硬脆材料水合抛光机的设计

硬脆材料水合抛光机的设计 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 硬脆材料水合抛光机的设计 湘潭大学兴湘学院 毕业设计#说明# 专 业:机械设计制造及其自动化 学 号: 2008963129 姓 名: 贾 骁 指导教师: 周后明 完成日期: II 湘潭大学毕业设计说明书 摘要 随着现代科技水平的高速发展，人们对零件精度的要求越来越严 格;而且人们生活理念的不断改变，对环境的日益重视，环保作为一 项广泛，深远的口号。传统抛光方法在精度上有着其天生的缺陷，化 学机械抛光虽能获得更好的精度要求，但其抛光液等化学药剂对环境 或多或少会产生一些污染。因此为提高加工进度，并且能符合环保这 一主旨，有必要研究一种新型、绿色的抛光机制。 水合抛光，综合利用了机械抛光和化学抛光的优势，即保持了机 械抛光的形状精度，也求得了化学抛光的无损伤加工面。 关键词:精度，抛光液，绿色，环保 II III 湘潭大学毕业设计说明书 Abstract With the development of modern science and technology high speed development, people on the requirements of precision parts are —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ more and more strict; and people life concept changing, growing attention on environment, environmental protection as an extensive, far-reaching slogan.Conventional polishing methods in terms of accuracy has its inherent defect, chemical mechanical polishing can obtain better precision, but the polishing liquid and other chemical agents in the environment more or less will cause some pollution.So in order to improve the manufacturing process, and can meet the environmental protection this purpose, it is necessary to study a new, green polishing mechanism. Hydration polishing, comprehensive utilization of mechanical polishing and chemical polishing of the advantage, that maintains the mechanical polishing shape precision, also obtained the chemical polishing without damage surface processing. Key word: Precision ，Polishing liquid ，Environmental protection III I 湘潭大学毕业设计说明书 目 录 摘要 ??????????????????????????????????? Abstract ????????????????????????????????? 第一章 概述 ? ??????????????????????????????1 1.1 课题的提出 ???????????????????????????1 1.1.1 课题产生的背景 ?????????????????????????1 1.1.2 课题的意义 ???????????????????????????2 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 1.2 国内外超精密加工技术现状和主要问 题 ?????????????2 1.2.1 国内外超精密加工的发展趋势 ???????????????????2 1.2.2 国内外超精密加工的发展趋势 ???????????????????2 1.3 无级变速器的研究现状 ??????????????????????3 1.4 毕业设计内容和要求 ???????????????????????3 第二章 无级变速总体 ????????????????????????5 2.1 钢球长锥式(RC型)无级变速器 ?????????????????5 2.2 钢球外锥式无级变速器 ??????????????????????6 2.3 两方案的比较与选择 ?????????????????????? 