毕业设计（论文）-精确控制磨粒流量机械装置设计.doc

本科毕业设计（论文）精确控制磨粒流量机械装置设计学院名称专业名称机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师二一四年六月西南科技大学本科生毕业论文V精确控制磨粒流量机械装置设计摘要：高压磨料水射流技术是近几十年发展起来的技术，其应用日益广泛。磨料水射流我们简称为磨料水射流(Abrasive Water Jet简称AWJ)，是磨料与高压水相互混合而形成的固液两相介质流。本文主要是针对3740龙门式高压磨料水射流数控加工系统供料方式的缺陷，其磨料供给方式为负压重力吸入式，缺点是磨粒落料依靠负压吸入不稳定，磨粒流量的不均匀直接影响了被加工件断面的表面加工质量，通过设计新的磨料供给系统装置（比如丝杠转动带动磨粒均匀的落料），使其可以实现精确控制磨粒流量，控制磨粒质量流量为30g/min-600g/min。关键词：磨料水射流；磨粒流量；供料系统Precise control of abrasive flow mechanism designAbstract：High pressure abrasive water jet technology is developed in recent decades, its application is increasingly wide.Abrasive Water Jet we referred to as Abrasive Water Jet (Abrasive Water Jet AWJ), was formed by Abrasive with high pressure Water mixed solid liquid two phase flow of medium.This paper focuses on the design of3740 gantry ncmachining system for high pressure abrasive water jet feeding way, its abrasive supply mode for negative pressure suction gravity, the disadvantage is that of abrasive blanking rely on negative pressure suction instability, abrasive flow uneven directly influences the processing quality in the cross section of the work piece surface, by designing new abrasive supply system device (such as screw rotation drive abrasive particle uniform blanking), make its can achieve precise control of abrasive flow, control of abrasive mass flow rate of 30 g/min - 600 g/min.Key words:Abrasive water jet, Abrasive flow,Feeder system目录第1章绪论11.1概述11.2高压磨料水射流的分类及其特点11.3国内外研究现状及存在问题31.4本章小结4第2章精确控制磨粒流量机械装置的设计方案52.1供砂装置的总体设计102.1.1精确控制磨粒流量机械装置的主要结构112.1.2设计过程所需要克服的难题112.1.3针对现有供砂装置的缺陷的解决方案112.2本章小结13第3章精确控制磨粒流量机械装置的设计内容143.1概述143.2供砂装置的结构设计153.2.1供砂箱的结构布局163.2.2供砂箱的结构尺寸参数及其材料的选用173.2.3储料罐的设计及其结构尺寸和材料的选用183.2.4落料漏斗的设计及其结构尺寸和材料选用193.2.5铜套的设计及其结构尺寸和材料选用203.3磨料的输送机构的结构设计213.3.1送料机构丝杠螺杆的结构设计233.3.2送料丝杠螺杆的选用及其尺寸参数计算过程243.4步进电动机型号的选用及其控制253.5本章小结26第4章精确控制磨粒流量机械装置装配及其安装调试274.1供砂装置的装配过程274.2供砂装置的安装调试284.3本章小结28结论30致谢31参考文献32西南科技大学本科生毕业论文第 1 章 绪 论1.1 概述中国自古就有“滴水穿石”之说，现在利用超高压水射流技术来切割石材或者其他材料已成为现实。20世纪80年代，磨料水射流是基于纯水射流技术发展起来的一种新型的切割技术，在业界已经得到越来越多的人的认同，它有很多其他传统加工技术所没有的优越性，如清洁环保、冷态加工工艺、刀具无磨损、加工范围广泛、精密切割切口平整。高压水射流与激光、离子束、电子束一样，同属于高能束加工的技术范畴。