开题报告-钢球砂带磨削机设计

毕业设计（论文）开题报告课题名称 钢球砂带磨削机设计 学 院 机械学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 姓 名 指导教师 定稿日期： 年3月5 日钢球砂带磨削机设计1 选题背景及其意义轴承是国家重大技术装备的关键零部件，目前轿车、高铁、风电、精密机床主轴配套轴承等高端轴承一直是中国轴承行业的软肋，长期依靠进口。由于我国轴承工业发展跟不上，强力拉动了轴承的进口。如在高速铁路的大发展中，时速200公里以上的动车组用轴承全部为进口，国内目前能满足只是160公里左右的机车轴承。虽然少部份国内企业可以制造业时速200公里级别的动车轴承，但相关采购部门还是会采用进口部件，我国高端轴承领域前景堪忧。而轴承中的球轴承是各类机械装备的重要基础件，而钢球又是球轴承的关键零件，大量实验表明，钢球占影响球轴承噪声全部因素的60%，轴承失效因钢球破坏的比例达58.5%（国外仅占23.4%），这就客观地说明了钢球在轴承中的重要性。目前，我国现代科学技术正日新月异地发展，使得高端机械装备的需求量迅速增长，对机械零部件的制造精度也提出了越来越高的要求，市场迫切需要大量高性能、高精度的轴承投放，以满足各行业的需求.轴承行业的高速发展，也带动了钢球生产的发展与提高，特别是行业经过六五，七五，八五，三期技术改造后，钢球生产无论在产品质量，生产工艺及装备水平等方面都上了一个新台阶。但是，受技术与设备的限制，我国生产的钢球无论是加工精度还是能源的损耗，都与国外先进水平相差很远.我国现在使用的高精度G3级钢球，主要还依赖进口.G3级钢球可广泛应用于精密仪器、先进武器中的高精轴承中。可以说，能否实现批量生产G3级钢球直接关系到我国装备制造业乃至国防工业的快速发展。而“光球”作为球轴承中钢球生产工艺中一个非常重要的环节，其加工质量和效率对提高球轴承的质量有重要意义。本课题在理论研究的基础上，以开发绿色、节能、高效的轴承钢球光球设备为目标，有助于提升我国钢球生产能力，使我国高精度钢球磨削设备实现自给，从而使钢球产品质量达到国际先进生产水平，打破外国垄断和技术封锁，解决高价进口钢球的问题，为企业和社会创造更多的经济效益.本课题的研究也是全国滚动体行业 “十一五”技术攻关的首项任务，具有很强的现实意义。2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）国内对光磨、硬磨、研磨机理的研究正逐渐深入：1981年，光球机理研究小组的颜世一，谭达洲等人指出光球运动可以分解为自转和公转，认为光磨是一种固定金属磨粒磨削，其“自锐性”是由于疲劳磨损而获得。国内还有人研究了光球磨削的微观机理，分析了磨粒在钢球表面的微观运动规律.李茂龙讨论了球体在直圆弧槽和曲圆弧槽中的滚动规律，得出了接触弧长和阻力矩的计算公式。湘潭大学的朱晨建立了同轴三盘研磨方式的钢球研磨运动学方程及研磨迹线理论，并阐述了三盘研磨的力学特性.后来国内很多高校对四轴球面研磨技术、锥形研磨方式、超声波振动研磨技术、磁性流体研磨技术等新型高精度研磨技术做了大量的研究，取得了不错的成效。目前，我国轴承钢球制造仍以单机为主，且多采用传统的电气控制。而国外著名的轴承公司都在进行磨削自动线连续生产的研究。国内少数企业想引进这些关键的磨削制造设备，但由于价格昂贵，设备折旧成本过高而纷纷作罢.面对日益增长的国内外两个市场的需求，轴承行业迫切希望能获得大量性能稳定可靠、高精度的轴承钢球磨削设备。“光球”作为钢球生产工艺中一个非常重要的环节，假如能够从根本上得到改进甚至创新，对我国球轴承质量的提高意义非凡。 在调研中还发现，国外钢球生产倾向于“以磨代光”，逐步淘汰了光球工艺.