螺旋槳數(shù)控砂帶磨床龍門主機設計論文

1、. . . . 畢業(yè)設計（論文）螺旋槳數(shù)控砂帶磨床龍門主機設計33 / 39摘 要本文針對復雜空間自由曲面螺旋槳葉片的加工問題，查閱相關(guān)技術(shù)資料明確螺旋槳葉片的加工現(xiàn)狀和難度，綜合分析各種加工方式對螺旋槳葉片加工的可行性，最終選擇砂帶磨削對螺旋槳葉片進行加工。通過對螺旋槳葉片的砂帶磨削工藝性、砂帶磨床結(jié)構(gòu)形式和砂帶磨削運動進行綜合分析，確定一系列砂帶磨削工藝參數(shù)，明確螺旋槳砂帶磨床主機的總體布局。綜合運用機床設計方法和制圖表達能力，對砂帶磨床的主要部件進行設計、計算和校核，確定各關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)形狀與其尺寸，利用三維建模軟件創(chuàng)建砂帶磨床各部分零件模型，并裝配成整體模型，對不符合設計要求的砂帶磨床

2、部分進行優(yōu)化設計，最終再結(jié)合數(shù)控加工的相關(guān)技術(shù)，完成螺旋槳數(shù)控砂帶磨床的龍門主機設計。本課題通過對砂帶磨床的整體設計，將克服螺旋槳葉片加工的一系列難題，很好的完成對螺旋槳葉片的加工任務，打破國外對螺旋槳葉片加工技術(shù)的壟斷，大幅提到本國船用螺旋槳企業(yè)的生產(chǎn)能力，使我國的造船行業(yè)更上一個臺階。關(guān)鍵詞：螺旋槳，砂帶磨削，龍門主機，數(shù)控ABSTRACTIn this paper, the processingproblems of the complex space free surface of propeller blade, clear the processing status and dif

3、ficultyof the propeller blade by checking relevant technical information, a comprehensive analysis of various processingmethods on the feasibility of the propeller blade processing, have the final choice ofabrasive belt grinding on the propeller blades processing. Via a comprehensive analysis toAbra

4、sive beltgrinding process of the propeller blades, abrasive belt grinding structure andthemovement of abrasive belt grinding, to determine a series of abrasive belt grinding process parameters, and explicitthe overalllayout ofabrasive belt grinding hostmachine on propellerProcess. The integrated use

5、 of the machinetool design and cartographicskills, todesign, calculation and check of the maincomponents of the abrasive belt grindingmachine,Determine the structureshape and size of the key components,using 3DModelingsoftware to create the various parts of model of abrasive belt grindingmachine, an

6、dassembled into the overall model, optimize the design the part wheredoes not meetthe design requirements of the abrasive belt grindingmachine ,eventually combinedwith CNC machiningtechnologies, completed the design of the CNC abrasive beltgrinding machine on processing propeller.This topic through

7、the overall design of the belt grinder, will overcome theprocessing problems of the propeller blade, the completion of the processing tasks ofthe propeller blade, to break the foreign monopoly on the propeller bladeprocessingtechnology, a substantial increase in the production of the national marine

8、 propellercorporate capacity, China's steamboat industry to a higher level.Key words：Propeller, abrasive belt grinding, gantry host, NC目 錄中文摘要.ABSTRACT.1 緒論.1 1.1 課題的研究目的意義與其研究容.11.1.1 螺旋槳加工難度與其加工現(xiàn)狀.21.1.2 課題的意義與其主要任務.21.1.3 課題的重點研究容.21.2 砂帶磨床介紹.21.2.1 砂帶磨床發(fā)展背景介紹.21.2.2 砂帶磨床的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢.21.2.3 砂帶磨床的

9、設計介紹.42 螺旋槳砂帶磨削工藝分析.72.1 砂帶磨削機理.7 2.2 螺旋槳砂帶磨削工藝分析.82.2.1 砂帶磨削方式選擇.82.2.2 砂帶與其磨料的選用.92.2.3 螺旋槳砂帶磨削工藝參數(shù)設置.93 螺旋槳數(shù)控砂帶磨床龍門主機結(jié)構(gòu)總體設計.11 3.1 螺旋槳數(shù)控砂帶磨床總體布局.113.1.1 機床總體布局的基本要求.113.1.2 螺旋槳數(shù)控砂帶磨床機床結(jié)構(gòu)形式分析.113.2 螺旋槳葉片磨削的運動分析.124 螺旋槳數(shù)控砂帶磨床磨頭結(jié)構(gòu)設計.16 4.1 磨削力的理論計算.16 4.2 磨削功率計算.16 4.3 磨頭結(jié)構(gòu)的尺寸設計.174.3.2 接觸輪設計.174.3.

