GSJ-30型离心抛光机结构设计和实现机械制造和自动化专业论文设计

1、本科论文目 录摘 要IAbstractII引 言11抛光机21.1抛光机的概念21.2 抛光机的发展21.3 主要研究内容71.4设计成果部分82 抛光机整体设计方案92.1 整机结构及功能概述92.2 主要传动机构设计92.2.1电机的选择与设计92.2.2塔轮的传动设计102.2.3带传动设计152.2.3轴及轴承的设计182.2.4螺栓的校核223 抛光机建模及图纸253.1三维建模253.2整体渲染28结 论29致 谢30参考文献31摘 要中国的研磨技术从21世纪开始才略有结果，随着科学的进步，在载人航天材料、天体望远镜、计算机等高科技产品领域的需求表面质量越来越高，其影响越来越大。这

2、些产品在人们的生活中越来越深入，中国科学家和企业逐渐理解了磨练技术的重要性。国内研磨技术虽然起步缓慢，研磨技术的应用和机械装置制造领域的机器开发还不是很发达。因此，我国在瓶颈研磨领域的产业发展历程较长，发展速度较慢、自动化研磨机及其消耗品成本都非常高，因此产品表面的研磨加工以经验丰富的工人为主。手工成本不高，但生产效率非常低，在研磨过程中所需要的时间是精确的，占整个成形品的最大比例，表面研磨后难以保证表面质量的稳定性。可以想象，现如今改善自动化水平，提高效率，减少研磨领域的环境污染尤为重要。在市场的推动下，国内的大学和企业开始彻底研究研磨机制，为满足市场多种多样的产品需求，不断创新抛光加工技术

3、和工艺来应对市场上多样的产品需求。目前最成熟，最广泛使用的是机械研磨。本论文通过对现有的微螺丝磨床的设计和改良，确定皮带驱动、轴、轴承、螺栓的特定尺寸，确保准确的定位和精度。通过工作研磨，生产效率大幅度提高。根据工作的过程要求和机器的功能，设计方案。关键词：抛光机；机械设计；带传动；轴；螺栓AbstractChinas grinding technology has achieved little results since the beginning of the 21st century. With the progress of science, the demand for surfa

4、ce quality of high-tech products such as manned space materials, astronomical telescopes, computers and so on is getting higher and higher, and its influence is getting larger and larger. These products are more and more in-depth in peoples lives, and Chinese scientists and enterprises gradually und

5、erstand the importance of honing technology. Although the domestic grinding technology started slowly, the application of grinding technology and machine development in the field of mechanical device manufacturing are not very developed. Daher hat Chinas It is conceivable that it is very important t

6、o increase the degree of automation of the grinding area, increase efficiency and reduce pollution.Driven by the market, local universities and enterprises began to study the grinding mechanism in depth.In order to meet the market demand for various products, they continue to innovate polishing tech

7、nologies and processes to meet the market demand for various products.At present, the most mature and widely used is mechanical grinding. In this paper, through the design and improvement of the existing micro screw grinder, the specific dimensions of belt drive, shaft, bearing and bolt are determin

8、ed to ensure accurate positioning and accuracy. Through working grinding, the production efficiency is greatly improved. In the light of the requirements of the working process and the function of the machine, a design plan is proposed. Key words: polishing machine；mechanical design；belt drive；shaft

9、；bolt引 言人类社会工业文明的发展历史，就是金属材料的发展历史。当今，各种各样的金属材料已经与我们的生活息息相关，金属材料是现代产业发展，不可或缺的重要一环。一方面，金属材料的美学、可塑性和高再利用性更适合新时代的发展理念1。另一方面，金属材料本身有很大的可能性，通过不断的革新和技术的多样化表现出各种各样的新形态，在日常使用中可以实现零污染。从重工业到轻工业，金属材料已从单一组分演变为具有不同性能的复合金属。当前，与人们的生活通信设备紧密联系的手机，电脑，数码相机和其他电子产品都是金属材料为主。时至今日金属材料的应用已经左右着人类各个方面的发展和进步。金属从开采到加工，必须经过一系列的技术