因此将砂带磨削工艺引入钢球光磨加工是大势所趋.英、美、日、俄等国的钢球企业对球坯不同部位的形状分别作了改进并进行了大量的试验研究工作.60年代末，日、美、英、法、俄等国家先后采用光磨工艺取代了“原锉削+软磨”老工艺，并相继出台了各自的光磨机设备.日、德、英、俄等国普遍采用了保护气氛加热工艺、钢球表面强化处理等钢球制造新工艺.70年代末原苏联对固定精研盘的形状做了改进，后来国外很多轴承厂都对研磨盘做了正压偏沟试验。日本先后发展了磁流体研磨技术、同轴三盘研磨技术、磁浮研磨技术以及批量生产的超细树脂砂轮钢球精磨技术。目前，国外钢球加工设备的发展趋势是追求高效率、高精度、质量稳定性好和自动化程度高。 随着现代科学技术的发展，我国对高端机械装备的需求量也在高速增长，市场迫切需要大量高性能、高精度轴承投放，以满足各行业的需求.我国“十一五”规划制定了轴承行业的发展总目标：到2010年，轴承产量达到80亿套，销售额840亿元，按85%为球轴承计算，轴承钢球配套需求量达到920亿粒.轴承出口量达到4042亿套，出口创汇25亿元.因此节能、环保、创新、使用的设备必将受到人们的青睐。而本设备使用的砂带磨削钢球，在加工工艺与理念上都与传统的加工方法有很大的改进，一经实现必然会有很广阔的市场。3 研究内容本课题的研究以现有光球机床的缺陷以及现有砂带磨床的结构、工作原理，提出新的加工工艺，并设计全新的钢球砂带磨削机床.具体研究内容如下：1）研究现有设备的结构、生产工艺，提出设计方案；本课题通过参考现有砂带磨床的磨削原理与结构，实现钢球从冷镦件到光球的加工；2）动力及传动系统确定；3）进料系统的确定；4）压磨板升降系统的确定；5）完成钢球砂带磨削机整体布局的设计和二维装配图与零件图的绘制；6）整理相关资料，编写说明书。4 研究方案研究方案的确定砂带磨削的基本原理如图4-1所示。图4-1 砂带磨削原理图 两砂带平行配置，钢球运动为“不变相对方位”的滚转，球坯磨削区域为一环带，如图4-2所示。 图4-2 平行砂带磨削效果示意图为了使钢球表面任何一个区域都能参与磨削加工，钢球必须做“变相对方位”运动，即钢球除了绕着X轴滚转之外，还必须增加绕着Y轴的枢转，这可以通过增加钢球绕与X轴成角的P轴转动来实现，如图4-3所示。图4-3 全方位钢球磨削示意图为了使钢球能够做变相对方位运动，本课题设想了以下三种方案：1）旋转阻尼板式砂带磨削方案；2）角度式配置式砂带磨削方案；3）螺旋进料式砂带磨削方案。旋转阻尼板砂带磨削方案如图4-4所示，其运动原理是上下砂带的相对平行运动使得钢球有一个方向的运动，旋转阻尼盘的存在使得钢球有另一个方向的运动，两个运动合成可以使钢球全部表面均可以被磨削到，从而达到预期的目标.此方案结构比较简单，预期的运动过程比较容易实现，可以实现自动化连续加工，效率比较高。通过对钢球的运动分析可以得出钢球的表面均可以被磨削到并且比较均匀，精度比较高。但阻尼板磨损比较厉害，需要定期更换；阻尼板磨损后会使加工精度降低，影响钢球的加工质量。 图4-4旋转阻尼板式砂带磨削方案图 图4-5角度式配置式砂带磨削方案图互成角度型砂带磨削方案如图4-5所示，用相互平行的隔板将钢球隔开，上下砂带互成一定角度，上面的压磨板采用平面式，下面的开有凹槽.运动时上下砂带以一定的夹角相向运动.上面的砂带给钢球提供一个方向的运动，隔板提供另一个方向的运动，两个运动合成达到磨削钢球整个表面的目的.此方案加工效率高，易实现连续加工，上面采用平面式压磨板可以降低运动时的摩擦力，但较方案一结构设计稍复杂。螺旋推进式砂带磨削方案如图4-6所示，采用蜗杆机构，将蜗杆的齿槽加工成与要加工钢球半径相同的弧状，蜗杆下方放置砂带、隔板、压磨板.