超高壓水射流噴丸機(jī)床設(shè)計(jì)【優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)資料】【7張CAD圖紙+說明書】

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A1-滾珠絲杠副.dwg---(點(diǎn)擊預(yù)覽)

A1-滾動(dòng)導(dǎo)套副.dwg---(點(diǎn)擊預(yù)覽)

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內(nèi)容簡(jiǎn)介：: 摘要超高壓水射流噴丸機(jī)床的設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)普通超高壓水射流切割機(jī)床進(jìn)行的改造，使其具有對(duì)工件進(jìn)行噴丸硬化處理功能?？刂葡到y(tǒng)利用微機(jī)對(duì)縱橫系統(tǒng)開環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)元件采用直流步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠，導(dǎo)向裝置采用滾動(dòng)導(dǎo)套副，夾緊裝置為專用旋轉(zhuǎn)夾具對(duì)工件實(shí)現(xiàn)連續(xù)等角速度旋轉(zhuǎn)和按一定角度間休轉(zhuǎn)動(dòng)。由微機(jī)發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，然后帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件的周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹了水射流數(shù)控噴丸機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)，工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：噴丸機(jī) 超高壓水射流步進(jìn)電機(jī) 滾珠絲杠滾動(dòng)導(dǎo)套AbstractThe design of superhigh pressure water jet stream blast peening rotoblast machine tool , mainly the remolding of ordinary high pressure water jet stream cutting-off machine tool , has the function of peening disposal to the work piece . The control system utilizes microcomputer to make open loop control toward the vertical-horizontal system , the drive elements use the direct-current step-servo motor , drive system applies the ball screw , the deflector adopts rolling guide-post bushings , and chucking fixture uses special rotating fixture in order to achieve the work piece continuous rotating with angular speed or intermittent rotating with a certain angle . The whole procedure is as follows : microcomputer sends out commands to drive the step-servo motor and bring along the ball screw rolling , then realizes turnover sports of the work piece . All of the above recommends in detail the overall structure , the working thesis and the original design of water jet stream numeric control blast peening rotoblast machine tool .Keyword：Blast peening rotoblast machine tool The superhigh- pressure waterjet Step-servo motor The ball screw Flowing guide-post bushing 71 第1章緒論1.1 噴丸機(jī)概述及發(fā)展現(xiàn)狀噴丸強(qiáng)化加工因其具有提高金屬構(gòu)件抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕能力的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。它產(chǎn)生于本世紀(jì)20年代，最先在汽車工業(yè)中應(yīng)用。60年代之后，又在航空行業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中一切關(guān)鍵承力件經(jīng)過噴丸強(qiáng)化之后，其強(qiáng)化效果之顯著，成本之低廉，使得所有其它表面強(qiáng)化工藝都相形見錯(cuò)。噴丸是使受噴材料在再結(jié)晶溫度下進(jìn)行的一種冷加工方法，加工過程由彈丸流在很高的速度下撞擊受噴表面而完成的。每顆彈丸好比一只微小的錘頭錘擊受噴工件，在它的表面形成一個(gè)很小的凹坑，見圖1-1。彈丸撞擊受噴工件圖1-1時(shí)，工件表面迅速伸長(zhǎng)，從而引起表層材料在一定深度范圍內(nèi)的塑性流動(dòng)（塑性變形）。變形層的深度取決于彈丸撞擊程度和材料的力學(xué)性能，通常變形層深度可達(dá)0.12-0.75mm。改變噴丸參數(shù)，也可以得到高于或低于上述數(shù)值的變形層深度。當(dāng)噴丸引起表面材料塑性變形時(shí)，與表層相連接的次表層材料也將由于表層變形而發(fā)生變形。但與表層相比較，次表層的變形程度較小，并未達(dá)到該材料的屈服點(diǎn)而保持彈性變形狀態(tài)，因此，表層與次表層的這種不均勻塑性變形，能引起材料受噴后表面層的應(yīng)力場(chǎng)（即應(yīng)力分布的）改變。實(shí)驗(yàn)表明，噴丸后表層呈現(xiàn)殘余壓縮應(yīng)力，而在一定深度的次表層則為拉伸應(yīng)力。表層的殘余壓縮應(yīng)力可比次表層的拉伸應(yīng)力高達(dá)數(shù)倍。這種殘余應(yīng)力分布模式很有利于疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性的提高。噴丸采用的專門設(shè)備，按照驅(qū)動(dòng)彈丸的方式，可分為葉輪式噴丸機(jī)、氣動(dòng)式噴丸機(jī)和液動(dòng)式噴丸機(jī)三大類。噴丸機(jī)又有干噴和濕噴之分。干噴工作條件差；濕噴是將彈丸混合在液體中，呈懸浮狀，然后噴射工件表面，工件條件有所改善。噴丸機(jī)中還有一個(gè)使零件做所需運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，成為轉(zhuǎn)胎。噴丸用的彈丸都是圓形彈丸，直徑為0.05-1.2mm不等。常用的彈丸有鑄鐵、鑄鋼彈丸，還有鋼彈丸，玻璃彈丸，硬質(zhì)合金彈丸等。噴丸時(shí)彈丸材料和直徑的選擇，將根據(jù)需噴丸的零件特點(diǎn)決定，要保證彈丸直徑小于需要強(qiáng)化的溝槽圓角的尺寸。1.2 高壓水射流加工技術(shù)“水滴石穿”體現(xiàn)了在人們眼中秉性柔弱的水本身潛在的威力，然而，作為一項(xiàng)獨(dú)立而完整的加工技術(shù)，高壓水射流(WJ)、磨料水射流(AWJ)的產(chǎn)生卻是最近三十年的事，利用高壓水為人們的生產(chǎn)服務(wù)始于十九世紀(jì)七十年代左右，用來開采金礦，剝落樹皮，直到二戰(zhàn)期間，飛機(jī)運(yùn)行中“雨蝕”使雷達(dá)艙破壞這一現(xiàn)象啟發(fā)了人們思維。直到本世紀(jì)五十年代，高壓水射流切割的可能性才源于蘇聯(lián)，但第一項(xiàng)切割技術(shù)專利卻在美國(guó)產(chǎn)生，即1968年由美國(guó)密蘇里大學(xué)林學(xué)教授諾曼弗蘭茲博士獲得。在最近十多年里，水射流(WJ、AWJ)切割技術(shù)和設(shè)備有了長(zhǎng)足進(jìn)步，其應(yīng)用遍及工業(yè)生產(chǎn)和人們生活各個(gè)方面。許多大學(xué)、公司和工廠競(jìng)相研究開發(fā)，新思維、新理論、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，形成了一種你追我趕的勢(shì)頭。目前已有3000多套水射流切割設(shè)備在數(shù)十個(gè)國(guó)家?guī)资畟€(gè)行業(yè)應(yīng)用，尤其是在航空航天、艦船、軍工、核能等高、尖、難技術(shù)上更顯優(yōu)勢(shì)。已可切割500余種材料，其設(shè)備年增長(zhǎng)率超過20。超高壓水射流加工是利用高壓、高速的細(xì)徑液流作為工作介質(zhì)，對(duì)工件表面進(jìn)行噴射，依靠液流產(chǎn)生的沖擊作用去除材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切割。稍微降低水壓或增大靶距和流量，還可以進(jìn)行高壓清洗、破碎、表面毛化、去毛刺及強(qiáng)化處理。超高壓水射流與激光、離子束、電子束一樣，同屬于高能束加工的技術(shù)范疇。世界上第一臺(tái)純水高壓水切割設(shè)備誕生于1974年，第一臺(tái)磨料高壓水切割設(shè)備誕生于1979年。自20世紀(jì)80年代末以來，我國(guó)依靠自己的力量，自主開發(fā)成功了各類超高壓水射流切割設(shè)備，并開始了大量的工藝試驗(yàn)研究。目前，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，在機(jī)械、建材、建筑、國(guó)防、輕工、紡織等領(lǐng)域正發(fā)揮著日益重要的作用。中國(guó)自古有“滴水穿石”之說，如今利用超高壓水射流技術(shù)切割石材和其他材料已成為現(xiàn)實(shí)。將過濾后的工業(yè)用水加壓至100-400MPa再經(jīng)過直徑0.08-0.15mm的噴嘴孔后，形成500-900m/s的超高速細(xì)徑水柱，功率密度高達(dá)106w/mm2,可以切割塑料、石棉、碳纖維等軟質(zhì)材料。在超高壓水射流中混入磨料，磨料顆粒便被加速，形成磨料高壓水射流，可以切割石才、金屬等硬質(zhì)材料。圖1-2所示為超高壓水射流切割原理圖。存儲(chǔ)在水箱1中的水經(jīng)過過濾器2處理后，由水泵3抽出送至蓄能器4中。液壓機(jī)構(gòu)5驅(qū)動(dòng)增壓器6使水壓增高，高壓水經(jīng)控制器7閥門8和噴嘴9噴射到工件10上的加工部位進(jìn)行切割。切割過程中產(chǎn)生的切屑和水混合在一起排入水槽11。圖1-2 超高壓水射流切割原理圖1水箱 2過濾器 3水泵 4蓄能器 5液壓機(jī)構(gòu) 6增壓器7控制器 8閥門 9噴嘴 10工件 11水槽 12夾具超高壓水射流本身具有較高的剛性，在與工件發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生及高的沖擊動(dòng)壓和渦流。從微觀上看，相對(duì)于射流平均速度存在著超高速區(qū)和低速區(qū)（有時(shí)可能為負(fù)值）因而超高壓水射流表面上雖為圓柱模型，而內(nèi)部實(shí)際上存在剛性高和剛性低的部分。剛性高的部分產(chǎn)生的沖擊動(dòng)壓使傳播時(shí)間減少，增大了沖擊強(qiáng)度，從宏觀上看起快速楔劈的作用；而低剛度部分相對(duì)于高剛度部分形成了柔性空間，起吸屑排屑的作用。兩者的結(jié)合，正好象使其在切割材料時(shí)猶如一把軸向“鋸刀”加工一樣。超高壓水射流使用廉價(jià)的水作為工作介質(zhì)，是一種冷態(tài)加工新工藝，屬于綠色加工范疇，是目前世界上先進(jìn)的切割工藝方法之一，它可以切割各種金屬、非金屬材料，各種硬、脆、韌性材料，在石才加工等領(lǐng)域具有其他加工方法無法比擬的優(yōu)勢(shì)。目前超高壓水射流加工技術(shù)存在的主要問題是：噴嘴的成本高，使用壽命，切割速度和精度仍有待進(jìn)一步提高。1.3 高壓水射流數(shù)控機(jī)床自1983年，磨料射流切割技術(shù)作為冷切割新技術(shù)、新工藝在美國(guó)進(jìn)入實(shí)用階段以來，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到了迅速發(fā)展，目前廣泛地應(yīng)用于眾多工業(yè)部門。我國(guó)第一臺(tái)高壓水/后混合磨料射流切割設(shè)備SHG-1雙坐標(biāo)數(shù)控高壓水切割機(jī)，于1985年由航空工藝研究所研制成功。SHG-1雙坐標(biāo)數(shù)控高壓水切割機(jī)床的主要技術(shù)規(guī)格及性能：(1) 切割對(duì)象任何金屬或非金屬板材(2) 切割頭最大工作行程 X軸（縱向） 1m Y軸（橫向） 1m(3) 切割頭最高移動(dòng)速度 9m/min(4) 切割厚度取決于被切割材料的性質(zhì)及對(duì)切口斷面要求(5) 噴嘴個(gè)數(shù) 1個(gè)(6) 噴嘴直徑 0.1mm-0.4mm(7) 切割精度水切割磨料切割 (8) 噴嘴出口最高壓力 385MPa(9) 增壓器類型 11X-2(10) 噴嘴控制形式氣動(dòng)噴嘴開關(guān)閥(11) 控制系統(tǒng) FANUC-3M (12) 水消耗量（最大）切割用水 4.7L/min 冷卻用水 27L/min(13) 壓縮空氣壓力 0.5MPa-0.7MPa流量 0.4 L/min(14) 機(jī)床外廓尺寸（長(zhǎng)寬高）3.2m2.6m1.9m 工作時(shí)，可按被加工工件圖形所編制的程序高精度地自動(dòng)切割，可用于各種批量的下料切割及零件的補(bǔ)充切割。