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上海電機學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 課題名稱 鋼球砂帶磨削機設(shè)計 學(xué) 院 機械學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 BJ1005 學(xué) 號 101002050525 姓 名 任博群 指導(dǎo)教師 王侃夫 定稿日期： 2014 年 2月28 日 9 鋼球砂帶磨削機設(shè)計 1 選題背景及其意義 軸承是國家重大技術(shù)裝備的關(guān)鍵零部件，目前轎車、高鐵、風(fēng)電、精密機床主軸配套軸承等高端軸承一直是中國軸承行業(yè)的軟肋，長期依靠進(jìn)口。由于我國軸承工業(yè)發(fā)展跟不上，強力拉動了軸承的進(jìn)口。如在高速鐵路的大發(fā)展中，時速200公里以上的動車組用軸承全部為進(jìn)口，國內(nèi)目前能滿足只是160公里左右的機車軸承。 雖然少部份國內(nèi)企業(yè)可以制造業(yè)時速200公里級別的動車軸承，但相關(guān)采購部門還是會采用進(jìn)口部件，我國高端軸承領(lǐng)域前景堪憂。 而軸承中的球軸承是各類機械裝備的重要基礎(chǔ)件，而鋼球又是球軸承的關(guān)鍵零件，大量實驗表明，鋼球占影響球軸承噪聲全部因素的60%，軸承失效因鋼球破壞的比例達(dá)58.5%（國外僅占23.4%），這就客觀地說明了鋼球在軸承中的重要性。 目前，我國現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)正日新月異地發(fā)展，使得高端機械裝備的需求量迅速增長，對機械零部件的制造精度也提出了越來越高的要求，市場迫切需要大量高性能、高精度的軸承投放，以滿足各行業(yè)的需求.軸承行業(yè)的高速發(fā)展，也帶動了鋼球生產(chǎn)的發(fā)展與提高，特別是行業(yè)經(jīng)過六五，七五，八五，三期技術(shù)改造后，鋼球生產(chǎn)無論在產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)工藝及裝備水平等方面都上了一個新臺階。 但是，受技術(shù)與設(shè)備的限制，我國生產(chǎn)的鋼球無論是加工精度還是能源的損耗，都與國外先進(jìn)水平相差很遠(yuǎn).我國現(xiàn)在使用的高精度G3級鋼球，主要還依賴進(jìn)口.G3級鋼球可廣泛應(yīng)用于精密儀器、先進(jìn)武器中的高精軸承中?？梢哉f，能否實現(xiàn)批量生產(chǎn)G3級鋼球直接關(guān)系到我國裝備制造業(yè)乃至國防工業(yè)的快速發(fā)展。 而‘‘光球’’作為球軸承中鋼球生產(chǎn)工藝中一個非常重要的環(huán)節(jié)，其加工質(zhì)量和效率對提高球軸承的質(zhì)量有重要意義。 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)備實現(xiàn)自給，從而使鋼球產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)生產(chǎn)水平，打破外國壟斷和技術(shù)封鎖，解決高價進(jìn)口鋼球的問題，為企業(yè)和社會創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益.本課題的研究也是全國滾動體行業(yè) “十一?五”技術(shù)攻關(guān)的首項任務(wù)，具有很強的現(xiàn)實意義。 2 文獻(xiàn)綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 國內(nèi)對光磨、硬磨、研磨機理的研究正逐漸深入：1981年，光球機理研究小組的顏世一，譚達(dá)洲等人指出光球運動可以分解為自轉(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理，分析了磨粒在鋼球表面的微觀運動規(guī)律.李茂龍討論了球體在直圓弧槽和曲圓弧槽中的滾動規(guī)律，得出了接觸弧長和阻力矩的計算公式。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動學(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)很多高校對四軸球面研磨技術(shù)、錐形研磨方式、超聲波振動研磨技術(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，取得了不錯的成效。