上海電機(jī)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
課題名稱 鋼球砂帶磨削機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué) 院 機(jī)械學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) BJ1005
學(xué) 號(hào) 101002050525
姓 名 任博群
指導(dǎo)教師 王侃夫
定稿日期： 2014 年 2月28 日
9
鋼球砂帶磨削機(jī)設(shè)計(jì)
1 選題背景及其意義
軸承是國(guó)家重大技術(shù)裝備的關(guān)鍵零部件，目前轎車、高鐵、風(fēng)電、精密機(jī)床主軸配套軸承等高端軸承一直是中國(guó)軸承行業(yè)的軟肋，長(zhǎng)期依靠進(jìn)口。由于我國(guó)軸承工業(yè)發(fā)展跟不上，強(qiáng)力拉動(dòng)了軸承的進(jìn)口。如在高速鐵路的大發(fā)展中，時(shí)速200公里以上的動(dòng)車組用軸承全部為進(jìn)口，國(guó)內(nèi)目前能滿足只是160公里左右的機(jī)車軸承。
雖然少部份國(guó)內(nèi)企業(yè)可以制造業(yè)時(shí)速200公里級(jí)別的動(dòng)車軸承，但相關(guān)采購(gòu)部門還是會(huì)采用進(jìn)口部件，我國(guó)高端軸承領(lǐng)域前景堪憂。
而軸承中的球軸承是各類機(jī)械裝備的重要基礎(chǔ)件，而鋼球又是球軸承的關(guān)鍵零件，大量實(shí)驗(yàn)表明，鋼球占影響球軸承噪聲全部因素的60%，軸承失效因鋼球破壞的比例達(dá)58.5%（國(guó)外僅占23.4%），這就客觀地說明了鋼球在軸承中的重要性。
目前，我國(guó)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)正日新月異地發(fā)展，使得高端機(jī)械裝備的需求量迅速增長(zhǎng)，對(duì)機(jī)械零部件的制造精度也提出了越來越高的要求，市場(chǎng)迫切需要大量高性能、高精度的軸承投放，以滿足各行業(yè)的需求.軸承行業(yè)的高速發(fā)展，也帶動(dòng)了鋼球生產(chǎn)的發(fā)展與提高，特別是行業(yè)經(jīng)過六五，七五，八五，三期技術(shù)改造后，鋼球生產(chǎn)無論在產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)工藝及裝備水平等方面都上了一個(gè)新臺(tái)階。
但是，受技術(shù)與設(shè)備的限制，我國(guó)生產(chǎn)的鋼球無論是加工精度還是能源的損耗，都與國(guó)外先進(jìn)水平相差很遠(yuǎn).我國(guó)現(xiàn)在使用的高精度G3級(jí)鋼球，主要還依賴進(jìn)口.G3級(jí)鋼球可廣泛應(yīng)用于精密儀器、先進(jìn)武器中的高精軸承中。可以說，能否實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)G3級(jí)鋼球直接關(guān)系到我國(guó)裝備制造業(yè)乃至國(guó)防工業(yè)的快速發(fā)展。
而‘‘光球’’作為球軸承中鋼球生產(chǎn)工藝中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，其加工質(zhì)量和效率對(duì)提高球軸承的質(zhì)量有重要意義。
本課題在理論研究的基礎(chǔ)上，以開發(fā)綠色、節(jié)能、高效的軸承鋼球光球設(shè)備為目標(biāo)，有助于提升我國(guó)鋼球生產(chǎn)能力，使我國(guó)高精度鋼球磨削設(shè)備實(shí)現(xiàn)自給，從而使鋼球產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)生產(chǎn)水平，打破外國(guó)壟斷和技術(shù)封鎖，解決高價(jià)進(jìn)口鋼球的問題，為企業(yè)和社會(huì)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益.本課題的研究也是全國(guó)滾動(dòng)體行業(yè) “十一?五”技術(shù)攻關(guān)的首項(xiàng)任務(wù)，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
2 文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)）