用直徑為0.3mm的噴嘴，壓力為385MPa的水射流，以1000mm/min的切割速度，能夠切透6mm厚的芳綸/環(huán)氧，切口質(zhì)量好；用直徑為0.3mm的水噴嘴，直徑為1.6mm的磨料噴嘴，壓力為200 MPa的后混合磨料射流，以1000mm/min的切割厚度，能夠切透1mm厚的鈦板，切口質(zhì)量很好。 2000年由上海大學(xué)研制成功了高性能高壓水/前混合磨料射流切割設(shè)備JSQ-1010型磨料水射流數(shù)控切割機(jī)床，該機(jī)床的特點(diǎn)是： (1) 機(jī)床工作臺(tái)由收集箱、左右支架、滾動(dòng)絲杠、導(dǎo)向軸、臺(tái)面框和磨料噴嘴架組成龍門式結(jié)構(gòu)。工作臺(tái)面尺寸為1m1m,平面內(nèi)x、y方向進(jìn)給采用步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)滾珠絲杠副，實(shí)現(xiàn)噴嘴的平面運(yùn)動(dòng)。 (2) 數(shù)控系統(tǒng)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，以Windows 98操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，具有自動(dòng)編程、加工程序編輯、加工軌跡圖形仿真、圖象轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)通訊功能。(3) 機(jī)床的重復(fù)定位精度達(dá)0.05mm以內(nèi)，最大切割速度為3m/min。(4) 采用側(cè)孔式磨料供給系統(tǒng)，供料均勻、不堵塞。目前雖然磨料射流切割設(shè)備的形式較多，但其組成基本類同，主要包括供水系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、磨料供給系統(tǒng)、切割頭裝置、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、工作臺(tái)、收集箱等幾部分。 (1) 供水系統(tǒng) 將水質(zhì)軟化，使pH值達(dá)到6-8，并濾去水中粒徑大于0.45m的塵埃、微粒、礦物質(zhì)沉淀物等，以避免對(duì)水噴嘴的堵塞，減輕對(duì)通流部件的磨損和腐蝕，延長(zhǎng)各部件的使用壽命。 (2) 增壓系統(tǒng) 將水增壓到工作壓力，主要用柱塞泵或增壓泵。(3) 磨料供給系統(tǒng) 保證均勻、連續(xù)、精確地供給磨料。 (4) 切割裝置將工作介質(zhì)的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，產(chǎn)生高能流束切割工件。 (5) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 控制切割頭運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二維或多維切割。控制方式有手動(dòng)、機(jī)動(dòng)、NC和CNC等。(6) 工作臺(tái) 安裝固定工件和導(dǎo)向。 (7) 收集箱置于切割工作臺(tái)下面，回收切割后的水和磨料，吸收切割后剩余能量，具有集液、消能、降噪、防濺和安全保護(hù)等作用。1.4 高壓水射流數(shù)控機(jī)床1.4.1高壓水射流噴丸機(jī)工作原理高壓水射流噴丸加工是一種以水為介質(zhì)的新型加工工藝，它市將普通水經(jīng)過特殊處理后注入一個(gè)超高壓增壓系統(tǒng)，迅速將水增壓到380MPa以上，然后再將這種高壓水輸送到彈丸噴頭，經(jīng)水噴嘴噴出形成高壓水射流，并在混合室產(chǎn)生一定的高壓。彈丸罐中的彈丸在自重作用下流入下部的供水管路中，靠外界大氣壓與混合室之間的壓力差在管路中形成的氣力運(yùn)輸效應(yīng)將鋼丸輸送到混合室，并與水射流發(fā)生劇烈的摻混和動(dòng)量交換后，經(jīng)磨料彈丸噴嘴噴出形成彈丸射流。高壓水射流噴丸機(jī)的工作原理是靠“抽吸”作用實(shí)現(xiàn)輸送介質(zhì)的，因此效率低、混合效果差。但其鋼丸供給均勻、能實(shí)現(xiàn)精確連續(xù)供丸、易調(diào)節(jié)，故本設(shè)計(jì)選用。初定選用龍門式機(jī)架結(jié)構(gòu)其工作原理示意圖如圖1-3所示，即噴嘴安裝在切割頭上，沿X軸作直線運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，橫梁還可沿軸在工作臺(tái)上作直線運(yùn)動(dòng)。硬化處理時(shí)，工件固定在工作臺(tái)（水槽）或?qū)Ｓ脢A具上，切割頭在橫梁上沿X軸作直線運(yùn)動(dòng)；橫梁沿Y軸作直線運(yùn)動(dòng)。初定X軸、Y軸均采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置和線性導(dǎo)軌，這樣可以具有高度的運(yùn)動(dòng)精度，在數(shù)控系統(tǒng)的程序控制下可實(shí)現(xiàn)對(duì)平圖1-3 超高壓水射流噴丸機(jī)工作原理圖面運(yùn)動(dòng)。初定X軸、Y軸均采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置和線性導(dǎo)軌，這樣可以具有高度的運(yùn)動(dòng)精度，在數(shù)控系統(tǒng)的程序控制下可實(shí)現(xiàn)對(duì)平面及曲面的表面硬化處理。1.4.2高壓水射流噴丸機(jī)床系統(tǒng)組成高壓水射流噴丸機(jī)主要包括高壓增壓器、超高壓增壓器、蓄能器、高壓水/鋼丸噴射系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、CAD控制器及CAD/CAM套裝軟件。當(dāng)常態(tài)水被高壓增壓器加壓后，壓力可增至15MPa以上，然后進(jìn)入超高壓增壓器，經(jīng)柱塞加壓后，壓力可增達(dá)382MPa再進(jìn)入蓄能器管腔中，消除高壓脈動(dòng)，經(jīng)高壓噴嘴噴出，在混合室摻混鋼丸后鋼丸獲得巨大能量。1.4.3 高壓水射流噴丸機(jī)床的設(shè)計(jì)任務(wù)及其創(chuàng)新性1、設(shè)計(jì)任務(wù) 本次設(shè)計(jì)主要對(duì)高壓水射流噴丸機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)參數(shù)如下：(1) 噴頭最大工作行程 X軸（縱向） 1m Y軸（橫向） 1m(2) 噴頭最高移動(dòng)速度 15m/min 最大工作速度 3m/min(3) 噴嘴數(shù)量 1 個(gè)(4) 靶距 H=200mm(5) 旋轉(zhuǎn)夾具所夾工件最大軸徑 50mm所夾工件最大長(zhǎng)度 700-800mm2、創(chuàng)新性在已有的系統(tǒng)基礎(chǔ)上利用水射流產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力結(jié)合表面處理工藝使該系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上具有對(duì)工件進(jìn)行噴丸硬化處理的功能，以提高機(jī)床的實(shí)用價(jià)值。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)用計(jì)算機(jī)早已普及，在用戶承擔(dān)的費(fèi)用增加不多的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)多用途加工，減小工時(shí)等優(yōu)越條件，具有良好發(fā)展前景。第2章傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核2.1 滾珠絲杠副基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)2.1.1 滾珠絲杠副的組成滾珠絲杠副是在滾珠絲杠和滾珠螺母之間以滾珠為滾動(dòng)體的螺旋傳動(dòng)元件（見圖2-1）。在滾珠螺母體上裝有滾珠循環(huán)裝置，又稱反向器，它構(gòu)成滾珠返回通道，使?jié)L珠在閉合回路中形成滾珠鏈的反復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。避免了滾珠順著滾道螺旋面滾到滾珠螺母外面。滾珠絲杠副由滾珠、滾珠絲杠、滾珠螺母、滾珠循環(huán)裝置（又稱反向器）組成（見圖2-2）。這些基本件缺一不可。根據(jù)需要滾珠絲杠上還可以增加如防塵用的密封件、滑用的潤(rùn)滑件、預(yù)緊零件等。c)圖2-1 滾珠絲杠副1-螺母鋼球 2-擋球器（圖a） 3-返向器（圖b） 4-絲杠在滾珠螺母體上裝有滾珠循環(huán)裝置，又稱反向器，它構(gòu)成滾珠返回通道，使?jié)L珠在閉合回路中形成滾珠鏈的反復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。避免了滾珠順著滾道螺旋面滾到滾珠螺母外面。滾珠絲杠副由滾珠、滾珠絲杠、滾珠螺母、滾珠循環(huán)裝置（又稱反向器）組成（見圖2-2）。這些基本件缺一不可。根據(jù)需要滾珠絲杠上還可以增加如防塵用的密封件、滑用的潤(rùn)滑件、預(yù)緊零件等。圖2-2 滾珠絲杠副的組成2.1.2 滾珠絲杠副的基本結(jié)構(gòu) 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)主要可以按滾道螺旋面的法向截型、滾珠的循環(huán)方式、滾珠絲杠副軸向間隙的預(yù)緊方式分類。(1) 按滾道螺旋面的法向截型分類通過滾珠中心并垂直于滾道螺旋面的平面和滾道表面的交線稱滾道法向截形，常用的滾道法向截形有兩種：?jiǎn)螆A弧形和雙圓弧形。(2) 按滾珠循環(huán)方式分類1) 內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副：滾珠在循環(huán)過程中，始終不脫離滾珠絲杠表面。2) 外循環(huán)滾珠絲杠副：滾珠在循環(huán)反向時(shí)，離開滾珠絲杠外表面。(3) 按軸向間隙的調(diào)整及預(yù)緊方式分類滾珠絲杠副在工作狀態(tài)下滾珠與螺母、絲杠的接觸點(diǎn)的應(yīng)力和變形情況餓一般的角接觸球軸承十分相似，兩者區(qū)別主要在于前者滾道是一螺旋面，后者滾道是一圓環(huán)面。滾珠絲杠副按預(yù)緊方式分類（見表2-1）所示。內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式反向器固定式反向器外循環(huán)插管式埋入凸出螺旋槽式端蓋式表2-1 循環(huán)方式2.1.3 滾珠絲桿副傳動(dòng)的特點(diǎn)(1) 傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副傳動(dòng)的效率=0.920.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高34倍（滑動(dòng)絲桿效率為0.20.4）。因此，功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲桿螺母副的。 (2) 給予適當(dāng)預(yù)緊，殼消除絲桿和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空程死區(qū)，定位精度高，剛性好。(3) 啟動(dòng)力矩小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高，同步性好。(4) 有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲桿和螺母都可以作為主動(dòng)件。(5) 磨損小，使用壽命長(zhǎng)，精度保持性好。(6) 制造工藝復(fù)雜。滾珠絲桿和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值特別小，制造成本高。(7) 不能自鎖。特別是對(duì)于垂直絲杠，由于重力作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需添加制動(dòng)裝置。2.1.4 典型滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)圖23 單螺母外循環(huán)滾動(dòng)螺旋副1螺母 2套 3鋼球 4螺旋槽返回通道 5擋球器 6絲杠圖24 雙螺母外循環(huán)螺紋調(diào)整式滾動(dòng)螺旋副1、7螺母 2擋球器 3鋼球 4絲杠 5墊圈 6圓螺母圖25 雙螺母內(nèi)循環(huán)墊片調(diào)整式滾動(dòng)螺旋副1、6螺母 2調(diào)整墊片 3返向器 4鋼球 5絲杠圖26 雙螺母內(nèi)循環(huán)齒差調(diào)整式滾動(dòng)螺旋副1、6螺母 2內(nèi)齒圈 3返向器 4鋼球 5絲杠2.1.5 軸向間隙的消除軸向間隙通常是指絲杠和螺母之間無現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲桿螺母之間的最大軸向竄動(dòng)。除了結(jié)構(gòu)本身的游隙之外，在施加軸向載荷以后，還包括了彈性變形所造成的竄動(dòng)。滾珠絲桿副通過預(yù)緊的方法消除間隙時(shí)應(yīng)考慮下列情況：預(yù)緊載荷能夠有效的減少嘆息功能變形所到來的軸向移動(dòng)，但是過大的預(yù)緊載荷將增加摩擦阻力，降低傳動(dòng)效率，并使壽命大為縮短。