螺旋桨叶片砂带磨削技术方案与磨头装置结.doc

重庆大学本科学生毕业设计（论文）螺旋桨叶片砂带磨削技术方案与磨头装置结构设计学 生: 骆桃学 号: 20102434指导教师：黄云专 业：机械设计制造及其自动化重庆大学机械工程学院二O一四年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityPropeller blade belt grinding and grinding equipment technology program designUndergraduate: luotaoSupervisor: Prof. HuangYunMajor: Mechanical Design and Manufacturing and AutomationCollege of Mechanical EngineeringChongqing UniversityJune 2014摘 要本课题主要研究的是螺旋桨叶片这种空间曲面的加工问题。螺旋桨叶片采用的是砂带磨削，本文主要针对曲面加工设计一种砂带磨削方案，解决加工难的问题，还要针对砂带磨削的方案进行磨头装置结构设计。此过程中必须要大量阅读螺旋桨叶片加工相关的资料，一步步的对方案进行修改优化。磨头结构的设计主要根据加工的是螺旋桨的尺寸较大，加工面比较复杂而设计的。在设计过程中对磨头结构的主要零件进行分析，并用三维软件进行实体建模，再将其装配成型。最后对磨头结构中的零件进行理论计算，得出最终的磨头结构尺寸。本课题所设计的磨头是一种新型的磨头结构，此次设计会让螺旋桨叶片的加工难的问题得到一定的解决，为我国的船舶事业做出一定贡献。关键词：螺旋桨，砂带磨削，磨头ABSTRACT The main topic of research is this spatial processing problems propeller blade surface. Propeller blade grinding belt is used, the paper focused on designing a belt grinding surface machining solutions to solve the difficult problem of processing, but also programs for belt grinding grinding device structure. Must read a lot of the propeller blade machining process-related information, a step by step plan to be modified to optimize. Grinding process according to the structure design of the main propeller of larger size and more complex processing surface design. In the main part of the design process to analyze the structure of the grinding head, and three-dimensional solid modeling software before its assembly molding. Finally, the structure of the grinding parts for theoretical calculation, the final grinding structure size. This paper designed a new type of grinding wheel head structure, the difficult problem of processing the propeller blade design will get some solutions for Chinas ship industry to make some contribution.Key words： Propeller, abrasive belt grinding, Grinding目 录中文摘要.ABSTRACT.1 绪论.1 1.1 课题的研究目的意义及其研究内容.11.1.1 螺旋桨加工难度及其加工现状.11.1.2 