目前，我國軸承鋼球制造仍以單機為主，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，但由于價格昂貴，設(shè)備折舊成本過高而紛紛作罷.面對日益增長的國內(nèi)外兩個市場的需求，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?！肮馇颉弊鳛殇撉蛏a(chǎn)工藝中一個非常重要的環(huán)節(jié)，假如能夠從根本上得到改進(jìn)甚至創(chuàng)新，對我國球軸承質(zhì)量的提高意義非凡。 在調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，國外鋼球生產(chǎn)傾向于“以磨代光”，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所趨.英、美、日、俄等國的鋼球企業(yè)對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，并相繼出臺了各自的光磨機設(shè)備.日、德、英、俄等國普遍采用了保護(hù)氣氛加熱工藝、鋼球表面強化處理等鋼球制造新工藝.70年代末原蘇聯(lián)對固定精研盤的形狀做了改進(jìn)，后來國外很多軸承廠都對研磨盤做了正壓偏溝試驗。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)展趨勢是追求高效率、高精度、質(zhì)量穩(wěn)定性好和自動化程度高。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國對高端機械裝備的需求量也在高速增長，市場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.因此節(jié)能、環(huán)保、創(chuàng)新、使用的設(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)，一經(jīng)實現(xiàn)必然會有很廣闊的市場。 3 研究內(nèi)容 本課題的研究以現(xiàn)有光球機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)計全新的鋼球砂帶磨削機床.具體研究內(nèi)容如下： 1）研究現(xiàn)有設(shè)備的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝，提出設(shè)計方案；本課題通過參考現(xiàn)有砂帶磨床的磨削原理與結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)鋼球從冷鐓件到光球的加工； 2）動力及傳動系統(tǒng)確定； 3）進(jìn)料系統(tǒng)的確定； 4）壓磨板升降系統(tǒng)的確定； 5）完成鋼球砂帶磨削機整體布局的設(shè)計和二維裝配圖與零件圖的繪制； 6）整理相關(guān)資料，編寫說明書。 4 研究方案 研究方案的確定砂帶磨削的基本原理如圖4-1所示。 圖4-1 砂帶磨削原理 兩砂帶平行配置，鋼球運動為“不變相對方位”的滾轉(zhuǎn)，球坯磨削區(qū)域為一環(huán)帶，如圖4-2所示。 圖4-2 平行砂帶磨削效果示意圖 為了使鋼球表面任何一個區(qū)域都能參與磨削加工，鋼球必須做“變相對方位”運動，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θ角的P軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，如圖4-3所示。 圖4-3 全方位鋼球磨削示意圖 為了使鋼球能夠做變相對方位運動，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4-4所示，其運動原理是上下砂帶的相對平行運動使得鋼球有一個方向的運動，旋轉(zhuǎn)阻尼盤的存在使得鋼球有另一個方向的運動，兩個運動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)比較簡單，預(yù)期的運動過程比較容易實現(xiàn)，可以實現(xiàn)自動化連續(xù)加工，效率比較高。通過對鋼球的運動分析可以得出鋼球的表面均可以被磨削到并且比較均勻，精度比較高。但阻尼板磨損比較厲害，需要定期更換；阻尼板磨損后會使加工精度降低，影響鋼球的加工質(zhì)量。 圖4-4旋轉(zhuǎn)阻尼板式砂帶磨削方案圖 圖4-5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4-5所示，用相互平行的隔板將鋼球隔開，上下砂帶互成一定角度，上面的壓磨板采用平面式，下面的開有凹槽.運動時上下砂帶以一定的夾角相向運動.上面的砂帶給鋼球提供一個方向的運動，隔板提供另一個方向的運動，兩個運動合成達(dá)到磨削鋼球整個表面的目的.