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摘要 论文题目：cm 超细粉碎机参数化设计系统的研制 学科专业：机械设计及理论 研究生：张超 指导教师：崔亚辉教授 亓丰源高工 摘要 签名： 猛丝 签名：幽 签名：盂圭疆 超细粉体工业是伴随现代高技术和新材料产业发展起来的新兴产业。 机械超细粉碎是超细粉体最主要的加工技术之一，机械冲击式超细粉碎机 是国内非金属矿行业选用较多的超细粉碎设备。c m 系列机械冲击式超细粉 碎机在粉碎设备中有着举足轻重的地位。 目前我国对c m 系列粉碎机设计基本上还停留在传统平面c a d 技术上， 对于c m 系列超细粉碎机的参数化设计方面未见相关报道。根据c m 超细粉 碎机目前设计中存在的问题，该系列产品的开发设计引入三维设计方法势 在必行。c m 超细粉碎机结构上具有很大相似性，开发研制一套参数化设计 系统对于提高企业设计粉碎机的技术水平、提高设计效率和缩短开发周期 有着非常重要的现实意义。 本文介绍了基于c m 3 1 超细粉碎机的基础之上，以s 0 1 i d w o r k s 和v b 为 主要开发平台，基于特征建模技术的c m 系列超细粉碎机参数化设计系统的 研制及其实现的关键技术。本文对s o l i d w o r k s 二次开发作了深入的研究， 主要完成以下工作内容： ( 1 ) 以c m 3 l 超细粉碎机二维零件图为基础，建立粉碎机零件三维实 体造型模板和工程图。 ( 2 ) 根据参数化设计方法和步骤建立了c m 超细粉碎机参数化系统。 主要可完成零件预览、零部件参数化设计、力学计算、数据库管理、在线 帮助。 ( 3 ) 根据力学计算，对重要的零部件进行了有限元分析。 ( 4 ) 根据工程图信息的要求建立了零件的属性修改程序。 本系统不但实现了c m 超细粉碎机的参数化设计，而且通过有限元分析 为c m 系列超细粉碎机设计提供了一定的依据和参考；同时该系统的设计方 法和思路也为粉碎机的相关设备及其他设备建立参数化系统提供了一定的 参考。 关键词：超细粉碎机；计算机辅助设计；二次开发：s o l i d w o r k s ；v b a b s t r a c t t i t l e ：t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp a r a m e t e r 亿e d d e s l g ns y s t e mo ft h ec ms u p e rm i c r om i l l m a jo r = m e c h e n i c a ld e s i g na n d t h e o r y n a m e ：z h a n g c h a o s u p e r v i s o r = p r o f y a h u ic u i s r - e n g f e n g y u a nq j a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： s u p e rm i e r om i l li n d u s t r yi sar e c e n tf i e l dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i t e c ha n dn e w m a t e r i l s 0 n eo f i t sm a i np r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sm e c h a n i c a ls u p e rm i e r om i l l 。w h o s el a s h s t y l ei sm o r ee h o s e nb yn o n m e n t a lm i n ei n d u s t r ya th o m e t h u s i t sc ms e r i e sp l a ya l l i m p o r t a n tp a r ti nt h ee q u i p m e n to fs u p e rm i e r om i l s l a tp r e s e n t ，c ms e r i e so fs u p e rm i e r om i l li no u rc o u t r ys t i lr e a l a i l i st h et r a d i t i o n a l p l a n ec a dt e c h n o l o g y t h e r ea r en or e l a t e dr e p o r t sa b o u ti t sp a r a m e t e r i z e dd e s i g n c o n s i d e r i n gt h ee x i s t i n gp r o b l e m sa b o u tt h ed e s i g no ft h ec u r r e n ts u p e rm i c r om i l l ， i n t r o d u c i n g3 dd e s i g ni nd e v e l o p i n ga n dd e s i g n i n gi t ss e r i e so fp r o d u c t sa r ei n e v i t a b l e t h e r ee x i s tg j 。