材料表面裂紋缺陷的預處理裝置設計初稿VIP

1、本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）題 目：材料表面裂紋缺陷的預處理裝置設計 學生姓名：范常峰學 號：08046102專業(yè)班級：工業(yè)設計08-1 指導教師：劉衍聰 教授2012年6月17日摘 要機械工程領(lǐng)域材料表面易產(chǎn)生微裂紋并不斷擴展造成裝備的破壞失效，激光熔覆技術(shù)是一項發(fā)展迅速的表面改性技術(shù)，可對材料表面進行快速修復與性能優(yōu)化，提高材料利用率，延長了工件使用壽命。裂紋預處理裝置需要對裂紋快速、簡捷、準確的去除，以滿足激光熔覆的需要。(設計制造裂紋預處理裝置填補了激光熔覆修復裂紋預處理裝置的技術(shù)空白。)材料表面裂紋缺陷預處理裝置的設計，主要包括裝置磨削與傳動部分設計、裝置外殼與基座設計以及基座運動

2、仿真。根據(jù)裂紋處理快速方便的需要，裝置采用錐齒輪傳動,通過砂輪磨削去除材料表面裂紋，并對錐齒輪進行設計計算和技術(shù)性能校核。運用機械動力分析軟件Adams對基座仿真模擬，并進行結(jié)果分析。運用多邊形建模功能強大的3ds max以及Solidworks插件Gear Trax對裝置建模并使用互動性的光線追蹤與全域光渲染程序keyshot渲染展示。關(guān)鍵詞: 激光熔覆；裂紋缺陷；磨削；錐齒輪；仿真模擬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 錄

7、第1章 前 言11.1 選題背景及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11.2.1 激光熔覆技術(shù)的應用11.2.2 材料表面裂紋的研究21.2.3 材料表面裂紋去除的現(xiàn)狀21.3 論文的主要內(nèi)容4第2章 裂紋缺陷的特點及預處理過程分析52.1 材料表面裂紋缺陷特點分析52.1.1 表面裂紋的產(chǎn)生52.1.2 表面裂紋的擴展52.1.3 表面裂紋擴展速率與形貌變化規(guī)律62.2 激光熔覆層幾何形貌分析72.3 槽的截面分析與裂紋去除82.3.1 槽的類型的選擇92.3.2 梯形槽形狀的確定92.3.3 裂紋去除方式的選擇102.4 工作原理11第3章 預處理裝置的磨削部件設計133.1 砂輪的選

8、擇133.1.1 砂輪形狀與尺寸的確定133.1.2 磨料和粒度的選擇133.2 磨削力的計算與電動機選擇143.2.1 磨削力的計算143.2.2 電動機的選擇153.3 軸徑與鍵的設計163.3.1 傳動比的計算163.3.2 軸徑的設計163.3.3 鍵的選取173.4 錐齒輪的設計與校核183.4.1 錐齒輪1與錐齒輪2參數(shù)的確定183.4.2 錐齒輪3與錐齒輪4參數(shù)的確定223.5 砂輪的安裝與安全防護253.5.1 砂輪的安裝253.5.2 工作過程的安全防護25第4章 預處理裝置基座設計與運動仿真274.1 基座結(jié)構(gòu)設計274.1.1 基座高度調(diào)節(jié)的實現(xiàn)274.1.2 基座角度轉(zhuǎn)

9、軸設計274.1.3 基座導軌選擇284.1.4 基座底板設計284.2 基座運動仿真294.2.1 仿真模型的建立294.2.2 施加作用力與阻尼器304.2.3 仿真結(jié)果分析314.3 基座輔助部件設計32第5章 外殼設計與裝置展示335.1 砂輪正反轉(zhuǎn)裝置335.2 外殼的設計345.2.1 外殼顏色的確定345.2.2 外殼把手分析設計345.3 三維模型的建立與外觀展示35第6章 結(jié) 論39致 謝40參考文獻41附 錄42第1章 前 言1.1 選題背景及意義在石油、石化和航天造船等領(lǐng)域，重型裝備種類繁多，由于重載和振動等惡劣工況以及構(gòu)件表面本身存在各種宏觀缺陷，如壓痕、刮傷、蝕坑等，

10、材料表面易產(chǎn)生微裂紋并不斷擴展造成裝備的破壞失效，若直接報廢將會造成巨大經(jīng)濟損失，而且大量零部件及設備報廢也會對環(huán)境和資源造成巨大壓力。通過先進的加工技術(shù)對零件表面進行改善，不但延長了零件使用壽命，而且提高了其表面使用性能，由此帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益。激光表面處理是綠色再制造技術(shù)，是未來工業(yè)應用潛力最大的表面改性技術(shù)之一?；诩す饧庸ぜ夹g(shù)在零件表面制備與金屬基體材料呈冶金結(jié)合的表面涂層，可根據(jù)使用性能要求設計涂層成分、選擇熔覆材料，在廉價鋼材上可制備出性能優(yōu)異的合金涂層1，從而顯著地改善零件耐磨、耐蝕、耐熱和抗氧化等性能，節(jié)約貴重稀有金屬材料，提高材料利用率、降低成本，因此激光熔覆技術(shù)被廣

11、泛應用于石油、化工、航天和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。激光熔覆前材料表面的裂紋需要進行有效地清除，在此基礎(chǔ)上考慮金屬材料成本，加工成本等因素裂紋的去除應滿足準確、簡單、快捷等要求。目前材料表面裂紋的去除很難同時做到準確、快捷，僅憑操作者的工作經(jīng)驗進行表面裂紋的去除，容易造成不必要的資源浪費?；谏鲜鰡栴}，本文對表面裂紋預處理裝置設計，在材料表面修復前對表面裂紋進行準確、快捷的去除，從而達到提高材料利用率，降低成本的目的。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 激光熔覆技術(shù)的應用激光熔覆技術(shù)是20世紀70年代隨著大功率激光器的發(fā)展而興起的一種新的表面改性技術(shù)，近年來受到了各界的廣泛關(guān)注。激光熔覆技術(shù)有很

