机械毕业设计（论文）-喷射成形管坯收集系统设计（全套图纸） .doc

编号 201101122011011203 南京航空航天大学金城学院毕业设计题 目喷射成形管坯收集系统设计学生姓名学 号系 部机电工程系专 业机械工程及自动化班 级指导教师二一五年六月南京航空航天大学金城学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目： 喷射成形管坯收集系统设计 ）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 作者签名： 年 月 日 （学号）： 毕业设计（论文）报告纸喷射成形管坯收集系统设计摘要本文研究了基底往复式喷射成形制备大壁厚管坯的运动装置设计,该装置可使往复运动及旋转运动同时进行。论文首先简要回顾了喷射成形技术的历史、发展以及应用，然后在给定条件下详细介绍管坯喷射成形运动装置的设计步骤、电机选型。从理论角度讨论运动装置的合理性与可操作性。在此基础上，为提高设备传动精度，在箱体中设计了微调结构。论文完成了课题的基本要求，设计出速度可调、旋转与往复同时进行的管坯喷射成形设备运动装置，解决了灵活性，实用性，可靠性等问题。喷射成形将金属熔体雾化和雾化液滴沉积合为一体，可直接由液态金属制备具有快速凝固组织特征的大块金属坯体。介绍了喷射成形技术的原理、特点、工艺改进及在不同材料中的研究及应用情况，综合评述了喷射成形技术在国内外的产业化现状，探讨了喷射成形技术的几个重要应用发展方向。关键词： 喷射成形；快速凝固；液态金属 ；沉积 全套图纸，加153893706the design of spray forming tube collection systemabstractthis paper research the design of a movement device for reciprocating spray forming large thickness-wall tubular, which allows reciprocating motion and rotary motion at the same time. paper first briefly reviewed the history of spray forming technology, development and application, then described the design steps of the device and how to select motor in the given conditions in detail. discuss the rationality and operability of the movement devices in a theoretical point of view. in order to improve transmission accuracy of the device, paper design a kind of trimming structure in the middle of the box based on the above optimum condition. paper completed the basic requirements of the subject. the design of this devices speed is adjustable, allows reciprocating motion and rotary motion at the same time, which solved the problem of flexibility, practicality, reliability, etc.during spray forming, a liquid metal stream is atomized into a spray of droplets by high-pressure gas jets and subsequently these atomized droplets are deposited and solidified on a substrate. the principle, characteristics, and