材料表面裂纹缺陷的预处理装置设计初稿

1、本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：材料表面裂纹缺陷的预处理装置设计 学生姓名：范常峰学 号：08046102专业班级：工业设计08-1 指导教师：刘衍聪 教授2012年6月17日摘 要机械工程领域材料表面易产生微裂纹并不断扩展造成装备的破坏失效，激光熔覆技术是一项发展迅速的表面改性技术，可对材料表面进行快速修复与性能优化，提高材料利用率，延长了工件使用寿命。裂纹预处理装置需要对裂纹快速、简捷、准确的去除，以满足激光熔覆的需要。(设计制造裂纹预处理装置填补了激光熔覆修复裂纹预处理装置的技术空白。)材料表面裂纹缺陷预处理装置的设计，主要包括装置磨削与传动部分设计、装置外壳与基座设计以及基座运动

2、仿真。根据裂纹处理快速方便的需要，装置采用锥齿轮传动,通过砂轮磨削去除材料表面裂纹，并对锥齿轮进行设计计算和技术性能校核。运用机械动力分析软件Adams对基座仿真模拟，并进行结果分析。运用多边形建模功能强大的3ds max以及Solidworks插件Gear Trax对装置建模并使用互动性的光线追踪与全域光渲染程序keyshot渲染展示。关键词: 激光熔覆；裂纹缺陷；磨削；锥齿轮；仿真模拟ABSTRACTThe material surface is easy to produce the micro-cracks and expand destruction caused by equipm

3、ent failure in the field of mechanical engineering. Laser cladding technology is a rapidly developing technology for surface modification, it can fix the surface, optimize its performance. As a result, it improves the material utilization and extends the working life. The crack pretreatment unit sho

4、uld remove the crack rapidly, simply and accurately in order to meet the needs of laser cladding. The design of the pretreatment unit of surface includes grinding and transmission part design of the device, the casing and base design, as well as the base motion simulation. According to the needs of

5、removing cracks rapidly, simply, accurately, the device uses bevel gear transmission, removes the cracks of surface by wheel grinding. It also calculates the bevel gear and checks the performance. It uses the mechanical power analysis software Adams on the base simulation and analyzes the result. It

6、 uses the powerful polygon modeling software 3ds max and the Gear Trax plugin of solidworks to model the device. It uses the interactive ray tracing and global light rendering program Keyshot to render and perform the model.Keywords: Laser cladding; crack defects; grinding; bevel gear; simulation目 录

7、第1章 前 言11.1 选题背景及意义11.2 国内外研究现状及发展趋势11.2.1 激光熔覆技术的应用11.2.2 材料表面裂纹的研究21.2.3 材料表面裂纹去除的现状21.3 论文的主要内容4第2章 裂纹缺陷的特点及预处理过程分析52.1 材料表面裂纹缺陷特点分析52.1.1 表面裂纹的产生52.1.2 表面裂纹的扩展52.1.3 表面裂纹扩展速率与形貌变化规律62.2 激光熔覆层几何形貌分析72.3 槽的截面分析与裂纹去除82.3.1 槽的类型的选择92.3.2 梯形槽形状的确定92.3.3 裂纹去除方式的选择102.4 工作原理11第3章 预处理装置的磨削部件设计133.1 砂轮的选

8、择133.1.1 砂轮形状与尺寸的确定133.1.2 磨料和粒度的选择133.2 磨削力的计算与电动机选择143.2.1 磨削力的计算143.2.2 电动机的选择153.3 轴径与键的设计163.3.1 传动比的计算163.3.2 轴径的设计163.3.3 键的选取173.4 锥齿轮的设计与校核183.4.1 锥齿轮1与锥齿轮2参数的确定183.4.2 锥齿轮3与锥齿轮4参数的确定223.5 砂轮的安装与安全防护253.5.1 砂轮的安装253.5.2 工作过程的安全防护25第4章 预处理装置基座设计与运动仿真274.1 基座结构设计274.1.1 基座高度调节的实现274.1.2 基座角度转

9、轴设计274.1.3 基座导轨选择284.1.4 基座底板设计284.2 基座运动仿真294.2.1 仿真模型的建立294.2.2 施加作用力与阻尼器304.2.3 仿真结果分析314.3 基座辅助部件设计32第5章 外壳设计与装置展示335.1 砂轮正反转装置335.2 外壳的设计345.2.1 外壳颜色的确定345.2.2 外壳把手分析设计345.3 三维模型的建立与外观展示35第6章 结 论39致 谢40参考文献41附 录42第1章 前 言1.1 选题背景及意义在石油、石化和航天造船等领域，重型装备种类繁多，由于重载和振动等恶劣工况以及构件表面本身存在各种宏观缺陷，如压痕、刮伤、蚀坑等，

10、材料表面易产生微裂纹并不断扩展造成装备的破坏失效，若直接报废将会造成巨大经济损失，而且大量零部件及设备报废也会对环境和资源造成巨大压力。通过先进的加工技术对零件表面进行改善，不但延长了零件使用寿命，而且提高了其表面使用性能，由此带来了巨大的经济和社会效益。激光表面处理是绿色再制造技术，是未来工业应用潜力最大的表面改性技术之一。基于激光加工技术在零件表面制备与金属基体材料呈冶金结合的表面涂层，可根据使用性能要求设计涂层成分、选择熔覆材料，在廉价钢材上可制备出性能优异的合金涂层1，从而显著地改善零件耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化等性能，节约贵重稀有金属材料，提高材料利用率、降低成本，因此激光熔覆技术被广