12、多工藝性優(yōu)點，如易于控制、工件變形量小，熔覆層與零件間結(jié)合強度高，熔覆層耐磨性和耐蝕性能好等?？蓪崿F(xiàn)對各種大型、精密零部件的表面改性，對關(guān)鍵零部件的磨損部位進行修復。與傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)相比較，激光熔覆技術(shù)解決了電弧堆焊、氬弧堆焊、等離子弧堆焊等傳統(tǒng)加工方法無法解決的工藝過程熱應力和熱變形大的難題，因此被廣泛地應用于機械裝備零部件的加工和修復中。1.2.2 材料表面裂紋的研究近50年來，對于材料表面裂紋的研究，斷裂力學作為一門研究含裂紋材料和結(jié)構(gòu)的抗斷裂性能，以及在各種工作環(huán)境下裂紋的平衡、擴展、失穩(wěn)及止裂規(guī)律的學科發(fā)展迅速，已在許多領(lǐng)域中解決了大量的生產(chǎn)實際問題，特別是解決了抗斷設計、合理選

13、材、適當?shù)臒崽幚碇贫群图庸すに?、預測構(gòu)建的疲勞壽命、制定合理的質(zhì)量檢測制度和驗收標準以及防止斷裂事故等方面的問題。目前，材料表面裂紋研究的基本理論、測試技術(shù)和應用計算方法等還有許多有爭議和不成熟之處而正處于發(fā)展之中。雖然其研究的許多領(lǐng)域仍在發(fā)展階段，但許多國家已將較成熟的部分制定了斷裂控制新標準及設計規(guī)范，用于工程實際中，成為提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證產(chǎn)品安全運行、防止結(jié)構(gòu)斷裂事故的有力工具。我國工業(yè)由于材料裂紋造成的損失驚人，為此在重大機械產(chǎn)品設計中采用防斷裂設計2,國外稱為“破損安全設計”或“損傷容限設計”，其有助于機械產(chǎn)品設計水平的提高，保證產(chǎn)品的安全性和可靠性。在不可避免地存在缺陷或裂紋的構(gòu)件

14、中，可以防止事故的發(fā)生，減少不應有的損失。國內(nèi)學者通過大量實驗，運用“變載荷勾線法”等對材料表面裂紋的擴展速率和形狀變化進行了研究并利用公式加以描述，分析其中各參數(shù)關(guān)系。材料表面裂紋的研究，對于我國工程實際問題具有重大的實用價值和經(jīng)濟意義。1.2.3 材料表面裂紋去除的現(xiàn)狀對于材料表面裂紋的去除主要有以下幾種方法：氣割加工、切削加工（銑削或刨）、碳弧氣刨、砂輪打磨。如Error! Reference source not found.所示：（a）(b)(c)(d)圖 11 材料表面裂紋去除方法(a) 氣割加工；（b）切削加工；（c）碳弧氣刨；（d）砂輪打磨氣割是利用氣體火焰的熱能將工件切割處預

15、熱到一定溫度后，噴出高速切割氧流，使材料燃燒并放出熱量實現(xiàn)切割的方法。氣割一般只用于低碳鋼、低合金鋼和鈦及鈦合金，手工氣割使用靈活方便，一般應用于工廠零星下料、廢品廢料解體、安裝和拆除。切削加工是使用刀具作進給運動進行切削加工，效率高，目前國內(nèi)有關(guān)于便攜式機械去除裂紋、加工坡口的專利，主要是通過電機帶動銑刀盤對材料表面進行銑削，相關(guān)產(chǎn)品已在大型管道和裝備領(lǐng)域得到應用。碳弧氣刨是利用在碳棒的與工件之間產(chǎn)生的電弧熱將金屬熔化，同時用壓縮空氣將這些熔化金屬吹掉，從而在金屬上刨削出溝槽一種熱加工工藝。目前，碳弧氣刨主要用于清焊根，開中、厚板對接坡口、管對接U形坡口。砂輪打磨應用廣泛，主要進行金屬部件打

16、磨切削，木材、石材加工等。各種裂紋處理方法有各自的優(yōu)缺點，基于加工要求，通過分析對比選擇合適的加工方法，不僅有利于裂紋處理的準確和簡捷，而且降低了加工成本，對激光熔覆加工的實現(xiàn)具有重要意義。1.3 論文的主要內(nèi)容針對激光熔覆表面裂紋預處理的要求以及目前裂紋去除過程中存在的問題，本文主要包括以下內(nèi)容：（1）采用磨削方式對材料表面裂紋進行去除，進行磨削力的計算。選用旋轉(zhuǎn)電機帶動錐齒輪傳動，并對錐齒輪進行設計計算和性能校核。（2）基于激光熔覆表面裂紋預處理的要求，指出現(xiàn)階段砂輪打磨方面的不足，提出解決方案，對裝置進行結(jié)構(gòu)設計，達到簡單、快捷、準確去除裂紋的目的。（3）運用機械動力學軟件Adams對裝

17、置基座進行運動仿真，并進行結(jié)果分析。（4）對預處理裝置磨削及傳動部分采用Solidworks進行建模，對裝置外殼部分參照人機工程學使用3ds Max軟件進行設計建模,裝置模型使用互動性的光線追蹤與全域光渲染程序Keyshot進行渲染展示。第2章 裂紋缺陷的特點及預處理過程分析研究裂紋缺陷和激光熔凝區(qū)的特點，分析表面裂紋擴展速率及形狀變化規(guī)律對裂紋的有效和準確去除具有重要意義。本章是對材料表面裂紋缺陷特點進行介紹，為磨削表面裂紋裝置設計提供理論依據(jù)。對激光熔凝區(qū)幾何形貌作簡要分析，以求磨削裂紋可以更好的滿足激光熔覆過程的要求。為了降低裝置閑置率，裝置具備磨削焊接坡口的能力。2.1 材料表面裂紋缺