development situation of spray forming in the field of materials were reviewed. the present situation of spray forming technology and its commercialization was over-viewed. some important directions of development of spray forming technology were discussed.key words：spray forming; rapid solidification; liquid metal;deposit目 录摘 要abstract第一章 喷射成形工艺发展及应用11.1 绪论11.2 喷射成形技术的原理和特点11.3 喷射成形发展现状及发展展望3第二章 喷射成形管坯收集器运动机构的结构设计62.1 喷射成形管坯收集装置的总体方案62.2 往复运动装置设计62.3 旋转运动装置设计82.4 导轨的设计与选择92.5 微调结构设计102.6 固定支座设计112.7 设计总图13第3章 喷射成形管坯收集器电机和减速器的选型143.1 积料辊电机及减速器的选取143.2 往复电机及减速器的选取16第4章 喷射成形管坯收集器运动机构的强度校核18 4.1 丝杠的选择与计算184.1.1选择丝杠、螺母材料18 4.1.2计算螺纹中径、旋合圈数及螺母高度18 4.1.3验算丝杠的自锁性194.1.4 验算丝杠强度194.1.5 验算螺杆稳定性204.1.6 设计计算螺母20 4.2 轴承的选择与计算224.3 联轴器的设计与计算244.4 滚动直线导轨的计算24结 语27参考文献29致谢30附录31iv 第一章 喷射成形工艺发展及应用1.1 绪论 喷射成形技术是一项制备金属材料坯料的创新技术，直接将熔融金属固化出目标坯料，简化可大量工序。它的雏形是快速凝固粉末冶金工艺，此工艺技术能够运用于生产新型的多层材料和复合材料，而且工艺步骤更加简便。它具有凝固速率快、晶粒细小，产品成形速度快的特性 ，省去很多繁杂的金属制备工艺步骤。细小的晶粒组织和微小的宏观微观偏析造就了它非常好的产品特性。在减少过去铸造轧制工艺过程中的能量消耗方面，singer和他的团队发明了喷射成形技术，它的原理是将熔融高温金属高压雾化喷射沉积到积料辊上直接冷凝成带材。此后他的门生brooks等人开发了这项技术，随即建立了osprey公司，将喷射成形工艺运用到金属制备的其它方面，深化了此工艺的潜在价值，其中最著名的是在1974年将其运用于锻造毛坯的出产中去，定性为osprey工艺，其中的辉煌成果就是获得了多项专利，多种osprey成套设备被研制面世，使喷射成形技术发展迅猛。1.2 喷射成形技术的原理和特点喷射成形，别称雾化沉积，是近年来新兴的一门创造性技术，它可以制备较大体积的致密金属材料。喷射成形工艺主要有俩个过程组成，一是熔融金属高温高压雾化，二是雾化熔融金属沉积在积料板上冷却凝固成目标形状的工件。喷射成形技术设备可以分为这三部分，融化室、雾化室和沉积装置。熔化间的用途是高温高压使金属熔融化，关于特性活泼的金属可以在真空或惰性气体下进行保护熔炼。熔化室内高温处理的熔融金属，通过导管进入雾化室中。喷嘴位于雾化间下方，高压惰性保护气体送入喷嘴，通过环状布局的小孔或环缝向外高速喷射，这样，金属液流通过高压管道呈雾化液滴状态，并形成雾化锥。雾化室的下方是沉积装置，雾化液滴从喷嘴喷出经过动量转移过程，被高压气流加速飞向沉积装置。雾化液滴在这个飞行期间，通过能量损耗失去热量而冷却，液滴抵达沉积装置时，仍可以保持液态、固态甚至半固态。沉积装置可有不同形状，在不同方式的运动下可以制成形状各异的坯件，比如喷射成形管坯收集装置，沉积装置为圆柱体，水平放置于雾化圆锥下方，旋转的同时向轴线方向做往复玉女，就可以沉积凝固成形状复杂的管坯。如果使用计算机来设定收集装置基板的运动方式，就可以制得目标形状的工件坯体，乃至非对称形状的工件。图1.1为喷射成形过程的原理结构图。 