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需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763圖紙預覽請見文檔前面的插圖，原稿更清晰，可編輯本 科 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ）冰 刀 刃 磨 裝 置 設 計學 號 ：學 生 姓 名 ：指 導 教 師 ：所 在 學 院 ：所 學 專 業(yè) ：2016 年 6 月北華大學學士學位論文I摘 要冰上運動的發(fā)展對冰刀質量提出了更高的要求，可是冰刀的手工刃磨自動化程度低，刃磨質量和效率難以得到保證。在國內，本文首次將數(shù)控方法應用到冰刀刃磨當中去。冰刀的數(shù)控刃磨需滿足設備便攜、工藝簡單、控制精確、刃磨精度高等方面的要求。本次設計主要針對冰刀刃磨裝置進行設計。首先，通過冰刀刃磨裝置結構及原理進行分析，在此分析基礎上提出了總體結構方案；接著，對主要技術參數(shù)進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設計與校核；最后，通過 AutoCAD 制圖軟件繪制了冰刀刃磨裝置裝配圖及主要零部件圖。通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產品的設計方法并能夠熟練使用 AutoCAD 制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。關鍵詞：冰刀；刃磨；數(shù)控；設計北華大學學士學位論文IIAbstractHigh lift device called weight lifting device, a top heavy machinery, lifting machine is a with relatively small force can the weight lifting, descending or shift of simple tools, can also be used to correct the deformation of the equipment installation and the deviation of the component such as. Electric lifting device is a lifting device for lifting heavy objects by screw drive. The motor is composed of a motor, a belt drive, a turbine vortex rod drive, a screw, a nut, a lifting rod, etc.This design first, based on the structure and the principle of electric lifting device of high analysis, this analysis based on put forward the overall structure scheme of and then, the design and verification of main technical parameters of the main parts is discussed; then, through the three-dimensional design software Pro / E design the electric lifting device and motion simulation is carried out. Finally, draw the electric lifting device assembly and major parts of the map.Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance.Key words：Brush seal； Finite element method；Deformation,；Leakage北華大學學士學位論文III目　錄摘 要 ......................................................................................................................................IAbstract ................................................................................................................................II第一章 緒 論 ........................................................................................................................11.1 研究的背景及意義 ..................................................................................................11.2 冰刀刃磨技術概述 ..................................................................................................21.2.1 冰刀的手工刃磨 .............................................................................................21.3 國內外研究狀況 ...............................................................................................31.4 主要內容 ...........................................................................................................4第二章 結構尺寸設計 ..........................................................................................................52.1 冰刀刃磨機的主要指標 ..........................................................................................52.2 冰刀刃磨機的基本要求 ..........................................................................................52.3 冰刀刃磨機總體布局 ..............................................................................................52.4 主要部件的設計和選擇 ..........................................................................................62.4.1 進給軸的行程和尺寸 ....................................................................................62.4.2 絲杠的選取 ....................................................................................................72.4.3 砂輪架的設計 .................................................................................................72.5 磨削力的計算 ...........................................................................................................82.6 絲桿螺母副的選擇 .................................................................................................102.6.1 選擇計算 .......................................................................................................102.6.2 校核計算 .......................................................................................................122.7 導軌副的選擇 .........................................................................................................132.7.1 靜安全系數(shù)計算 ...........................................................................................132.7.2 根據(jù)額定靜載荷初選導軌 ...........................................................................132.7.3 導軌校核計算 ...............................................................................................142.8 本章小結 .................................................................................................................15第三章 刃磨部件設計 ........................................................................................................163.1 數(shù)控刃磨的特點 ....................................................................................................163.2 影響冰刀刃磨質量的因素 ....................................................................................163.3 磨料的選擇 ............................................................................................................183.4 砂輪的選擇 ............................................................................................................183.5 冰刀與砂輪位置關系 ............................................................................................193.6 砂輪的修整 ............................................................................................................19北華大學學士學位論文IV3.6.1 砂輪的磨損機理 ...........................................................................................193.6.2 砂輪的參數(shù) ...................................................................................................193.6.3 砂輪修整方法 ...............................................................................................203.7 本章小結 ................................................................................................................20第四章 控制系統(tǒng)設計 ........................................................................................................214.1 系統(tǒng)的硬件結構 ....................................................................................................214.2 刃磨的運動控制分析 ............................................................................................214.2.1 砂輪的控制運動 ...........................................................................................214.2.2 刃磨的控制流程 ...........................................................................................224.3 砂輪恒線速度的控制 ............................................................................................224.4 本章小結 .................................................................................................................23總 結 ....................................................................................................................................24參考文獻 ..............................................................................................................................25致 謝 ....................................................................................................................................26北華大學學士學位論文V北華大學學士學位論文VI北華大學學士學位論文VII北華大學學士學位論文VIII北華大學學士學位論文IX北華大學學士學位論文1第一章 緒 論1.1 研究的背景及意義滑冰運動起源于荷蘭。13 世紀中葉,荷蘭出現(xiàn)鐵制冰刀。冰刀是冰上運動鞋下面的塊刀片，它是冰上運動的基礎。如圖 1.1 和 1.2 所示，冰刀的刀刃線一般是由幾段半徑（8～10 米）很大的圓弧線組成，刀刃一般厚 2 毫米。圖 1.1 冰刀外形示意圖到了 17 世紀,溜冰逐漸發(fā)展成為一種運動項目。冰刀是冰上運動的基礎。今天,運動員和滑冰運動愛好者取得了越來越好的成績.冰刀的質量是一個決定性的因素。然而,冰刀使用一段時間后,其刃口會變鈍,這時需要對其重新刃磨,使其恢復原來的形狀。因此.冰刀的正確刃磨對于保障冰刀的滑行質量和提高運動員的運動成績起著至關重要的作用。冰刀的刃磨分為手工刃磨和數(shù)控刃磨。從刃磨質量上說，數(shù)控刃磨的加工質量要比手工刃磨的要高得多。目前，國外已經有商品化的數(shù)控冰刀刃磨機，而國內目前在冰刀刃磨機領域的研究和開發(fā)則比較落后,只有少數(shù)廠家能生產簡易磨刀架和磨刀機。產品技術含量低,自動化程度不高,冰刀的刃磨質量完全取決于操作者的熟練程度,嚴重影響冰刀刃磨的效率和質量,商品化的手工冰刀刃磨機則尚屬空白,更談不上全自動的數(shù)控冰刀刃磨機了,這對我國冰上運動的發(fā)展是一個極大的制約。因此,開發(fā)具有自主知識產權的國產數(shù)控冰刀刃磨機勢在必行。