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机械毕业设计696钢坯火焰清理机的设计—总体方案设计及总体装配正文
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机械毕业设计696钢坯火焰清理机的设计—总体方案设计及总体装配正文,机械毕业设计论文
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第一章 引言1.1 概述手动火焰清理设备一直是钢铁企业的常用设备。这项艰苦的工作经常是在高温，高粉尘及噪声污染的恶劣环境中进行的。为了改善手工作业环境以及由于手工作业带来的低效率，高成本等问题，如今钢铁行业逐渐重视对钢坯清理的机械作业的研发。所谓钢坯火焰清理就是利用高温火焰的气割和熔除作用将钢坯表面缺陷烧除的工序。该工序能有效提高钢材的轧制质量，为了生产高质量的优质钢材提供了必要的保证。钢坯火焰清理按工作温度分为热钢坯火焰清理和冷钢坯火焰清理；钢坯火焰清理按操作方式分为手工作业和机械作业方式。其中实现机械作业的装置称火焰清理机，他是通过专门烧嘴将氧气和炼焦煤气进行混合，燃烧火焰预热连铸钢坯，然后利用高压纯氧流与钢坯表面产生氧化反应，对钢坯火焰清理机需要采取机械作业方式，冷钢坯火焰清理机即可采用手工作业方式，又可采用机械作业方式。冷钢坯火焰清理即可采用手工作业方式，又可采用计息作业方式，但由于我国目前非常缺乏专门的火焰清理机的设计、制造研发能力，国内钢坯火焰清理主要采用手工作业冷钢坯清理方式。1.2 钢坯火焰清理机的发展概况钢坯火焰清理技术起源于美国，成熟于韩国，是全球冶金行业率先进行批量化检验板坯皮下缺陷的先进手段，目前正风靡于世界冶金业。而随着我国钢铁工业对钢种质量的需求进一步提高，钢坯的火焰表面清理技术显得越来越重要，实践证明利用火焰清理钢坯缺陷，能有效地提高钢材的轧制质量。近几年来国内高度重视钢坯火焰清理技术在国内冶金业的应用，如2006年宝钢分公司炼钢厂4号连铸机工程配套改造项目：二炼刚火焰清理机技改工程热负荷试车一次成功，顺利投入运行。改造后，二炼钢火焰清理机清理铸坯的最大宽度可从1450毫米增至1750毫米，年清理能力也将由60万吨扩大到120万吨。又如2010年迁钢公司板坯火焰清理机热试成功，设计年处理板坯190万吨，为该公司低成本生产高端高效产品，尤其是高品质汽车板、加点板提供了技术保证，迁钢成为国内继宝钢之后第二家投入火焰清理机的企业。但该板坯火焰清理机主体设备均由日本KBK公司和美国L-TEC公司联合设计制作。可见，国外钢坯火焰清理技术现处于极度保密的状态，国内需要花费巨大的外汇来进口国外的钢坯火焰清理机的整机和关键核心部件，而且维修服务费用昂贵。基于我国目前火焰清理机研发十分落后的局面，注定我国民族冶金企业必须走自主创新、产学研相结合的道路，通过对钢坯火焰清理机研发中的整体方案设计、结构分析、制造与装配等关键技术进行校企联合公关，我国才能够较快较全面掌握钢坯火焰清理技术，为我国冶金企业长期发展注入强劲的活力。因此，钢坯火焰清理机的设计项目具有十分深远的现实意义和工程应用价值1.3 钢坯火焰清理机开发的理由和目的* 产品质量方面的要求* 日益高涨的作业费用* 改善人工清理时严酷的工作环境* 排除人工清理产生的不稳定性* 保证高质量和高附加值* 克服在其他表面处理作业时被限制的能力1.4 钢坯火焰清理机的具体技术指标：工作温度0C50C相对适度90%工作电源380V10%/3相/50HZ钢坯临界尺寸（长*宽*高）最小=200*1850*2000 最大=300*2280*4000一次清理深度08mm4.2mm清理速度6m/min9m/min清理轨迹要求具有三轴两联动数控插补具有钢坯自动翻板功能烧嘴能自动点火与熄灭，且高度能手动可调具有机械挡屑、自动排屑功能导轨带自动防屑尘的防护罩图表1-1 技术指标1.5 本文主要研究的内容对钢坯火焰清理机进行总体功能分析，确定总体方案以及翻板装置的仿真模拟。第二章 整体布局2.1 钢坯火焰清理机工作原理和功能火焰清理机往往是安装在初轧机和大剪机之间的生产线上，是对连铸板坯、方坯或钢锭钢表面缺陷，通过利用氧气-燃气进行热化学的氧化反应，对其进行表面缺陷处理的设备。