课题的意义及其主要任务.21.1.3 课题的重点研究内容.2 1.2 砂带磨床介绍.2 1.2.1 砂带磨床发展背景介绍.21.2.2 砂带磨床的发展现状与趋势.32 螺旋桨砂带磨削工艺分析.5 2.1 砂带磨削机理.5 2.2 螺旋桨砂带磨削工艺分析.6 2.2.1 砂带磨削方式选择.6 2.2.2 砂带及其磨料的选用.6 2.2.3 螺旋桨砂带磨削工艺参数设置.73 螺旋桨叶片砂带磨削磨头结构设计.9 3.1 磨削力的理论计算.9 3.2 磨削功率计算.9 3.3 磨头结构的尺寸设计.10 3.3.1 接触轮设计.103.3.2 张紧轮设计.11 3.4 砂带张紧力计算.12 3.5 张紧机构.13 3.6 砂带尺寸选择与计算.13 3.7 砂带磨削过程中的受力分析.144 螺旋桨叶片砂带磨削三维建模.16 4.1 三维建模的意义.16 4.2磨头机构装配成形图.165功能分析.186 结论.19致谢.20参考文献.211 绪论1.1 课题的目的意义及其研究内容1.1.1 螺旋桨加工难度及其加工现状本课题中，研究解决螺旋桨复杂表面加工的方法。因为船用螺旋桨叶片是由复杂几何形状组成的工件，直径大，叶片多，空间重叠区域较大，吸力面和压力面都为空间曲面，随边、导边都是采用空间曲线圆滑过渡、叶片顶部收缩成线的构造，叶片和桨毂之间过渡圆角半径由导边到随边不断变化1。螺旋桨是船舶的核心部分，它对船舶的各项指标都有很大的影响。不管是大型轮船还是小型船舶，船舶的运行效率和推进速度都受到螺旋桨加工精度的影响，螺旋桨的加工精度低的话，会导致在运行过程中产生震动以及噪声。因此，我们时常想要怎么提高船舶的运行效率和推进速度，要想提高船舶的运行效率和推进速度，就得对螺旋桨进行进一度的精加工，以达到预期的要求。目前，我国的工业生产中，很多的船舶生产企业都已经采用了数控铣削机床，不过说铣削出来的成品还是不能够达到要求，其精度和表面质量都不够，也还有一些生产制造商还是采用的落后的手工打磨技术，其加工效率之低， “铸造-数控加工-钳工打磨”工艺也是一些企业对螺旋桨叶片加工的方法，更甚者还有一些企业完全采用手工打磨制造成型，这无疑是最落后的。人工抛磨是能够实现对一些复杂曲面的磨削加工和抛光加工，但是人与人是不一样的，每个人的抛磨水平是有高有低的，这样就会造成螺旋桨加工出来的精度难以得到有效的控制，这样的加工方式劳动强度大，加工周期也会很长，加工出来的螺旋桨叶片表面质量也不好，误差较大2。国外对螺旋桨的加工虽然有一定的先进技术，但是国外对这些技术都是有技术封锁的，所以我国要想拥有加工螺旋桨先进技术，必须得自主研发。从螺旋桨叶片的加工精度和经济方面考虑，我们就要选择一种加工效率高、成本造价低廉的加工方式。本课题综合各方面的因素，决定采用砂带磨削方式对螺旋桨叶片进行加工。在传统的磨削加工工艺中，通常是采用电动砂轮机，再用砂布带进行手工修理，这种方式成本虽然低廉，但工人操作安全性较差，生产效率不高，加工出来的螺旋桨叶片表面质量也不符合要求。而砂带磨削是根据工件形状，采用高速运转的砂带以相应的接触方式，对工件表面进行磨削和抛光加工的一种新工艺3。砂带是使用粘结剂将磨料粘结在纸、布等可挠性材料上制成的可以进行磨削和抛光的一种带状工具，它是涂附磨具的一种主要形式，其基本组成是：基材、磨料和粘结剂，合称为砂带构成的三要素，较长的砂带周长使磨料得到良好的冷却，柔性的砂带也容易适应不同形状的工件。砂带磨削技术在我国还不是很成熟，目前，只有一些企业拥有此技术，其中三磨海达对砂带磨床的研究处于领先的。砂带磨削的时候磨削震动小、粗糙度小、磨削精度高，并且磨削的时候非常安全。1.1.2 课题的意义及其主要任务针对螺旋桨叶片磨削装置研究现状，以及螺旋桨加工的问题，结合砂带磨削的加工特性进行螺旋桨叶片砂带磨削技术方案与磨头装置结构设计。本课题的主要内容有以下几点：（1）系统调研和分析国内外砂带磨削的研究、发展和应用情况；（2）熟练掌握AUTOCAD、CAXA等机械设计软件；（3）理解和掌握螺旋桨叶片磨削装置的加工工艺要求，进行该磨削装置的功能分析；（4）结合实际问题研究完成螺旋桨叶片磨削技术方案设计和装置的机械结构设计；1.1.3 课题的重点研究内容针对螺旋桨叶片磨削装置研究现状，结合砂带磨削的加工特性，进行螺旋桨叶片磨削技术方案与磨头装置设计。1.2 砂带磨床介绍1.2.1 砂带磨床发展背景介绍砂带磨床是利用快速转动的砂带作为磨具进行磨削和抛光的床。砂带磨床可以分为万能砂带磨床、外圆砂带磨床、内砂带磨床、平面砂带磨床和型面砂带磨床等。