e a ts i m i l a r i t i e si nt h es t r u c t u r ea m o n gc m s u p e rm i e r om i l l s ，s od e v e l o p i n ga s e to fp a r a m e t e r i z e dd e s i g n s y s t e m i ss i g n i f i c a n tf o ri m p r o v i n ge n t e r p r i s e s l e v e li n d e s i g n i n gs u p e rm i c r om i l l s ，d e s i g ne f f i c i e n c ya n ds h o r t e n i n gt h ep e r i o do fd e v e l o p i n g b a s e do nc m s u p e rm i c r om i l l s ，s o l i d w b r k sa n dv ba sd e v e l o p i n gp l a t f o r m s t h i s e s s a yi l l u s t r a t e st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f p a r a m e t e r i z e dd e s i g n f o rc m s u p e rm i c r om i l l sa n di t sr e a l i z a t i o n t h ea r t i c l ef u r t h e re x p l o r e st h er e d e v e l o p m e n t o fs o l i d w o r k s w h i c hm a i n l yi n c l u d e ss e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w s 1 t oa c c o m p l i s ht h e3 dm o d e lp a t t e r np l a t e sf o rp a r t so f t h ec m s u p e rm i c r om i l la n d e n g i n e e r i n gd r a w i n g sb a s e do n2 dp a r t sf i g u r e so f t h ec m3 1s u p e rm i c r om i l l 2 t os e tu pt h ep a r a m e t e r i z e ds y s t e mo ft h ec ms u p e rm i e r om i l l w h i c hc a nm a i n l y c o m p l e t ep a r t sp r e s h o w ，p a r a m e t e r i z e dd e s i g nf o rc o m p o n e n t sa n dp a r t s ，c a l c u l a t i o no ff o r c e ， m a n a g e m e n to fd a t ab a s ea n do n l i n eh e l p ，a c c o r d i n gt ot h em e t h o da n ds t e p so f p a r a m e t e r i z e dd e s i g n ? 3 t oi n t r o d u c et h ea n a l y s i so f l i m i t e de l e m e n t so nc o m p o n e n t sa n d p a r t s 4 t oi n t r o d u c em o d i f i c a t i o np r o g r a l t lo np a r t sp r o p e r t i e s t h i ss y s t e mr e a l i z e sp a r a m e t e r i z e dd e s i g no ft h es u p e rm i e r om i l la n dt os o m ed e g r e e p r o v i d e st h ef o u n d a t i o na n dr e f e r e n c ef o rt h es u p e rm i c r om i l lt h r o u g hl i m i t e de l e n a e n t s a n a l y s i s m e a n w h i l e ，t