7 第三章 钢球外锥式无级变速器部分零件的设计与计 算 ?????????????8 3.1 钢球与主、从动锥轮的计算与设计 ?????????????????8 3.2 调速蜗轮上的变速曲线槽的设计与计 算 ???????????????9 3.3 轴的设计与计算 ?????????????????????????11 3.4 调速机构的设计与计算 ??????????????????????13 3.5 加压盘的设计与计算 ???????????????????????14 毕业设 计总结 ???????????????????????????????19 致 谢 ??????????????????????????????????20 参考文 献 ?????????????????????????????????25 附录 译文及原 文 ?????????????????????????? 26 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 1 湘潭大学毕业设计说明书 第一章 概述 1.1课题的提出 随着现代科技水平的高速发展，人们对零件精度的要求越来越严格;而且人们生活理念的不断改变，对环境的日益重视，环保作为一项广泛，深远的口号。传统抛光方法在精度上有着其天生的缺陷，化学机械抛光虽能获得更好的精度要求，但其抛光液等化学药剂对环境或多或少会产生一些污染。因此为提高加工进度，并且能符合环保这一主旨，有必要研究一种新型、绿色的抛光机制。 水合抛光，综合利用了机械抛光和化学抛光的优势，即保持了机械抛光的形状精度，也求得了化学抛光的无损伤加工面 1.1.1课题产生的背景 以前硬脆电子功能陶瓷材料的加工基本上是利用硬质磨粒的机械压入,划刻作用为主的研磨和抛光,通常在工件表面留有加工变质层。为了消除加工变质层，一般采用化学抛光和电解抛光加工，但又会造成形状精度降低。为了克服上述缺点，必须开发新的抛光法，以实现功能陶瓷的高精度高质量抛光加工。 存在于两物体界面的磨损现象，以除去表面物质的形式进行，我们可以把这个磨损现象看成加工现象。如能巧妙地控制这个界面反应，把反应生成物限制在表层极微小的深度，并在不伤害母体的基础上将其从表面除去，就有可能得到目前加工所达必不到的超精密表面。利用磨料与工件摩擦界面的固相化学反应现象来进行加工，已作为各种—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 抛光新技术的基础而引起人们的重视。 在工件与磨料的摩擦界面上的机械能一部分转化为热能，使界面真实接触部位处于高温高压状态，处于这种状态的界面是不稳定的，各物质之间很容易互相渗透，化合物很容易产生和分解。这种界面反应一般为机械化学反应。如果将反应生成物控制在工件表层极小的深度内，因其加工单位很小，就可以在不伤及母材情况下使其脱落，可以获得一般机械加工绝对达不到的超精密表面。这就是一边反应生成易于去除的局部软质异物，一边进行加工的界面反应抛光方法。 可用于抛光加工的界面反应现象有机械化学固相反应和水合反应现象，相应的抛光方法称为机械化学抛光和水合抛光。界面反应抛光是目前功能陶瓷元器件基片精密加工的主要方法。迄今为止，对蓝宝石、水晶、硅等都表明了使用这种新方法的可能性。 这些新方法与传统的抛光法相比，在加工机理上是完全不同的。由于不必使用粘弹性抛光盘而使加工的平面度得以提高;由于利用了化学反应，所形成的加工变质层极小。 水合抛光法的开发背景是基于磨削过程中在砂轮与工件界面上生成的化学 1 2 湘潭大学毕业设计说明书 反应。在用Al2O3砂轮磨削软钢和石英玻璃时，在磨削后的磨粒作用面上生成有Al2O3水合物和其他化合物，由于界面生成水合化学反应，磨粒的磨损也随着增加。Al2O3 磨粒作用面的X射线衍射结果表明，用Al2O3 砂轮磨削时，在喷射水蒸气的环境条件下形成有各—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 种Al2O3 水合物，在Al2O3 磨粒的化学磨损与被磨削材料发生固相反应的同时，其反应氛围，特别是水蒸气分子的作用对切削刃磨损有很大的影响。Al2O3 的水合界面反应，能置换成抛光的工件材料。在抛光中的工件接触点上，可产生局部的高温高压。水分子或水蒸气分子的作用，有可能在工件表面上生成水合物。为了证明这一假设，曾在高压、水热条件下将Al2O3与H2O间进行准静态水合反应试验。在12.5kPa、25kPa高压和水温度150?C时，分别可发现Al2O3?3H2O、Al2O3?H2O水合物。经差示热分析仪分析，表明有Al2O3 水合物特性的吸热反应。 在1个大气压下约0.2nm的水蒸气分子有助于反应形成水合物层。Al2O3的水合化反应初期，近似于离子与分子结合，其水合物的硬度只有Al2O3的1/3。这时只要借助抛光盘的摩擦力，就能从结晶表面上去除这些Al2O3水合物层，在?3 一个真实接触点，两物体擦过时的接触时间只有10~10?5 s左右的极短时间， 如前面所述，在这个时刻内产生的水合反应层深度为十几纳米左右。因此，界面的突出部位每接触一次高度减少十几纳米左右，表面就逐渐趋向平滑。因此，这种方法可成为无加工变质层和无晶格畸变的镜面加工法。 虽然а‐Al2O3在常温常压下非常稳定，但是抛光加工时有可能呈现仅在高温高压下才有的水合反应现象。利用水合反应可进行Al2O3、MgO、Fe2O3等的氧化物陶瓷的加工 [1] —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 1.1.2 课题的意义 环保是当今世界的一项不变的口号，目前工业污染现象依旧极其严重，为坚持环保这一理念我们应大力倡导绿色工业。水合抛光是一种利用水合反映，在工件表面生成一种水合层，再利用抛光盘的摩擦力去除这一水合层而进行的高效，精密抛光方法。