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高压水射流喷丸机床的设计(含CAD图纸和说明书)

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编号:108384511    类型:共享资源    大小:2.44MB    格式:ZIP    上传时间:2020-12-31 上传人:机****料 IP属地:河南
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高压 水射流 机床 设计 CAD 图纸 说明书
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内容简介:
摘 要超高压水射流喷丸机床的设计,主要是针对普通超高压水射流切割机床进行的改造,使其具有对工件进行喷丸硬化处理功能。控制系统利用微机对纵横系统开环控制,驱动元件采用直流步进电机,传动系统采用滚珠丝杠,导向装置采用滚动导套副,夹紧装置为专用旋转夹具对工件实现连续等角速度旋转和按一定角度间休转动。由微机发出指令,驱动步进电机,然后带动滚珠丝杠转动,实现工件的周转运动。本设计详细介绍了水射流数控喷丸机床的总体结构,工作原理和结构设计。关键词: 喷丸机 超高压水射流 步进电机 滚珠丝杠 滚动导套AbstractThe design of superhigh pressure water jet stream blast peening rotoblast machine tool , mainly the remolding of ordinary high pressure water jet stream cutting-off machine tool , has the function of peening disposal to the work piece . The control system utilizes microcomputer to make open loop control toward the vertical-horizontal system , the drive elements use the direct-current step-servo motor , drive system applies the ball screw , the deflector adopts rolling guide-post bushings , and chucking fixture uses special rotating fixture in order to achieve the work piece continuous rotating with angular speed or intermittent rotating with a certain angle . The whole procedure is as follows : microcomputer sends out commands to drive the step-servo motor and bring along the ball screw rolling , then realizes turnover sports of the work piece . All of the above recommends in detail the overall structure , the working thesis and the original design of water jet stream numeric control blast peening rotoblast machine tool .Keyword:Blast peening rotoblast machine tool The superhigh- pressure waterjet Step-servo motor The ball screw Flowing guide-post bushing 72 第1章 绪论1.1 喷丸机概述及发展现状 喷丸强化加工因其具有提高金属构件抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力的优点而得到广泛的应用。它产生于本世纪20年代,最先在汽车工业中应用。60年代之后,又在航空行业中得到更广泛的应用。飞机和发动机中一切关键承力件经过喷丸强化之后,其强化效果之显著,成本之低廉,使得所有其它表面强化工艺都相形见错。 喷丸是使受喷材料在再结晶温度下进行的一种冷加工方法,加工过程由弹丸流在很高的速度下撞击受喷表面而完成的。每颗弹丸好比一只微小的锤头锤击受喷工件,在它的表面形成一个很小的凹坑,见图1-1。弹丸撞击受喷工件图1-1时,工件表面迅速伸长,从而引起表层材料在一定深度范围内的塑性流动(塑性变形)。变形层的深度取决于弹丸撞击程度和材料的力学性能,通常变形层深度可达0.12-0.75mm。改变喷丸参数,也可以得到高于或低于上述数值的变形层深度。 当喷丸引起表面材料塑性变形时,与表层相连接的次表层材料也将由于表层变形而发生变形。但与表层相比较,次表层的变形程度较小,并未达到该材料的屈服点而保持弹性变形状态,因此,表层与次表层的这种不均匀塑性变形,能引起材料受喷后表面层的应力场(即应力分布的)改变。 实验表明,喷丸后表层呈现残余压缩应力,而在一定深度的次表层则为拉伸应力。表层的残余压缩应力可比次表层的拉伸应力高达数倍。这种残余应力分布模式很有利于疲劳强度和抗应力腐蚀性的提高。 喷丸采用的专门设备,按照驱动弹丸的方式,可分为叶轮式喷丸机、气动式喷丸机和液动式喷丸机三大类。喷丸机又有干喷和湿喷之分。干喷工作条件差;湿喷是将弹丸混合在液体中,呈悬浮状,然后喷射工件表面,工件条件有所改善。喷丸机中还有一个使零件做所需运动的机构,成为转胎。 喷丸用的弹丸都是圆形弹丸,直径为0.05-1.2mm不等。常用的弹丸有铸铁、铸钢弹丸,还有钢弹丸,玻璃弹丸,硬质合金弹丸等。喷丸时弹丸材料和直径的选择,将根据需喷丸的零件特点决定,要保证弹丸直径小于需要强化的沟槽圆角的尺寸。1.2 高压水射流加工技术“水滴石穿”体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身潜在的威力,然而,作为一项独立而完整的加工技术,高压水射流(WJ)、磨料水射流(AWJ)的产生却是最近三十年的事,利用高压水为人们的生产服务始于十九世纪七十年代左右,用来开采金矿,剥落树皮,直到二战期间,飞机运行中“雨蚀”使雷达舱破坏这一现象启发了人们思维。直到本世纪五十年代,高压水射流切割的可能性才源于苏联,但第一项切割技术专利却在美国产生,即1968年由美国密苏里大学林学教授诺曼弗兰兹博士获得。在最近十多年里,水射流(WJ、AWJ)切割技术和设备有了长足进步,其应用遍及工业生产和人们生活各个方面。许多大学、公司和工厂竞相研究开发,新思维、新理论、新技术不断涌现,形成了一种你追我赶的势头。目前已有3000多套水射流切割设备在数十个国家几十个行业应用,尤其是在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难技术上更显优势。已可切割500余种材料,其设备年增长率超过20。 超高压水射流加工是利用高压、高速的细径液流作为工作介质,对工件表面进行喷射,依靠液流产生的冲击作用去除材料,实现对工件的切割。稍微降低水压或增大靶距和流量,还可以进行高压清洗、破碎、表面毛化、去毛刺及强化处理。超高压水射流与激光、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。自20世纪80年代末以来,我国依靠自己的力量,自主开发成功了各类超高压水射流切割设备,并开始了大量的工艺试验研究。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。 中国自古有“滴水穿石”之说,如今利用超高压水射流技术切割石材和其他材料已成为现实。将过滤后的工业用水加压至100-400MPa再经过直径0.08-0.15mm的喷嘴孔后,形成500-900m/s的超高速细径水柱,功率密度高达106w/mm2,可以切割塑料、石棉、碳纤维等软质材料。在超高压水射流中混入磨料,磨料颗粒便被加速,形成磨料高压水射流,可以切割石才、金属等硬质材料。 图1-2所示为超高压水射流切割原理图。存储在水箱1中的水经过过滤器2处理后,由水泵3抽出送至蓄能器4中。液压机构5驱动增压器6使水压增高,高压水经控制器7阀门8和喷嘴9喷射到工件10上的加工部位进行切割。切割过程中产生的切屑和水混合在一起排入水槽11。 图1-2 超高压水射流切割原理图1水箱 2过滤器 3水泵 4蓄能器 5液压机构 6增压器7控制器 8阀门 9喷嘴 10工件 11水槽 12夹具 超高压水射流本身具有较高的刚性,在与工件发生碰撞时,会产生及高的冲击动压和涡流。从微观上看,相对于射流平均速度存在着超高速区和低速区(有时可能为负值)因而超高压水射流表面上虽为圆柱模型,而内部实际上存在刚性高和刚性低的部分。刚性高的部分产生的冲击动压使传播时间减少,增大了冲击强度,从宏观上看起快速楔劈的作用;而低刚度部分相对于高刚度部分形成了柔性空间,起吸屑排屑的作用。两者的结合,正好象使其在切割材料时犹如一把轴向“锯刀”加工一样。 