h ed e s i g nm e t h o da n dt h o u g h to ft h i ss y s t e mp r o v i d es o m er e f e r e n c e f o rr e l a t e da n do t h e re q u i p m e n to f m i l l s k e yw o r d s ：s u p e rm i c r om i l l ；c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ；r e d e v e l o p m e n t ；s o l i d w o r k s ；v b 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 毯嫠纱7 年月侈日 学位论文使用授权声明 1 本人丕叁叁蓬 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：猛堑 导师签名： 第1 章绪论 1 绪论 1 1 超细粉碎设备的现状与发展趋势 超细粉体工业是伴随现代高技术和新材料产业发展起来的新兴产业，超细粉碎技术则 是在2 0 世纪7 0 年代发展起来的一门跨学科、跨专业的高新技术，也是古老粉碎技术的新 发展和新应用m ，广泛应用于矿山、食品加工、军工、建筑等行业的物料粉碎。据统计， 全球超细粉体的市场需求量以1 0 左右的速度增长，是继i t 和信息产业之后发展最快的 行业之一。近5 年我国超细粉碎和精细分级设备的年销售台( 套) 年均增长率超过1 0 ， 全国各类超细粉碎和分级设备生产厂家已发展到近1 0 0 家。 1 1 1 国内外超细粉碎设备的现状嗍 超细粉碎的粒度界限如何划分目前尚无定论。习惯上将0 1 1 0 pm 的颗粒称为超微 细颗粒，生产这些超微细颗粒的工艺称为超细粉碎。超细粉体的制备有诸多方法，但用于 实际生产中的主要有两种：机械粉碎法和化学合成法。其中，化学会成法成本高、产量低 且生产工艺复杂；而机械粉碎法成本较低，产量高，工艺简单，且能改良物料性能。因此， 除了少量超细粉碎不得已用化学合成法外，绝大数非金属矿的粉碎采用机械粉碎法。 国外对于超细粉碎技术的研究起步较早，从4 0 年代就开始注重了以超细粉碎、分级 及改性为基础的深加工技术，到6 0 年代该技术已取得迅速发展。目前英、日、美、德等 国具有较高水平的超细粉碎技术和设备，可以加工细度为0 5 1 01 1m 任意窄级别的超细 粉体。国外使用的超细粉碎设备主要有以下几种类型 ( 1 ) 气流磨气流磨是利用高速气流( 3 0 0 5 0 0 m s ) 或过热蒸气( 3 0 0 4 0 0 ) 的 能量使颗粒相互产生碰撞和摩擦，从而导致矿物的粉碎。它是一种较成熟的超细磨矿技术， 已广泛应用于化工原料及非金属矿的超细粉碎，产品细度一般可达1 5i in l 。此外，气流 粉碎的产品具有粒度分布均匀、颗粒表面光滑、颗粒形状接近球形、纯度高、活性大、分 散性好等优点。由于这种设备投资大，附属设备多，因而不适用于中小型企业和矿山。 原德国a l p i n e 公司研制的流态化逆向喷射磨( a f g ) 与其他气流磨相比更为先进。它 是将逆向喷射原理与流态化床中的膨胀气体相结合进行超细粉碎。由于这种设备采用了流 态化床原理以及内设平卧涡轮超细分级器，与其他类型的气流磨相比可节约3 0 4 0 的 能量；设备磨损轻，可用于粉碎高硬度物料；设备运转全部自动化，进料中以及从分离器 分离出的粗颗粒不用向外排出。a f g 流态化逆喷射磨应用范围广泛，除非金属矿物如滑石、 云母、膨润土、硅灰石，石英外，其他化工原料、热敏性物质、高硬度耐磨材料等的超细 粉磨矿均可采用。国内有引进的机型。另外，日本风动工业株式会社生产的气动流射磨机 ( 简称：p j ，m ) ，美国斯特蒂文公司生产的m i c r o n l z e r 扁平式气流磨，美国特罗斯气流 粉碎机公司生产的w a j a cj e t p u l v e r i z e r 型气流磨也都广泛应用于矿物的超细粉碎。 ( 2 ) 高速机械冲击磨机是指利用围绕水平或垂直轴高速旋转转子上的冲击元件对 西安理工大学工程硕士学位论文 物料施以激烈的冲击，并使其与定子间以及物料与物料之间产生高频的强力冲击、剪切等 作用的粉碎设备。与其他型式的粉碎机相比，具有单位功率粉碎能力大、易于调节粉碎粒 度、应用范围广、机械安装占地面积小且可以连续运转等优点。但是机件高速运转，不可 避免地产生磨损问题，因而不适用于处理硬度太大的物料。 日本细川公司生产的高速冲击式超细粉磨机在目前属于一种先进的设备，已广泛应用 于非金属矿的超细加工，可将8 m m 以下的物料经过一次粉碎就能生产1 0pm 通过率达7 0 以上的微细产品。这种粉碎机的最大特点是在粉碎室中设有杂质及租颗粒自动连续排出装 置，有利于提高产品质量和稳定产品粒度。该种设备国内已有引进，现广泛应用于滑石、 粘土、重晶石、碳酸钙、云母、叶蜡石及石墨等非金属矿的超细粉碎。 ( 3 ) 搅拌磨搅拌磨主要由一个静止的外壳和一个高速旋转的搅拌器组成。