所以，一般要經(jīng)過幾次調(diào)整才能保證機(jī)床在最大軸向載荷下，既消除了間隙，又能靈活運(yùn)轉(zhuǎn)。減少間隙常采用雙螺母消隙。常有以下幾種：（）雙螺母尺差預(yù)緊（圖27a），在這個(gè)結(jié)構(gòu)上兩個(gè)滾珠絲杠螺母上切有內(nèi)齒輪，齒數(shù)分別為和，且，雙聯(lián)齒輪上齒數(shù)也分別為和。齒數(shù)相同的齒輪相嚙合。調(diào)整預(yù)緊力時(shí)，需將滾珠螺母從滾珠絲杠上擰下。將滾珠螺母體與雙聯(lián)齒輪脫開，然后兩個(gè)滾珠螺母體向相同方向各轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，再與雙聯(lián)齒輪嚙合，這樣兩個(gè)滾珠螺母在圓周方向有了相對(duì)旋轉(zhuǎn)。滾珠螺母體與滾珠絲杠的接觸點(diǎn)就產(chǎn)生了軸向位移。當(dāng)時(shí)，。這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，調(diào)整預(yù)緊力不方便，因此使用不廣泛。但調(diào)整精度高，適用于要獲得準(zhǔn)確預(yù)緊力的傳動(dòng)。（）雙螺母對(duì)旋預(yù)緊（圖27b）。調(diào)整預(yù)緊力的原理與雙螺母齒差相同。有兩個(gè)滾珠螺母體相反方向的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致兩個(gè)滾珠絲桿的接觸點(diǎn)產(chǎn)生軸向位移。預(yù)緊力調(diào)整好之后，在中間隔圈上需打防松定位銷。這種結(jié)構(gòu)在雙螺母預(yù)緊結(jié)構(gòu)中軸向尺寸最小，但防松不夠可靠，調(diào)整也不夠方便。僅適用于輕載荷、預(yù)緊力不大的傳動(dòng)。 (a)(b) 圖27 雙螺母齒差預(yù)緊（a. 齒差預(yù)緊 b. 對(duì)旋預(yù)緊）（）雙螺母墊片預(yù)緊（圖28）。其中圖a屬于拉伸預(yù)緊，預(yù)緊力對(duì)滾珠絲桿產(chǎn)生拉應(yīng)力。圖b屬于壓縮預(yù)緊，預(yù)緊力對(duì)滾珠絲桿產(chǎn)生壓應(yīng)力。（）雙螺母螺紋預(yù)緊（圖29）。導(dǎo)向平鍵限制兩個(gè)滾珠螺母的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。右邊一個(gè)滾珠螺母上裝有調(diào)整螺母，調(diào)整預(yù)緊力時(shí)，不需將滾珠螺母從滾珠絲桿上擰下來，只需旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺母使右邊滾珠螺母的軸向位置改變到即可。預(yù)緊力調(diào)整方便，但預(yù)緊力較難精確控制。這種結(jié)構(gòu)徑向尺寸大、軸向尺寸長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。有時(shí)為減小徑向尺寸，不用襯套，直接將兩個(gè)滾珠螺母裝入有鍵槽的螺母座中。圖2-8 雙螺母墊片預(yù)緊（）雙螺母螺紋預(yù)緊（圖29）。導(dǎo)向平鍵限制兩個(gè)滾珠螺母的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。右邊一個(gè)滾珠螺母上裝有調(diào)整螺母，調(diào)整預(yù)緊力時(shí)，不需將滾珠螺母從滾珠絲桿上擰下來，只需旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺母使右邊滾珠螺母的軸向位置改變到即可。預(yù)緊力調(diào)整方便，但預(yù)緊力較難精確控制。這種結(jié)構(gòu)徑向尺寸大、軸向尺寸長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。有時(shí)為減小徑向尺寸，不用襯套，直接將兩個(gè)滾珠螺母裝入有鍵槽的螺母座中。圖29 雙螺母螺紋預(yù)緊比較以上的四種結(jié)構(gòu)方式，我們采用雙螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu)。2.1.6 滾珠絲杠的安裝與支承1、滾珠絲杠副軸端的支承形式數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給要獲得較高的傳動(dòng)剛度，除了加強(qiáng)滾珠絲杠螺母副本身的剛度外，滾珠絲杠正確安裝及其支承的結(jié)構(gòu)剛度也是不可忽視的因素。螺母座絲杠端部的軸承及其加工的不精確性和它們?cè)谑芰χ蟮倪^量都會(huì)給進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度帶來影響。因此，螺母座的孔與螺母之間必須保持良好的配合，并應(yīng)保證孔對(duì)端面的垂直度。螺母座應(yīng)增加適當(dāng)?shù)慕畎?，并加大螺母座和機(jī)床結(jié)合部件的接觸面積，以提高螺母座的局部剛度和接觸剛度。滾珠絲杠的不正確安裝以及支承機(jī)構(gòu)的剛度不足會(huì)使?jié)L珠絲杠的壽命大為下降。滾珠絲桿常用推力軸承支承，以提高軸向剛度（當(dāng)軸向負(fù)載很小時(shí)，也可用角接觸軸承），滾珠絲杠在機(jī)床上的安裝支承方式有以下幾種：（1）一端裝推力軸承如圖a ，這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度低。只適用于短絲桿，一般用于數(shù)控機(jī)床的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)或升降臺(tái)式數(shù)控銑床的立向（垂直）坐標(biāo)中。（2）一端裝推力軸承，另一端裝向心球軸承如圖b ，此種方式可用于絲杠較長(zhǎng)的情況。應(yīng)將止推軸承遠(yuǎn)離液壓馬達(dá)熱源及絲杠上的常用段，以減少絲杠熱變形的影響。（3）兩端裝推力軸承如圖c ，把推力軸承裝在滾珠絲桿的兩端，并施加預(yù)緊拉力，這樣有助于提高剛度，但這種安裝方式對(duì)絲杠的熱變形較為敏感，軸承的壽命較兩端裝推力軸承及向心球軸承方式低。（4）兩端裝推力軸承及向心球軸承如圖 d , 為使絲桿具有最大的剛度，它的兩端可用雙重支承，即推力軸承加向心軸承，并施加預(yù)緊拉力。這種結(jié)構(gòu)方式不能精確地預(yù)先預(yù)定預(yù)緊力，預(yù)緊力地大小是由絲杠地溫度表形轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的。但設(shè)計(jì)時(shí)要求提高推力軸承的承載能力和支架剛度。綜合分析后，在本次設(shè)計(jì)改造中，橫向絲杠支承形式我們采用第（2）種形式?？v向絲杠支承形式采用第（4）種形式，使支承可靠，承載能力大，同時(shí)可以在溫升時(shí)使熱變形轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力。2.2 運(yùn)動(dòng)支架滾珠絲杠副副的選型計(jì)算已知: 工作臺(tái)重量W1=1000N工作臺(tái)最大行程 LK=1000mm工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù):動(dòng)摩擦系數(shù)=0.1 靜摩擦系數(shù)0=0.2 快速進(jìn)給速度 Vmax=7.5m/min定位精度20 m/300mm全行程25m重復(fù)定位精度10m要求壽命20000小時(shí)(兩班制工作十年)。表2-2加工方式進(jìn)給速度Vi(m/min)工時(shí)百分比%絲杠軸向載荷(N)絲杠轉(zhuǎn)速r/min一般加工1701000100最高加工速度3201000300快速進(jìn)退7.51010007501 確定滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph = 式中： Ph ：滾珠絲杠副的導(dǎo)程 mm Vmax ：最大行程 3m/min nmax ：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 1500r/min i ：傳動(dòng)比齒輪一級(jí)減速 i=0.5 代入得， Ph = 4 mm 圓整為 Ph = 5 mm 滾動(dòng)螺旋結(jié)構(gòu)形式定為內(nèi)循環(huán)式（見圖2-7）。在結(jié)構(gòu)上在螺母上開有側(cè)孔，孔內(nèi)鑲有反向器，將相鄰兩螺紋滾道聯(lián)接起來，剛球從螺紋滾道進(jìn)入返向器，越過螺桿牙頂進(jìn)入相鄰螺紋滾道，形成循環(huán)通道。這樣的結(jié)構(gòu)螺母的外型尺寸小和滑動(dòng)螺旋副大致相同。剛球循環(huán)通道短，有利于減少剛球數(shù)量減小摩擦損失，提高傳動(dòng)效率。但返向器回行槽加工要求高且不適于重載傳動(dòng)。消除間隙和調(diào)整預(yù)緊的結(jié)構(gòu)形式為齒差式（見圖2-7a所示）。螺母1、2的凸緣上有外齒，分別與緊固在螺母座兩端的內(nèi)齒圈3、4（或滑塊）嚙合，其齒數(shù)分別為Z1和Z2，且Z2=Z1+1。兩個(gè)螺母向相同方向同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，調(diào)整的軸向位移量為S=（p 螺距）。此形式能夠精確地調(diào)整預(yù)緊力，易用于高精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。2 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷(1) 各進(jìn)給速度下絲杠轉(zhuǎn)速ni = ni ：絲杠轉(zhuǎn)速 r/min i=1,2,n Vi ：進(jìn)給速度 m/min i=1,2,n 由表2-2得 V1 = 1 m/min V2 = 3 m/min V3 = 7.5 m/min Ph = 5 mm 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)為噴丸機(jī)床，且靶距保持在30mm左右，故認(rèn)為絲杠軸向載荷不變，即工作臺(tái)重量W1= 100 Kg 則 F1=F2=F3=1000N(2) 當(dāng)量轉(zhuǎn)速由表2-2查得 t1 = 70 t2 = 20 t3 = 10 代入得：nm =410 r/min 代入得： Fm =743 N 3 預(yù)期額定動(dòng)載荷(1) 按預(yù)期工作時(shí)間估算式中：Cam : 預(yù)期額定動(dòng)載荷 N Lh : 預(yù)期工作時(shí)間查表6.2-87（機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)）取 Lh = 20000 h fw : 載荷系數(shù) 查表6.2-90（機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)）取 fw = 1.2 （無沖擊） fa : 速度系數(shù) 根據(jù)初定精度等級(jí)T類-傳動(dòng)滾珠絲杠通常選用精度等級(jí)5級(jí)查表6.2-88（機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)）取 fa = 0.9 fc : 可靠性系數(shù) 查表6.2-89（機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)）取可靠性為90% 則查得 fc = 1一般情況下fc = 1。在重要場(chǎng)合下，要求一組同樣的滾珠絲杠副在同樣條件下，使用壽命超過希望壽命的90%時(shí)見表6.2-89（機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)）已知： nm =410 r/min代入得： Cam = 7819N按滾珠絲杠的預(yù)期運(yùn)行距離LS(Km)估算Cam = 式中:LS : 預(yù)期運(yùn)行距離LS(Km),一般取250Km其它代號(hào)意義同上代入得: Cam = 5885.65N(2) 擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載Fmax計(jì)算：式中:fe : 預(yù)加載荷系數(shù) 查表6.2-91（機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)）預(yù)載取 fe = 6.7代入得:Cam = 4977N取以上兩種結(jié)果的最大值 Cam = 7819N4 按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋直徑（1）估算絲杠允許的最大軸向變形量m 。按規(guī)定m = （）重復(fù)定位精度按規(guī)定m （）定位精度已知：重復(fù)定位精度為10m、定位精度為25m則 m = 3m m = 6m取兩種結(jié)果最小值m = 3m（2）估算滾珠絲杠副的最小螺紋底徑d2m 。取絲杠安裝方式為兩端固定形式如圖2-8所示（圖6.2-88d機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)）圖2-8 滾珠絲杠安裝方式示意圖式中：E : 楊式彈性模量 2.1105MPm : 估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量m F0 : 導(dǎo)軌靜摩擦力 N 。F0 = 0(0為靜摩擦因數(shù)) F0 = 200NL : 滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支撐的最大距離 mmL按下式計(jì)算： L=行程+安全行程+兩個(gè)余程+螺母長(zhǎng)度+1個(gè)支撐長(zhǎng)度 =（1.11.2）行程+（1014）Ph=1270代入得：d2m = 11.35mm5、確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)（1）根據(jù)傳動(dòng)方式及使用情況，按照樣本選為內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭。雙螺母墊片預(yù)緊形式，其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓縮預(yù)緊可用螺釘，圓柱防止兩個(gè)滾珠螺母相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。預(yù)緊力調(diào)整方便，調(diào)整后不易松動(dòng)，剛度高。（2）由計(jì)算出的Ph ，Cam ，d2m 在樣本中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副， Ph = 5mm Cam = 7819N d2m = 11.5mm查絲杠產(chǎn)品（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，機(jī)械傳動(dòng)，表11-1-30）確定本設(shè)計(jì)選型為： FFZD2505-3 其技術(shù)參數(shù)如下： Ph = 5mm Ca = 9KNCam =7.819KN d2 = 21.9mmd2m =11.5mm螺母長(zhǎng)度L=83mm，額定動(dòng)載C0a=17KN，剛度R=536Nm-1由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)3卷表22.4-15查得，Ph = 5mm時(shí)剛球直徑 D=3.175（）公稱直徑 d=25mm螺紋升角 =339 圈數(shù)列數(shù) 21滾珠螺母連接形式如圖2-9所示，尺寸為（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 機(jī)械傳動(dòng) 表11-1-21）： d=25mm Ph w= 5mm D1=40mm D=66mm D4=53mm B=11mm D5=5.5mm D6=10mm h=5.7mm6、對(duì)預(yù)緊絲杠副，確定其預(yù)緊力FP 由于選擇FFZD預(yù)緊螺母形式的滾珠絲杠副，則需規(guī)定預(yù)緊力FP。因最大工作載荷沒有確定（工作時(shí)只有慣性力即機(jī)架動(dòng)摩擦力起作用，其它阻力很?。┕蔉P=Ca其中由表62-92選?。C(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)）輕載荷=0.05則 FP=530N7、對(duì)預(yù)拉伸的滾珠絲杠，計(jì)算行程補(bǔ)償值C和預(yù)拉伸力Ft 對(duì)于兩端固定支承需要預(yù)拉伸的滾珠絲杠，應(yīng)規(guī)定目標(biāo)行程的行程補(bǔ)償值C并計(jì)算拉伸力式中：t : 溫度變化值，一般23； al : 絲杠的線膨脹系數(shù)11.810-6/ lu : 滾珠絲杠副的有效行程 lu=工作行程+螺母長(zhǎng)度+兩個(gè)安全行程 =行程+（814）Ph =1050mm代入得：C=31m 式中：Ft : 預(yù)拉伸力 N d2 : 滾珠絲杠螺紋底徑 mm d2=21.9 mm E : 楊氏彈性模量 2.1105MPa t : 溫度變化值，取t=2.5代入得：Ft=2278N8、確定滾珠絲杠副支撐所用軸承類型及規(guī)格（1）計(jì)算軸承所承受的最大軸向載荷FBmax代入得：FBmax=3278N（2）軸承類型兩端固定的支撐形式，選背對(duì)背60角接觸推力球軸承（3）軸承內(nèi)徑d略小于d2 =21.9 mm取d = 17 mmFBp= FBmax代入得：FBp=1093N（4）軸承預(yù)緊力預(yù)加負(fù)荷（5）按樣本選軸承型號(hào)規(guī)格當(dāng)d=17mm 預(yù)加負(fù)荷為：FBP所以選36203軸承 d=17mm預(yù)加負(fù)荷為5820NFBp=1093N9 、滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)（1）絲杠螺紋長(zhǎng)度Ls：Ls=Lu+2Le 由表二查得余程Le=40繪制工作圖如下：圖2-9 滾珠絲杠副工作圖（2）兩固定支承距離L1按樣本查出螺母安裝聯(lián)接尺寸絲杠全長(zhǎng)1507mm（3）行程起點(diǎn)離固定支承距離L0由工作圖得：Ls = 1186L1 = 1256L = 1507L0 =4010、電機(jī)選擇反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 110BF003步距角 0.75 3-16N/m（1）作用在滾珠絲杠副上各種轉(zhuǎn)矩計(jì)算：外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩TF（Nm）TF =式中： : 滾珠絲杠的導(dǎo)程 5mm : 未預(yù)緊的滾珠絲杠效率。1、2、3級(jí)精度的絲杠=0.9，4級(jí)以下的滾珠絲杠=0.9。 : 作用在滾珠絲杠副上的外加軸向載荷N代入得：TF =1Nm滾珠絲杠預(yù)加載荷Fp產(chǎn)生的預(yù)緊力矩Tp(Nm)Tp =式中：：滾珠絲杠副預(yù)加載荷=530N其它代號(hào)意義同上代入得：Tp =0.162Nm（2）負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的計(jì)算JL=J=Jm+JL=25.210-5式中：, : 各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量（Kg）和速度（m/min）Jm , ：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)速（r/min）已知機(jī)架總重量100 Kg，最大運(yùn)動(dòng)速度3 r/min則：JL =6.310-5 Kgm2Jm =18.910-5 Kgm2（3）加速轉(zhuǎn)矩Ta和最大加速轉(zhuǎn)矩Tam電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)膎1升到n2時(shí)Ta =當(dāng)電動(dòng)機(jī)從靜止升到nmax時(shí) Tam =式中：n : 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速r/minnmax : 電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速1500r/min : 加速時(shí)間。（34） : 電動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)。電動(dòng)機(jī)樣本查得=5ms代入得：Tam =0.795Nm（4）電動(dòng)機(jī)最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tr Tr= Tam+( TF+ Tp)+ Te式中： : 電動(dòng)機(jī)到滾珠絲杠傳動(dòng)比 =0.5 : 不在滾珠絲杠副上的其他元件的摩擦力矩折算到電動(dòng)機(jī)上的值。由于本設(shè)計(jì)只有一對(duì)減速蝸輪蝸桿副，故由經(jīng)驗(yàn)估算=0.1Nm則 Tr= 1.476 Nm電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩3.92 NmTr= 1.476 Nm故合乎要求可以選用（5）電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作的最大轉(zhuǎn)矩TM =( TF+ Tp)+ Te =0.69 Nm電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩T=2TM =0.69 Nm符合要求。11、傳動(dòng)系統(tǒng)剛度計(jì)算（1）傳動(dòng)剛度K的計(jì)算公式=式中：：滾珠絲杠副的抗壓剛度；：滾珠絲杠副的支承軸承的軸向剛度?？刹闃颖?：滾珠絲杠副滾珠與滾道的接觸剛度?？刹闃颖荆?）計(jì)算滾珠絲杠副的拉壓剛度是滾珠螺母至絲杠軸向固定距離a的函數(shù)。支承形式為兩端支承時(shí)：=當(dāng)a=(即處在兩端支承的中點(diǎn))時(shí)，剛度最小=6.6式中：：兩支承間的距離 =1256mm : 滾珠絲杠螺紋底徑 =21.9mm代入得：=257N/m當(dāng)a=(螺母在行程起點(diǎn)處)時(shí)剛度最大=6.6代入得：=1034 N/m（3）支承軸承組合剛度一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度=式中：：一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度m ：滾珠直徑 =5.75 ：滾珠數(shù) =15：最大軸向載荷：軸承接觸角 =60由樣本查出：36203軸承是額定載荷的3倍=14.46KN代入得：=120 N/m支撐軸承組合剛度兩端固定支撐=2=240 N/m（4）滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度=式中：：查樣品上的剛度 =R=536 N/m ：滾珠絲杠副預(yù)緊力 =530N ：額定動(dòng)載荷 =9KN代入得：=450 N/m12、傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算及滾珠絲杠副的精度選擇（1） =代入得：= N/m=代入得：= N/m已知：1=1000N 0=0.2 則 F0=01=200N由于數(shù)控機(jī)床精度在機(jī)床空載下驗(yàn)收，=稱摩擦死區(qū)誤差，是機(jī)床空載時(shí)導(dǎo)軌上的靜摩擦力。k=(-)稱為傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差。按JB/GQ 1140-89規(guī)定的數(shù)控機(jī)床反向差值主要取決于，而定位誤差主要取決于滾珠絲杠副的速度，其次是k。（2）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算：0.8反向差值即反向差值即重復(fù)定位精度10m代入得：=9850故傳動(dòng)系統(tǒng)剛度滿足要求。（3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差k=(-)=0.57m（4）確定精度V300p : 任意300mm內(nèi)的行程變動(dòng)量對(duì)半閉環(huán)系統(tǒng)言，V300p0.8定位精度-k定位精度為20m /300V300p15.43絲杠精度取為3級(jí)V300p=12m15.43（5）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)已確定型號(hào)FFZD公稱直徑：25 導(dǎo)程：5 螺紋長(zhǎng)度：1186絲杠全長(zhǎng)：1507 P類 3級(jí)精度故規(guī)格代號(hào)為FFZD2505-3-P3/1507118613、滾珠絲杠副臨界壓縮載荷Fc的校驗(yàn)（驗(yàn)算壓桿穩(wěn)定性）=式中： : 滾珠絲杠螺紋底徑，取樣本數(shù)據(jù) =21.9mm : 滾珠絲杠最大受壓長(zhǎng)度為 =1284mm : 滾珠絲杠副承受最大軸向壓縮載荷1000N ：安全系數(shù)，絲杠水平安放 = = ：支承系數(shù)，與支承方式有關(guān)。查表6.2-91（機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)）得兩端支承=4代入得 FC = 18600N1000N符合要求14、滾珠絲杠副的極限轉(zhuǎn)速nc的校驗(yàn)（避免高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生共振）nc = = 式中：nc ：極限轉(zhuǎn)速E ：楊式彈性模量 2.1105MPa ：材料密度，鋼的密度為7.810-6Kg/mm3I ：絲杠的最小斷面二次距 I=mmA ：絲杠的最小橫截面積 A= ：安全系數(shù) 一般取0.8、：與支承形式有關(guān)的系數(shù)見表6.2-95（機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)）取2.9 取4.73 d2=21.9 LC2 : 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 LC2=L1-L0=1320代入得：nc =2753r/min ncnmax=1500 r/min15、Dn值校驗(yàn) Dn=DPWnmax式中：DPW ：滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑 mmnma : 滾珠絲杠最高轉(zhuǎn)速 r/minDPW26.2mm nma=1500 r/min 代入得：Dn=3930070000滿足要求16、基本軸向額定靜載荷C0a驗(yàn)算要求： C0a式中：C0a ：滾珠絲杠副的基本軸向額定靜載荷：靜態(tài)安全系數(shù) 一般載荷=12，有沖擊或振動(dòng)的載荷=23 取輕載無振動(dòng)則=12代入得：=14.46KN17KN滿足要求，可以采用17、強(qiáng)度驗(yàn)算；式中：：許用應(yīng)力N/mm2,查得鋼的=100MPa ：滾珠絲杠螺紋底徑=21.9mm代入得：=10.72滿足要求2.3噴頭支架滾珠絲杠副的選型計(jì)算已知: 工作臺(tái)重量 W1=200N工作臺(tái)最大行程 LK=1000mm 工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù):動(dòng)摩擦系數(shù)=0.1 靜摩擦系數(shù)0=0.2 快速進(jìn)給速度 Vmax=7.5m/min 定位精度20 m/300mm 全行程25m 重復(fù)定位精度10m 要求壽命20000小時(shí)(兩班制工作十年)。