材料表面裂紋缺陷的預(yù)處理裝置設(shè)計(jì)初稿

1、本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）題 目：材料表面裂紋缺陷的預(yù)處理裝置設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：范常峰學(xué) 號(hào)：08046102專業(yè)班級(jí)：工業(yè)設(shè)計(jì)08-1 指導(dǎo)教師：劉衍聰 教授2012年6月17日中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要機(jī)械工程領(lǐng)域材料表面易產(chǎn)生微裂紋并不斷擴(kuò)展造成裝備的破壞失效，激光熔覆技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)展迅速的表面改性技術(shù)，可對(duì)材料表面進(jìn)行快速修復(fù)與性能優(yōu)化，提高材料利用率，延長(zhǎng)了工件使用壽命。裂紋預(yù)處理裝置需要對(duì)裂紋快速、簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)確的去除，以滿足激光熔覆的需要。(設(shè)計(jì)制造裂紋預(yù)處理裝置填補(bǔ)了激光熔覆修復(fù)裂紋預(yù)處理裝置的技術(shù)空白。)材料表面裂紋缺陷預(yù)處理裝置的設(shè)計(jì)，主要包括裝置磨削與傳動(dòng)

2、部分設(shè)計(jì)、裝置外殼與基座設(shè)計(jì)以及基座運(yùn)動(dòng)仿真。根據(jù)裂紋處理快速方便的需要，裝置采用錐齒輪傳動(dòng),通過砂輪磨削去除材料表面裂紋，并對(duì)錐齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和技術(shù)性能校核。運(yùn)用機(jī)械動(dòng)力分析軟件Adams對(duì)基座仿真模擬，并進(jìn)行結(jié)果分析。運(yùn)用多邊形建模功能強(qiáng)大的3ds max以及Solidworks插件Gear Trax對(duì)裝置建模并使用互動(dòng)性的光線追蹤與全域光渲染程序keyshot渲染展示。關(guān)鍵詞: 激光熔覆；裂紋缺陷；磨削；錐齒輪；仿真模擬ABSTRACTThe material surface is easy to produce the micro-cracks and expand destruct

3、ion caused by equipment failure in the field of mechanical engineering. Laser cladding technology is a rapidly developing technology for surface modification, it can fix the surface, optimize its performance. As a result, it improves the material utilization and extends the working life. The crack p

4、retreatment unit should remove the crack rapidly, simply and accurately in order to meet the needs of laser cladding. The design of the pretreatment unit of surface includes grinding and transmission part design of the device, the casing and base design, as well as the base motion simulation. Accord

5、ing to the needs of removing cracks rapidly, simply, accurately, the device uses bevel gear transmission, removes the cracks of surface by wheel grinding. It also calculates the bevel gear and checks the performance. It uses the mechanical power analysis software Adams on the base simulation and ana

6、lyzes the result. It uses the powerful polygon modeling software 3ds max and the Gear Trax plugin of solidworks to model the device. It uses the interactive ray tracing and global light rendering program Keyshot to render and perform the model.Keywords: Laser cladding; crack defects; grinding; bevel

7、 gear; simulation目 錄第1章 前 言11.1 選題背景及意義11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)11.2.1 激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用11.2.2 材料表面裂紋的研究21.2.3 材料表面裂紋去除的現(xiàn)狀21.3 論文的主要內(nèi)容4第2章 裂紋缺陷的特點(diǎn)及預(yù)處理過程分析52.1 材料表面裂紋缺陷特點(diǎn)分析52.1.1 表面裂紋的產(chǎn)生52.1.2 表面裂紋的擴(kuò)展52.1.3 表面裂紋擴(kuò)展速率與形貌變化規(guī)律62.2 激光熔覆層幾何形貌分析72.3 槽的截面分析與裂紋去除82.3.1 槽的類型的選擇92.3.2 梯形槽形狀的確定92.3.3 裂紋去除方式的選擇102.4 工作原理11第3章 預(yù)處

8、理裝置的磨削部件設(shè)計(jì)133.1 砂輪的選擇133.1.1 砂輪形狀與尺寸的確定133.1.2 磨料和粒度的選擇133.2 磨削力的計(jì)算與電動(dòng)機(jī)選擇143.2.1 磨削力的計(jì)算143.2.2 電動(dòng)機(jī)的選擇153.3 軸徑與鍵的設(shè)計(jì)163.3.1 傳動(dòng)比的計(jì)算163.3.2 軸徑的設(shè)計(jì)163.3.3 鍵的選取173.4 錐齒輪的設(shè)計(jì)與校核183.4.1 錐齒輪1與錐齒輪2參數(shù)的確定183.4.2 錐齒輪3與錐齒輪4參數(shù)的確定223.5 砂輪的安裝與安全防護(hù)253.5.1 砂輪的安裝253.5.2 工作過程的安全防護(hù)25第4章 預(yù)處理裝置基座設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真274.1 基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)274.1.1 基座

9、高度調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)274.1.2 基座角度轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)274.1.3 基座導(dǎo)軌選擇284.1.4 基座底板設(shè)計(jì)284.2 基座運(yùn)動(dòng)仿真294.2.1 仿真模型的建立294.2.2 施加作用力與阻尼器304.2.3 仿真結(jié)果分析314.3 基座輔助部件設(shè)計(jì)32第5章 外殼設(shè)計(jì)與裝置展示335.1 砂輪正反轉(zhuǎn)裝置335.2 外殼的設(shè)計(jì)345.2.1 外殼顏色的確定345.2.2 外殼把手分析設(shè)計(jì)345.3 三維模型的建立與外觀展示35第6章 結(jié) 論39致 謝40參考文獻(xiàn)41附 錄42iv第1章 前 言第1章 前 言1.1 選題背景及意義在石油、石化和航天造船等領(lǐng)域，重型裝備種類繁多，由于重載和振動(dòng)等惡劣工

10、況以及構(gòu)件表面本身存在各種宏觀缺陷，如壓痕、刮傷、蝕坑等，材料表面易產(chǎn)生微裂紋并不斷擴(kuò)展造成裝備的破壞失效，若直接報(bào)廢將會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，而且大量零部件及設(shè)備報(bào)廢也會(huì)對(duì)環(huán)境和資源造成巨大壓力。通過先進(jìn)的加工技術(shù)對(duì)零件表面進(jìn)行改善，不但延長(zhǎng)了零件使用壽命，而且提高了其表面使用性能，由此帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。激光表面處理是綠色再制造技術(shù)，是未來工業(yè)應(yīng)用潛力最大的表面改性技術(shù)之一。基于激光加工技術(shù)在零件表面制備與金屬基體材料呈冶金結(jié)合的表面涂層，可根據(jù)使用性能要求設(shè)計(jì)涂層成分、選擇熔覆材料，在廉價(jià)鋼材上可制備出性能優(yōu)異的合金涂層1，從而顯著地改善零件耐磨、耐蝕、耐熱和抗氧化等性能，節(jié)約貴重稀