10、2 緊輪設計.18 4.4 砂帶緊力計算.20 4.5 緊機構(gòu).20 4.6 砂帶尺寸選擇與計算.20 4.7 齒輪設計與強度校核.21 4.8 砂帶磨削過程中的受力分析.255 螺旋槳砂帶磨床總體三維建模.27 5.1 螺旋槳數(shù)控砂帶磨床龍門主機總體布局圖.27 5.2 磨頭機構(gòu)裝配成形圖.286 機床功能分析.297 結(jié)論.30致.31參考文獻.321 緒論1.1 課題的目的意義與其研究容1.1.1 螺旋槳加工難度與其加工現(xiàn)狀本課題中，研究解決螺旋槳復雜表面加工的解決方法。由于船用螺旋槳葉片是由復雜幾何形狀組成的工件，直徑大，葉片多，空間重疊區(qū)域大，吸力面和壓力面均為空間自由曲面，導邊、隨

11、邊均采用空間曲線圓滑過渡、葉片頂部收縮成線的構(gòu)造，葉片與槳轂之間過渡圓角半徑由導邊到隨邊不斷變化1。螺旋槳葉片設計的加工精度，將直接影響船舶的推進速度、運行效率以與船舶行駛過程中振動和噪聲等產(chǎn)生。為了使船舶有更高的推進速度、運行效率，必須對螺旋槳復雜表面進行特有的打磨和精加工，以達到其型面幾何精度和工藝標準。目前工業(yè)生產(chǎn)中，中國船用螺旋槳生產(chǎn)企業(yè)盡管大多擁有了各類數(shù)控銑削機床，但銑削出來的螺旋槳葉片型面精度和表面質(zhì)量仍然還不能滿足最終的技術(shù)要求，很多船用螺旋槳葉片制造廠還是普遍采用落后的手工打磨方式進行螺旋槳葉片型面的光精加工，也有一部分企業(yè)采用“鑄造-數(shù)控加工-鉗工打磨”工藝對船用螺旋槳葉片

12、進行加工，甚至有些螺旋槳葉片產(chǎn)品完全就依靠手工打磨成型。人工拋磨雖然能實現(xiàn)復雜空間曲面的磨削和拋光加工，但是由于人為等主觀因素，空間曲面的加工表面質(zhì)量完全由操作人員的熟練程度決定，所以根本無法做到對船用螺旋槳葉片表面精度的有效控制，不但勞動強度大，加工周期長，生產(chǎn)效率低，而且加工出來的螺旋槳曲面光滑度低，螺距、葉厚、葉寬精度低，誤差較大，導致加工精度較差、型面的質(zhì)量難以保證2。從螺旋槳表面加工精度方面考慮，同時兼顧經(jīng)濟合理的情況下，選用一種能確保螺旋槳加工表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、成本低的加工設備顯得格外重要。本課題從螺旋槳加工表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率、經(jīng)濟成本等方面綜合考慮，同時對各個加工工藝進行分

13、析，最終選用磨削加工工藝來解決螺旋槳復雜表面的加工。在磨削加工工藝中，采用電動砂輪機和砂布帶輪手工修理雖然工時費用低，但工人操作安全性較差，工作效率不高，且加工而成的表面質(zhì)量在很大程度上都不能滿足船舶的使用要求。而砂帶磨削是根據(jù)工件形狀，采用高速運轉(zhuǎn)的砂帶以相應的接觸方式，對工件表面進行磨削和拋光加工的一種新工藝3。砂帶是一種將磨料粘結(jié)在柔性帶狀基體上的涂附磨削工具，由于靜電植砂的砂帶可以保證磨料在砂帶上排列均勻，銳端向外，加工時大量磨料能同時發(fā)生切削作用，較長的砂帶周長使磨料得到良好的冷卻，柔性的砂帶也容易適應不同形狀的工件。砂帶磨削擁有一次磨削寬度大、磨削效率高、不會使加工表面變形和燒傷、