圖 1.2 兩段圓弧的冰刀刀刃線本文目的是解決我國冰刀刃磨行業(yè)的共性技術問題，開發(fā)具有自主知識產權的數(shù)控冰刀刃磨機，使冰刀由手工刃磨過渡到全自動刃磨，在冰刀刃磨技術上產生質北華大學學士學位論文2的飛躍，提高冰刀刃磨的質量和效率，促進滑冰運動的體育器材技術升級，提升我國滑冰運動員的運動成績。本文的開展，對提高我國滑冰運動訓練科學化水平和綜合實力，促進我國體育器材新產品的開發(fā)及科技成果的轉化，營造體育科技產業(yè)化環(huán)境，提高冰刀刃磨技術，促進體育產品結構的調整，提高運動員備戰(zhàn)奧運會的運動成績都將具有非常重要的意義。本文研究的數(shù)控技術及其在冰刀刃磨領域的應用，對于提高我國體育裝備水平和實力、提冰上項目競爭能力、促進社會生產率的發(fā)展等方面都具有很好的社會效益和經濟效益。1.2 冰刀刃磨技術概述冰刀在冰面上滑行產生磨損，其磨損量小，冰刀的刃磨加工是一種磨削量小，精度要求高的加工方式。目前，冰刀的刃磨方法主要有兩種，手工刃磨和數(shù)控刃磨1.2.1 冰刀的手工刃磨手工刃磨是使用多級目數(shù)的精細磨料對工件表面進行多次的磨削加工。先將較粗的磨料混合豬油和煤油，在利用附著體（如鑄鐵）對零件表面給予一定的壓力，進行圓周運動，經過多級的刃磨，達到表面要求。如圖 1.3圖 1.3 手工刃磨冰刀方法但是手工刃磨存在一些嚴重的問題，主要有（1）手工刃磨時的作用力不易控制，在刃磨的過程中容易出現(xiàn)各種問題，如圖1.4 所示，當手壓磨具作用力過大，就會出現(xiàn)切屑向刀刃處堆積形成卷刃；若刃磨冰刀用力不均還將造成偏刃和脊刃，如圖 1.5 所示。（2）用油石在冰刀側面刃磨冰刀的卷刃時，手控制油石的平穩(wěn)度不夠，易產生偏斜，用力程度也難以控制到最佳狀態(tài)，常出現(xiàn)油石在刃側面滑掉，直接傷及刀刃造成局部鈍刀，如圖 1.6 所示；（3）現(xiàn)階段用的油石磨料粒度受限制，無法加工出最低粗糙度的冰刀鋒刃；（4）油石不易修平，平面度差的油石難以保證被刃磨冰刀表面的幾何形狀；北華大學學士學位論文3（5）手工刃磨，冰刀的輪廓曲線難以與設計值吻合，這將影響冰刀的滑行質量；（6）手工刃磨精度不高、生產效率低，勞動強度大。圖 1.4 冰刀的卷刃 圖 1.5 冰刀的偏刃和脊刃 圖 1.6 冰刀的局部鈍刀1.2.2 冰刀的數(shù)控刃磨技術冰刀的數(shù)控刃磨，是數(shù)控技術應用到冰刀刃磨當中去。與手工冰刀刃磨相比，數(shù)控冰刀刃磨具有質的飛躍，使得冰刀的刃磨加工質量更穩(wěn)定，效率更高，更可靠。數(shù)控冰刀刃磨機，從本質意義上講和一臺普通的數(shù)控磨床沒有什么區(qū)別，產品加工都要經過數(shù)控編程、刀補、插補、最后控制運動軸加工的過程。所不同的是，冰刀數(shù)控刃磨機床是一個非常專業(yè)化的數(shù)控機床。冰刀本身的結構小巧，刃磨機是在體育項目中使用，要求能夠經常隨運動隊攜帶，這決定了冰刀的數(shù)控刃磨機應該是便攜式的——體積小、重量輕利用數(shù)控的編程技術可以編出任何平面的冰刀刀刃線。數(shù)控系統(tǒng)可控制 X、Y、Z 軸實現(xiàn)冰刀的測量、刃磨、砂輪修整。利用工藝卡編程，可控制機床對冰刀進行粗、精、拋光 3 級刃磨。粗磨完成主要的輪廓加工，精磨、拋光磨主要是提高精度和表面光潔度。利用以上數(shù)控技術，數(shù)控冰刀刃磨機床具有很強的靈活性，能適應任何一把冰刀的刃磨。手工冰刀刃磨的精度主要取決于操作人的經驗程度。而冰刀的數(shù)控刃磨其精度則取決于控制系統(tǒng)的質量和機床的機械傳動精度。1.3 國內外研究狀況有關刃磨冰刀的機器，在國外已有手工和數(shù)控兩種商品化的產品例如美國的 WISSOTA 公司就是生產手工冰刀刃磨機的著名廠家，圖 1.7 是該公司手工冰刀刃磨機產品。Cag One 公司也提供一系列手工和數(shù)控冰刀刃磨機，其產品如圖 1.8 所示。北華大學學士學位論文4圖 1.7 WISSOTA 公司的手工冰刀刃磨機 圖 1.8 Cag One 公司冰刀刃磨機我國在冰刀刃磨機領域的研究和開發(fā)則比較落后，只有少數(shù)廠家能生產簡易磨刀架和磨刀機，如圖 1.9 所示圖 1.9 國產手工冰刀磨刀機我國手工冰刀磨刀機產品技術含量低，自動化程度不高，冰刀的刃磨質量完全取決于作者的熟練程度，嚴重影響冰刀刃磨的效率和質量，商品化的手工冰刀刃磨機則尚屬空白，更談不上全自動的數(shù)控冰刀刃磨機了，這對我國冰上運動的發(fā)展是一個極大的制約。因此，開發(fā)具有自主知識產權的國產數(shù)控冰刀刃磨機勢在必行。1.4 主要內容本次設計主要內容：；（1）查找相關資料，了解國內、外相關技術的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢；（2）對冰刀的結構特性展開研究，針對冰刀的結構特性要確定最佳刃磨機理及方案，構思機構總體結構方案；（3）確定各傳動系統(tǒng)結構；（4）對主要零部件（主軸部件等）的機構選型及參數(shù)計算；（5）繪制裝配圖、部件零件圖。設計要求：（1）學生要按時、獨立完成設計任務，每周向指導教師匯報設計進展情況，并保證設計質量。不允許數(shù)據(jù)造假、網上下載和拼湊；（2）完成冰刀刃磨裝置設計工作，并能夠提出至少兩種以上可行性方案；能夠根據(jù)使用要求，根據(jù)機械原理及機械設計基本知識，完成刃磨方案設計、裝配關系的確立。北華大學學士學位論文5第二章 結構尺寸設計本文研究的數(shù)控冰刀刃磨機是集機械、電氣、計算機和控制技術于一體的機械加工設備。其中，機械部分是冰刀刃磨機的重要組成部分。機械部分的布局、結構設計、裝夾技術將對加工精度、系統(tǒng)可靠性和設備的便攜性具有十分重要的意義。2.1 冰刀刃磨機的主要指標冰刀的數(shù)控刃磨有其行業(yè)特點。首先，由于每個冰刀的磨損程度不同，其輪廓形狀位置是未知的。其次，冰刀數(shù)控刃磨屬于成形加工，不但要將刀刃磨出來，還必須將冰刀輪廓形狀修復成規(guī)定的形狀。