國(guó)內(nèi)對(duì)光磨、硬磨、研磨機(jī)理的研究正逐漸深入：1981年，光球機(jī)理研究小組的顏世一，譚達(dá)洲等人指出光球運(yùn)動(dòng)可以分解為自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，認(rèn)為光磨是一種固定金屬磨粒磨削，其“自銳性”是由于疲勞磨損而獲得。國(guó)內(nèi)還有人研究了光球磨削的微觀機(jī)理，分析了磨粒在鋼球表面的微觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律.李茂龍討論了球體在直圓弧槽和曲圓弧槽中的滾動(dòng)規(guī)律，得出了接觸弧長(zhǎng)和阻力矩的計(jì)算公式。湘潭大學(xué)的朱晨建立了同軸三盤研磨方式的鋼球研磨運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及研磨跡線理論，并闡述了三盤研磨的力學(xué)特性.后來國(guó)內(nèi)很多高校對(duì)四軸球面研磨技術(shù)、錐形研磨方式、超聲波振動(dòng)研磨技術(shù)、磁性流體研磨技術(shù)等新型高精度研磨技術(shù)做了大量的研究，取得了不錯(cuò)的成效。目前，我國(guó)軸承鋼球制造仍以單機(jī)為主，且多采用傳統(tǒng)的電氣控制。而國(guó)外著名的軸承公司都在進(jìn)行磨削自動(dòng)線連續(xù)生產(chǎn)的研究。國(guó)內(nèi)少數(shù)企業(yè)想引進(jìn)這些關(guān)鍵的磨削制造設(shè)備，但由于價(jià)格昂貴，設(shè)備折舊成本過高而紛紛作罷.面對(duì)日益增長(zhǎng)的國(guó)內(nèi)外兩個(gè)市場(chǎng)的需求，軸承行業(yè)迫切希望能獲得大量性能穩(wěn)定可靠、高精度的軸承鋼球磨削設(shè)備?！肮馇颉弊鳛殇撉蛏a(chǎn)工藝中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，假如能夠從根本上得到改進(jìn)甚至創(chuàng)新，對(duì)我國(guó)球軸承質(zhì)量的提高意義非凡。
在調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，國(guó)外鋼球生產(chǎn)傾向于“以磨代光”，逐步淘汰了光球工藝.因此將砂帶磨削工藝引入鋼球光磨加工是大勢(shì)所趨.英、美、日、俄等國(guó)的鋼球企業(yè)對(duì)球坯不同部位的形狀分別作了改進(jìn)并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作.60年代末，日、美、英、法、俄等國(guó)家先后采用光磨工藝取代了“原銼削+軟磨”老工藝，并相繼出臺(tái)了各自的光磨機(jī)設(shè)備.日、德、英、俄等國(guó)普遍采用了保護(hù)氣氛加熱工藝、鋼球表面強(qiáng)化處理等鋼球制造新工藝.70年代末原蘇聯(lián)對(duì)固定精研盤的形狀做了改進(jìn)，后來國(guó)外很多軸承廠都對(duì)研磨盤做了正壓偏溝試驗(yàn)。日本先后發(fā)展了磁流體研磨技術(shù)、同軸三盤研磨技術(shù)、磁浮研磨技術(shù)以及批量生產(chǎn)的超細(xì)樹脂砂輪鋼球精磨技術(shù)。目前，國(guó)外鋼球加工設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是追求高效率、高精度、質(zhì)量穩(wěn)定性好和自動(dòng)化程度高。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)高端機(jī)械裝備的需求量也在高速增長(zhǎng)，市場(chǎng)迫切需要大量高性能、高精度軸承投放，以滿足各行業(yè)的需求.我國(guó)“十一?五”規(guī)劃制定了軸承行業(yè)的發(fā)展總目標(biāo)：到2010年，軸承產(chǎn)量達(dá)到80億套，銷售額840億元，按85%為球軸承計(jì)算，軸承鋼球配套需求量達(dá)到920億粒.軸承出口量達(dá)到40~42億套，出口創(chuàng)匯25億元.因此節(jié)能、環(huán)保、創(chuàng)新、使用的設(shè)備必將受到人們的青睞。而本設(shè)備使用的砂帶磨削鋼球，在加工工藝與理念上都與傳統(tǒng)的加工方法有很大的改進(jìn)，一經(jīng)實(shí)現(xiàn)必然會(huì)有很廣闊的市場(chǎng)。
3 研究?jī)?nèi)容
本課題的研究以現(xiàn)有光球機(jī)床的缺陷以及以及現(xiàn)有砂帶磨床的結(jié)構(gòu)、工作原理，提出新的加工工藝，并設(shè)計(jì)全新的鋼球砂帶磨削機(jī)床.具體研究?jī)?nèi)容如下：
1）研究現(xiàn)有設(shè)備的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝，提出設(shè)計(jì)方案；本課題通過參考現(xiàn)有砂帶磨床的磨削原理與結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鋼球從冷鐓件到光球的加工；
2）動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)確定；