14、系統(tǒng)振動小且穩(wěn)定性好等特點，適合用于加工薄壁、型面復雜、弱剛性結(jié)構(gòu)、粘韌性大、導熱性較差的螺旋槳葉片。因而選用砂帶磨削設備能很好的解決螺旋槳加工的一系列難題，本課題主要針對螺旋槳砂帶磨削機床的龍門主機進行設計。1.1.2 課題的意義與其主要任務針對螺旋槳特定的加工要求和加工難度，為提高螺旋槳的生產(chǎn)效率，同時保證加工精度和表面加工質(zhì)量，最有效的辦法是設計一臺符合生產(chǎn)要求的數(shù)控砂帶磨床，打破國外對螺旋槳等復雜型面高效自動化磨拋技術(shù)的技術(shù)封鎖，實現(xiàn)高生產(chǎn)效率、高精度的螺旋槳加工。本課題主要任務是對螺旋槳數(shù)控砂帶磨床進行龍門主機設計。本課題的主要容有以下幾點：（1）系統(tǒng)調(diào)研和分析國外砂帶磨削的研究、發(fā)

15、展和應用情況；（2）熟練掌握AUTOCAD、CAXA、UG、Ansys等機械設計與分析軟件；（3）理解和掌握螺旋槳龍門式數(shù)控砂帶磨床的加工工藝要求，進行螺旋槳龍門數(shù)控砂帶磨床主機設計與功能分析；（4）結(jié)合實際問題研究完成螺旋槳龍門數(shù)控砂帶磨床主機的機械結(jié)構(gòu)設計；1.1.3 課題的重點研究容本課題針對螺旋槳的加工難度進行螺旋槳數(shù)控砂帶磨床龍門主機設計，重點研究容有：螺旋槳龍門式數(shù)控砂帶磨床的加工工藝分析，進行螺旋槳龍門數(shù)控砂帶磨床的主機設計與功能分析，并對砂帶磨床的關(guān)鍵零部件進行校核。1.2 砂帶磨床介紹1.2.1 砂帶磨床發(fā)展背景介紹砂帶磨床是一種既古老而又新興的工藝。近30多年來，將由粘滿尖

16、銳砂粒的砂布或砂紙制成的多刀多刃高速連續(xù)切削工具，應用于砂帶磨床之后，砂帶磨削技術(shù)取得了巨大的飛躍。砂帶磨削技術(shù)的巨大飛躍打破了原有的砂帶磨削只能用來加工和拋光的舊概念?，F(xiàn)而今，砂帶磨床的加工精度已接近甚至超過同類型加工機床的水平，機床功率的利用率也遙遙領先于其他的金屬切削機床。車、銑、刨等常規(guī)加工工藝的加工效率已遠不與砂帶磨床的加工效率。砂帶磨床的應用圍不僅遍與到各行各業(yè)，而且?guī)缀鯇λ械墓ぜ牧?，無論是非金屬材料還是金屬材料都可以進行磨削加工。長期以來不受重視的砂帶磨削工藝，現(xiàn)在也將進入高速發(fā)展的新時期4。1.2.2 砂帶磨床的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 砂帶磨床的應用圍極其廣泛，不僅遍與到各行各業(yè)，

17、而且?guī)缀蹩梢詫λ胁煌愋偷牟牧线M行磨削加工，尤其是在材料加工困難和型面比較復雜的工件加工方面有極大的優(yōu)勢5。目前，一些工業(yè)發(fā)達國家砂帶磨床的擁有量已逐步接近砂輪磨床的數(shù)量，美國、日本、德國等工業(yè)國家已將砂帶磨削用于各種發(fā)動機葉片的磨削加工，英國、瑞士等國的發(fā)展也很快。隨著砂帶磨削技術(shù)的飛速發(fā)展，它在制造加工領域正扮演著越來越重要的角色。隨著國外砂帶磨削的不斷進步，國砂帶磨削技術(shù)的研究和應用已越來越引起我國機械行業(yè)的關(guān)注。砂帶磨削技術(shù)在國許多單位也得到了較廣泛的推廣應用，解決了很多生產(chǎn)實際問題。目前,國已具有一定數(shù)量的砂帶磨削設備,但由于國砂帶品種尚少，質(zhì)量也有待提高，以與國生產(chǎn)砂帶磨床自動化