世界上第一台纯水高压水切割设备诞生于1974年，第一台磨料高压水切割设备诞生于1979年。目前，该项技术在国内外得到了广泛的应用，在机械、建材、建筑、国防、轻工、纺织等领域正发挥着日益重要的作用。高压磨料水射流也称为水刀，水为主要介质，通过增压设备和特定形状的喷嘴产生高速射流束，它具有极高的能级密度，水通过被加压至很高的压力，使水有了巨大的压力能，送至孔径很小的喷嘴中，这时加入磨料，水与磨料经混合后，压流体作为载体使磨料粒子加速，这些磨料得到了与流体接近的速度，由于磨粒质量大，硬度高，所以可以有效提高射流作业效率和射流作业能力。在磨料水射流中，水一般作为高压流体，这种射流人们称之为磨料水射流(Abrasive Water Jet简称AWJ)。1.2 高压磨料水射流的分类及其特点根据高压射流介质的不同，超高压水射流切割技术可分为两类：纯水高压水切割WJ(Water-Jet Cutting)；磨料高压水切割AWJ（Abrasive Water-Jet Cutting）。纯水高压水切割：以水为工作介质，经过精细过滤，不掺杂任何固体颗粒物料，用于切割软质材料，如纸张、纸板、玻璃纤维制品、食品等。磨料高压水切割：在射流中掺加了一定比例的细粒度磨料，磨料比例最高可达20%（质量），以增加射流的能量密度，提高切割效率，用于切割硬脆材料，如各种金属材料、石材、玻璃、塑料、陶瓷等。其特点如下：（1）加工效率高；（2）没有热反应区；（3）加工精度较高；（4）不会改变被加工材料的力学性能；（5）几乎可以加工所有的材料等。根据磨料与水的混合方式的不同，高压磨料水射流又分为以下三种：前混合式，后混合式，外混合式等三种类型。前混合式磨料水射流：是磨料与水充分混合后，形成浆体，通过增压泵增压成高速浆体射流。后混合式磨料水射流：磨料与高压水在喷嘴内进行混合，磨料在加速管被加速并与水射流均匀混合，最后形成高速混合流体。外混合式磨料水射流：磨料浆从喷头中路喷出，高压水射流从四周的水喷嘴射出，并汇聚到浆体射流的一点处，在多股射流的卷吸下，磨料将被吸入水射流束中获得动能形成高速流体。其特点如下：前混合式：结构相对比较简单，液体与磨料混合的最均匀，磨料颗粒获得的能量也就最高，具有巨大潜在的切割能力，可以在较低压力下切割钢材和钢筋混凝土等物料。但由于它受泵的压力和喷嘴寿命的限制，还有磨料均匀供料问题的影响，所以这种方式应用不多。后混合式：它的流程简单可靠、效率高。但干磨料供给系统也存在一些缺点，如干磨料的流动性能差，不能在压差作用下水平流动，因此干磨料要靠气力输送，而且这种磨料供给系统中用过的磨料，难于循环使用，这就大大增加了成本。与纯水射流相比，磨料水射流有它独特的优点：（1）此类加工方法加工效率高，可以加工各种形状；（2）具有比较高的加工通用性；（3）切削力小，装置结构简单。由于切削力小，平板材料可以直接置于工作台上无需夹持，无需复杂的夹具等工具。（4）无切削热产生；（5）切割品质优良；（6）工作环境好，无污染；（7）操作简单；（8）精度高，成本低。1.3 国内外研究现状及存在问题随着现代科技的不断发展以及社会生产力的进步，很多新型材料的不断涌现，传统加工技术和加工工艺难以满足对热敏感材料、纤维复合材料等许多材料的加工要求。磨料水射流加工技术的出现正好顺应了时代的要求。自从磨料水射流产生以来，国内外许多学者对磨料水射流切割韧性材料、脆性材料和复合材料的切割性能进行了大量研究。国际上大规模的对磨料水射流的研究和应用始于70年代末，在80年代得到了迅速发展。由于磨料水射流系统简单成本低，切割效率比相同条件下的水射流高8-10倍，为，此在短短的十年中磨料水射流在清洗、除锈、切割和破碎岩石作业中得到了广泛的应用。我国从上一世纪70年代末开始从事高压水射流技术以及磨料水射流技术的研究和应用，40多年以来，这一新技术也已经扩展到我国的工业清洗工程、除锈工程、水利切割、破碎工程、采煤和石油钻采工程等领域和部门。在高压水射流理论、应用研究及产品研制中，结合我国国情，逐步发展了具有中国特色的高压水射流设备和具有自主知识产权的核心技术。磨料水射流是磨料和高压水相互混合而形成的固液两相介质流，这种两相介质仍属于牛顿流体。根据磨料和水的不同的混合方式，分为前混合式磨料水射流和后混合式磨料水射流，目前，已经被各工业部门广泛推广应用的主要是后混合式磨料水射流；而由于对装置会产生较为严重的磨损，前混合式磨料水射流的应用受到严重的限制，现在主要处于研究和开发阶段。本文主要的研究内容是围绕后混合式磨料水射流的供砂装置设计来展开的，实验表明影响后混合式磨料水射流切割的加工效果的因素有以下几点：（1）高压水的压力；（2）磨料粒子种类；（3）水和磨料的混合状况；（4）切割参数。目前，后混合式磨料水射流的工作原理如下：在驱动压力的作用下，介质水通过水喷嘴形成高速水射流，并在混合腔内产生一定的真空度。由于磨料箱与混合腔之间形成一定的压力差，使磨料粒子中和压力差的共同作用下通过气力运输而进入混合腔，并与水射流发生剧烈紊动扩散和掺混。然后通过磨料喷嘴形成磨料水射流。