11、泛应用于石油、化工、航天和医疗器械等领域。激光熔覆前材料表面的裂纹需要进行有效地清除，在此基础上考虑金属材料成本，加工成本等因素裂纹的去除应满足准确、简单、快捷等要求。目前材料表面裂纹的去除很难同时做到准确、快捷，仅凭操作者的工作经验进行表面裂纹的去除，容易造成不必要的资源浪费。基于上述问题，本文对表面裂纹预处理装置设计，在材料表面修复前对表面裂纹进行准确、快捷的去除，从而达到提高材料利用率，降低成本的目的。1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 激光熔覆技术的应用激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，近年来受到了各界的广泛关注。激光熔覆技术有很

12、多工艺性优点，如易于控制、工件变形量小，熔覆层与零件间结合强度高，熔覆层耐磨性和耐蚀性能好等。可实现对各种大型、精密零部件的表面改性，对关键零部件的磨损部位进行修复。与传统的表面改性技术相比较，激光熔覆技术解决了电弧堆焊、氩弧堆焊、等离子弧堆焊等传统加工方法无法解决的工艺过程热应力和热变形大的难题，因此被广泛地应用于机械装备零部件的加工和修复中。1.2.2 材料表面裂纹的研究近50年来，对于材料表面裂纹的研究，断裂力学作为一门研究含裂纹材料和结构的抗断裂性能，以及在各种工作环境下裂纹的平衡、扩展、失稳及止裂规律的学科发展迅速，已在许多领域中解决了大量的生产实际问题，特别是解决了抗断设计、合理选

13、材、适当的热处理制度和加工工艺、预测构建的疲劳寿命、制定合理的质量检测制度和验收标准以及防止断裂事故等方面的问题。目前，材料表面裂纹研究的基本理论、测试技术和应用计算方法等还有许多有争议和不成熟之处而正处于发展之中。虽然其研究的许多领域仍在发展阶段，但许多国家已将较成熟的部分制定了断裂控制新标准及设计规范，用于工程实际中，成为提高产品质量、保证产品安全运行、防止结构断裂事故的有力工具。我国工业由于材料裂纹造成的损失惊人，为此在重大机械产品设计中采用防断裂设计2,国外称为“破损安全设计”或“损伤容限设计”，其有助于机械产品设计水平的提高，保证产品的安全性和可靠性。在不可避免地存在缺陷或裂纹的构件

14、中，可以防止事故的发生，减少不应有的损失。国内学者通过大量实验，运用“变载荷勾线法”等对材料表面裂纹的扩展速率和形状变化进行了研究并利用公式加以描述，分析其中各参数关系。材料表面裂纹的研究，对于我国工程实际问题具有重大的实用价值和经济意义。1.2.3 材料表面裂纹去除的现状对于材料表面裂纹的去除主要有以下几种方法：气割加工、切削加工（铣削或刨）、碳弧气刨、砂轮打磨。如Error! Reference source not found.所示：（a）(b)(c)(d)图 11 材料表面裂纹去除方法(a) 气割加工；（b）切削加工；（c）碳弧气刨；（d）砂轮打磨气割是利用气体火焰的热能将工件切割处预

15、热到一定温度后，喷出高速切割氧流，使材料燃烧并放出热量实现切割的方法。气割一般只用于低碳钢、低合金钢和钛及钛合金，手工气割使用灵活方便，一般应用于工厂零星下料、废品废料解体、安装和拆除。切削加工是使用刀具作进给运动进行切削加工，效率高，目前国内有关于便携式机械去除裂纹、加工坡口的专利，主要是通过电机带动铣刀盘对材料表面进行铣削，相关产品已在大型管道和装备领域得到应用。碳弧气刨是利用在碳棒的与工件之间产生的电弧热将金属熔化，同时用压缩空气将这些熔化金属吹掉，从而在金属上刨削出沟槽一种热加工工艺。目前，碳弧气刨主要用于清焊根，开中、厚板对接坡口、管对接U形坡口。砂轮打磨应用广泛，主要进行金属部件打

16、磨切削，木材、石材加工等。各种裂纹处理方法有各自的优缺点，基于加工要求，通过分析对比选择合适的加工方法，不仅有利于裂纹处理的准确和简捷，而且降低了加工成本，对激光熔覆加工的实现具有重要意义。1.3 论文的主要内容针对激光熔覆表面裂纹预处理的要求以及目前裂纹去除过程中存在的问题，本文主要包括以下内容：（1）采用磨削方式对材料表面裂纹进行去除，进行磨削力的计算。选用旋转电机带动锥齿轮传动，并对锥齿轮进行设计计算和性能校核。（2）基于激光熔覆表面裂纹预处理的要求，指出现阶段砂轮打磨方面的不足，提出解决方案，对装置进行结构设计，达到简单、快捷、准确去除裂纹的目的。（3）运用机械动力学软件Adams对装