图1.1 喷射成形过程的原理它与铸锭和粉末冶金工艺过程相比较，金属喷射成形具备下列主要特点：(1) 喷射材料内部组织的等轴晶大小通常在10-100；(2) 金属喷射成形工艺极大地提高了生产效率，降低了生产成本，将熔融金属的雾化和沉积成形两个工艺过程合为一体；(3) 在高温、高压雾化过程中金属颗粒，迅速冷却，使沉积材料的固体溶解度显著增加；(4)高密度，采用喷射成形金属沉积后密度可以达到99%的理论密度，通过后续加工或热处理可以达到完全致密化；自上世纪6o年代末，雾化沉积学术思想的提出具有重要的创新意义。它最显著的技术亮点在于合理地把高压雾化液态金属的过程和雾化熔滴金属的沉积过程合并在一起。喷射成形工艺直接把液态金属制备成具有迅速凝结组织特征、组织细密、近似零件实际外形、性能良好的坯件材料，减少了很多的工序。通过计算机系统控制改变雾化金属射流与沉积装置的相对位置以及沉积装置的运动形式，可以获得柱状、管状、板状等不同形状的半成品坯件。因此它也是一种比较经济的制坯工艺技术。工艺流程短、沉积效率高，有助于实现工业化生产。其独特的优势远不止于此，如果使用两种不同合金，高温高压雾化射流可以制备出涂层复合材料。并且在其注入增强颗粒，通过雾化沉积便可以制备出材料性能强大的复合材料，巨大的经济效益显而易见。1.3 喷射成形发展现状及发展展望我国对于喷射成形技术这方面的研究主要起步于上世纪80年代，在数十年的不懈努力与专研下,终于在相关领域取得丰硕的成果，尤其是在喷射成形工艺理论方面与设备研制方面都有明显的突破，主要表现在以下几个方面: （1）以往的经验显示该雾化气流速度会根据类似指数算法衰减 ,在差异气体压力下很难精准预测到衰减速度的变化 。中国著名的科研人员杨斌基于流场试验测定，提出采用非线性拟合（神经网络）的处理速度外推或内插法 ,这种方法可以预测在不同压力条件下气流速度的精确曲线，为液滴与空气流之间的相互作用，准确的预测提供了保证。（2）在沉积固化的概念基础上 ,建立了相应的理论模型 ，即“虚拟凝固层理论”。通过演示实验 ,综合反映喷射沉积到形态的因素为积料体表面温度 ,沉积表面喷射沉积过程的热力学状态不再作为控制参数 。（3）杨滨根据凝固模拟分析结果以及多年试验工作的经验 ,提出了喷射距离是制备管坯的主要控制参数 。 利用计算机辅助对沉积距离进行掌控才能获得目标管坯 。整套喷射距离在线监控系统就是他们团队的一个成果 。（4）研究 、制备出一种熔铸原位反应喷射沉积成形金属基复合材料制备新技术。这项技术优势明显 ,颗粒在熔体内部原位反应生成 ,损耗几乎没有,因此生产成本极大的降低了 。（5）根据集群动力学，抛出了精准描绘液滴在内核与晶粒发育协同作用下凝固的观点,尤其是形核和再辉阶段其内部构造的演化 ,推翻了以往模拟中凝固过程认为是由内部组织发育来单一控制的错误观点 。（6）在层状金属复合材料方面的研究取得了辉煌成就,质料包括 汽车轴瓦用层状金属复合材料 、cu2pb/ 钢轴瓦用层状金属复合材料 等 。目前，在喷射成形领域研究的机构已有十多家,包括 :北京航空材料研究院、哈尔滨工业大学 、北京科技大学等 。研究领域 : 铝合金 、高速钢、铜合金 、贵金属 、高温合金 、层状金属基复合材料等喷射成形工艺 、相关设备等项目。研究成果多数已经转化为生产力，生产工艺又上了一个台阶。表1：国际喷射成形钻研单位及产品生产现状在设备方面,我国还处于研究的初级阶段 ,大部分是研究单位自主设计制造,或委托其他制造商,然而专业从事制造喷射成形设备的厂家在我国还不多 。在世界上，有几十条“鱼鹰”生产线，产品涉及管，板，棒形环等。对于此项技术，世界各国未来的研发方向将是以下几个方面：(1)雾化流程阶段的精准调控：影响雾化液滴均匀性的条件有很多，采取恰当的改进措施对雾化过程进行有效控制是刻不容缓；（2）扩大工艺的适应性和产品的多样性；金属喷射成形可以适用于多重领域，对于新型材料，金属键化合物和复合材料的开发也提供了新式成形方法；此外，通过控制雾化行动参数以及积料基板的形状，可以生产接近目标形状的各种复杂坯件；(3)进一步改进产品内部组织的致密性，金属喷射成形工艺制备得到的基本上接近实际目标形状的材料坯件，如管和坯料(如柱、板)等，因为所得产品保证不了内部组织完全致密，所以对于喷射完成的坯料需要一个致密化过程，如果目标零件的要求非常高，就必须把成形坯料进行成形加工，所以对于处理的材料在塑性延展性方面必须有一定的要求，然而这些热处理必须在高温下加工，当前运用热挤压或等温锻造的方式进行致密化处理。喷射成形技术的发展历程以及超过三十多年，目前这项技术在世界范围内已经得到了广泛的认可，因为经过其工艺处理出来的金属坯件的性能明显优于传统工艺制备出的材料性能。