在两种介质混合的过程中，是否可以均匀混合成为控制加工质量好坏的关键之处，所以如何控制磨料均匀的进入混合腔成为本次毕业设计的面临的最重要的问题！1.4 本章小结高压水射流技术的不断发展以及其应用日益广泛，使得国内外对该项技术的研究越来越深入。这主要归功于它的多种优点：工作介质价格低廉；切口窄而整齐；工作机件易于实现自动控制；能降温、除尘和延长截齿寿命；加工范围广；可加工热敏材料。这些优点决定了磨料水射流被广泛应用的前景！第 2 章 精确控制磨粒流量机械装置的设计方案后混合磨料射流的形成原理：磨料粒子从供料箱出来时，以比较低的初速度和有较高初速度的纯水射流迅速混合，而这一过程是随机的，一些磨粒随着水射流束的速度被带走，而一些磨粒被冲到混砂室的壁面，然后又被反弹回水射流束表面。总而言之，这种结构和混合原理，并不能使得高速射流束与磨料粒子进行一种较为充分的混合，这一结果明显导致形成磨料水射流过程中的能量传输效率的降低。对于后混合式磨料水射流来说，影响其加工效果的因素有以下几点：高压水的水压大小；磨料粒子的种类；加工工件时的切割参数的设定；纯水射流束与磨料的混合情况。图2-1为经磨料水射流加工出来的工件：图2-1 经磨料水射流加工出来的工件1、高压水的水压大小对切割效果的影响高压水射流可以切割的范围非常广，纯水射流在压力足够的时候可以产生很大的切削力，可以顺利地切割岩石和非金属材料。当水的压力达到690-900MPa时，纯水射流可以切割钢材和钢筋混凝土等材料，但是通常情况下，要得到并且能够使用如此高的压力是非常困难的。在较低的压力下，在射流中加入一定量的磨粒可以大大的增加水射流的冲击能力，可以有效地改善水射流的切割效果，这也是磨料水射流的由来。当其他条件给定的情况下，改变高压水的压力可以有效的改变水射流的加工效果，如图2-2：图2-2 高压水发生设备2、磨料的种类对加工效果的影响磨料水射流所用磨料一般都是工业用磨料，磨料的类型和性质对磨料射流系统设计和工作效率有很大的影响。磨料一般可分为矿物类、金属类和人造矿物类三大类。通常选用磨料的原则是：切割性能好；价格实惠，资源充足。磨料的硬度、粒度、形状和密度对磨料的切割性能都会有比较大的影响。目前，在我国被普遍采用的磨料为石榴石，因为我国是盛产石榴石的国家，有比较充足的资源，而他的价格适中，此外，最重要的一点就是，以石榴石作为添加磨料的磨料水射流，切割效果好，所以石榴石磨料才在业界被广泛采用。用硅砂作为添加磨料的磨料水射流，切割效果较差，但是由于硅砂的价格比较低廉，获得渠道比较多，所以这种材料常被普遍在清洗除锈作业中采用。就已知的磨料种类来说，金刚砂磨料的切割效果最好，但它的价格非常昂贵，一般都不宜采用。图2-3为小型自动加砂机：表2-1 几种常见磨料的自然特征磨料名称符号硬度密度成本硅砂S S11003.0低石榴石G13003.8中氧化铝AU15003.4中金刚砂SC25003.2昂贵铁渣IS5003.2低图2-3 小型自动加砂机3、一些切割参数对加工效果的影响除了以上两个因素之外，还有加工工件时的切割参数的设定也会对加工效果产生不同效果。如喷距的大小也会影响切割深度，通过实验表明，存在2-5mm的最佳喷距相应的最大切割深度，当喷距超过11mm后，继续增大喷距会使得水射流的扩散面积增大，被切割材料的上表面的切槽宽度会增加，而切割深度减小的特别明显。花岗岩的切割深度相对于铸铁和锻钢来说对喷距的变化要更加敏感一些。改变横移速度（切速）也会影响磨料水射流系统的切割效果，通过切割锻钢、铸铁和花岗岩实验验证了切速与切割深度的影响，提高横移速度，切割深度则会相应的减小，切割花岗岩时，切割速度在550mm/min时，切割深度可以达到13.5mm,而水的压力仅仅是170MPa。切割另外两种材料时，适宜使用较低的切割速度才可以获得较深的切割深度。切割次数对切割深度的影响也是比较明显的，实验表明，再经过第一次切割之后，第二次沿原切割轨迹切割时，切深会随着实际喷距的增大而减小，当切割次数大于三次时，切割深度的增量减小的较明显。横移速度对切口宽度的影响，切割材料时，材料上表面切口宽度随着横移速度的变化比较小，而下表面在较慢的横移速度切割时会因为磨料射流的扩散以及冲蚀作用时间延长而使得切口变宽，在比较快的横移速度切割时会由于磨料射流的作用时间缩短而变得较窄。图2-4、图2-5为磨料水射流工作台及操作台：图2-4 磨料水射流工作台图2-5 水刀喷嘴轨迹控制台4、纯水射流束与磨料的混合情况对切割效果的影响就以3740龙门式高压磨料水射流数控加工系统为例，这也是与我这次的毕业设计有密切关联的一个设备，它就是典型的传统后混合式磨料水射流加工系统，它在形成磨料水射流的过程中，先利用高速的纯水射流在混合腔产生的负压以及磨料的自身重力而将磨料粒子吸附并使其进入切割头混合腔，固体微磨料粒子通过高速水射流的带动而产生一个加速过程、两种介质经过紊动混合并通过聚焦管(磨料喷嘴)喷出而形成高能磨料水射流束。但是，这种磨料射流的切割头的故障的可能性较高高、不能均匀地吸入磨料、不容易控制磨料质量流量，这也就直接会影响到该磨料射流加工系统的切割工件时的加工质量和加工性能。