其中万能砂带磨床可以用于各种磨削加工，外圆砂带磨床主要用于外援轮廓的磨削，平面砂带磨床主要用于磨削平面。砂带磨床在过去大多都只在一些发达的工业国家被应用于磨削加工，由于国外对技术的封锁，尤其以前在我国很少被用到。经过这些年的发展，砂带磨床逐渐登上了我国磨削工业的舞台。近几年，随着我国的砂带磨削技术的发展，砂带磨床的应用越来越广泛，凸现了许许多多的企业加入了砂带磨床的生产与制造。1.2.2 砂带磨床的发展现状与趋势 砂带磨床的应用十分广泛，普及到各行各业，而且对各种不同类型的材料都能进行加工，尤其是对复杂曲面的加工5。目前，国外的砂带磨床发展迅速，很多国家的砂带磨床都逐渐取代了砂轮磨床，尤其是在一些发达的工业国家，在我国也应用于船用螺旋桨叶片的加工。随着砂带磨削技术的不断进步，砂带磨床再制造加工领域起着越来越重要的作用，带领着制造加工业的发展。国外砂带磨削技术飞速发展，我国也逐渐参与到砂带磨削技术的研究中来。砂带磨削技术在国内得到了一定的推广，很多企业都运用砂带磨削解决了很多生产实际问题。目前，砂带磨削设备已经我国很多企业都得到了应用，但是砂带的种类还不是很多，质量也不够高，就是说我国的应用还处于初级阶段6。与国际先进水平还是有很大的差距的。经过近30年的发展，我国砂带磨削已经具有较完整的体系，国内砂带使用的设备已经从最简单的手提式砂带磨削装置发展到高度自动化的砂带磨削机床，砂带磨削已经被作为一种可行性良好的技术，得到了广泛的应用。砂带磨削是一种高效的抛磨工艺，其应用前景是不可估量的。目前，砂带品种越来越多，其质量也越来越好，这就引起砂带寿命会越来越长。随着砂带磨床自动化性能的提高，对它的应用在我国会达到一个新的高度。砂带磨削加工的优点主要有：砂带磨削能够加工各种形状的工件。常见的加工表面肯定能用砂带磨削加工，一些特殊的复杂空间曲面也能用砂带磨削加工。例如：板材的抛磨加工。砂轮的宽度只能够达到1000mm，砂带却有2500mm以上。砂带的宽度可以很大，目前最宽的砂带有4900mm。实际生产中常用的加工宽度为502000mm之间，加工厚度0.4150mm。磨削的时候温度低，对工件产生的影响小；磨削的磨削力小，容易控制；磨削精度高，对加工要求较高的工件也能满足要求；加工的时候震动和噪声比较小，对环境污染小，符合当代工业对制造加工的要求；磨削效率高，灵活性好，这就能够更好的满足用户的要求。砂带磨床的发展趋势7 继续提高生产效率。提高生产率是各行各业老生常谈的问题了，不管怎么样，我们都是用来完成生产加工的，对生产率的提高，就会给我们带来更高的效益； 提高加工精度。随着世界的发展，各行各业对其产品都会有更高的要求，已满足人们的需求，制造业当然就需要提高其加工精度； 延长砂带使用寿命。砂带的使用寿命需要被延长，这样就不用对砂带进行频繁的更换，可以从砂带的材料方面着手研究； 提高自动化程度。机械制造系统自动化是机械制造的重要发展方向，其目的是一先进可靠的制造工艺为基础，采用现代的机电一体化技术、自动控制技术、数控技术、自动化制造装备等所构成的制造系统，实现其过程的自动化，从而高速度、高效益、高质量地制造出大量产品。随着工业的不断进步与发展，自动化技术就越来越得到重视，机床的自动化能够节省大量的人力物力；扩大万能性和适应性。随着工业的不断进步与发展，单一功能的机床已经无法满足市场的需求了。砂带磨床的万能性、适应性也越来越被重视，在砂带磨床的制造中，应尽可能使砂带磨床在工业生产中做到能一机多能、一机多头8。2 螺旋桨砂带磨削工艺分析2.1 砂带磨削机理砂带磨削是高速旋转的砂带与工件接触的磨削方式。砂带缠绕在驱动轮、张紧轮、接触轮上，通过驱动轮带动砂带高速旋转，进行磨削加工。工件与砂带接触的时候，砂带会磨削去除工件表面的一层材料，完成对工件的一次加工。通常来说砂带磨削的切削速度不高，一般在2030米秒之间，这样就能够保证磨削加工的磨削力相对较小，磨削压力在20 30兆帕之间，这就使得磨削加工容易得到控制。图2.1是砂带磨削设备原理示意，环形砂带安装在压轮和张紧轮上，当工件有传送带送至支承板和接触轮之间的磨削区域时，即受到高速运动的砂带的磨削加工，当砂带磨损后壳即时更换。 图 2.1砂带磨削基本要素 1-砂带 2-张紧轮 3-接触轮 4-工件 -磨削参数砂轮磨削对大多数人来讲都不陌生，其磨削原理很简单。广义地讲，砂带磨削与砂轮磨削一样，都是属于高速运动的“微刃切削刀具”磨粒的微量切削的累积效应，所以两者的磨削机理也都大体一致。