再次，冰刀的刀刃面要求有較低的粗糙度。最后，刃磨冰刀時，在保證質量的前提下，應盡量考慮冰刀的使用壽命，每把冰刀的刃磨量設定要合理。綜合上述冰刀刃磨的特點后，確定冰刀刃磨機的主要指標為：（1）能夠按特定參數(shù)和仿形自動刃磨 300～450mm，拱高 10mm 的速滑、短道速滑冰刀的任意弧度。通過 X 、Y、Z 三個軸的伺服電機控制三維運動平臺和刃磨運動。（2）冰刀刃磨過程分粗磨、精磨、拋光三級刃磨，磨輪驅動為變頻、低噪、小功率電機。冰刀刃平面粗糙度達到 Ra0.05～0.025，90°邊刃角直接打磨。一次刃磨時間為 3～5 分鐘。（3）采用弧度采集器、線陣 CCD 與 A/D 轉換卡、單片機進行接口通訊，能檢測冰刀弧度、刀刃磨損量；接收、運算采樣數(shù)據(jù)；顯示刃磨過程圖形、進行數(shù)據(jù)對比和按弧度檢測數(shù)據(jù)分級刃磨。2.2 冰刀刃磨機的基本要求（1）該設備是用于運動員刃磨冰刀，設備應簡單、可靠、易操作、精度高；（2）為了保障冰刀的形狀精度，機械夾持部分應具有良好的剛性和精度；（3）設備的布局、功能應適應不同種類冰刀刃磨的要求。2.3 冰刀刃磨機總體布局刃磨機的總體布局是設計刃磨機時影響全局性的決策部署。在總體布局確定后，才能確定部件之間的相對位置及運動關系，進一步具體設計刃磨機?？傮w布局的影響因素是多方面的，其中，工件的表面形成方法，即冰刀與砂輪怎么做相對運動來加工刀刃是設計刃磨機時首先要決定的。表面形成的方法確定后，刃磨機的布局、傳動、結構及外形等就可初步決定。為了減少或消除刃磨機的振動及熱變形，應特別注意主軸變速箱、電動機等的布局。此外，被加工工件的尺寸、重量和技術要求與刃磨機的布局有密切關系?？傮w布局還必須考慮人的因素，能夠滿足操作要求，北華大學學士學位論文6必須有利于減輕操作者的勞動強度，以提高工作效率，并應注意留出必要的維修空間。數(shù)控冰刀刃磨機機械部分的總體布局如圖 2.1 所示，此冰刀刃磨機采用立式設計，主要由 X 向進給裝置、 Y 向進給裝置、Z 向進給裝置、夾具、砂輪裝置五部分組成。由于冰刀的長度在 300~450mm 之間，Y 向運動行程為 60mm，Z 向運動行程只要 20mm，所以整個機床的尺寸可以設計成：長 850mm，寬 300mm，高 565mm。冰刀的刃磨過程主要有 X 向冰刀磨削運動，Y 向進給運動和 Z 向調節(jié)砂輪運動，通過這三個運動來實現(xiàn)對任意弧度冰刀的刃磨。本文研究的數(shù)控冰刀刃磨機體積、質量較小，轉動慣量小，所以可將電機與絲杠直接相連。如圖 2.2 所示，冰刀固定在夾具 11 上； X 軸電機 9 帶動絲杠 2 旋轉，使滑板 8 沿 X 方向移動，從而帶動冰刀實現(xiàn) X 方向的運動，行程為 550mm，磨削刀刃表面和 90°邊刃角；同理，Y 軸電機 5 帶動絲杠 6 旋轉，使滑板 3 沿 Y 方向移動，從而帶動冰刀實現(xiàn) Y 方向的運動，行程為 60mm，磨削冰刀的拱高， X 軸和 Y 軸的聯(lián)動可實現(xiàn)砂輪的磨削運動；手輪 13（為了減輕重量，用手輪代替 Z 向電機）帶動絲杠 12 旋轉，實現(xiàn)砂輪 16 的上升下降即 Z 方向的運動。砂輪安裝在砂輪架 15 上，由砂輪電機 14 帶動砂輪 16 轉動。1—X 軸支撐架 2—X 軸絲杠 3—Y 軸滑板 4—底座5—Y 軸電機 6—Y 軸絲杠 7—X 軸導軌 8—X 軸滑板9—X 軸電機 10—夾具導軌 11—夾具 12—Z 軸絲杠13—手輪 14—砂輪電機 15—砂輪架 16—砂輪圖 2.1 數(shù)控冰刀刃磨機的總體布局北華大學學士學位論文72.4 主要部件的設計和選擇對主要部件的設計和選擇要能滿足冰刀刃磨機的精度、剛度等性能上的要求。2.4.1 進給軸的行程和尺寸冰刀的長度為 300～450mm，工作臺的實際加工行程就是所加工冰刀的長度，即工作臺的實際加工行程為 300～450mm。但在加工開始和結束時，工作臺要有一段加速行程和減速行程，所以將 X 軸的總行程設定為 550mm；再加上工作臺本身的長度（500mm）和裝夾尺寸，得出 X 軸的總尺寸為 828mm。圖 2.2 冰刀加工尺寸示意圖刀刃可加工厚度不超過 30mm，如圖 2.2 所示，要給工作臺留出一段加、減速行程，所以 Y 軸的行程為 60mm；再加上工作臺本身的寬度（200mm）和裝夾尺寸，得出 Y 軸的總尺寸為 318mm。冰刀厚 2mm，砂輪厚 8mm；加上刀具的加、減速行程，Z 軸的行程設定為 20mm。由于工作臺本身的高度（220mm）度、砂輪架的高度（110mm）和裝夾尺寸，所以將 Z 軸的總尺寸設定為 400mm。2.4.2 絲杠的選取在本設計中，采用滾珠絲杠，梯形螺紋。絲杠的剛度與直徑大小直接相關，直徑大、剛度好，但直徑太大轉動慣量也大，考慮到刃磨機屬于小型加工設備，取滾珠絲杠的直徑為 20mm，所以選擇公稱直徑 20mm，公稱導程 6mm，絲杠外徑 20.3mm 的滾珠絲杠副。 根據(jù)機床運動軸的行程，確定絲杠的有效螺紋長度分別為 X 軸 600mm，Y 軸 90mm，Z 軸 48mm。2.4.3 砂輪架的設計砂輪架（磨具、磨頭）是磨床上用來帶動砂輪作高速旋轉的關鍵部件，圖 2.3 是冰刀刃磨機的砂輪架結構。經過靜平衡的砂輪緊固在主軸上，主軸支撐在軸承上。整個砂輪架與 Z 軸絲杠相連，實現(xiàn) Z 方向的運動。北華大學學士學位論文81—端蓋 2—軸承 3—砂輪 4—支撐架 5—主軸圖 2.3 砂輪架結構 其中，主軸與軸承是砂輪架的關鍵部分，主軸軸承系統(tǒng)剛性好，會提高磨削生產率、加工精度和工件表面光潔度。磨床的砂輪主軸多數(shù)采用兩點支承，主軸剛度的計算簡圖見圖 2.4，根據(jù)材料力學，式中 I 主軸支撐之間那一段的當量慣性矩， 主軸支撐),(05.4dDI??之間那一段的當量外徑和孔徑。當 d / D ≤ 0.5 時，孔對剛度的影響可以忽略，則，這里 D = 20mm。主軸的剛度為405.I?