3）進(jìn)料系統(tǒng)的確定；
4）壓磨板升降系統(tǒng)的確定；
5）完成鋼球砂帶磨削機(jī)整體布局的設(shè)計(jì)和二維裝配圖與零件圖的繪制；
6）整理相關(guān)資料，編寫說明書。
4 研究方案
研究方案的確定砂帶磨削的基本原理如圖4-1所示。
圖4-1 砂帶磨削原理
兩砂帶平行配置，鋼球運(yùn)動(dòng)為“不變相對(duì)方位”的滾轉(zhuǎn)，球坯磨削區(qū)域?yàn)橐画h(huán)帶，如圖4-2所示。
圖4-2 平行砂帶磨削效果示意圖
為了使鋼球表面任何一個(gè)區(qū)域都能參與磨削加工，鋼球必須做“變相對(duì)方位”運(yùn)動(dòng)，即鋼球除了繞著X軸滾轉(zhuǎn)之外，還必須增加繞著Y軸的樞轉(zhuǎn)，這可以通過增加鋼球繞與X軸成θ角的P軸轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，如圖4-3所示。
圖4-3 全方位鋼球磨削示意圖
為了使鋼球能夠做變相對(duì)方位運(yùn)動(dòng)，本課題設(shè)想了以下三種方案：
1）旋轉(zhuǎn)阻尼板式砂帶磨削方案；
2）角度式配置式砂帶磨削方案；
3）螺旋進(jìn)料式砂帶磨削方案。
旋轉(zhuǎn)阻尼板砂帶磨削方案如圖4-4所示，其運(yùn)動(dòng)原理是上下砂帶的相對(duì)平行運(yùn)動(dòng)使得鋼球有一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)阻尼盤的存在使得鋼球有另一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)合成可以使鋼球全部表面均可以被磨削到，從而達(dá)到預(yù)期的目標(biāo).此方案結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，預(yù)期的運(yùn)動(dòng)過程比較容易實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)加工，效率比較高。通過對(duì)鋼球的運(yùn)動(dòng)分析可以得出鋼球的表面均可以被磨削到并且比較均勻，精度比較高。但阻尼板磨損比較厲害，需要定期更換；阻尼板磨損后會(huì)使加工精度降低，影響鋼球的加工質(zhì)量。
圖4-4旋轉(zhuǎn)阻尼板式砂帶磨削方案圖 圖4-5角度式配置式砂帶磨削方案圖
互成角度型砂帶磨削方案如圖4-5所示，用相互平行的隔板將鋼球隔開，上下砂帶互成一定角度，上面的壓磨板采用平面式，下面的開有凹槽.運(yùn)動(dòng)時(shí)上下砂帶以一定的夾角相向運(yùn)動(dòng).上面的砂帶給鋼球提供一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，隔板提供另一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)合成達(dá)到磨削鋼球整個(gè)表面的目的.此方案加工效率高，易實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，上面采用平面式壓磨板可以降低運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力，但較方案一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)稍復(fù)雜。
螺旋推進(jìn)式砂帶磨削方案如圖4-6所示，采用蝸桿機(jī)構(gòu)，將蝸桿的齒槽加工成與要加工鋼球半徑相同的弧狀，蝸桿下方放置砂帶、隔板、壓磨板.通過蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鋼球轉(zhuǎn)動(dòng)，壓磨板的凹槽方向使得鋼球向前運(yùn)動(dòng)以達(dá)到磨削表面的目的.此方案可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，需要提供的動(dòng)力相對(duì)較小，但加工效率低，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，同時(shí)蝸桿較容易磨損，需要定期更換，成本較高。
圖4-6 螺旋推進(jìn)式砂帶磨削方案圖
綜合以上對(duì)比，從磨削鋼球均勻的程度以及所達(dá)到的精度考慮，并結(jié)合機(jī)床結(jié)構(gòu)、加工效率、節(jié)能環(huán)保等方面最終確定選用方案一。
4.1 動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)確定