但是因为砂带本身的结构特性，使得砂带磨削与砂轮磨削又有着本质的却别，这主要表现在：1)砂轮磨削是刚性接触磨削，砂带磨削却是弹性接触磨削，就算是使用无弹性的砂带亦是如此，因为组成砂带的基材、粘结剂它们都有一定的弹性，而且通常情况都是采用橡胶作为接触轮的材料。正因为如此，砂带磨削除了具有滑擦、耕犁和切削作用外，还对工件具有挤压作用，就会使之发生塑性变形，从而撕裂表面。因此，砂带磨削同时具备磨削、研磨、抛光的功用。这就是砂带磨削加工的表面质量好的缘故。另一方面，因为砂带磨削是弹性磨削，就会使得砂带磨削比砂轮磨削与工件的接触长度长，参与磨削的磨粒会增多，每颗磨粒上所受的载荷就会减小，并且变得均匀，以至于磨粒破损小。而使整个砂带的磨耗比(磨削材料去除量与砂带磨粒消耗量之比称为磨削比，而磨削比的倒数就称为磨耗比)比砂轮要小得多。2)砂轮的磨粒在分布是不均匀的，磨削时通常是以较大的负前角进行切削，磨削条件十分恶劣。砂带不同的是，其磨料是专门制造的，磨料分布均匀，多呈长三角体。因此，砂带的磨粒要比砂轮的锋利得多，磨削效率自然就高很多磨削时所产生的温升就会比较小。3)砂轮磨粒间是用结合剂填充的，导致积屑空间小。而砂带磨粒间容屑空间最少比砂轮大10倍，加上其磨粒等高性好，因此砂带的有效切削面积比砂轮大得多，切削能力比砂轮强，并且磨屑不会残留在砂带表面，从而造成堵塞，就不会由此增加摩擦发热，磨削区域得温度相对来说较低。4）砂带的周长可以设计的很长，至少比砂轮的周长长，这就使得砂带磨削比砂轮磨削可以有更好的散热区域，同时砂带的悬空部分亦可以抖掉砂带上残留的磨粒，进一步减小堵塞，降低磨削温度。5）砂带的磨粒植入时，是使磨粒的锋利端向上，如此可使粘附在基体上的单层磨粒都是锋利的，因而砂带磨削的生产效率比普通磨削高520倍。2.2 螺旋桨砂带磨削工艺分析2.2.1 砂带磨削方式选择图 2.2 砂带磨削磨削方式图在本文中，对螺旋桨叶片曲面的复杂的解决方案的研究，以上介绍了的螺旋桨叶片的加工现状，可以看出，在现有的螺旋桨叶片的加工方法来看，砂带磨削是一种经济实惠、精度高的加工方法。在加工过程中，砂带磨削可以分为两种磨削方式：开式和闭式磨削。开式磨削是把砂带的两头缠绕在两个不同的驱动轮上，由俩个驱动轮交替驱动，带动砂带磨削，这样就形成了往复磨削，最后实现工件的磨削加工；闭式磨削则不同，它是直接由三相异步电机驱动，带动砂带进行磨削，完成工件的加工。结构如图2.2所示。虽然开式砂带磨削精度、一致性都比闭式磨削优越，但从磨削效率方面考虑，闭式砂带磨削要比开式砂带磨削高的多11。在实际生产中，必须根据具体加工要求来选择磨削方式因为螺旋桨叶片的加工既要保证一定的磨削精度，又要有较高的磨削效率，在通常情况下，需要直接在锻造毛配上进行加工，综合考虑磨削精度和磨削效率，同时考虑本课题中螺旋桨叶片磨削将广泛应用于生产加工之中，就可以知道在保证加工精度的前提下更注重效率问题，最后决定选择闭式磨削作为此次课题中砂带磨床的磨削方式。2.2.2 砂带及其磨料的选用砂带磨削是在众多的磨料切削刃垂直的方向来完成切学的，每个磨粒都可以近似为一个微型的研磨工具，研究这些单颗粒的研磨过程是研究整个砂带磨削的基础。从微观角度来看，砂带的磨粒就像是一种圆弧刀尖钝角或钝圆刃口的刀具。它的刀尖半径从几微米到几十微米不等，其大小跟磨粒的材料有关。因为砂带的磨粒具有这种特性，磨削的时候切削深度就很小，一般在0.0050.05mm左右。砂带由磨料、结合剂及基体组成，如图2.3。跟砂轮磨粒选择差不多，砂带的磨粒、粒度有不同规格的；砂带的基体也有很多种，如聚氨酯胶带、纸基、布基等；粘结剂也有许多不同种类的，如皮胶、树脂等。对于砂带的选择，需要根据具体的加工要求以及工艺要求等来决定。因为螺旋桨叶片大多采用高强度的锰铁黄铜合金和耐热不锈钢等材料，所以其磨削砂带基体通常选用布基、并采用树脂粘结剂粘结砂带，砂带磨料选用刚玉，其粒度视磨削工艺而定。根据一般的加工标准，粗磨时砂带粒度为5080，精磨时为150180。在本课题中砂带磨削的要求为精磨，故砂带粒度取为160。 图2.3 砂带的组成要素 1-基材 2-底胶 3-覆胶 4-磨料 5-基材处理剂2.2.3 螺旋桨砂带磨削工艺参数设置砂带磨床砂带的主要技术参数主要包括：砂带长度、宽度；磨削速度即砂带速度；螺旋桨工件进给速度；驱动砂带高速旋转的电机功率。砂带宽度直接影响磨削的效率，在机床功率允许条件下，宽度越大，磨削效率越高。砂带宽度的选择必须根据具体加工条件而定。因为螺旋桨叶片是一种复杂的空间曲面加工，砂带宽度若是选的太大，砂带就容易与螺旋桨叶片产生干涉，进而影响螺旋桨叶片的加工精度。