此外，一般在微细磨料水射流中都会采用聚焦管或者微米级的喷嘴以及微米、亚微米甚至纳米级的磨料粒子，因为空气中的水分很容易被微细的磨料粒子所吸附，进而大大地增加了粘件阻力，这时微细磨料粒子比较难以利用混合腔产生的负压进入切割头形成微磨料水射流。因此，微细磨料的输送以及磨料质量流量的精确控制将是实现和改善微细磨料水射流特种加工加工性能和加工质量的关键技术。从理论上来说，可以通过精确地控制切深，磨料水射流和数控系统也可以实现雕刻加工和平面铣削。对于特定的材料，如果要去控制磨料水射流的切深，一般情况下有以下三种方法：(1)若磨料质量流量是一定的，就可以通过控制走刀的速度改变加工质量；(2)若走刀的速度是一定的，就可以通过控制磨料质量流量来改变加工性能；(3)也可以通过同时进行控制走刀的速度和磨料质量流量，进而改变其切割性能，就可以达到不同的切深。后混合式磨料水射流原理图：图2-6 后混合式磨料水射流原理图此外，本次毕业设计主要针对3740龙门式高压磨料水射流数控加工系统供料方式的缺陷，其磨料供给方式为负压重力吸入式，缺点是磨粒落料依靠负压吸入不稳定，磨粒流量不均匀将直接影响了被加工件断面的表面加工质量。2.1 供砂装置的总体设计供砂装置的设计要求：1、使磨料与水射流能够均匀混合，2、落料速度30-600g/min，3、磨料选用石榴石。2.1.1 精确控制磨粒流量机械装置的主要结构精确控制磨粒流量机械装置的设计是按照所给的要求和条件，首先确定主要组成部分由驱动装置、供砂装置、送料机构及机架等几大部分组成。（1）驱动装置驱动装置是精确控制磨粒流量机械装置的动力来源，它主要由减速电动机及其速度控制装置、联轴器。（2）供砂装置供砂装置是磨料水射流的供应磨粒的箱体类装置，它主要由储料罐盖、储料室，储料罐盖上有加砂口，储料室下方有落砂口。该装置固定在机架上。（3）送料机构根据设计的特殊要求，在设计中采用丝杠来运送磨粒，丝杠上端通过联轴器与减速电动机连接，下端与机架通过轴承结合，磨料粒子靠自重充满丝杠的螺纹牙槽，然后随着电动机的转动，丝杠带动磨粒运动到磨料出口，靠喷嘴中形成的负压，磨粒被吸入混合腔与射流均匀混合。（4）机架机架是承受驱动装置、供砂装置、送料机构、磨料的钢结构，可以承受冲击、拉伸、压缩和弯曲应力。机架的结构比较零散，它需要考虑到安装位置的合理、布局的美观、节省材料、占地面积小、安装维修方便等要求，因此所设计的整个机架的机构都采用焊接或用螺栓连接。2.1.2 设计过程所需要克服的难题本次设计的思想主要围绕以下几个问题来展开的：（1）如何使水射流与磨料均匀稳定的混合？（2）落料速度要求控制在30g-600g/min,如何实现？ （3）基于3740龙门式高压磨料水射流数控加工系统供料方式的缺陷，如何实现精确控制磨粒流量？ 2.1.3 针对现有供砂装置的缺陷的解决方案首先，本次选题是基于3740龙门式高压磨料水射流数控加工系统供料方式的缺陷来进行研究的，影响其加工质量的主要原因是磨粒和射流的混合不均匀，其关键之处就在于如何设计一个装置来使磨料在混合腔与水射流均匀混合，要实现两相介质均匀混合，就得控制磨料的落料速度，这就需要在磨料罐与混合腔之间加入一个控制落砂速度的一个机构，或者直接将磨料罐改装成一个可以均匀落砂的一个装置。下面是我的一个初步的构想：采用丝杠转动带动磨料粒子均匀的落料，丝杠由电动机来带动，通过控制电机的转速来控制落料的速度，从而实现均匀的落料！下图是磨料供给装置部分：图2-7 水切割机床的供砂装置由螺杆传动原理，利用螺杆的螺纹牙槽，使磨料靠自重落到一个类似漏斗的装置中，而螺杆恰好位于漏斗的中心处，这时，磨料完全充满螺杆的螺纹牙槽，螺杆通过步进电动机来驱动，磨料随着螺杆的转动被带到磨料软管中。当电动机转速较快时，磨料的供给量就较大，当电动机的转速较慢时，磨料的供给量就较小，磨料质量流量和步进电动机的转速近似成线性关系。由控制系统向步进电动机发送脉冲进行控制其转速，换句话说，就是通过控制脉冲频率就可以实现磨粒流量的精确控制。要保证磨料可以充分地进入螺杆的螺纹牙槽，将一定压力的压缩空气通入储料室中，从而将磨料粒子推入螺杆的螺纹牙槽。所以只要精确控制带动螺杆转动的步进电动机的转速，随着螺杆的转动，一定量的磨料就可以持续地被送到混砂室，这样就可以实现精确控制磨粒流量这一目的。其次，课题要求的磨粒质量流量为30g/min-600g/min，可以根据磨粒质量流量公式来进行一系列的计算，算出所需要的丝杠的规格，并由丝杠的规格来推算所需电动机的型号及其转速！最后，进行整个机械装置的总体装配！2.2 本章小结本章本文设计的微磨料水射流加工系统的供料装置基本解决了传统后混合式磨料水射流切割头可靠性差、磨料吸人不均匀、磨料流量无法精确控制、喷嘴堵塞后引起磨料输送系统失效以及无法利用负压自行吸人微细磨料粒子等问题。该装置可精确控制微磨料流量，从而为微磨料水射流三维加工提供了基础。在此基础上，通过建立走刀速度、磨料流量与切削深度的数学模型，配合专门的数控机床和数控软件，可以实现微磨料水射流精密切割、平面铣削、雕刻、车削、磨削等三维加工。实验研究表明，应用微磨料水射流进行工程材料三维加工是完全可以实现的，但加工精度尚有待改进。