火焰清理机除了可以去除材料表面的瑕疵外，还可以通过火焰烧嘴喷出的气流力量，把因加热后产生的脱碳层、残余的氧化层渣滓或其他不纯物质吹走，提高钢坯表面的质量和成材率。按设计要求，该装置由钢坯输送装置、氧化皮和裂纹自动清理装置、钢坯翻板装置、废屑自动排除装置等部分所组成。钢坯先用吊具吊放于预制工作区，然后由辊道输送到第一清理位，安装在第一清理位的清理机启动作业，完成上表面的清理。上表面清理后辊道动力启动，把钢坯运送到翻板机构位，翻板机构启动对钢坯的翻板，钢坯被翻转180后右边的辊道动力启动，把钢坯输送到第二清理位，进行下表面的清理，整个清理工作完成后，由辊子运输辊道输送出来，进行冷却、堆码等。整个钢坯清理机流程示意图、三维安装示意图见下文。2.2 流程示意如图：图2-1 平面布局示意图1一清理位1 2清理位2 3送入辊道 4送出辊道 5翻板机构和清理区 6预制工作区2.3 安装示意图：图2-2 钢坯火焰清理机总安装示意图2.4 火焰清理机作业流程图钢坯（由吊具调至预制加工区）钢坯火焰清理机清理区1钢坯火焰清理机清理区2吊具吊走、堆码辊道传送翻板区翻板辊道传送图2-3 火焰清理机作业流程示意图第三章 各结构设计分析3.1 钢坯翻板装置设计1.1 钢翻板装置的结构形式主要有以下几种：（1）齿轮传动双臂翻板机如图：图 3-1齿轮传动双臂翻板机结构特点：两翻臂分别由大小两个齿轮啮合传动，在翻板时，为达到不带负荷启动的目的，两翻臂都要在低于水平位置下方5度时启动，而翻板时翻转臂的交接点在A点位置，即送钢侧的翻臂要走过100度，而接钢侧要走过90度。钢板在翻转的过程中，过了中间垂直位置后，钢板是以送钢臂的初速度开始并以变加速度进行翻板，其翻转的角加速度是随着钢板翻转的角度增加而加大的，它一定是以某个速度翻转到接钢板的翻臂上，所以会产生噪声和冲击，整个翻板过程电机要进行正反转。（2）双臂曲柄摇杆式翻板机如图：图 3-2双臂曲柄摇杆式翻板机特点：该翻板机由一台交流电动机驱动，由互相连接的两套四杆机构组成。主动驱动为一曲柄摇杆机构，而翻板为双摇杆机构，两套机构由中间长轴和一个成直角的拐作为中间连接。整个传动系统是在减速器的低速轴两端各装一个有一定偏角的曲柄a1、a2，由它们分别带动两套四杆机构，用连杆b与两根翻板中间长轴相连。该翻板机最大的特点就是有一个钢板的接送过程。优点：解决冲击发出噪声并对钢板表面有可能有一定的损伤，结构简单，制造成本低（3）液压翻板机随着计算机和液压伺服技术的不断发展，液压技术由于有独特的优良特性而广泛地运用于冶金设备中，从而产生了一种新型翻板机液压翻板机。如图：图3-3液压翻板机优点：同步长轴上加上角度检测装置，对翻板的角度信号进行处理，再通过伺服系统，对翻板过程就能实现速度和位置的精确控制。因此液压翻板机具有比机械翻板机更加平稳的翻板过程，从而实现无噪声化生产。缺点：该结构需要的控制水平要求高，且采用液压系统，成本高，投资大1.2 翻板结构设计具体采用方案通过上述几种类型翻板机构的分析，可以看出齿轮翻板机设备结构简单，工作可靠但是冲击大、对噪声大对环境的影响大。而且由于翻板过程中的冲击会对钢板产生表面损伤，而液压翻板机得翻板过程平稳，但是控制水平要去高，投资较大，所以本课题设计翻板结构部分选用上述双臂曲轴摇杆式翻板机思路进行设计具体结构如图所示：图3-4翻板结构三维示意图3.2 火焰清理装置方案论证钢坯火焰清理机就是利用高温火焰的气割和熔除作用将钢坯表面缺陷烧除。3.2.1 外形结构分析常见的数控火焰清理装置外形结构有悬臂式和龙门式两种方案方案1 悬臂式（如图）优点：结构简单，具有很好的敞开性，占用场地少，成本低缺点：悬臂式结构，当伸臂跨距太长时，由于火焰枪作业时有上下左右的行走，安装在伸臂端，只有一侧支撑，显得结构很单薄，且平稳性不好，不利于长期稳定的作业。悬臂式结构，单边驱动，只能固定在某一位置，不可挪动，随着使用年限增加，误差也会随着增加，无改造价值图3-5悬臂式方案2 门式（如图2）结构设计合理，刚性高，减震稳定性好，门式结构可以采用双边驱动，整个作业机构可以再导轨上移动，不是固定某一个位置不能移动。结构稳定，横梁可以采用箱子式焊接技术，不变形，使用年限长，具有改造价值。图3-6龙门式3.2.2 传动方案选取机械传动部件通常有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动等，其主要功能是传递转矩和转速。