18、陷特點分析2.1.1 表面裂紋的產(chǎn)生實際構(gòu)件存在的缺陷是多種多樣的，如冶煉中產(chǎn)生的夾渣、氣孔，加工中引起的刀痕、刻槽，鑄件中的縮孔、疏松。機械裝備本身可能存在缺陷，在重載和振動等惡劣工況下，其材料表面易產(chǎn)生微裂紋并不斷擴展造成裝備的破壞失效，結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境中使用時會產(chǎn)生腐蝕裂紋，大多數(shù)工程實際問題中，構(gòu)件上作用的載荷或應力往往隨時間交替變化，總是在應力最高、強度最弱的局部位置上發(fā)生疲勞，從而產(chǎn)生疲勞裂紋。裂紋按幾何特征可以分為穿透裂紋、表面裂紋和深埋裂紋。裂紋位于構(gòu)件表面或裂紋深度相對構(gòu)件厚度比較小就作為表面裂紋處理。對于表面裂紋常簡化為半橢圓形裂紋。很多穿透裂紋也可以追溯為表面疲勞裂紋擴展形

19、成的，因此研究表面裂紋擴展具有重要的實際意義。2.1.2 表面裂紋的擴展裂紋形成后，在材料中的擴展可分為兩個階段。第一階段是在與拉應力成45°角的最大剪應力的方向擴展，在這一階段內(nèi)裂紋擴展速率和深度都非常小。其后轉(zhuǎn)為第二階段，裂紋沿著最大拉應力平面進行擴展，其擴展速率與深度都比第一階段大得多。裂紋的亞臨界擴展過程是裂紋尖端反復銳化和鈍化的過程，要經(jīng)歷張開、鈍化、閉合的循環(huán)，裂紋尖端每經(jīng)過一次循環(huán)，裂紋就向前擴展一個。Bates和Clark曾提出了裂紋間距與應力強度因子幅度以及材料彈性模量E間的經(jīng)驗關(guān)系式：（2-1）由此，可以對應力強度因子幅度作大致估算2.1.3 表面裂紋擴展速率與形

20、貌變化規(guī)律若應力循環(huán)次之后，裂紋擴展量為，裂紋擴展速率是指應力每循環(huán)一周，裂紋的擴展。對于裂紋擴展速率的研究，主要在于尋求裂紋擴展速率與有關(guān)各種力學參量之間的數(shù)學表達式。二維裂紋的問題，疲勞裂紋擴展速率一般采用Paris-Erdogan公式3來描述，即：（2-2）式中，da/dN為裂紋擴展速率，K為應力強度因子幅值，C和m為材料常數(shù)。對于三維裂紋問題4，當含有半橢圓裂紋的平板受拉伸和彎曲載荷作用時，裂紋在深度和長度方向的擴展速率分別為：（2-3）（2-4）式中，a為裂紋深度，c為裂紋半長，、分別為裂紋最深點A和表面點B處的應力強度因子幅值，CA、CB各為裂紋深度和長度方向的材料系數(shù)。在三維裂紋

21、擴展過程中，對于彎曲疲勞表面裂紋不斷扁化5，且滿足如下關(guān)系式：（2-5）其中，B為構(gòu)件厚度。對于拉伸疲勞，隨裂紋擴展，趨于一個穩(wěn)定值，其值為：（2-6）現(xiàn)有有一厚度為15mm的鋼板，材料為40號鋼。鋼板表面因彎曲疲勞存在一長度為85.7mm的裂紋，現(xiàn)對其進行裂紋去除以方便進行激光表面修復。由式（2-5），裂紋深度a=10mm現(xiàn)測得裂紋偏轉(zhuǎn)幅度為4mm，如Error! Reference source not found.所示：圖 21 鋼板表面疲勞裂紋由手冊查取國產(chǎn)鋼材疲勞裂紋亞臨界擴展率值可知，40號鋼其材料常數(shù)C為，單位為，m為3，應力強度因子幅度在18.649.6之間，此處取為40，則根

22、據(jù)Paris公式，裂紋擴展率mm/周2.2 激光熔覆層幾何形貌分析激光熔覆是一種具有焊接和熱處理雙重屬性的工藝，它利用高能密度的激光束在基體表面熔覆具有一定性能的熔覆層。在熔覆過程中熔覆材料和基體表面在激光束的作用下被迅速熔化，隨后快速凝固，從而在基體表面形成與常規(guī)性能不同的合金層。熔覆試樣橫截面按組織特點由上至下分為四個區(qū)域：熔覆層、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和基體。通過對熔合區(qū)幾何形貌進行分析，確定裂紋去除后基體的截面形狀，對激光熔覆加工熔覆層質(zhì)量重要影響。激光光束經(jīng)過待修復區(qū)域時，待修復區(qū)域合金粉末層熔化，此區(qū)域稱為熔化區(qū)，同時基材也有一薄層熔化，此區(qū)域稱為結(jié)合區(qū)，它是激光快速加熱形成的熔池底部冷

23、卻后產(chǎn)生的組織。熔化區(qū)和結(jié)合區(qū)共同形成了激光熔池，稱為激光熔合區(qū)。占煥校等在“激光寬帶加工數(shù)值模擬中的熱源模型”一文中采用激光寬帶熱源模型，對42CrMo板材表面進行激光熔凝試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，熔池底部較為平整，類“平底鍋”狀6。在激光熔覆過程中，工藝參數(shù)對熔覆層的外觀形貌、顯微組織及性能有直接的影響，而熔覆層的形貌，包括熔覆層寬度、熔覆層高度、基體熔深，其對最后的熔覆質(zhì)量有較大的影響。影響激光熔覆層形貌的因素很多，且實際生產(chǎn)中存在著許多不確定或難以確定的因素，這些因素有送粉系統(tǒng)的穩(wěn)定性、激光系統(tǒng)的聚焦性、激光功率、光斑直徑、掃描速度、送粉速率等。對于激光熔凝區(qū)幾何形貌影響因素以及各影響因素與幾何