17、置基座进行运动仿真，并进行结果分析。（4）对预处理装置磨削及传动部分采用Solidworks进行建模，对装置外壳部分参照人机工程学使用3ds Max软件进行设计建模,装置模型使用互动性的光线追踪与全域光渲染程序Keyshot进行渲染展示。第2章 裂纹缺陷的特点及预处理过程分析研究裂纹缺陷和激光熔凝区的特点，分析表面裂纹扩展速率及形状变化规律对裂纹的有效和准确去除具有重要意义。本章是对材料表面裂纹缺陷特点进行介绍，为磨削表面裂纹装置设计提供理论依据。对激光熔凝区几何形貌作简要分析，以求磨削裂纹可以更好的满足激光熔覆过程的要求。为了降低装置闲置率，装置具备磨削焊接坡口的能力。2.1 材料表面裂纹缺

18、陷特点分析2.1.1 表面裂纹的产生实际构件存在的缺陷是多种多样的，如冶炼中产生的夹渣、气孔，加工中引起的刀痕、刻槽，铸件中的缩孔、疏松。机械装备本身可能存在缺陷，在重载和振动等恶劣工况下，其材料表面易产生微裂纹并不断扩展造成装备的破坏失效，结构在不同环境中使用时会产生腐蚀裂纹，大多数工程实际问题中，构件上作用的载荷或应力往往随时间交替变化，总是在应力最高、强度最弱的局部位置上发生疲劳，从而产生疲劳裂纹。裂纹按几何特征可以分为穿透裂纹、表面裂纹和深埋裂纹。裂纹位于构件表面或裂纹深度相对构件厚度比较小就作为表面裂纹处理。对于表面裂纹常简化为半椭圆形裂纹。很多穿透裂纹也可以追溯为表面疲劳裂纹扩展形

19、成的，因此研究表面裂纹扩展具有重要的实际意义。2.1.2 表面裂纹的扩展裂纹形成后，在材料中的扩展可分为两个阶段。第一阶段是在与拉应力成45°角的最大剪应力的方向扩展，在这一阶段内裂纹扩展速率和深度都非常小。其后转为第二阶段，裂纹沿着最大拉应力平面进行扩展，其扩展速率与深度都比第一阶段大得多。裂纹的亚临界扩展过程是裂纹尖端反复锐化和钝化的过程，要经历张开、钝化、闭合的循环，裂纹尖端每经过一次循环，裂纹就向前扩展一个。Bates和Clark曾提出了裂纹间距与应力强度因子幅度以及材料弹性模量E间的经验关系式：（2-1）由此，可以对应力强度因子幅度作大致估算2.1.3 表面裂纹扩展速率与形

20、貌变化规律若应力循环次之后，裂纹扩展量为，裂纹扩展速率是指应力每循环一周，裂纹的扩展。对于裂纹扩展速率的研究，主要在于寻求裂纹扩展速率与有关各种力学参量之间的数学表达式。二维裂纹的问题，疲劳裂纹扩展速率一般采用Paris-Erdogan公式3来描述，即：（2-2）式中，da/dN为裂纹扩展速率，K为应力强度因子幅值，C和m为材料常数。对于三维裂纹问题4，当含有半椭圆裂纹的平板受拉伸和弯曲载荷作用时，裂纹在深度和长度方向的扩展速率分别为：（2-3）（2-4）式中，a为裂纹深度，c为裂纹半长，、分别为裂纹最深点A和表面点B处的应力强度因子幅值，CA、CB各为裂纹深度和长度方向的材料系数。在三维裂纹

21、扩展过程中，对于弯曲疲劳表面裂纹不断扁化5，且满足如下关系式：（2-5）其中，B为构件厚度。对于拉伸疲劳，随裂纹扩展，趋于一个稳定值，其值为：（2-6）现有有一厚度为15mm的钢板，材料为40号钢。钢板表面因弯曲疲劳存在一长度为85.7mm的裂纹，现对其进行裂纹去除以方便进行激光表面修复。由式（2-5），裂纹深度a=10mm现测得裂纹偏转幅度为4mm，如Error! Reference source not found.所示：图 21 钢板表面疲劳裂纹由手册查取国产钢材疲劳裂纹亚临界扩展率值可知，40号钢其材料常数C为，单位为，m为3，应力强度因子幅度在18.649.6之间，此处取为40，则根

22、据Paris公式，裂纹扩展率mm/周2.2 激光熔覆层几何形貌分析激光熔覆是一种具有焊接和热处理双重属性的工艺，它利用高能密度的激光束在基体表面熔覆具有一定性能的熔覆层。在熔覆过程中熔覆材料和基体表面在激光束的作用下被迅速熔化，随后快速凝固，从而在基体表面形成与常规性能不同的合金层。熔覆试样横截面按组织特点由上至下分为四个区域：熔覆层、熔合区、热影响区和基体。通过对熔合区几何形貌进行分析，确定裂纹去除后基体的截面形状，对激光熔覆加工熔覆层质量重要影响。激光光束经过待修复区域时，待修复区域合金粉末层熔化，此区域称为熔化区，同时基材也有一薄层熔化，此区域称为结合区，它是激光快速加热形成的熔池底部冷