超高压水射流使用廉价的水作为工作介质,是一种冷态加工新工艺,属于绿色加工范畴,是目前世界上先进的切割工艺方法之一,它可以切割各种金属、非金属材料,各种硬、脆、韧性材料,在石才加工等领域具有其他加工方法无法比拟的优势。 目前超高压水射流加工技术存在的主要问题是:喷嘴的成本高,使用寿命,切割速度和精度仍有待进一步提高。1.3 高压水射流数控机床 自1983年,磨料射流切割技术作为冷切割新技术、新工艺在美国进入实用阶段以来,以其独特的优势得到了迅速发展,目前广泛地应用于众多工业部门。 我国第一台高压水/后混合磨料射流切割设备SHG-1双坐标数控高压水切割机,于1985年由航空工艺研究所研制成功。SHG-1双坐标数控高压水切割机床的主要技术规格及性能:(1) 切割对象 任何金属或非金属板材(2) 切割头最大工作行程 X轴(纵向) 1m Y轴(横向) 1m(3) 切割头最高移动速度 9m/min(4) 切割厚度 取决于被切割材料的性质及对切口断面要求(5) 喷嘴个数 1个(6) 喷嘴直径 0.1mm-0.4mm(7) 切割精度 水切割 磨料切割 (8) 喷嘴出口最高压力 385MPa(9) 增压器类型 11X-2(10) 喷嘴控制形式 气动喷嘴开关阀(11) 控制系统 FANUC-3M (12) 水消耗量(最大) 切割用水 4.7L/min 冷却用水 27L/min(13) 压缩空气 压力 0.5MPa-0.7MPa流量 0.4 L/min(14) 机床外廓尺寸 (长宽高)3.2m2.6m1.9m 工作时,可按被加工工件图形所编制的程序高精度地自动切割,可用于各种批量的下料切割及零件的补充切割。用直径为0.3mm的喷嘴,压力为385MPa的水射流,以1000mm/min的切割速度,能够切透6mm厚的芳纶/环氧,切口质量好;用直径为0.3mm的水喷嘴,直径为1.6mm的磨料喷嘴,压力为200 MPa的后混合磨料射流,以1000mm/min的切割厚度,能够切透1mm厚的钛板,切口质量很好。 2000年由上海大学研制成功了高性能高压水/前混合磨料射流切割设备JSQ-1010型磨料水射流数控切割机床,该机床的特点是: (1) 机床工作台由收集箱、左右支架、滚动丝杠、导向轴、台面框和磨料喷嘴架组成龙门式结构。工作台面尺寸为1m1m,平面内x、y方向进给采用步进式电动机直接带动滚珠丝杠副,实现喷嘴的平面运动。 (2) 数控系统采用工业计算机为硬件平台,以Windows 98操作系统为软件平台,具有自动编程、加工程序编辑、加工轨迹图形仿真、图象转换和网络通讯功能。(3) 机床的重复定位精度达0.05mm以内,最大切割速度为3m/min。(4) 采用侧孔式磨料供给系统,供料均匀、不堵塞。 目前虽然磨料射流切割设备的形式较多,但其组成基本类同,主要包括供水系统、增压系统、磨料供给系统、切割头装置、运动控制系统、工作台、收集箱等几部分。 (1) 供水系统 将水质软化,使pH值达到6-8,并滤去水中粒径大于0.45m的尘埃、微粒、矿物质沉淀物等,以避免对水喷嘴的堵塞,减轻对通流部件的磨损和腐蚀,延长各部件的使用寿命。 (2) 增压系统 将水增压到工作压力,主要用柱塞泵或增压泵。(3) 磨料供给系统 保证均匀、连续、精确地供给磨料。 (4) 切割装置 将工作介质的压力能转变为动能,产生高能流束切割工件。 (5) 运动控制系统 控制切割头运动,实现二维或多维切割。控制方式有手动、机动、NC和CNC等。(6) 工作台 安装固定工件和导向。 (7) 收集箱 置于切割工作台下面,回收切割后的水和磨料,吸收切割后剩余能量,具有集液、消能、降噪、防溅和安全保护等作用。1.4 高压水射流数控机床1.4.1高压水射流喷丸机工作原理 高压水射流喷丸加工是一种以水为介质的新型加工工艺,它市将普通水经过特殊处理后注入一个超高压增压系统,迅速将水增压到380MPa以上,然后再将这种高压水输送到弹丸喷头,经水喷嘴喷出形成高压水射流,并在混合室产生一定的高压。弹丸罐中的弹丸在自重作用下流入下部的供水管路中,靠外界大气压与混合室之间的压力差在管路中形成的气力运输效应将钢丸输送到混合室,并与水射流发生剧烈的掺混和动量交换后,经磨料弹丸喷嘴喷出形成弹丸射流。高压水射流喷丸机的工作原理是靠“抽吸”作用实现输送介质的,因此效率低、混合效果差。但其钢丸供给均匀、能实现精确连续供丸、易调节,故本设计选用。 初定选用龙门式机架结构其工作原理示意图如图1-3所示,即喷嘴安装在切割头上,沿X轴作直线运动。同时,横梁还可沿轴在工作台上作直线运动。硬化处理时,工件固定在工作台(水槽)或专用夹具上,切割头在横梁上沿X轴作直线运动;横梁沿Y轴作直线运动。初定X轴、Y轴均采用滚珠丝杠驱动装置和线性导轨,这样可以具有高度的运动精度,在数控系统的程序控制下可实现对平图1-3 超高压水射流喷丸机工作原理图面运动。初定X轴、Y轴均采用滚珠丝杠驱动装置和线性导轨,这样可以具有高度的运动精度,在数控系统的程序控制下可实现对平面及曲面的表面硬化处理。1.4.2高压水射流喷丸机床系统组成 高压水射流喷丸机主要包括高压增压器、超高压增压器、蓄能器、高压水/钢丸喷射系统、机械系统、CAD控制器及CAD/CAM套装软件。当常态水被高压增压器加压后,压力可增至15MPa以上,然后进入超高压增压器,经柱塞加压后,压力可增达382MPa再进入蓄能器管腔中,消除高压脉动,经高压喷嘴喷出,在混合室掺混钢丸后钢丸获得巨大能量。1.4.3 高压水射流喷丸机床的设计任务及其创新性1、设计任务 本次设计主要对高压水射流喷丸机的机械系统进行整体设计,设计数据参数如下:(1) 喷头最大工作行程 X轴(纵向) 1m Y轴(横向) 1m(2) 喷头 最高移动速度 15m/min 最大工作速度 3m/min(3) 喷嘴数量 1 个(4) 靶距 H=200mm(5) 旋转夹具 所夹工件最大轴径 50mm所夹工件最大长度 700-800mm2、创新性 在已有的系统基础上利用水射流产生的强大压力结合表面处理工艺使该系统在原有基础上具有对工件进行喷丸硬化处理的功能,以提高机床的实用价值。随着现代化技术的发展,工业用计算机早已普及,在用户承担的费用增加不多的情况下能够实现多用途加工,减小工时等优越条件,具有良好发展前景。第2章 传动部件的设计计算及校核2.1 滚珠丝杠副基本结构与特点2.1.1 滚珠丝杠副的组成 滚珠丝杠副是在滚珠丝杠和滚珠螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件(见图2-1)。 在滚珠螺母体上装有滚珠循环装置,又称反向器,它构成滚珠返回通道,使滚珠在闭合回路中形成滚珠链的反复循环运动。避免了滚珠顺着滚道螺旋面滚到滚珠螺母外面。 滚珠丝杠副由滚珠、滚珠丝杠、滚珠螺母、滚珠循环装置(又称反向器)组成(见图2-2)。这些基本件缺一不可。根据需要滚珠丝杠上还可以增加如防尘用的密封件、滑用的润滑件、预紧零件等。c)图2-1 滚珠丝杠副1-螺母钢球 2-挡球器(图a) 3-返向器(图b) 4-丝杠 在滚珠螺母体上装有滚珠循环装置,又称反向器,它构成滚珠返回通道,使滚珠在闭合回路中形成滚珠链的反复循环运动。避免了滚珠顺着滚道螺旋面滚到滚珠螺母外面。 滚珠丝杠副由滚珠、滚珠丝杠、滚珠螺母、滚珠循环装置(又称反向器)组成(见图2-2)。这些基本件缺一不可。根据需要滚珠丝杠上还可以增加如防尘用的密封件、滑用的润滑件、预紧零件等。图2-2 滚珠丝杠副的组成2.1.2 滚珠丝杠副的基本结构 滚珠丝杠副的结构主要可以按滚道螺旋面的法向截型、滚珠的循环方式、滚珠丝杠副轴向间隙的预紧方式分类。(1) 按滚道螺旋面的法向截型分类通过滚珠中心并垂直于滚道螺旋面的平面和滚道表面的交线称滚道法向截形,常用的滚道法向截形有两种:单圆弧形和双圆弧形。(2) 按滚珠循环方式分类1) 内循环滚珠丝杠副:滚珠在循环过程中,始终不脱离滚珠丝杠表面。2) 外循环滚珠丝杠副:滚珠在循环反向时,离开滚珠丝杠外表面。(3) 按轴向间隙的调整及预紧方式分类滚珠丝杠副在工作状态下滚珠与螺母、丝杠的接触点的应力和变形情况饿一般的角接触球轴承十分相似,两者区别主要在于前者滚道是一螺旋面,后者滚道是一圆环面。滚珠丝杠副按预紧方式分类(见表2-1)所示。内循环浮动式反向器固定式反向器外循环插管式埋入凸出螺旋槽式端盖式表2-1 循环方式2.1.3 滚珠丝杆副传动的特点(1) 传动效率高,摩擦损失小。滚珠丝杠副传动的效率=0.920.96,比常规的丝杠螺母副提高34倍(滑动丝杆效率为0.20.4)。因此,功率消耗只相当于常规丝杆螺母副的。 (2) 给予适当预紧,壳消除丝杆和螺母的螺纹间隙,反向时就可以消除空程死区,定位精度高,刚性好。(3) 启动力矩小,运动平稳,无爬行现象,传动精度高,同步性好。(4) 有可逆性,可以从旋转运动转换为直线运动,也可以从直线运动转换为旋转运动,即丝杆和螺母都可以作为主动件。(5) 磨损小,使用寿命长,精度保持性好。(6) 制造工艺复杂。滚珠丝杆和螺母等元件的加工精度要求高,表面粗糙度值特别小,制造成本高。(7) 不能自锁。特别是对于垂直丝杠,由于重力作用,下降时当传动切断后,不能立刻停止运动,故常需添加制动装置。2.1.4 典型滚珠丝杠螺母副的结构图23 单螺母外循环滚动螺旋副1螺母 2套 3钢球 4螺旋槽返回通道 5挡球器 6丝杠 图24 双螺母外循环螺纹调整式滚动螺旋副1、7螺母 2挡球器 3钢球 4丝杠 5垫圈 6圆螺母图25 双螺母内循环垫片调整式滚动螺旋副1、6螺母 2调整垫片 3返向器 4钢球 5丝杠图26 双螺母内循环齿差调整式滚动螺旋副1、6螺母 2内齿圈 3返向器 4钢球 5丝杠2.1.5 轴向间隙的消除轴向间隙通常是指丝杠和螺母之间无现对转动时,丝杆螺母之间的最大轴向窜动。