水合抛光机不使用抛光液和摩粒，加工介质为水，没有化学药剂参与，因此水合抛光机，是一项绿色、高效高精的加工机器，在当今时代环保这一理念下有着其重大深远的研究意义与作用。 1.2国内外超精加工技术现状分析和主要问题 目前，功能陶瓷的超精加工技术处于领先地位的国家有日本、美国和英国等国家。这些国家的超精加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。然而国外对其加工工艺始终保密。日本的功能陶瓷超精密加工技术在国际上 2 3 湘潭大学毕业设计说明书 处于领先地位，有大量的学者研究功能陶瓷的加工机理和加工工艺，为功能陶瓷超精密加工的发展起到很大的促进作用。日本在用于声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的功能陶瓷元器件的超精密抛光技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。日本学者针对不同的工件材料采用相应的超精密抛光方法均获得了1nm以下的表面粗糙度，接近了原子级精度，几乎没有加工变质层。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 近年来我国的功能陶瓷的超精密抛光技术也获得了迅猛的发展。北京机床研究所、航空机械研究所、长春光机所、哈尔滨工业大学、天津大学、清华大学、浙江工业大学、广东工业大学、西北工业大学、国防科技大学等多个单位都进行了陶瓷材料的超精密抛光技术的研究，但与发达国家相比还有一定的差距，有待解决的主要问题有: (1)功能陶瓷材料的研究。国内高档的功能陶瓷元器件的材料大多从国外进口，国内生产的功能陶瓷材料存在纯度不高，一致性不佳的问题 (2)加工机理的研究。国内对功能陶瓷去除机理的理论研究较少，未能形成体系。 (3)加工工艺的研究。功能陶瓷种类众多，加工工艺各不相同。国内的生产企业主要依靠经验生产，缺乏进行系统的实验研究。 (4)加工设备的研究。加工设备的是功能陶瓷超精密加工的基础。目前国内还没有专门用与功能陶瓷加工的设备，应开发具有自主产权的高质量、高效率、一致性好的加工的设备。 (5)检测设备和检测方法。当加工精度达到1nm以下时，如何检测局部和整体的精度，以成为加工高中的一个关键问题。也是目前超精加工领域的一大难题，解决这一问题将对推动功能陶瓷的超精密加工应用起到至关重要的作用。 1.2.1国内功能陶瓷的超精密加工技术的发展趋势 (1)采用软质抛光盘，如沥青、石蜡、合成树脂等弹性地夹持抛光工件，同时采用软质微细磨料,容易得到表面变质层和表面粗糙—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 度都极小的优质表面。 (2)工件与抛光盘在抛光中不发生接触，仅用抛光剂冲击工件表面，甚至进行物磨料抛光，其特点是减少被加工表面的机械损伤。 (3)为提高抛光的效率和抛光表面质量，可以在抛光剂中加入一定量的化学活性物质，促进表面的界面反应，提高表面质量和抛光速度。 (4)整个抛光工作在恒温液中进行，减少热变形的影响，并防止空气中的尘埃或杂物混入抛光区影响加工质量，同时采取隔振，减振措施。 (5)采用计算机控制和在线检测技术，提高加工精度，抛光效率以及一致性。 3 4 湘潭大学毕业设计说明书 1.2.2国内抛光机的发展现状 局限与国内水平与国外对先进技术的保密，国内大部分抛光机还停留在传统抛光方式上，如机械抛光，化学抛光等等。当然，新型抛光技术正在一步步崛起，化学机械抛光正在逐步替代传统抛光技术。在随后几年内，新型抛光技术必将取代传统抛光技术。国内有一些大型的抛光机生产厂家，如无锡宏帆抛光机机械有限公司、深圳市纳诺斯精密技术有限公司、郑州中原抛光机械总厂等等。他们在不断对国外抛光机进行深度研究的同时，开发出属于自身的创新品牌，为国内抛光机水平的发展做了很大的贡献。各大研究所对超精密加工技术也—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 在深入研究并获得了不小的成果，国内超精密加工技术水平正在日益追赶发达国家技术水平。国内超精密加工前景将是份外蓬勃。 2008年浙大文东辉、邓乾发、陶黎 洪滔四人申请了水合抛光机的专利，将水合抛光正式带入了人们的眼前。水合抛光有着其重大的研究意义，开辟了抛光机的新模式。水合抛光机的高精度，无污染深度符合当今时代的主题。水合抛光的提出预示着日后的抛光机技术会朝着高效、高精、绿色环保等方面发展，这不仅对抛光机的研究有深远影响，对整个工业行业都具有重大影响。 1.3课题的内容及: (1)通过深入研究了解当前抛光机行业的发展现状水平，以及当下还存在的问题。 (2)完成水合抛光机的方案设计及选型。 (3)完成水合抛光机的结构设计并画出相应的装配图和主要零件图。 (4)完成好相应说明书的撰写。 相关参考文献: [1] 社,2008. 4 5 湘潭大学毕业设计说明书 第二章 方案设计 传动装置是大多数机器或机组的主要组成部分。实践证明，传动装置在整台机器的质量和成本中都占有很大的比例。机器的工作性能—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 和运转费用也在很大程度上取决于传动装置的优劣。因此，合理的传动方案设计有着其重大的作用及意义。选着传动类型时所依据的主要指标是:效率高，外廓尺寸小，质量小，运动性能良好及符合生产条件成本等。