23、却后产生的组织。熔化区和结合区共同形成了激光熔池，称为激光熔合区。占焕校等在“激光宽带加工数值模拟中的热源模型”一文中采用激光宽带热源模型，对42CrMo板材表面进行激光熔凝试验。试验发现，熔池底部较为平整，类“平底锅”状6。在激光熔覆过程中，工艺参数对熔覆层的外观形貌、显微组织及性能有直接的影响，而熔覆层的形貌，包括熔覆层宽度、熔覆层高度、基体熔深，其对最后的熔覆质量有较大的影响。影响激光熔覆层形貌的因素很多，且实际生产中存在着许多不确定或难以确定的因素，这些因素有送粉系统的稳定性、激光系统的聚焦性、激光功率、光斑直径、扫描速度、送粉速率等。对于激光熔凝区几何形貌影响因素以及各影响因素与几何

24、形貌之间的对应关系，赵洪运等采用多元线性回归分析的方法进行了阐述。其主要是通过设一个响应变量Y和m个预测变量，的n组观测数据，建立如下线性模型7：（2-7）式中，均为常数，为偏回归系数；为随机干扰；响应变量，分别代表熔覆层宽度W，熔覆层高H，基体熔深p；解释变量，分别代表激光功率P，激光扫描速度v，送粉电压U。由公式（2-8）可得到送粉速率，单位为mg/s，其中，是粉槽体积，是粉末松装密度。通过SPSS统计分析进行多元线性回归，得出以下表示熔覆层宽W，高度H和基体熔深p的表达式：（2-9）（2-10）（2-11）其中，P为激光功率（KW），U为送粉电压（V），v为激光扫描速率（mm/s）。试验

25、证明，激光功率为2.9KW3.1KW，扫描速度为67mm/s的参数进行熔覆，基体有利于得到较高的抗裂韧性和较好的机加工性能。送粉电压取5V，代入公式（2-9）、（2-10）、（2-11）得：熔覆层宽度W=4.422mm熔覆层高度H=1.487mm基体熔深p=0.420mm2.3 槽的截面分析与裂纹去除槽的截面形状会对激光熔覆质量造成影响。其形状应与熔合区截面形状相吻合，以保证激光光束对合金粉末层均匀熔化，减少了熔池冷却后应力的产生和不均匀分布，从而尽可能的减少了激光熔覆后熔覆层裂纹的产生。2.3.1 槽的类型的选择常见槽的截面形状主要有：矩形槽，V型槽，U型槽，带钝边V型槽。矩形槽加工比较简单

26、，采用铣削、刨、砂轮磨削均可加工，但矩形槽与激光熔合区截面形状差距较大，故不采用矩形槽。V型截面在焊接坡口加工中也较为常见，其加工过程简单，通过调节坡口角度，可以调节熔覆层基体金属与合金粉末的比例，但在对V型槽进行激光熔覆时需要多层多道熔覆，熔覆加工过程复杂，故不采用V型槽。U型槽可与激光熔合区截面形状完全吻合，但加工U型槽一般采用铣削或刨的方式，且需要制造相应的刀具，砂轮磨削难以实现，加工成本高，故不采用U型截面。带钝边V型槽也可称为梯形槽，梯形槽可以最大限度的与激光熔合区截面形状吻合。可通过砂轮修整，磨削加工出所需梯形槽，加工过程简单，加工成本低，故槽的类型可选择梯形槽。2.3.2 梯形槽

27、形状的确定为了最大限度地使梯形槽形状与激光熔合区截面形状吻合，需要对梯形槽的具体参数进行计算以确定。图 22 激光熔合区截面形状几何模型如Error! Reference source not found.所示，以熔覆层宽AB为x轴，基体熔深OC为y轴，AB的中点O为坐标原点建立平面直角坐标系。其中，A点坐标为（-2.211,0），B点坐标为（2.211,0），C点坐标为（0,-0.420）。将熔合区截面视为抛物线，由抛物线方程（2-12）可得熔合区截面抛物线方程为：取抛物线上的点D、E，其坐标分别为、，则梯形槽截面面积,计算得：， 即x为0.736时,梯形槽截面有最大值，最大限度与熔合区截面

28、形状吻合。由此，梯形槽截面形状确定，其上底a为1.472mm,下底b为4.422mm,高度h为0.373mm。2.3.3 裂纹去除方式的选择目前对于材料表面裂纹的去除主要有以下几种方法：气割加工、切削加工（铣削或刨）、碳弧气刨、砂轮打磨。气割加工较为工作过程快速，去除裂纹的有效性和准确性难以控制。切削加工主要有铣削和刨两种方法，这两种方法虽然去除准确，但多数情况需要将物件放到机床上，裂纹去除过程难以做到简单快捷，目前国内有关于便携式机械去除裂纹、加工坡口的专利8，主要是通过电机带动铣刀盘对材料表面进行铣削，相关产品已在大型管道和装备领域得到应用，与此同时也存在铣刀盘对加工不同截面形状难以满足，

29、切削加工切削力大从而因电机和传动装置的选取导致整个装置笨重等问题。碳弧气刨使用石墨棒或碳棒与工件间产生的电弧将金属熔化，并用压缩空气将其吹掉，实现在金属表面上加工沟槽的方法，这种方法效率高、噪音小、劳动强度低，但碳弧有烟雾，粉尘污染和弧光辐射，操作不当容易引起槽道增碳。砂轮打磨在日常加工生产中较为常用，砂轮打磨去除表面裂纹的主要工具是角向磨光机，这种方法加工过程简单、快捷，容易实现对裂纹有效去除，但其工作过程多为操作者手持，对裂纹的去除程度多凭经验判断，准确性难以把握。对比以上方法，选择砂轮打磨的方式设计装置进行裂纹预处理，力求使装置处理裂纹快速、准确、简捷，满足激光熔覆要求。2.4 工作原理