除了结构本身的游隙之外,在施加轴向载荷以后,还包括了弹性变形所造成的窜动。滚珠丝杆副通过预紧的方法消除间隙时应考虑下列情况:预紧载荷能够有效的减少叹息功能变形所到来的轴向移动,但是过大的预紧载荷将增加摩擦阻力,降低传动效率,并使寿命大为缩短。所以,一般要经过几次调整才能保证机床在最大轴向载荷下,既消除了间隙,又能灵活运转。减少间隙常采用双螺母消隙。常有以下几种:()双螺母尺差预紧(图27a),在这个结构上两个滚珠丝杠螺母上切有内齿轮,齿数分别为和,且,双联齿轮上齿数也分别为和。齿数相同的齿轮相啮合。调整预紧力时,需将滚珠螺母从滚珠丝杠上拧下。将滚珠螺母体与双联齿轮脱开,然后两个滚珠螺母体向相同方向各转动一个齿,再与双联齿轮啮合,这样两个滚珠螺母在圆周方向有了相对旋转。滚珠螺母体与滚珠丝杠的接触点就产生了轴向位移。当时,。这种结构复杂,成本高,调整预紧力不方便,因此使用不广泛。但调整精度高,适用于要获得准确预紧力的传动。()双螺母对旋预紧(图27b)。调整预紧力的原理与双螺母齿差相同。有两个滚珠螺母体相反方向的旋转导致两个滚珠丝杆的接触点产生轴向位移。预紧力调整好之后,在中间隔圈上需打防松定位销。这种结构在双螺母预紧结构中轴向尺寸最小,但防松不够可靠,调整也不够方便。仅适用于轻载荷、预紧力不大的传动。 (a)(b) 图27 双螺母齿差预紧 (a. 齿差预紧 b. 对旋预紧)()双螺母垫片预紧(图28)。其中图a属于拉伸预紧,预紧力对滚珠丝杆产生拉应力。图b属于压缩预紧,预紧力对滚珠丝杆产生压应力。()双螺母螺纹预紧(图29)。导向平键限制两个滚珠螺母的相对运动。右边一个滚珠螺母上装有调整螺母,调整预紧力时,不需将滚珠螺母从滚珠丝杆上拧下来,只需旋转调整螺母使右边滚珠螺母的轴向位置改变到即可。预紧力调整方便,但预紧力较难精确控制。这种结构径向尺寸大、轴向尺寸长,结构复杂。有时为减小径向尺寸,不用衬套,直接将两个滚珠螺母装入有键槽的螺母座中。图2-8 双螺母垫片预紧()双螺母螺纹预紧(图29)。导向平键限制两个滚珠螺母的相对运动。右边一个滚珠螺母上装有调整螺母,调整预紧力时,不需将滚珠螺母从滚珠丝杆上拧下来,只需旋转调整螺母使右边滚珠螺母的轴向位置改变到即可。预紧力调整方便,但预紧力较难精确控制。这种结构径向尺寸大、轴向尺寸长,结构复杂。有时为减小径向尺寸,不用衬套,直接将两个滚珠螺母装入有键槽的螺母座中。图29 双螺母螺纹预紧比较以上的四种结构方式,我们采用双螺纹调隙式结构。2.1.6 滚珠丝杠的安装与支承1、滚珠丝杠副轴端的支承形式数控机床的进给要获得较高的传动刚度,除了加强滚珠丝杠螺母副本身的刚度外,滚珠丝杠正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座丝杠端部的轴承及其加工的不精确性和它们在受力之后的过量都会给进给系统的传动刚度带来影响。因此,螺母座的孔与螺母之间必须保持良好的配合,并应保证孔对端面的垂直度。螺母座应增加适当的筋板,并加大螺母座和机床结合部件的接触面积,以提高螺母座的局部刚度和接触刚度。滚珠丝杠的不正确安装以及支承机构的刚度不足会使滚珠丝杠的寿命大为下降。滚珠丝杆常用推力轴承支承,以提高轴向刚度(当轴向负载很小时,也可用角接触轴承),滚珠丝杠在机床上的安装支承方式有以下几种:(1)一端装推力轴承 如图a ,这种安装方式的承载能力小,轴向刚度低。只适用于短丝杆,一般用于数控机床的调节环节或升降台式数控铣床的立向(垂直)坐标中。(2)一端装推力轴承,另一端装向心球轴承 如图b ,此种方式可用于丝杠较长的情况。应将止推轴承远离液压马达热源及丝杠上的常用段,以减少丝杠热变形的影响。(3)两端装推力轴承 如图c ,把推力轴承装在滚珠丝杆的两端,并施加预紧拉力,这样有助于提高刚度,但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感,轴承的寿命较两端装推力轴承及向心球轴承方式低。(4)两端装推力轴承及向心球轴承 如图 d , 为使丝杆具有最大的刚度,它的两端可用双重支承,即推力轴承加向心轴承,并施加预紧拉力。这种结构方式不能精确地预先预定预紧力,预紧力地大小是由丝杠地温度表形转化而产生的。但设计时要求提高推力轴承的承载能力和支架刚度。综合分析后,在本次设计改造中,横向丝杠支承形式我们采用第(2)种形式。纵向丝杠支承形式采用第(4)种形式,使支承可靠,承载能力大,同时可以在温升时使热变形转化为预紧力。2.2 运动支架滚珠丝杠副副的选型计算已知: 工作台重量W1=1000N工作台最大行程 LK=1000mm工作台导轨的摩擦系数:动摩擦系数=0.1 静摩擦系数0=0.2 快速进给速度 Vmax=7.5m/min定位精度20 m/300mm全行程25m重复定位精度10m要求寿命20000小时(两班制工作十年)。表2-2加工方式进给速度Vi(m/min)工时百分比%丝杠轴向载荷(N)丝杠转速r/min一般加工1701000100最高加工速度3201000300快速进退7.51010007501 确定滚珠丝杠的导程Ph = 式中: Ph :滚珠丝杠副的导程 mm Vmax :最大行程 3m/min nmax :电机最高转速 1500r/min i :传动比 齿轮一级减速 i=0.5 代入得, Ph = 4 mm 圆整为 Ph = 5 mm 滚动螺旋结构形式定为内循环式(见图2-7)。在结构上在螺母上开有侧孔,孔内镶有反向器,将相邻两螺纹滚道联接起来,刚球从螺纹滚道进入返向器,越过螺杆牙顶进入相邻螺纹滚道,形成循环通道。这样的结构螺母的外型尺寸小和滑动螺旋副大致相同。刚球循环通道短,有利于减少刚球数量减小摩擦损失,提高传动效率。但返向器回行槽加工要求高且不适于重载传动。消除间隙和调整预紧的结构形式为齿差式(见图2-7a所示)。螺母1、2的凸缘上有外齿,分别与紧固在螺母座两端的内齿圈3、4(或滑块)啮合,其齿数分别为Z1和Z2,且Z2=Z1+1。两个螺母向相同方向同时转动,每转过一个齿,调整的轴向位移量为S=(p 螺距)。此形式能够精确地调整预紧力,易用于高精度的传动机构。2 确定当量转速与当量载荷(1) 各进给速度下丝杠转速ni = ni :丝杠转速 r/min i=1,2,n Vi :进给速度 m/min i=1,2,n 由表2-2得 V1 = 1 m/min V2 = 3 m/min V3 = 7.5 m/min Ph = 5 mm 因为本设计为喷丸机床,且靶距保持在30mm左右,故认为丝杠轴向载荷不变,即工作台重量W1= 100 Kg 则 F1=F2=F3=1000N(2) 当量转速 由表2-2查得 t1 = 70 t2 = 20 t3 = 10 代入得:nm =410 r/min 代入得: Fm =743 N 3 预期额定动载荷(1) 按预期工作时间估算式中:Cam : 预期额定动载荷 N Lh : 预期工作时间 查表6.2-87(机电一体化技术手册)取 Lh = 20000 h fw : 载荷系数 查表6.2-90(机电一体化技术手册) 取 fw = 1.2 (无冲击) fa : 速度系数 根据初定精度等级T类-传动滚珠丝杠 通常选用精度等级5级查表6.2-88(机电一体化技术手册)取 fa = 0.9 fc : 可靠性系数 查表6.2-89(机电一体化技术手册) 取可靠性为90% 则查得 fc = 1一般情况下fc = 1。在重要场合下,要求一组同样的滚珠丝杠副在同样条件下,使用寿命超过希望寿命的90%时见表6.2-89(机电一体化技术手册)已知: nm =410 r/min代入得: Cam = 7819N按滚珠丝杠的预期运行距离LS(Km)估算Cam = 式中:LS : 预期运行距离LS(Km),一般取250Km其它代号意义同上代入得: Cam = 5885.65N(2) 拟采用预紧滚珠丝杠副,按最大负载Fmax计算: 式中:fe : 预加载荷系数 查表6.2-91(机电一体化技术手册) 预载取 fe = 6.7代入得:Cam = 4977N取以上两种结果的最大值 Cam = 7819N4 按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹直径(1)估算丝杠允许的最大轴向变形量m 。 按规定m = ()重复定位精度 按规定m ()定位精度已知:重复定位精度为10m、定位精度为25m则 m = 3m m = 6m取两种结果最小值m = 3m(2)估算滚珠丝杠副的最小螺纹底径d2m 。取丝杠安装方式为两端固定形式如图2-8所示(图6.2-88d机电一体化技术手册)图2-8 滚珠丝杠安装方式示意图 式中:E : 杨式弹性模量 2.1105MPm : 估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量m F0 : 导轨静摩擦力 N 。F0 = 0(0为静摩擦因数) F0 = 200NL : 滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支撑的最大距离 mmL按下式计算: L=行程+安全行程+两个余程+螺母长度+1个支撑长度 =(1.11.2)行程+(1014)Ph=1270代入得:d2m = 11.35mm5、确定滚珠丝杠副的规格代号(1)根据传动方式及使用情况,按照样本选为内循环浮动式法兰。双螺母垫片预紧形式,其特点是:结构简单,压缩预紧可用螺钉,圆柱防止两个滚珠螺母相对转动。