因此可以说，机械传动部件实质上是一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩和转速方面得到最佳匹配。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚度以及传动可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。如图（3）所示：图3-7清理结构三维示意图机械传动部件中的传动机构及其传动功能如下图表 基本功能传动机构运动的变换动力的变化形式行程方向速度大小形式丝杠螺母齿轮齿轮齿条链轮链条带、带轮缆绳、绳轮杠杆机构连杆机构凸轮机构摩擦轮软轴间歇机构蜗轮轮蜗杆万向联轴器注：表示有此功能 （图表） 从表中可以看出，齿轮齿条传动既可将直线运动或回转运动转换为回转运动或直线运动，又可将驱动力或转矩转换为转矩或驱动力；带传动、蜗轮蜗杆传动及各类齿轮减速器既可进行升速或降速，也可进行转矩大小的变换。丝杠螺母机构可以实现动力形式的变化，主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。3.2.3 工作台沿导轨纵向移动的传动方案和沿横梁横向运动方案选定工作台纵向沿导轨运动和沿横梁横向运动都是只作直线运动，而电机轴作旋转运动，动力的形式起到变化。由以上分析，以下为直线传动的常用方案：方案1 电机联轴器变速箱齿轮齿条方案2 伺服电机一级齿轮丝杠丝杠螺母方案3 伺服电机联轴器丝杠丝杠螺母方案1：电机与丝杠用联轴器直接连接可以使传动系统的转动惯量减小，减小电机的负担，采用精密齿轮齿条传动满足长行程的需要。方案2，3：采用丝杠丝杠螺母传动，精度高，但是长丝杠制造成本极高，安装上难度大，6m的滚珠丝杠需要定做，价格在8万左右。3.2.4 火焰枪升降结构分析因为所谓的钢坯火焰清理机是利用高温火焰的气割和熔除作用将钢坯表面缺陷烧除的一道工序。所以火焰清理机的清理装置可以仿火焰切割机进行设计，火焰清理枪安装在割炬上。考虑到成本、结构复杂程度、自动化等因素，火焰清理装置的升降结构一般有以下手动和自动两种方案：方案1、采用手动升降割炬图3-8 手动升降割炬1-托辊 2-横梁 3-导轨 4-载体 5-横向调节手轮 6-割炬 7-升降手轮割炬的升降由手动实现，如图3-8所示。开条装置固定在横梁的托架上，托架的数量视不同轨距而定。梁安装在同一水平的托架平面上，梁上置有供数个载体横向移动的导轨，载体数量可根据需求配置。每个载体上配有一把割炬，并设有横向调节手轮，该手轮可调节载体的位置及载体间的距离，割炬的割嘴与钢板的距离可通过升降手轮来调节。此种割炬升降结构具有结构简单、制造成本低等优点；但是操作麻烦，一般用于小轨距门式火焰清理机。方案2、自动升降割炬1-滑座 2-横梁 3-横向调节手轮 4-升降装置 5-割炬 6-升降调节手轮图3-9 自动升降割炬割炬的升降由自动实现，如图3-9所示。横梁导轨上配有数个滑座，其数量可根据用户所需的割炬数而定。滑座平面上装有电动升降装置，割炬座固定在升降装置的座上。每个滑座的位置可通过横向调节手轮来设定；割炬座升降调节手轮，用于手动调节割炬的高度，割炬的自动化升降由电动升降装置来实现。此种升降结构自动化程度高、操作方便。2.5 火焰清理装置总方案由以上分析，确定本次设计清理装置总体机械设计方案：机架整体采用门式结构方案，由于要清理的钢板长度最长为4m，所以横梁跨度超过4000mm，采用双边驱动。横梁采用箱型结构固定在两端纵向立柱上，随立柱在导轨上做纵向进给运动。其他装置具体设计如下：a、 横向驱动装置电机通过减速器驱动齿轮旋转，齿轮和齿条配合传动带动滑块移动，使整个伸臂带动气割炬和横向气割熔除，清理钢坯表面缺陷。电动机通过变频控制可调节横向走行速度，即横向清理速度b、 纵向驱动装置位于机架顶部的电机经减速器，齿轮链条传动带动纵向移动滑块上下移动，使安装在纵向移动滑块上的伸臂上下移动。c、 伸臂及割炬上下移动装置气割炬安装在伸臂头部，伸臂头部有驱动部分能夹持气割炬 ，并通过齿轮齿条传动，使气割炬前后移动伸臂的后部装有气割炬左右移动用的电机经减速机和齿轮齿条传给伸臂头部的气割炬上下驱动的装置，控制清理作业。d、 气割炬和点火枪气割炬通过预热焦炉煤气、预热氧气在割嘴处混合，形成混合气体火焰，切割用的氧气通过割嘴中心喷出进行气割。