在本設計中，我們選擇單列向心球軸承，其簡化后的支點在軸承中部；通常，主軸前端的懸伸長度 a 由構造決定，根據(jù)冰刀刃磨機的整體尺寸，取 a = 20mm；一般情況下 I= (3 ~ 5)a，大型磨床取下限，中小型磨床取上限，故取 I= 60mm。將各個參數(shù)帶入式（3.2）中，得主軸剛度 K = 1.15 × N /mm，其中 E = 200GPa。610圖 2.4 受彎主軸計算簡圖2.5 磨削力的計算磨削力是工件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接合劑與工件表面之間的摩擦作用。磨削力可以分為相互垂直的切向磨削力 ，沿tF砂輪徑向的法向磨削力 ，以及沿砂輪軸向的軸向磨削力 。一般磨削中，軸向磨nFaF北華大學學士學位論文9削力 較小，可以忽略不計。由于砂輪磨粒具有較大的負前角，所以法向磨削力aF大于切向磨削力 ，通常情況下 / 在 1.5～3 范圍內（稱 / 為磨削比） ，nt nFt nFt需要指出的一點，磨削比不但與砂輪的銳利程度有關，而且隨被加工材料特性的不同而不同。磨削普通鋼料時， / ＝1.5～3。nt磨粒開始接觸工件后，即刻受到工件的抗力作用，圖 2.5 所示為磨粒以平均磨粒切深 切入工件表面時的受力情況。在不考慮摩擦作用的情況下，切削力 ga xdF垂直作用于磨粒錐面上。其分布范圍如圖 2.5c 中的虛線范圍。從圖 2.5a 可以看出，作用力分解為法向推力 和側向推力 。兩側推力 相互抵消而法向推xdFdFnxtxdFndF力 則疊加起來使整個磨粒所受的法向磨削力明顯增大，所以無論是滑擦、耕犁n或切削狀態(tài)下磨粒所受法向磨削力都大于切向磨削力。圖 2.5 磨粒上的作用力根據(jù)圖 2.5，在 X ? X 截面內作用在磨粒上的切削力 可按下式求得：xdF??cosdFpx?式中， －單位磨削力（N/2mm ） ；－接觸面積；s－磨粒半頂錐角；?－切削力方向與 x 方向的夾角。?分布如圖 2.5c 中虛線范圍所示，設圖中磨粒是具有一定錐角的圓錐，中xdF心線指向砂輪的半徑，且圓錐母線長度為 ρ ，則接觸面積 ???dsin21?北華大學學士學位論文10將式代入得因為將式（3.5）代入（3.6）則得因此，可求得作用于整個磨粒上的磨削力如下：于是可得到磨削力的計算式，blNstd?為動態(tài)有效磨刃數(shù)， dN為砂輪表面上的單位長度靜態(tài)有效刃數(shù)，t為砂輪與工件的接觸弧長度，sl為磨削寬度；b當 時，將 ，代入式中，mag05.? 20.8,5,94270??dpNF?可得 : ，NFnt,2當 時，將 代入式中，g. 6.1,,80dp可得 : nt,962.6 絲桿螺母副的選擇2.6.1 選擇計算絲杠螺母副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個機構。他的作用就是把旋轉運動轉和直線運動進行相互轉換。北華大學學士學位論文11表 5-1 絲杠螺母副支承支承方式 簡圖 特點一端固定一端自由結構簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉速都較低設計時盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。一端固定一端游動需保證螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉速不高時多用更經濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。兩端固定只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A拉伸，預拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結構和工藝都比較困難，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。（1）導程確定電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動比 i=1, 選擇電機 Y 系列異步電動機的最高轉速 ，則絲杠的導程為cmkgfMrn .2min,/50maxmax ??最 大 轉 矩取 Ph=4mmVPH7.ax（2）確定絲桿的等效轉速基本公式 i)/(rPh=最大進給速度是絲桿的轉速 max/30/2150(/min)hnVPr??最小進給速度是絲桿的轉速 iin1.i絲桿的等效轉速 in)/(/)(221axrtttm+式中取 21t=故 i/03.)/(21inmaxtn=+（3）確定絲桿的等效負載工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數(shù)為 0.03，K 為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取 1.1~1.5，本課題中取 1.3，則絲桿所受的力為 NGFGFGfKFZx 215-)2(03.3.12-)2( 3y12yma =++=++= ）（）（）（0in北華大學學士學位論文12其等效載荷按下式計算（式中取 21t=， 1n）NtnFFm49)(321mi3ax+=（4）選擇滾珠絲桿型號計算得出 Ca=Car=17.3KN,則 Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN公稱直徑 Ph=6mm則選擇 GD 型絲杠螺母副，絲桿的型號為 GD2004-3公稱直徑 d0=20mm 絲桿外徑 d1=19.3mm 鋼球直徑 dw=2.381mm 絲桿底徑d2=17.1mm 圈數(shù)=3 圈 Ca=11560N Coa=5243N 剛度 kc=347N/μm2.6.2 校核計算（1）臨界壓縮負荷驗證絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負荷按下列計算： NFKLEIfFcr max201e=?