(dòng)導(dǎo) 向裝置 使接觸輪與張緊輪之間的砂帶自動(dòng)對(duì)正 4 接觸輪 接觸輪在磨削點(diǎn)上支承砂帶 其本體是用鋁或鋼制成 輪上覆蓋橡膠 纖維 毛氈或其它材料制造的彈性圈 厚度為 3 15mm 根據(jù)需要 可制成各種密度橡膠 輪 輪的表面制成交錯(cuò)開槽式或平滑式 使用各種橡膠化合物作為接觸輪的覆蓋面 以 滿足一定的磨削要 這些化合物包括 氯丁橡膠 乙烯樹脂 硅酮橡膠 氯硫酸化聚乙 烯合成橡膠 5 若在砂帶后面安裝一塊型板 鋼 硬質(zhì)合金或鑄鐵平板 來代替接觸輪 則可完 成磨邊 四邊形 端面 平面及精磨工作 保證零件的平面度或直線性 此外還有吸塵系統(tǒng)等 砂帶磨削特點(diǎn) 砂帶與易損壞的工具如用于單刃車削 銑削 砂輪磨削等工具相比 具有下列特點(diǎn) 1 加工效率高 經(jīng)過精選的針狀砂粒采用先進(jìn)的 靜電植砂法 使砂粒均勻直立于 基底 且鋒口向上 定向整齊排列 等高性好 容屑間隙大 接觸面小 具有較好的切 削性能 應(yīng)用這一多刀多刃的切削工具進(jìn)行磨削加工 對(duì)鋼材的切除率已達(dá)每 mm 寬砂 帶 200 600mm3 min 2 加工表面質(zhì)量高 砂帶磨削時(shí)接觸面小摩擦發(fā)熱少 且磨粒散熱時(shí)間間隔長 34 可以有效地減少工件變形及燒傷 故加工精度高 尺寸精度可達(dá) 0 002mm 平面度可 達(dá) 0 001mm 另外 砂帶在磨削時(shí)是柔性接觸 具有較好地磨削 研磨和拋光等多重 作用 再加上磨削系統(tǒng)振動(dòng)小 磨削速度穩(wěn)定使得表面加工質(zhì)量粗糙度值小 殘余應(yīng)力 狀態(tài)好 工件的粗糙度可達(dá) Ra0 4 0 1 m 且表面有均勻的粗糙度 但由于砂帶不能 修整 故砂帶磨削加工精度比砂輪磨削略低 3 工藝靈活性大 適應(yīng)性強(qiáng) 砂帶磨削可以方便地用于平面 外圓 內(nèi)圓磨削 復(fù)雜的異形面加工 切削余量 20mm 以下的粗加工磨削 去毛刺和為鍍層零件的預(yù)加工 拋光表面 消除板坯表面缺陷 刃磨和研磨切削工具 消除焊接處的凸瘤 代替鉗工作 業(yè)的手工勞動(dòng) 除了有各種通用 專用設(shè)備外 設(shè)計(jì)一個(gè)砂帶磨頭能方便地裝于車床 刨床和銑床等常規(guī)現(xiàn)成設(shè)備上 不僅能使這些機(jī)床功能大為擴(kuò)展 而且