24、形貌之間的對應關(guān)系，趙洪運等采用多元線性回歸分析的方法進行了闡述。其主要是通過設一個響應變量Y和m個預測變量，的n組觀測數(shù)據(jù)，建立如下線性模型7：（2-7）式中，均為常數(shù)，為偏回歸系數(shù)；為隨機干擾；響應變量，分別代表熔覆層寬度W，熔覆層高H，基體熔深p；解釋變量，分別代表激光功率P，激光掃描速度v，送粉電壓U。由公式（2-8）可得到送粉速率，單位為mg/s，其中，是粉槽體積，是粉末松裝密度。通過SPSS統(tǒng)計分析進行多元線性回歸，得出以下表示熔覆層寬W，高度H和基體熔深p的表達式：（2-9）（2-10）（2-11）其中，P為激光功率（KW），U為送粉電壓（V），v為激光掃描速率（mm/s）。試驗

25、證明，激光功率為2.9KW3.1KW，掃描速度為67mm/s的參數(shù)進行熔覆，基體有利于得到較高的抗裂韌性和較好的機加工性能。送粉電壓取5V，代入公式（2-9）、（2-10）、（2-11）得：熔覆層寬度W=4.422mm熔覆層高度H=1.487mm基體熔深p=0.420mm2.3 槽的截面分析與裂紋去除槽的截面形狀會對激光熔覆質(zhì)量造成影響。其形狀應與熔合區(qū)截面形狀相吻合，以保證激光光束對合金粉末層均勻熔化，減少了熔池冷卻后應力的產(chǎn)生和不均勻分布，從而盡可能的減少了激光熔覆后熔覆層裂紋的產(chǎn)生。2.3.1 槽的類型的選擇常見槽的截面形狀主要有：矩形槽，V型槽，U型槽，帶鈍邊V型槽。矩形槽加工比較簡單

26、，采用銑削、刨、砂輪磨削均可加工，但矩形槽與激光熔合區(qū)截面形狀差距較大，故不采用矩形槽。V型截面在焊接坡口加工中也較為常見，其加工過程簡單，通過調(diào)節(jié)坡口角度，可以調(diào)節(jié)熔覆層基體金屬與合金粉末的比例，但在對V型槽進行激光熔覆時需要多層多道熔覆，熔覆加工過程復雜，故不采用V型槽。U型槽可與激光熔合區(qū)截面形狀完全吻合，但加工U型槽一般采用銑削或刨的方式，且需要制造相應的刀具，砂輪磨削難以實現(xiàn)，加工成本高，故不采用U型截面。帶鈍邊V型槽也可稱為梯形槽，梯形槽可以最大限度的與激光熔合區(qū)截面形狀吻合?？赏ㄟ^砂輪修整，磨削加工出所需梯形槽，加工過程簡單，加工成本低，故槽的類型可選擇梯形槽。2.3.2 梯形槽

27、形狀的確定為了最大限度地使梯形槽形狀與激光熔合區(qū)截面形狀吻合，需要對梯形槽的具體參數(shù)進行計算以確定。圖 22 激光熔合區(qū)截面形狀幾何模型如Error! Reference source not found.所示，以熔覆層寬AB為x軸，基體熔深OC為y軸，AB的中點O為坐標原點建立平面直角坐標系。其中，A點坐標為（-2.211,0），B點坐標為（2.211,0），C點坐標為（0,-0.420）。將熔合區(qū)截面視為拋物線，由拋物線方程（2-12）可得熔合區(qū)截面拋物線方程為：取拋物線上的點D、E，其坐標分別為、，則梯形槽截面面積,計算得：， 即x為0.736時,梯形槽截面有最大值，最大限度與熔合區(qū)截面

28、形狀吻合。由此，梯形槽截面形狀確定，其上底a為1.472mm,下底b為4.422mm,高度h為0.373mm。2.3.3 裂紋去除方式的選擇目前對于材料表面裂紋的去除主要有以下幾種方法：氣割加工、切削加工（銑削或刨）、碳弧氣刨、砂輪打磨。氣割加工較為工作過程快速，去除裂紋的有效性和準確性難以控制。切削加工主要有銑削和刨兩種方法，這兩種方法雖然去除準確，但多數(shù)情況需要將物件放到機床上，裂紋去除過程難以做到簡單快捷，目前國內(nèi)有關(guān)于便攜式機械去除裂紋、加工坡口的專利8，主要是通過電機帶動銑刀盤對材料表面進行銑削，相關(guān)產(chǎn)品已在大型管道和裝備領(lǐng)域得到應用，與此同時也存在銑刀盤對加工不同截面形狀難以滿足，

29、切削加工切削力大從而因電機和傳動裝置的選取導致整個裝置笨重等問題。碳弧氣刨使用石墨棒或碳棒與工件間產(chǎn)生的電弧將金屬熔化，并用壓縮空氣將其吹掉，實現(xiàn)在金屬表面上加工溝槽的方法，這種方法效率高、噪音小、勞動強度低，但碳弧有煙霧，粉塵污染和弧光輻射，操作不當容易引起槽道增碳。砂輪打磨在日常加工生產(chǎn)中較為常用，砂輪打磨去除表面裂紋的主要工具是角向磨光機，這種方法加工過程簡單、快捷，容易實現(xiàn)對裂紋有效去除，但其工作過程多為操作者手持，對裂紋的去除程度多憑經(jīng)驗判斷，準確性難以把握。對比以上方法，選擇砂輪打磨的方式設計裝置進行裂紋預處理，力求使裝置處理裂紋快速、準確、簡捷，滿足激光熔覆要求。2.4 工作原理