18、程度較低，大部分廠家對砂帶磨削的應用尚處于對現(xiàn)有機床進行改裝的階段?？偟膩碚f，尚處于初級階段6。與國際先進水平相比,仍有較大差距。砂帶磨削作為一種高效拋磨新工藝，具有廣泛的應用前景。隨著砂帶品種的增加，砂帶制造質(zhì)量與壽命的進一步提高，砂帶磨床種類的增多與自動化程度的提高，砂帶磨削勢必會在我國得到廣泛的應用。砂帶磨削加工的優(yōu)點主要有：采用的是特種砂帶，更換一條砂帶只需1分鐘，可以很快更換，調(diào)整時間少，生產(chǎn)效率高；磨削溫度低、發(fā)熱少，表面不會產(chǎn)生高熱現(xiàn)象而使加工表面燒傷；砂帶是多刃刀具，切入時沒有撞擊，磨削力小，不會使加工表面變形；加工時可避免薄壁零件的邊緣破裂,避免表面波紋以與由于材料硬度不均勻

19、引起的表面不平；在精確的裝夾下，可保證加工出平直度很好的表面；砂帶磨削加工時噪聲很?。簧皫ハ餍矢?，工藝靈活性好。同時由于砂帶有很大的彈性，所以具有很好的抗振性。砂帶磨床的發(fā)展趨勢7繼續(xù)提高生產(chǎn)效率。為繼續(xù)提高生產(chǎn)效率可通過加快砂帶磨削速度和增大機床的輸出功率來實現(xiàn)。一直以來，砂帶磨床的砂帶工作速度一直保持在20m/s30m/s左右。美國制造工程學會的研究報告指出，已經(jīng)在測試砂帶工作速度為100m/s的高速砂帶磨床。在過去很長的一段時間，砂帶面積每一平方英寸的機床功率從4.4kW7.5kW提高到了18.5kW26kW，現(xiàn)在，200kW以上的機床功率已經(jīng)很常見了，但是為了進一步提高金屬切除率，

20、機床的功率必將再度增大。其次，大力發(fā)展寬砂帶磨削技術(shù)，將寬砂帶磨床的使用圍進一步擴大。目前，砂帶磨床能夠磨削的平面寬度最大為4.9m。據(jù)報道，航天器材、大型艦船等都要大量裝配高精度、高精度的儀器。而發(fā)展寬砂帶磨床技術(shù)一種很好的提高儀器加工效率的途徑。提高加工精度。西德瓦德里?？票すS使常規(guī)磨床的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高精度化。美國的森斯特蘭工廠按照砂帶磨削工作時的特性，設計出能提高機床加工精度的專用零部件。對于砂帶磨床自身而言，砂帶制造精度的再度提高，同樣十分重要。延長砂帶使用壽命。使砂帶磨床加工成本降低最有效的方法，就是延長砂帶的使用壽命。目前，砂帶的使用壽命已從2h4h提高到8h12h。為進一步延長砂帶

21、的使用壽命，除了改變砂帶的磨料、粘結(jié)劑基底之外，國外還從砂帶磨損的機理方面，解決砂帶壽命延長的問題。砂帶的磨損現(xiàn)象主要表現(xiàn)為是“粘蓋”和“磨鈍”，特別是“粘蓋”現(xiàn)象最為嚴重，一旦出現(xiàn)“粘蓋”的現(xiàn)象，砂帶就無法繼續(xù)使用。因此，為了延長砂帶的使用壽命，美國已將抗“粘蓋”的化學添加劑添加在制造的砂帶之中。提高自動化程度。將砂帶磨床與數(shù)控技術(shù)進一步結(jié)合能夠提高其自動化程度。擴大萬能性和適應性。隨著工業(yè)的發(fā)展，單一功能的機床已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代各種各樣的生產(chǎn)加工。工廠也越來越重視砂帶磨床的萬能性、適應性，應盡可能使砂帶磨床在工業(yè)生產(chǎn)中做到不能一機多能、一機多頭8。1.2.3 砂帶磨床的設計介紹隨著汽車行業(yè)、