磨矿室 中充填小直径的磨矿介质，主要通过搅拌器搅动磨矿介质产生冲击、摩擦和剪切作用使物 料粉碎。这种磨通常分为干式磨和湿式磨两类，主要有t r z k 干式搅拌磨、n r z k 湿式搅拌 磨、塔式磨、涡轮磨等。这种磨机一般用于湿磨，而且磨机给料细度要求很小，国外已广 泛应用各种物料的超细磨矿中。 ( 4 ) 振动磨振动磨一般由给料装置、起振装置、磨矿装置( 装有原料和粉碎介质 的圆筒) 、装有不平衡重块的传动装置以及冷却装置和电机等组成。圆筒由电机带动做一 个近似椭圆轨迹的快速振动，实现物料的超细粉碎。由于振动磨中介质充填率高达8 0 ， 因而对矿石的处理量较小。此外，工业生产中的振动磨对机械零件的要求都很高。 相对而言，国内对超细粉碎技术的研究起步较晚，于8 0 年代初期才开始。主要靠引 进国外先进设备和技术为主。到目前为止，我国已能生产各种类型的超细粉碎设备，基本 上能满足我国非金属矿实际生产中的需要。我国超细粉碎设备主要是在2 0 世纪7 0 年代末 开始，经过8 0 年代、9 0 年代的大力发展，目前国内超细粉碎技术的总体水平是“m 1 ( 1 ) 能够生产出目前在工业上应用的各类超细粉碎设备。2 0 世纪8 0 年代中期以来， 通过引进和消化吸收国外超细粉体加工设备，经过近2 0 年的发展，我国已经能够自主生 产各类超细粉碎和精细分级设备，在近5 年新建的超细粉体加工厂中，国产设备或中外合 资厂生产的设备占主导地位； ( 2 ) 我国已能够工业化大批量生产平均粒径1um 左右的超细粉体，如超细重质碳酸 钙、超细高岭土( 包括煅烧高岭土) 、超细滑石、超细石墨、超细云母、超细碳化硅、超 细二氧化硅以及氧化铝和氢氧化铝、氧化镁和氢氧化镁等； ( 3 ) 由于新材料技术的发展，设备的磨耗有了显著降低，如我国自主开发的旋风自 磨机，5 年前冲击盘的寿命约2 0 0 h ，通过采用新材料现已延长到3 0 0 0 h 以上； ( 4 ) 已有部分超细粉碎设备和技术出口到东南亚、中东、非洲等发展中国家。 目前研制投入市场超细粉碎机的设备有 ( 1 ) 气流磨国内气流磨生产厂家主要分布在上海、绵阳、宜兴、长沙、合肥、青 州、沈阳、北京，生产机型比较全，产品已形成一定的系列，在防磨损方面也取得了较大 2 第l 章绪论 进展，如金刚石内衬气流磨。另外，世界上较新的机型流化床式气流的生产厂家比较 多，这是我国气流磨制造业的一个显著特点。但是，部分厂家由于种种原因只生产一种机 型的1 2 个品种，年销量也很小。从介质上来说，国内目前基本上都是采用空气，尚未 见采用过热蒸气的系统。此外，设备的材质、加工精度等与国外高质量的同类设备相比也 不同程度逑存在一些不足之处。 ( 2 ) 高速冲击式超细粉碎机机械冲击式粉碎设备是我国近几年发展较快的超细粉 碎设备之一。部分国产设备在性能方面与国外同类设备相近，甚至还有其新特点。这类超 细粉碎设备虽然总体上来说，产品细度不如气流磨，但具有工艺简单、投资少、能耗低、 粉碎比大等特点，比较适合一些附加值不高的中低硬度非金属矿物的超细粉碎。近年来， 这类设备在非金属矿物加工行业销售量呈强劲增长势头。 c m 5 1 型高速冲击式超细粉碎机是咸阳非金属矿研究设计院消化日本细川铁工所新研 制的m 5 0 2 n c 冲击式超细粉碎机而研制的。目前，该类型机型已用于多种非金属矿物的超 细粉碎，效果理想，对中小型矿山和企业的超细粉碎尤为适合。另外，沈阳化工研究院和 瓦房店化工机械厂共同研制的c x 3 5 0 型超细粉碎机也属于该类机型。 ( 3 ) 搅拌磨我国搅拌磨起步较晚。国产湿式搅拌磨、剥片机已经在离岭土、方解 石、锆英砂( 石) 等的超细加工中得到应用，效果良好。在高岭土及方解石的超细加工实 现了产品中小于2 m 达9 0 以上，可获得高品质造纸涂料及涂料颜料级产品。与湿式搅 拌磨相比，千式搅拌磨可以减少后续脱水和干燥作业，简化工艺和降低生产成本，因而是 应用前景看好的设备。目前，国内生产搅拌磨的厂家主要分布在长沙、郑州、鲁南、江阴、 北京等地，总体来说，国产搅拌磨还存在规格少、处理量小、综合配套性能较差等问题， 因而使其适应性受到一定限制。 ( 4 ) 振动磨振动磨是一种效率较高的超细粉碎设备，虽然国内有一些生产厂家， 但由于多数机型采用钢衬板和以钢棒作磨矿介质，因而难以广泛应用于非金属的超细粉 碎。近几年，在研制生产适应于超细粉碎的振动磨方面，我国也有了一些进展。国内生产 厂家主要分布在温州、江都、新乡、烟台等地。总体来说，我国超细振动磨与工业发达的 日本、德国等相比还有一定差异。在品种规格、衬板、介质以及工艺配套等方面还要做很 多工作，才能满足不同物料的超细粉碎加工的要求。 1 1 2 超细粉碎设备的发展趋势嘲嘲 现代工程技术将需要越来越多的高纯超细粉体，超细粉体技术在高技术研究开发中将 起着越来越重要的作用。 目前，超细粉体加工技术面临的主要挑战是 ( 1 ) 小于1p m 的超微粉体的需求量迅速增大； ( 2 ) 超细粉体的大规模生产要求设备大型化和智能化，以降低单位产品能耗和稳定 产品质量； ( 3 ) 大规模配套生产超细粉体和严格的产品粒径分布要求处理能力大、分级效率高 3 西安理工大学工程硕士学住论文 和能耗低的精细分级设备； ( 4 ) 高硬超细粉体材料的加工和对产品的纯度要求不断提高，要求超细粉碎和精细 分级设备的磨耗显著降低； ( 5 ) 特殊粒形( 针状和片状) 和韧性超细粉体的生产。 