从发展眼光看，利用高能微磨料水射流束在硅、砷化镓及其它MEMS材料上直接刻蚀是可行的，且具有广阔的应用前景。第 3 章 精确控制磨粒流量机械装置的设计内容3.1 概述精确控制磨粒流量机械装置的设计内容包括供砂箱的结构设计、储料室的设计、落料漏斗的结构设计、铜套的设计、磨料的输送机构丝杠的结构设计、驱动装置步进电动机的选型、联轴器的选用以及各部分内容的材料选用及其尺寸计算和强度校核等内容。供砂箱的结构设计。供砂箱可以称为是步进电动机和储料室的载体，因为步进电动机和储料室都是相当于镶嵌在供砂箱中的，在设计的过程中要设计好电动机跟储料室在其中的分布及其之间的尺寸关系。储料罐的设计。储料罐就是磨粒的容器，它的材料的选用及其在供砂箱中的位置，还有它的固定方式都是其设计内容。落料漏斗的结构设计。包括它的形状及其尺寸的确定，因为它上要承接供砂箱落下的磨粒，下要与送料螺杆相接处，在本次设计中这也是一个非常关键的一步。铜套的设计。要配合送料螺杆的尺寸，它是精确输送磨料的关键。磨料的输送机构丝杠的结构设计。它关系到磨料质量流量是否能够达到设计要求，由于设计中的一些特殊要求，本环节主要采用非标准设计方案，它的设计包括丝杠的导程选择、尺寸确定及其部分强度校核。驱动装置步进电动机的选型。步进电机又称脉冲电动机。它是将脉冲信号（）转换成机械角位移（）的执行元件。每当输入一个脉冲步距角就移动一步。转子角位移的大小正比于脉冲数，转速正比于频率，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电顺序即可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制，广泛应用于开环控制。完成联轴器的选用以及各部分内容的材料选用及其尺寸计算和校核等内容。3.2 供砂装置的结构设计供砂箱又是磨粒储料箱，主要是为磨料水射流加工系统提供足够的磨粒供应，磨粒储料箱上下分别有进料口和出料口，自动加砂机通过进料口给供砂装置加入磨粒，磨粒通过出料口进入供料室。由于传统后混合磨料水射流的一些缺陷，本次设计过程中，我在原有供砂装置的基础上进行了一些较大的改进。原来的供砂箱只是靠磨料自重及混合腔中产生的负压被吸入混合腔的，这样极易造成落料与水射流混合不均匀，磨料落料的流量不能够精确的控制，从而导致磨料水射流束不稳定，加工质量低下。在第二章中提到的方案能够很好地解决这一问题，该方案采用丝杠机构来进行磨料的输送，当磨料由于自身的重力充满了丝杠的螺纹牙槽时，随着丝杠的转动，磨料粒子被带到软管从而进入混合腔。所以，丝杠要转动就得需要驱动装置，在这里，由于设计要求，采用步进电动机来驱动，又由于结构的限制，步进电动机的位置被要求固定于供砂箱内，因为这样可以使得丝杠的长度尽可能的短一些，丝杠的长度大小可以决定其随电动机转动时的离心力的大小，离心力越小，可能造成的磨损就会越小，这样也就能更加精确一些。这样的设计也能够节省更多的空间，是供砂装置的结构更加紧凑。解决了步进电动机的位置问题，就要解决储料室的位置问题了。就原来的供砂装置来说，磨料是直接放在供砂箱内的，由于现在的结构限制（步进电动机是直接被固定在供砂箱内），只能另外设计一下磨料的放置空间了，供砂箱的大体结构形状为圆筒状，步进电动机的位置在圆筒的底部圆心处，在余下的环状空间内，设计四个位置留给储料室，储料室大体形状也是一个底部为漏斗形状的圆孔的圆筒状，漏斗的尖口镶嵌在供砂箱的底部，平均分布在环状区域的四个位置。下图为供砂装置结构图：图3-1供砂装置结构图1、供砂装置箱盖 2、供砂进砂口 3、步进电动机4、紧固螺栓 5、储料罐 6、供砂箱箱体 7、联轴器8、挡筒 9、落砂漏斗 10、磨料粒子 11、磨料输送装置丝杠 12、铜套 13、法兰盖 14、送料软管3.2.1 供砂箱的结构布局供砂箱的结构布局的合理性是第一个要考虑的因素，除此之外也要考虑它的稳定性以及其结构的严谨性。因为步进电动机要与供砂箱固定在一起，另外储料罐也要固定在固定在供砂箱的内部，所以在设计供砂箱的时候要留出这样的空间。供料箱的结构布局如下图所示：图3-2 供砂箱的结构布局图1、 供砂箱外壁 2、储料罐 3、步进电动机 4、固定储料罐的孔 5、将步进电动机与供砂箱固定在一起的孔 6、固定挡筒的孔 7、步进电机的轴的输送动力的孔供砂箱的结构设计关系到磨料是否能够被顺利提供给磨料与水射流束的混合腔，假如供砂箱设计时出现一些纰漏，不能持续稳定的提供磨料，无疑将会使磨料水射流加工系统的切割性能大大的下降，可见供砂箱的设计的关键地位。传统的后混合磨料水射流系统的供砂装置只有一个储料罐，并且它只依靠自身重力以及负压的吸附力来对混合腔供给磨料。这样可能会造成两种不良效果，只有一个储料罐，一旦该储料罐的出料口被堵住磨料的供应必将被打断，也就无从谈起持续稳定均匀地供应磨料了，另外，依靠自重和负压根本不能保证磨料质量流量的精确控制，这样也就必然导致加工系统获得均匀高效的磨料水射流束。