管体及喷嘴均通过冷却。为了能使气割炬点火，还装置了点火枪，点火枪装在气割炬的管体上，通入的焦炉煤气在混合部吸入空气，混合气体从点火枪烧嘴喷出明火，可以点燃气割炬火焰。示意图如下：图3-10烧嘴e、其他配件此钢坯火焰清理机采用数控自动控制机械作业，清理轨迹要具有三轴两联动数控插补，所以还需要配备数控控制操作盘、数控系统、电器操作盘，由于该钢坯火焰清理机，是利用氧气和焦炉煤气的混合燃烧产生高温火焰对钢坯表面缺陷进行气割和熔除达到清理钢坯表面提高钢坯质量的原理，所以还需要能源控制系统（压力表、减压阀、截止阀、电磁阀等），另外，由于有些部件处于高温环境中，所以还需要设计水冷却系统、管道等。3.3 钢坯的输送装置设计输送机已有很长的历史，古埃及人在建造金字塔时，就已开始利用其“转动”的原理，搬运石材。今天，输送机被广泛用于各个行业。如矿山、港口码头、自动化生产线等。一般而言，输送机是可以连续地搬运物品的搬运机械。输送机可定义为：以上部构造作为支撑面，承载、移动所要搬运的货物的机械。美国输送机行业对输送机的定义是：从一定或任意的装载地到卸货地，经设定的路线，将散装、包装等搬运货物，以水平、倾斜及垂直方式进行搬运的机械设备。3.3.1. 输送机的分类及种类输送机的种类很多，分类方法也各有不同，按构造、传动方式区分有皮带输送机、链条输送机、辊子输送机、螺旋输送机、振动输送机、流体输送机、气垫式输送机、升降电梯输送机等。所以输送机器的设计有多种方案。钢铁矿业部门常用的输送机，采用辊子输送机型号比较多。本次设计选用辊子输送机。辊子输送机也称滚筒输送机。将穿过辊子中心线的轴的两端。固定在左右两侧的支架上，数个以上被固定的滚子按一间隔排列就构成了辊子输送机。辊子输送机按驱动方式分为：重力（驱动）辊道输送机和动力（驱动）辊道输送机两大类a. 重力辊子输送机重力辊子输送机是利用自重连续搬运物品的机械。严格讲输送机在呈倾斜状态时，是利用自重来搬送物品的，而在输送机呈水平状态时，就不是靠重力，而是要通过人力或其它外力来移动物品了。重力辊子输送机的优点：不需要动力、构造简单、维修费用低、价廉以及布局易变更等。缺点：1、由于是在倾斜的输送机上利用自重移动物品，输送机越长，由于加速度的原因而造成移动速度越来越快。2、重物品的移动速度快，轻物品移动速度慢或不移动。当轻、重物品同时被搬运，而物品的重量相差较大时，会因移动速度的差异发生物品碰撞，造成物品损伤或脱离辊道。b. 动力辊子输送机动力辊子输送机是将电机输出的动力，通过传动装置传给辊子，带动辊子旋转而搬运物品的机械。动力辊子的设计常用方案有以下几种：方案1：皮带驱动辊子输送机由皮带将电机的动力传给辊子，带动辊子旋转而搬送货物。根据使用皮带的类型可分为：圆型皮带，平皮带和V型皮带。优点：带式输送机运行可靠，输送量大，输送距离长，维护简便缺点：在特殊环境中工作的带式输送机，应采取耐热、耐寒、防水、防腐、防爆、阻燃等防护措施。对于气候的适应性差，易打滑和老化，必须有张紧装置使输送带达到必要的张力，以免在驱动滚筒上打滑。皮带容易跑偏及打滑，且不适合传动大件、高温的物件。方案2:链条驱动辊子输送机由链条将电机的动力传给辊子，带动辊子回转，通过辊子的回转搬运货运。链条驱动辊子输送机动作原理不通又分为：连续链型和辊子对辊子型。连续链型，通过安装在电机上的链轮带动链条转动，再通过焊接在辊子端部的链轮将链条的运动传达给辊子，带动辊子转动，搬运货运。图3-11连续型链条驱动辊子输送机优点：适用于高温、多尘、油、水及污染的环境，搬运重物及体积大的物品。缺点：不适合长距离传送重物，且对链条的张紧要求比较严格，往往需要单独设置链轮链条的张紧装置。图 3-12 辊子对辊子型所有辊子两两相连形成联动关系。例如，安装于电机上的链轮顺时针旋转时，通过链条带动辊子A、B的链轮同向回转， B辊子和辊子以链条在另一侧相连，辊子运动将带动辊子运动，以此类推，所有辊子将实现联动。这种输送机的优点：适用于高温、多尘、油、水及污染的环境，搬送较重的物品及需要频繁停机或逆转的场合。缺点：链轮与链条需要一定的张紧，需要设计张紧装置，因为以链条作为牵引件，输送速度不能过大，以防止增大动力载荷。链条驱动效率较低。长距离驱动，容易产生链条的脉动。方案3：齿轮啮合驱动电动机经减速器减速通过联轴器带动锥齿轮运动，然后经过锥齿轮的啮合带动滚筒运动。