此方案加工效率高，易實現(xiàn)連續(xù)加工，上面采用平面式壓磨板可以降低運動時的摩擦力，但較方案一結(jié)構(gòu)設(shè)計稍復(fù)雜。 螺旋推進(jìn)式砂帶磨削方案如圖4-6所示，采用蝸桿機構(gòu)，將蝸桿的齒槽加工成與要加工鋼球半徑相同的弧狀，蝸桿下方放置砂帶、隔板、壓磨板.通過蝸桿的轉(zhuǎn)動帶動鋼球轉(zhuǎn)動，壓磨板的凹槽方向使得鋼球向前運動以達(dá)到磨削表面的目的.此方案可以實現(xiàn)連續(xù)加工，需要提供的動力相對較小，但加工效率低，機構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，同時蝸桿較容易磨損，需要定期更換，成本較高。 圖4-6 螺旋推進(jìn)式砂帶磨削方案圖 綜合以上對比，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。 4.1 動力及傳動系統(tǒng)確定 由于在磨削過程中，需要電機提供的克服磨削鋼球阻力的轉(zhuǎn)矩并不是很大，故所選的電機的功率也不大。如果采用一個電機和中間傳動裝置來帶動砂帶運動，必然會增大機床制造成本，機構(gòu)上也會很復(fù)雜。故采用兩個電機分別帶動上下砂帶運動，大大優(yōu)化了機床的結(jié)構(gòu)，降低了制造成本。與齒輪傳動相比，帶傳動的主要優(yōu)點是：帶具有彈性，可以起到緩沖、吸振的作用，可以使傳動變的比較平穩(wěn)；當(dāng)傳動過載時，帶在帶輪上打滑可以防止其他零件的破壞，保護(hù)原動機；結(jié)構(gòu)簡單，成本低。本砂帶機砂帶運動方式比較固定，且需要很短時間從靜止運動到高速，故適合采用V帶直接帶動滾筒轉(zhuǎn)動傳動，圖4-7為動力及傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。 圖4-7 動力及傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 4.2進(jìn)料系統(tǒng)的確定 自動進(jìn)料系統(tǒng)，加工時，將鋼球冷鐓件放入震動料斗中，通過輸料管把毛坯送入旋轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)將鋼球帶入砂帶進(jìn)行磨削。由于輸送盤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)盤是通過其下方的電機帶動轉(zhuǎn)動，同時通過同步帶帶動另一個旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。在加工時，上下兩個砂帶提供兩個方向的運動與旋轉(zhuǎn)盤的圓周運動相結(jié)合可以使鋼球的各個表面均可被磨削到。鋼球被磨削完畢后，拉動箱體的滑塊，使鋼球落進(jìn)下料箱中，由于下料箱內(nèi)部地面是個斜面，拉動箱體前面的封門可使鋼球落入預(yù)置的容器中。下料箱分為兩個部分，分別接受上面兩個旋轉(zhuǎn)盤加工好的鋼球，從而可以磨削不同精度的鋼球，圖4-8為進(jìn)料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。 圖4-8 進(jìn)料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 4.3壓磨板升降系統(tǒng)的確定 壓磨板的上下移動是通過升降機構(gòu)來實現(xiàn)的。壓磨板固定在升降機構(gòu)的移動塊上，升降時只需要轉(zhuǎn)動手輪，通過錐齒輪使絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)沿著套筒的中心方孔上下移動，從而帶動壓磨板上下移動，圖4-9為壓磨板升降系統(tǒng)簡圖。 圖4-9 壓磨板升降系統(tǒng)簡圖 5 進(jìn)度計劃 2013年12月~ 2014年3月：收集資料，確定設(shè)計系統(tǒng)總體方案，撰寫開題報告及開題報告答辯。 2014年3月~2014年4月：設(shè)計計算、圖紙繪制、畢業(yè)設(shè)計論文初稿。 2014年4月~2014年5月：論文修改，圖紙修改。 2014年5月~ 2014年6月：準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。 參考文獻(xiàn) [1] 陳來三.鋼球磨球機砂輪修整技術(shù)改進(jìn)及應(yīng)用.軸承.2003 [2] 薛喆，傅蔡安，張韜.鋼球磨削的微觀機理.江南大學(xué)學(xué)報.2009 [3] 薛喆，傅蔡安，張韜.鋼球磨削機理研究.機械設(shè)計與制造.2010 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