所以我们必须对砂带的宽度有所限制，一般在1040mm范围内。对于砂带长度的选择，原则上是越长越好，但是如果过长的话，就会导致机床本身所占的空间太大，所以砂带的长度就要在机床空间允许的情况下尽可能选择长的。船用螺旋桨叶片通常采用锰铁黄铜和不锈钢等材料，它们的强度高、耐磨性好、耐腐蚀性好。砂带的速度一般在2030 m/s，可以选择砂带速度Vs=20m/s，工件转速Vw=10r/min。砂带磨床主要参数选择如下：砂带速度：Vs=20m/s螺旋桨进给速度：Vw=10r/min砂带规格：850mm37mm（长度宽度）驱动轮所用电机额定功率：11Kw （Y160M-4）电源：380V 50HZ 电机转速：1460r/min进给系统伺服电机额定功率：1.5Kw 电源：380V 50HZ 电机转速：3000r/min磨削方式：闭式磨削3 螺旋桨叶片砂带磨削磨头结构设计3.1 磨削力的理论计算在砂带磨削过程中对磨削力的研究，是一个非常重要的参数，它与磨削表面质量，磨粒磨损和磨削比能有直接的关系。由于磨削力容易测量和控制，可以用来作为磨削状态和适应控制的评定参数。砂带磨削的磨削力与砂轮磨削不同，砂轮磨削的磨削力可以分解为三个互相垂直的分力，即切向力、径向力及轴向力；而对于砂带磨削一般来说，磨削力可以分解成为法向力和切向力，具体计算如下：通过前面的分析以及查阅资料可以得到一些已知条件，已知：砂带的速度 Vs=20m/s，工件的速度Vw=10r/min，砂带的宽度 B=37mm，有效磨削深度 =0.01mm，磨削能比Us=1100kg/mmmm。根据公式计算如下：法向磨削力：Fn=(UsB)/Vs =535.3N切向磨削力：Ft=(UsB)/ =392.1N因为砂带磨削的磨削分力的比例（即切向力与法向力之比）不同于常规的车、刨、铣削加工等。通常来说车、铣、刨等工序的切向分力都是法向分力的两到三倍；显然，砂带磨削的磨削深度小，工件的进给量也小，这就说明砂带磨削的磨削分力比也会小很多，通过实验研究得出，砂带磨削时磨削分力的比例一般为：Ft/Fn=0.330.75 Ft/Fn=392.1N/535.3N=0.733，显然，此次设计满足要求，即是说各参数设置是合适的。3.2 磨削功率计算磨削功率在磨削加工中是很重要的，对它的计算也是很有意义的。磨削功率是跟磨削力有直接关系的。由物理学与功率的关系可知： N=FV/1000 式中N功率（kW） F作用力（N） V物体在力F作用下的运动速度（m/s）显然对于砂带磨削来说，上式中 F=Ft（切向磨削力） V=Vs（砂带磨削速度）所以，砂带磨削的功率应为： N= Ft Vs/1000 （kW） 因而，由（3-5）计算得： N= FtVs/1000=(392.120)/1000=7.842Kw由于在传输过程中的电机的功率损耗是必要的，所以选择电机Y160M-4，其主要技术参数如下： 额定功率：11Kw 满载转速：1460r/min 起动转矩额定转矩：2.2N/m 最大转矩额定转矩：2.2N/m3.3 磨头结构的尺寸设计3.3.1 接触轮设计接触轮是磨头机构中很重要的一部分，对接触轮的设计也就显得很重要了。接触轮的硬度直接影响砂带磨削的磨削表面的粗糙度，接触轮越硬，加工的工件表面粗糙度越大；反之则越小。一般来说，接触轮直径越大，磨削加工时与工件的接触面积就会越大，加工表面粗糙度就会越小。同样的，接触轮表面是否开槽以及开槽角度及尺寸对糙粗度也会有相应的影响，总的来说光滑的接触轮表面磨削的工件粗糙度要小一些。此外，接触砂轮不平衡度和圆度误差会使磨削是产生振动，使表面粗糙度增加，所以接触轮动平衡和外圆休整是一种降低加工表面粗糙度的重要措施。但如果接触轮直径太小，砂带所受的弯曲应力会大大增加，导致磨粒极其容易脱落，严重影响砂带的使用寿命。然后接触轮的直径还应根据具体的工艺要求来确定。本次设计中，因为螺旋桨叶片是空间曲面加工，所以不能选择太大的尺寸，但是也不能选择太小的尺寸，故可以选择接触轮直径为80mm。图 3.1接触轮表面形状及其与工件接触状况接触轮的硬度取决于包覆材料的软硬，根据不同的包覆材料可以将接触轮分为软接触轮和硬接触轮。如图3.1所示。软接触轮具有磨粒上所受的压力较小的特点，砂带磨削时产生的磨削力小，能够更好的适应工件的外形。相反的，硬接触轮具有磨粒上所能承受的压力大的特点，所以磨削时所产生的磨削力相应就会很大，虽然没有很好的适应工件外形的能力，但却拥有磨削量大的优点。