结构示意图如下图：图 3-13 齿轮啮合驱动辊子示意图通过齿轮传动辊子输送机的特点：优点：齿轮机构传动具有传递功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作可靠等优点。3.3.2 输送装置方案选取由于本次输送装置的设计是用来输送重量在824吨左右的钢坯，需要传递的功率范围大，传动过程中，工作可靠。由于钢坯是在高温下进行的清理，清理后钢坯还会保持着高温，所以不适合带式输送机输送。综上分析，本次设计采用方案3，齿轮啮合驱动式辊子输送机结构。图3-14 辊子安装三维结构示意图3.4 钢屑自动排屑机构 排屑机构是将机床产生的切屑，自动输送到指定位置的装置。它可以用于单台机床也可以用于多台机床的共同排屑，也可以是各种不同方式组合的排屑。3.4.1、 排屑机的分类：目前国内对排屑机设计，常用的思路有：磁式、履带链式、刮板式、螺旋式、大流量水冲涮和振动式几种。磁式，结构较复杂，排屑量较小，成本较高。履带式，用于各类材质各种状态的切屑。尤其适用团状、卷状得细长屑，排屑量较大，但是传动部分与铁屑不分离，易发生故障。螺旋式，结构简单排屑量大，但是一般不能单独使用，一般多用于偏离排屑中心线短距离输送。大流量水冲刷，排屑量较大，维修方便，故障率低，使用寿命长，但是，其占地面积大，使用费用较高，造价较高。振动式，使用于各种材质，各种切屑，但是噪声较大，对环境影响大。刮板式，适用于各种材质的断屑，成本低。3.4.2、 排屑机方案分析本课题的钢屑自动排屑机构采用刮板式思路。常见的排屑机安装有以下两种型式方案1：挖槽型图3-15 挖槽型刮板清理结构a、 排屑机理在车间地面沿机床排列方向挖一长沟，根据机床位置设若干投进屑口；安装刮屑刀片（刮板）的横支架一端安装液压油缸，作为动力往复推拉排屑器。排屑器每往返，钢屑就向前推进一段距离，经数十次推动后，钢屑即进入车间外面的集屑箱中，然后装车运走。b、 排屑器特点：该排屑器由槽钢、横支架、刀片、油缸构成，置于排屑槽体的上部。图3-16 刮板结构刮板和横支架连接采用销轴连接。当排屑器连接的液压缸往右方向运动时，刮板由于受到防护罩底盘上的切屑的阻力而绕销轴做顺时针方向翻转，此时支架上的a面与刮板上的b面逐渐远离开来，刮板的b面不受支架的作用力，刮板可以自由地绕销轴3做顺时针旋转而使下端抬起，从而将切屑留在原地，这样也实现了，使切屑只能向机床前端运动。此种结构优点是结构简单，但由于采用了液压缸驱动，成本较高。而且清理下来的铁屑具有高温，易导致液压缸爆炸等安全问题。方案2：机架型 图 3-17 机架式该设备特点：1、先通过漏斗状的容器把废屑收集起来然后通过由动力带动的运动的刮板把收集到的废屑排放到指定地点，此过程完全由设备自动完成，无需任何人力。2、投产大大提高了排屑的能力和生产的自动化程度，更重要的是能够提高企业的生产效率和管理水平。3、采用电动机经减速器联轴器。结论与展望本文设计的自动火焰清理机是用氧气和符合要求的可燃气体火焰废喷射钢坯表面去除氧化皮的设备。经过几个月的集体努力，获得了一些成果和结论。我们求得了曲柄连杆翻版机构中各个杆件载荷和直径的大小、曲柄翻转过程角度的变化。辊道传送得出了齿轮机构传动具有传递功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作可靠等优点。清理机中得出刮板可以自由地绕销轴做顺时针旋转而使下端抬起，从而将切屑留在原地，使得切屑只可以向排屑机前面排出。整体时间和空间上，各部分装配到一起去的时候应该注意相互之间怎样配合。随着我国制造业的发展，钢坯的作用越来越大。需要加工钢坯两面的地方越来越多。钢坯火焰清理机的出现使得工作效率提高几个等级，出现的人身安全事故也成倍的减少。为了满足生产需求我们小组做此设计来解决清理氧化皮问题，这是为了生产力的提高，为了解决实际问题才结的此题目。钢坯火焰清理的需求再将来的钢坯运用中有很大的好处。在不久的将来，此设计所说的方案定会在实习生产中大量的运用。参考文献1王勇勤.双臂曲柄摇杆式翻板机机构设计及改进.鞍钢技术.94年第6期2詹庭文.大型火焰切割机的开发与设计.上海冶金设计.93年 3胡坚.中板翻板机典型机构的运动分析.中国重型装备.08年第二期4贾景珍，荀凤超.双臂曲柄摇杆翻板机的优化设计.重型机械.10年第三期5罗迎社.材料力学.