表2-3加工方式進(jìn)給速度Vi(m/min)工時(shí)百分比%絲杠軸向載荷(N)絲杠轉(zhuǎn)速r/min一般加工1701000100最高加工速度3201000300快速進(jìn)退7.5101000750確定滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph = 式中：Ph ：滾珠絲杠副的導(dǎo)程 mmVmax ：最大行程 3m/minnmax ：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 1500r/mini ：傳動(dòng)比齒輪一級(jí)減速 i=0.5 代入得，Ph = 4 mm 圓整為 Ph = 5 mm如以上所算，相同工況下噴頭支架滾珠絲杠副所選導(dǎo)程與運(yùn)動(dòng)支架滾珠絲杠副相同，并且噴頭支架重量為W1=200N，這樣為了計(jì)算選型以及采購(gòu)和安裝的方便我們決定采用與運(yùn)動(dòng)支架滾珠絲杠副相同型號(hào)的滾珠絲杠作為噴頭支架滾珠絲杠副，即確定其型號(hào)為FFZD2505-3-P3/15071186。由于其重量?jī)H為200N1000N，故肯定能滿足使用要求。同時(shí)因其噴頭支架重量為200N，根據(jù)前面運(yùn)動(dòng)支架帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算由經(jīng)驗(yàn)選擇帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)為55BFOO1型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，步距角 0.75 3-16N/m。2.4 滾珠絲杠副的潤(rùn)滑、防護(hù)和密封2.4.1 潤(rùn)滑滾珠絲杠必須潤(rùn)滑。滾珠絲杠的潤(rùn)滑可選用油或脂。滾動(dòng)軸承用的各種潤(rùn)滑劑原則上都可用。主軸用的各種潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式都可用于精密滾珠絲杠。本設(shè)計(jì)滾珠絲杠副采用鋰基潤(rùn)滑脂或主軸用潤(rùn)滑油。每周檢查一次滾珠絲杠，當(dāng)選用潤(rùn)滑油時(shí)，油中不能有金屬異物或污染物。在試車一周后更換一次油，以后逐漸增長(zhǎng)換油時(shí)間。潤(rùn)滑油粘度按表6.2-85（機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)）選擇當(dāng)絲杠最高轉(zhuǎn)速7001500r/min粘度為ISO VG46、ISO VG32。潤(rùn)滑脂選用2號(hào)鋰基潤(rùn)滑脂，正常使用時(shí)第一次潤(rùn)滑脂使用2個(gè)月后就需更換，以后逐漸更換延長(zhǎng)時(shí)間到一年更換一次。2.4.2 防護(hù)滾珠絲杠防護(hù)套有伸縮套管式、折疊式、和螺旋鋼帶保護(hù)套。其中螺旋鋼帶保護(hù)套有專業(yè)廠家生產(chǎn)。所以本次設(shè)計(jì)擬選用螺旋鋼帶式保護(hù)套。根據(jù)滾珠絲杠基本參數(shù)確定Lmax=1200mm查產(chǎn)品樣本手冊(cè)選用LGB-50-1200-100-H型螺旋鋼帶保護(hù)套，其規(guī)格見圖2-10其基本尺寸確定為：Lmax=1200mm Lmin=100mmD1=50mm D2=84mmD3=90mm D4=48mm則其最大允程L= Lmax- Lmin=1100mm滿足要求，可以使用。圖2-10 螺旋鋼帶保護(hù)套2.4.3 密封滾珠螺母的兩端密封圈見圖2-11（實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)）密封圈用聚四氟乙烯或尼龍制造的接觸式密封圈。使用中要特別注意防止螺旋式密封圈松動(dòng)，否則密封圈將成為一個(gè)鎖緊螺母增大摩擦力矩，影響滾珠絲杠副的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為保證螺母在正常行程內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，一避免螺母越出行程部分而使?jié)L珠散失，故在橫向和縱向?qū)к墐啥税仓眯谐涕_關(guān)和限位裝置。圖2-11 絲杠螺母密封圈第3章滾動(dòng)直線導(dǎo)套副的選擇計(jì)算3.1 滾動(dòng)導(dǎo)套副的基本結(jié)構(gòu)滾動(dòng)導(dǎo)套副的結(jié)構(gòu)見圖3-1，它主要由滾動(dòng)導(dǎo)套（又稱直線滾圖3-1滾動(dòng)導(dǎo)套副的結(jié)構(gòu)動(dòng)球軸承），導(dǎo)軌軸，滾動(dòng)導(dǎo)套支座及導(dǎo)軌架構(gòu)成。滾動(dòng)導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)由套筒、保持架、滾珠（承載滾珠和回珠）、帶橡膠密封的擋圈構(gòu)成。滾動(dòng)導(dǎo)套和保持架上有平行與軸線、深淺不同的溝槽。導(dǎo)軌軸裝入滾動(dòng)導(dǎo)套后，保持架就與導(dǎo)軌軸、滾動(dòng)導(dǎo)套構(gòu)成了滾道和回珠槽。當(dāng)滾動(dòng)導(dǎo)套在導(dǎo)軌軸上做相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠就在滾道和回珠槽中做循環(huán)滾動(dòng)。因此，滾動(dòng)導(dǎo)套副屬于無限循環(huán)的滾動(dòng)導(dǎo)軌，而保持架還有反向器的作用。擋圈除起密封作用外，還對(duì)保持架起軸向限位作用。3.2 滾動(dòng)導(dǎo)套副的結(jié)構(gòu)形式本設(shè)計(jì)有效行程為1000mm屬短行程，故選用封閉類型滾動(dòng)導(dǎo)套，這是常用的類型，這種類型的滾動(dòng)導(dǎo)套副是封閉的，因此只能在導(dǎo)軌軸兩端配兩個(gè)導(dǎo)軌軸支架，所以這種類型只適用于短行程。而封閉型中又可分不可調(diào)隙封閉型及可調(diào)隙封閉型兩種，為了便于使用調(diào)整本設(shè)計(jì)選用可調(diào)隙封閉型滾動(dòng)導(dǎo)套副見圖3-2在導(dǎo)套及擋圈上開有軸向間隙，在滾動(dòng)導(dǎo)套支架上也開有軸向縫隙，并增加調(diào)隙螺釘適當(dāng)擰緊調(diào)隙螺釘，可以適當(dāng)減小滾動(dòng)導(dǎo)套與導(dǎo)軌軸之間的間隙，甚至可以達(dá)到輕微過盈。為了使?jié)L動(dòng)導(dǎo)套變形均勻，滾動(dòng)導(dǎo)套的軸向縫隙與支架的軸向縫隙應(yīng)成90分布。圖3-2可調(diào)隙封閉型滾動(dòng)導(dǎo)套副3.3 滾動(dòng)導(dǎo)套副的特點(diǎn)1、滾動(dòng)導(dǎo)套副的導(dǎo)軌軸是圓柱體，采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，外表面經(jīng)中頻感應(yīng)淬硬HRC58-63，制造容易、耐用、性能穩(wěn)定，有良好的精度保持性。但承載剛球與導(dǎo)軌之間是兩個(gè)凸圓之間的點(diǎn)接觸，與尺寸類似的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副比較，許用載荷小得多，因此，滾動(dòng)導(dǎo)套副只能用于輕載場(chǎng)合，并且一般不預(yù)加載荷。本次設(shè)計(jì)為噴丸機(jī)機(jī)架由經(jīng)驗(yàn)估計(jì)重量約100千克，輕便無預(yù)加載荷故適用。2、滾動(dòng)導(dǎo)套副不能傳遞轉(zhuǎn)矩，并且由于保持架上開的槽是軸的，滾動(dòng)導(dǎo)軌和導(dǎo)軌軸之間還不能相對(duì)旋轉(zhuǎn)?？偟膩碚f，滾動(dòng)導(dǎo)套副具有的如下特點(diǎn)使其具有高的廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。摩擦系數(shù)很小，只有0.0010.004，功率消耗低，省電節(jié)能。微量移動(dòng)靈活、準(zhǔn)確，低速時(shí)無蠕動(dòng)爬行。具有結(jié)構(gòu)自調(diào)整能力，可降低相應(yīng)配件加工精度。潤(rùn)滑簡(jiǎn)便，維修更換快速方便。移動(dòng)速度快，精度高，行程長(zhǎng)。3.4 滾動(dòng)導(dǎo)套副選型計(jì)算1、選型進(jìn)給滾珠絲杠為FFZD2505-3-P3/13801289故由滾動(dòng)直線導(dǎo)套副尺寸系列中初步選定采用GTB30-t-1型滾動(dòng)直線導(dǎo)套副。其技術(shù)規(guī)格為，額定動(dòng)載荷C=1270N換算成C=12709.80=130Kg。支架和噴頭架及噴頭重量初步由經(jīng)驗(yàn)估算為100 Kg，同一平面兩根導(dǎo)軌軸上用四個(gè)直線運(yùn)動(dòng)球軸承即m=4,則按表6.3-11（機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)）精度選4級(jí)P=25 Kg2、額定壽命計(jì)算軸承單行程長(zhǎng)度LS=1m，每分鐘往復(fù)次數(shù)n=1.5，每天開機(jī)6小時(shí)，每年按300工作日計(jì)算，則每年工作小時(shí)3006=1800小時(shí)，要求壽命周期在5年以上。L=50 式中：L ：額定壽命 Km ：溫度系數(shù) 查資料表1 =1 ：接觸系數(shù) 查資料表2 =0.81 ：載荷系數(shù) 查表6.3-5（機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)） =1.25 ：硬度系數(shù) 查資料表4 =1代入得：L=1912Km3、額定壽命時(shí)間計(jì)算Lh=式中：Lh ：額定壽命（h）L ：額定壽命（Km）：行程長(zhǎng)度（m）=1 mn ：每分鐘轉(zhuǎn)往復(fù)次數(shù) n=1.5次代入得：Lh=10623小時(shí)壽命周期T=額定小時(shí)壽命Lh/每年工作小時(shí)=10623/18006年故能滿足使用要求。4、初選預(yù)加載荷類別。按查表6.3-13（機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)）選取普通載荷P5、計(jì)算滑塊上所承受的載荷由于噴丸時(shí)靶距很大，所以反作用力很小這里可以忽略不計(jì)，則滑快的支撐力為 R=250N，GTB30預(yù)加載荷類別為普通載荷時(shí)，按表6.3-12查得預(yù)緊力為690N，則滑塊受力為F=（690+250）=940N計(jì)算當(dāng)量載荷Fc 設(shè)往復(fù)一次總行程為L(zhǎng)=2則： Fc=F=940N6、計(jì)算額定動(dòng)靜載荷由樣本查得GTB30的基本額定靜載荷C0=2150N取安全系數(shù)=2(一般運(yùn)行狀況下取12；輕微沖擊取23；受沖擊震動(dòng)取35)代入得：=2.3=2滿足要求7、剛度計(jì)算：計(jì)算光杠中點(diǎn)H的彈性位移在支架及噴頭重力作用下，中點(diǎn)有彈性位移（向下）=式中：：支撐長(zhǎng)度：材料彈性模量，對(duì)于鋼 =2.1105MPa : 光杠直徑：軸受變矩 =代入得:=0.73m確定滾動(dòng)導(dǎo)套副的編號(hào)為:GTB30-t-21000-P3.5 導(dǎo)軌防護(hù)罩導(dǎo)軌的維護(hù)對(duì)機(jī)械的壽命影響很大。本設(shè)計(jì)除采用各種潤(rùn)滑密封方式外，對(duì)橫向和縱向進(jìn)給系統(tǒng)還采用了雙密封措施，即滾珠絲杠采用螺旋鋼帶保護(hù)套，同時(shí)導(dǎo)軌的密封采用伸縮式導(dǎo)軌防護(hù)罩?？s式導(dǎo)軌防護(hù)罩已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，（摘自JB/T6562-93）有低速（12m/min）、中速（1225m/min）、高速（2545m/min）三種類型，根據(jù)本設(shè)計(jì)導(dǎo)軌最大速度選擇低速類型，其結(jié)構(gòu)及主要性能見圖3-3導(dǎo)軌防護(hù)罩的結(jié)構(gòu)形式及表3-1導(dǎo)軌防護(hù)罩主要技術(shù)參數(shù)圖3-3 導(dǎo)軌防護(hù)罩的結(jié)構(gòu)形式表3-1導(dǎo)軌防護(hù)罩主要技術(shù)參數(shù)技術(shù)數(shù)據(jù)其他要求代號(hào)名稱數(shù)據(jù)備注項(xiàng)目要求Le拉伸后長(zhǎng)度1200mm1主體材料名稱1CRBLZ收縮后長(zhǎng)度100mm2主體材料厚度2Lt行程1100mm3估計(jì)節(jié)數(shù)（）12Bg導(dǎo)軌寬度313mm4支撐形式，材料滑塊滾輪BC防護(hù)寬度337mmBS支撐安裝寬度337mm5安裝孔按圖鉆5mm用戶自鉆H1防護(hù)罩上部寬度415mm配套機(jī)床名稱型號(hào)高壓水射流噴丸機(jī)床H2導(dǎo)軌側(cè)面寬度141mm防護(hù)方向軸向運(yùn)行速度3m/minH3防護(hù)罩高度206mm委托單位Bi安裝位置寬度415mm填單人部門Hi安裝位置高度206mm填單日期電話第4章專用夾具及其配套組件設(shè)計(jì)4.1 專用夾具的組成及特點(diǎn)專用夾具是指專為某一工件的某道工序的加工而專門設(shè)計(jì)的夾具，具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作迅速，方便等優(yōu)點(diǎn)。專用夾具由定位裝置、夾緊裝置、對(duì)刀引導(dǎo)裝置、夾具體及其他元件及裝置組成。