针对以上两点缺陷，在设计供料箱是就要做到一个足够有效的改装，从图2中可以看出，改装后的设计方案将原来供砂装置的只有一个储料罐的设计变成了四个储料罐，这样既可以保证磨料量的充分供应，也可以避免一个储料罐的出料口被堵住就会打断磨料供应过程这一缺陷，如果因为某种原因有一个储料罐的出料口被堵住，那么另外三个储料罐的磨料供应不会受到影响，通到混合腔的供料过程不会被打断，这也就保证了磨料水射流数控加工系统的一个切割性能和切割质量。在图中也可以看到，与传统供砂装置的一个另外的一个重大的区别就是，在供砂箱的内部出现了一个步进电动机，这也是改装后的供砂装置的一个非常关键的设计环节，作为一个驱动设备，步进电动机的存在必定与磨料的输送关系密切，在上文中提到的设计方案中，已经阐明如何输送磨粒，磨粒的输送环节需要多个机构的配合才能够完成。在本次毕业设计过程中采取的方案就是采用丝杠机构来进行磨料的输送，当磨料从四个储料罐中由于自身的重力而下落到落料漏斗中时，它会堆积起来然后充满丝杠的螺纹牙槽，当然此时由于摩擦力的作用磨料还不能够落到送料软管中，所以当丝杠转动起来时，在螺纹牙槽的磨料就会随着丝杠的转动，磨料粒子被带到软管从而进入混合腔。所以，要使得丝杠转动就得需要驱动装置，这里选用的驱动装置就是步进电动机。但是，此时还存在另外一个问题，就是如何安放步进电动机，这也取决于丝杠的设计，因为丝杠的位置是通过落料漏斗的中心孔的，如果丝杠足够长，步进电动机就可以安放在供砂箱的上部，而不用与储料罐一起安放在供砂箱内部。在丝杠太长的情况下，容易出现以下问题，丝杠随着步进电动机的转动，在丝杠的下端会产生较大的离心力，这会使得因丝杠转动而产生磨损更加严重。落料漏斗与铜套都会受到严重的磨损，这就要求丝杠的长度要尽可能的短一点，以保证装置的磨损降到最低，所以为了配合丝杠的较短的长度，在本次设计方案中我将步进电动机安放在供砂箱的内部，这样既可以保证一个比较合理的驱动机构，也可以节省更多的空间，也可以节省部分的设计成本。3.2.2 供砂箱的结构尺寸参数及其材料的选用供砂箱的结构为一个圆桶形状，桶的高度为168mm,桶的外径为，内径为，固定储料罐的孔径为 ，将步进电动机与供砂箱固定在一起的孔径与固定挡筒的孔径都是相同的大小为，步进电机的轴的输送动力的孔径为。因为步进电动机在启动的状态下，会产生震动，又由于其要与供砂箱固定在一起，所以供砂箱采用灰铸铁来制成，这样就可以使装置运行过程中，可以更稳定更高效。3.2.3 储料罐的设计及其结构尺寸和材料的选用储料罐是磨料粒子临时的容器，磨料水射流加工系统通过自动加砂设备给其供砂装置供应磨粒，加砂机通过加砂口直接将磨料粒子加入储料罐，在储料罐中的磨料通过自身重力通过落砂口，进入落料漏斗，然后由丝杆转动带动磨料进入混合腔，这样就可以满足磨料水射流束加工工件是对磨料的需求。它的结构图如下：图3-3 储料罐的设计图1、磨料粒子如图，是储料罐的设计图，其总的高度为168mm,储料罐为圆桶状，它的外径为，壁厚为5mm,落砂口的外径为，内径为，储料罐的直线部分的长度为142mm。因为考虑到设计成本以及机构的抗锈等因素，储料罐的所用材料为有机玻璃。3.2.4 落料漏斗的设计及其结构尺寸和材料选用落料漏斗的作用：它主要起到一个磨料聚集的作用，供砂箱中的磨料要进入混砂室，首先要依靠其自身的重力下落到落料漏斗中，由于漏斗形状因素，磨料滑落到漏斗的中心处，又由于磨料粒子的输送机构丝杠刚好通过漏斗的中心处，所以磨料的聚集效应会使得磨料粒子充满丝杠的螺纹牙槽，从而为磨料的输送做好了准备工作，因为它需要与作旋转运动的丝杠有接触，所以制造它的材质需要有一定的耐磨特性。落料漏斗的下端要与铜套衔接起来，所以它的出料口（漏斗的小端）需要特殊加工一下，两者的连接采用螺纹连接的方式，所以漏斗的小端口需要加工一段外螺纹，以便与铜套连接。落料漏斗与供砂箱以及供砂箱盖并不是一个整体，所以就需要在它的上端面设计一定的螺纹孔使得它可以与供砂箱盖以及供砂箱三者紧紧的固定在一起，并保持一个良好的稳定性。因为落料漏斗上要承接供砂箱落下的磨粒，下要与送料螺杆相接处，在本次设计中这也是一个非常关键的一步。下面就是落料漏斗的示意图：图3-4 磨料漏斗结构图 1、落料漏斗出料口 2、紧固螺栓孔 3、供砂箱盛放台 4、装置固定螺栓孔如图，这是落料漏斗的结构示意图，它的结构尺寸已在图中有所标明，落料漏斗的整体高度为156mm,落料漏斗的上端面长度为360mm,宽度为289mm,连接供砂箱盖与落料漏斗的螺栓的紧固螺栓孔径为，各个相邻的螺栓孔之间的距离为244mm,落料漏斗的出料口也为一个圆形小孔，内径为，外径为，供砂箱盛放台为。由于落料漏斗要与磨粒输送机构丝杠直接接触，所以它的耐磨特性要求就比较高，这里采用灰铸铁来制造落料漏斗，因为它也相当于是机架的一部分，所以选用球墨铸铁来制造该零件，也完全符合机械设计过程中的原则。3.2.5 铜套的设计及其结构尺寸和材料选用 若让丝杠一直与落料漏斗的下端进行接触，在丝杠转动的过程中就必然会产生磨损，时间越长磨损就会越严重，所以就非常有必要增加一些改进措施！在本次设计方案中设计者经过一系列的计算和对比，决定增加一个铜质套筒在抵消丝杠转动时对装备所带来的一部分磨损，该套筒接在落料漏斗的出料口处，这样的设计也可以部分减小丝杠旋转的一些离心力，同时也增加了整个供砂装置的稳定性。