30、激光熔覆技术是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能量密度的激光束使之与基材表面一起熔凝的方法，为使熔覆过程方便，假定激光束经过基体的路径为直线，即对基体表面进行直线熔覆。现需对基体表面裂纹处磨削一规定截面形状的梯形直槽。裂纹预处理装置主要包括：砂轮，锥齿轮，电机，调高装置，角度转轴，滑块，燕尾槽，底板，外壳等。如图 23 装置外壳与基座结构示意图图 24 装置传动结构示意图其工作原理为：旋转电机通过高速轴带动锥齿轮1旋转，锥齿轮1将转矩通过锥齿轮2传递给锥齿轮3，锥齿轮4在锥齿轮3的带动下带动低速轴，进而带动砂轮旋转。其中，锥齿轮4、低速轴、砂轮可绕中速轴轴线进行180°旋转。电机

31、通过调高转盘和调高螺柱与基座相连，通过旋转调高转盘，达到电机和砂轮高度的升降。调高螺柱与角度转轴均与滑块连为一体，通过调节角度转轴可以使砂轮与基体成一定角度，滑块嵌入燕尾槽，推动电机部分，滑块沿燕尾槽直线滑动，从而保证砂轮的直线运动，通过调节高度，砂轮逐渐对基体磨削一定深度，最终去除裂纹，如Error! Reference source not found.所示。图 25 砂轮磨削基体示意图第3章 预处理装置的磨削部件设计本章对装置磨削部件进行设计，预处理装置磨削部件主要包括：砂轮，锥齿轮传动部分和电机。各个部件参数如砂轮厚度，直径，锥齿轮大端分度圆直径，电机功率等的选取将直接影响到装置对裂纹

32、的处理能力，合理选取部件参数对于预处理过程具有重要意义。3.1 砂轮的选择3.1.1 砂轮形状与尺寸的确定砂轮的形状和尺寸是根据磨削类型、加工方法及加工要求来确定的。常见砂轮形状主要有：平形、双斜边、双边凹、筒形、杯形、碗形、碟形、钹形，由于装置用砂轮在磨削裂纹或进行破口加工时有砂轮侧面磨削要求，故可选用平行砂轮和钹形砂轮，其中坡口加工选用钹形砂轮。对裂纹进行预处理时，根据梯形槽截面相关参数选择直径为100mm，厚度为4mm的平行砂轮，砂轮用砂轮修整器进行修整，使其形状与梯形槽截面形状一致。3.1.2 磨料和粒度的选择磨料是砂轮的主要组成部分，它应具有很高的硬度、耐磨性、耐热性和一定的韧性。以

33、承受磨削时的切削热和切削力，同时还应具备锋利的尖角，以利磨削金属。常用的砂轮磨料主要有：棕刚玉、白刚玉、黑碳化硅、绿碳化硅、立方氮化硼、人造金刚石9，对于在40号钢上进行裂纹磨削，可选用硬度高，韧性好，价格便宜的棕刚玉砂轮。砂轮的粒度对磨削精度和磨削效率影响很大。磨粒粗，磨削深度大，磨削效率高，但磨削精度低；反之则磨削深度均匀，磨削精度较高。对于表面裂纹磨削，选用粒度号为60#的砂轮，满足磨削要求。3.2 磨削力的计算与电动机选择3.2.1 磨削力的计算磨削力源自基体与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和结合剂与基体表面之间的摩擦作用。磨削力的计算对装置设计具有重要意义，通过

34、计算可以确定传动部分锥齿轮的参数，进而对驱动装置进行选择。磨削力一般是用经验公式来估算，或者用实验的方法来测定。用实验的方法来测定，不仅工作量大，而且成本较高。磨削力的理论公式对磨削过程做定性分析和大致估算时具有很大作用，但是由于磨削加工情况的复杂性，建立于一定加工条件和假设条件之上的理论公式，在条件改变后就导致使用受到极大限制。迄今为止，还没有一种可适用于各种磨削条件下的严密磨削力理论公式10。对于磨削过程的详细研究，目前仍然需依靠实验测试及在该实验条件下的经验公式来进行。砂带磨削力的计算能更好地满足砂轮切槽磨削力的计算。砂带恒切除率法向力公式如下：（3-1）（3-2）式中，为金属切除率（）

35、，为进给速度（mm/s），b为磨削宽度(mm), 为磨削深度（mm）,为砂带线速度（m/s）,t为磨削时间，K为与砂带钝化速度有关的系数，为比磨削能。在进行装置磨削力计算时，应选择磨削力最大的情况来进行计算。可选磨削力最大情况为开一个深度为20mm,开口角度为30°的坡口，如Error! Reference source not found.所示：图 31 磨削30°坡口截面示意图取为50mm/s, 为1mm,b分别为mm,4mm，取31.4m/s。对于低碳钢，其磨削能为，由公式（3-1）、（3-2）计算得：砂轮法向磨削力=94.0N由于砂轮磨粒具有较大的负前角，所以法相磨