为适应这些挑战，未来超细粉碎设备的主要发展趋势是 ( 1 ) 提高产品细度、降低设备粉碎极限 目前市场1i j1 1 1 以下超微粉体( 包括纳米粉体) 加工技术( 包括制粉技术和表面处理 技术) 和设备的需求呈增长态势。超微粉体( 包括纳米粉体) 是未来超细粉体的主要发展 趋势之一。这是因为现代许多高技术和新材料的发展需要超微粉体，如航空航天隐身材料、 ( 具有韧性的) 高级陶瓷、吸波材料、功能纤维、环境保护材料、生物医学材料等。因此， 要求发展产品粒度小于1i ii l l ，粉碎极限低的工业化超细粉碎设备和分级极限粒度小的工 业化精细分级设备以及配套的生产技术。 ( 2 ) 提高单机产量、降低单位产品能耗 由于市场对超细粉体产品需求量的增大，特别是用户用量的增大( 如大型造纸厂年造 纸颜料需求量达1 0 多万吨) 及对产品质量稳定性要求的提高，大型设备的市场需求量呈 增长趋势。大型设备适应了超细粉体加工厂向大规模化发展的趋势，而且具有单位产品能 耗低、产品质量稳定性好以及管理方便等优点r 国外发达国家早已发展大型的全过程自动 化调控的超细粉碎与精细分级设备，如年产5 1 0 万吨超细重质碳酸钙的超细粉碎和分级 设备，5 0 0 0 l 以上的大型立式搅拌磨，总体积l o m 3 、处理量1 5 0 m h 的大型卧式搅拌球磨 机( 这种磨机加工d 。= 9 71 1m 浆料产品的能耗约为6 5 k w h t ) 。设备大型化是提高单机 产量、降低单位产品能耗的主要途径之一。此外，应用现代科技研发新型的超细粉碎设备 也是提高粉碎效率、产量和降低单位产品能耗的主要方向之一。 ( 3 ) 降低磨耗 超细粉碎和精细分级设备一般是高速运转设备，高速运转器件在与被磨或被粉碎物料 的作用过程中难免磨损( 耗) 。磨耗不仅污染被粉碎物料( 这种污染往往用物理方法很难 去除) ，而且影响设备与物料接触部件的使用寿命，增加了生产成本。因此，降低磨耗是 超细粉碎设备发展永恒的课题。 ( 4 ) 高稳定性和可靠性 超细粉碎和精细分级设备的稳定性和可靠性是超细粉碎生产线所必须的要求，也是高 性能设备的必然要求，它对生产成本、效率、生产安全以及产品质量等有重要影响。 1 2 国内超细粉碎设备目前设计存在的问题 我国的超细粉碎设备虽然取得了一定的发展，但与先进国家相比还存在较大的差距。 如：理论研究跟不上实际需要、缺乏专用设备制造厂家、现有设备可靠性不高等。随着目 前国内超细粉体行业需求不断提高，急需深入研究超细粉碎理论，以指导机械法生产超细 粉碎设备的研制；并在现有的成熟机型基础之上进一步开发和研制同种机型的系列化产 4 第1 章绪论 品，使之能满足不同物料和不同细度、不同产品质量要求的设备系列，方便用户的选型。 由文献 6 知，国内至今仍缺乏成熟的设计理论及足够的设计依据，使得自主设计水 平落后于应用水平，这样一来，各厂家根据各自的设计经验和方案进行粉碎机的设计与生 产。据了解，国内目前大多数设计单位仍采用传统的平面c a d 技术进行粉碎机设计，采用 传统平面c a d 技术，存在一系列问题 ( 1 ) 因为没有成熟的设计理论依据，使得设计产品时必须反复进行试验，才能确定 最终设计方案，导致设计图纸需要反复修改，图纸工作量增大，工作周期加长，降低了设 计效率，延长了产品开发周期。 ( 2 ) 应用传统的平面c a d 技术，无法满足日益增加的多品种、多规格、小批量粉碎 机型的市场需求。 由于这些问题的存在，大大制约了国内企业开发产品的设计效率和开发周期。对于企 业而言，新产品的开发应接受两方面的考验，其一，创新产品是否包含内在的创新思想， 真正让别人看到“新”之所在：其二，对新产品开发的基本要求是快，“快”是体现设备 制造企业对市场需求的快速反应。包括设计、罱6 造与市场销售各个环节的快速实施，其中 快速设计方法如计算机辅助设计( c a d ) 的使用能力对企业设计的产品如何快速响应市场 起着重要作用。1 。在三维设计日益发展的今天，已经使得更快、更高效设计多规格、多品 种的粉碎机成为可能，为了提高设计效率及解决平面c a d 技术应用的不足，对系列粉碎机 的开发和设计引入三维设计方法势在必行。 1 3c a d 技术的发展历程及趋势 计算机辅助设计简称c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，是指以计算机为主要技术手段， 运用和生成各类数字信息和图形信息来进行产品设计。产品设计过程是指从接受产品的功 能定义开始到设计完成产品的材料信息、结构形状、精度要求和技术要求等，并且最终以 零件图、装配图的形式作为可见媒体表现出来的过程。c a d 是2 0 世纪最杰出的工程技术 成果之一，是用高新技术改造传统产业、加快国民经济发展的一项关键技术，也是先进制 造技术的重要组成部分。 1 3 。1c a d 技术的发展历程 从美国麻省理工学院( m i t ) 旋风i 号所配的图形系统算起，c a d 技术迄今己有5 0 多 年的历史。经过近半个世纪的发展，c a d 技术在理论、技术、系统_ 和应用等方面都取得了 长足的发展。 