1、定位裝置這種裝置包括定位元件及其組合。其作用是確定工件在夾具中的位置，即通過它使工件加工時(shí)相對(duì)于刀具及切割成型運(yùn)動(dòng)處于正確位置，如支承釘、支承板、V形架、定位銷等。2、夾緊裝置它的作用是將工件壓緊夾牢，保證工件在定位時(shí)所占據(jù)的位置在加工過程中不受重力、慣性力、以及切割力等外力作用而產(chǎn)生位移，同時(shí)防止或減小振動(dòng)。它通常是一種機(jī)構(gòu)包括夾緊元件（如夾爪壓板等），增力及傳動(dòng)裝置（如杠桿、螺紋傳動(dòng)副、斜楔、凸輪等）以及動(dòng)力裝置（如汽缸、液壓缸）等。3、對(duì)刀-引導(dǎo)裝置它的作用是確定夾具與刀具的位置，或引導(dǎo)刀具進(jìn)行加工，如對(duì)刀塊、鉆套、鏜套等。4、夾具體用于連接夾具各元件及裝置，使其成為整體的一個(gè)基礎(chǔ)件，并與機(jī)床有關(guān)部位連接，以確定夾具相對(duì)于機(jī)床的位置。5、其他元件及裝置如定向件、操作件以及根據(jù)夾具特殊功用需要設(shè)置的一些裝置，如分度裝置、工件頂出裝置、上下料裝置等。由設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)出發(fā)，本設(shè)計(jì)中所創(chuàng)新處之一即專用夾具的設(shè)計(jì)，使其噴丸功能更加強(qiáng)大，在原有二維平面噴丸基礎(chǔ)上通過專用夾具的作用使機(jī)床另具有對(duì)軸類及盤套類回轉(zhuǎn)件可進(jìn)行噴丸硬化處理功能從而實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用功能。4.2夾具的選型設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)任務(wù)噴頭加工最大行走速度3m/min，旋轉(zhuǎn)夾具所夾工件最大軸徑50mm,工件最大長(zhǎng)度700800mm，靶距200mm, 專用夾具實(shí)現(xiàn)兩種功能：（1）進(jìn)行軸向噴丸，夾具可自動(dòng)間休旋轉(zhuǎn); （2）進(jìn)行周向噴丸，夾具可連續(xù)等角速度旋轉(zhuǎn)。2、選型設(shè)計(jì)本夾具所夾工件為圓形軸類件，其最大直徑為50mm，因?yàn)楸緳C(jī)床為噴丸機(jī)床對(duì)軸類零件的加工原理為噴丸硬化，且工件抗抖動(dòng)精度要求不高，對(duì)工件并無切削用力，為了使機(jī)構(gòu)經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便故根據(jù)經(jīng)驗(yàn)；可以選用兩端頂針定位，摩擦力夾緊，即可以完成預(yù)定工作。4.3主軸前端頭部夾持形式的設(shè)計(jì)由于夾具兩端頂針夾具，故初步確定頭部夾持形式如下：圖4-1 頭部夾持形式4.4 蝸輪、蝸桿減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算已知：傳動(dòng)比i=40，n2=20r/min,蝸桿輸入功率P1=3KW，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min，要求使用10年，每年工作300日，每日工作16小時(shí)，每小時(shí)載荷時(shí)間15分鐘，每小時(shí)啟動(dòng)2050次。啟動(dòng)載荷小，并無沖擊。工作環(huán)境溫度3540。確定傳動(dòng)類型：最高加工速度Vmax=3m/min,設(shè)噴頭工作行進(jìn)速度為普通工作速度V=1m/min，則工件（即主軸）最高轉(zhuǎn)速為：V線=代入得： V線=2.83 m/min則最高轉(zhuǎn)速（角速度）為：V最=20r/min選110BF003型步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min則轉(zhuǎn)動(dòng)比i=40。傳動(dòng)比較大，且為一級(jí)減速完成，故選用圓柱蝸桿傳動(dòng)。1、選擇材料和加工精度（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-機(jī)械傳動(dòng)篇）蝸桿選用20CrMnTi,芯部調(diào)質(zhì)，表面滲碳淬火，45HRC；蝸輪選用ZCuSn10Pb1,金屬模鑄造，加工精度8級(jí)。2、初選幾何參數(shù)參照表13-4-4，當(dāng)i=40時(shí)，Z1=1，Z2=Z1i=403、計(jì)算蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩T2粗算傳動(dòng)效率：=（100-3.5）=（100-3.5）=0.778T2=9550代入得：T2=1160Nm4、確定許用接觸應(yīng)力根據(jù)表13-4-13當(dāng)蝸桿材料為錫青銅時(shí)，=式中：：查表13-4-14得=220N/mm2 :由表13-4-10查得=3m/s,采用浸油潤(rùn)滑，由圖13-4-2求得=0.94 ：由圖13-4-4的注中公式求得N=60=1.44107根據(jù)N由圖13-4-4查得=0.95代入得：=196N/mm25、求載荷系數(shù)由表13-4-13知：=式中：：3m/s，按表13-4-13查取=1；：由表13-4-16，8級(jí)精度時(shí)=1；：由于=25，由圖13-4-5得=0.63；：由表13-4-17查得=1.37；：由表13-4-18查得=1.0；：由表13-4-6查得=0.95代入得：=0.826、計(jì)算和值=15.25查表13-4-3，取=17.235，則=8 =107、主要幾何尺寸計(jì)算a=0.5m(q+Z2+2)=200mmd1=qm=80mm d2=mZ2=320mm8、蝸輪齒面接觸強(qiáng)度校核驗(yàn)算=代入得：=160 N/mm2因?yàn)?，所以滿足要求。9、幾何尺寸計(jì)算頂隙 C= , 一般頂隙系數(shù)=0.2C=0.28=1.6mm蝸桿蝸輪齒頂高、=8mm 一般齒頂高系數(shù)=1=（+）=8mm 變位系數(shù)=0蝸桿蝸輪齒跟高、=（+）=9.6mm=(-+)=9.6mm蝸桿蝸輪分度圓直徑、=80mm=320mm蝸桿齒頂圓直徑、蝸輪喉圓直徑=（+2）=96mm=()=336mm蝸桿蝸輪齒跟圓直徑、=-2=60.8mm=-2=300.8mm蝸桿軸向齒距=3.148=25.12mm蝸桿軸向齒厚=0.5=12.56mm蝸桿分度圓導(dǎo)程角5.7蝸桿法向齒厚=12.49mm蝸桿螺紋部分長(zhǎng)度由表13-4-68查得普通圓柱蝸桿當(dāng)=0時(shí)（11+0.06）=107.2mm取=110mm蝸論最大外圓直徑+2=352mm蝸輪輪圓寬度=（0.670.75）；大，取小值，小，取大值。故=0.75=72mm蝸輪咽喉母圓半徑=32mm蝸輪齒跟圓弧半徑=0.5+0.2=49.6mm10、工作草圖：圖4-2 蝸桿工作圖圖4-3 蝸輪工作圖第5章高壓水射流噴丸機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析超高壓水射流加工是利用高壓、高速的細(xì)徑液流作為工作介質(zhì)，對(duì)工件表面進(jìn)行噴射，依靠液流產(chǎn)生的沖擊作用去除材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切割。稍微降低水壓或增大靶距和流量，還可以進(jìn)行高壓清洗、破碎、表面毛化、去毛刺及強(qiáng)化處理。超高壓水射流與激光、離子束、電子束一樣，同屬于高能束加工的技術(shù)范疇。高壓水射流噴丸是一種新型的表面硬化處理方法,目前這方面的技術(shù)國(guó)內(nèi)尚屬空白，國(guó)際上正是開發(fā)研制階段，針對(duì)國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，在現(xiàn)有超高壓水射流切割機(jī)床的基礎(chǔ)上研制和開發(fā)高壓水射流噴丸機(jī)床，技術(shù)上可行經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益顯著,具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。1 技術(shù)可行性分析1.1技術(shù)分析高壓水射流噴丸是一種新型的液動(dòng)濕噴表面硬化方法,他的工作原理是在高壓水中混入剛丸，通過水的帶動(dòng)使剛丸具有巨大的動(dòng)能，噴射到工件表面上，從而達(dá)到硬化處理的目的。本設(shè)計(jì)的高壓水發(fā)生系統(tǒng)采用數(shù)控超高壓射流切割機(jī)的原高壓水發(fā)生系統(tǒng)，經(jīng)過高壓增壓器和超高壓增壓器后壓力可達(dá)幾百M(fèi)Pa，在噴頭與剛丸混合后，經(jīng)過剛丸噴管小孔射出一能量集中的，幾百m/s的高速剛丸水射流，當(dāng)射流能量達(dá)到噴丸強(qiáng)度時(shí)，通過沖擊材料表面實(shí)現(xiàn)噴丸硬化，實(shí)驗(yàn)表明水射流噴丸機(jī)床的高壓增壓系統(tǒng)完全能夠滿足工況要求，技術(shù)上是十分可行的。1.2 機(jī)具使用效果分析PWJ01型高壓水射流數(shù)控機(jī)床適用于二維平面噴丸及軸類回轉(zhuǎn)件的表面硬化，使用該機(jī)作業(yè)與普通噴丸機(jī)床相比具有以下優(yōu)點(diǎn):該機(jī)采用工控機(jī)進(jìn)行控制加工精度高，控制簡(jiǎn)便，作業(yè)能力強(qiáng),生產(chǎn)效率高；該機(jī)采用的能源是水，是一種冷態(tài)加工新工藝，能源充足，且對(duì)環(huán)境無任何污染，屬于綠色設(shè)計(jì)范疇；該機(jī)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，在原有機(jī)床基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，生產(chǎn)時(shí)在原有生產(chǎn)線基礎(chǔ)上稍加改裝即可生產(chǎn)本機(jī)床，大大降低投產(chǎn)費(fèi)用。2 機(jī)具的經(jīng)濟(jì)效益分析2.1 試制費(fèi)用實(shí)際支出情況產(chǎn)品投產(chǎn)量5,成本投入總額125萬元,單位成本25萬元,其中:原材料成本61.25萬元,占總成本的49輔助材料成本8.75萬元,占總成本的7%外協(xié)費(fèi)用7.5萬元,占總成本的6%工資及附加費(fèi)25萬元,占總成本的20%設(shè)備維修費(fèi)用5萬元,占總成本的4%設(shè)備拆舊費(fèi)5萬元,占總成本的4%管理費(fèi)用3.75萬元,占總成本的3%銷售費(fèi)用6.25萬元,占總成本的5%財(cái)務(wù)費(fèi)用2.5萬元,占總成本的2%產(chǎn)品投放市場(chǎng)后,市場(chǎng)銷售價(jià)格為30萬元,每臺(tái)利潤(rùn)為5萬元.項(xiàng)目鑒定形成批量生產(chǎn)后,可形成年產(chǎn)200臺(tái)的生產(chǎn)能力,可實(shí)現(xiàn)銷售收入1000萬元,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。2.2經(jīng)濟(jì)效益分析在對(duì)中小規(guī)模的工廠的現(xiàn)代化改造中完全可以選用本機(jī)，該機(jī)采用工控機(jī)進(jìn)行控制自動(dòng)化程度高加工精度高，控制簡(jiǎn)便，作業(yè)能力強(qiáng),生產(chǎn)效率高，提高經(jīng)濟(jì)效率。只需一個(gè)或幾個(gè)人投資30萬元即可擁有一臺(tái)屬于自己的水射流噴丸機(jī)，再招聘23名工人即可開辦一家“水射流加工中心”，而無須再增加任何其他輔助設(shè)備。通過36個(gè)月的經(jīng)營(yíng)，前期投資即可收回。3 社會(huì)效益分析中國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，城市建設(shè)得以快速發(fā)展。在現(xiàn)代化建設(shè)中大量的建筑材料需要進(jìn)行切割加工，調(diào)整不同的射流壓力和水噴頭，將剛丸換成細(xì)粉金剛砂磨料本機(jī)即可改裝成水射流切割機(jī)；在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中大量金屬板材、軸類、心軸類機(jī)械零件需要進(jìn)行硬化處理，本機(jī)在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)零件的噴丸硬化處理功能。而傳統(tǒng)的加工方式與現(xiàn)實(shí)要求形成了強(qiáng)烈的反差。PWJ01型超高壓水射流噴丸機(jī)憑借優(yōu)越的一機(jī)多用的特點(diǎn)開辟了冷態(tài)加工的新領(lǐng)域，是一種非常有推廣價(jià)值的新機(jī)床。第6章結(jié)論“高壓水射流噴丸機(jī)床”的設(shè)計(jì)基于已有的磨料射流機(jī)床增加噴丸處理功能，該機(jī)采用工控機(jī)進(jìn)行控制加工精度高，控制簡(jiǎn)便，作業(yè)能力強(qiáng),生產(chǎn)效率高；該機(jī)采用的能源是水，是一種冷態(tài)加工新工藝，能源充足，且對(duì)環(huán)境無任何污染，屬于綠色設(shè)計(jì)范疇；該機(jī)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，在原有機(jī)床基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，生產(chǎn)時(shí)在原有生產(chǎn)線基礎(chǔ)上稍加改裝即可生產(chǎn)本機(jī)床，大大降低投產(chǎn)費(fèi)用。在用戶承擔(dān)的費(fèi)用增加不多的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)多用途加工、減小工時(shí)等優(yōu)越條件，因而具有良好的發(fā)展前景。