下面列举两种最优传动方案。 2.1 方案一 此方案是浙大四名研究生所选的设计传动方案。方案如下 一种水合抛光机，其主要机构包括机座、主轴电机、主轴、抛光盘、真空吸盘和吸盘电机，主轴电机与主轴传动连接，主轴安装在机座内，主轴的上端与抛光盘传动连接，真空吸盘位于抛光盘的上方，真空吸盘与吸盘电机传动连接，该种水合抛光机还包括蒸气发生器、输气管和基盘，蒸气发生器的出口连接输气管，主轴内部设有通孔，输气管自下而上贯串通孔，主轴的上端与基盘的中心固接，基盘上部与抛光盘固接，基盘和抛光盘之间没有过渡空腔，输气管穿过基盘与过渡空腔连通，过渡空腔的底部设有排水管，抛光盘上有通孔。 作为优选方案的一种，在基盘上安装用于对水蒸气进行加热的温控系统。进一步在基盘的底部呈倾斜状，排水管安装在所述基盘最低处。更进一步，在通孔内设有保温石棉瓦，保温石棉瓦包装在输气管外。 蒸汽发生器包括水溶液储液罐、水蒸气发生装置和用于蒸气输出的泵，泵的输出端与输气管连通。 主轴电机的输出轴设有主动轮，通过皮带与从动轮连接，从动轮安装在主轴的底端 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 该水合抛光机还包括机盖，机盖与机座固定密封连接。 该发明的技术构思为:综合利用机械抛光和化学抛光的优势，抛光时，即保持了机械抛光的形状精度，又保持了化学抛光的无损伤加工面，基于这种思想，提供一种能够实现高亮度LED蓝宝石晶圆的混合汽体化学液辅助高温水蒸汽状态下具有微量加工特性的水合抛光机。 蒸汽发生器的输出端通过输气管向抛光盘提供化学辅助高温水蒸汽，抛光盘体有很多的通孔，使高温水蒸汽可以从通孔中溢出与工件接触，从而提高加工效果，温控系统对水蒸汽进行加热，以避免水蒸汽冷凝成水。 这种抛光机的有益效果主要表现在:1、可以使蓝宝石得到不错的表面粗糙度，蓝宝石表面不会产生微小划痕或造成次表面损失，可获得蓝宝石的全局平面化;2、机器设备成本低，加工条件简单，可以获得较高的加工精度和加工效率， 5 6 湘潭大学毕业设计说明书 具有广泛的应用前景;3、与其他抛光设备相比，本发明抛光机工作时不会产生很大的噪音，抛光过程无毒，无害，无粉尘，可以达到纳米级绿色无污染抛光，且抛光状态稳定，抛光面上部残留抛光纹路;4.化学液辅助高温水蒸汽通过蒸气发生器输出，实现水蒸汽的自动。均匀地供给;5、当电机通过皮带轮和皮带带动主轴和抛光盘转动时，输气管可直接通过主轴的中心孔向抛光盘输送水蒸汽; —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 6、基盘底部设为1:100的坡度，且在边缘设有一排水阀，可以使冷凝的水蒸汽从盘的边缘排出;7、输气管上有固定支架，固定支架可支撑输气管并对其进行定位。 图1 一种水合抛光机工作示意图 如图所示，一种水合抛光机，包括机座3、主轴电机14、主轴12、抛光盘7、真空吸盘8和吸盘电机9，主轴电机14与主轴12传动连接，主轴12安装在机座3内，主轴12的上端与抛光盘7传动连接，真空吸盘8位于抛光盘7的上方，真空吸盘8与吸盘9传动连接。 水合抛光盘还包括蒸汽发生器1、输气管2、基盘11，蒸汽发生器1的出口连接输气管2，主轴12内部设有通孔，输气管2自下而上贯串通孔，主轴12的上端与基盘11的中心固接，基盘11上部与抛光盘7固接，在基盘11和抛光盘7之间设有过渡空腔，输气管2穿过基盘11与所述过渡空腔连通，过渡空腔的底部设有排水管5，抛光盘7上设有通孔。 在基盘11上安装用于对水蒸气进行加热的温控系统。基盘的底部呈倾斜状，排水管安装在所述基盘的最低处。在通孔内设有保温石棉瓦4，保温石棉瓦4包覆在输气管外。 蒸气发生器1包括水溶液储液罐、水蒸气发生装置和用于将水蒸汽输出的泵，泵的输出端与输气管相连通。输气管通过三角支架固定在机座上，并通过主轴内部通孔向抛光盘输送蒸汽，输气管外面包裹一层保温石棉瓦用于给化学液辅助高温水蒸汽保温。主轴电机通过皮带轮和皮带带轮主轴;中心孔贯穿主轴，中心孔内部装有输气管与基—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 盘连通，基盘为可更换。基盘底部略微倾斜，坡度1:100 ，基盘内部中空，内部设置温控系统在加工过程对水蒸汽进行加热。主轴与 6 7 湘潭大学毕业设计说明书 基盘铆接在一起，主轴内部开有通孔，输气管贯穿主轴内部与基盘连通。抛光盘通过螺钉固定在基盘上，基盘和主轴固接在一起，抛光盘又主轴电机带动;抛光盘体开有很多通孔，在抛光过程中，使蒸气能从通孔中溢出，与工件接触。抛光头为真空吸盘是用来固定工件的，通过抽真空的方式将工件吸附在吸盘上，并随着吸盘电机的带动，可以调节工件的转速;吸盘电机轴与机盖连接处有密封圈。机盖10通过机械连接与机座固定，连接处有密封圈将加工区与外部隔绝。 本实施例的具体工作过程为:蒸气发生器中的混合水溶液在发生器的作用下通过泵，经输气管流入到基盘与抛光盘间的腔体中，抛光盘通体开有很多通孔，可使水蒸汽从腔体中溢出，到达加工区域并遇工件接触;此时机盖与机座已密封，当通入的高温水蒸汽机盖内部到达2个大气压时，开动主轴电机和吸盘电机，带动抛光盘和真空吸盘旋转，实现抛光加工。 本实施例中，抛光盘厚度为20mm，直径为300—380，为实现均匀抛光，抛光盘的转速可调20rpm—120rpm，抛光盘材质、硬度、耐热性和抛光盘体开孔数量以及通孔在盘面的布置方式都由加工决定;基盘可以用陶瓷材料做成，并且使可替换的。