10、流程，直至在生活中使用。其中机械加工分为：钻孔、旋削、钻孔、铣床加工、磨削、牛头刨法等。由于金属材料在国内市场上的广泛使用，今天各种类型的产品变得越来越多样化。而我国现有产业种类和自动化水平相对单一，不能满足人们对生产和创造的客观需求。这里特别要指出的是在研磨过程中，新产品在日常生活中出现，要求更高的审美价值，产品不断更新，单一产品在国内市场依然依赖于手动研磨。手动操作的成本不高,不过，生产效率非常变得低。在研磨过程中所需的时间占产品成型整体中最大的比例，作业进度非常慢2。这将成为所有进程的“瓶颈”，落后于产业经济利益的改善。手工研磨工艺产生大量的飞散垃圾，直接影响工人的健康。长时间操作，工作

11、强度大，抛光工件的质量也无法得到保证。又由于作业人员水平的不同，也会得到质量表现参差不齐的研磨工件3。本文针对标准件普通螺丝使用的微型抛光机进行设计和改良，在保证加工质量的前提下，运用所学的知识，提高生产效率。1 抛光机1.1 抛光机的概念为了追求降低工件表面粗糙度，以获得光亮、平整表面的方法而引入了抛光加工技术。抛光加工技术可以使用机械、化学或电化学作用中的一种或几种。生产中最常用的之一既是抛光机，抛光机也称为研磨机，常常用作机械式研磨、抛光及打蜡1。它的工作原理是电动机驱动安装在抛光机中的海绵或羊毛抛光盘高速旋转。抛光盘与待抛光零件表面进行摩擦及附加抛光剂的共同作用，继而实现去除漆面污染、

12、氧化层、浅痕的目的。1.2 抛光机的发展现代工业发展的重要基础之一是金属材料。人类文明的发展和社会进步与金属材料的使用有着非常密切的联系。现在，种类繁多的金属材料已经融入到了我们生活中2。之所以形成今天这种趋势，无外乎有一下两方面原因。其中之一是因为金属材料的美观性、可塑性和高可重用性，更适合新时代的发展理念；另外，金属材料本身具有巨大的潜力，材料、加工技术、工艺三方面的不断创新和发展，让金属材料每天都有可能推陈出新，这也是第二点重要的原因。从重工业到轻工业，金属材料已从单一组分演变为具有不同性能的复合金属。金属材料的广泛应用及其可以预见的生活中实现零污染应用，可以说从方方面面影响着人类的社会

13、发展进程2。 当下金属从开采到加工，必须经过一系列的技术流程，直至在生活中使用。其中机械加工分为：钻孔、旋削、钻孔、铣床加工、磨削、牛头刨法等。在中国市场中，由于金属材料的广泛应用，使得产品表现形式越发的多样化，而我国现有的工业自动化产业功能比较单一，对人依赖性强，已经无法满足现代工业自动化生产的需求3。在日常生活中越来越多出现的新产品需要更高的美学，并且产品不断更新。国内市场继续依赖个别产品的手工抛光显然以无法满足。虽然手工操作成本不高，但生产效率很低。抛光过程所需的时间占整个产品成型的大部分，工作进度非常缓慢。这已成为所有流程的瓶颈，并严重拖后了生产进度。在人工抛光过程中，会产生大量的飞尘

14、，直接影响工人的健康。由于工作时间长，工作强度高，抛光工件质量的整体水平可能会产生较大波动，无法达到整体要求的效果。而且工件质量也会因为不同的作业人员而表现的参差不齐3。手工抛光与自动化设备抛光对比示意如图1.1。 a） 手工抛光 b） 自动化抛光图 1.1 手工抛光与自动化抛光抛光加工技术是利用机械、化学或电化学作用，消除工件表面划痕，降低工件表面粗糙度，以获得光亮、平整表面的加工方法。我国的抛光加工技术发展缓慢，二十世纪末国内高校逐步开始对化学及电化学抛光技术进行研究4。这里不乏一些优秀的设计成果值得我们借鉴。在电化学机械抛光加工和脉冲电化学机械抛光加工领域中，大连理工大学凭借不断深入研究