在本次設(shè)計(jì)中，一方面我自己做了大量的努力；另一方面也得到了各位指導(dǎo)老師的大力幫助，這才使得我的設(shè)計(jì)能夠按時(shí)完成。可以肯定的是，本次設(shè)計(jì)中由于本人的知識(shí)層次及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的不足，難免會(huì)有一些不足之處，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正！參考文獻(xiàn)1 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Trans ASME,1996,88B:38739212 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（機(jī)械傳動(dòng)）.化學(xué)工業(yè)出版社.200413 董慶華.超高壓水射流切割技術(shù)及其應(yīng)用.焊接技術(shù).2003年12月第30卷第6期.P1214 賈明峰，俞濤，方明倫，林金生.磨料水射流數(shù)控機(jī)床的研究與開發(fā).機(jī)械工程師.2001年4月.P1215 宮平，李華.超高壓力磨料水射流切割機(jī)的應(yīng)用研究.高科技纖維與應(yīng)用.2002年12月.P1316 王昌忠.數(shù)控噴丸機(jī)的研制.制造技術(shù)與機(jī)床.2004年第6期. P384017廖興斌.減低高壓水射流設(shè)備噪音的措施初探.礦業(yè)研究與開發(fā).2001年2月第21卷第1期18 數(shù)控超高壓水射流切割機(jī)水刀. 中國(guó)南京工藝裝備制造廠. /html/s專題部分提高磨料水射流磨料混合效果的探討摘要磨料水射流的性能主要取決于磨料顆粒的沖擊速度。本文分析了后混合磨料水射流中磨料顆粒與水混合效果差，磨料顆粒速度底的原因，提出了四種混合方式，并從基理上進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞：磨料射流混合效果后混合前混合旋轉(zhuǎn) 自激震蕩AbstractThe performance of abrasive waterjet depends on the impact velocity of abrasive, |In the paper,the reason of badly mixed between abrasive and water in sub-mixed abrasive waterjet is analyzed,then four new nmixing methods are putforward andTheir mechanisms are expounded.Keyword:Abrasivewaterjet Mixingeffect Suf-mixed pre-mixed Circuolution Self-excitedoscillation1 引言水射流技術(shù)1是本世紀(jì)70年代迅速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)、新工藝，廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)和部門。在造船、管道和設(shè)備的清洗、除銹、除垢以及清除各種覆蓋物；在礦山工業(yè)和煤礦工業(yè)可用于破巖、破煤。由于它是一種非接觸冷態(tài)加工加工方式，可對(duì)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)物外表面和內(nèi)表面進(jìn)行精細(xì)加工。隨著水射流技術(shù)的發(fā)展，射流介質(zhì)已由普通工業(yè)用水發(fā)展為磨料水固液兩相介質(zhì)流。磨料水射流是磨料顆粒與高速流動(dòng)的水混合后經(jīng)噴嘴而形成的高能束射流，由于在高速水中混入一定數(shù)量的磨料顆粒，從而改變了射流的流動(dòng)特性和對(duì)物體的作用方式。水射流作為磨料載體，把高壓水射流束的動(dòng)能傳遞給磨料顆粒，將連續(xù)水射流的等速核對(duì)物體的靜壓作用改變?yōu)閷?duì)物體高頻沖蝕和磨削作用，大大提高了射流的工作效率。由于磨料水射流是一種冷態(tài)的單點(diǎn)動(dòng)能能源，對(duì)材料具有極強(qiáng)的沖蝕作用，并在沖蝕過程中不改變材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能，可用于切割熱敏、壓敏、脆性、塑性、復(fù)合型材料和易燃易爆物。 Hachish2在諸多學(xué)者研究基礎(chǔ)上，結(jié)合磨料射流沖蝕破壞材料特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出磨料水射流沖蝕分為兩個(gè)階段：變形磨損和切削磨損。材料表面受磨料顆粒沖擊后，因彈-塑性變形而引起的材料微體積損失過程稱為變形磨損；材料表面在磨粒尖角水平移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生接觸點(diǎn)的橫向塑性流動(dòng)，從而切出一定數(shù)量的微體積材料，這個(gè)過程成為微切削磨損。沖蝕是垂直沖擊變形磨損和水平微切削磨損的符合作用的結(jié)果。由I.Finnie的微切理論3，材料的沖蝕可由下式表示：式中：：沖蝕量（kg/mm3）：磨料顆粒質(zhì)量(kg) ：沖蝕角：磨料顆粒速度(m/s) ：磨料的屈服應(yīng)力大量實(shí)驗(yàn)表明，磨料水射流清洗、破碎和切割能力受到磨料水射流的水力參數(shù)、工作參數(shù)、噴嘴參數(shù)和磨料顆粒參數(shù)等因素的影響，但主要取決于磨料顆粒的速度。磨料顆粒的速度越高，磨料水射流的清洗、破碎和切割能力就越強(qiáng)。2 后混合磨料水射流磨料混合的不足目前我國(guó)研究和應(yīng)用的磨料射流大多數(shù)是后混合方式。它是根據(jù)古老的引射器原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，如圖1所示：經(jīng)過高壓泵泵出的高壓水通過噴嘴而形成高速水射流束，由于水射流束對(duì)周圍空氣的卷吸作用，在磨料混合腔內(nèi)形成一定的真空度，從而使磨料與混合腔之間的供料管產(chǎn)生一定的壓力差。磨料在自重及壓力差的共同作用下通過氣力運(yùn)輸而被抽吸進(jìn)入混合腔內(nèi)，并與水射流發(fā)生紊流振動(dòng)擴(kuò)散與摻混，再通過磨料噴嘴而形成磨料水射流。在后混合磨料射流中，從噴嘴中噴出的高壓水其軸心速度很高，而磨料顆粒卻以很低的速度靠真空抽吸作用吸入，磨料很難進(jìn)入主射流的中心部分，而且由于混合腔內(nèi)圍繞高速水流束表面的微細(xì)波面運(yùn)動(dòng)速度很大，且表面張力也很大，其周圍分散的水滴頻繁碰撞而形成一個(gè)密實(shí)的表面，磨料更不易進(jìn)入水射流的中心，大多數(shù)磨料聚集在射流的表面。同時(shí)磨料以較低的初始速度與告訴水射流互相接觸發(fā)生的情況是隨機(jī)的，有些磨料飛濺到混合腔的內(nèi)臂面，再反彈到水射流表面，少數(shù)磨料顆粒則粘附在混合腔的內(nèi)壁面，其中的一些磨料顆?？赡鼙慌既坏臎_刷而重新返回水射流中，因此磨料與高速流動(dòng)的水不能進(jìn)行充分紊動(dòng)混合，磨料顆粒得不到很好的加速。經(jīng)噴嘴噴射出來的磨料顆粒速度不高，明顯地減低了水對(duì)磨料的能量傳輸效果，射流的能量未能得到充分發(fā)揮，浪費(fèi)了能源，因此工作效果較差、效率低。大量實(shí)驗(yàn)研究表明磨料只能加速到水速的2040%，其最高效率約為30%，因此其噴嘴的磨料混合效果和切割功能是急需改進(jìn)的問題。3 磨料混合效果的改進(jìn)途徑（1）前混合磨料水射流前混合磨料水射流與后混合磨料水射流最大不同之處是磨料與水在水噴嘴之進(jìn)行混合的，如圖2所示：磨料罐置于高壓泵與噴嘴之間的高壓回路中，從高壓泵泵出來的水在高壓磨料罐內(nèi)與磨料進(jìn)行初步混合，使磨料處于“擬流體”的流化狀態(tài)，然后在高壓輸送管的混合腔內(nèi)流化磨料與水摻混，再通過后續(xù)管道以懸浮態(tài)輸送到噴嘴，經(jīng)噴嘴加速噴射出去形成磨料水射流。前混合磨料水射流中磨料在水噴射前混合于水流中，使磨料在高壓輸送管內(nèi)受到第一次加速。由于磨料速度松弛時(shí)間長(zhǎng)，在噴嘴入口處，磨料與水射流保持速度平衡，兩相速度差為零，磨料已進(jìn)入水射流的核心部分并充分混合，混合效果好。前混合磨料方式與后混合磨料方式相比，由于改變了磨料與水的混合機(jī)理，改善了混合效果，使磨料進(jìn)入水射流核心部分，在噴嘴出口處具有更大的速度，獲得較高的能量，因而提高了磨料的切割性能，射流的質(zhì)量明顯優(yōu)于前者。文獻(xiàn)4已從理論上證明了前混合射流比后混合射流具有較高的能量傳輸效率和較大的磨料顆粒速度。大量實(shí)驗(yàn)表明：前混合式磨料射流進(jìn)行切割，所需工作壓力約為后混合式磨料射流工作壓力的1/71/10。（2）漿液磨料射流漿液磨料射流5是一種有別于前混合磨料射流的新磨料混合方式，其原理見圖（3）：它由氣動(dòng)螺旋蝸桿將干磨料顆粒定量輸送到氣動(dòng)的葉片泵前置的混合器中，再由該泵將混合漿液連續(xù)輸送到清洗或切割頭。與此同時(shí)，噴嘴前置的高壓泵（或空氣壓縮機(jī)）產(chǎn)生的水（或氣）射流與噴頭處的漿液混合成高壓磨料射流。這種低壓混合、高壓作業(yè)的兩步做法既解決了后混合磨料射流磨料顆粒與水混合的不均勻性，又彌補(bǔ)了前混合磨料射流工作壓力偏低的缺陷。在較高壓力作用下，噴嘴出口的磨料顆粒具有較高的速度，從而提高磨料射流的工作性能。（3）旋轉(zhuǎn)引射式磨料射流旋轉(zhuǎn)引射式磨料射流的原理如圖4所示：經(jīng)高壓柱塞泵加壓的高壓水經(jīng)過一個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置，使水射流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后經(jīng)過水噴嘴形成旋轉(zhuǎn)的水射流或直接經(jīng)過葉輪導(dǎo)引高壓旋轉(zhuǎn)射流噴嘴噴出。根據(jù)普通射流的水動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)可知，射流的等速核內(nèi)部不存在橫向的速度剃度，因而射流的擴(kuò)散角較小。經(jīng)過旋轉(zhuǎn)，水射流具有三維速度（軸向、徑向和圓周），在圓周速度的作用下，水射流形成強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中外擴(kuò)散。旋轉(zhuǎn)后的水射流不僅具有較大的擴(kuò)散角，而且形成了大量的渦旋。許多實(shí)驗(yàn)以及理論分析都已證明，旋轉(zhuǎn)流體在一定條件下具有波動(dòng)性質(zhì)，也就是說旋轉(zhuǎn)流體被賦予了偽彈性性質(zhì)。它在受到擾動(dòng)后會(huì)發(fā)生彈性-慣性振蕩，出現(xiàn)彈性波和波動(dòng)現(xiàn)象，這是一種剪切波。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是旋轉(zhuǎn)流體運(yùn)動(dòng)中存在科氏力和離心力的作用。磨料顆粒的加入激起旋轉(zhuǎn)水射流發(fā)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)混合，從而提高了水射流對(duì)磨料顆粒的卷吸能力和混合效果。（4）自激振蕩磨料射流自激振蕩脈沖機(jī)理是穩(wěn)定的流體通過一種特制新型高效能噴嘴，這種噴嘴是應(yīng)用流體力學(xué)的基本原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，采用上噴嘴，多曲面內(nèi)腔室和下噴嘴等特殊結(jié)構(gòu)形式。流體通過噴嘴時(shí)，上噴嘴束中的不穩(wěn)定擾動(dòng)波如渦量脈沖在穿過腔內(nèi)剪切層時(shí)，剪切層對(duì)其具有選擇性放大作用，形成渦環(huán)結(jié)構(gòu)，剪切流動(dòng)中渦環(huán)與下游碰撞壁撞擊在碰撞區(qū)產(chǎn)生壓力擾動(dòng)波并向上游反射，在上游剪切層分離處誘發(fā)新的擾動(dòng)產(chǎn)生，當(dāng)新擾動(dòng)與原擾動(dòng)頻率匹配且具有合適的相位關(guān)系時(shí)，射流上游就被不斷地周期性振蕩，其固有波形受到調(diào)制，腔內(nèi)就誘發(fā)產(chǎn)生自激振蕩這種振蕩市在不加任何外界控制或激勵(lì)的情況下產(chǎn)生的，故稱之為自激振蕩。自激振蕩磨料射流充分利用了自激振蕩脈沖射流和磨料射流兩者的優(yōu)點(diǎn)，其原理見圖5：從高壓泵泵出來的高壓水在磨料混合腔內(nèi)與磨料先混合，混合后的擬流體經(jīng)管道到達(dá)自激振蕩對(duì)稱腔室。在自激振蕩腔，由于存在強(qiáng)烈的自激振蕩，磨料與水的混合發(fā)生了質(zhì)的變化。以初速度射入軸對(duì)稱腔室時(shí)，射流與腔室周圍的靜止液體就要被高速流動(dòng)的擬流體射流帶動(dòng)，進(jìn)入腔室的射流與腔室內(nèi)的流體之間就發(fā)生強(qiáng)烈的動(dòng)量、熱量、質(zhì)量的交換從而形成具有一定厚度的射流剪切層。由于射流速度大，剪切層為紊流剪切層且是不穩(wěn)定的，剪切層周圍的流體被夾帶而產(chǎn)生渦旋，且渦旋以渦環(huán)的形式存在并隨射流運(yùn)動(dòng)。在剪切層中自然存在一定的頻率的軸對(duì)稱擾動(dòng)，并隨射流一起與碰撞壁發(fā)生碰撞，這種擾動(dòng)導(dǎo)致碰撞區(qū)剪切層大幅度橫向振蕩，波及射流核心。而卷吸并產(chǎn)生各種尺度的渦旋（以渦環(huán)形式存在），腔室內(nèi)的流體便由泵送時(shí)的有序狀態(tài)（初始振蕩）后形成了一定程度的湍流（混沌）。