c a d 技术发展历程中，主要经历了四次技术革命”1 ：2 0 世纪7 0 年代的曲面造型技术、 2 0 世纪8 0 年代初的实体造型技术、2 0 世纪8 0 年代中期的参数化技术及2 0 世纪9 0 年代 的变量化技术。 西安理工大学工程硕士学位论文 法国的达索飞机制造公司率先开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了 三维曲面造型系统c a t i a 。曲面造型系统c a t i a 为人类带来了第一次c a d 技术革命，改变 了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。 2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初，随着计算机技术的迅猛发展，c a e ，c a m 技术也开始 有了较大发展。基于对于c a d c a e 一体化技术发展的探索，s d r c 公司于1 9 7 9 年发布了世 界上第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件卜d e a s 。由于实体造型技术能 够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一c a d ，c a e ，c a m 的模型表达，给设计带 来惊人的方便性，它代表着未来c a d 技术的发展方向。实体造型技术的普及应用标志着 c a d 技术发展史上的第二次技术革命。 2 0 世纪8 0 年代中期，c v 公司内部的一些人提出了一种比无约束自由造型更新颖，更 实用的算法一参数化实体造型方法。它的主要特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据 相关、尺寸驱动设计修改。但由于参数化技术方案有很多技术难点有待攻克，c v 公司否 决了参数化技术方案。策划参数化技术的这些人集体离开了c v 公司，成立了参数技术公 司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p ) ，开始研制命名为p r o e 的参数化c a d 软件。进入 2 0 世纪9 0 年代，参数化技术逐渐成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部彳牛设计上 存在的简便易行的优势。参数化技术的成功应用，使得它在2 0 世纪9 0 年前后几乎成为 c a d 业界的标准，可以认为参数化技术的应用主导了c a d 发展史上的第三次技术革命。 2 0 世纪9 0 年代初，积累数年对参数化技术的研究经验以及对工程设计过程的深刻理 解，s d r c 公司的研发人员发现参数化技术尚有许多不足之处。在对现有各种造型技术进 行充分的分析和比较之后，一个更新颖大胆的设想产生了，s d r c 的开发人员以参数化技 术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术变量化技术。变量化技 术既保持了参数化技术的原有的优点，同时又克服了它的许多不足之处。变量化技术的成 功应用，为c a d 技术的发展提供了更大的空间和机遇。无疑，变量化技术成就了s d r c 公 司，也驱动了c a d 发展的第四次技术革命。 1 3 2g a d 技术的发展趋势 从总体上讲，c a d 技术的发展趋势是参数化、智能化、三维化、集成化、网络化和 标准化“”。 ( 1 ) 参数化设计参数化是c a d 系统十几年来所追求的目标。参数化能够极大地提 高机械设计效率。通过尺寸驱动既能为用户提供设计对象的直观、准确的反馈，又能随时 对设计对象加以更改，同时减少设计中的疏忽。 ( 2 ) 智能化现有的计算机辅助设计系统智能化程度越来越高，原来繁琐的操作逐 渐由计算机智能化地进行处理。系统始终猜测用户的设计意图，并根据当时的设计环境提 供不同的人机交互工具，使用户感觉非常顺手。 ( 3 ) 三维化目前二维绘图软件的使用相当普遍，用二维图形表示三维物体有很多 局限性。随着三维图形技术的发展，在计算机内部建立相应的三维实体模型能够更直观、 6 第1 章绪论 更全面地反映设计意图。在三维模型的基础上可以进行装配、干涉检查、有限元分析、运 动分析等高级的计算机辅助设计工作。 ( 4 ) 集成化集成就是向企业提供一体化的解决方案。集成的出发点是企业中各个 环节是不可分割的，必须统一考虑。随着技术的发展，计算机辅助设计、计算机辅助分析、 计算机辅助制造、计算机辅助工艺编制将逐步在企业中得到推广和应用。c a d 系统的集成 化已是大势所趋。 ( 5 ) 网络化工业企业的实际生产管理过程是一个由产品规划、产品设计、性能测 试、工艺准备、主体零部件生产、标准件及特种件外购、产品组装及检验、产品销售及服 务等方面集体协作、分散集中、不断反馈的信息流网络。随着计算机网络的飞速发展，c a d 系统的网络化已经是不可阻挡的历史潮流。 ( 6 ) 标准化随着c a d 系统的集成和网络化，制定各种产品设计、评测和数据交换 标准势在必行。