11、有金屬材料，提高材料利用率、降低成本，因此激光熔覆技術(shù)被廣泛應(yīng)用于石油、化工、航天和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。激光熔覆前材料表面的裂紋需要進(jìn)行有效地清除，在此基礎(chǔ)上考慮金屬材料成本，加工成本等因素裂紋的去除應(yīng)滿足準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、快捷等要求。目前材料表面裂紋的去除很難同時(shí)做到準(zhǔn)確、快捷，僅憑操作者的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行表面裂紋的去除，容易造成不必要的資源浪費(fèi)?；谏鲜鰡栴}，本文對(duì)表面裂紋預(yù)處理裝置設(shè)計(jì)，在材料表面修復(fù)前對(duì)表面裂紋進(jìn)行準(zhǔn)確、快捷的去除，從而達(dá)到提高材料利用率，降低成本的目的。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)70年代隨著大功率激光器的發(fā)展而興起的一種新的

12、表面改性技術(shù)，近年來受到了各界的廣泛關(guān)注。激光熔覆技術(shù)有很多工藝性優(yōu)點(diǎn)，如易于控制、工件變形量小，熔覆層與零件間結(jié)合強(qiáng)度高，熔覆層耐磨性和耐蝕性能好等。可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種大型、精密零部件的表面改性，對(duì)關(guān)鍵零部件的磨損部位進(jìn)行修復(fù)。與傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)相比較，激光熔覆技術(shù)解決了電弧堆焊、氬弧堆焊、等離子弧堆焊等傳統(tǒng)加工方法無法解決的工藝過程熱應(yīng)力和熱變形大的難題，因此被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械裝備零部件的加工和修復(fù)中。1.2.2 材料表面裂紋的研究近50年來，對(duì)于材料表面裂紋的研究，斷裂力學(xué)作為一門研究含裂紋材料和結(jié)構(gòu)的抗斷裂性能，以及在各種工作環(huán)境下裂紋的平衡、擴(kuò)展、失穩(wěn)及止裂規(guī)律的學(xué)科發(fā)展迅速，已在許多領(lǐng)

13、域中解決了大量的生產(chǎn)實(shí)際問題，特別是解決了抗斷設(shè)計(jì)、合理選材、適當(dāng)?shù)臒崽幚碇贫群图庸すに?、預(yù)測(cè)構(gòu)建的疲勞壽命、制定合理的質(zhì)量檢測(cè)制度和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以及防止斷裂事故等方面的問題。目前，材料表面裂紋研究的基本理論、測(cè)試技術(shù)和應(yīng)用計(jì)算方法等還有許多有爭(zhēng)議和不成熟之處而正處于發(fā)展之中。雖然其研究的許多領(lǐng)域仍在發(fā)展階段，但許多國(guó)家已將較成熟的部分制定了斷裂控制新標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)規(guī)范，用于工程實(shí)際中，成為提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證產(chǎn)品安全運(yùn)行、防止結(jié)構(gòu)斷裂事故的有力工具。我國(guó)工業(yè)由于材料裂紋造成的損失驚人，為此在重大機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用防斷裂設(shè)計(jì)2,國(guó)外稱為“破損安全設(shè)計(jì)”或“損傷容限設(shè)計(jì)”，其有助于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平的提高，

14、保證產(chǎn)品的安全性和可靠性。在不可避免地存在缺陷或裂紋的構(gòu)件中，可以防止事故的發(fā)生，減少不應(yīng)有的損失。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過大量實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用“變載荷勾線法”等對(duì)材料表面裂紋的擴(kuò)展速率和形狀變化進(jìn)行了研究并利用公式加以描述，分析其中各參數(shù)關(guān)系。材料表面裂紋的研究，對(duì)于我國(guó)工程實(shí)際問題具有重大的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。1.2.3 材料表面裂紋去除的現(xiàn)狀對(duì)于材料表面裂紋的去除主要有以下幾種方法：氣割加工、切削加工（銑削或刨）、碳弧氣刨、砂輪打磨。如圖 11所示：（a）(b)(c)(d)圖 11 材料表面裂紋去除方法(a) 氣割加工；（b）切削加工；（c）碳弧氣刨；（d）砂輪打磨氣割是利用氣體火焰的熱能將工件切割處預(yù)熱

15、到一定溫度后，噴出高速切割氧流，使材料燃燒并放出熱量實(shí)現(xiàn)切割的方法。氣割一般只用于低碳鋼、低合金鋼和鈦及鈦合金，手工氣割使用靈活方便，一般應(yīng)用于工廠零星下料、廢品廢料解體、安裝和拆除。切削加工是使用刀具作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切削加工，效率高，目前國(guó)內(nèi)有關(guān)于便攜式機(jī)械去除裂紋、加工坡口的專利，主要是通過電機(jī)帶動(dòng)銑刀盤對(duì)材料表面進(jìn)行銑削，相關(guān)產(chǎn)品已在大型管道和裝備領(lǐng)域得到應(yīng)用。碳弧氣刨是利用在碳棒的與工件之間產(chǎn)生的電弧熱將金屬熔化，同時(shí)用壓縮空氣將這些熔化金屬吹掉，從而在金屬上刨削出溝槽一種熱加工工藝。目前，碳弧氣刨主要用于清焊根，開中、厚板對(duì)接坡口、管對(duì)接U形坡口。砂輪打磨應(yīng)用廣泛，主要進(jìn)行金屬部件打磨

16、切削，木材、石材加工等。各種裂紋處理方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，基于加工要求，通過分析對(duì)比選擇合適的加工方法，不僅有利于裂紋處理的準(zhǔn)確和簡(jiǎn)捷，而且降低了加工成本，對(duì)激光熔覆加工的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。1.3 論文的主要內(nèi)容針對(duì)激光熔覆表面裂紋預(yù)處理的要求以及目前裂紋去除過程中存在的問題，本文主要包括以下內(nèi)容：（1）采用磨削方式對(duì)材料表面裂紋進(jìn)行去除，進(jìn)行磨削力的計(jì)算。選用旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪傳動(dòng)，并對(duì)錐齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和性能校核。（2）基于激光熔覆表面裂紋預(yù)處理的要求，指出現(xiàn)階段砂輪打磨方面的不足，提出解決方案，對(duì)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到簡(jiǎn)單、快捷、準(zhǔn)確去除裂紋的目的。（3）運(yùn)用機(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件Adams對(duì)裝置