除此之外，随着装置运行时间的变长，对铜套所带来的磨损是不可避免的，所以当磨损到达一定程度后，铜套就会变成报废品。而设计之初就考虑到这一点，因为设计时铜套与落料漏斗是螺纹连接的，所以，一旦铜套磨损报废，就可以将报废品拆下更换新的铜套，而使得整个供砂装置重新运行。铜套的设计其实并没有消除丝杠转动带来磨损，而是将磨损进行了一个合理的转移，从而降低了部分加工成本，同时也不会影响磨料水射流加工系统的切割性能和切割质量。铜套的作用有以下几点：（1）、降低水切割机床的运行成本；（2）、减小对送料丝杠的磨损；（3）、当磨损严重时便于更换。下图就是铜套的结构设计图：图3-5 铜套如图，铜套的结构尺寸如图所示，铜套的铜套的高度为50mm,由于落料漏斗的出料口的外径为,所以铜套的上部孔径为，两者螺纹连接在一起，结合部分的长度为20mm,由于丝杠选取的公称尺寸为，所以铜套的下部孔径为，两者间隙配合，铜套的外部台阶高度为25mm,其上面部分外径为，下面部分的外径为，从图中可以看到，在铜套的小头底部阵列有四个相同的螺纹孔，孔径为，他们以直径为的圆的轨迹上阵列开来。 铜套的选材主要为铜，这种材料资源充足，价格适中，有一定的耐磨特性，所以铜质套筒是本环节的最优选择。3.3 磨料的输送机构的结构设计 在本次毕业设计过程中，磨料的输送机构的设计将是实现精确控制磨粒流量的最关键的一步，采取任何一种方案去设计，都必须经过深思熟虑和精密的计算。本次研究的课题要求控制磨料质量流量的范围是30g/min600g/min，并且在供砂装置以一定的速度供料时，速度不能因为装置的一些不稳定因素而变化，只有这样才能满足精确控制磨粒流量的先决条件。要实现这一点，就需要从供砂箱落下的磨料在落料漏斗中就能够被均匀地带到送料软管中，进入到软管中的磨料由于自身重力和混砂腔产生的负压的作用被吸入到混砂腔，然后与水射流束混合，磨料通过水射流束的加速，两种混合介质又通过磨料喷嘴，形成磨料水射流。通过这一过程产生的磨料水射流的加工性能与加工质量要比传统的后混合式磨料水射流要好很多。下图就是水射流切割的工件的表面质量的对比：图3-6 切割表面质量对比图(a)精确供料装置（b）传统供料装置根据螺杆泵原理，提出本次研究课题的设计方案，采用丝杠送料，丝杠驱动装置为步进电动机，两者通过联轴器连接，而丝杠的下端通过与落料漏斗的出料口和铜套间隙配合使得丝杠能够稳定的转动，不会产生较大的离心力，由供砂箱进入落料漏斗的磨料在其中心处产生一个堆积的效果，从而磨料会充满丝杠的螺纹牙槽，随着丝杠的转动，磨料被带往下端的送料软管。实现这一功能最重要的一个零件就是丝杠，下面简单介绍一下丝杠：丝杠在制造业又统称称为滚珠丝杠，而滚珠丝杠又被称为滚珠螺杆，滚珠丝杠是能够将回转运动转化为直线运动，或者将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠主要由螺杆和螺母组成！它的功能是将能够旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠按照它的精度等级的不同，可以分为不同的应用场合，精度等级为1、2的丝杠一般应用在精密类仪器、仪表、数控坐标镗床、螺纹磨床，精度等级为3、4的丝杠一般应用于有定位精度要求的数控机械和精密机械中，精度等级为5、7的丝杠主要应用于一般动力传动机械上。因为在设计方案中选用了丝杠进行磨料的输送，所以这也就意味着不需要丝杠的螺母。本次方案中选用的丝杠不再是运用它的运动转化的功能，而是应用丝杠中带有螺纹牙槽的螺杆的旋转带动磨料也随之旋转的功能，所以只需要选用合适的丝杠的螺杆就能完成设计方案中对于丝杠的工作要求。所以传统意义上的标准的丝杠并不适合磨料水射流供砂装置的需求，因为本次设计需要丝杠有足够的螺纹牙槽的深度，但是标准的丝杠并不能够满足这一要求，所以磨料的输送机构丝杠采用非标准设计方案进行设计，经过一系列的计算校核而得到合适的尺寸参数的丝杠，从而来满足设计要求。磨料的输送机构丝杠的设计是精确控制磨粒流量的机械装置设计过程中最关键的一点，换句话说，就是螺杆的设计是关键节点，本次毕业设计要求磨粒均匀的被送入混合室，产生均匀稳定的磨料水射流束，进而才能提高加工效果。为实现均匀送料这一目的，设计方案采用丝杠送料，也就是螺杆送料，磨料利用自身重力充满螺杆的螺纹牙槽，随着螺杆的转动而被输送到出料口，磨料又由混砂室产生的负压，被吸入并与水流充分混合，形成磨料水射流。根据研究课题要求的磨料质量流量为30600g/min，作出以下的结构设计及尺寸计算3.3.1 送料机构丝杠螺杆的结构设计丝杠螺杆的设计是本次毕业设计的最核心所在，它的重要性可见一斑。供砂装置是否能够均匀稳定地给混合腔提供磨料，并且按照磨料质量流量为30600g/min的速度来提供磨料，将深切地影响磨料水射流加工系统的加工性能和加工质量的改善。下面是磨料送料机构丝杠螺杆的结构设计图：图3-7 丝杠螺杆 1、键槽如图，丝杠螺杆图中，丝杠的长度为140mm,其公称直径为，键槽的尺寸长度为25mm,b=4mm,mm。