温控系统可用微波加热的方式实现。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 蒸气发生器中混合水溶液的成分、粘度、pH值和化学稳定性以及水蒸汽的压力和温度都是针对不同规格的蓝宝石晶体而定的。 本实施例可应用于蓝宝石晶体亚纳米级光滑无损伤表面的无磨粒抛光。 7 8 湘潭大学毕业设计说明书 2.2 方案二 类似于方案一，方案二在整体结构上大致与方案一相同，但是由毕业设计要求所给出的题设条件，整体结构上又要有所不同。 方案二在整体空间上要小于方案一，电机与主轴的距离较小，固可不采用皮带传动，而且皮带在传动中的打滑现象在超精密加工中严重影响加工的顺利进行。因此，采用齿轮传动。 设计要求上要求工件有往复运动，因此工件必须有保持架固定，通过保持架的往复运动带动工件运动，保持架的运动可通过偏心凸轮带动。 图2 另一种水合抛光机结构工作示意图 如图所示，方案2在抛光盘、主轴上任保留方案1的结构设计。但皮带传动换成了齿轮传动，电机带动齿轮1传动，齿轮1再带动齿轮2与齿轮3。齿轮2带动主轴转动，齿轮3带动保持架往复运动。这样就把电机的传动分化为抛光盘的转动和保持架的往复运动。 其他大致如方案一相同。 8 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 9 湘潭大学毕业设计说明书 第三章 水合抛光机的相关数据分析与计算 根据课题要求，有关参数数据:抛光盘转速为50~500r/min，抛光盘直径为250mm，工件往复行程为10mm。 3.1 电机选择 3.1.1 电机类型的选择 由工作条件可知，采用Y系列电动机。 3.1.2 电机功率的选择 电动机的功率选择合适与否，对电动机的正常工作和经济性都有影响。功率选得过小不能保证工作机正常工作，或使用电动机因超载而过早损坏;功率选得过大则电动机的价格高能力得不到充分发挥，而且因电动机经常不满载运行，其效率和功率因数都较低而造成能量的浪费。 对于载荷稳定、长期运转的机械。通常按照电动机的额定功率选择，而不必校验电动机的发热和起动力矩，电动机所需输出的功率P0(kw)由下式计算: P0 = Pw / η (1) 式中，Pw为工作机所需的功率;P0为从电动机到工作机的的总效率。 工作机所需的功率Pw由工作机的工作阻力F(N)和运行速度V(m/s)或工作转矩T和转速n确定。可按下式计算: Pw = FV/1000 (2) 或 Pw = Tn/9550 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 传动方案确定后，可以估算出传动的总效率，然后确定电动机所需要的功率。 有传动方案可知其传动效率为0.99。 由给出条件，抛光盘转速取500r/min，载荷为4N，抛光盘直径d=250mm 由以上条件可求的 Pw = μN,V/1000 而 V=πdn/60,1000 由上面两式可求出 Pw=0.13 Kw 从结果可以看出该水合抛光机功率极低，因此无法从功率上选择电动机。 9 10 湘潭大学毕业设计说明书 题设给出抛光盘转速为50~500r/min，因此，选择最接近500r/min转速的Y系列电机。查《机械设计课程设计》一书，电动机选择那部分可知，Y132s—8号电动机基本符合要求。故电机选为Y132s—8号电动机。其具体数据参数如下表: 3.2总传动比的分配 3.2.1传动装置总传动比 i = nm / n=1500/500=3 3.2.2 各级传动比分配 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 因为只有一对齿轮故i=3 3.2.3 各轴的输入功率 可知，电机功率为P0=0.55kw P1=P2= P0×η2=(0.55×0.99) kw =0.545 kw 3.2.4 各轴的扭矩 应为只有一级传动故两轴的扭矩相等 T1=T2=9.55×106×P?/n?=9.55×106×0.55/1390=3.7?103 N?mm 3.3 齿轮传动的设计 齿轮设计要求:都为斜齿轮，且为8级精度，定各齿轮的旋向，轴向力指向轴的非伸出端。以一对齿轮为例。 3.3.1 齿轮设计 1、选精度等级、材料及齿数 1)材料及热处理 10 11 湘潭大学毕业设计说明书 小齿轮材料采用45钢(调质)，硬度为240HBS，大小齿轮材料用45钢(调质)，硬度为240HBS，硬度差为0BHS。 2)取小齿轮Z1=20，则Z2=i2Z1=3*20=60, 3)选取螺旋角。初选螺旋角β1=140 2、按齿面接触强度设计: 1)试选Kt=1.6 选区域系数ZH=2.433 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 2)εa1=0.758 εa2=0.872εa1 εa=εa1,εa2 3)许用接触应力计算: σ *σH+1= KHN1×σ *σH+2= KHN2×σ [ d? σHlim2Hlim1=600MPa σHlim2=600MPa KHN1=0.9 KHN2=0.95 Hlim1/s = 0.9×600/1 = 540MPa /s = 0.95×600/1 = 570MPa H]=[σH]1，[σH]2/2 = 555MPa 2KtT1u1?1ZH1ZE??d?a1u1[?H]4)初算 小齿轮分度圆直径: 2?1.6?4.353?1045.27?12.433?189.82?