17、基座進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并進(jìn)行結(jié)果分析。（4）對(duì)預(yù)處理裝置磨削及傳動(dòng)部分采用Solidworks進(jìn)行建模，對(duì)裝置外殼部分參照人機(jī)工程學(xué)使用3ds Max軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)建模,裝置模型使用互動(dòng)性的光線追蹤與全域光渲染程序Keyshot進(jìn)行渲染展示。42第2章 裂紋缺陷的特點(diǎn)及預(yù)處理過程分析第2章 裂紋缺陷的特點(diǎn)及預(yù)處理過程分析研究裂紋缺陷和激光熔凝區(qū)的特點(diǎn)，分析表面裂紋擴(kuò)展速率及形狀變化規(guī)律對(duì)裂紋的有效和準(zhǔn)確去除具有重要意義。本章是對(duì)材料表面裂紋缺陷特點(diǎn)進(jìn)行介紹，為磨削表面裂紋裝置設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。對(duì)激光熔凝區(qū)幾何形貌作簡(jiǎn)要分析，以求磨削裂紋可以更好的滿足激光熔覆過程的要求。為了降低裝置閑置率，裝置具備磨

18、削焊接坡口的能力。2.1 材料表面裂紋缺陷特點(diǎn)分析2.1.1 表面裂紋的產(chǎn)生實(shí)際構(gòu)件存在的缺陷是多種多樣的，如冶煉中產(chǎn)生的夾渣、氣孔，加工中引起的刀痕、刻槽，鑄件中的縮孔、疏松。機(jī)械裝備本身可能存在缺陷，在重載和振動(dòng)等惡劣工況下，其材料表面易產(chǎn)生微裂紋并不斷擴(kuò)展造成裝備的破壞失效，結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境中使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生腐蝕裂紋，大多數(shù)工程實(shí)際問題中，構(gòu)件上作用的載荷或應(yīng)力往往隨時(shí)間交替變化，總是在應(yīng)力最高、強(qiáng)度最弱的局部位置上發(fā)生疲勞，從而產(chǎn)生疲勞裂紋。裂紋按幾何特征可以分為穿透裂紋、表面裂紋和深埋裂紋。裂紋位于構(gòu)件表面或裂紋深度相對(duì)構(gòu)件厚度比較小就作為表面裂紋處理。對(duì)于表面裂紋常簡(jiǎn)化為半橢圓形裂紋。很

19、多穿透裂紋也可以追溯為表面疲勞裂紋擴(kuò)展形成的，因此研究表面裂紋擴(kuò)展具有重要的實(shí)際意義。2.1.2 表面裂紋的擴(kuò)展裂紋形成后，在材料中的擴(kuò)展可分為兩個(gè)階段。第一階段是在與拉應(yīng)力成45角的最大剪應(yīng)力的方向擴(kuò)展，在這一階段內(nèi)裂紋擴(kuò)展速率和深度都非常小。其后轉(zhuǎn)為第二階段，裂紋沿著最大拉應(yīng)力平面進(jìn)行擴(kuò)展，其擴(kuò)展速率與深度都比第一階段大得多。裂紋的亞臨界擴(kuò)展過程是裂紋尖端反復(fù)銳化和鈍化的過程，要經(jīng)歷張開、鈍化、閉合的循環(huán)，裂紋尖端每經(jīng)過一次循環(huán)，裂紋就向前擴(kuò)展一個(gè)。Bates和Clark曾提出了裂紋間距與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度以及材料彈性模量E間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：（2-1）由此，可以對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度作大致估算2.

20、1.3 表面裂紋擴(kuò)展速率與形貌變化規(guī)律若應(yīng)力循環(huán)次之后，裂紋擴(kuò)展量為，裂紋擴(kuò)展速率是指應(yīng)力每循環(huán)一周，裂紋的擴(kuò)展。對(duì)于裂紋擴(kuò)展速率的研究，主要在于尋求裂紋擴(kuò)展速率與有關(guān)各種力學(xué)參量之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。二維裂紋的問題，疲勞裂紋擴(kuò)展速率一般采用Paris-Erdogan公式3來描述，即：（2-2）式中，da/dN為裂紋擴(kuò)展速率，K為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值，C和m為材料常數(shù)。對(duì)于三維裂紋問題4，當(dāng)含有半橢圓裂紋的平板受拉伸和彎曲載荷作用時(shí)，裂紋在深度和長(zhǎng)度方向的擴(kuò)展速率分別為：（2-3）（2-4）式中，a為裂紋深度，c為裂紋半長(zhǎng)，、分別為裂紋最深點(diǎn)A和表面點(diǎn)B處的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值，CA、CB各為裂紋深度和長(zhǎng)

21、度方向的材料系數(shù)。在三維裂紋擴(kuò)展過程中，對(duì)于彎曲疲勞表面裂紋不斷扁化5，且滿足如下關(guān)系式：（2-5）其中，B為構(gòu)件厚度。對(duì)于拉伸疲勞，隨裂紋擴(kuò)展，趨于一個(gè)穩(wěn)定值，其值為：（2-6）現(xiàn)有有一厚度為15mm的鋼板，材料為40號(hào)鋼。鋼板表面因彎曲疲勞存在一長(zhǎng)度為85.7mm的裂紋，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行裂紋去除以方便進(jìn)行激光表面修復(fù)。由式（2-5），裂紋深度a=10mm現(xiàn)測(cè)得裂紋偏轉(zhuǎn)幅度為4mm，如圖 21所示：圖 21 鋼板表面疲勞裂紋由手冊(cè)查取國(guó)產(chǎn)鋼材疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展率值可知，40號(hào)鋼其材料常數(shù)C為，單位為，m為3，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度在18.649.6之間，此處取為40，則根據(jù)Paris公式，裂紋擴(kuò)展率mm

22、/周2.2 激光熔覆層幾何形貌分析激光熔覆是一種具有焊接和熱處理雙重屬性的工藝，它利用高能密度的激光束在基體表面熔覆具有一定性能的熔覆層。在熔覆過程中熔覆材料和基體表面在激光束的作用下被迅速熔化，隨后快速凝固，從而在基體表面形成與常規(guī)性能不同的合金層。熔覆試樣橫截面按組織特點(diǎn)由上至下分為四個(gè)區(qū)域：熔覆層、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和基體。通過對(duì)熔合區(qū)幾何形貌進(jìn)行分析，確定裂紋去除后基體的截面形狀，對(duì)激光熔覆加工熔覆層質(zhì)量重要影響。激光光束經(jīng)過待修復(fù)區(qū)域時(shí)，待修復(fù)區(qū)域合金粉末層熔化，此區(qū)域稱為熔化區(qū)，同時(shí)基材也有一薄層熔化，此區(qū)域稱為結(jié)合區(qū)，它是激光快速加熱形成的熔池底部冷卻后產(chǎn)生的組織。熔化區(qū)和結(jié)合區(qū)共