由于在磨削過程中，需要電機(jī)提供的克服磨削鋼球阻力的轉(zhuǎn)矩并不是很大，故所選的電機(jī)的功率也不大。如果采用一個(gè)電機(jī)和中間傳動(dòng)裝置來帶動(dòng)砂帶運(yùn)動(dòng)，必然會(huì)增大機(jī)床制造成本，機(jī)構(gòu)上也會(huì)很復(fù)雜。故采用兩個(gè)電機(jī)分別帶動(dòng)上下砂帶運(yùn)動(dòng)，大大優(yōu)化了機(jī)床的結(jié)構(gòu)，降低了制造成本。與齒輪傳動(dòng)相比，帶傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：帶具有彈性，可以起到緩沖、吸振的作用，可以使傳動(dòng)變的比較平穩(wěn)；當(dāng)傳動(dòng)過載時(shí)，帶在帶輪上打滑可以防止其他零件的破壞，保護(hù)原動(dòng)機(jī)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。本砂帶機(jī)砂帶運(yùn)動(dòng)方式比較固定，且需要很短時(shí)間從靜止運(yùn)動(dòng)到高速，故適合采用V帶直接帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)，圖4-7為動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖4-7 動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
4.2進(jìn)料系統(tǒng)的確定
自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)，加工時(shí)，將鋼球冷鐓件放入震動(dòng)料斗中，通過輸料管把毛坯送入旋轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)將鋼球帶入砂帶進(jìn)行磨削。由于輸送盤下方的輸送管到旋轉(zhuǎn)盤的距離小于鋼球的直徑，故鋼球毛坯只能落入旋轉(zhuǎn)盤上預(yù)定的加工孔內(nèi).轉(zhuǎn)盤是通過其下方的電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過同步帶帶動(dòng)另一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。在加工時(shí)，上下兩個(gè)砂帶提供兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)盤的圓周運(yùn)動(dòng)相結(jié)合可以使鋼球的各個(gè)表面均可被磨削到。鋼球被磨削完畢后，拉動(dòng)箱體的滑塊，使鋼球落進(jìn)下料箱中，由于下料箱內(nèi)部地面是個(gè)斜面，拉動(dòng)箱體前面的封門可使鋼球落入預(yù)置的容器中。下料箱分為兩個(gè)部分，分別接受上面兩個(gè)旋轉(zhuǎn)盤加工好的鋼球，從而可以磨削不同精度的鋼球，圖4-8為進(jìn)料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖4-8 進(jìn)料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
4.3壓磨板升降系統(tǒng)的確定
壓磨板的上下移動(dòng)是通過升降機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。壓磨板固定在升降機(jī)構(gòu)的移動(dòng)塊上，升降時(shí)只需要轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，通過錐齒輪使絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)沿著套筒的中心方孔上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)壓磨板上下移動(dòng)，圖4-9為壓磨板升降系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。
圖4-9 壓磨板升降系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
5 進(jìn)度計(jì)劃
2013年12月~ 2014年3月：收集資料，確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案，撰寫開題報(bào)告及開題報(bào)告答辯。
2014年3月~2014年4月：設(shè)計(jì)計(jì)算、圖紙繪制、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文初稿。
2014年4月~2014年5月：論文修改，圖紙修改。
2014年5月~ 2014年6月：準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。
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指導(dǎo)教師意見
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