预紧力调整方便,调整后不易松动,刚度高。(2)由计算出的Ph ,Cam ,d2m 在样本中取相应规格的滚珠丝杠副, Ph = 5mm Cam = 7819N d2m = 11.5mm查丝杠产品(机械设计手册,机械传动,表11-1-30)确定本设计选型为: FFZD2505-3 其技术参数如下: Ph = 5mm Ca = 9KNCam =7.819KN d2 = 21.9mmd2m =11.5mm螺母长度L=83mm,额定动载C0a=17KN,刚度R=536Nm-1由机械设计手册3卷表22.4-15查得,Ph = 5mm时刚球直径 D=3.175() 公称直径 d=25mm螺纹升角 =339 圈数列数 21滚珠螺母连接形式如图2-9所示,尺寸为(机械设计手册 机械传动 表11-1-21): d=25mm Ph w= 5mm D1=40mm D=66mm D4=53mm B=11mm D5=5.5mm D6=10mm h=5.7mm6、对预紧丝杠副,确定其预紧力FP 由于选择FFZD预紧螺母形式的滚珠丝杠副,则需规定预紧力FP。因最大工作载荷没有确定(工作时只有惯性力即机架动摩擦力起作用,其它阻力很小)故FP=Ca其中由表62-92选取(机电一体化技术手册)轻载荷=0.05则 FP=530N7、对预拉伸的滚珠丝杠,计算行程补偿值C和预拉伸力Ft 对于两端固定支承需要预拉伸的滚珠丝杠,应规定目标行程的行程补偿值C并计算拉伸力式中:t : 温度变化值,一般23; al : 丝杠的线膨胀系数11.810-6/ lu : 滚珠丝杠副的有效行程 lu=工作行程+螺母长度+两个安全行程 =行程+(814)Ph =1050mm代入得:C=31m 式中:Ft : 预拉伸力 N d2 : 滚珠丝杠螺纹底径 mm d2=21.9 mm E : 杨氏弹性模量 2.1105MPa t : 温度变化值,取t=2.5代入得:Ft=2278N8、确定滚珠丝杠副支撑所用轴承类型及规格(1)计算轴承所承受的最大轴向载荷FBmax代入得:FBmax=3278N(2)轴承类型两端固定的支撑形式,选背对背60角接触推力球轴承(3)轴承内径d略小于d2 =21.9 mm取d = 17 mmFBp= FBmax代入得:FBp=1093N(4)轴承预紧力预加负荷(5)按样本选轴承型号规格当d=17mm 预加负荷为:FBP所以选36203轴承 d=17mm预加负荷为5820NFBp=1093N9 、 滚珠丝杠副工作图设计(1) 丝杠螺纹长度Ls:Ls=Lu+2Le 由表二查得余程Le=40绘制工作图如下:图2-9 滚珠丝杠副工作图(2)两固定支承距离L1按样本查出螺母安装联接尺寸丝杠全长1507mm(3)行程起点离固定支承距离L0由工作图得:Ls = 1186L1 = 1256L = 1507L0 =4010、电机选择反应式步进电机 110BF003步距角 0.75 3-16N/m(1)作用在滚珠丝杠副上各种转矩计算:外加载荷产生的摩擦力矩TF(Nm)TF =式中: : 滚珠丝杠的导程 5mm : 未预紧的滚珠丝杠效率。1、2、3级精度的丝杠=0.9,4级以下的滚珠丝杠=0.9。 : 作用在滚珠丝杠副上的外加轴向载荷N代入得:TF =1Nm滚珠丝杠预加载荷Fp产生的预紧力矩Tp(Nm)Tp =式中: :滚珠丝杠副预加载荷=530N其它代号意义同上代入得:Tp =0.162Nm(2)负载转动惯量及传动系统转动惯量J的计算JL=J=Jm+JL=25.210-5式中:, : 各直线运动件的质量(Kg)和速度(m/min)Jm , :电动机的转动惯量和转速(r/min)已知机架总重量100 Kg,最大运动速度3 r/min则:JL =6.310-5 Kgm2Jm =18.910-5 Kgm2(3)加速转矩Ta和最大加速转矩Tam电动机转速从n1升到n2时Ta =当电动机从静止升到nmax时 Tam =式中:n : 电动机转速r/minnmax : 电动机最高转速1500r/min : 加速时间。(34) : 电动机时间常数。电动机样本查得=5ms代入得:Tam =0.795Nm(4)电动机最大起动转矩Tr Tr= Tam+( TF+ Tp)+ Te式中: : 电动机到滚珠丝杠传动比 =0.5 : 不在滚珠丝杠副上的其他元件的摩擦力矩折算到电动机上的值。由于本设计只有一对减速蜗轮蜗杆副,故由经验估算=0.1Nm则 Tr= 1.476 Nm电动机最大静转矩3.92 NmTr= 1.476 Nm故合乎要求可以选用(5)电动机连续工作的最大转矩TM =( TF+ Tp)+ Te =0.69 Nm电动机额定转矩T=2TM =0.69 Nm符合要求。11、传动系统刚度计算(1)传动刚度K的计算公式=式中: :滚珠丝杠副的抗压刚度; :滚珠丝杠副的支承轴承的轴向刚度。可查样本 :滚珠丝杠副滚珠与滚道的接触刚度。可查样本(2)计算滚珠丝杠副的拉压刚度是滚珠螺母至丝杠轴向固定距离a的函数。支承形式为两端支承时:=当a=(即处在两端支承的中点)时,刚度最小=6.6式中: :两支承间的距离 =1256mm : 滚珠丝杠螺纹底径 =21.9mm代入得:=257N/m当a=(螺母在行程起点处)时刚度最大=6.6代入得:=1034 N/m(3)支承轴承组合刚度一对预紧轴承的组合刚度=式中: :一对预紧轴承的组合刚度m :滚珠直径 =5.75 :滚珠数 =15:最大轴向载荷 :轴承接触角 =60由样本查出:36203轴承是额定载荷的3倍=14.46KN代入得:=120 N/m支撑轴承组合刚度两端固定支撑=2=240 N/m(4)滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度=式中: :查样品上的刚度 =R=536 N/m :滚珠丝杠副预紧力 =530N :额定动载荷 =9KN代入得:=450 N/m12、传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择(1) =代入得:= N/m=代入得:= N/m已知:1=1000N 0=0.2 则 F0=01=200N由于数控机床精度在机床空载下验收,=称摩擦死区误差,是机床空载时导轨上的静摩擦力。k=(-)称为传动系统刚度变化引起的定位误差。按JB/GQ 1140-89规定的数控机床反向差值主要取决于,而定位误差主要取决于滚珠丝杠副的速度,其次是k。(2)传动系统刚度验算:0.8反向差值即 反向差值即重复定位精度10m代入得:=9850故传动系统刚度满足要求。(3)传动系统刚度变化引起的定位误差k=(-)=0.57m(4)确定精度V300p : 任意300mm内的行程变动量对半闭环系统言,V300p0.8定位精度-k定位精度为20m /300V300p15.43丝杠精度取为3级V300p=12m15.43(5)确定滚珠丝杠副的规格代号已确定型号FFZD公称直径:25 导程:5 螺纹长度:1186丝杠全长:1507 P类 3级精度故规格代号为FFZD2505-3-P3/1507118613、滚珠丝杠副临界压缩载荷Fc的校验(验算压杆稳定性)=式中: : 滚珠丝杠螺纹底径,取样本数据 =21.9mm : 滚珠丝杠最大受压长度为 =1284mm : 滚珠丝杠副承受最大轴向压缩载荷1000N :安全系数,丝杠水平安放 = = :支承系数,与支承方式有关。查表6.2-91(机电一体化技术手册)得两端支承=4代入得 FC = 18600N1000N符合要求14、滚珠丝杠副的极限转速nc的校验(避免高速运转时产生共振)nc = = 式中:nc :极限转速E :杨式弹性模量 2.1105MPa :材料密度,钢的密度为7.810-6Kg/mm3I :丝杠的最小断面二次距 I=mmA :丝杠的最小横截面积 A= :安全系数 一般取0.8、:与支承形式有关的系数见表6.2-95(机电一体化技术手册) 取2.9 取4.73 d2=21.9 LC2 : 临界转速计算长度 LC2=L1-L0=1320代入得:nc =2753r/min ncnmax=1500 r/min15、Dn值校验 Dn=DPWnmax式中:DPW :滚珠丝杠副的节圆直径 mmnma : 滚珠丝杠最高转速 r/minDPW26.2mm nma=1500 r/min 代入得:Dn=3930070000满足要求16、基本轴向额定静载荷C0a验算要求: C0a式中:C0a :滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷 :静态安全系数 一般载荷=12,有冲击或振动的载荷=23 取轻载无振动则=12代入得:=14.46KN17KN满足要求,可以采用17、强度验算 ;式中: :许用应力N/mm2,查得钢的=100MPa :滚珠丝杠螺纹底径=21.9mm代入得:=10.72满足要求2.3喷头支架滚珠丝杠副的选型计算已知: 工作台重量 W1=200N工作台最大行程 LK=1000mm 工作台导轨的摩擦系数:动摩擦系数=0.1 静摩擦系数0=0.2 快速进给速度 Vmax=7.5m/min 定位精度20 m/300mm 全行程25m 重复定位精度10m 要求寿命20000小时(两班制工作十年)。