式中 E------材料的彈性模量 E 鋼=2.1X1011 （N/m2）LO-------最大受壓長度（m ）K1-------安全系數(shù)，取 K1=1.3Fmax-------最大軸向工作負荷（N）f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1I=絲桿最小截面慣性距（m4） 442)2.1_(6woddI?=式中 do--------是絲桿公稱直徑（mm）dw------------滾珠直徑（mm） ，絲桿螺紋不封閉長度 Lu=工作臺最大行程+ 螺母長度+兩端余量Lu=300+148+20X2=488mm支撐距離 LO 應該大于絲桿螺紋部分長度 Lu，選取 LO=620mm代入上式計算得出 Fca=5.8X108N可見 Fca＞Fmax，臨界壓縮負荷滿足要求。（2）臨界轉速驗證滾珠絲杠副高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速 crn，要求絲杠的最高轉速：北華大學學士學位論文132230KPAEILfnCZcr?=式中：A------ 絲桿最小截面：A=24-6-22 m10*9.3.414=d2d-------絲杠內徑，單位 m；P--------材料密度 p=7.85*103(Kg/m)cL--------臨界轉速計算長度，單位為 ，本設計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm2K----------安全系數(shù)，可取 2K=0.8fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時取 18.9經過計算，得出 crn= 6.3*104 min/r，該值大于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。2.7 導軌副的選擇2.7.1 靜安全系數(shù)計算根據(jù)給定的工作載荷 Fz 和估算的 Wx 和 Wy 計算導軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0 為導軌的基本靜額定載荷，kN ；工作載荷 P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動） 。根據(jù)計算結果查有關資料初選導軌：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 4.0sLf?,, ,0.5()OSLXYZCfPFW??xYYOXSL=+.(20+671.58)=3.79N.()26fP413.94.C?2.7.2 根據(jù)額定靜載荷初選導軌選擇漢江機床廠 HJG-D 系列滾動直線導軌,其型號為:HJG-D25基本參數(shù)如下:額定載荷/N 靜態(tài)力矩/N*M 滑座重 量 導軌重 量 導軌長度動載荷 aC靜載荷 oATBCTgK/gmL(mm)17500 26000 198 198 288 0.60 3.1 1000滑座個數(shù) 單向行程長度 每分鐘往復次數(shù)北華大學學士學位論文14M Sl n4 0.6 4導軌的額定動載荷 1750aC?N依據(jù)使用速度 v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷 aC (kN)驗算導軌的工作壽命 Ln：額定行程長度壽命: ()HTCaWfSFK?2045MF1,,.81,,oTCHRdfff??3310.8752()()14209.58HTCaWfSFKkm?2.7.3 導軌校核計算導軌的額定工作時間壽命: 3102SoTHln??3 310249.58104971506SoTln hTh?????導軌的工作壽命足夠.導軌的靜安全系數(shù)： 04.2163SLCfP?：靜安全系數(shù)； 0：基本靜額定負載； P：工作載荷導軌壽命計算：北華大學學士學位論文153()50748htwcfCLKmP????2.8 本章小結本章首先介紹了冰刀刃磨機的主要技術指標；接著在深入分析了冰刀刃磨運動的特點及刃磨過程中對各個運動的不同要求的基礎上，確定了冰刀刃磨機機械部分的總體布局；并對主要部件進行了設計和選則，包括進給軸的行程和尺寸、絲杠的選取和砂輪架的設計；計算了磨削力的大??；最后確定出刃磨機的整體尺寸為：長 850mm，寬 400mm，高 440mm。北華大學學士學位論文16第三章 刃磨部件設計為了保障冰刀刃磨的質量、效率和可靠性，就必須對冰刀刃磨工藝進行研究。本章結合冰刀數(shù)控刃磨的特點，從砂輪磨料的選取，刃磨量的確定，砂輪轉速，進給速度和砂輪的結構、位置、修整等對冰刀刃磨工藝方面展開了深入的研究，并介紹了自動生成刃磨工藝卡的方法。3.1 數(shù)控刃磨的特點與冰刀的手工刃磨相比，冰刀的數(shù)控刃磨在控制過程、加工工藝、加工設備都有手工刃磨具有明顯的不同。本節(jié)主要從加工工藝方面，來說明冰刀數(shù)控刃磨加工的特點如下：（1）手工刃磨是人工搓動砂輪或條砂輪，數(shù)控加工時，主軸帶動砂輪做高速旋轉，轉速達到 8000r/min，加工線速度達到 30～60m/min 。（2）加工進給時，手工加工是斷續(xù)的，一段一段的推。冰刀的數(shù)控進給加工是均勻的、連續(xù)的、穩(wěn)定的、可靠的，速度一般高于手工加工的速度。（3）手工加工靠操作員的手感，分級加工不明顯，加工過程由人工來控制。數(shù)控加工分級加工非常明顯，每一級的加工量和加工次數(shù)都很精確具體；由程序控制加工過程，所以數(shù)控加工穩(wěn)定性強，可靠性高。（4）手工加工產熱低，數(shù)控加工產熱相對較大。（5）手工加工速度慢，效率低，加工時間長，精度低。數(shù)控加工速度快，效率高，完成一把刀的加工時間只要 3～5 分鐘，加工精度高。3.2 影響冰刀刃磨質量的因素1）磨料數(shù)控刃磨加工時，會產生較大的熱量和壓力，加工材料也刃磨材料微觀分子將十分活躍，出產生復雜物理作用，機械作用，化學作用。