23、同形成了激光熔池，稱為激光熔合區(qū)。占煥校等在“激光寬帶加工數(shù)值模擬中的熱源模型”一文中采用激光寬帶熱源模型，對(duì)42CrMo板材表面進(jìn)行激光熔凝試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熔池底部較為平整，類“平底鍋”狀6。在激光熔覆過程中，工藝參數(shù)對(duì)熔覆層的外觀形貌、顯微組織及性能有直接的影響，而熔覆層的形貌，包括熔覆層寬度、熔覆層高度、基體熔深，其對(duì)最后的熔覆質(zhì)量有較大的影響。影響激光熔覆層形貌的因素很多，且實(shí)際生產(chǎn)中存在著許多不確定或難以確定的因素，這些因素有送粉系統(tǒng)的穩(wěn)定性、激光系統(tǒng)的聚焦性、激光功率、光斑直徑、掃描速度、送粉速率等。對(duì)于激光熔凝區(qū)幾何形貌影響因素以及各影響因素與幾何形貌之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，趙洪運(yùn)等采用

24、多元線性回歸分析的方法進(jìn)行了闡述。其主要是通過設(shè)一個(gè)響應(yīng)變量Y和m個(gè)預(yù)測(cè)變量，的n組觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立如下線性模型7：（2-7）式中，均為常數(shù)，為偏回歸系數(shù)；為隨機(jī)干擾；響應(yīng)變量，分別代表熔覆層寬度W，熔覆層高H，基體熔深p；解釋變量，分別代表激光功率P，激光掃描速度v，送粉電壓U。由公式（2-8）可得到送粉速率，單位為mg/s，其中，是粉槽體積，是粉末松裝密度。通過SPSS統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行多元線性回歸，得出以下表示熔覆層寬W，高度H和基體熔深p的表達(dá)式：（2-9）（2-10）（2-11）其中，P為激光功率（KW），U為送粉電壓（V），v為激光掃描速率（mm/s）。試驗(yàn)證明，激光功率為2.9KW3.1

25、KW，掃描速度為67mm/s的參數(shù)進(jìn)行熔覆，基體有利于得到較高的抗裂韌性和較好的機(jī)加工性能。送粉電壓取5V，代入公式（2-9）、（2-10）、（2-11）得：熔覆層寬度W=4.422mm熔覆層高度H=1.487mm基體熔深p=0.420mm2.3 槽的截面分析與裂紋去除槽的截面形狀會(huì)對(duì)激光熔覆質(zhì)量造成影響。其形狀應(yīng)與熔合區(qū)截面形狀相吻合，以保證激光光束對(duì)合金粉末層均勻熔化，減少了熔池冷卻后應(yīng)力的產(chǎn)生和不均勻分布，從而盡可能的減少了激光熔覆后熔覆層裂紋的產(chǎn)生。2.3.1 槽的類型的選擇常見槽的截面形狀主要有：矩形槽，V型槽，U型槽，帶鈍邊V型槽。矩形槽加工比較簡(jiǎn)單，采用銑削、刨、砂輪磨削均可加工

26、，但矩形槽與激光熔合區(qū)截面形狀差距較大，故不采用矩形槽。V型截面在焊接坡口加工中也較為常見，其加工過程簡(jiǎn)單，通過調(diào)節(jié)坡口角度，可以調(diào)節(jié)熔覆層基體金屬與合金粉末的比例，但在對(duì)V型槽進(jìn)行激光熔覆時(shí)需要多層多道熔覆，熔覆加工過程復(fù)雜，故不采用V型槽。U型槽可與激光熔合區(qū)截面形狀完全吻合，但加工U型槽一般采用銑削或刨的方式，且需要制造相應(yīng)的刀具，砂輪磨削難以實(shí)現(xiàn)，加工成本高，故不采用U型截面。帶鈍邊V型槽也可稱為梯形槽，梯形槽可以最大限度的與激光熔合區(qū)截面形狀吻合?？赏ㄟ^砂輪修整，磨削加工出所需梯形槽，加工過程簡(jiǎn)單，加工成本低，故槽的類型可選擇梯形槽。2.3.2 梯形槽形狀的確定為了最大限度地使梯形槽

27、形狀與激光熔合區(qū)截面形狀吻合，需要對(duì)梯形槽的具體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算以確定。圖 22 激光熔合區(qū)截面形狀幾何模型如圖 22所示，以熔覆層寬AB為x軸，基體熔深OC為y軸，AB的中點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系。其中，A點(diǎn)坐標(biāo)為（-2.211,0），B點(diǎn)坐標(biāo)為（2.211,0），C點(diǎn)坐標(biāo)為（0,-0.420）。將熔合區(qū)截面視為拋物線，由拋物線方程（2-12）可得熔合區(qū)截面拋物線方程為：取拋物線上的點(diǎn)D、E，其坐標(biāo)分別為、，則梯形槽截面面積,計(jì)算得：， 即x為0.736時(shí),梯形槽截面有最大值，最大限度與熔合區(qū)截面形狀吻合。由此，梯形槽截面形狀確定，其上底a為1.472mm,下底b為4.422mm,高度h

28、為0.373mm。2.3.3 裂紋去除方式的選擇目前對(duì)于材料表面裂紋的去除主要有以下幾種方法：氣割加工、切削加工（銑削或刨）、碳弧氣刨、砂輪打磨。氣割加工較為工作過程快速，去除裂紋的有效性和準(zhǔn)確性難以控制。切削加工主要有銑削和刨兩種方法，這兩種方法雖然去除準(zhǔn)確，但多數(shù)情況需要將物件放到機(jī)床上，裂紋去除過程難以做到簡(jiǎn)單快捷，目前國(guó)內(nèi)有關(guān)于便攜式機(jī)械去除裂紋、加工坡口的專利8，主要是通過電機(jī)帶動(dòng)銑刀盤對(duì)材料表面進(jìn)行銑削，相關(guān)產(chǎn)品已在大型管道和裝備領(lǐng)域得到應(yīng)用，與此同時(shí)也存在銑刀盤對(duì)加工不同截面形狀難以滿足，切削加工切削力大從而因電機(jī)和傳動(dòng)裝置的選取導(dǎo)致整個(gè)裝置笨重等問題。碳弧氣刨使用石墨棒或碳棒與

29、工件間產(chǎn)生的電弧將金屬熔化，并用壓縮空氣將其吹掉，實(shí)現(xiàn)在金屬表面上加工溝槽的方法，這種方法效率高、噪音小、勞動(dòng)強(qiáng)度低，但碳弧有煙霧，粉塵污染和弧光輻射，操作不當(dāng)容易引起槽道增碳。砂輪打磨在日常加工生產(chǎn)中較為常用，砂輪打磨去除表面裂紋的主要工具是角向磨光機(jī)，這種方法加工過程簡(jiǎn)單、快捷，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋有效去除，但其工作過程多為操作者手持，對(duì)裂紋的去除程度多憑經(jīng)驗(yàn)判斷，準(zhǔn)確性難以把握。對(duì)比以上方法，選擇砂輪打磨的方式設(shè)計(jì)裝置進(jìn)行裂紋預(yù)處理，力求使裝置處理裂紋快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)捷，滿足激光熔覆要求。2.4 工作原理激光熔覆技術(shù)是通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能量密度的激光束使之與基材表面一起熔凝的方