就当前对喷射成形技术研究深度和力度的不断探索，对其认识愈加完善，相匹配的生产工艺机械装备也在飞速发展 ,将来一定会成为高性能材料的重要生产方式 。第二章 喷射成形管坯收集器运动机构的结构设计2.1 喷射成形管坯收集装置的总体方案喷射成形管坯收集系统，主要包括直线往复运动机构和旋转运动机构，其特征在于，旋转机构安放在该装置机架中间，然后由变频电机带动联轴器以及传递杆带动压板使积料辊做轴线方向上的回转运动；运用丝杠导轨来控制积料辊的左右往复运动；喷射管出口位于积料辊的正上方，回转机构与喷头往复运动在计算的实时控制下，使熔融金属雾化物从喷嘴喷向圆柱积料辊，同时完成旋转与往复来回运动，通过程序控制基板的多维运动，沉积固化，得到规则或者复杂的管坯工件。丝杠采用俩端固定的方式，丝杠螺母固定在回转所用电机吊架上，电机吊架上的拉杆带动右箱的装置，吊架在俩根支承导杆支撑和丝杠电机工作下，可以实现平稳的往复运动。与此同时，回转用电机通过联轴器连接传动杆，传动杆与积料辊之间使用联轴器，快接接头以及弹性圆柱销来传动扭矩，实现回转运动。积料辊通过托轮及吊桥连接到导轨上，导轨配对双边滚轮，可实现同时往复与回转的运动要求。2.2 往复运动装置设计典型的往复运动机构有凸轮机构，平面连杆机构以及丝杠导轨机构等。凸轮机构，适用于运动方式比较有规律性的场合，必须根据运动的轨迹设计或者选取合适的从动件。其特点是可以高速启动，动作精度准确。但是，凸轮机构也有自带的缺陷，因为是高副机构，俩构件间的接触面积相当的小，承载的压力也就大，如果润滑没有做好，磨损就会相当严重，因此寿命低。凸轮机构能驾驭相对复杂的运动轨迹，但对复杂的运动特征要求，精确分析和凸轮的轮廓曲线设计相当费力，制造和维修的成本比较大。平面连杆机构传动，采用低副结构进行传动，连杆传动可以将转动、摆动、移动等运动形式相互转换。与凸轮机构不同的是它利用低副机构，润滑相对容易，从而磨损减少，寿命高，而且传递动力大，唯一的 缺点是低副中间隙的存在导致传动精度降低，不适用于精度要求高的复杂运动。往复丝杆的结构特征是其由两条螺距参数一样但旋转方向相反的螺纹槽组成。两端用过度曲线连接。丝杠利用联轴器与电机相接，电机传动轴转动时，丝杠转动，与其配合的丝杠螺母就会做往复直线运动,通过拉杆带动导轨滚轮实现积料辊的往复运动，如图2.1往复运动装置示意图。图2.1往复运动装置示意图往复式丝杆如图2.2，它的特点有： （1）摩擦阻力小，所以运动平稳性较高，不会产生低速爬行的状况。总体而言使用寿命长，精度可靠。图2.2 丝 杠 （2）双螺母预紧的结构可以极大地减小间隙，所以拥有可靠的传动刚度。 （3）摩擦损耗小，传动效率高，平均可达到95%左右。 （4）无法自锁，运动有可逆性，旋转运动和直线运动之间可以相互转化。在立式使用丝杠时，为了防止倒转必须加装制动装置。 （5）丝杠的传动速度不能过高，高速会使滚珠在其回路管道内卡住。 因此，丝杠导轨机构比较适用于喷射成形收集装置的往复运动装置，精度符合要求。2.3 旋转运动装置设计电机联轴器旋转机构安放在该装置机架中间，然后由变频电机通过联轴器连接传动杆，使用快换接头销连接积料辊伸出轴，传递扭矩使积料辊做轴线方向上的回转运动，连接结构部分如图2.3。 图2.3积料辊回转连接装置图联轴器是用来连接两轴旋转的中介装置，如图2.4 联轴器实体图，在传递扭矩的过程中与轴一起回转不脱开。除此之外，联轴器在补偿两根轴的相对位移、缓冲以及减振的方面具有安全防护的功能。联轴器的种类有这俩类，一种是刚性联轴器，另一种是挠性联轴器。刚性联轴器缺少补偿性能，但有简单的结构使得它成本低廉，制造简便、维护少，所以应用的范围较广泛。根据使用要求和工作条件，适要求选取采用实用的联轴器类型。选择联轴器类型时可以根据以下检点要素做出选择：图2.4联轴器实体图 (1)机械的结构特性以及系统配置的要求。(2)系统转速的要求，一般平衡精度较高的联轴器，(3）在传动转矩大小以及对缓冲和减振要求等方面加以考虑，评测出该型联轴器在稳定状态下所能工作的极限转矩。(4)所需连接两轴的相对位移大小以及方向。如果安装刚性联轴器不能严格保证两轴中心度的精确，或者俩轴的相对位移较大，可选挠性联轴器。 (5) 联轴器的制造安设以及后期的维护都需要考虑在内，在使用性能能够满足的前提下，尽量选取结构简单，制造简便、维护成本低的联轴器。（6） 必须考虑联轴器的可靠性，耐用性。2.4 导轨的设计与选择导轨选