15、光整加工技术，在投入大量的资金投入后最终得到了喜人的成绩，并且在最近实现了技术的商业化实践。太原理工大学建立数学模拟仿真模型，将数字试验和物理试验结合应用对抛光加工技术进行微观加工机理的研究，获得了较好的社会效益和经济效益。英国 Cranfeild 大学有着研磨抛光行业顶尖的的精密工程研究所，这里孕育出了最大直径为 1400mm 的非球面发射镜，这依靠了其中的大型超精密金刚石车床进行研磨抛光，该发射镜已在X 射线天体望远镜上实践成功。Cranfeild 大学最新研制的纳米加工中心，工件加工精度可达 0.1m，工件表面粗糙度 ddmin. dd2=n1n2dd1(1-) (2-3)式中：=0.0

16、2，带的滑动系数；n1塔轮=1440,小塔轮转速r/min；n2塔轮=900，大塔轮转速r/min;dd1塔轮=90，小塔轮直径mm;dd2塔轮,大塔轮直径mm.解得=141.12mm，圆整取=140mm，并将上述数据带入式（2-4）中，得到带速:v=dd1n601000 =901440601000 =6.79m/s (2-4)因为6m/sv30m/s，故验算的带速满足设计要求。(4)初定中心距和带的基准长度根据式（2-5）得到0.7（90+140）a02（90+140）mm，即161a0460mm，选取a0=400mm. 0.7dd1+dd2a02dd1+dd2 (2-5)初算带的基准长度L

17、d0 Ldo=2a0+2(dd1+dd2)+(dd2-dd1)24a0 (2-6)得到基准长度Ld0=2400+2（90+140）+（140-90）24400mm Ld0=1161.13mm，根据GB1154489取得基准长度Ld=1250mm. (5)确定实际中心距 aaa0+Ld-Ldo2 (2-7) =400+1250-11612=444.5mm (6)确定小带轮的包角 通常小带轮上的包角小于大带轮上的包角，小带轮上的临界摩擦力小于大带轮上的临界摩擦力。为了防止打滑，提高带传动的工作能力，应使满足式（2-8）1180-（dd2-dd1)57.3a120 (2-8)带入计算得1=173.5

18、5120符合设计要求。(7)确定带的根数在指定的测试条件下获得一个窄 V带的基本标称功率。实际工作条件与实验条件不同，因此应调整一个窄 V带的基本功率值，以获得一个窄 V 带的额定功率Z塔轮=pd(p1+p1)kakL (2-9)式中：-在正常工作，且传动比不为1的情况下，单根窄V带额定功率的增量。 Ka -当带轮包角不为180时的修正系数 KL -当带长不等于实验规定的特定带长时的修正系数15。根据国标GB/T13575.19-2查得单根z型v带的额定功率数值，确定取P1=2.19kW，P1=0.46kW.根据国标GB/T13575.19-2附录查得包角系数Ka=0.95 取KL0.90 则

19、带的根数根据式（2-9）得z=1.94，结合实际并根据带得取整条件得到z的实际取值为2(8)塔轮具体尺寸确认综上得到一对带轮的尺寸数据为：z型窄v带小带轮直径dd1塔轮=90mm、大带轮直径dd2塔轮=140mm、中心距a塔轮=444.5mm、带的根数z塔轮=2.此预设计尺寸为塔轮的中间尺寸，且两塔轮尺寸相同互为相反配对使用，根据实际要求设计五阶塔轮（图2.4）内径尺寸依次为D1=65mm,D2=90mm,D3=115mm,D4=140mm,D5=165mm. 图2.4 五阶塔轮 2.2.3 带传动设计 由于本部分结构的设计与上述的塔轮设计过程部分相同，详细步骤不一一列出。根据式（2-2）式（

20、2-9）得到图2.1-4、2.1-5中带传动部分数据具体如下：带型：z型窄v带小带轮直径：dd1=125mm大带轮直径：dd2=200mm小带轮转速：v=9.42m/s实际中心距：a=543.5mm小带轮包角：=172.1基准长度：Ld1600mm,带的根数：z=2.(1)确定带的初拉力F0由于初拉力F0的大小不同，会带来打滑甚至寿命降低的现象，为了防止以上不良状况，所以在确定初拉力时，即要发挥带的传动能力，又要保证带的寿命22。单根V带的初拉力F0可由下式确定：表2.3 V带单位长度质量项目基准宽度制窄V带型号SPZSPASPBSPCq/（kg/m）0.0720.1120.1920.37 F