這些作用都會明顯地影響加工的效果和質量，只有在正確選取能與工件材料相匹配的刃磨材料時，才會得到好的刃磨質量。在本章下一小中，會專門介紹本文冰刀磨料選擇的方法和選擇結果。2）單次磨削量機床控制砂輪對冰刀進行加工時，在單次的加工過程中，砂輪對冰刀的縱向的刃磨量為單次刃磨量。單從精度角度而言，單次刃磨量越小，得到冰刀的刃磨精度會越高，但這樣刃磨效率會很低，所以，單次刃磨量要根據(jù)刃磨精度，刃磨效率和刃磨級別三重因素來綜合確定。不同的刃磨級別，單次刃磨量是會不相同的。在本北華大學學士學位論文17文冰刀刃磨過程中，粗磨時，單次刃磨為 10～20 微米；精磨時，單次刃磨量為5～10 微米；拋光磨時，只進行表面拋光處理，基本上不設定加工量。3）主軸轉速在一定范圍內，提高主軸的轉速會提高冰刀的刃磨質量，但高到一定值時，其刃磨質量卻會下降。是因為，在一定的刃磨量時，主軸轉速越大，產生的熱就越大，磨料的微?；钚栽龃?，離心的作用力也越大，起切削作用的微粒刃磨砂粒就容易被摔落，所以刃磨的質量會下降，如圖 3.1 所示，橫坐標和縱坐標箭頭方向分別表示主軸速度增大，刃磨精度增高的方向。同樣，主軸的轉速根據(jù)不同的刃磨級別會不同。一般而言刃磨級別越高轉速會越大。在本文冰刀刃磨過程中，粗磨時，主軸轉速為 8000～ 10000r/min；精磨時，主軸轉速為 10000～12000r/min ；拋光磨時，主軸轉速為 12000～18000r/min。圖 3.1 主軸轉速和加工精度的關系4）砂輪進給速度在一定單次刃磨量和主軸轉速情況下，提高進給速度會使冰刀的刃磨質量下降，圖 3.2，橫坐標和縱坐標箭頭方向分別表示進給速度增大，刃磨精度增高的方向原因是，當進給速度低時，冰刀同一微表面積得到的刃磨時間就越長，磨削質量就越好。但是考慮到刃磨效率和產熱因素，進給速度不能太低。因為，如果進給速度太低，一方面會降低加工效率；另一方面，會使摩擦熱聚積，工件溫度升高，造成工件燒結。因此，應該根據(jù)不同的刃磨級別，確定相應的進給速度。級別高時，刃磨量較小，進給速度可以適當加大。在本文的冰刀刃磨過程中，粗磨時，進給速度為400mm/min；精磨時，進給速度為 600mm/min；拋光磨時，進給速度為 800mm/min。北華大學學士學位論文18圖 3.2 砂輪的進給速度和加工精度的關系5）磨粒尺寸在本文中，冰刀的刃磨分三級，磨粒尺寸也相應分為三級，粗磨的磨粒尺寸大，精磨、拋光磨的磨粒尺寸小。在每一級的刃磨中，只要能達到所在級別的刃磨質量要求的前提下，可以盡量選擇偏粗的磨粒，這樣可以提高刃磨的效率。所以本文對冰刀磨粒的選擇為：粗磨時，選擇粒度號數(shù)為 40～80 的砂粒，磨粒的顆粒數(shù)一般選擇在 200～ 400/cm2；精磨時，選擇粒度號數(shù)為 100～200 的砂粒，磨粒的顆粒數(shù)一般選擇在 400～600/cm2；拋光磨時，選擇粒度號數(shù)為 200～W20 的砂粒，磨粒的顆粒數(shù)一般選擇在 600～800/cm2。6）砂輪補償技術砂輪補償技術是保證冰刀刃磨質量的重要因素。砂輪使用久了，會產生磨損，半徑會縮小，表面平整下降，圓度也會下降。這些因素會對精度要求較高的冰刀刃磨質量產生重大影響。這時，需要對砂輪進行修整和半徑補償。在本章后續(xù)章節(jié)中會專門介紹冰刀刃磨機砂輪的修整和補償方法。7）刃磨機設備任何數(shù)控機床本身具備一定的精度等級，例如普通精度的數(shù)控機床位移精度一般為 0.01～0.001mm ，精密級數(shù)控機床位移精度可高達 0.1μm 。機床重要組成元件如絲杠、導軌、電機、以及機床的剛度和裝夾技術會對機床精度產生重要的影響，從而對工件的加工質量產生重要影響。3.3 磨料的選擇冰刀數(shù)控刃磨加工和一般的手工刃磨加工相比，最明顯的特點是其加工速度快，產生熱量大，壓力高。加工材料微觀分子將十分活躍，產生復雜物理作用，機械作用，化學作用。這些作用都會明顯地影響加工的效果和質量，其中對磨料的選擇起決定意義的作用是加工材料和被加工材料的物理作用和化學作用。在一定工藝方法前提下，只有在選定好與被加工材料能相匹配的刃磨材料，才能得到理想的數(shù)控加工效果。本小節(jié)的研究目的就是：研究加工材料和被加工材料的刃磨作用機理，選定好適合冰刀加工的刃磨材料。北華大學學士學位論文19工業(yè)中，常用的磨料材料有四種：剛玉，碳化硅，立方氮化硼，金剛石。剛玉與金屬材料的刃磨時，粘附作用很明顯，不適合做本項目的磨料；刃磨產生熱量時，碳化硅在容易和鋼鐵材料發(fā)生化學反應，所以也不適合做本項目的磨料；金剛石雖然硬度大，也不粘附鋼鐵材料，也不和鋼鐵材料發(fā)生化學反應。但在刃磨的高溫下，金剛石容易和空氣中的氧的親和性大，而本文的刃磨不使用刃磨液，所以金剛石也不適合做冰刀的磨料。本文最終選擇的磨料是立方氮化硼，3.4 砂輪的選擇砂輪的結構有利于簡化加工工藝。冰刀刃磨分粗磨、精磨、拋光磨三級刃磨，對應有粗磨、精磨、拋光磨三級砂輪。當從一種級別刃磨向另一種級別轉換時，就要更換砂輪。冰刀是小型工件，加工冰刀的砂輪也是小型砂輪（本文所選擇是直徑40mm，厚 8mm 的砂輪） ，所以設計砂輪時，可以將三塊不同級別的砂輪合并成一塊，更換砂輪時，Y 軸帶動砂輪在 Y 軸進給一段位移，就可以轉換砂輪 。3.5 冰刀與砂輪位置關系冰刀與砂輪的位置關系也會對冰刀刀刃的質量產生重要影響。冰刀手工刃磨冰刀時，人工控制砂輪刃磨冰刀，很難保證砂輪面和冰刀刀刃面始終平齊，很容易把刀刃面磨得不平整，產生偏刃。在冰刀的數(shù)控刃磨時同樣要注意這個問題。冰刀與砂輪的位置關系需要保證兩點。（1）冰刀要能落在砂輪的加工范圍內，如圖 3.3（a）所示。（2）砂輪的軸線 n1 與冰刀面的法線 n2（與冰刀面垂直的豎線）必須平行，否則就會產生偏刃，如圖 3.3（b） ， （c） ， （d）所示。圖 3.3 砂輪與冰刀的位置關系北華大學學士學位論文203.6 砂輪的修整3.6.1 砂輪的磨損機理在磨削過程中，用于磨削力和磨削溫度的作用。砂輪工作表面上的磨粒會逐漸的磨鈍。磨鈍后的砂輪，將影響被磨工件的表面質量和幾何精度