()14.27555 = 49.19 5)计算圆周线速度:v1= 60?1000=3.73 m/s 6)计算齿宽:b1=Φdd1t=49.19mm d1tcos?7)计算当量模数:mn1tz1?d1tn1=2.39mm 8)计算齿高:h1=2.25mn1t=5.38mm 11 12 湘潭大学毕业设计说明书 b1=9.1 h1 9)计算纵向重合度: εβ1 = 0.318ΦdZ1tanβ=1.59 10)计算载荷系数K —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 已知使用系数KA=1，根据V=2.39m/s,8级精度，查表得动载荷系 数Kv=1.15 KHβ=1.454 KFβ=1.375 KHɑ=KFɑ=1.4 故KH1=KA?Kv?KHɑ?KFβ=2.34 11)按实际的载荷系数校正所得分度圆的直径 dl = d H1KKt= 55.84 d1cos? 12)计算模数mn1= = 2.71mm z1 3、按齿根弯曲强度设计 1)计算载荷系数kF1?KAKVKF?KF?=1×1.15×1.4×1.375=2.21 2)根据纵向重合度??=1.59，查得螺旋角影响系数Y??0.88 Z2Z1Z??3)计算当量齿数Zv1?v233cos?1cos?1 YFa1?2.73,YFa2?2.208 4)查取齿形系数和应力校正系数 YSa1?1.568,YSa2?1.774 5)小齿轮弯曲疲劳极限?FE1?340MPa ?FE2?340MPa 6)计算弯曲疲劳许用应力 KFN2??FE2??230.72MPa S ??F?1K???FN1FE1?218.57MPaS??F?2 YFaYSa7)计算大小齿轮的并加以比较 ?YF1YSa1?F1?0.01958?YF2YSa2?F??F2?0.01698 ?mn1?2KF1T1Y?1cos2?1YF1YSa1?F1?dz12?a1 322 . 21 2 ? ? 43 .53?10?0.88?cos14??0.019582 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 20?1.59 ?1.70mm 13 湘潭大学毕业设计说明书 dcos?1 取 mn1?2mmz1?28z1?1?27.09取 mn1 则z2?3?28?84 4、几何尺寸的计算 m?z?z2?a1?n11?152.53mm取a1?153 1)计算中心距2cos?1 2)按圆整后的中心距修正螺旋角 3)计算大小齿轮的分度圆直径 d1? d2? 4)计算齿轮宽度 b1??dd1?55.65mm 圆整后 B2?55mm,B1?60mm ??mn1?z1?z2??15?59'2a1mn1z1?55.65mmco s?1mn1z2?247.33mmcos?1 说明:因为是电机带动两个根轴同时转动，而在受力上，两轴大致相同(一轴略大于二轴)，所以，带动两轴的齿轮在可选择相同齿轮，一则便于减少更换齿轮的种类，二则，不影响加工。 13 14 湘潭大学毕业设计说明书 3.4轴的设计 材料选用40钢(调质) —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 一轴的设计: 最小直径:当d?100,有一个键槽时，轴径增大5%-7% P6.48?(1.05~1.07)?30 d??A 0??(1.05~1.07)?112?n?339.57 1)最小直径由Φ30由齿轮内孔确定，其长度由齿轮宽度; 2)Φ35为轴基本厚度要求，其长度应满足相关安装要求; 3)Φ40为轴肩要求，其长度由电机长度由电机决定; 4)Φ44轴肩，为圆锥滚子轴承定位同时承接抛光基座; 5)轴下端螺纹长度为17mm，上端螺纹15mm，用来固定轴上各零件。 二轴的设计: 1)最小直径由轴承内径Φ20确定，其长度由齿轮宽度和轴承宽度及档环确定; 2)Φ25为轴肩要求，其长度应满足相关安装要求确定; 3)Φ30为基本厚度要求，其长度由电机长度及相关零件决定; 4)Φ35为轴肩要求; 5)顶端为一长方体，用一固定凸轮，其长度由凸轮套决定。 14 15 湘潭大学毕业设计说明书 3.4.1轴的校核 ?处与电机的链接，判断危险截面，配合所引起的应力集中均将削弱轴的 疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕地确定的，所以可不必校核;??两处显然不用校核;—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ?处为间隙配合，故无须校核;而?处为轴肩，承受两边的扭转力最大，故需校核。 1)?轴端两边的应力计算 抗弯截面系数 W?0.1d3?0.1?213?926.1N/mm 抗扭截面系数 WT?0.2d3?0.2?303?5400N/mm 2)截面C左侧的弯矩M为 M?8478N?mm 截面C左侧的扭矩T3为 T3?97200N?mm 截面上的弯曲应力为 sca?7.75?s?1.5?b? 截面上的扭转切应力 ?3?M8478??3.14MPa W2700T397200??18MPa WT5400 轴的材料为45号钢，调质处理，由轴常用材料性能表查 得:?B?640MPa,??1?275MPa,??1?155MPa 截面上由于退刀槽而形成的理论应力集中系数a?及??按机械设计手册查取。 因r2??0.04 d50 D80??1.6，经插值后可查得k d50 又由手册可得轴的材料的敏性系数为 q??0.82,q??0.85 故有应力集中系数k??1?q?