通过蜗杆的转动带动钢球转动，压磨板的凹槽方向使得钢球向前运动以达到磨削表面的目的.此方案可以实现连续加工，需要提供的动力相对较小，但加工效率低，机构设计复杂，同时蜗杆较容易磨损，需要定期更换，成本较高。图4-6 螺旋推进式砂带磨削方案图综合以上对比，从磨削钢球均匀的程度以及所达到的精度考虑，并结合机床结构、加工效率、节能环保等方面最终确定选用方案一。4.1 动力及传动系统确定由于在磨削过程中，需要电机提供的克服磨削钢球阻力的转矩并不是很大，故所选的电机的功率也不大。如果采用一个电机和中间传动装置来带动砂带运动，必然会增大机床制造成本，机构上也会很复杂。故采用两个电机分别带动上下砂带运动，大大优化了机床的结构，降低了制造成本。与齿轮传动相比，带传动的主要优点是：带具有弹性，可以起到缓冲、吸振的作用，可以使传动变的比较平稳；当传动过载时，带在带轮上打滑可以防止其他零件的破坏，保护原动机；结构简单，成本低。本砂带机砂带运动方式比较固定，且需要很短时间从静止运动到高速，故适合采用V带直接带动滚筒转动传动，图4-7为动力及传动系统结构简图。图4-7 动力及传动系统结构简图4.2进料系统的确定自动进料系统，加工时，将钢球冷镦件放入震动料斗中，通过输料管把毛坯送入旋转盘，旋转盘旋转将钢球带入砂带进行磨削。由于输送盘下方的输送管到旋转盘的距离小于钢球的直径，故钢球毛坯只能落入旋转盘上预定的加工孔内.转盘是通过其下方的电机带动转动，同时通过同步带带动另一个旋转盘转动。在加工时，上下两个砂带提供两个方向的运动与旋转盘的圆周运动相结合可以使钢球的各个表面均可被磨削到。钢球被磨削完毕后，拉动箱体的滑块，使钢球落进下料箱中，由于下料箱内部地面是个斜面，拉动箱体前面的封门可使钢球落入预置的容器中。下料箱分为两个部分，分别接受上面两个旋转盘加工好的钢球，从而可以磨削不同精度的钢球，图4-8为进料系统结构简图。图4-8 进料系统结构简图4.3压磨板升降系统的确定 压磨板的上下移动是通过升降机构来实现的。压磨板固定在升降机构的移动块上，升降时只需要转动手轮，通过锥齿轮使丝杠转动，实现沿着套筒的中心方孔上下移动，从而带动压磨板上下移动，图4-9为压磨板升降系统简图。图4-9 压磨板升降系统简图5 进度计划 2015年2月 2015年3月：收集资料，确定设计系统总体方案，撰写开题报告及开题报告答辩。 2015年3月2014年4月：设计计算、图纸绘制、毕业设计论文初稿。 2015年4月2014年5月：论文修改，图纸修改。 2015年5月 2014年6月：准备毕业答辩。 参考文献1 陈来三.钢球磨球机砂轮修整技术改进及应用.轴承.20032 薛喆，傅蔡安，张韬.钢球磨削的微观机理.江南大学学报.20093 薛喆，傅蔡安，张韬.钢球磨削机理研究.机械设计与制造.20104 王贤，傅蔡安.钢球球坯成型工艺参数的优化.江南大学学报.2009.5 傅蔡安，于彩娜.钢球研磨工艺的优化设计与研究.2009 6 薛喆，傅蔡安，张韬.钢球硬磨加工工艺的优化.轴承.20107 薛喆，傅蔡安.光球生产工艺与设备的优化研究.20098 傅蔡安，张明.新型钢球砂带磨削机技术的研究.20119 傅蔡安，张明.轴承钢球微观磨粒磨削过程的数值模拟.轴承.201010 郭常胜，单瑞兰，郑焕文，王宛山.砂带磨削砂带张紧力的设计计算.198811 陈廉清，俞利锋.砂带磨削及其机床设计.199912 Xiaofeng He. Design of a New Type of Abrasive Belt Grinder. http:/wenku.baidu.com13 Precision grinding technology research. http:/wenku.baidu.com