对于船用螺旋桨叶片的加工，根据上文的分析，由于叶片属于复杂的空间曲面，所以需要良好的适应工件外形的能力，又因为工件对表面质量也有一定的要求，所以采用硬接触轮就很难得到我们想要的螺旋桨叶片，这样的话，我们就只能选择软接触轮来进行加工了，再选用粒度较小的砂带，这样就能够得到较为光滑的加工表面。除此之外，接触轮的齿形也对砂带的磨削力有着一定的影响。接触轮愈光滑，粗糙度愈小，工件的加工表面质量就愈好，就愈能达到的预期的目标。根据上面的分析，可以选择接触轮直径为80 mm的平滑软接触轮来对螺旋桨叶片进行磨削加工。对接触轮的三维建模效果图如下：图 3.2 接触轮三维建模图3.3.2 张紧轮设计张紧机构是许多加工中都要用到的部件，比如说，在链传动和带传动中都必须要有张紧机构。张紧机构是对链传动以及带传动进行张紧的装置。砂带磨削从外观来讲，也应该是属于带传动的类型，所以必须要有张紧机构。因为砂带具有弹性的特点，必须要有张紧机构使得砂带张紧，砂带才能够正常工作，张紧机构产生的张紧力通过张紧轮使砂带张紧，并在驱动轮作用下带动砂带进行磨削，张紧轮不但起着张紧砂带的作用，还在一定程度上起着导向的作用，使砂带不致偏离接触轮。张紧轮的尺寸选择也是有要求的，张紧轮的直径不能过小，过小的话，容易引起砂带振动，对磨削精度有很大的影响。在一定范围内，张紧轮直径越大，导向控制越灵敏。但如果张紧轮直径过大，就会造成机构不紧凑。为了使砂带定心，可以把张紧轮和驱动轮做成凸弧形，如图3.3所示。中凸高度值不能做得太大，否则的话就会造成砂带振动，并且使得砂带受力不均匀，从而造成砂带中部受损。图 3.3 张紧轮的凸弧表面 实践中中凸值常由砂带宽度决定（见表） B40-6060-100100-150150-200250-400H 1 1.251.52.02.5也可按下面公式计算： 式中，为张紧轮宽度，单位mm B为砂带宽度。张紧轮与砂带宽度设定为一样的，即，目的是防止在启动砂带时的横向移动而损坏其他磨头件。此次设计中，因为B=37mm，所以H=0.27=1.64mm通过计算得到：H =1.64mm。对于张紧轮的直径，前面我们提到了砂带磨削中必须要有一定的包角，这就要求张紧轮的直径必须大于接触轮的直径。故可以选定张紧轮直径为 D1=100mm。综上所述，张紧轮直径D2=100mm，中凸值H =1.64mm。3.4 砂带张紧力计算砂带的张紧力对磨削力的大小有一定的影响，我们必须对其进行优化设定。砂带张紧力的简单公式为： F=PB 式中 P接触轮的接触应力，通常取为P=50100N/25mm B砂带宽度,此处取为37mm由公式计算得： F=PB =74148N砂带的张紧程度对砂带磨削过程有极其重要的作用，它直接影响到砂带磨削中的磨削效率以及磨削表面质量，还与砂带的使用寿命有直接的关系。在张紧力的选择中，还应考虑到接触轮的硬度以及砂带的弹性变形。因为本设计中选用的是平滑软接触轮，所以在磨削加工中选择低一点的砂带速度能够让砂带获得良好的柔性，在砂带不跑偏的前提下，应该选择较小的张紧力，此处我们可以取砂带的张紧力F=80N。3.5 张紧机构张紧机构是磨头机构中很重要的一环，要使磨削工作能够正常进行，砂带必须要处于长进状态。因为砂带磨削是弹性磨削，在磨削过程中砂带会发生弹性变形而伸长，就导致预紧力下降，因此，砂带要重新张紧才行。砂带的张紧方式有两种：内部张紧和外部张紧。其中内部张紧是把张紧轮压在砂带的背面，相反的，外部张紧是把张紧轮压在砂带的砂面，此次设计选择的是内部张紧。此外，张紧机构还可以分为周期性张紧装置和自动张紧装置。周期性张紧装置大都是通过螺纹或者蜗轮副来张紧的，这里不过多介绍。自动张紧装置的张紧方式有很多，比如说气动、液压自动张紧，还有用弹簧和配重自动装置的。其中气动张紧装置是通过气压来实现张紧的，稳定性很好。因为对螺旋桨叶片的磨削加工中，螺旋桨叶片旳型面比较复杂，加工需要的变化很大，所以选择自动张紧装置比较合适，本设计中所选取的是张紧气缸自动张紧装置，能够在磨削加工中产生恒定的张力，使得磨削过程具有良好的稳定性16。3.6 砂带尺寸选择及计算通常情况下，在选取砂带尺寸时，遵守“宁长勿短”的原则，因为砂带的周长越长其使用寿命也越长。同时，砂带的尺寸越长，磨头机构中的相关零件也更容易布置，但当砂带尺寸过大时，就会导致砂带煽动以及机床空间尺寸过大。然而尺寸过小时，砂带工作循环次数就会增多，同时参与磨削的磨粒数目亦会减少，就会造成砂带使用寿命减少。因此选择合适的砂带尺寸极其重要。根据上面的要求可选砂带为：850mm37mm，其粒度为P=160，这样能够满足具体的螺旋桨叶片的加工要求。