(a??1)?1?0.82?(2?1)?1.82 k??1?q?(a??1)?1?0.82?(1.31?1)?1.26 由手册得尺寸系数E??0.67;扭转尺寸系数E??0.82。 15 16 湘潭大学毕业设计说明书 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 轴按磨削加工，由手册得表面质量系数为??????0.92 轴未经表面强化处理，即?q?1，按手册得综合系数为 K??k?11.821??1???1?2.80 E???0.670.92 k?11.261??1???1?1.62 E???0.820.92K?? 又由手册查得材料特性系数 ???0.1~0.2, 取???0.1 ???0.05~0.1，取??=0.05 于是，计算安全系数Sca值，按公式则得 s????1275??30.92 K???????m2.8?3.14?0.1?0 s????1155??10.57 K??a????m1.62???0.01?? sca???14.3?s?1.5 故可知其安全。 3)截面C右侧同理可的sca?7.75?s?1.5。故安全。 所以该轴在截面?右侧的强度也是足够的。本题因无大的瞬时过 载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。因此，轴的设 计校核结束。 3.5轴承的选择 3.5.1一轴上轴承的选择 16 17 湘潭大学毕业设计说明书 由轴的结构及轴力分析确定选择，底部轴承选为51107推力球轴 承，上面一个轴承选为30208圆锥滚子轴承(GB/T297-1994) 3.5.2二轴上的轴承选择 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 由轴的结构及轴力分析确定选择，底部轴承选为51105推力球轴承，上面一个选为6006深沟球轴承(GB/T276-1994) 3.6键的选择 2T?103 由各轴轴径和长?p?kld一轴下端齿轮键，度，按照键的标准尺寸表选择键的尺寸。 电机轴键以及二轴上的键规格为:8×7×26 一轴上端传动键，规格为:8×7×15 平键的材料为钢，轻微冲击，???p??为100,120Mp，???p??取=110 Mp 平键的校核公式: (k=0.5h l=L-b d为轴的直径) 3.7润滑方式及密封 3.7.1 润滑 当正在压力作用下相互接触的两个物体受切向外力的影响而发生相对滑动，或有相对滑动的趋势时，在接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一自然现象叫做摩擦，这时产生的力叫做摩擦力。摩擦是一种不可逆过程，其必然结果是能量损耗和摩擦表面物质的丧失或迁移，即磨损。减少磨损对工件的危害，需要选择适当的润滑方式。 (1)润滑剂和添加剂的选择 润滑剂是用以润滑、冷却和密封机械的摩擦部分的物质。根据来源有矿物性润滑剂(如机械油)、植物性润滑剂(如蓖麻油)和动物性润滑剂(如牛脂)。此外，还有合成润滑剂，如硅油、脂肪酸酞胺、油酸、聚酯、合成酯等。根据性状有油状液体的润滑油、油脂状半固体的润滑脂以及固体润滑剂。根据用途可分为工业润滑剂〔包括润滑油和润—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 滑脂)润滑剂的种类很多，应用广泛。润滑剂也常用于塑料等加工中改进流动性和脱模性，防止在机内或模具内粘着而产生鱼眼等缺陷。工业润滑剂主要作用是降低摩擦表面的摩擦损伤。但由于工业机械的范围很广，各种机械对润滑油的要求主要满足降低摩擦、磨损之外，还有一些随着工作 17 18 湘潭大学毕业设计说明书 环境、工作条件不同而提出的特殊要求。分为:(1)车用润滑剂:(2)工业润滑剂包括机械油(高速润滑油)、织布机油、主轴油、进轨油、轧钢油、气轮机油、压缩机油、冷冻机油、气缸油、船用油、齿轮油、机压齿轮油、车轴油、仪表油、真空泵油;(3)润滑脂。 (2)润滑方式的选择 根据润滑剂的不同，润滑可分为:?流体润滑口指使用的润滑剂为流体，又包括气体润滑(采用气体润滑剂，如空气、氢气、氦气、氮气、一氧化碳和水蒸气等)和液体润滑(采用液体润滑剂，如矿物润滑油、合成润滑油、水基液体等)两种:?固体润滑。指使用的润滑剂为固体，如石墨、二硫化钥、氮化硼、尼龙、聚四氟乙烯、氟化石墨等;?半固体润滑。指使用的润滑剂为半固体，是由基础油和稠化剂组成的塑性润滑脂，有时根据需要还加入各种添加剂。 根据摩擦副之间摩擦状态的不同，润滑分为:?流体摩擦润滑。用流体(厚度在l.5-2微米以上)将摩擦表面隔开的润滑方式。根据润滑膜压力的产生方式不同又可分为流体动压润滑(靠摩擦表面的几何形—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 状和相对运动由粘性流体的动力作用产生压力平衡外载荷)和流体静压润滑(由外部将一定压力的流体送入摩擦表面间靠流体的静压平衡外载荷)两种。?边界摩擦润滑.摩擦表面问存在一层薄膜(边界膜)时的润滑状态:它可分为吸附膜(润滑剂中的极性分子吸附在摩擦表面所形成的膜，包括物理吸附膜和化学吸附膜)和化学反应膜(润滑油中的添加剂与金属表面起化学作用生成能承受较大载荷的表面膜)两类。润滑可以延长机器设备的寿命，提高精度、节约能源。 通常，闭式齿轮传动的润滑方式有浸油润滑和喷油润滑两种，一般根据齿轮的圆周速度来确定采用哪种润滑方式。