在碰撞區(qū)剪切層大幅度橫向脈動(dòng)和大渦的流動(dòng)包卷共同作用下，射流中的磨料顆粒有向中心聚集的趨勢(shì)，這樣磨料顆粒就可以得到充分的加速。另外經(jīng)自激振蕩噴嘴噴射出來的射流形成脈沖射流，脈沖射流的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于連續(xù)射流的速度。脈沖的作用形同沖擊載荷，作用在磨料顆粒上，使磨料顆粒不斷被加速，可以極大地增加磨料顆粒的沖擊速度，改善了能量傳輸效率，從而提高了磨料的工作能力。4 結(jié)束語磨料射流技術(shù)的優(yōu)異性能受到人們的日益重視，在清洗、除銹、破碎、切割等方面應(yīng)用日益廣泛。為節(jié)約能源,提高效率，應(yīng)最大限度提高磨料顆粒與水的混合效果，改進(jìn)能量傳輸效率。文中提出的四種新的磨料顆粒與水混合方式都明顯優(yōu)于后混合磨料水射流，具有較高的應(yīng)用和推廣價(jià)值，值得應(yīng)用部門借鑒和采納。參考文獻(xiàn)1 孫家俊.水射流切割技術(shù)M.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，19922 M Hashiah,A modeling study of metal cutting with abrasive waterjetsJ.Trans ASME,1984(1)3 G.L.Sheldon and I.Fine, One the ductile behavior of nominally brittle materials during erosion cutting J . Trans ASME,1996,88B:3873924 楊清文等.磨料射流切割系統(tǒng)能量傳輸效率的研究J.礦山機(jī)械，2000（3）5 薛勝雄等.美國(guó)的高壓水射流技術(shù)J.流體機(jī)械，1995（5）6 童秉綱等.渦運(yùn)動(dòng)理論M.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，19947 蔣海軍等.自激振蕩脈沖射流機(jī)理探討J.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1998（3）附錄1：外文翻譯1.1 譯文前混合磨料水射流切割系統(tǒng)噴嘴中的紊態(tài)固液兩相流J Ye , R Kovacevic . 機(jī)械工業(yè)部，南部麥塞第斯特大學(xué)，達(dá)拉斯市，德克薩斯州，美國(guó)摘要一種流體力學(xué)分析法被用作處理前混合水射流切割系統(tǒng)中通過噴嘴的持續(xù)的紊態(tài)固液兩相流。一種評(píng)估在噴嘴中紊流和質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力屬性的理論方法的發(fā)展之所以引人注目，是因?yàn)槠潆y度與噴嘴中的高流束和小尺寸的直接測(cè)量密切相關(guān)。軸向模擬配合以商務(wù)代碼FIDAP得以實(shí)現(xiàn)，使用標(biāo)準(zhǔn)K-紊流模型。該項(xiàng)模擬考慮單相聯(lián)結(jié)，這就意味著在流體動(dòng)力階段呈現(xiàn)分散固體階段這一效應(yīng)被忽略了。固體粒子的速度和軌跡線可以預(yù)測(cè)出來。關(guān)于質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力屬性的噴嘴幾何系統(tǒng)效果已被研究，其預(yù)期結(jié)果也已與可獲得的其他研究人員出版的理論和實(shí)踐成果相比較。這一建模技術(shù)將對(duì)于前混合磨料水射流系統(tǒng)的噴嘴設(shè)計(jì)和噴射切割執(zhí)行的預(yù)測(cè)大有幫助。關(guān)鍵字：磨料水射流流體動(dòng)力學(xué) 紊態(tài)固液兩相流符號(hào)：C1,C2 紊流模型常數(shù) Rep 粒子雷諾數(shù)= CD 阻力系數(shù) 流體速度CU 紊流模型常數(shù) （）粒子速度的z分量和r分量d,D 噴嘴聚焦管直徑徑向應(yīng)力分量d0 噴嘴進(jìn)水道直徑軸向應(yīng)力分量dp 粒子直徑剪應(yīng)力分量阻力修正系數(shù) 紊流動(dòng)能耗散K 噴嘴動(dòng)能噴嘴錐形進(jìn)水道角度L 噴嘴聚焦管直徑流體動(dòng)力粘度L0 噴嘴長(zhǎng)度紊流粘度P 平均有效壓力流體密度r 徑向坐標(biāo)方向的普朗特?cái)?shù)Re 噴嘴雷諾數(shù)= t 粒子響應(yīng)時(shí)間F標(biāo)：流體 P 粒子階段 Z 軸向應(yīng)力方向 m 最大值 r 徑向坐標(biāo)方向1、產(chǎn)品介紹磨料泥漿直接噴射的方法在磨料水射流切割應(yīng)用中是相對(duì)較新的。在直接噴射系統(tǒng)亦即DIA射流系統(tǒng)中，前混合磨料泥漿通過噴嘴用泵抽吸以形成切割射流。與傳統(tǒng)的霧沫系統(tǒng)相比，這種前混合磨料水射流系統(tǒng)具有較高的混合效率，更致密的噴嘴設(shè)計(jì)，以及較低的工作壓力?？偟膩碚f，它可以更高效地給粒子傳送流體能量，并產(chǎn)生更大的功率密度以沖擊粒子，相應(yīng)地提高材料可移動(dòng)比率1，這一系統(tǒng)的不足之處在于噴嘴的強(qiáng)烈磨損，以及硬件在磨料懸浮處理和抽泵是的復(fù)雜性。為了預(yù)測(cè)射流切割的執(zhí)行和噴嘴處的磨料機(jī)制，有必要弄清楚DIA射流噴嘴處粒子的速度和軌跡線，。而粒子速度非?？?，DIA射流噴嘴的尺寸又非常小，使的粒子速度的直接測(cè)量和粒子軌跡線的顯象變得十分困難，在這種情況下，流體力學(xué)分析（CFD）變得十分有用。CFD分析不僅可以提供有關(guān)紊流的信息，而且還提供噴嘴中磨料粒子的相關(guān)信息。本文強(qiáng)調(diào)了在DIA射流噴嘴中的紊態(tài)固-液兩相流的問題，并且對(duì)于CFD在此問題上的分析結(jié)果做出了報(bào)告。磨料粒子的速度和軌跡線可以精確計(jì)算。不同長(zhǎng)度的噴嘴和錐形進(jìn)水道角度也可以通過噴嘴參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化核定。2、DIA射流系統(tǒng)和噴嘴的執(zhí)行關(guān)于DIA射流的最早文獻(xiàn)的代表人物是Fairhurst et al.提出建議在水射流中應(yīng)用對(duì)磨料直接噴射的方法，并建立了第一個(gè)低壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。自1986年起，DIA射流被應(yīng)用在金屬和巖石切割，核武器和水下目標(biāo)擊破等等。這里所說的DIA噴嘴中流動(dòng)的是高速紊態(tài)固-液兩相流。這種復(fù)雜的液流還未被充分研究過。到目前為止，不同參數(shù)的影響效果還未被弄清楚。Hashish1對(duì)DIA射流系統(tǒng)和傳統(tǒng)的霧沫系統(tǒng)作了相對(duì)比較的評(píng)估。經(jīng)過簡(jiǎn)單的分析，他發(fā)現(xiàn)DIA射流比霧沫磨料水射流（AWJs）更有效率，因?yàn)槎叩哪チ涎b載比率系數(shù)是：。而且，潛在于DIA射流中以動(dòng)能形式傳遞給工件的能量，其稠密度超過傳統(tǒng)霧沫系統(tǒng)倍。Laurinat et al.提供的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅考慮了磨料射流，也考慮了對(duì)噴嘴切割效率的設(shè)計(jì)。他們定量地研究了關(guān)于粒子加速度、粒子速度的噴嘴幾何系統(tǒng)的效果。Guo et al9描述了DIA射流系統(tǒng)里粒子加速過程中的一種量綱分析。他們演示了一種距離功能，這種功能能把粒子移動(dòng)距離與速度比率Up/Uf聯(lián)系起來，他們的實(shí)踐結(jié)果著重說明了粒子速度在切割執(zhí)行中的重要性，而水流率對(duì)于切割結(jié)果的效果很小。在一維分析9-11中，流體速度在噴嘴橫截面處被假定為是統(tǒng)一的，并且該分析不考慮紊流屬性。然而事實(shí)上，射流噴嘴處流體速度遠(yuǎn)不是統(tǒng)一分布的，并且紊態(tài)流在磨料粒子輸送和加速過程中起到了很重要的作用。顯然，分析射流噴嘴處復(fù)雜的紊態(tài)流僅用一維模型是不夠的。為了預(yù)測(cè)噴嘴處流體和粒子的屬性，就需要一種更精密的分析。3、有限元建模這項(xiàng)工作的任務(wù)就是使用CFD分析法預(yù)測(cè)流體和粒子的動(dòng)力屬性，以及優(yōu)化DIA噴嘴的幾何參數(shù)。FIDAP碼7.05版就被用在DIA射流的紊態(tài)固-液兩相流的數(shù)學(xué)建模中。圖1顯示了一副DIA射流噴嘴的圖表。為了避免不必要的麻煩，在兩個(gè)階段間使用單向聯(lián)結(jié)的假設(shè)。這就意味著，流體動(dòng)力階段可以驅(qū)動(dòng)磨料粒子動(dòng)力，而磨料粒子顯示階段卻對(duì)流體動(dòng)力階段不產(chǎn)生任何效果。液體流場(chǎng)是第一步被溶解的。紊流使用K-方法建模（也就是紊態(tài)流動(dòng)及能量耗散方法），這一方法在高雷諾數(shù)應(yīng)用中被廣泛采用。這種持續(xù)的、不能壓縮的、紊態(tài)的不變屬性的軸向流的權(quán)威方程式如下：（1）=- （2）=- （3）圖1 DIA射流噴嘴簡(jiǎn)圖圖2 噴嘴有限元網(wǎng)孔雷諾應(yīng)力由以下方程求得：（4）為了描述紊流傳輸過程，將使用由兩個(gè)方程組成的K-紊流模型，而紊流粘性由以下關(guān)系式?jīng)Q定：（5）紊流動(dòng)能K和能量耗散由以下方程式得出：（6）（7）紊流動(dòng)能G的產(chǎn)生由以下方程得出：這里出現(xiàn)的常數(shù)是Pope12以圓射流為例而得出來的，即Cu=0.09,K=1.00,=1.3,C2=1.92紊流的權(quán)威方程使用有限元方法可以離散化，并能利用FIDAP碼得到解答。圖2就闡明了計(jì)算領(lǐng)域的有限元網(wǎng)孔。由于流體被假定為軸向的，所以只有上半部分的流體區(qū)域需要解決。找到了處理流場(chǎng)的方法之后，粒子的運(yùn)動(dòng)和軌跡線可以通過拉格朗日粒子運(yùn)動(dòng)方程得以確定。其中粒子被假定為是球狀的，并且沒有粒子和粒子之間的作用，這項(xiàng)研究也考慮了慣性力和阻力之間的平衡，但還要進(jìn)一步的研究以便定量分析諸如虛擬質(zhì)量作用、氣體升力、巴斯特力、馬格納絲效應(yīng)等其他力的重要性。圖3 噴嘴水流場(chǎng)速度的向量平面圖圖4 噴嘴中心線的水流速分布假定作用在粒子上的主要力量是阻力和慣性力，那么單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)方程就可以寫為：（8）（9）（10）表1 標(biāo)準(zhǔn)模擬條件噴嘴尺寸:直徑d1mm長(zhǎng)度L20mm直圓柱形管直徑d03mm直圓柱形管長(zhǎng)6mm錐形進(jìn)水道角度60密度1000kg/m3分子粘性0.001kg/(ms)粒子直徑dp0.01,0.05,0.1和0.25mm粒子密度p4000kg/m3進(jìn)水道條件:Z速度100m/sr速度0m/s紊流動(dòng)能K0.0012能量耗散3/2/0.2d進(jìn)水道雷諾數(shù)Re3.0105其中，t是動(dòng)量在流體和粒子之間傳送的粒子響應(yīng)時(shí)間，是阻力修正系數(shù)這樣當(dāng)粒子雷諾數(shù)Rep處于聯(lián)合或變大命令下就可以使用斯托克斯阻力公式了。在噴嘴進(jìn)水道將詳細(xì)說明速度，紊流動(dòng)能以及能量耗散。這里使用Z向的均勻速度總剖圖。紊流動(dòng)能和能量耗散可通過前面提到的公式得到計(jì)算。需要假定的是，當(dāng)磨料粒子進(jìn)入噴嘴時(shí)，作為流體媒介物它們是以相同的速度運(yùn)動(dòng)的。圖5 噴嘴中心線粒子速度 (a)L=20mm，(b)L=30mm，(C)L=40mmAxial distance:軸向距離 Particle axial velocity:粒子軸向速度4、關(guān)于CFD結(jié)果的討論在促進(jìn)噴嘴設(shè)計(jì)和發(fā)展的過程中，現(xiàn)在主要需強(qiáng)調(diào)的是CFD分析法在前混合磨料水射流系統(tǒng)DIA射流噴嘴中的應(yīng)用。應(yīng)用了演示CFD分析法在模擬紊流和粒子動(dòng)能屬性中的能力，我們進(jìn)行了一系列關(guān)于不同粒子尺寸和噴嘴幾何形狀的實(shí)驗(yàn)。表1顯示了標(biāo)準(zhǔn)模擬條件，其中有些變量將會(huì)有變化并以單個(gè)進(jìn)行評(píng)估。 4.1水流場(chǎng) 噴嘴進(jìn)水道的水流速被定為100m/s。圖3是噴嘴水流速向量平面圖。噴嘴排泄口的速度分布呈典型的冪律曲線，其最大速度正處于噴嘴中心線。水流速的信息又為粒子軌跡線的計(jì)算提供了基礎(chǔ)。由于輸送管的逐漸收縮而造成的損失可通過起重機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到證實(shí)。根據(jù)水射流的最初速度100m/s以及精選的幾何形狀可以推算壓力差值在120MPa左右。鑒于這一壓力差值，噴嘴中心線的排泄速度將處在500m/s上下?；隈R赫數(shù)小于0.3的基礎(chǔ)假設(shè)，那么水流的可壓縮性也就可被忽略了。 4.2粒子速度和軌跡線粒子速度和軌跡線是在拉格朗日粒子運(yùn)動(dòng)方程的基礎(chǔ)上研究的。假定粒子沖擊噴嘴壁其反彈回的角度將相當(dāng)于入射角；例如，解調(diào)系數(shù)定為0.8，那么經(jīng)過撞擊后的粒子速度將相當(dāng)于沖擊速度的80%。 4.2.1臨近噴嘴中心線的粒子速度

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