36、削力大于切向磨削力，通常磨削力比/在1.53范围内。取磨削力比为3，则砂轮切向磨削力31.3N3.2.2 电动机的选择在裂纹预处理和坡口加工过程中，砂轮的转速要求较高，一般取6000r/min，磨削过程中磨削力变化范围大，对电动机负载适应性有一定要求。单相串励电动机是一种电枢绕组和串联绕组串联在一起工作的单相交流异步电动机，它转速高、体积小、启动转矩大、转速可调，既可在直流电源上使用，又可在单相交流电源上使用，因而在电动工具中得到广泛的应用。根据砂轮切向磨削力，需要对工作机所需输入功率、电动机输出功率进行计算，从而选择合适的电动机。砂轮切向磨削力为31.3N，根据其工作原理，装置为两级锥齿轮传

37、动，两组滚动轴承，由手册11查的，锥齿轮传动工作效率=0.940.97滚动轴承工作效率=0.99则传动装置总效率=0.92工作机效率=0.92工作机所需输入功率=0.98kN（3-3）电动机输出功率=1.07kN（3-4）取过载系数K为1.1，电机额定功率=1.17kW（3-5）可选取UM9835型单相串励电动机，其额定功率为1.2kW，负载转速为15700r/min。3.3 轴径与键的设计3.3.1 传动比的计算电动机额定负载下转速=15700r/min,工作机转速n=6000r/min，故总传动比=2.617（3-6）由手册12查的，直齿圆锥齿轮传动比可取=1.8，=1.5则设计传动比i=

38、2.7传动比误差=3.17%5%，传动比分配符合要求。3.3.2 轴径的设计通过轴径的计算可以确定齿轮孔径，也是选择轴承和键的重要参照1.输入功率高速轴输入功率（3-7）中速轴输入功率（3-8）低速轴输入功率（3-9）计算可得，=1.2kW, =1.15kW, =1.11kW。2.转速高速轴转速=（3-10）中速轴转速（3-11）低速轴转速（3-12）经计算，=15700r/min, =8722.2r/min, =5814.8r/min。轴径d可按扭转强度计算，其公式为：（3-13）其中，C为与轴材料有关的系数，轴材料取Q235，由机械设计教材表16.2查得C取160。经计算，高速轴轴径取为8

39、mm,中速轴轴径取为9mm,低速轴轴径取为10mm。3.3.3 键的选取键选用普通平键，根据轴径由机械设计手册查的，轴径在范围时13，键宽b=3mm,键高h=3mm,轴槽深为2mm,轮毂槽深为1.1mm。高速轴、中速轴、低速轴键长、均取为10mm，对其进行校核。由转矩计算公式（3-14）可得，高速轴转矩=729.94N·mm,中速轴转矩=1261.33N·mm,低速轴转矩=1818.09N·mm。由键静连接转矩公式（3-15）（3-16）式中，为键的接触长度，为许用挤压应力，由机械设计教材表7.1选取为100MPa。经计算，高速轴键所能传递最大转矩=4200N&#

40、183;mm，中速轴=4200N·mm,低速轴=4200N·mm，均符合挤压强度要求。3.4 锥齿轮的设计与校核3.4.1 锥齿轮1与锥齿轮2参数的确定锥齿轮均选用直齿锥齿轮，其加工多为刨齿，不宜采用硬齿面，锥齿轮1材料选用40Cr,锥齿轮2选用42SiMn。1.齿数取锥齿轮1齿数为20，则锥齿轮2齿数=36。估计圆周速度，选5级精度。2.分锥角分锥角计算公式（3-17）式中传动比为1.8，经计算得，=0.87，=0.49。3.当量齿数当量齿数计算公式（3-18）经计算得，=22.99，=73.47。4.当量端面重合度当量端面重合度计算公式（3-19）为螺旋角，对于直齿齿轮

41、，为0。经计算得，=1.705.重合度系数与齿间载荷分配系数重合度系数公式（3-20）齿间载荷分配系数计算公式（3-21）计算得，=0.88，=1.29。6.载荷系数K载荷系数计算公式如下：（3-22）其中，为使用系数，查取机械设计教材14表12.9，取1.35；为动载系数，查取机械设计教材图12.9，取1.1；为齿向载荷分布系数，查取机械设计教材表12.20，取1.9；经计算，K=3.64。7.许用接触应力许用接触应力计算公式如下：（3-23）式中，为接触疲劳极限，由机械设计教材图12.17，取=710MPa,=680MPa；为接触寿命系数，取；为接触最小安全系数，由机械设计教材表12.14

42、，取为1.05；经计算，=676MPa, =648MPa。8.锥齿轮1大端分度圆直径小轮大端分度圆直径计算公式如下：（3-24）其中，为齿宽系数，取0.3；为弹性系数，由机械设计教材表12.12，取188.0；为节点区域系数，根据机械设计教材图12.16，取2.5；取、两者较小的，即取为648MPa。经计算，=23.54mm。平均分度圆直径计算公式（3-25）经计算，=20mm。圆周速度计算公式（3-26）计算得，=16.43m/s，与估计值接近。9.大端模数m大端模数（3-27）计算得，m=1.177mm,根据机械设计教材表12.3，m取1.25mm。10.实际大端分度圆直径d其公式为（3-