21、0=500(2.5-Ka)PcaKazv+qv2 （2-10） =5002.5-0.954.40.9529.42+0.0729.422 196.9N式中：Ka -小带轮包角修正系数 Pca -计算功率，kW Z -V带的根数 V -V带的带速 q -Z型V带单位长度质量(2)计算作用在轴上的力FP FP=2zF0sina12 （2-11） =22196.9sin172.12 784.56N 式中：-小带轮包角初拉力是用于设计安装带轮的轴和轴承的。(3)综上，本次设计带轮，大小带轮基准直径均dd300mm，为了节约成本并考虑加工成本使大带轮设计成孔板式（图2.5），带轮材料为铸铁(GJL-150

22、, GJL-200). 现根据相关计算公式，结合表2.4所示计算得到孔板轮的各个尺寸数据。表2.4 窄V带轮槽截面尺寸项目符号槽型SPZSPASPBSPC基准宽度bd8.511.014.019.0基准线上槽深hamin2.02.753.54.8基准线下槽深hfmin9.011.014.019.0槽间距e120.3150.3190.325.50.3第一槽对称面至端面的最小距离fmin7911.516槽间距累计极限偏差0.60.60.81.0带轮宽BB=(z-1)e+2f z轮槽数外径dada=dd+2ha轮槽角34相应的基准直径dd601181903153880118190315极限偏差0.5故

23、此，带轮宽B： B=(z-1)e+2f (2-12) =2-112+27=26mm 式中：Z-轮槽数e-槽间距f-第一槽对称面至端面的最小距离小带轮外径d1b: d1=dd+2ha (2-13) =129mm 式中：dd-带轮基准直径ha-基准线上槽深 大带轮外径d1d1=dd+2ha =200+22 =204mm 图2.5 带轮结构图例(4)带传动具体尺寸确认综上，得到带传动具体尺寸为z型窄v带，小带轮直径：dd1=125mm，大带轮直径：dd2=200mm,实际中心距a=543.5mm,带轮齿宽b=26mm, 带基准长度Ld1600mm,小带轮外径d1=129mm,大带轮外径的d2=204

24、mm,大带轮为孔板式。2.2.3 轴及轴承的设计 (1)轴的选取轴是抛光机极为关键的零件之一（图2.6），极大程度影响抛光机成品的寿命和可靠性。轴承担周期性的压力力矩及惯性力21。根据工作性质要求将大带轮的动力传递给滚筒旋转架提供工作滚筒的动力，因此曲轴是公认最为符合条件的轴类零件。图2.6轴零件部分视图假设塔轮部分1:1传动，根据上文所求关于轴的计算已知数据如下：电机功率：p=4.4kw小带轮直径：dd1=125mm大带轮直径：dd2=200mm小带轮转速：n1=1440r/min.(2)轴的直径求出轴功率P2、转速n2以及转矩T2。其中功率P2取决于带传动输出功率即输入功率及传动比，带传动

25、效率取常值 ，P2=P2 （2-14） =4.40.992=4.31kW计算传动比: i=d2d1 (2-15)=1.6 轴的转速： n2=n11i (2-16)= =900r/min T2=9550000P2n2 (2-17) =9550000=45733.89Nmm式中：P2-轴上的功率N2-转速-带传动的传动效率i-带传动的传动比T2-转矩考虑到生产中的加工工艺及经济性并结合最终的曲轴性能。根据表2.5取A=113,于是初步确定轴的最小直径： d=A03P2n2 (2-18) =113=19.04mm基于标准轴承直径得考虑，取d=20mm选取轴材料为40铬（40Cr）经过调质处理加工表2

26、.5 轴常见的几种材料的A0值轴的材料Q235、20354540CrA014912613511212610311297(3) 轴承选取轴承的正确选用对工作性能有着重大影响，影响其中包括使用寿命、费用及维修时间。轴承是我们在机械行业中较为常见的标准件，应用较为广泛，轴承在机械零件中主要起到固定和支撑的作用。在轴承的选取上，一般情况下，通常在与小轴配合上选择球轴承，在与大轴配合上通常采用滚子轴承。对于与小轴配合使用的轴承，轴承中的所有的种类都适合，一般情况下，通常采用深沟球轴承23。 本次抛光机设计中的轴为曲轴，而曲轴的工作条件复杂受力成周期性变化，所以尽可能选取承载能力较高的轴承型号。本次设计中