表2-3加工方式进给速度Vi(m/min)工时百分比%丝杠轴向载荷(N)丝杠转速r/min一般加工1701000100最高加工速度3201000300快速进退7.5101000750确定滚珠丝杠的导程Ph = 式中:Ph :滚珠丝杠副的导程 mmVmax :最大行程 3m/minnmax :电机最高转速 1500r/mini :传动比 齿轮一级减速 i=0.5 代入得,Ph = 4 mm 圆整为 Ph = 5 mm如以上所算,相同工况下喷头支架滚珠丝杠副所选导程与运动支架滚珠丝杠副相同,并且喷头支架重量为W1=200N,这样为了计算选型以及采购和安装的方便 我们决定采用与运动支架滚珠丝杠副相同型号的滚珠丝杠作为喷头支架滚珠丝杠副,即确定其型号为FFZD2505-3-P3/15071186。由于其重量仅为200N1000N,故肯定能满足使用要求。同时因其喷头支架重量为200N,根据前面运动支架带动步进电机的选型计算由经验选择带动步进电机为55BFOO1型反应式步进电机,步距角 0.75 3-16N/m。2.4 滚珠丝杠副的润滑、防护和密封2.4.1 润滑滚珠丝杠必须润滑。滚珠丝杠的润滑可选用油或脂。滚动轴承用的各种润滑剂原则上都可用。主轴用的各种润滑剂和润滑方式都可用于精密滚珠丝杠。本设计滚珠丝杠副采用锂基润滑脂或主轴用润滑油。每周检查一次滚珠丝杠,当选用润滑油时,油中不能有金属异物或污染物。在试车一周后更换一次油,以后逐渐增长换油时间。润滑油粘度按表6.2-85(机电一体化技术手册)选择当丝杠最高转速7001500r/min粘度为ISO VG46、ISO VG32。润滑脂选用2号锂基润滑脂,正常使用时第一次润滑脂使用2个月后就需更换,以后逐渐更换延长时间到一年更换一次。2.4.2 防护滚珠丝杠防护套有伸缩套管式、折叠式、和螺旋钢带保护套。其中螺旋钢带保护套有专业厂家生产。所以本次设计拟选用螺旋钢带式保护套。根据滚珠丝杠基本参数确定Lmax=1200mm查产品样本手册选用LGB-50-1200-100-H型螺旋钢带保护套,其规格见图2-10其基本尺寸确定为:Lmax=1200mm Lmin=100mmD1=50mm D2=84mmD3=90mm D4=48mm则其最大允程L= Lmax- Lmin=1100mm满足要求,可以使用。图2-10 螺旋钢带保护套2.4.3 密封滚珠螺母的两端密封圈见图2-11(实用机械设计手册)密封圈用聚四氟乙烯或尼龙制造的接触式密封圈。使用中要特别注意防止螺旋式密封圈松动,否则密封圈将成为一个锁紧螺母增大摩擦力矩,影响滚珠丝杠副的正常运转。为保证螺母在正常行程内运转,一避免螺母越出行程部分而使滚珠散失,故在横向和纵向导轨两端安置行程开关和限位装置。图2-11 丝杠螺母密封圈第3章 滚动直线导套副的选择计算3.1 滚动导套副的基本结构滚动导套副的结构见图3-1,它主要由滚动导套(又称直线滚图3-1滚动导套副的结构动球轴承),导轨轴,滚动导套支座及导轨架构成。滚动导套的结构由套筒、保持架、滚珠(承载滚珠和回珠)、带橡胶密封的挡圈构成。滚动导套和保持架上有平行与轴线、深浅不同的沟槽。导轨轴装入滚动导套后,保持架就与导轨轴、滚动导套构成了滚道和回珠槽。当滚动导套在导轨轴上做相对直线运动时,滚珠就在滚道和回珠槽中做循环滚动。因此,滚动导套副属于无限循环的滚动导轨,而保持架还有反向器的作用。挡圈除起密封作用外,还对保持架起轴向限位作用。3.2 滚动导套副的结构形式本设计有效行程为1000mm属短行程,故选用封闭类型滚动导套,这是常用的类型,这种类型的滚动导套副是封闭的,因此只能在导轨轴两端配两个导轨轴支架,所以这种类型只适用于短行程。而封闭型中又可分不可调隙封闭型及可调隙封闭型两种,为了便于使用调整本设计选用可调隙封闭型滚动导套副见图3-2在导套及挡圈上开有轴向间隙,在滚动导套支架上也开有轴向缝隙,并增加调隙螺钉适当拧紧调隙螺钉,可以适当减小滚动导套与导轨轴之间的间隙,甚至可以达到轻微过盈。为了使滚动导套变形均匀,滚动导套的轴向缝隙与支架的轴向缝隙应成90分布。图3-2可调隙封闭型滚动导套副3.3 滚动导套副的特点1、滚动导套副的导轨轴是圆柱体,采用优质合金钢制造,外表面经中频感应淬硬HRC58-63,制造容易、耐用、性能稳定,有良好的精度保持性。但承载刚球与导轨之间是两个凸圆之间的点接触,与尺寸类似的滚动直线导轨副比较,许用载荷小得多,因此,滚动导套副只能用于轻载场合,并且一般不预加载荷。本次设计为喷丸机机架由经验估计重量约100千克,轻便无预加载荷故适用。2、滚动导套副不能传递转矩,并且由于保持架上开的槽是轴的,滚动导轨和导轨轴之间还不能相对旋转。总的来说,滚动导套副具有的如下特点使其具有高的广泛的应用场合。摩擦系数很小,只有0.0010.004,功率消耗低,省电节能。微量移动灵活、准确,低速时无蠕动爬行。具有结构自调整能力,可降低相应配件加工精度。润滑简便,维修更换快速方便。移动速度快,精度高,行程长。3.4 滚动导套副选型计算1、选型进给滚珠丝杠为FFZD2505-3-P3/13801289故由滚动直线导套副尺寸系列中初步选定采用GTB30-t-1型滚动直线导套副。其技术规格为,额定动载荷C=1270N换算成C=12709.80=130Kg。支架和喷头架及喷头重量初步由经验估算为100 Kg,同一平面两根导轨轴上用四个直线运动球轴承即m=4,则按表6.3-11(机电一体化技术手册)精度选4级P=25 Kg2、额定寿命计算轴承单行程长度LS=1m,每分钟往复次数n=1.5,每天开机6小时,每年按300工作日计算,则每年工作小时3006=1800小时,要求寿命周期在5年以上。L=50 式中:L :额定寿命 Km :温度系数 查资料表1 =1 :接触系数 查资料表2 =0.81 :载荷系数 查表6.3-5(机电一体化技术手册) =1.25 :硬度系数 查资料表4 =1代入得:L=1912Km3、额定寿命时间计算Lh=式中:Lh :额定寿命(h)L :额定寿命(Km) :行程长度(m)=1 mn :每分钟转往复次数 n=1.5次代入得:Lh=10623小时寿命周期T=额定小时寿命Lh/每年工作小时=10623/18006年故能满足使用要求。4、初选预加载荷类别。按查表6.3-13(机电一体化技术手册)选取普通载荷P5、计算滑块上所承受的载荷由于喷丸时靶距很大,所以反作用力很小这里可以忽略不计,则滑快的支撑力为 R=250N,GTB30预加载荷类别为普通载荷时,按表6.3-12查得预紧力为690N,则滑块受力为F=(690+250)=940N计算当量载荷Fc 设往复一次总行程为L=2则: Fc=F=940N6、计算额定动静载荷由样本查得GTB30的基本额定静载荷C0=2150N取安全系数=2(一般运行状况下取12;轻微冲击取23;受冲击震动取35)代入得:=2.3=2满足要求7、刚度计算:计算光杠中点H的弹性位移在支架及喷头重力作用下,中点有弹性位移(向下)=式中: :支撑长度 :材料弹性模量,对于钢 =2.1105MPa : 光杠直径 :轴受变矩 =代入得:=0.73m确定滚动导套副的编号为:GTB30-t-21000-P3.5 导轨防护罩导轨的维护对机械的寿命影响很大。本设计除采用各种润滑密封方式外,对横向和纵向进给系统还采用了双密封措施,即滚珠丝杠采用螺旋钢带保护套,同时导轨的密封采用伸缩式导轨防护罩。缩式导轨防护罩已经标准化,(摘自JB/T6562-93)有低速(12m/min)、中速(1225m/min)、高速(2545m/min)三种类型,根据本设计导轨最大速度选择低速类型,其结构及主要性能见图3-3导轨防护罩的结构形式及表3-1导轨防护罩主要技术参数图3-3 导轨防护罩的结构形式表3-1导轨防护罩主要技术参数技术数据其他要求代号名称数据备注项目要求Le拉伸后长度1200mm1主体材料名称1CRBLZ收缩后长度100mm2主体材料厚度2Lt行程1100mm3估计节数()12Bg导轨宽度313mm4支撑形式,材料滑块滚轮BC防护宽度337mmBS支撑安装宽度337mm5安装孔按图钻5mm用户自钻H1防护罩上部宽度415mm配套机床名称型号高压水射流喷丸机床H2导轨侧面宽度141mm防护方向轴向运行速度3m/minH3防护罩高度206mm委托单位Bi安装位置宽度415mm填单人部门Hi安装位置高度206mm填单日期电话 第4章 专用夹具及其配套组件设计4.1 专用夹具的组成及特点专用夹具是指专为某一工件的某道工序的加工而专门设计的夹具,具有结构紧凑,操作迅速,方便等优点。专用夹具由定位装置、夹紧装置、对刀引导装置、夹具体及其他元件及装置组成。1、定位装置这种装置包括定位元件及其组合。其作用是确定工件在夹具中的位置,即通过它使工件加工时相对于刀具及切割成型运动处于正确位置,如支承钉、支承板、V形架、定位销等。2、夹紧装置它的作用是将工件压紧夹牢,保证工件在定位时所占据的位置在加工过程中不受重力、惯性力、以及切割力等外力作用而产生位移,同时防止或减小振动。它通常是一种机构包括夹紧元件(如夹爪压板等),增力及传动装置(如杠杆、螺纹传动副、斜楔、凸轮等)以及动力装置(如汽缸、液压缸)等。3、对刀-引导装置它的作用是确定夹具与刀具的位置,或引导刀具进行加工,如对刀块、钻套、镗套等。4、夹具体用于连接夹具各元件及装置,使其成为整体的一个基础件,并与机床有关部位连接,以确定夹具相对于机床的位置。5、其他元件及装置如定向件、操作件以及根据夹具特殊功用需要设置的一些装置,如分度装置、工件顶出装置、上下料装置等。由设计的设计任务出发,本设计中所创新处之一即专用夹具的设计,使其喷丸功能更加强大,在原有二维平面喷丸基础上通过专用夹具的作用使机床另具有对轴类及盘套类回转件可进行喷丸硬化处理功能从而实现一机多用功能。4.2夹具的选型设计1、设计任务喷头加工最大行走速度3m/min,旋转夹具所夹工件最大轴径50mm,工件最大长度700800mm,靶距200mm, 专用夹具实现两种功能:(1)进行轴向喷丸,夹具可自动间休旋转; (2)进行周向喷丸,夹具可连续等角速度旋转。