43、28）经计算，=25mm, =45mm。11.锥距R其公式为（3-29）计算得，R=25.74mm12.齿宽b齿宽公式为（3-30）计算得，b=7.72mm。以下对齿轮进行齿根弯曲疲劳强度计算：13.重合度系数重合度系数公式（3-31）经计算，=0.69。14.齿间载荷分配系数 齿间载荷分配系数公式（3-32）计算得，=1.45。15.载荷系数K载荷系数公式（3-33）计算得，K=4.09。16.许用弯曲应力许用弯曲应力计算公式如下：（3-34）其中，为弯曲疲劳极限，由机械设计教材图12.23查得，=600MPa, =570MPa；为弯曲寿命系数，取=1.0；为尺寸系数，由机械设计教材图12.

44、25查得，=1.0；为弯曲最小安全系数，由机械设计教材表12.14查得，=1.25。经计算，=480MPa, =456MPa。弯曲应力计算公式为（3-35）其中，为齿形系数，由机械设计教材图12.30得，=2.88，=2.4；为应力修正系数，由机械设计教材图12.31得，=1.61，=1.9。经计算，=160.94MPa,=158.27MPa。故锥齿轮1与锥齿轮2满足强度要求。3.4.2 锥齿轮3与锥齿轮4参数的确定锥齿轮3材料选用40Cr,锥齿轮4选用42SiMn。1.齿数取锥齿轮3齿数为20，则锥齿轮4齿数=30。估计圆周速度，选6级精度。2.分锥角由公式（3-17），式中传动比为1.5，

45、经计算得，=0.83，=0.55。3.当量齿数由公式（3-18）经计算得，=24.10，=54.55。4.当量端面重合度由公式（3-19）经计算得，=1.695.重合度系数与齿间载荷分配系数由公式（3-20）、（3-21）计算得，=0.88，=1.29。6.载荷系数K根据公式（3-22），其中，为使用系数，查取机械设计教材表12.9，取1.35；为动载系数，查取机械设计教材图12.9，取1.1；为齿向载荷分布系数，查取机械设计教材表12.20，取1.9；经计算，K=3.64。7.许用接触应力根据公式（3-23），式中，为接触疲劳极限，由机械设计教材图12.17，取=710MPa,=680MPa

46、；为接触寿命系数，取；为接触最小安全系数，由机械设计教材表12.14，取为1.05；经计算，=676MPa, =648MPa。8.锥齿轮1大端分度圆直径由公式（3-24），其中，为齿宽系数，取0.3；为弹性系数，由机械设计教材表12.12，取188.0；为节点区域系数，根据机械设计教材图12.16，取2.5；取、两者较小的，即取为648MPa。经计算，=30.01mm。根据公式（3-25），经计算，=25.51mm。由公式（3-26）计算得，=11.64m/s，与估计值接近。9.大端模数m根据公式（3-27），计算得，m=1.5005mm,根据机械设计教材表12.3，m取1.75mm。10.实

47、际大端分度圆直径d由公式（3-28）经计算，=35mm, =52.5mm。11.锥距R根据公式（3-29）计算得，R=31.55mm12.齿宽b由公式（3-30）计算得，b=9.47mm。以下对齿轮进行齿根弯曲疲劳强度计算：13.重合度系数根据公式（3-31），经计算，=0.69。14.齿间载荷分配系数由公式（3-32）计算得，=1.45。15.载荷系数K由公式（3-33）计算得，K=4.09。16.许用弯曲应力根据公式（3-34），其中，为弯曲疲劳极限，由机械设计教材图12.23查得，=600MPa, =570MPa；为弯曲寿命系数，取=1.0；为尺寸系数，由机械设计教材图12.25查得，=

48、1.0；为弯曲最小安全系数，由机械设计教材表12.14查得，=1.25。经计算，=480MPa, =456MPa。根据公式（3-35），其中，为齿形系数，由机械设计教材图12.30得，=2.78，=2.38；为应力修正系数，由机械设计教材图12.31得，=1.68，=1.8。经计算，=145.28MPa,=133.26MPa。故锥齿轮3与锥齿轮4满足强度要求。3.5 砂轮的安装与安全防护3.5.1 砂轮的安装目前，手动工具砂轮的固定主要是以固定件通过螺纹连接将砂轮夹紧固定为主，如Error! Reference source not found.所示，这种方法不仅可以有效地固定，而且拆装砂轮过

49、程方便，但是这种方法并不适用于砂轮正反转同时存在的情况，当砂轮反转时，易发生砂轮松动，甚至砂轮飞出伤人。因此，对于由正反转要求的砂轮固定提出改进措施。可选用两法兰盘，通过两螺纹连接，将砂轮夹紧固定，如Error! Reference source not found.所示。图 32 固定件螺纹连接示意图图 33 法兰盘两螺纹连接示意图3.5.2 工作过程的安全防护装置工作过程中，为避免砂轮出故障飞出伤人或破碎飞出，砂轮应位于操作者侧面，而在日常的使用中，许多操作者总习惯正对着砂轮进行操作，原因是这个方向上方便用力，为避免此种错误的操作，装置通过传动机构设计将砂轮置于一侧，操作者位于装置正面才便