30、法，為使熔覆過程方便，假定激光束經(jīng)過基體的路徑為直線，即對(duì)基體表面進(jìn)行直線熔覆。現(xiàn)需對(duì)基體表面裂紋處磨削一規(guī)定截面形狀的梯形直槽。裂紋預(yù)處理裝置主要包括：砂輪，錐齒輪，電機(jī)，調(diào)高裝置，角度轉(zhuǎn)軸，滑塊，燕尾槽，底板，外殼等。如圖 23 裝置外殼與基座結(jié)構(gòu)示意圖圖 24 裝置傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖其工作原理為：旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過高速軸帶動(dòng)錐齒輪1旋轉(zhuǎn)，錐齒輪1將轉(zhuǎn)矩通過錐齒輪2傳遞給錐齒輪3，錐齒輪4在錐齒輪3的帶動(dòng)下帶動(dòng)低速軸，進(jìn)而帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)。其中，錐齒輪4、低速軸、砂輪可繞中速軸軸線進(jìn)行180旋轉(zhuǎn)。電機(jī)通過調(diào)高轉(zhuǎn)盤和調(diào)高螺柱與基座相連，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)高轉(zhuǎn)盤，達(dá)到電機(jī)和砂輪高度的升降。調(diào)高螺柱與角度轉(zhuǎn)軸均與滑塊

31、連為一體，通過調(diào)節(jié)角度轉(zhuǎn)軸可以使砂輪與基體成一定角度，滑塊嵌入燕尾槽，推動(dòng)電機(jī)部分，滑塊沿燕尾槽直線滑動(dòng)，從而保證砂輪的直線運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)高度，砂輪逐漸對(duì)基體磨削一定深度，最終去除裂紋，如圖 25所示。圖 25 砂輪磨削基體示意圖第3章 預(yù)處理裝置的磨削部件設(shè)計(jì)第3章 預(yù)處理裝置的磨削部件設(shè)計(jì)本章對(duì)裝置磨削部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，預(yù)處理裝置磨削部件主要包括：砂輪，錐齒輪傳動(dòng)部分和電機(jī)。各個(gè)部件參數(shù)如砂輪厚度，直徑，錐齒輪大端分度圓直徑，電機(jī)功率等的選取將直接影響到裝置對(duì)裂紋的處理能力，合理選取部件參數(shù)對(duì)于預(yù)處理過程具有重要意義。3.1 砂輪的選擇3.1.1 砂輪形狀與尺寸的確定砂輪的形狀和尺寸是根據(jù)磨削

32、類型、加工方法及加工要求來確定的。常見砂輪形狀主要有：平形、雙斜邊、雙邊凹、筒形、杯形、碗形、碟形、鈸形，由于裝置用砂輪在磨削裂紋或進(jìn)行破口加工時(shí)有砂輪側(cè)面磨削要求，故可選用平行砂輪和鈸形砂輪，其中坡口加工選用鈸形砂輪。對(duì)裂紋進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，根據(jù)梯形槽截面相關(guān)參數(shù)選擇直徑為100mm，厚度為4mm的平行砂輪，砂輪用砂輪修整器進(jìn)行修整，使其形狀與梯形槽截面形狀一致。3.1.2 磨料和粒度的選擇磨料是砂輪的主要組成部分，它應(yīng)具有很高的硬度、耐磨性、耐熱性和一定的韌性。以承受磨削時(shí)的切削熱和切削力，同時(shí)還應(yīng)具備鋒利的尖角，以利磨削金屬。常用的砂輪磨料主要有：棕剛玉、白剛玉、黑碳化硅、綠碳化硅、立方氮化

33、硼、人造金剛石9，對(duì)于在40號(hào)鋼上進(jìn)行裂紋磨削，可選用硬度高，韌性好，價(jià)格便宜的棕剛玉砂輪。砂輪的粒度對(duì)磨削精度和磨削效率影響很大。磨粒粗，磨削深度大，磨削效率高，但磨削精度低；反之則磨削深度均勻，磨削精度較高。對(duì)于表面裂紋磨削，選用粒度號(hào)為60#的砂輪，滿足磨削要求。3.2 磨削力的計(jì)算與電動(dòng)機(jī)選擇3.2.1 磨削力的計(jì)算磨削力源自基體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結(jié)合劑與基體表面之間的摩擦作用。磨削力的計(jì)算對(duì)裝置設(shè)計(jì)具有重要意義，通過計(jì)算可以確定傳動(dòng)部分錐齒輪的參數(shù)，進(jìn)而對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行選擇。磨削力一般是用經(jīng)驗(yàn)公式來估算，或者用實(shí)驗(yàn)的方法來測(cè)定。用實(shí)驗(yàn)的方法來測(cè)定，

34、不僅工作量大，而且成本較高。磨削力的理論公式對(duì)磨削過程做定性分析和大致估算時(shí)具有很大作用，但是由于磨削加工情況的復(fù)雜性，建立于一定加工條件和假設(shè)條件之上的理論公式，在條件改變后就導(dǎo)致使用受到極大限制。迄今為止，還沒有一種可適用于各種磨削條件下的嚴(yán)密磨削力理論公式10。對(duì)于磨削過程的詳細(xì)研究，目前仍然需依靠實(shí)驗(yàn)測(cè)試及在該實(shí)驗(yàn)條件下的經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行。砂帶磨削力的計(jì)算能更好地滿足砂輪切槽磨削力的計(jì)算。砂帶恒切除率法向力公式如下：（3-1）（3-2）式中，為金屬切除率（），為進(jìn)給速度（mm/s），b為磨削寬度(mm), 為磨削深度（mm）,為砂帶線速度（m/s）,t為磨削時(shí)間，K為與砂帶鈍化速度有關(guān)的

35、系數(shù)，為比磨削能。在進(jìn)行裝置磨削力計(jì)算時(shí)，應(yīng)選擇磨削力最大的情況來進(jìn)行計(jì)算?？蛇x磨削力最大情況為開一個(gè)深度為20mm,開口角度為30的坡口，如圖 31所示：圖 31 磨削30坡口截面示意圖取為50mm/s, 為1mm,b分別為mm,4mm，取31.4m/s。對(duì)于低碳鋼，其磨削能為，由公式（3-1）、（3-2）計(jì)算得：砂輪法向磨削力=94.0N由于砂輪磨粒具有較大的負(fù)前角，所以法相磨削力大于切向磨削力，通常磨削力比/在1.53范圍內(nèi)。取磨削力比為3，則砂輪切向磨削力31.3N3.2.2 電動(dòng)機(jī)的選擇在裂紋預(yù)處理和坡口加工過程中，砂輪的轉(zhuǎn)速要求較高，一般取6000r/min，磨削過程中磨削力變化范