一般来说，当齿轮的圆周速度小于12m/s时，常将齿轮浸入油池进行润滑。由于行星齿轮传动系统的转速较低，且齿轮的半径较小，中心轮的圆周速度只有2.28m/s，因此采用浸油润滑，为了减少润滑油更换次数，适当地增加齿轮浸油深度，使其在10-20mm之间。同时由于所设计的行星齿轮传动系统所承受的载荷较低，所以采用中载荷工业齿轮油。 3.7.2 密封 抛光室因为要发生水合反应，故必定会弥漫着水蒸气，为使水蒸气不外露，在上机架与下机架之间垫入一层密封圈，在最上端轴承处，同样加入一层密封圈，这样就能有效防止水蒸气外露。 18 19 湘潭大学毕业设计说明书 通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 了将来机械的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。 毕业设计是我作为一名学生即将完成学业的最后一次作业，他既是对学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好开端，毕业设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力;是我在校期间向学校所交的最后一份综和性作业，从老师的角度来说，指导做毕业设计是老师对学生所做的最后一次执手训练。其次，毕业设计的指导是老师检验其教学效果，改进教学方法，提高教学质量的绝好机会。 毕业的时间一天一天的临近，毕业设计也接近了尾声。在不断的努力下我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的大概总结，但是真的面对毕业设计时发现自己的想法基本是错误的。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 外，还得出一个结论:知识必须通过应用才能实现其价值～有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。 在此要感谢我们的指导老师聂松辉老师对我悉心的指导，感谢老师们给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工 19 毕业设计总结 20 湘潭大学毕业设计说明书 作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计 过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。 致 谢 近三个月时间的毕业课题设计是我大学生活中忙碌而又充实一段时光。这里有治学严谨而又亲切的老师，有互相帮助的同学，更有积极、向上、融洽的学习生活氛围。短短的时间里，我学到了很多的东西。不仅学到就更多的理论知识，扩展了知识面，提高了自己的实际操作能力;而且学会了如何去学习新的知识，学会了面对困难和挑—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 战，学会了团结合作，互助互利。借此之际，向所有帮助、关心、支持我的老师、朋友同学，表达我最真诚的谢意。 首先感谢指导老师。本论文是在老师耐心指导下多次修改完成的。在此，我对他们的耐心指导和帮助表达我最真诚的谢意，感谢他们在这几个月来所付出的努力。在这段时间里，我从她们身上，不仅学到了许多的专业知识，更感受到了她们工作中的兢兢业业，生活中的平易近人的精神。此外，他们的严谨治学态度和忘我的工作精神值得我去学习。在此，请允许我对说一声:“老师，您辛苦了～”再次感谢您。 其次我要感谢同学们在我毕业设计的时候对我的支持和帮助。 最后，我要感谢我的母校对我的栽培，让我变得更加强大。 20 21 湘潭大学毕业设计说明书 参考文献: [1]宋玉宝.《机械设计课程设计指导书》(第一版)[M] .北京:高等教育出版社，2009年1月. [2]廖念钊,莫雨松,李硕根等.《互换性与技术测量》(第五板)[M] .北京:中国计量出版社，2010年1月. [3]濮良贵，纪名刚.《机械设计》(第八版)[M] .北京:高等教育出版社，2006年5月. [4]周良德，朱泗芳，杨世平.《现代工程图学》(第二版)[M] .湖南:湖南科学技术出版社，2007年11月. [5]孙恒，陈作模，葛文杰.《机械原理》(第七版)[M] .北京:高—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 等教育出版社，2010年1月. [6]周增文.《机械加工工艺基础》(第一版)[M] .湖南:中南大学出版社，2010年3月. [7]汤酞则.《材料成形工艺基础》(第一版)[M] .湖南;中南大学出版社，2008年7月. [8]苏旭平.《工程材料》(第一版)[M] .湖南:湖南大学出版社，2008年9月. [9]裘建新.《机械原理课程设计指导书》(第一版)[M] .北京:高等教育出版社，2009年7月. 21 22 湘潭大学毕业设计说明书 22 1 湘潭大学毕业设计说明书 湘 潭 大 学 毕业论文(设计)评阅表 学号 2008963129 姓名 贾骁 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计)题目: 2 湘潭大学毕业设计说明书 ——————————————————————————————————————