30、激光熔覆技術(shù)是通過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與基材表面一起熔凝的方法，為使熔覆過程方便，假定激光束經(jīng)過基體的路徑為直線，即對基體表面進行直線熔覆。現(xiàn)需對基體表面裂紋處磨削一規(guī)定截面形狀的梯形直槽。裂紋預處理裝置主要包括：砂輪，錐齒輪，電機，調(diào)高裝置，角度轉(zhuǎn)軸，滑塊，燕尾槽，底板，外殼等。如圖 23 裝置外殼與基座結(jié)構(gòu)示意圖圖 24 裝置傳動結(jié)構(gòu)示意圖其工作原理為：旋轉(zhuǎn)電機通過高速軸帶動錐齒輪1旋轉(zhuǎn)，錐齒輪1將轉(zhuǎn)矩通過錐齒輪2傳遞給錐齒輪3，錐齒輪4在錐齒輪3的帶動下帶動低速軸，進而帶動砂輪旋轉(zhuǎn)。其中，錐齒輪4、低速軸、砂輪可繞中速軸軸線進行180°旋轉(zhuǎn)。電機

31、通過調(diào)高轉(zhuǎn)盤和調(diào)高螺柱與基座相連，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)高轉(zhuǎn)盤，達到電機和砂輪高度的升降。調(diào)高螺柱與角度轉(zhuǎn)軸均與滑塊連為一體，通過調(diào)節(jié)角度轉(zhuǎn)軸可以使砂輪與基體成一定角度，滑塊嵌入燕尾槽，推動電機部分，滑塊沿燕尾槽直線滑動，從而保證砂輪的直線運動，通過調(diào)節(jié)高度，砂輪逐漸對基體磨削一定深度，最終去除裂紋，如Error! Reference source not found.所示。圖 25 砂輪磨削基體示意圖第3章 預處理裝置的磨削部件設計本章對裝置磨削部件進行設計，預處理裝置磨削部件主要包括：砂輪，錐齒輪傳動部分和電機。各個部件參數(shù)如砂輪厚度，直徑，錐齒輪大端分度圓直徑，電機功率等的選取將直接影響到裝置對裂紋

32、的處理能力，合理選取部件參數(shù)對于預處理過程具有重要意義。3.1 砂輪的選擇3.1.1 砂輪形狀與尺寸的確定砂輪的形狀和尺寸是根據(jù)磨削類型、加工方法及加工要求來確定的。常見砂輪形狀主要有：平形、雙斜邊、雙邊凹、筒形、杯形、碗形、碟形、鈸形，由于裝置用砂輪在磨削裂紋或進行破口加工時有砂輪側(cè)面磨削要求，故可選用平行砂輪和鈸形砂輪，其中坡口加工選用鈸形砂輪。對裂紋進行預處理時，根據(jù)梯形槽截面相關(guān)參數(shù)選擇直徑為100mm，厚度為4mm的平行砂輪，砂輪用砂輪修整器進行修整，使其形狀與梯形槽截面形狀一致。3.1.2 磨料和粒度的選擇磨料是砂輪的主要組成部分，它應具有很高的硬度、耐磨性、耐熱性和一定的韌性。以

33、承受磨削時的切削熱和切削力，同時還應具備鋒利的尖角，以利磨削金屬。常用的砂輪磨料主要有：棕剛玉、白剛玉、黑碳化硅、綠碳化硅、立方氮化硼、人造金剛石9，對于在40號鋼上進行裂紋磨削，可選用硬度高，韌性好，價格便宜的棕剛玉砂輪。砂輪的粒度對磨削精度和磨削效率影響很大。磨粒粗，磨削深度大，磨削效率高，但磨削精度低；反之則磨削深度均勻，磨削精度較高。對于表面裂紋磨削，選用粒度號為60#的砂輪，滿足磨削要求。3.2 磨削力的計算與電動機選擇3.2.1 磨削力的計算磨削力源自基體與砂輪接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和結(jié)合劑與基體表面之間的摩擦作用。磨削力的計算對裝置設計具有重要意義，通過

34、計算可以確定傳動部分錐齒輪的參數(shù)，進而對驅(qū)動裝置進行選擇。磨削力一般是用經(jīng)驗公式來估算，或者用實驗的方法來測定。用實驗的方法來測定，不僅工作量大，而且成本較高。磨削力的理論公式對磨削過程做定性分析和大致估算時具有很大作用，但是由于磨削加工情況的復雜性，建立于一定加工條件和假設條件之上的理論公式，在條件改變后就導致使用受到極大限制。迄今為止，還沒有一種可適用于各種磨削條件下的嚴密磨削力理論公式10。對于磨削過程的詳細研究，目前仍然需依靠實驗測試及在該實驗條件下的經(jīng)驗公式來進行。砂帶磨削力的計算能更好地滿足砂輪切槽磨削力的計算。砂帶恒切除率法向力公式如下：（3-1）（3-2）式中，為金屬切除率（）

35、，為進給速度（mm/s），b為磨削寬度(mm), 為磨削深度（mm）,為砂帶線速度（m/s）,t為磨削時間，K為與砂帶鈍化速度有關(guān)的系數(shù)，為比磨削能。在進行裝置磨削力計算時，應選擇磨削力最大的情況來進行計算。可選磨削力最大情況為開一個深度為20mm,開口角度為30°的坡口，如Error! Reference source not found.所示：圖 31 磨削30°坡口截面示意圖取為50mm/s, 為1mm,b分別為mm,4mm，取31.4m/s。對于低碳鋼，其磨削能為，由公式（3-1）、（3-2）計算得：砂輪法向磨削力=94.0N由于砂輪磨粒具有較大的負前角，所以法相磨

36、削力大于切向磨削力，通常磨削力比/在1.53范圍內(nèi)。取磨削力比為3，則砂輪切向磨削力31.3N3.2.2 電動機的選擇在裂紋預處理和坡口加工過程中，砂輪的轉(zhuǎn)速要求較高，一般取6000r/min，磨削過程中磨削力變化范圍大，對電動機負載適應性有一定要求。單相串勵電動機是一種電樞繞組和串聯(lián)繞組串聯(lián)在一起工作的單相交流異步電動機，它轉(zhuǎn)速高、體積小、啟動轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速可調(diào)，既可在直流電源上使用，又可在單相交流電源上使用，因而在電動工具中得到廣泛的應用。根據(jù)砂輪切向磨削力，需要對工作機所需輸入功率、電動機輸出功率進行計算，從而選擇合適的電動機。砂輪切向磨削力為31.3N，根據(jù)其工作原理，裝置為兩級錐齒輪傳