27、的轴承在运动过程中仅承受径向载荷，在众多选择中深沟球轴承都适用于本次设计的使用场景，深沟球轴承有以下优点：（1）精度较高。（2）成本低，易于制造。（3）可承受径向载荷，也可承受一定轴向载荷（4）摩擦小，转速高。根据本次设计的工作条件以及相关配合轴的尺寸，轴承内圈的尺寸为20mm，工作时轴承的径向载荷Fr=286.8N，轴承转速为918r/min，运动时无冲击，预期计算寿命为18000h，根据以上给定的设备运行情况，选取合适的轴承型号。滚动轴承的当量动载荷;当量动载荷的一般计算公式为： P=fd(XFr+YFa) （2-19）但是对于仅承受径向载荷的轴承：P=Fr （2-20）按照式（2-19）

28、求得的当量动载荷仅为理论值，实际运行环境中，因为多种因素的影响，当量动载荷一般需要乘以一个实验得到的载荷系数fd。对于仅承受径向载荷的轴承当量动载荷为： P=fdFr （2-21）式中：fd -载荷系数Fr-径向载荷表2.6 载荷系数表载荷性质举例无冲击或轻微冲击1.01.2电动机、汽轮机、通风机、水泵中等冲击1.21.8车辆、动力机械、起重机、机床等强大冲击1.83.0破碎机、钻探机等按照表3.8，fd=1.83.0，取fd=1.8.P1.8286.8=516.25N轴承应有的额定动载荷值 C=P60nLh106 （2-22） =516.24360918200001065331.62N式中：

29、P-当量动载荷n-转速Lh-预期计算寿命 -指数，球轴承数值为3 本次设计的轴承型号，根据计算以及综合考虑具体的使用情况，按照设计手册选择C=5.33KN的6004轴承。(4)轴承寿命校核以被压紧得轴承为例，根据轴承轴承寿命方程L10=(CP) （2-23）式中：L10-基本额定寿命C-基本额定动载荷结合式2-23所得数据，带入得到L10=1101.61其单位式106r。换算成具体寿命为20000.18h，大于设计寿命18000h，满足设计要求。(5)轴及轴承尺寸确定使用轴材料为40铬（40Cr），最小直径为18.93mm、设计直径为20mm的曲轴；搭配使用C=5.33KN的6004的深沟球轴

30、承。2.2.4 螺栓的校核 根据经验得到机器中板部分使用的连接为受轴向载荷紧螺栓连接，其基本形式如图2.7所示，现以强度校核和许用应力进行计算。图2.7受轴向载荷紧螺栓连接取设计尺寸d1 = 7.55mm，在总静载荷FQ的作用下，螺栓组连接承受到轴向力及倾覆力矩的作用，得到数值为：FQ=3kN，倾覆力矩M=180kNcm.四支螺栓成组使用，各螺栓所受载荷为：Fmax=MLmax4Li2 （2-24）得到螺栓的工作载荷Fc = 3.2 kN 根据强度校核计算公式（2-25）和许用应力计算公式（2-26）对其设计尺寸进行强度校核a=2FCd12a （2-25）a=KtKu -bKSa （2-26）

31、式中：FC-轴向载荷d1-螺栓小径 -相对刚度-尺寸因数Kt-制造工艺因数Ku-受力不均匀因数K-缺口应力集中因数 -b-抗压疲劳极限Sa-安全因数其中切制螺纹Kt=1，滚制搓制螺纹Kt=1.25；受拉螺母Ku=1，受压螺母Ku=1.51.6；控制预紧力Sa=1.52.5，不控制预紧力Sa=2.55.其余数据根据工况结合表2.7、2.8、2.9、2.10得到相应参数的具体数值如下：相对刚度 = 0.25螺栓材料 Q235-A螺栓抗拉强度 B = 440 MPa螺栓屈服强度 s = 240 MPa抗压疲劳强度 b = 140 MPa尺寸因数 = 0.53制造工艺因数 Kt = 1受力不均匀因数