36、圍大，對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載適應(yīng)性有一定要求。單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)是一種電樞繞組和串聯(lián)繞組串聯(lián)在一起工作的單相交流異步電動(dòng)機(jī)，它轉(zhuǎn)速高、體積小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速可調(diào)，既可在直流電源上使用，又可在單相交流電源上使用，因而在電動(dòng)工具中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)砂輪切向磨削力，需要對(duì)工作機(jī)所需輸入功率、電動(dòng)機(jī)輸出功率進(jìn)行計(jì)算，從而選擇合適的電動(dòng)機(jī)。砂輪切向磨削力為31.3N，根據(jù)其工作原理，裝置為兩級(jí)錐齒輪傳動(dòng)，兩組滾動(dòng)軸承，由手冊(cè)11查的，錐齒輪傳動(dòng)工作效率=0.940.97滾動(dòng)軸承工作效率=0.99則傳動(dòng)裝置總效率=0.92工作機(jī)效率=0.92工作機(jī)所需輸入功率=0.98kN（3-3）電動(dòng)機(jī)輸出功率=1.07kN（3

37、-4）取過載系數(shù)K為1.1，電機(jī)額定功率=1.17kW（3-5）可選取UM9835型單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，其額定功率為1.2kW，負(fù)載轉(zhuǎn)速為15700r/min。3.3 軸徑與鍵的設(shè)計(jì)3.3.1 傳動(dòng)比的計(jì)算電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載下轉(zhuǎn)速=15700r/min,工作機(jī)轉(zhuǎn)速n=6000r/min，故總傳動(dòng)比=2.617（3-6）由手冊(cè)12查的，直齒圓錐齒輪傳動(dòng)比可取=1.8，=1.5則設(shè)計(jì)傳動(dòng)比i=2.7傳動(dòng)比誤差=3.17%5%，傳動(dòng)比分配符合要求。3.3.2 軸徑的設(shè)計(jì)通過軸徑的計(jì)算可以確定齒輪孔徑，也是選擇軸承和鍵的重要參照1.輸入功率高速軸輸入功率（3-7）中速軸輸入功率（3-8）低速軸輸入功率（3-9

38、）計(jì)算可得，=1.2kW, =1.15kW, =1.11kW。2.轉(zhuǎn)速高速軸轉(zhuǎn)速=（3-10）中速軸轉(zhuǎn)速（3-11）低速軸轉(zhuǎn)速（3-12）經(jīng)計(jì)算，=15700r/min, =8722.2r/min, =5814.8r/min。軸徑d可按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算，其公式為：（3-13）其中，C為與軸材料有關(guān)的系數(shù)，軸材料取Q235，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材表16.2查得C取160。經(jīng)計(jì)算，高速軸軸徑取為8mm,中速軸軸徑取為9mm,低速軸軸徑取為10mm。3.3.3 鍵的選取鍵選用普通平鍵，根據(jù)軸徑由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查的，軸徑在范圍時(shí)13，鍵寬b=3mm,鍵高h(yuǎn)=3mm,軸槽深為2mm,輪轂槽深為1.1mm。高速軸、中速

39、軸、低速軸鍵長(zhǎng)、均取為10mm，對(duì)其進(jìn)行校核。由轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式（3-14）可得，高速軸轉(zhuǎn)矩=729.94Nmm,中速軸轉(zhuǎn)矩=1261.33Nmm,低速軸轉(zhuǎn)矩=1818.09Nmm。由鍵靜連接轉(zhuǎn)矩公式（3-15）（3-16）式中，為鍵的接觸長(zhǎng)度，為許用擠壓應(yīng)力，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材表7.1選取為100MPa。經(jīng)計(jì)算，高速軸鍵所能傳遞最大轉(zhuǎn)矩=4200Nmm，中速軸=4200Nmm,低速軸=4200Nmm，均符合擠壓強(qiáng)度要求。3.4 錐齒輪的設(shè)計(jì)與校核3.4.1 錐齒輪1與錐齒輪2參數(shù)的確定錐齒輪均選用直齒錐齒輪，其加工多為刨齒，不宜采用硬齒面，錐齒輪1材料選用40Cr,錐齒輪2選用42SiMn。1.齒數(shù)

40、取錐齒輪1齒數(shù)為20，則錐齒輪2齒數(shù)=36。估計(jì)圓周速度，選5級(jí)精度。2.分錐角分錐角計(jì)算公式（3-17）式中傳動(dòng)比為1.8，經(jīng)計(jì)算得，=0.87，=0.49。3.當(dāng)量齒數(shù)當(dāng)量齒數(shù)計(jì)算公式（3-18）經(jīng)計(jì)算得，=22.99，=73.47。4.當(dāng)量端面重合度當(dāng)量端面重合度計(jì)算公式（3-19）為螺旋角，對(duì)于直齒齒輪，為0。經(jīng)計(jì)算得，=1.705.重合度系數(shù)與齒間載荷分配系數(shù)重合度系數(shù)公式（3-20）齒間載荷分配系數(shù)計(jì)算公式（3-21）計(jì)算得，=0.88，=1.29。6.載荷系數(shù)K載荷系數(shù)計(jì)算公式如下：（3-22）其中，為使用系數(shù)，查取機(jī)械設(shè)計(jì)教材14表12.9，取1.35；為動(dòng)載系數(shù)，查取機(jī)械設(shè)計(jì)

41、教材圖12.9，取1.1；為齒向載荷分布系數(shù)，查取機(jī)械設(shè)計(jì)教材表12.20，取1.9；經(jīng)計(jì)算，K=3.64。7.許用接觸應(yīng)力許用接觸應(yīng)力計(jì)算公式如下：（3-23）式中，為接觸疲勞極限，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖12.17，取=710MPa,=680MPa；為接觸壽命系數(shù)，??；為接觸最小安全系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材表12.14，取為1.05；經(jīng)計(jì)算，=676MPa, =648MPa。8.錐齒輪1大端分度圓直徑小輪大端分度圓直徑計(jì)算公式如下：（3-24）其中，為齒寬系數(shù)，取0.3；為彈性系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材表12.12，取188.0；為節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖12.16，取2.5；取、兩者較小的，即取為

42、648MPa。經(jīng)計(jì)算，=23.54mm。平均分度圓直徑計(jì)算公式（3-25）經(jīng)計(jì)算，=20mm。圓周速度計(jì)算公式（3-26）計(jì)算得，=16.43m/s，與估計(jì)值接近。9.大端模數(shù)m大端模數(shù)（3-27）計(jì)算得，m=1.177mm,根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)教材表12.3，m取1.25mm。10.實(shí)際大端分度圓直徑d其公式為（3-28）經(jīng)計(jì)算，=25mm, =45mm。11.錐距R其公式為（3-29）計(jì)算得，R=25.74mm12.齒寬b齒寬公式為（3-30）計(jì)算得，b=7.72mm。以下對(duì)齒輪進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算：13.重合度系數(shù)重合度系數(shù)公式（3-31）經(jīng)計(jì)算，=0.69。14.齒間載荷分配系數(shù) 齒間載荷