武汉理工大学出版社.01年7月第一版6吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册.高等教育出版社.06年5月第三版7纪名刚.机械设计.高等教育出版社.06年5月第8版8张建民.机电一体化系统设计.高等教育出版社.07年7月第3版9周良德，朱泗芳.现代工程图学.湖南科学技术出版社.02年9月第一版10韩柏荣，门式火焰切割机开条割炬升降结构.造船技术.1997第8期11胡坚.中板翻板机典型结构的运动分析.中国重型装备.1998致谢此毕业设计结束之际，大学生活也随着它走向完结。在几个月的设计时间里，我学到的东西是原本相同时间里面学到的几倍。它让我懂得怎样查找和运用资料、怎样去解决一个问题、怎样团队分工合作、怎样去探讨那些未知的事物以及其它学到的很多方面。有其各种细微处更加应该注意，往往都是细节出现错误影响总体上的运作。通过用Solidworks画三维图后，对软件的运用更加熟练。以前感觉学的许多科目没有实际意义，到现在觉得以前的专业知识不够扎实，给自己的设计过程带来了很大的麻烦。这次毕业设计培养了自己的综合能力、自学能力，从而适应未来社会的需要与科学技术的发展需要。培养了自己综合的、灵活的运用的发挥所学的知识。 特别感谢我们的导师胡自化老师对我们的悉心指导，在百忙之中抽出时间来帮我们解决问题。胡老师给我们提供的资料使得我们的毕业设计更加完善。我觉得通过此次毕业设计，让我懂得怎样去设计一个产品，怎样去分析每一个设计部分的可行性，培养了我的一种设计思维，给我以后的工作和学习中提供了一个模板。附录一：英文文献原文 附录二：英文文献翻译叠层陶瓷喷嘴的冲蚀磨损（译文）邓建新，刘丽丽，赵进龙，孙军龙山东大学机械工程系，中国山东省济南 250061，接稿 2006 年 3 月 31 日；收搞 2006 年 6 月 30 日摘要SiC/（W,Ti)C叠层结构的陶瓷喷嘴通过热压成形，热压是为了减少喷嘴进出口区域的拉应力。在合成物的烧结过程中由于SiC和(W,Ti)C固溶体的热量膨胀系数和收缩率不同将导致残余应力产生，通过有限元方法可以分析该残余应力。叠层陶瓷喷嘴的冲蚀磨损是由沙粒的冲击产生，这个实验结果和一个在相同条件下不受压应力的参考喷嘴实验结果相比较而得。这个实验的结论已经表明叠层陶瓷喷嘴比相类似的自由应力喷嘴有更高的抵抗冲蚀磨损性能。1.引言喷沙处理是一个研磨的加工程序并且广泛地作为表面的加强1,表面的修正2表面的清理和除锈,等等。它适用于硬且脆的材料, 易延展的金属，合金和非金属的材处理。在沙喷的过程中，从喷嘴里出来的高速喷射的精细研磨微粒和载流气体撞击目标对象的表面来冲蚀该表面。精细微粒通常由高于几倍大气压的气流来加速。粒子直接对表面进行处理。当粒子冲击表面时, 粒子引起一个小的破碎，气流会将研磨粒子和已破碎的粒子带离去。喷嘴是喷沙设备中最紧要关头的部份。有许多因素影响力喷嘴的磨损如：流量率和冲击角度，冲蚀研磨剂性能，喷嘴的材料和它的几何形状，温度。有高耐磨性的陶瓷有很大的潜力做为沙喷的喷嘴材料。一些研究已经显示陶瓷喷嘴的进口区域展现了一个感应去除程序的脆性破碎而中央的区域显示出材料切除模态的耕犁类型。在沙喷中当冲蚀的微粒以高的角度 ( 将近 90 ) 冲撞喷嘴进口区段 (见到图1) ，喷嘴进口区域遭受形严重的研磨冲击, 这可能引起大的张应力。最高的张应力位于喷嘴的进口区域。因此，喷嘴进口区域的冲蚀磨损相对于中心区域的磨损来说，总是严重的。图1 沙喷过程中冲蚀粒子与喷嘴间的作用示意图 由不同材料的交替层构成的叠层混合结构能适当地被设计, 促使对一个表面产生压缩残余应力，从而提高了表面的机械性能和耐磨性。残余应力增大主要是在于热膨胀系数 (CTE) ，烧结率，相阶段和相邻层的弹性模量之间的搭配, 并且残余应力区域决定于分层的结构几何形状和层之间的厚度比率。 Toschi 等人报告叠层混合结构能改善氧化铝的滑动耐磨性。Portu 等人表明表面区域受压缩残余应力的叠层结构组成而得的混合物材料能具备更好的磨擦性能。邓教授等人证实倾斜的陶瓷喷嘴能展现出比一般位置的陶瓷喷嘴更高的耐磨性。 目前的研究中, SiC/(W,Ti)C 叠层结构的陶瓷喷嘴为了要在喷嘴的进出口区域减少张应力 , 靠热压的方式生产。在烧结过程式中叠层喷嘴的残余应力由有限元方法计算而得。叠层陶瓷喷嘴冲蚀磨损对照于相同的条件下一个不受应力的叁考喷嘴而被考查。2材料和实验步骤2.1. 