37、動，兩組滾動軸承，由手冊11查的，錐齒輪傳動工作效率=0.940.97滾動軸承工作效率=0.99則傳動裝置總效率=0.92工作機效率=0.92工作機所需輸入功率=0.98kN（3-3）電動機輸出功率=1.07kN（3-4）取過載系數(shù)K為1.1，電機額定功率=1.17kW（3-5）可選取UM9835型單相串勵電動機，其額定功率為1.2kW，負載轉(zhuǎn)速為15700r/min。3.3 軸徑與鍵的設計3.3.1 傳動比的計算電動機額定負載下轉(zhuǎn)速=15700r/min,工作機轉(zhuǎn)速n=6000r/min，故總傳動比=2.617（3-6）由手冊12查的，直齒圓錐齒輪傳動比可取=1.8，=1.5則設計傳動比i=

38、2.7傳動比誤差=3.17%5%，傳動比分配符合要求。3.3.2 軸徑的設計通過軸徑的計算可以確定齒輪孔徑，也是選擇軸承和鍵的重要參照1.輸入功率高速軸輸入功率（3-7）中速軸輸入功率（3-8）低速軸輸入功率（3-9）計算可得，=1.2kW, =1.15kW, =1.11kW。2.轉(zhuǎn)速高速軸轉(zhuǎn)速=（3-10）中速軸轉(zhuǎn)速（3-11）低速軸轉(zhuǎn)速（3-12）經(jīng)計算，=15700r/min, =8722.2r/min, =5814.8r/min。軸徑d可按扭轉(zhuǎn)強度計算，其公式為：（3-13）其中，C為與軸材料有關(guān)的系數(shù)，軸材料取Q235，由機械設計教材表16.2查得C取160。經(jīng)計算，高速軸軸徑取為8

39、mm,中速軸軸徑取為9mm,低速軸軸徑取為10mm。3.3.3 鍵的選取鍵選用普通平鍵，根據(jù)軸徑由機械設計手冊查的，軸徑在范圍時13，鍵寬b=3mm,鍵高h=3mm,軸槽深為2mm,輪轂槽深為1.1mm。高速軸、中速軸、低速軸鍵長、均取為10mm，對其進行校核。由轉(zhuǎn)矩計算公式（3-14）可得，高速軸轉(zhuǎn)矩=729.94N·mm,中速軸轉(zhuǎn)矩=1261.33N·mm,低速軸轉(zhuǎn)矩=1818.09N·mm。由鍵靜連接轉(zhuǎn)矩公式（3-15）（3-16）式中，為鍵的接觸長度，為許用擠壓應力，由機械設計教材表7.1選取為100MPa。經(jīng)計算，高速軸鍵所能傳遞最大轉(zhuǎn)矩=4200N&#

40、183;mm，中速軸=4200N·mm,低速軸=4200N·mm，均符合擠壓強度要求。3.4 錐齒輪的設計與校核3.4.1 錐齒輪1與錐齒輪2參數(shù)的確定錐齒輪均選用直齒錐齒輪，其加工多為刨齒，不宜采用硬齒面，錐齒輪1材料選用40Cr,錐齒輪2選用42SiMn。1.齒數(shù)取錐齒輪1齒數(shù)為20，則錐齒輪2齒數(shù)=36。估計圓周速度，選5級精度。2.分錐角分錐角計算公式（3-17）式中傳動比為1.8，經(jīng)計算得，=0.87，=0.49。3.當量齒數(shù)當量齒數(shù)計算公式（3-18）經(jīng)計算得，=22.99，=73.47。4.當量端面重合度當量端面重合度計算公式（3-19）為螺旋角，對于直齒齒輪

41、，為0。經(jīng)計算得，=1.705.重合度系數(shù)與齒間載荷分配系數(shù)重合度系數(shù)公式（3-20）齒間載荷分配系數(shù)計算公式（3-21）計算得，=0.88，=1.29。6.載荷系數(shù)K載荷系數(shù)計算公式如下：（3-22）其中，為使用系數(shù)，查取機械設計教材14表12.9，取1.35；為動載系數(shù)，查取機械設計教材圖12.9，取1.1；為齒向載荷分布系數(shù)，查取機械設計教材表12.20，取1.9；經(jīng)計算，K=3.64。7.許用接觸應力許用接觸應力計算公式如下：（3-23）式中，為接觸疲勞極限，由機械設計教材圖12.17，取=710MPa,=680MPa；為接觸壽命系數(shù)，??；為接觸最小安全系數(shù)，由機械設計教材表12.14

42、，取為1.05；經(jīng)計算，=676MPa, =648MPa。8.錐齒輪1大端分度圓直徑小輪大端分度圓直徑計算公式如下：（3-24）其中，為齒寬系數(shù)，取0.3；為彈性系數(shù)，由機械設計教材表12.12，取188.0；為節(jié)點區(qū)域系數(shù)，根據(jù)機械設計教材圖12.16，取2.5；取、兩者較小的，即取為648MPa。經(jīng)計算，=23.54mm。平均分度圓直徑計算公式（3-25）經(jīng)計算，=20mm。圓周速度計算公式（3-26）計算得，=16.43m/s，與估計值接近。9.大端模數(shù)m大端模數(shù)（3-27）計算得，m=1.177mm,根據(jù)機械設計教材表12.3，m取1.25mm。10.實際大端分度圓直徑d其公式為（3-

43、28）經(jīng)計算，=25mm, =45mm。11.錐距R其公式為（3-29）計算得，R=25.74mm12.齒寬b齒寬公式為（3-30）計算得，b=7.72mm。以下對齒輪進行齒根彎曲疲勞強度計算：13.重合度系數(shù)重合度系數(shù)公式（3-31）經(jīng)計算，=0.69。14.齒間載荷分配系數(shù) 齒間載荷分配系數(shù)公式（3-32）計算得，=1.45。15.載荷系數(shù)K載荷系數(shù)公式（3-33）計算得，K=4.09。16.許用彎曲應力許用彎曲應力計算公式如下：（3-34）其中，為彎曲疲勞極限，由機械設計教材圖12.23查得，=600MPa, =570MPa；為彎曲壽命系數(shù)，取=1.0；為尺寸系數(shù)，由機械設計教材圖12.