22、建筑材料和裝飾行業(yè)、模具工業(yè)與其它輕工業(yè)的進步和快速發(fā)展，對金屬和非金屬材料特別是諸如塑料、皮革、橡膠、不銹鋼、瓷等難加工材料的機械加工表面質(zhì)量、加工效率與生產(chǎn)加工環(huán)境的要求越來越高，采用傳統(tǒng)的切削加工工藝已難以滿足這些高難度的加工需求。在過去的半個世紀，砂帶磨削作為一種新的工藝方法，在這些領域中發(fā)揮著越來越重要的作用。砂帶磨床主要用來進行粗磨、精磨、細磨、無心磨以與去毛刺、大余量磨削、拋光等操作9。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，砂帶磨削技術(shù)因為其特有的加工原理，長期以來都備受重視。國外曾有專家評述砂帶磨床為“未來的巨人”。砂帶磨削的基本功能部件主要有:主軸傳動機構(gòu)?？刹扇嗡倩蜢`活性較大的不等速傳動，也

23、可以通過伺服電動機來改變砂帶的切削方向。砂帶速度一般為1050m/min，通常情況下取為1630m/min。每10mm寬的砂帶上，將主傳動裝置的功率控制在0.30.7kW圍。砂帶緊裝置。在砂帶進行磨削與導向時，適當?shù)纳皫Яυ谏皫ハ鬟^程中起著至關(guān)重要的作用，它影響到砂帶的切削性能和加工零件的表面粗糙度。當增加砂帶拉力時，可提高金屬切除量，但同時也將增大磨料覆蓋層的消耗量，并提高工件表面的粗糙度值。經(jīng)試驗證明，如果將砂帶的力控制在68N/mm的圍，在逆磨削時就能切削出最大的金屬量。拉緊機構(gòu)的形式各種各樣，從簡單的機械或彈簧拉緊方法到要求較高的氣動與液壓拉緊裝置。同時，為了獲得高的生產(chǎn)率，必須將砂

24、帶更換的時間減至最少，通常砂帶更換的時間控制在1min之。砂帶導向裝置。砂帶正常工作時，惰輪或緊輪應當可以自行調(diào)整，使砂帶始終處于中間位置，由于砂帶的寬度不一，導向裝置可以根據(jù)實際需要進行手動或自動調(diào)節(jié)。當砂帶寬度超過200mm時，裝置通常采用自動式導向，使緊輪和接觸輪兩者之間的砂帶能夠自動處于中間位置。接觸輪。在磨削點上，接觸輪起著支承砂帶的作用，其本體有鋁合金或鋼制造而成，輪上覆蓋著由毛氈、橡膠、纖維或其它材料制造而成的彈性圈(厚度為315mm)。橡膠輪的密度根據(jù)不同的需要單獨制造，接觸輪的表面也可以依據(jù)需要制成平滑式或交錯開槽式。為了滿足砂帶特定的磨削要求，接觸輪的覆蓋面通常使用各種橡膠

25、化合物。這些化合物包括:氯硫酸化聚乙烯合成橡膠、乙烯樹脂、硅酮橡膠、氯丁橡膠等。如果在砂帶的后面安裝一塊由硬質(zhì)合金或鋼制成的型板來代替接觸輪，在確保零件的直線性或平面度的同時。還可完成零件磨邊、斷面、平面與其要求更高的精磨加工工作。砂帶磨削原理：實現(xiàn)砂帶磨削加工的主要方法有：砂帶自由緊法、砂帶跟隨接觸輪同步轉(zhuǎn)動法和砂帶與板直接接觸法。最常用的是砂帶跟隨接觸輪同步轉(zhuǎn)動法。如下圖1.1所示:圖 1.1砂帶套在接觸輪和驅(qū)動輪的外層表面上，并通過緊裝置使砂帶處于緊繃的狀態(tài)，并保持高速運動，根據(jù)工件的具體形狀尺寸和加工精度要求，在適當?shù)哪ハ鲄?shù)設置下，以相應的接觸方式對工件進行磨削或拋光加工。砂帶磨床設

26、計一般包括下面三部分容：1傳動設計：一般來說，機床傳動設計相對較簡單，主要由三方面組成：1）砂帶的主運動2）砂帶的進給運動3）工件的進給運動。2主要機構(gòu)設計：1）砂帶緊機構(gòu)設計2）接觸輪設計3）緊輪設計。3主要技術(shù)參數(shù)選擇：砂帶速度、砂帶長度、寬度、砂帶電動機功率，工件進給速度，主軸旋轉(zhuǎn)速度。2 螺旋槳砂帶磨削工藝分析2.1 砂帶磨削機理砂帶磨削是通過采用砂帶這一特殊形式的磨削工具，借助于緊機構(gòu)使之緊，在驅(qū)動輪帶動下高速運動，并在一定壓力作用下，使砂帶與工件表面發(fā)生接觸以實現(xiàn)磨削加工，得到所需精度要求零部件的整個過程。 圖 2.1.砂帶磨削基本要素 1-砂帶 2-緊輪 3-接觸輪 4-工件 -