2、选型设计本夹具所夹工件为圆形轴类件,其最大直径为50mm,因为本机床为喷丸机床对轴类零件的加工原理为喷丸硬化,且工件抗抖动精度要求不高,对工件并无切削用力,为了使机构经济简便故根据经验;可以选用两端顶针定位,摩擦力夹紧,即可以完成预定工作。4.3主轴前端头部夹持形式的设计由于夹具两端顶针夹具,故初步确定头部夹持形式如下:图4-1 头部夹持形式4.4 蜗轮、蜗杆减速机构设计计算已知:传动比i=40,n2=20r/min,蜗杆输入功率P1=3KW,步进电机转速为800 r/min,要求使用10年,每年工作300日,每日工作16小时,每小时载荷时间15分钟,每小时启动2050次。启动载荷小,并无冲击。工作环境温度3540。确定传动类型:最高加工速度Vmax=3m/min,设喷头工作行进速度为普通工作速度V=1m/min,则工件(即主轴)最高转速为:V线=代入得: V线=2.83 m/min则最高转速(角速度)为:V最=20r/min选110BF003型步进电机转速为800 r/min则转动比i=40。传动比较大,且为一级减速完成,故选用圆柱蜗杆传动。1、选择材料和加工精度(机械设计手册单行本-机械传动篇)蜗杆选用20CrMnTi,芯部调质,表面渗碳淬火,45HRC;蜗轮选用ZCuSn10Pb1,金属模铸造,加工精度8级。2、初选几何参数参照表13-4-4,当i=40时,Z1=1,Z2=Z1i=403、计算蜗轮输出转矩T2粗算传动效率:=(100-3.5)=(100-3.5)=0.778T2=9550代入得:T2=1160Nm4、确定许用接触应力根据表13-4-13当蜗杆材料为锡青铜时,=式中: :查表13-4-14得=220N/mm2 :由表13-4-10查得=3m/s,采用浸油润滑,由图13-4-2求得=0.94 : 由图13-4-4的注中公式求得N=60=1.44107根据N由图13-4-4查得=0.95代入得:=196N/mm25、求载荷系数由表13-4-13知:=式中: :3m/s,按表13-4-13查取=1; :由表13-4-16,8级精度时=1; :由于=25,由图13-4-5得=0.63; :由表13-4-17查得=1.37; :由表13-4-18查得=1.0; :由表13-4-6查得=0.95代入得:=0.826、计算和值=15.25查表13-4-3,取=17.235,则=8 =107、主要几何尺寸计算a=0.5m(q+Z2+2)=200mmd1=qm=80mm d2=mZ2=320mm8、蜗轮齿面接触强度校核验算=代入得:=160 N/mm2因为,所以满足要求。9、几何尺寸计算顶隙 C= , 一般顶隙系数=0.2C=0.28=1.6mm蜗杆蜗轮齿顶高、=8mm 一般齿顶高系数=1=(+)=8mm 变位系数=0蜗杆蜗轮齿跟高、=(+)=9.6mm=(-+)=9.6mm蜗杆蜗轮分度圆直径、=80mm=320mm蜗杆齿顶圆直径、蜗轮喉圆直径=(+2)=96mm=()=336mm蜗杆蜗轮齿跟圆直径、=-2=60.8mm=-2=300.8mm蜗杆轴向齿距=3.148=25.12mm蜗杆轴向齿厚=0.5=12.56mm蜗杆分度圆导程角5.7蜗杆法向齿厚=12.49mm蜗杆螺纹部分长度由表13-4-68查得普通圆柱蜗杆当=0时(11+0.06)=107.2mm取=110mm蜗论最大外圆直径+2=352mm蜗轮轮圆宽度=(0.670.75);大,取小值 ,小,取大值。故=0.75=72mm蜗轮咽喉母圆半径=32mm蜗轮齿跟圆弧半径=0.5+0.2=49.6mm10、工作草图:图4-2 蜗杆工作图图4-3 蜗轮工作图第5章 高压水射流喷丸机床的经济分析 超高压水射流加工是利用高压、高速的细径液流作为工作介质,对工件表面进行喷射,依靠液流产生的冲击作用去除材料,实现对工件的切割。稍微降低水压或增大靶距和流量,还可以进行高压清洗、破碎、表面毛化、去毛刺及强化处理。超高压水射流与激光、离子束、电子束一样,同属于高能束加工的技术范畴。高压水射流喷丸是一种新型的表面硬化处理方法,目前这方面的技术国内尚属空白,国际上正是开发研制阶段,针对国内外技术现状,在现有超高压水射流切割机床的基础上研制和开发高压水射流喷丸机床,技术上可行经济效益、社会效益显著,具有广泛的推广应用价值。1 技术可行性分析1.1技术分析高压水射流喷丸是一种新型的液动湿喷表面硬化方法,他的工作原理是在高压水中混入刚丸,通过水的带动使刚丸具有巨大的动能,喷射到工件表面上,从而达到硬化处理的目的。本设计的高压水发生系统采用数控超高压射流切割机的原高压水发生系统,经过高压增压器和超高压增压器后压力可达几百MPa,在喷头与刚丸混合后,经过刚丸喷管小孔射出一能量集中的,几百m/s的高速刚丸水射流,当射流能量达到喷丸强度时,通过冲击材料表面实现喷丸硬化,实验表明水射流喷丸机床的高压增压系统完全能够满足工况要求,技术上是十分可行的。1.2 机具使用效果分析PWJ01型高压水射流数控机床适用于二维平面喷丸及轴类回转件的表面硬化,使用该机作业与普通喷丸机床相比具有以下优点:该机采用工控机进行控制加工精度高,控制简便,作业能力强,生产效率高;该机采用的能源是水,是一种冷态加工新工艺,能源充足,且对环境无任何污染,属于绿色设计范畴;该机结构严密,在原有机床基础上改进而成,生产时在原有生产线基础上稍加改装即可生产本机床,大大降低投产费用。2 机具的经济效益分析2.1 试制费用实际支出情况产品投产量5,成本投入总额125万元,单位成本25万元,其中:原材料成本61.25万元,占总成本的49辅助材料成本8.75万元,占总成本的7%外协费用7.5万元,占总成本的6%工资及附加费25万元,占总成本的20%设备维修费用5万元,占总成本的4%设备拆旧费5万元,占总成本的4%管理费用3.75万元,占总成本的3%销售费用6.25万元,占总成本的5%财务费用2.5万元,占总成本的2%产品投放市场后,市场销售价格为30万元,每台利润为5万元.项目鉴定形成批量生产后,可形成年产200台的生产能力,可实现销售收入1000万元,具有显著的经济效益。2.2经济效益分析在对中小规模的工厂的现代化改造中完全可以选用本机,该机采用工控机进行控制自动化程度高加工精度高,控制简便,作业能力强,生产效率高,提高经济效率。 只需一个或几个人投资30万元即可拥有一台属于自己的水射流喷丸机,再招聘23名工人即可开办一家“水射流加工中心”,而无须再增加任何其他辅助设备。通过36个月的经营,前期投资即可收回。3 社会效益分析中国作为世界上最大的发展中国家,城市建设得以快速发展。在现代化建设中大量的建筑材料需要进行切割加工,调整不同的射流压力和水喷头,将刚丸换成细粉金刚砂磨料本机即可改装成水射流切割机;在现代化工业生产中大量金属板材、轴类、心轴类机械零件需要进行硬化处理,本机在现有系统的基础上进行改进,实现了对零件的喷丸硬化处理功能。而传统的加工方式与现实要求形成了强烈的反差。PWJ01型超高压水射流喷丸机凭借优越的一机多用的特点开辟了冷态加工的新领域,是一种非常有推广价值的新机床。第6章 结论“高压水射流喷丸机床”的设计基于已有的磨料射流机床增加喷丸处理功能,该机采用工控机进行控制加工精度高,控制简便,作业能力强,生产效率高;该机采用的能源是水,是一种冷态加工新工艺,能源充足,且对环境无任何污染,属于绿色设计范畴;该机结构严密,在原有机床基础上改进而成,生产时在原有生产线基础上稍加改装即可生产本机床,大大降低投产费用。在用户承担的费用增加不多的情况下能够实现多用途加工、减小工时等优越条件,因而具有良好的发展前景。在本次设计中,一方面我自己做了大量的努力;另一方面也得到了各位指导老师的大力帮助,这才使得我的设计能够按时完成。可以肯定的是,本次设计中由于本人的知识层次及设计经验的不足,难免会有一些不足之处,恳请各位老师批评指正!参考文献1 董星,刘春生.磨料射流技术.中国矿业大学出版社.20022 崔谟慎,孙家骏.高压水射流技术.煤炭工业出版社.19933 徐滨士,刘世参.表面工程.机械工业出版社.20004 李洪.实用机床设计手册.辽宁科学技术出1999:P3073405 钱苗根.材料表面技术及其应用手册.机械工业出版社.19986 王光斗,王春福.机床夹具设计手册.上海科学技术出版社.20007 林奕鸿.机床数控技术及其应用.机械工业出版.19948 张建华.精密与特种加工技术.机械工业出版社.20039 机电一体化技术手册编委会. 机电一体化技术手册(第1卷 下册).机械工业出版社.200010 M Hashiah,A modeling study of metal cutting with abrasive waterjetsJ.Trans ASME,1984(1)11 G.L.Sheldon and I.Fine, One the ductile behavior of nominally brittle materials during erosion cutting J . Trans ASME,1996,88B:38739212 成大先.机械设计手册(机械传动).化学工业出版社.200413 董庆华.超高压水射流切割技术及其应用.焊接技术.2003年12月第30卷第6期.P1214 贾明峰,俞涛,方明伦,林金生.磨料水射流数控机床的研究与开发.机械工程师.2001年4月.P1215 宫平,李华.超高压力磨料水射流切割机的应用研究.高科技纤维与应用.2002年12月.P1316 王昌忠.