43、分配系數(shù)公式（3-32）計(jì)算得，=1.45。15.載荷系數(shù)K載荷系數(shù)公式（3-33）計(jì)算得，K=4.09。16.許用彎曲應(yīng)力許用彎曲應(yīng)力計(jì)算公式如下：（3-34）其中，為彎曲疲勞極限，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖12.23查得，=600MPa, =570MPa；為彎曲壽命系數(shù)，取=1.0；為尺寸系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖12.25查得，=1.0；為彎曲最小安全系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材表12.14查得，=1.25。經(jīng)計(jì)算，=480MPa, =456MPa。彎曲應(yīng)力計(jì)算公式為（3-35）其中，為齒形系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖12.30得，=2.88，=2.4；為應(yīng)力修正系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖12.31得，=1.61，=1

44、.9。經(jīng)計(jì)算，=160.94MPa,=158.27MPa。故錐齒輪1與錐齒輪2滿足強(qiáng)度要求。3.4.2 錐齒輪3與錐齒輪4參數(shù)的確定錐齒輪3材料選用40Cr,錐齒輪4選用42SiMn。1.齒數(shù)取錐齒輪3齒數(shù)為20，則錐齒輪4齒數(shù)=30。估計(jì)圓周速度，選6級(jí)精度。2.分錐角由公式（3-17），式中傳動(dòng)比為1.5，經(jīng)計(jì)算得，=0.83，=0.55。3.當(dāng)量齒數(shù)由公式（3-18）經(jīng)計(jì)算得，=24.10，=54.55。4.當(dāng)量端面重合度由公式（3-19）經(jīng)計(jì)算得，=1.695.重合度系數(shù)與齒間載荷分配系數(shù)由公式（3-20）、（3-21）計(jì)算得，=0.88，=1.29。6.載荷系數(shù)K根據(jù)公式（3-22）

45、，其中，為使用系數(shù)，查取機(jī)械設(shè)計(jì)教材表12.9，取1.35；為動(dòng)載系數(shù)，查取機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖12.9，取1.1；為齒向載荷分布系數(shù)，查取機(jī)械設(shè)計(jì)教材表12.20，取1.9；經(jīng)計(jì)算，K=3.64。7.許用接觸應(yīng)力根據(jù)公式（3-23），式中，為接觸疲勞極限，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖12.17，取=710MPa,=680MPa；為接觸壽命系數(shù)，取；為接觸最小安全系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材表12.14，取為1.05；經(jīng)計(jì)算，=676MPa, =648MPa。8.錐齒輪1大端分度圓直徑由公式（3-24），其中，為齒寬系數(shù)，取0.3；為彈性系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材表12.12，取188.0；為節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖

46、12.16，取2.5；取、兩者較小的，即取為648MPa。經(jīng)計(jì)算，=30.01mm。根據(jù)公式（3-25），經(jīng)計(jì)算，=25.51mm。由公式（3-26）計(jì)算得，=11.64m/s，與估計(jì)值接近。9.大端模數(shù)m根據(jù)公式（3-27），計(jì)算得，m=1.5005mm,根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)教材表12.3，m取1.75mm。10.實(shí)際大端分度圓直徑d由公式（3-28）經(jīng)計(jì)算，=35mm, =52.5mm。11.錐距R根據(jù)公式（3-29）計(jì)算得，R=31.55mm12.齒寬b由公式（3-30）計(jì)算得，b=9.47mm。以下對(duì)齒輪進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算：13.重合度系數(shù)根據(jù)公式（3-31），經(jīng)計(jì)算，=0.69。14.

47、齒間載荷分配系數(shù)由公式（3-32）計(jì)算得，=1.45。15.載荷系數(shù)K由公式（3-33）計(jì)算得，K=4.09。16.許用彎曲應(yīng)力根據(jù)公式（3-34），其中，為彎曲疲勞極限，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖12.23查得，=600MPa, =570MPa；為彎曲壽命系數(shù)，取=1.0；為尺寸系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖12.25查得，=1.0；為彎曲最小安全系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材表12.14查得，=1.25。經(jīng)計(jì)算，=480MPa, =456MPa。根據(jù)公式（3-35），其中，為齒形系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖12.30得，=2.78，=2.38；為應(yīng)力修正系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖12.31得，=1.68，=1.8。經(jīng)計(jì)算，=1

48、45.28MPa,=133.26MPa。故錐齒輪3與錐齒輪4滿足強(qiáng)度要求。3.5 砂輪的安裝與安全防護(hù)3.5.1 砂輪的安裝目前，手動(dòng)工具砂輪的固定主要是以固定件通過螺紋連接將砂輪夾緊固定為主，如圖 32所示，這種方法不僅可以有效地固定，而且拆裝砂輪過程方便，但是這種方法并不適用于砂輪正反轉(zhuǎn)同時(shí)存在的情況，當(dāng)砂輪反轉(zhuǎn)時(shí)，易發(fā)生砂輪松動(dòng)，甚至砂輪飛出傷人。因此，對(duì)于由正反轉(zhuǎn)要求的砂輪固定提出改進(jìn)措施?？蛇x用兩法蘭盤，通過兩螺紋連接，將砂輪夾緊固定，如圖 33所示。圖 32 固定件螺紋連接示意圖圖 33 法蘭盤兩螺紋連接示意圖3.5.2 工作過程的安全防護(hù)裝置工作過程中，為避免砂輪出故障飛出傷人或

49、破碎飛出，砂輪應(yīng)位于操作者側(cè)面，而在日常的使用中，許多操作者總習(xí)慣正對(duì)著砂輪進(jìn)行操作，原因是這個(gè)方向上方便用力，為避免此種錯(cuò)誤的操作，裝置通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)將砂輪置于一側(cè)，操作者位于裝置正面才便于使用，從而減少以及避免因此種錯(cuò)誤操作導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。防護(hù)罩是砂輪最主要的防護(hù)裝置，當(dāng)砂輪工作過程中因故破壞時(shí)，其能夠有效地罩住砂輪碎片，保證人員的安全。裝置防護(hù)罩如圖 34所示。圖 34 防護(hù)罩第4章 預(yù)處理裝置基座設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真第4章 預(yù)處理裝置基座設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真基座部分主要包括調(diào)高轉(zhuǎn)盤，調(diào)高螺柱，角度轉(zhuǎn)軸，滑塊，燕尾槽，底板。其作用是對(duì)裝置在各個(gè)方向進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同加工要求。本章主要是對(duì)裝置