目前国际标准化组织已经颁布了新的产品数据转换标准s t e p 。建立符合 s t e p 标准的全局产品数据模型是企业未来发展的需要。 1 4 本课题的研究对象、意义及内容 1 4 1 本课题的研究对象 本课题主要研究c m 系列机械冲击式超细粉碎机，该机型属于冲击式粉碎机一类( 结 构如图2 - 1 所示) ，具有结构简单、单位功率粉碎能力大、机械安装占地面积小等优点。 近年来，其需求量呈强劲增长势头。 1 4 2 本课题的研究意义 目前我国对c m 系列粉碎机基本上还停留在传统平面c a d 技术上，不能满足产品的高 效系列化设计的要求。因此对于企业来讲，改变设计方法，引入三维设计软件迫在眉睫。 三维软件在可视化设计、装配设计、设计分析、加工仿真等方面具有传统平面c a d 技术遥 不可及的优越性；通过三维c a d 技术可以方便地完成产品设计方案的改进，可以提高产品 一次性试制成功率，同时在企业中引入通用的三维c a d 软件也不一定符合特定产品的设计 要求，因此结合特定的产品对三维c a d 软件进行二次开发是解决这类问题的快捷途径，尤 其是系列化的产品设计。 c m 系列机械冲击式超细粉碎机在粉碎设备中有着举足轻重的地位。一方面我国对c m 系列机械冲击式超细粉碎机设计基本上停留在传统平面c a d 技术上，关于傩系列机械冲 击式超细粉碎机的参数化设计还未见相关报道，这对于产品的创新设计、提高产品的整体 设计质量、设计效率难以起到根本性的作用；另一方面c m 系列机械冲击式超细粉碎机零 部件又具有很大的相似性，因此研究开发出以三维软件为基础的一套参数化设计系统对于 提高企业的设计水平、设计效率和缩短开发周期有着非常重要的现实意义。 7 西安理工大学工程硕士学位论文 1 4 3 本课题的研究内容 为了能解决c m 系列冲击式超细粉碎机上述设计中存在的问题并达到参数化设计的目 的，本课题拟以s o l i d w o r k s 为支撑软件，以v i s u a lb a s i c 6 0 、a c c e s s 为工具开发其三 维参数化设计软件，课题的主要内容包括 ( 1 ) 建立零部件的实体造型； ( 2 ) 利用v i s u a lb a s i c 6 0 调用s o l i d w o r k sa p i 函数进行零件的参数化设计； ( 3 ) 利用v i s u a lb a s i c 6 0 、a c c e s s 工具建立零件标准尺寸( 轴承、键、联接螺纹) ； ( 4 ) 应用v i s u a lb a s i c 6 0 编写相关的应用程序及界面； ( 5 ) 对重要零件进行有限元分析。 第2 幸超细粉碎机的工作原理及设计 2 超细粉碎机的工作原理及设计 2 1c m 系列机械冲击式超细粉碎机的工作原理嘲 机械冲击式粉碎机是指利用围绕水平或垂直轴旋转高速转子上的冲击元件( 棒、叶片、 锤头) 对物料施以激烈的冲击，并使其与定子之间以及物料与物料之间产生高频的强力冲 击力、剪切等作用对物料进行粉碎的粉碎设备嘲。机械冲击式超细粉碎机按转子的布置方 式分为立式和卧式两大类，其原理相同。这种粉碎机的粉碎除冲击作用之外，还有摩擦、 剪切、气流颤振等多种粉碎机制。处于定子和转子间隙处的物料被反复剪切和反弹到粉碎 室内与后续高速颗粒相撞，使粉碎过程反复进行；同时，定子衬圈和转子端部的打击元件 之间形成强有力的高速湍流场和分散。c m 系列机械冲击式超细粉碎机转子轴水平放置， 转子围绕水平轴高速回转实现物料粉碎，其结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1 卧式超细粉碎机结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo f t h eh o r i z o n t a ls u p e rm i c r om i l l 1 料斗2 螺旋给料机3 挡料环4 挡料环5 风扇6 转子一 7 ，转子二8 转子三9 转子四1 0 排渣口1 1 主轴1 2 带轮 其工作原理如下：物料( 8 1 0 m m ) 由料斗经螺旋给料机给入，给料量根据粉碎机 的实际负荷自动控制，并可控制给料粒度。粉碎机内的两个粉碎室相互直列配置。首先将 物料送入第一粉碎室( 转子一与转子二组成的腔体) ，粉碎叶轮( 转子一和转子三) 的5 只叶片具有3 0 。左右的扭转角( 由于机器的型号不同，叶片数目5 8 个不等) ，旋转时 有助于形成风压，而分级叶轮( 转子二和转子四) 的5 只叶片为径向布置，旋转时形成气 流阻力，两者旋转时便在室内形成气流循环，随气流旋转的颗粒之间相互冲击、碰撞、摩 擦、剪切：同时由于离心力作用，颗粒冲向内壁，受到冲击、摩擦、剪切等作用，被反复 地粉碎成细粉。分级叶轮还具有分级作用，细粉在分级叶轮端部的斜面和衬套锥面之间的 间隙也具有较有效的粉碎作用，但最有效的粉碎作用发生在两叶轮之间的滞流区，由于叶 轮以5 0 m s 左右圆周高速旋转，物料被急剧的搅拌，强制物料粒子相互冲击、摩擦、剪切 9 西安理工大学工程硕士学位论文 而被粉碎。