数控喷丸机的研制.制造技术与机床.2004年第6期. P384017廖兴斌.减低高压水射流设备噪音的措施初探.矿业研究与开发.2001年2月第21卷第1期18 数控超高压水射流切割机水刀. 中国南京工艺装备制造厂. /html/s专题部分提高磨料水射流磨料混合效果的探讨摘要磨料水射流的性能主要取决于磨料颗粒的冲击速度。本文分析了后混合磨料水射流中磨料颗粒与水混合效果差,磨料颗粒速度底的原因,提出了四种混合方式,并从基理上进行了阐述。关键词: 磨料射流 混合效果 后混合 前混合 旋转 自激震荡AbstractThe performance of abrasive waterjet depends on the impact velocity of abrasive, |In the paper,the reason of badly mixed between abrasive and water in sub-mixed abrasive waterjet is analyzed,then four new nmixing methods are putforward andTheir mechanisms are expounded.Keyword:Abrasivewaterjet Mixingeffect Suf-mixed pre-mixed Circuolution Self-excitedoscillation1 引言水射流技术1是本世纪70年代迅速发展的一项新技术、新工艺,广泛地应用于各个行业和部门。在造船、管道和设备的清洗、除锈、除垢以及清除各种覆盖物;在矿山工业和煤矿工业可用于破岩、破煤。由于它是一种非接触冷态加工加工方式,可对各种复杂结构物外表面和内表面进行精细加工。随着水射流技术的发展,射流介质已由普通工业用水发展为磨料水固液两相介质流。磨料水射流是磨料颗粒与高速流动的水混合后经喷嘴而形成的高能束射流,由于在高速水中混入一定数量的磨料颗粒,从而改变了射流的流动特性和对物体的作用方式。水射流作为磨料载体,把高压水射流束的动能传递给磨料颗粒,将连续水射流的等速核对物体的静压作用改变为对物体高频冲蚀和磨削作用,大大提高了射流的工作效率。由于磨料水射流是一种冷态的单点动能能源,对材料具有极强的冲蚀作用,并在冲蚀过程中不改变材料的力学、物理和化学性能,可用于切割热敏、压敏、脆性、塑性、复合型材料和易燃易爆物。 Hachish2在诸多学者研究基础上,结合磨料射流冲蚀破坏材料特点,根据实验提出磨料水射流冲蚀分为两个阶段:变形磨损和切削磨损。材料表面受磨料颗粒冲击后,因弹-塑性变形而引起的材料微体积损失过程称为变形磨损;材料表面在磨粒尖角水平移动时产生接触点的横向塑性流动,从而切出一定数量的微体积材料,这个过程成为微切削磨损。冲蚀是垂直冲击变形磨损和水平微切削磨损的符合作用的结果。由I.Finnie的微切理论3,材料的冲蚀可由下式表示:式中: :冲蚀量(kg/mm3) :磨料颗粒质量(kg) :冲蚀角 :磨料颗粒速度(m/s) :磨料的屈服应力大量实验表明,磨料水射流清洗、破碎和切割能力受到磨料水射流的水力参数、工作参数、喷嘴参数和磨料颗粒参数等因素的影响,但主要取决于磨料颗粒的速度。磨料颗粒的速度越高,磨料水射流的清洗、破碎和切割能力就越强。2 后混合磨料水射流磨料混合的不足目前我国研究和应用的磨料射流大多数是后混合方式。它是根据古老的引射器原理进行设计的,如图1所示:经过高压泵泵出的高压水通过喷嘴而形成高速水射流束,由于水射流束对周围空气的卷吸作用,在磨料混合腔内形成一定的真空度,从而使磨料与混合腔之间的供料管产生一定的压力差。磨料在自重及压力差的共同作用下通过气力运输而被抽吸进入混合腔内,并与水射流发生紊流振动扩散与掺混,再通过磨料喷嘴而形成磨料水射流。在后混合磨料射流中,从喷嘴中喷出的高压水其轴心速度很高,而磨料颗粒却以很低的速度靠真空抽吸作用吸入,磨料很难进入主射流的 中心部分,而且由于混合腔内围绕高速水流束表面的微细波面运动速度很大,且表面张力也很大,其周围分散的水滴频繁碰撞而形成一个密实的表面,磨料更不易进入水射流的中心,大多数磨料聚集在射流的表面。同时磨料以较低的初始速度与告诉水射流互相接触发生的情况是随机的,有些磨料飞溅到混合腔的内臂面,再反弹到水射流表面,少数磨料颗粒则粘附在混合腔的内壁面,其中的一些磨料颗粒可能被偶然的冲刷而重新返回水射流中,因此磨料与高速流动的水不能进行充分紊动混合,磨料颗粒得不到很好的加速。经喷嘴喷射出来的磨料颗粒速度不高,明显地减低了水对磨料的能量传输效果,射流的能量未能得到充分发挥,浪费了能源,因此工作效果较差、效率低。大量实验研究表明磨料只能加速到水速的2040%,其最高效率约为30%,因此其喷嘴的磨料混合效果和切割功能是急需改进的问题。3 磨料混合效果的改进途径(1)前混合磨料水射流前混合磨料水射流与后混合磨料水射流最大不同之处是磨料与水在水喷嘴之进行混合的,如图2所示:磨料罐置于高压泵与喷嘴之间的高压回路中,从高压泵泵出来的水在高压磨料罐内与磨料进行初步混合,使磨料处于“拟流体”的流化状态,然后在高压输送管的混合腔内流化磨料与水掺混,再通过后续管道以悬浮态输送到喷嘴,经喷嘴加速喷射出去形成磨料水射流。前混合磨料水射流中磨料在水喷射前混合于水流中,使磨料在高压输送管内受到第一次加速。由于磨料速度松弛时间长,在喷嘴入口处,磨料与水射流保持速度平衡,两相速度差为零,磨料已进入水射流的核心部分并充分混合,混合效果好。前混合磨料方式与后混合磨料方式相比,由于改变了磨料与水的混合机理,改善了混合效果,使磨料进入水射流核心部分,在喷嘴出口处具有更大的速度,获得较高的能量,因而提高了磨料的切割性能,射流的质量明显优于前者。文献4已从理论上证明了前混合射流比后混合射流具有较高的能量传输效率和较大的磨料颗粒速度。大量实验表明:前混合式磨料射流进行切割,所需工作压力约为后混合式磨料射流工作压力的1/71/10。(2)浆液磨料射流浆液磨料射流5是一种有别于前混合磨料射流的新磨料混合方式,其原理见图(3):它由气动螺旋蜗杆将干磨料颗粒定量输送到气动的叶片泵前置的混合器中,再由该泵将混合浆液连续输送到清洗或切割头。与此同时,喷嘴前置的高压泵(或空气压缩机)产生的水(或气)射流与喷头处的浆液混合成高压磨料射流。这种低压混合、高压作业的两步做法既解决了后混合磨料射流磨料颗粒与水混合的不均匀性,又弥补了前混合磨料射流工作压力偏低的缺陷。在较高压力作用下,喷嘴出口的磨料颗粒具有较高的速度,从而提高磨料射流的工作性能。(3)旋转引射式磨料射流旋转引射式磨料射流的原理如图4所示:经高压柱塞泵加压的高压水经过一个旋转装置,使水射流产生旋转运动,然后经过水喷嘴形成旋转的水射流或直接经过叶轮导引高压旋转射流喷嘴喷出。根据普通射流的水动力学结构可知,射流的等速核内部不存在横向的速度剃度,因而射流的扩散角较小。经过旋转,水射流具有三维速度(轴向、径向和圆周),在圆周速度的作用下,水射流形成强烈的旋转,在旋转过程中外扩散。旋转后的水射流不仅具有较大的扩散角,而且形成了大量的涡旋。许多实验以及理论分析都已证明,旋转流体在一定条件下具有波动性质,也就是说旋转流体被赋予了伪弹性性质。它在受到扰动后会发生弹性-惯性振荡,出现弹性波和波动现象,这是一种剪切波。产生这些现象的原因是旋转流体运动中存在科氏力和离心力的作用。磨料颗粒的加入激起旋转水射流发生强烈的紊动混合,从而提高了水射流对磨料颗粒的卷吸能力和混合效果。(4)自激振荡磨料射流自激振荡脉冲机理是稳定的流体通过一种特制新型高效能喷嘴,这种喷嘴是应用流体力学的基本原理进行设计的,采用上喷嘴,多曲面内腔室和下喷嘴等特殊结构形式。流体通过喷嘴时,上喷嘴束中的不稳定扰动波如涡量脉冲在穿过腔内剪切层时,剪切层对其具有选择性放大作用,形成涡环结构,剪切流动中涡环与下游碰撞壁撞击在碰撞区产生压力扰动波并向上游反射,在上游剪切层分离处诱发新的扰动产生,当新扰动与原扰动频率匹配且具有合适的相位关系时,射流上游就被不断地周期性振荡,其固有波形受到调制,腔内就诱发产生自激振荡这种振荡市在不加任何外界控制或激励的情况下产生的,故称之为自激振荡。自激振荡磨料射流充分利用了自激振荡脉冲射流和磨料射流两者的优点,其原理见图5:从高压泵泵出来的高压水在磨料混合腔内与磨料先混合,混合后的拟流体经管道到达自激振荡对称腔室。在自激振荡腔,由于存在强烈的自激振荡,磨料与水的混合发生了质的变化。以初速度射入轴对称腔室时,射流与腔室周围的静止液体就要被高速流动的拟流体射流带动,进入腔室的射流与腔室内的流体之间就发生强烈的动量、热量、质量的交换从而形成具有一定厚度的射流剪切层。由于射流速度大,剪切层为紊流剪切层且是不稳定的,剪切层周围的流体被夹带而产生涡旋,且涡旋以涡环的形式存在并随射流运动。在剪切层中自然存在一定的频率的轴对称扰动,并随射流一起与碰撞壁发生碰撞,这种扰动导致碰撞区剪切层大幅度横向振荡,波及射流核心。而卷吸并产生各种尺度的涡旋(以涡环形式存在),腔室内的流体便由泵送时的有序状态(初始振荡)后形成了一定程度的湍流(混沌)。在碰撞区剪切层大幅度横向脉动和大涡的流动包卷共同作用下,射流中的磨料颗粒有向中心聚集的趋势,这样磨料颗粒就可以得到充分的加速。另外经自激振荡喷嘴喷射出来的射流形成脉冲射流,脉冲射流的速度要远远高于连续射流的速度。脉冲的作用形同冲击载荷,作用在磨料颗粒上,使磨料颗粒不断被加速,可以极大地增加磨料颗粒的冲击速度,改善了能量传输效率,从而提高了磨料的工作能力。4 结束语磨料射流技术的优异性能受到人们的日益重视,在清洗、除锈、破碎、切割等方面应用日益广泛。