因为上面我们已经选定好了接触轮和张紧轮的直径，又选定了砂带型号，即已知：接触轮直径D=80mm，张紧轮直径D1=100mm，砂带长度L=850mm。这样就可以计算出带轮间的中心距d以及砂带的包角a，公式如下：计算中心距： d=（L-Dm）/4+（）/4 式中 Dm=（D+D1）/2； =（D1- D）/2；可得： d=621.2mm砂带驱动轮的包角： a=180+(D-D2)60/d 可得：a=184.83因为包角的大小会直接影响到砂带传递载荷的能力，包角越大，传递载荷的能力就会越强，通常来说包角愈大愈好。如果包角太小，传递动力的时候就会容易产生打滑现象。为了防止打滑现象，所以计算包角必须不得小于许用包角值a，即 aa这在磨头结构设计时非常重要。查阅相关资料得知，当驱动轮是钢材或铝材的时候可以取a=150，而此次设计中a=184.83，符合条件。3.7 砂带磨削过程中的受力分析：上文提到此次设计将采用接触轮式磨削，而接触轮式磨削是砂带磨削所有类型中应用最为广泛的，也是最具有代表性的，它有两种结构方式：一种是接触轮直接作为驱动轮，另外一轮子作为张紧轮；再一种是接触轮不作驱动轮，驱动轮同时又作为张紧轮。考虑到机床的总体布局，此次设计中采用后面一种方式，即接触轮不做驱动轮的形式。砂带磨削过程中的砂带受力分析如下：当砂带静止的时候，即是砂带没有传递载荷，砂带上下两边的张力均为砂带初张力Fo。当砂带旋转时，驱动轮对砂带对砂带产生一个带动力，设驱动轮对砂带的作用力为Ff（有效圆周力）。砂带与工件接触产生一定的磨削力，可以分成法向磨削力（Fn）和切向磨削力（Ft），并反作用于砂带。这时候砂带两边的张力会产生变化，分别记为F1和 F2。在砂带运转过程中有可能会出现打滑现象，打滑是指由于带的弹性变形而引起的带与带轮之间的滑动，也称为弹性滑动。在临界状态（即砂带磨削中将要产生却又没有打滑的状态）时，存在如下关系：Ff+F1=Ft+F2如果不考虑轮子自身的转动惯量和轮磨削中所产生的摩擦阻力，应该有：F1=F2，得Ff=Ft。因此，在设计中我们要防止打滑现象得产生。为了使砂带能够正常磨削而不产生打滑现象，必须得有 FfFt。根据平带传动原理可知，有效圆周力Ff与张紧力Fo和轮子结构尺寸之间的关系是： a 其中 Fo砂带初张力，选Fo=100Ne自然对数的底（e=2.718.）u砂带和驱动轮接触面之间的摩擦系数a砂带绕驱动轮的有效包角通过计算可以得出理论圆周力，而实际圆周力应为： Ffo=Ff+kuFn 式中 k与接触弧长和接触轮开槽情况有关的系数，当接触轮无开槽时k=1； Fn法向磨削力。最终通过计算可得实际圆周力为：Ffo=1311N4 螺旋桨叶片砂带磨削三维建模4.1 三维建模的意义三维建模是把虚拟的二维模型转化为实体的模型，在三维空间中构造三维形体来表达设机构想，让人一目了然，在设计过程中具有重要的意义。三维建模是设计过程中的一种重要手段三维模型在实际生产中应用十分广泛，主要应用于建筑业、机械行业、汽车行业航空航天等。此磨头机构的建模能够更好地让人明白磨头的结构功能特性，同时在建模过程中我对磨头的结构更加了解，才能一步步的优化。 4.2 磨头机构装配成形图此次建模是通过综合整理前文查询所得的相关文献及其数据，利用solidedge进行三维建模，并对建模而成的各个零件进行总体装配。具体建模图形如下图所示：图 4.1 磨头机构主视图 图 4.2 磨头机构侧视图图 4.3 磨头机构后视图5 功能分析本次设计中，对于磨削方式的选择我们队开式磨削和闭式磨削都进行了说明，其中开式磨削的磨削精度很高，但是不适合本次设计的要求，最终选择了闭式磨削作为本次设计的磨削方式。闭式砂带磨削的磨削效率相当高，这就很好地满足了实际生产中的加工要求。磨头机构作为最关键的砂带磨床机构，它的精度决定了整个磨床的加工性能，在设计过程中对各个零件都是仔细分析其功用再逐步设计，因此在设计过程中老师要求我一点也不能马虎大意。此磨头机构是根据螺旋桨叶片是空间曲面加工而设计的。在张紧轮的设计中选择了比接触轮大的直径，这就保证了在磨削过程中就有一定的包角。而接触轮的设计中保证了较大的磨削接触面积，而三个惰轮的设计就保证了砂带能够有足够的长度。在磨头机构中通过三相异步电动机带动驱动轮，砂带通过缠绕在驱动轮、接触轮、张紧轮和三个惰轮之间，并通过气动气缸使张紧轮处于张紧状态，在驱动轮的带动下，砂带高速转动对螺旋桨叶片进行磨削加工。同时接触轮支撑板也采用浮动气缸，使接触轮能够更大限度的与螺旋桨叶片表面贴合在一起，能够有效的增加砂带和螺旋桨叶片的接触面积，提高螺旋桨叶片的加工效率，也使砂带的使用寿命更长。