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上海電機(jī)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
課題名稱 鋼球砂帶磨削機(jī)設(shè)計
學(xué) 院 機(jī)械學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級 BJ1005
學(xué) 號 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
1 選題背景及其意義
軸承是國家重大技術(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軸承行業(yè)的軟肋，長期依靠進(jìn)口。由于我國軸承工業(yè)發(fā)展跟不上，強(qiáng)力拉動了軸承的進(jìn)口。如在高速鐵路的大發(fā)展中，時速200公里以上的動車組用軸承全部為進(jìn)口，國內(nèi)目前能滿足只是160公里左右的機(jī)車軸承。
雖然少部份國內(nèi)企業(yè)可以制造業(yè)時速200公里級別的動車軸承，但相關(guān)采購部門還是會采用進(jìn)口部件，我國高端軸承領(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，大量實驗表明，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，對機(jī)械零部件的制造精度也提出了越來越高的要求，市場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新臺階。
但是，受技術(shù)與設(shè)備的限制，我國生產(chǎn)的鋼球無論是加工精度還是能源的損耗，都與國外先進(jìn)水平相差很遠(yuǎn).我國現(xiàn)在使用的高精度G3級鋼球，主要還依賴進(jìn)口.G3級鋼球可廣泛應(yīng)用于精密儀器、先進(jìn)武器中的高精軸承中。可以說，能否實現(xiàn)批量生產(chǎn)G3級鋼球直接關(guān)系到我國裝備制造業(yè)乃至國防工業(yè)的快速發(fā)展。
而‘‘光球’’作為球軸承中鋼球生產(chǎn)工藝中一個非常重要的環(huán)節(jié)，其加工質(zhì)量和效率對提高球軸承的質(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)，有助于提升我國鋼球生產(chǎn)能力，使我國高精度鋼球磨削設(shè)備實現(xiàn)自給，從而使鋼球產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)生產(chǎn)水平，打破外國壟斷和技術(shù)封鎖，解決高價進(jìn)口鋼球的問題，為企業(yè)和社會創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益.本課題的研究也是全國滾動體行業(yè) “十一?五”技術(shù)攻關(guān)的首項任務(wù)，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。
2 文獻(xiàn)綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢）
國內(nèi)對光磨、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規(guī)律，得出了接觸弧長和阻力矩的計算公式。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.后來國內(nèi)很多高校對四軸球面研磨技術(shù)、錐形研磨方式、超聲波振動研磨技術(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，取得了不錯的成效。目前，我國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。而國外著名的軸承公司都在進(jìn)行磨削自動線連續(xù)生產(chǎn)的研究。國內(nèi)少數(shù)企業(yè)想引進(jìn)這些關(guān)鍵的磨削制造設(shè)備，但由于價格昂貴，設(shè)備折舊成本過高而紛紛作罷.面對日益增長的國內(nèi)外兩個市場的需求，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，對我國球軸承質(zhì)量的提高意義非凡。
在調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，國外鋼球生產(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所趨.英、美、日、俄等國的鋼球企業(yè)對球坯不同部位的形狀分別作了改進(jìn)并進(jìn)行了大量的試驗研究工作.60年代末，日、美、英、法、俄等國家先后采用光磨工藝取代了“原銼削+軟磨”老工藝，并相繼出臺了各自的光磨機(jī)設(shè)備.日、德、英、俄等國普遍采用了保護(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)對固定精研盤的形狀做了改進(jìn)，后來國外很多軸承廠都對研磨盤做了正壓偏溝試驗。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，國外鋼球加工設(shè)備的發(fā)展趨勢是追求高效率、高精度、質(zhì)量穩(wěn)定性好和自動化程度高。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國對高端機(jī)械裝備的需求量也在高速增長，市場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“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)實現(xiàn)必然會有很廣闊的市場。