50、基座進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真并分析。4.1 基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基座部分主要是對(duì)裝置在各個(gè)方向進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同深度、寬度、角度的加工要求。4.1.1 基座高度調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)基座高度調(diào)節(jié)部分主要包括調(diào)高轉(zhuǎn)盤，調(diào)高螺柱。結(jié)構(gòu)如圖 41所示：圖 41 基座調(diào)高部分示意圖調(diào)高轉(zhuǎn)盤中間螺紋孔徑為M30，粗牙螺紋，節(jié)距為3.5mm，基座高度調(diào)節(jié)過程是：調(diào)高轉(zhuǎn)盤上下兩端均與裝置外殼固定，與基座通過調(diào)高螺柱經(jīng)螺紋連接在一起，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)高轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)裝置外殼、傳動(dòng)部分及磨削部分發(fā)生高度變化，從而達(dá)到磨削不同深度的目的。4.1.2 基座角度轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)基座角度轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)如圖 42所示：圖 42 基座角度轉(zhuǎn)軸示意圖基座角度轉(zhuǎn)軸部

51、分工作過程是，角度轉(zhuǎn)軸通過前后兩螺母通過螺紋連接固定在滑塊上，刻度盤1通過螺釘固定在轉(zhuǎn)軸上，刻度盤2通過螺釘固定于滑塊，刻度盤1與刻度盤2的角度差表示轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度，當(dāng)需要進(jìn)行角度調(diào)節(jié)時(shí)，松動(dòng)螺母2，將角度轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)所需角度后擰緊螺母2即可，進(jìn)而滿足砂輪磨削不同角度的要求。4.1.3 基座導(dǎo)軌選擇基座導(dǎo)軌的作用是滿足裝置沿直線磨削裂紋的要求，導(dǎo)軌截面形狀主要有三角形、矩形、圓形、燕尾形15，三角形導(dǎo)軌一般用于導(dǎo)向精度高的場(chǎng)合，矩形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、檢驗(yàn)和修理方便，導(dǎo)軌面寬，承載能力大，應(yīng)用較為廣泛，圓形導(dǎo)軌制造方便，外圓采用磨削，內(nèi)孔經(jīng)過珩磨，可達(dá)到精密配合，但磨損后很難調(diào)整和補(bǔ)償間隙。燕尾形

52、導(dǎo)軌主要用于運(yùn)動(dòng)速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的場(chǎng)合，考慮裝置移動(dòng)的方便性，此處選擇燕尾形導(dǎo)軌。4.1.4 基座底板設(shè)計(jì)基座底板位于裝置最底部，其與待磨削基體直接接觸，主要用于安放導(dǎo)軌部分，其主要組成部分為：底板，底板螺柱，橡膠墊，導(dǎo)軌固定螺栓。底板螺柱可以調(diào)節(jié)底板高度，在磨削不同基體時(shí)，利于保持底板水平。裝置工作過程中，若底板直接與基體直接接觸，則會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，使裝置工作過程中發(fā)生移動(dòng)，在底板底部底板螺栓一端加入橡皮墊可以起到減震作用，同時(shí)橡皮墊與基體的摩擦力可以阻止裝置的移動(dòng)，保證磨削過程的準(zhǔn)確度?；鶎?dǎo)軌與底板結(jié)構(gòu)如圖 43所示：圖 43 基座導(dǎo)軌與底板結(jié)構(gòu)示意圖4.2 基座運(yùn)動(dòng)

53、仿真Adams是全球運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，可以在計(jì)算機(jī)上建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能。作為虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件，Adams可以有效地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本、提高質(zhì)量，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、鐵路、船舶、航空航天等行業(yè)。先在Adams中建立模型，通過添加約束，作用力，對(duì)基座進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，通過仿真分析結(jié)果。4.2.1 仿真模型的建立在建立工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型作如下假設(shè)：（1）裝配間隙為0，制造誤差忽略不計(jì)；（2）所有材料為質(zhì)量均勻體，其質(zhì)心與形體幾何中心重合；（3）工作臺(tái)模型中各個(gè)部件均為剛體。Adams軟件主要功能是對(duì)模型運(yùn)動(dòng)情況的仿真模擬，對(duì)模型的精

54、細(xì)度要求不高，只需要建立各個(gè)部件的簡(jiǎn)化模型，正確表現(xiàn)出各部件間的運(yùn)動(dòng)和連接即可。基座三維模型是通過Solidworks進(jìn)行簡(jiǎn)化模型的建立后導(dǎo)入Adams得到的。如圖 44所示：圖 44 仿真模型示意圖由于在Adams中對(duì)電機(jī)部分賦予鑄鋼材質(zhì)時(shí)其默認(rèn)為實(shí)體，故對(duì)電機(jī)部分尺寸上進(jìn)行一定縮小，同時(shí)外殼部分也做了一定簡(jiǎn)化，以求達(dá)到質(zhì)量統(tǒng)一。創(chuàng)建了工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型的各個(gè)部件以后，需要將他們聯(lián)系起來形成一個(gè)有機(jī)的整體。對(duì)運(yùn)動(dòng)模型各部件之間添加約束，可以使各部件連接起來，以定義各部件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)待磨削基體通過固定副連接到大地，滑塊與導(dǎo)軌、外殼與導(dǎo)軌分別添加移動(dòng)副，調(diào)高轉(zhuǎn)盤與外殼添加圓柱副，結(jié)構(gòu)如圖 45所

55、示：圖 45 模型約束添加4.2.2 施加作用力與阻尼器在Adams/View環(huán)境中建立的模型默認(rèn)在重力場(chǎng)中，所以不用對(duì)模型施加重力，只需定義各部件的材料，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)材料的密度、體積以及重力加速度對(duì)部件重力進(jìn)行計(jì)算16。由于底板下存在橡膠墊，需要對(duì)底板與基體間添加阻尼器，傳動(dòng)與磨削部分的力用電機(jī)輸出軸上的作用力來表示，對(duì)于各個(gè)部件兩兩添加接觸，如圖 46所示：圖 46 模型作用力與阻尼器施加4.2.3 仿真結(jié)果分析電機(jī)輸出軸施加大小為150N的作用力，方向沿Y軸負(fù)方向。通過仿真發(fā)現(xiàn)，基座在力的作用下底板質(zhì)心X與Y方向位移發(fā)生變化，裝置在力的作用下發(fā)生前傾。造成此種情況的主要原因是裝置由于錐齒輪和磨削部分質(zhì)量較大，導(dǎo)致裝置的質(zhì)心與滑塊質(zhì)心不在一條直線上，當(dāng)裝置質(zhì)心超過底板X方向一定范圍時(shí)，底板因力矩較大發(fā)生前傾，從而導(dǎo)致裝置前傾。如圖 47所示：圖 47 模型運(yùn)動(dòng)仿真根據(jù)仿真結(jié)果，需要對(duì)底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證裝置穩(wěn)定。只需使裝置工作過程中質(zhì)心不超過底板X方向過大即可，由此，縮短