50、于使用，从而减少以及避免因此种错误操作导致安全事故的发生。防护罩是砂轮最主要的防护装置，当砂轮工作过程中因故破坏时，其能够有效地罩住砂轮碎片，保证人员的安全。装置防护罩如Error! Reference source not found.所示。图 34 防护罩第4章 预处理装置基座设计与运动仿真基座部分主要包括调高转盘，调高螺柱，角度转轴，滑块，燕尾槽，底板。其作用是对装置在各个方向进行调整，以满足不同加工要求。本章主要是对装置基座进行设计，同时进行运动仿真并分析。4.1 基座结构设计基座部分主要是对装置在各个方向进行调整，以满足不同深度、宽度、角度的加工要求。4.1.1 基座高度调节的实现基

51、座高度调节部分主要包括调高转盘，调高螺柱。结构如Error! Reference source not found.所示：图 41 基座调高部分示意图调高转盘中间螺纹孔径为M30，粗牙螺纹，节距为3.5mm，基座高度调节过程是：调高转盘上下两端均与装置外壳固定，与基座通过调高螺柱经螺纹连接在一起，转动调高转盘，转盘带动装置外壳、传动部分及磨削部分发生高度变化，从而达到磨削不同深度的目的。4.1.2 基座角度转轴设计基座角度转轴结构如Error! Reference source not found.所示：图 42 基座角度转轴示意图基座角度转轴部分工作过程是，角度转轴通过前后两螺母通过螺纹连接

52、固定在滑块上，刻度盘1通过螺钉固定在转轴上，刻度盘2通过螺钉固定于滑块，刻度盘1与刻度盘2的角度差表示转轴转过的角度，当需要进行角度调节时，松动螺母2，将角度转轴旋转所需角度后拧紧螺母2即可，进而满足砂轮磨削不同角度的要求。4.1.3 基座导轨选择基座导轨的作用是满足装置沿直线磨削裂纹的要求，导轨截面形状主要有三角形、矩形、圆形、燕尾形15，三角形导轨一般用于导向精度高的场合，矩形导轨结构简单，制造、检验和修理方便，导轨面宽，承载能力大，应用较为广泛，圆形导轨制造方便，外圆采用磨削，内孔经过珩磨，可达到精密配合，但磨损后很难调整和补偿间隙。燕尾形导轨主要用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受限

53、制的场合，考虑装置移动的方便性，此处选择燕尾形导轨。4.1.4 基座底板设计基座底板位于装置最底部，其与待磨削基体直接接触，主要用于安放导轨部分，其主要组成部分为：底板，底板螺柱，橡胶垫，导轨固定螺栓。底板螺柱可以调节底板高度，在磨削不同基体时，利于保持底板水平。装置工作过程中，若底板直接与基体直接接触，则会发生强烈的振动，使装置工作过程中发生移动，在底板底部底板螺栓一端加入橡皮垫可以起到减震作用，同时橡皮垫与基体的摩擦力可以阻止装置的移动，保证磨削过程的准确度。基座导轨与底板结构如Error! Reference source not found.所示：图 43 基座导轨与底板结构示意图4.

54、2 基座运动仿真Adams是全球运用最为广泛的机械系统仿真软件，可以在计算机上建立和测试虚拟样机，了解复杂机械系统的运动性能。作为虚拟样机技术软件，Adams可以有效地缩短产品开发周期、降低成本、提高质量，广泛应用于汽车、工程机械、铁路、船舶、航空航天等行业。先在Adams中建立模型，通过添加约束，作用力，对基座进行运动仿真，通过仿真分析结果。4.2.1 仿真模型的建立在建立工作台运动模型时，对工作台运动模型作如下假设：（1）装配间隙为0，制造误差忽略不计；（2）所有材料为质量均匀体，其质心与形体几何中心重合；（3）工作台模型中各个部件均为刚体。Adams软件主要功能是对模型运动情况的仿真模拟

55、，对模型的精细度要求不高，只需要建立各个部件的简化模型，正确表现出各部件间的运动和连接即可。基座三维模型是通过Solidworks进行简化模型的建立后导入Adams得到的。如Error! Reference source not found.所示：图 44 仿真模型示意图由于在Adams中对电机部分赋予铸钢材质时其默认为实体，故对电机部分尺寸上进行一定缩小，同时外壳部分也做了一定简化，以求达到质量统一。创建了工作台运动模型的各个部件以后，需要将他们联系起来形成一个有机的整体。对运动模型各部件之间添加约束，可以使各部件连接起来，以定义各部件间的相对运动。对待磨削基体通过固定副连接到大地，滑块与导

56、轨、外壳与导轨分别添加移动副，调高转盘与外壳添加圆柱副，结构如Error! Reference source not found.所示：图 45 模型约束添加4.2.2 施加作用力与阻尼器在Adams/View环境中建立的模型默认在重力场中，所以不用对模型施加重力，只需定义各部件的材料，系统自动根据材料的密度、体积以及重力加速度对部件重力进行计算16。由于底板下存在橡胶垫，需要对底板与基体间添加阻尼器，传动与磨削部分的力用电机输出轴上的作用力来表示，对于各个部件两两添加接触，如Error! Reference source not found.所示：图 46 模型作用力与阻尼器施加4.2.3 仿真结果分析电机输出轴施加大小为150N