为节约能源,提高效率,应最大限度提高磨料颗粒与水的混合效果,改进能量传输效率。文中提出的四种新的磨料颗粒与水混合方式都明显优于后混合磨料水射流,具有较高的应用和推广价值,值得应用部门借鉴和采纳。参考文献1 孙家俊.水射流切割技术M.徐州:中国矿业大学出版社,19922 M Hashiah,A modeling study of metal cutting with abrasive waterjetsJ.Trans ASME,1984(1)3 G.L.Sheldon and I.Fine, One the ductile behavior of nominally brittle materials during erosion cutting J . Trans ASME,1996,88B:3873924 杨清文等.磨料射流切割系统能量传输效率的研究J.矿山机械,2000(3)5 薛胜雄等.美国的高压水射流技术J.流体机械,1995(5)6 童秉纲等.涡运动理论M.合肥:中国科学技术出版社,19947 蒋海军等.自激振荡脉冲射流机理探讨J.西南石油学院学报,1998(3)附录1:外文翻译1.1 译文前混合磨料水射流切割系统喷嘴中的紊态固液两相流J Ye , R Kovacevic . 机械工业部,南部麦塞第斯特大学,达拉斯市,德克萨斯州,美国摘要一种流体力学分析法被用作处理前混合水射流切割系统中通过喷嘴的持续的紊态固液两相流。一种评估在喷嘴中紊流和质点动力属性的理论方法的发展之所以引人注目,是因为其难度与喷嘴中的高流束和小尺寸的直接测量密切相关。轴向模拟配合以商务代码FIDAP得以实现,使用标准K-紊流模型。该项模拟考虑单相联结,这就意味着在流体动力阶段呈现分散固体阶段这一效应被忽略了。固体粒子的速度和轨迹线可以预测出来。关于质点动力属性的喷嘴几何系统效果已被研究,其预期结果也已与可获得的其他研究人员出版的理论和实践成果相比较。这一建模技术将对于前混合磨料水射流系统的喷嘴设计和喷射切割执行的预测大有帮助。关键字:磨料水射流 流体动力学 紊态固液两相流符号:C1,C2 紊流模型常数 Rep 粒子雷诺数= CD 阻力系数 流体速度CU 紊流模型常数 () 粒子速度的z分量和r分量d,D 喷嘴聚焦管直径 径向应力分量d0 喷嘴进水道直径 轴向应力分量dp 粒子直径 剪应力分量 阻力修正系数 紊流动能耗散K 喷嘴动能 喷嘴锥形进水道角度L 喷嘴聚焦管直径 流体动力粘度L0 喷嘴长度 紊流粘度P 平均有效压力 流体密度r 径向坐标方向 的普朗特数Re 喷嘴雷诺数= t 粒子响应时间F标: 流体 P 粒子阶段 Z 轴向应力方向 m 最大值 r 径向坐标方向1、产品介绍磨料泥浆直接喷射的方法在磨料水射流切割应用中是相对较新的。在直接喷射系统亦即DIA射流系统中,前混合磨料泥浆通过喷嘴用泵抽吸以形成切割射流。与传统的雾沫系统相比,这种前混合磨料水射流系统具有较高的混合效率,更致密的喷嘴设计,以及较低的工作压力。总的来说,它可以更高效地给粒子传送流体能量,并产生更大的功率密度以冲击粒子,相应地提高材料可移动比率1,这一系统的不足之处在于喷嘴的强烈磨损,以及硬件在磨料悬浮处理和抽泵是的复杂性。为了预测射流切割的执行和喷嘴处的磨料机制,有必要弄清楚DIA射流喷嘴处粒子的速度和轨迹线,。而粒子速度非常快,DIA射流喷嘴的尺寸又非常小,使的粒子速度的直接测量和粒子轨迹线的显象变得十分困难,在这种情况下,流体力学分析(CFD)变得十分有用。CFD分析不仅可以提供有关紊流的信息,而且还提供喷嘴中磨料粒子的相关信息。本文强调了在DIA射流喷嘴中的紊态固-液两相流的问题,并且对于CFD在此问题上的分析结果做出了报告。磨料粒子的速度和轨迹线可以精确计算。不同长度的喷嘴和锥形进水道角度也可以通过喷嘴参数进行优化核定。2、DIA射流系统和喷嘴的执行关于DIA射流的最早文献的代表人物是Fairhurst et al.提出建议在水射流中应用对磨料直接喷射的方法,并建立了第一个低压实验系统。自1986年起,DIA射流被应用在金属和岩石切割,核武器和水下目标击破等等。这里所说的DIA喷嘴中流动的是高速紊态固-液两相流。这种复杂的液流还未被充分研究过。到目前为止,不同参数的影响效果还未被弄清楚。Hashish1对DIA射流系统和传统的雾沫系统作了相对比较的评估。经过简单的分析,他发现DIA射流比雾沫磨料水射流(AWJs)更有效率,因为二者的磨料装载比率系数是:。而且,潜在于DIA射流中以动能形式传递给工件的能量,其稠密度超过传统雾沫系统倍。Laurinat et al.提供的实验结果不仅考虑了磨料射流,也考虑了对喷嘴切割效率的设计。他们定量地研究了关于粒子加速度、粒子速度的喷嘴几何系统的效果。Guo et al9描述了DIA射流系统里粒子加速过程中的一种量纲分析。他们演示了一种距离功能,这种功能能把粒子移动距离与速度比率Up/Uf联系起来,他们的实践结果着重说明了粒子速度在切割执行中的重要性,而水流率对于切割结果的效果很小。在一维分析9-11中,流体速度在喷嘴横截面处被假定为是统一的,并且该分析不考虑紊流属性。然而事实上,射流喷嘴处流体速度远不是统一分布的,并且紊态流在磨料粒子输送和加速过程中起到了很重要的作用。显然,分析射流喷嘴处复杂的紊态流仅用一维模型是不够的。为了预测喷嘴处流体和粒子的属性,就需要一种更精密的分析。3、有限元建模这项工作的任务就是使用CFD分析法预测流体和粒子的动力属性,以及优化DIA喷嘴的几何参数。FIDAP码7.05版就被用在DIA射流的紊态固-液两相流的数学建模中。图1显示了一副DIA射流喷嘴的图表。为了避免不必要的麻烦,在两个阶段间使用单向联结的假设。这就意味着,流体动力阶段可以驱动磨料粒子动力,而磨料粒子显示阶段却对流体动力阶段不产生任何效果。液体流场是第一步被溶解的。紊流使用K-方法建模(也就是紊态流动及能量耗散方法),这一方法在高雷诺数应用中被广泛采用。这种持续的、不能压缩的、紊态的不变属性的轴向流的权威方程式如下: (1)=- (2)=- (3)图1 DIA射流喷嘴简图图2 喷嘴有限元网孔雷诺应力由以下方程求得: (4)为了描述紊流传输过程,将使用由两个方程组成的K-紊流模型,而紊流粘性由以下关系式决定: (5)紊流动能K和能量耗散由以下方程式得出: (6) (7)紊流动能G的产生由以下方程得出: 这里出现的常数是Pope12以圆射流为例而得出来的,即Cu=0.09,K=1.00,=1.3,C2=1.92紊流的权威方程使用有限元方法可以离散化,并能利用FIDAP码得到解答。图2就阐明了计算领域的有限元网孔。由于流体被假定为轴向的,所以只有上半部分的流体区域需要解决。找到了处理流场的方法之后,粒子的运动和轨迹线可以通过拉格朗日粒子运动方程得以确定。其中粒子被假定为是球状的,并且没有粒子和粒子之间的作用,这项研究也考虑了惯性力和阻力之间的平衡,但还要进一步的研究以便定量分析诸如虚拟质量作用、气体升力、巴斯特力、马格纳丝效应等其他力的重要性。图3 喷嘴水流场速度的向量平面图图4 喷嘴中心线的水流速分布假定作用在粒子上的主要力量是阻力和惯性力,那么单个粒子的运动方程就可以写为: (8) (9) (10)表1 标准模拟条件喷嘴尺寸:直径d1mm长度L20mm直圆柱形管直径d03mm直圆柱形管长6mm锥形进水道角度60密度1000kg/m3分子粘性0.001kg/(ms)粒子直径dp0.01,0.05,0.1和0.25mm粒子密度p4000kg/m3进水道条件:Z速度100m/sr速度0m/s紊流动能K0.0012能量耗散3/2/0.2d进水道雷诺数Re3.0105其中,t是动量在流体和粒子之间传送的粒子响应时间,是阻力修正系数这样当粒子雷诺数Rep处于联合或变大命令下就可以使用斯托克斯阻力公式了。在喷嘴进水道将详细说明速度,紊流动能以及能量耗散。这里使用Z向的均匀速度总剖图。紊流动能和能量耗散可通过前面提到的公式得到计算。需要假定的是,当磨料粒子进入喷嘴时,作为流体媒介物它们是以相同的速度运动的。图5 喷嘴中心线粒子速度 (a)L=20mm,(b)L=30mm,(C)L=40mmAxial distance:轴向距离 Particle axial velocity:粒子轴向速度4、关于CFD结果的讨论在促进喷嘴设计和发展的过程中,现在主要需强调的是CFD分析法在前混合磨料水射流系统DIA射流喷嘴中的应用。应用了演示CFD分析法在模拟紊流和粒子动能属性中的能力,我们进行了一系列关于不同粒子尺寸和喷嘴几何形状的实验。表1显示了标准模拟条件,其中有些变量将会有变化并以单个进行评估。 4.1水流场 喷嘴进水道的水流速被定为100m/s。图3是喷嘴水流速向量平面图。喷嘴排泄口的速度分布呈典型的幂律曲线,其最大速度正处于喷嘴中心线。水流速的信息又为粒子轨迹线的计算提供了基础。由于输送管的逐渐收缩而造成的损失可通过起重机实验数据得到证实。根据水射流的最初速度100m/s以及精选的几何形状可以推算压力差值在120MPa左右。鉴于这一压力差值,喷嘴中心线的排泄速度将处在500m/s上下。基于马赫数小于0.3的基础假设,那么水流的可压缩性也就可被忽略了。 4.2粒子速度和轨迹线 粒子速度和轨迹线是在拉格朗日粒子运动方程的基础上研究的。假定粒子冲击喷嘴壁其反弹回的角度将相当于入射角;例如,解调系数定为0.8,那么经过撞击后的粒子速度将相当于冲击速度的80%。 4.2.1临近喷嘴中心线的粒子速度
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