32、Ku = 1.55缺口应力集中因数 K = 3.9安全系数 Sa1 = 2螺栓许用应力幅 a = 12.58 MPa螺栓公称直径 Md = M10螺栓计算应力幅 a =7.36 MPa校核计算结果： aa 满足强度要求表2.7螺栓连接相对刚度垫片材料金属（或无垫片）皮革铜皮石棉橡胶0.20.30.70.80.9表2.8尺寸因数螺栓直径d/mm12162024303642485610.870.80.740.650.640.600.570.54表2.9缺口应力集中因数K螺栓材料/MPa4006008001000K33.94.85.2表2.10抗压疲劳极限 -b材料10Q235-A354540Cr

33、-b120150120160170220190250240340综上，因为螺栓连接的钢板在整个机械中以支撑作用为主，受力不大。所以使用材料为Q235-A的紧螺栓设计符合基本要求，并且在正常使用条件下强度校核通过，设计合理。 3 抛光机建模及图纸我国当下抛光设备发展缓慢：手工抛光不仅耗时，工作环境差，而且长期使用对抛光性能有严重影响，不能保证产品质量的统一性。随着高精度电子设备需求的增加，例如手机和智能穿戴设备，这样手工抛光已不能满足市场需求。抛光机的研发一定程度上解决了我国电子行业目前金属外壳精加工工艺的技术需求问题。为了满足上述设计要求，在抛光机中使用 Solid Works 3D 软件建模

34、模拟装配并持续优化设计，以缩短设计和制造周期，提高产品质量并降低成本。后来，为了实现模拟生产过程，CAD用于绘制非标准零件和装配图纸。3.1 三维建模 1.抛光机电机及传动部分的三维建模（图3.1），其中的主要零件包括：电机（图3.2），宝塔皮带轮（图3.3），带立式座轴承（图3.4）。图3.1抛光机传动部分 图3.2电机 图3.3宝塔皮带轮图3.4带立式座轴承2抛光机工作面的主要结构（图3.5），其中主要零件包括：滚筒轴承座（图3.6），塑料六角桶（图3.7），尼龙盖（图3.8），滚筒旋转架（图3.9）.图3.5抛光工作面的主要结构 图3.6滚筒轴承座 图3.7塑料六角桶 图3.8尼龙盖 图

35、3.9滚筒旋转架3抛光机三维总装图图3.9总装图3.2 整体渲染之前已经对微型抛光建立了三维模型，三维模型图整体颜色较为统一，不能有效展示整体外观，为了更好地展示实际生产中的微型抛光机的外观，需要微型抛光机三维模型图进行渲染，尽可能的接近实际生产情况。微型零件抛光机的三维模型是采用solid works软件，但是solid works软件的渲染效果较差，为了更好地对三维模型进行渲染，本次采用Key shot软件对产品整体进行渲染。首先，先在solid works软件中将整体模型导出至Para solid文本文件，导出的文件格式后缀为x-t。打开Key shot软件，导入之前导出的X-T文件，然

36、后对模型进行渲染，导入的模型软件将默认为统一材质和颜色，我们在渲染时，要首先对渲染的部件进行解除材料链接，再对部件进行材料赋予，然后改变部件颜色，调整渲染文件的各种场景、灯光等要素，达到较好的显示效果，在渲染成图片。最终得到的效果图如图3.10所示。图3.10渲染图结 论 本次的设计是离心抛光机的造型设计和传动机构的计算建模，要完成的主要是抛光机的结构设计、传动设计以及外形设计。为了满足广大客户的使用要求，做到结构外形尽可能简洁美观，同时降低加工成本，机器的实际操作性强，安全可靠。其中传动设计、结构设计在现有产品的基础上进行合理的优化，在保证工作效率的前提下能够适当的降低各部分部件的磨损。在该毕业设计中涉及塔轮和带传动的设计，轴及轴承的选取，我可以掌握到本科阶段所学到的各种设计方法和计算原理，对于我以后高层次的学习甚至是毕业后的工作中有着非常有效的帮助。至此我得出以下结论：(1)选用型号为Y112M-4的三相异步电动机，额定功率4kW。(2)设计配对使用的五阶塔轮内径尺寸依次为D1=65mm,D2=90mm,D3=115mm,D4=