这是一些初步设定的尺寸参数，下面环节是它的结构尺寸的具体计算过程、基准配合制的选择过程以及丝杠螺杆的材料的选用。3.3.2 送料丝杠螺杆的选用及其尺寸参数计算过程因为考虑到丝杠可能会随着步进电动机的转动而产生一部分的离心力，而给落料漏斗及铜套带来非常严重的磨损，所以在设计丝杠螺杆时，其长度宜短不宜长，这样才可能尽可能的避免离心力所带来的磨损。所以在设计之处，就先假定丝杠螺杆的长度为140mm，从结构原理来说，这个长度刚好符合设计要求。选定了丝杠螺杆的长度，就要选定一个合适的公称直径，在这里，先假定螺杆的公称直径为，根据尺寸精度设计的基本原则和方法，给螺杆选择合适的基准配合制，因为丝杠螺杆的设计是通过非标准设计而产生的，所以此时选择基孔配合制。根据优先配合选用说明，选用基孔制H9/d9,这一优先配合主要用于间隙很大的自由转动配合，用于非主要配合，或有较大的温度变化、高转速或有大的轴颈压力的配合部位，对于本次研究课题中的丝杠螺杆与落料漏斗出料及铜套的配合，是恰好合适的。由于丝杠螺杆的转动会带来比较严重的磨损，而且磨料与转动的丝杠螺杆接触也会带来一部分的磨损，所以丝杠螺杆的加工材料就需要有非常好的耐磨特性。经过查阅资料，选定通用钢W18Cr4V(W18)，特点：强度较好，耐磨性好，可用普通钢玉砂轮磨削，耐热性中等，热塑性差。主要用途：通用性强，广泛用于制造钻头、铰刀、丝锥、铣刀、齿轮刀具及拉刀等。它是高速钢的一种，高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，又称高速工具钢或锋钢。由于其具有红硬性高、耐磨性好、强度高等特性，也用于制造性能要求高的模具、轧辊、高温轴承和高温弹簧等所以制造丝杠螺杆时，采用高速钢时完全满足设计要求。 选定丝杠螺杆的材料及部分公称尺寸的设定，就要进行进一步的计算校核等工作，下面是一些计算过程。根据螺杆送料原理，磨料质量流量主要由下式决定：（3-1）式中：Q为供砂装置提供的磨料质量流量，kg/min;V为丝杠螺杆旋转一圈螺纹牙槽的体积，；为磨料堆积密度，;对于石榴石磨料来说，它的堆积密度为；n为步进电动机转速，r/min。根据螺杆螺纹几何关系，螺杆旋转一圈螺纹牙槽的体积V为（3-2）（3-3）（3-4）（3-5）整理得（3-6）式中：S为螺纹牙槽的截面面积；L为螺旋线在中径展开，旋转一周螺旋线长度；p为螺杆螺纹的螺距；h为螺纹牙型高度；d、分别为螺纹的大径、小径和中径。（3-7）设计中取螺杆参数为牙型角，p=7mm;d=20mm;。由式（7）整理得Q=1.04n （3-8）由（3-8）式可以看出，当丝杠螺杆及其他各部件的尺寸确定以后，磨料质量流量只与步进电动机的转速有关，所以要实现控制磨料质量流量在30600g/min,只需要控制步进电动机的转速就可以了。3.4 步进电动机型号的选用及其控制 由上文可知，要实现控制磨料质量流量在30600g/min,所需的步进电动机的转速是28.85r/min576.92r/min,经查表可知，适合本次设计课题的步进电动机的型号是70HS2A90-258,轴径为，键槽是双平台1*20。型号为70HS2A90-258的步进电动机的参数如下：最大静扭矩为4，额定电流为2.5A，相感抗为2.6mH，相阻抗为0.73Ohms,转子惯量为700，机身长度为90mm,重量为1.5Kg，引线数量为8。该型号的步进电动机的额定转速是1800rpm,要实现磨料质量流量的控制，就需要设计控制步进电动机的转速的装置，然后就可以通过控制电机转速来调节磨料质量流量。3.5 本章小结精确控制磨料流量机械装置设计在改善磨料水射流加工系统的切割性能和切割质量方面起着非常重要的作用，而供砂装置的设计又决定着精确控制磨粒流量机械装置设计的成败。所以本次毕业设计最重要的任务就是做好供砂装置的重新设计，供砂装置的设计核心又在磨料的输送机构丝杠的设计，所以在本章中采用了大量的篇幅介绍丝杠螺杆的设计，可以见得输送机构丝杠螺杆的重要地位。第 4 章 精确控制磨粒流量机械装置装配及其安装调试在实现精确控制磨粒质量流量的过程中，除了各个零部件的精确计算和设计，个部件的装配安装调试也会对控制磨粒质量流量的调节效果有很大的影响。4.1 供砂装置的装配过程供砂装置可以说是精确控制磨粒流量机械装置的一个概括，它主要由以下几个部件组成：驱动装置步进电动机（1个），盛放磨粒的储料罐（4个），步进电动机以及储料罐的载体供砂箱（1个），封闭整个供砂装置的供砂箱盖（1个），衔接步进电动机与送料螺杆的传动部件联轴器（1个），阻挡磨粒飞溅的装置挡筒（1个），磨粒的输送机构丝杠螺杆（1个非标），磨粒的聚集装置落料漏斗（1个），铜套（1个），法兰盖（1个），送料软管（1个），各种不同型号的连接螺栓（若干）。通过组装就可以获得精确控制磨粒流量的机械装置，以下是具体步骤：（1）、首先将驱动装置步进电动机与供砂箱组装在一起，使用的连接螺栓为六角螺栓（GB/T 5782 M5*30）。（2）、将四个储料罐与供砂箱组装在一起，两者连接在一起使用过盈配合。（3）、将磨料的输送机构丝杠螺杆