44、25查得，=1.0；為彎曲最小安全系數(shù)，由機械設計教材表12.14查得，=1.25。經(jīng)計算，=480MPa, =456MPa。彎曲應力計算公式為（3-35）其中，為齒形系數(shù)，由機械設計教材圖12.30得，=2.88，=2.4；為應力修正系數(shù)，由機械設計教材圖12.31得，=1.61，=1.9。經(jīng)計算，=160.94MPa,=158.27MPa。故錐齒輪1與錐齒輪2滿足強度要求。3.4.2 錐齒輪3與錐齒輪4參數(shù)的確定錐齒輪3材料選用40Cr,錐齒輪4選用42SiMn。1.齒數(shù)取錐齒輪3齒數(shù)為20，則錐齒輪4齒數(shù)=30。估計圓周速度，選6級精度。2.分錐角由公式（3-17），式中傳動比為1.5，

45、經(jīng)計算得，=0.83，=0.55。3.當量齒數(shù)由公式（3-18）經(jīng)計算得，=24.10，=54.55。4.當量端面重合度由公式（3-19）經(jīng)計算得，=1.695.重合度系數(shù)與齒間載荷分配系數(shù)由公式（3-20）、（3-21）計算得，=0.88，=1.29。6.載荷系數(shù)K根據(jù)公式（3-22），其中，為使用系數(shù)，查取機械設計教材表12.9，取1.35；為動載系數(shù)，查取機械設計教材圖12.9，取1.1；為齒向載荷分布系數(shù)，查取機械設計教材表12.20，取1.9；經(jīng)計算，K=3.64。7.許用接觸應力根據(jù)公式（3-23），式中，為接觸疲勞極限，由機械設計教材圖12.17，取=710MPa,=680MPa

46、；為接觸壽命系數(shù)，??；為接觸最小安全系數(shù)，由機械設計教材表12.14，取為1.05；經(jīng)計算，=676MPa, =648MPa。8.錐齒輪1大端分度圓直徑由公式（3-24），其中，為齒寬系數(shù)，取0.3；為彈性系數(shù)，由機械設計教材表12.12，取188.0；為節(jié)點區(qū)域系數(shù)，根據(jù)機械設計教材圖12.16，取2.5；取、兩者較小的，即取為648MPa。經(jīng)計算，=30.01mm。根據(jù)公式（3-25），經(jīng)計算，=25.51mm。由公式（3-26）計算得，=11.64m/s，與估計值接近。9.大端模數(shù)m根據(jù)公式（3-27），計算得，m=1.5005mm,根據(jù)機械設計教材表12.3，m取1.75mm。10.實

47、際大端分度圓直徑d由公式（3-28）經(jīng)計算，=35mm, =52.5mm。11.錐距R根據(jù)公式（3-29）計算得，R=31.55mm12.齒寬b由公式（3-30）計算得，b=9.47mm。以下對齒輪進行齒根彎曲疲勞強度計算：13.重合度系數(shù)根據(jù)公式（3-31），經(jīng)計算，=0.69。14.齒間載荷分配系數(shù)由公式（3-32）計算得，=1.45。15.載荷系數(shù)K由公式（3-33）計算得，K=4.09。16.許用彎曲應力根據(jù)公式（3-34），其中，為彎曲疲勞極限，由機械設計教材圖12.23查得，=600MPa, =570MPa；為彎曲壽命系數(shù)，取=1.0；為尺寸系數(shù)，由機械設計教材圖12.25查得，=

48、1.0；為彎曲最小安全系數(shù)，由機械設計教材表12.14查得，=1.25。經(jīng)計算，=480MPa, =456MPa。根據(jù)公式（3-35），其中，為齒形系數(shù)，由機械設計教材圖12.30得，=2.78，=2.38；為應力修正系數(shù)，由機械設計教材圖12.31得，=1.68，=1.8。經(jīng)計算，=145.28MPa,=133.26MPa。故錐齒輪3與錐齒輪4滿足強度要求。3.5 砂輪的安裝與安全防護3.5.1 砂輪的安裝目前，手動工具砂輪的固定主要是以固定件通過螺紋連接將砂輪夾緊固定為主，如Error! Reference source not found.所示，這種方法不僅可以有效地固定，而且拆裝砂輪過

49、程方便，但是這種方法并不適用于砂輪正反轉(zhuǎn)同時存在的情況，當砂輪反轉(zhuǎn)時，易發(fā)生砂輪松動，甚至砂輪飛出傷人。因此，對于由正反轉(zhuǎn)要求的砂輪固定提出改進措施?？蛇x用兩法蘭盤，通過兩螺紋連接，將砂輪夾緊固定，如Error! Reference source not found.所示。圖 32 固定件螺紋連接示意圖圖 33 法蘭盤兩螺紋連接示意圖3.5.2 工作過程的安全防護裝置工作過程中，為避免砂輪出故障飛出傷人或破碎飛出，砂輪應位于操作者側(cè)面，而在日常的使用中，許多操作者總習慣正對著砂輪進行操作，原因是這個方向上方便用力，為避免此種錯誤的操作，裝置通過傳動機構(gòu)設計將砂輪置于一側(cè)，操作者位于裝置正面才便