27、磨削參數(shù)由上可以看出，砂帶磨削的基本構(gòu)成要素有：砂帶，驅(qū)動輪，緊輪和緊機構(gòu)，接觸方式即磨削方式，磨削參數(shù)，磨削對象即工件本身。工件表面的相對運動中，受緊力的砂帶磨粒與工件表面會產(chǎn)生一定的干涉，按照干涉的程度，可以分為四個不同的過程，分別為滑擦、擠壓、切削和耕犁，具體描述如下：擠壓最開始磨粒通過擠壓進入到工件部，由于磨粒刃尖的圓弧半徑大于磨粒切入深度，形成非常大的負前切削角，磨粒在工件表面上僅僅發(fā)生彈性變形；滑擦磨粒對工件表面的壓力隨著磨粒切入深度增大而逐漸增大，磨粒只起到摩擦工件表面的作用，即滑擦作用。此時磨粒在工件上的滑擦，實際產(chǎn)生了塑性和彈性變形的效果，能夠切除掉一部分的材料；耕犁隨著機床

28、主方向進給量、切削厚度的增加，干涉量也逐步增大，磨粒已經(jīng)能夠在工件表面上耕出刻線，稱為耕犁。此時工件材料產(chǎn)生一個擠壓式的塑性流動運動，并從磨粒方向的前方和兩個側(cè)面擠壓出來，同時切除掉少量的工件材料；切削當在特定的壓力作用下開始真正的切削，并伴有足夠的干涉和切削溫度時，就會在滑動磨粒的前方產(chǎn)生斷裂而形成切削10。2.2 螺旋槳砂帶磨削工藝分析2.2.1 砂帶磨削方式選擇圖 2.2 砂帶磨削磨削方式圖本課題中，研究對具有復雜表面的螺旋槳加工的解決方案，上一章節(jié)中對螺旋槳加工現(xiàn)狀做了簡要介紹，可以看出，在現(xiàn)有的螺旋槳葉片加工方法中，砂帶磨削應該是一種既經(jīng)濟實惠又能確保高精度要求的方法。在正常加工過程

29、中，砂帶磨削可分為兩種磨削方式：開式磨削和閉式磨削。開式磨削是將砂帶的兩端分別纏繞在兩個不同規(guī)格的驅(qū)動輪上，通過兩驅(qū)動輪的交替驅(qū)動實現(xiàn)砂帶雙向往復磨削，以完成對零部件表面的特殊加工；而閉式磨削是由三相異步電動機帶動驅(qū)動輪做高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動環(huán)形砂帶作單向高速磨削運動，最終實現(xiàn)工件的加工要求。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。雖然開式砂帶磨削精度高，磨削一致性好，在磨削精度方面閉式砂帶磨削不與開式砂帶磨削，但就磨削效率而言，閉式砂帶磨削要比開式砂帶磨削高的多11。由于葉片磨削既要求將加工精度控制在一定圍，同時又要確保較高的磨削效率，在很多情況下，所需要的螺旋槳葉片型面都是直接在鍛造而成的毛坯上直接磨制而成，綜合權(quán)

30、衡磨削精度和磨削效率這兩方面的因素，同時考慮本課題中螺旋槳葉片磨床將廣泛應用于生產(chǎn)加工之中，在保證所需加工精度的同時更側(cè)重于高效率磨削，最終選擇了閉式磨削作為本課題中砂帶磨床的磨削方式。2.2.2 砂帶與其磨料的選用與砂輪磨料選擇一樣，砂帶也有不同規(guī)格的磨料、粒度等級等，砂帶有聚氨酯膠帶、布基、紙基等不同基體；同時也有樹脂、皮膠等不同類型的粘結(jié)劑。砂帶的基體材料和粘結(jié)劑、磨料、粒度等級，應針對被磨削對象的具體加工要求加以選擇。由于螺旋槳葉片大多采用高強度的錳鐵黃銅合金和耐熱不銹鋼等材料，所以其磨削砂帶基體通常選用布基、并采用樹脂粘結(jié)劑粘結(jié)砂帶，砂帶磨料選用剛玉，其粒度視磨削工藝而定。按照通行加