3 研究內(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)計全新的鋼球砂帶磨削機(jī)床.具體研究內(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)，實現(xiàn)鋼球從冷鐓件到光球的加工；
2）動力及傳動系統(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)動為“不變相對方位”的滾轉(zhuǎn)，球坯磨削區(qū)域為一環(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區(qū)域都能參與磨削加工，鋼球必須做“變相對方位”運(yùn)動，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)動來實現(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方位運(yùn)動，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)動原理是上下砂帶的相對平行運(yùn)動使得鋼球有一個方向的運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)阻尼盤的存在使得鋼球有另一個方向的運(yùn)動，兩個運(yùn)動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)比較簡單，預(yù)期的運(yùn)動過程比較容易實現(xiàn)，可以實現(xiàn)自動化連續(xù)加工，效率比較高。通過對鋼球的運(yùn)動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)動時上下砂帶以一定的夾角相向運(yùn)動.上面的砂帶給鋼球提供一個方向的運(yùn)動，隔板提供另一個方向的運(yùn)動，兩個運(yùn)動合成達(dá)到磨削鋼球整個表面的目的.此方案加工效率高，易實現(xiàn)連續(xù)加工，上面采用平面式壓磨板可以降低運(yùn)動時的摩擦力，但較方案一結(jié)構(gòu)設(shè)計稍復(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)動帶動鋼球轉(zhuǎn)動，壓磨板的凹槽方向使得鋼球向前運(yùn)動以達(dá)到磨削表面的目的.此方案可以實現(xiàn)連續(xù)加工，需要提供的動力相對較小，但加工效率低，機(jī)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，同時蝸桿較容易磨損，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 動力及傳動系統(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。如果采用一個電機(jī)和中間傳動裝置來帶動砂帶運(yùn)動，必然會增大機(jī)床制造成本，機(jī)構(gòu)上也會很復(fù)雜。故采用兩個電機(jī)分別帶動上下砂帶運(yùn)動，大大優(yōu)化了機(jī)床的結(jié)構(gòu)，降低了制造成本。與齒輪傳動相比，帶傳動的主要優(yōu)點(diǎn)是：帶具有彈性，可以起到緩沖、吸振的作用，可以使傳動變的比較平穩(wěn)；當(dāng)傳動過載時，帶在帶輪上打滑可以防止其他零件的破壞，保護(hù)原動機(jī)；結(jié)構(gòu)簡單，成本低。本砂帶機(jī)砂帶運(yùn)動方式比較固定，且需要很短時間從靜止運(yùn)動到高速，故適合采用V帶直接帶動滾筒轉(zhuǎn)動傳動，圖4-7為動力及傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。
圖4-7 動力及傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
4.2進(jìn)料系統(tǒng)的確定
自動進(jìn)料系統(tǒng)，加工時，將鋼球冷鐓件放入震動料斗中，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)帶動轉(zhuǎn)動，同時通過同步帶帶動另一個旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。在加工時，上下兩個砂帶提供兩個方向的運(yùn)動與旋轉(zhuǎn)盤的圓周運(yùn)動相結(jié)合可以使鋼球的各個表面均可被磨削到。鋼球被磨削完畢后，拉動箱體的滑塊，使鋼球落進(jìn)下料箱中，由于下料箱內(nèi)部地面是個斜面，拉動箱體前面的封門可使鋼球落入預(yù)置的容器中。下料箱分為兩個部分，分別接受上面兩個旋轉(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)簡圖。
圖4-8 進(jìn)料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
4.3壓磨板升降系統(tǒng)的確定
壓磨板的上下移動是通過升降機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)的。壓磨板固定在升降機(jī)構(gòu)的移動塊上，升降時只需要轉(zhuǎn)動手輪，通過錐齒輪使絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)沿著套筒的中心方孔上下移動，從而帶動壓磨板上下移動，圖4-9為壓磨板升降系統(tǒng)簡圖。
圖4-9 壓磨板升降系統(tǒng)簡圖
5 進(jìn)度計劃
2013年12月~ 2014年3月：收集資料，確定設(shè)計系統(tǒng)總體方案，撰寫開題報告及開題報告答辯。
2014年3月~2014年4月：設(shè)計計算、圖紙繪制、畢業(yè)設(shè)計論文初稿。
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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