50、于使用，從而減少以及避免因此種錯誤操作導致安全事故的發(fā)生。防護罩是砂輪最主要的防護裝置，當砂輪工作過程中因故破壞時，其能夠有效地罩住砂輪碎片，保證人員的安全。裝置防護罩如Error! Reference source not found.所示。圖 34 防護罩第4章 預處理裝置基座設計與運動仿真基座部分主要包括調(diào)高轉(zhuǎn)盤，調(diào)高螺柱，角度轉(zhuǎn)軸，滑塊，燕尾槽，底板。其作用是對裝置在各個方向進行調(diào)整，以滿足不同加工要求。本章主要是對裝置基座進行設計，同時進行運動仿真并分析。4.1 基座結(jié)構(gòu)設計基座部分主要是對裝置在各個方向進行調(diào)整，以滿足不同深度、寬度、角度的加工要求。4.1.1 基座高度調(diào)節(jié)的實現(xiàn)基

51、座高度調(diào)節(jié)部分主要包括調(diào)高轉(zhuǎn)盤，調(diào)高螺柱。結(jié)構(gòu)如Error! Reference source not found.所示：圖 41 基座調(diào)高部分示意圖調(diào)高轉(zhuǎn)盤中間螺紋孔徑為M30，粗牙螺紋，節(jié)距為3.5mm，基座高度調(diào)節(jié)過程是：調(diào)高轉(zhuǎn)盤上下兩端均與裝置外殼固定，與基座通過調(diào)高螺柱經(jīng)螺紋連接在一起，轉(zhuǎn)動調(diào)高轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤帶動裝置外殼、傳動部分及磨削部分發(fā)生高度變化，從而達到磨削不同深度的目的。4.1.2 基座角度轉(zhuǎn)軸設計基座角度轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)如Error! Reference source not found.所示：圖 42 基座角度轉(zhuǎn)軸示意圖基座角度轉(zhuǎn)軸部分工作過程是，角度轉(zhuǎn)軸通過前后兩螺母通過螺紋連接

52、固定在滑塊上，刻度盤1通過螺釘固定在轉(zhuǎn)軸上，刻度盤2通過螺釘固定于滑塊，刻度盤1與刻度盤2的角度差表示轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度，當需要進行角度調(diào)節(jié)時，松動螺母2，將角度轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)所需角度后擰緊螺母2即可，進而滿足砂輪磨削不同角度的要求。4.1.3 基座導軌選擇基座導軌的作用是滿足裝置沿直線磨削裂紋的要求，導軌截面形狀主要有三角形、矩形、圓形、燕尾形15，三角形導軌一般用于導向精度高的場合，矩形導軌結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗和修理方便，導軌面寬，承載能力大，應用較為廣泛，圓形導軌制造方便，外圓采用磨削，內(nèi)孔經(jīng)過珩磨，可達到精密配合，但磨損后很難調(diào)整和補償間隙。燕尾形導軌主要用于運動速度不高，受力不大，高度尺寸受限

53、制的場合，考慮裝置移動的方便性，此處選擇燕尾形導軌。4.1.4 基座底板設計基座底板位于裝置最底部，其與待磨削基體直接接觸，主要用于安放導軌部分，其主要組成部分為：底板，底板螺柱，橡膠墊，導軌固定螺栓。底板螺柱可以調(diào)節(jié)底板高度，在磨削不同基體時，利于保持底板水平。裝置工作過程中，若底板直接與基體直接接觸，則會發(fā)生強烈的振動，使裝置工作過程中發(fā)生移動，在底板底部底板螺栓一端加入橡皮墊可以起到減震作用，同時橡皮墊與基體的摩擦力可以阻止裝置的移動，保證磨削過程的準確度。基座導軌與底板結(jié)構(gòu)如Error! Reference source not found.所示：圖 43 基座導軌與底板結(jié)構(gòu)示意圖4.

54、2 基座運動仿真Adams是全球運用最為廣泛的機械系統(tǒng)仿真軟件，可以在計算機上建立和測試虛擬樣機，了解復雜機械系統(tǒng)的運動性能。作為虛擬樣機技術(shù)軟件，Adams可以有效地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本、提高質(zhì)量，廣泛應用于汽車、工程機械、鐵路、船舶、航空航天等行業(yè)。先在Adams中建立模型，通過添加約束，作用力，對基座進行運動仿真，通過仿真分析結(jié)果。4.2.1 仿真模型的建立在建立工作臺運動模型時，對工作臺運動模型作如下假設：（1）裝配間隙為0，制造誤差忽略不計；（2）所有材料為質(zhì)量均勻體，其質(zhì)心與形體幾何中心重合；（3）工作臺模型中各個部件均為剛體。Adams軟件主要功能是對模型運動情況的仿真模擬

55、，對模型的精細度要求不高，只需要建立各個部件的簡化模型，正確表現(xiàn)出各部件間的運動和連接即可?；S模型是通過Solidworks進行簡化模型的建立后導入Adams得到的。如Error! Reference source not found.所示：圖 44 仿真模型示意圖由于在Adams中對電機部分賦予鑄鋼材質(zhì)時其默認為實體，故對電機部分尺寸上進行一定縮小，同時外殼部分也做了一定簡化，以求達到質(zhì)量統(tǒng)一。創(chuàng)建了工作臺運動模型的各個部件以后，需要將他們聯(lián)系起來形成一個有機的整體。對運動模型各部件之間添加約束，可以使各部件連接起來，以定義各部件間的相對運動。對待磨削基體通過固定副連接到大地，滑塊與導

56、軌、外殼與導軌分別添加移動副，調(diào)高轉(zhuǎn)盤與外殼添加圓柱副，結(jié)構(gòu)如Error! Reference source not found.所示：圖 45 模型約束添加4.2.2 施加作用力與阻尼器在Adams/View環(huán)境中建立的模型默認在重力場中，所以不用對模型施加重力，只需定義各部件的材料，系統(tǒng)自動根據(jù)材料的密度、體積以及重力加速度對部件重力進行計算16。由于底板下存在橡膠墊，需要對底板與基體間添加阻尼器，傳動與磨削部分的力用電機輸出軸上的作用力來表示，對于各個部件兩兩添加接觸，如Error! Reference source not found.所示：圖 46 模型作用力與阻尼器施加4.2.3 仿真結(jié)果分析電機輸出軸施加大小為150N