被粉碎至数十微米到数百微米的颗粒，经过第一粉碎室中的分级叶轮后，细颗 粒就随气流进入第二粉碎室( 转子三与转子四组成的腔体) ，在第二粉碎室的粉碎过程与 第一粉碎室工作过程基本相同，只是在第二粉碎室的粉碎和分级叶轮较大，在该室造成的 风压更大，颗粒之间相互冲击更加激烈，粉碎能力更强。通过该室的风速因粉碎直径增大 而减缓，产品细度达到数微米，最终产品被气流经风机排出机外捕获。 2 2 主参数的确定原则嘲 2 2 1 冲击速度 较高的冲击速度决定了颗粒具有较大的冲击动能，在冲击过程中，这一能量转变成导 致颗粒粉碎的拉伸应力和压应力。由于颗粒的动能与颗粒质量有关，即与颗粒的尺寸有关， 对于小颗粒物料来说，要获得较大的动能就要求具有很高的冲击速度。 根据碰撞原理，两个质量小，、m ：的颗粒碰撞前后的速度分别为u 、蚝和v 2 、甜：， 根据力学原理得 jm l v l 叫铲f 础 【忱屹- m 2 u 2 = - f 础 ( 2 _ 1 ) 式中p 一冲击力，。 由式2 - 1 得 m 。( h 一) = m 2 ( v 2 一吃) ( 2 2 ) 由于碰撞的能量超过了粉碎所需要的能量，颗粒就会被粉碎，粉碎后的两颗粒具有相 同的速度“ = ! ! 兰竺2 竺z( 2 3 ) m 1 + 肌2 碰撞后，两颗粒的动能为 既= 去伽l + 研2 ) 2 ( 2 4 ) 碰撞前，两颗粒具有的动能为 磁= = 1 啊v 1 2 + l m 2 u ； ( 2 5 ) 碰撞后的能量损失就是粉碎能 形= 暖一呒= 暑m 华 ( 2 - 6 ) ，扎十二 对于高速机械冲击式粉碎机，旋转叶片质量远远大于颗粒质量，且被粉碎颗粒在冲击 前的速度近似为零，所以 1 0 第2 章超细粉碎机的工作原理度设计 = i 1 埘：砰 ( 2 7 ) 根据基克的体积功耗学说( f k i c k 学说：单位质量颗粒的粉碎功i e v d 于颗粒的变形能) ! j ，n ，：旦生( 2 - 8 ) 2j 2 e 得 ，= 当 ( 2 9 ) 4 8 e 式中层杨氏模量，蜘a ； 盯一破碎强度，姬o n 2 ； 万一颗粒密度，g l c m 3 m 一颗粒的质量，堙。 从式2 - 9 似乎可以看出，颗粒粉碎的冲击速度与颗粒大小无关，但是，实际颗粒越小， 颗粒的破碎强度随颗粒变小而增大，因此需要的冲击速度相应增大。 一般冲击式粉碎机的工作的周边速度在4 0 1 2 0 m s 的范围内。普通钢的强度限制了 其周边速度不超过1 5 0 m l s ，若要更高鲋冲击速度需要采用低密度高强度材料制造。 2 2 2 颗粒的运动行程 颗粒由转予冲击至定子这一路径的长度称为颗粒的运动行程。为了说明这一概念，首 先引入下面两个定义 平均自由行程五：颗粒与其他颗粒或磨矿冲击元件冲击前所经历的路程。 颗粒飞行距离瓯：具有一定初速度的颗粒在一静态流中飞行到它停止所经过的路程。 h r u m p f 根据颗粒的惯性力与流体产生的摩擦阻力的平衡计算抛落行程 譬何鲁= 屯等吵导( 2 - 1 0 ， 式中p p 、p 一具有初速度的颗粒和静止的颗粒密度，g c m 3 ； c 。阻力系列。 假定此时适用斯托克斯定律( s t o k e s ) ，得颗粒的飞行距离 s o x p p v o 生 ( 2 1 1 ) 1 8 9g 。 式中一空气黏度系数，堙s m 2 ； 工一颗粒直径，m m ： ，一颗粒在同一流体中的沉降末速度，m s ； v n 一颗粒初速度，m s ； g 一重力加速度，9 8 m s 2 ，其他符号同前。 假定速度分布为玻耳兹曼一麦克斯韦分布，而且颗粒为等尺寸的球形颗粒，则平均自 西安理工大学工程硕士学位论文 由行程 a = l ( 2 - 1 2 ) l o ( 1 一占1 式中l s 一颗粒的容积密度，g c m 3 。 对于冲击式粉碎机，1 - 占= 1 0 4 1 0 4 ，颗粒初速度为1 0 l o o m s ，密度为l g c m 3 ( 2 0 。c 空气中) ，根据式2 一1 1 和式2 1 2 计算s o 、a 与x 的关系曲线如图2 2 所示。 髫蔫 t t i $留冬逶心。 骶臁 瀛 d lji 03 0l 册帆 图2 - 2 抛落行程、平均自由行程与颗粒粒度关系 f i g 2 - 2 t h er e l a t i o nb e t w e e n 五a n dd ，s oa n d 工 从图2 - 2 中看出，对于小于5 u r n 的颗粒，由于其平均自由行程大于抛落行程，所以 在粒度范围内几乎不发生颗粒与颗粒间的冲击粉碎作用。但是提高颗粒速度和物料容积密 度却可以冲击粉碎超细颗粒。 当瓯 旯时，冲击粉碎不存在，颗粒在碰撞之前就停止飞行。当颗粒为l o u n 时，平 均自由行程大约为1 0 0 a n l m m 。在超细粉碎范围内，由于x s l 0 - 1 l o 2 m m ，则 五 0 1 l m m ，a 与转子、定子之间的距离相关。兄 o 1 l m m ，也就是转子与定子的间 隙小于0 1 l m m 。 2 2 3 粉碎元件及粉碎区域的设计 a 粉碎机转子与定子的间隙 如前所述转子与定予的间隙要小于o 1 l m m 才能获得超细粉碎颗粒，这对于主轴较 长的冲击式超细粉碎机而言，在结构上很难实