准备叠层陶瓷喷嘴材料SiC /(W,Ti)C 开始的材料是(W,Ti)C固溶体粉末，平均颗粒大约为0.8m，纯度为 99.9% 。SiC粉末的平均颗粒大约为1m，纯度为 99.8%。六种不同含量的 (W,Ti) C(55,57,59,61,63,65 vol.%)被选择去设计六层结构SiC /(W,Ti)C叠层喷嘴材料。叠层陶瓷喷嘴材料的成分分配在图 2 被显示。它指出叠层喷嘴材料的成分分配在喷嘴轴的方向中改变。如SiC的热导率比 (W,Ti) C 的更高, 当它的热膨胀系数比 (W,Ti) C 的更低时候, SiC的最高含量的层被提出在进入层和出口层中两地方 ( 见图 2.1 a) 。相似的无应力的喷嘴没有成分变化在图中 2(b) 被显示。叠层陶瓷喷嘴在进入和出口两区域叫做 GN-3, 无压应力喷嘴叫做 CN-2 。 图2.1a为陶瓷喷嘴在进口和出口区域（ GN-3 ）辗压的照抄原文/ （ W ， Ti ） C 成分分配示意图； b 为相似的无应力喷嘴（ CN-2 ）SiC/(W,Ti) C 以六种不同混合比合成的粉末被分别地在酒精中和接合的碳化物球体研磨 80 个小时而成湿球来作准备。在弄干之后，和不同的混合比的混合物粉末依次被叠压进入模子之内。这时样品在流动的氮气中以 30 MPa 压力 ,1900 温度热压 40 分钟。2.2.喷沙测试如图2.2.1所示，空气喷射研磨机床 ( GS-6 类型) 的示意图，它由一个空气压缩机，一只喷射枪，一个控制阀，粒子供应管，一个过滤器，一个干燥器，一个调压阀，灰尘捕捉器，一个研磨漏斗 , 和一个喷嘴。气流流程率被被压缩的空气控制，而且研磨粒子的速度经过喷嘴被调整为 60 米/ 秒。图2.2.1 空气喷射研磨机床的示意图（ 1 ）空气压缩机，（ 2 ）控制阀，（ 3 ）过滤器，（ 4 ）干燥器，（ 5 ）调压阀，（ 6 ）吸尘器，（ 7 ）喷枪）（ 8 ）研磨漏斗，（ 9 ）陶瓷喷嘴）。被用于这一项研究的冲蚀研磨剂是 50150m谷粒大小碳化硅粉末。作为干沙喷射的SiC粉末的SEM显微图在图4中所示。图2.2.2 沙喷中被用的SiC研磨剂的SEM显微图内直径 8 毫米和长度 30 毫米的喷嘴由SiC /(W,Ti) C 的叠压结构 (GN-3) 制造而成，无压应力结构 (CN-2) 被热压制造而成，如图2.2.3所示。图2.2.3 GN-3 叠层陶瓷喷嘴的照片 磨损的喷嘴损失量被一个精确的电子称测量。 ( 最小量 0.1 毫克) 。 所有的测试情况在表一中被列出。喷嘴的冲蚀率 (W) 被定义为喷嘴损失量除以喷嘴密度 d和冲蚀研磨粒子的乘积: W的单位为 。有限元方法 (FEM) 被做为一种数字地分析在制造过程中叠层陶瓷喷嘴的残余应力和它的分布状态的方法。为微小损害的观察和冲蚀机制的检测, 磨损的喷嘴被轴向地分为区段。喷嘴的被侵蚀的孔表面由扫描电子显微镜检查。3结果和讨论3.1 叠层喷嘴材料的显微结构特征和性能 硬度测量在 GN-3 叠层喷嘴材料的横截面面的每层上放着维氏压痕处操纵。压痕负荷是 200 N ，这时每层的三个压痕的最小量被测试。每层的维氏硬度 (GPa)靠（P是压痕负荷（N），2是压痕对线的长度）计算所得。每层 GN-3 叠层喷嘴材料的硬度被列出在表二中。 GN-3 叠层陶瓷的喷嘴材料磨光的每层SEM显微图如图3.1所示。黑色的区域被 EDX 分析鉴别为SiC, 和鲜明的对比白色的区域是(W,Ti)C。可以被看到，SiC粒子非常匀均地在显微结构中普遍分布, 多孔性事实上是不存在的。图3.1 GN-3 叠层陶瓷的喷嘴材料磨光的每层SEM显微图（a）第一层（进口区域），（b）第二层，（c）第三层，（d）第四层，（e）第五层，（f）第六层3.2 叠层喷嘴的残余应力 制造过程中的叠层陶瓷喷嘴的残余应力被假设箱子从烧结温度1900冷却到室温 20经由有限元方法计算。（W，Ti）C和SiC的热机械性能依下列各项所得: 由于对称，轴对称的计算被推荐。假定它是稳定状态边界条件，在GN-3叠层喷嘴中从烧结温度冷却到窒温过程中轴向的，径向的。很明显，一个额外的压缩残余应力在GN-3叠层喷嘴进口与出口区域处被形成。图3.2 GN-3叠层喷嘴在制造过程中的(a)轴向的()，(b)径向的()，(c)圆周向的()残余应力沿喷嘴轴向不同位置的分布3.3 叠层喷嘴的冲蚀磨损GN-3 叠层陶瓷喷嘴的冲蚀磨损靠在沙喷时和 CN-2 无应力陶瓷喷嘴对比来被评定。