本次设计中，对螺旋桨的加工采用的是四轴联动的方式，螺旋桨砂带磨床的横向和纵向进给运动，磨头机构的小幅回转偏摆运动，再加上螺旋桨叶片自身的低速旋转运动，组成了砂带磨床的四轴联动运动，已经完全符合螺旋桨叶片的加工要求。6 总结本课题通过对船用螺旋桨叶片的整体分析，在了解螺旋桨叶片传统的加工方法及其加工难度的基础上，通过综合比较确定采用砂带磨削这种高精度、高效率的加工方法，并基于砂带磨削原理进行更深一步的设计螺旋桨叶片砂带磨削技术方案与磨头装置结构设计。毕业设计是一个漫长的过程，最初我就要在网上找资料了解砂带磨削技术，因为以前都没有接触过这门技术。对砂带磨削有了一定的了解，就要开始完成开题报告的书写。在这过程中经常要与师兄师姐们交流意见，他们也乐于帮助我一起完成开题报告。然后就是外文文献的翻译，这也是很耗时间的。从毕业设计选题开始，我就有意识的搜集与螺旋桨叶片加工相关的一些文献资料，在毕业设计过程中曾经多次到三磨海达公司参观螺旋桨砂带磨床实物，使我心里更加明确我要设计的是什么，侧重点在哪里。回来之后，通过自学三维建模软件，将砂带磨床磨头机构的各个功能部件进行初步的三维建模，并对其中不符合优化要求的零部件进行修改、重建，再统一进行装配。直至所有的零部件功能都得到了验算之后，再通过三维软件solidedge将装配而成的磨头装置模型转化成二维工程图，结合以前所学的机械制图知识，将二维工程图绘制完成，最后再依据整个的设计要求书写毕业设计说明书。在设计过程中，让我对磨床从单一理论书本上的认识进一步延伸到了实际生产之中。本次设计也加深了我对磨床特别是砂带磨床的了解，使我明白了砂带磨床优异的加工性能及其广泛的应用范围。理解到了砂带磨床在机械制造方面应用的重要性，并且在未来特别是对于难加工零件方面，砂带磨床都将发挥着至关重要的作用。但是也深知在砂带磨床的理论研究和机床制造方面，我国跟发达国家还存在着一定的差距，这是我们必须正视的现实，因此我们必须在这一块加大投资，促进人才的培养，争取尽快迎头赶上进而超越他们。本科学生毕业设计作为本科学习阶段的最后一个环节，对我以前所学的知识起到一个复习、整合、加深巩固的作用，让我在这期间对大学接触和学习到的所有专业知识得到了最实际的应用，也让我自己对以前所学的专业知识认识更加深刻。当然在设计过程中发现了自己在很多方面的欠缺，通过上图书馆以及网上查询相关技术资料，积极与同学讨论自己理解不到位的一些问题，以及到工厂（三磨海达公司）观看螺旋桨砂带磨床实物等等，不仅增长了自己的知识，而且锻炼了自己快速查阅相关文献的能力，以及与同学相互沟通的能力。致 谢 在此,首先我要感谢我的指导老师黄云教授，黄云老师是一个很负责的老师，是他给了我一个这么好的课题，在设计过程中对我们悉心指导，让我们多次到三磨海达公司去参观，让我对砂带磨床得到了更深的认识。在设计过程中，我经常往返于图书馆和寝室之间，图书馆的老师也给了我很大的帮助，是他推荐我用那些参考资料，让我更容易地完成设计。同时，还要感谢尹咸师兄和周丽琪师姐在设计过程中给予我的帮助，尹咸师兄每周不厌其烦的给我们开会，并在会上对我们进行指导，让我知道了该如何一步步的做好毕业设计，周丽琪师姐是我的助理老师，她对我那更不用说，在她自己要完成自己的论文的同时，还不忘抽出空下时间来对我的设计进行指导，在设计过程中对我的设计进行修改以及提出她自己宝贵的意见。还要感谢田婷婷同学，三维软件对我来说还是有点陌生的，是她在软件学习上帮助了我，对磨头机构的三维建模是她和我一起在图书馆完成的，因为有她的帮助我才完成了毕业设计的绘图工作。最后还要感谢大学四年来一直陪我走过的伙伴们，我的室友们以及我女朋友，因为有你们，我才顺利的完成了本次毕业设计。再次感谢。 参 考 文 献1 颜少平，李松玲，螺旋桨数控加工技术研究J.机电设备2005年第2期.2 李代建，吴建强，船用螺旋桨叶片砂带磨削精度分析J.重庆大学，2010.7 . 3 陈廉清，俞利锋，砂带磨削及其机床设计J.机床与液压，1998.4 张仲生，砂带磨床的生产概况和发展方向J，山西机械，2001年第4期5 赵伯民，现代磨削技术M.机械工业出版社，2003.16 谢国如，砂带磨削及其应用研究J.精密制造与自动化，2004年第4期.7 周兴文，国外砂带磨床生产概况和发展趋势J.机床，1980年第3期8 HIDEHIKO，Adaptive Control in Belt GrindingJ. 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