图3.2显示GN-3和CN-2喷嘴在沙喷过程中累积的损失量。很明显累积的损失量随着操作时间不断地增加。在相同实验条件下，与 GN-3 叠层喷嘴比较,CN-2 无压应力喷嘴有更高的累积损失量。图3.3 a GN-3 喷嘴和 CN-2 无压应力喷嘴在沙喷过程中累积的损失量磨损的陶瓷喷嘴在操作之后在纵向的方向被切断，出现分析失败。图3.3 a所示为操作 540分钟后的GN-3 和 CN-2 喷嘴的内部孔的轮廓相片。它被表明沿着喷嘴纵向的方向磨损的 CN-2 喷嘴的内部孔的直径是比磨损的 GN-3 叠层喷嘴更大, 尤其在喷嘴进口区域。图3.3 b 操作540分钟后的GN-3和CN-2喷嘴的内部孔的轮廓相片 GN-3 和 CN-2喷嘴进口孔直径随着冲蚀时间而变化的结果如图3.3 b所示。它被指出CN-2无压应力喷嘴进口孔的直径随操作运行时间而扩大得很快。然而GN-3 叠层喷嘴进口孔直径慢慢地随操作运行时间增大。图3.3 d表示沙喷过程中GN-3 和 CN-2 喷嘴的冲蚀率对比。显而可见，无压应力喷嘴的冲蚀率比叠层喷嘴的冲蚀率更高。因此，很显然在相同测试条件下 GN-3 叠层喷嘴比起GN-2 无压应力喷嘴展现了较高的冲蚀耐磨性。图3.3 c GN-3 和 CN-2喷嘴进口孔直径随着冲蚀时间而变化图3.3 d 沙喷过程中GN-3 和 CN-2 喷嘴的冲蚀率对比图3.3 e 表明受磨损的 CN-2 无压应力喷嘴的进口孔的表面 SEM 显微像。从这些 SEM 显微像, 喷嘴的不同形态学和破碎模态能被清楚地看见。CN-2 无压应力喷嘴在进口区域处以非常脆的方式中失败, 而且展现了一个促使去除处理的脆性破碎。位于喷嘴孔表面上有许多明显的凹坑，该表面表示脆性破碎发生的表面。呈现在GN-3 叠层陶瓷喷嘴被侵蚀的进口孔表面的典型SEM图 如图3.3 f所示。显而可见，叠层喷嘴受侵蚀的区域的出现表示与无压应力喷嘴受侵蚀的区域相比，它有一个相对平滑的表面。图3.3 e受磨损的CN-2无压应力喷嘴的进口孔的表面 SEM 显微像图3.3 f 受磨损的GN-3叠层陶瓷喷嘴的进口孔表面的SEM图因冲蚀磨损而失败的陶瓷喷嘴通常由在喷嘴进口区域受大的张应力的破碎所引起的 11-15。因为喷嘴进口区域遭受严重的研磨冲击, 而且产生大的张应力,这可能引起表面下的侧部裂缝而且促进了材料碎片的去除.因此，喷嘴在进口区域处的冲蚀磨损依赖于压应力的分布。一旦最大的张应力超过喷嘴材料的极限强度，将会发生破碎。在进口区域和出口区域根据压缩残余应力的形成而分析， GN-3 叠层喷嘴比 CN-2 无压应力喷嘴具有较高的冲蚀耐磨性。当计算以上数据之时,在从烧结温度到室温的制造过程中，GN-3 叠层喷嘴的进口区域和出口区域处将形成受压的残余应力，它可能会部份地与产生外部负载的喷嘴的进出区段处的的张应力相抵消。这影响可能导致增加对破碎的抵制, 因此增加了叠层喷嘴的冲蚀耐磨性。4结论SiC/(W,Ti)C叠层陶瓷喷嘴通过热压而制造。目的是在沙喷过程间减少喷嘴在进口和出口的区域的张应力。特别注意的是叠层陶瓷喷嘴的冲蚀磨损。结果表示了相对于类似的无压应力陶瓷喷嘴，叠层陶瓷喷嘴有上好的冲蚀耐磨性。可靠的机制被解释作为在制造过程中叠层陶瓷喷嘴进口和出口两区域压缩残余应力的形成，它可能会部份地与产生外部负载的张应力相抵消。叠层结构在陶瓷喷嘴中是一种有效的改善无压应力陶瓷喷嘴的冲蚀耐磨性的方法。鸣谢该研究受到了“中国 (50475133) 的国家自然科学基金”“高等教育 (20030422105) 的博士计划专门研究基金”，“山东省 (Y2004F08) 自然科学基金”和“大学（NCET-04-0622）新世纪杰出人才计划”的大力支持。参考文献1李国英，曲面工程，北京，机械工业出版社，19982邓建新，改良的机器制造陶瓷合成物表面完整性和可靠性的技术，曲面工程2000； 16(5):411 4.3Raykowski A，燃气蜗轮机混合涂料的喷射清洁，存放移动和基体变形。磨损2001;249:12732.4Djurovic B ，纤维合成物的涂料移动和使用淀粉媒体喷射的铝。磨损 1999;224:2237.5Oka YI ， Ohnogi H 。坚硬的粒子冲击引起冲蚀损
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