31、工標準，粗磨時砂帶粒度為5080，精磨時為150180。在本課題中砂帶磨削的要求為精磨，故砂帶粒度取為160。圖2.2 砂帶的組成要素 1-基材 2-底膠 3-覆膠 4-磨料 5-基材處理劑2.2.3 螺旋槳砂帶磨削工藝參數(shù)設置砂帶磨床的主要技術(shù)參數(shù)主要包括磨削速度即砂帶速度；砂帶長度、寬度；螺旋槳工件進給速度；驅(qū)動砂帶高速旋轉(zhuǎn)的電機功率。砂帶寬度直接影響磨削的效率，在機床功率允許條件下，寬度愈大，磨削效率愈高。但螺旋槳葉片一般為扭曲的空間型面，砂帶寬度越大，對螺旋槳葉片的磨削干涉也將越大，從而影響到最終的磨削加工精度。為此，將砂帶寬度限制在1040mm圍。砂帶的長度在機床空間所允許的圍愈長愈

32、好，以減少砂帶頻繁更換時間，提高磨削加工效率。由于船用螺旋槳葉片通常采用高強度的錳鐵黃銅合金和耐熱不銹鋼等材料，組織細密，具有高強度、耐磨性、耐腐蝕性強的特點，根據(jù)現(xiàn)代砂帶磨削技術(shù)與工程應用可知加工此類型的工件，一般砂帶速度選擇為20-30m/s，本設計中將選用20m/s，即Vs=20m/s。此外工件速度將定于10r/min，即Vw=10r/min，以此保證工件加工表面的高精度要求。砂帶磨床主要參數(shù)選擇如下：砂帶速度：Vs=20m/s工件進給速度：Vw=10r/min砂帶：850mm×37mm（長度×寬度）砂帶磨頭驅(qū)動輪電機額定功率：11Kw （Y160M-4）電源：380

33、V 50HZ 轉(zhuǎn)速：1460r/min進給系統(tǒng)伺服電機額定功率：1.5Kw 電源：380V 50HZ 轉(zhuǎn)速：3000r/min磨削方式：閉式磨削3 螺旋槳數(shù)控砂帶磨床龍門主機結(jié)構(gòu)設計3.1 螺旋槳數(shù)控砂帶磨床總體布局3.1.1 機床總體布局的基本要求機床的總體布局與被加工零件的材質(zhì)、表面形狀、尺寸，加工表面精度，主運動和進給運動的分配，機床的結(jié)構(gòu)性能，機床的使用要求等諸多因素有關(guān)。機床操作簡明和維修的方便性，制造和裝配的工藝性，外觀與占據(jù)空間等要求，也在一定程度上影響著機床的總體結(jié)構(gòu)布局。綜合各方面的因素，數(shù)控加工設備的總體布局應滿足以下幾個基本要求12:(l)機床的布局設計首先要能確保機床能

34、夠按預定要求加工所需工件，并且符合數(shù)控加工的工藝流程。(2)機床各零部件的設計、選擇、安裝和調(diào)試要滿足機床基本加工精度的設計要求，確保加工后的零件能達到規(guī)定的精度。(3)應確保機床的剛度、抗振性、熱變形以與熱穩(wěn)定性等力學性能與所要求加工工件的表面加工精度的相一致。(4)應確保刀具和工件的相對運動符合設計方案的要求，在滿足相對運動合理的前提下，使用較短的傳動鏈，以簡化機構(gòu)，提高機床靈敏度、加工精度和傳動效率，同時在最大程度上實現(xiàn)經(jīng)濟、實用的效果。(5)滿足機床的使用要求，操作簡明，調(diào)整、維修和清理方便，符合人機工程學。(6)結(jié)構(gòu)簡單明了，布局合理可靠，機床的安全性能良好。(7)機床占地面積小，空

35、間體積小，質(zhì)量輕，加工成本低，外型美觀。3.1.2 螺旋槳數(shù)控砂帶磨床機床結(jié)構(gòu)形式分析螺旋槳數(shù)控砂帶磨床屬于專用數(shù)控機床，根據(jù)工件特定工藝方案和運動方案的不同，數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，常見的結(jié)構(gòu)形式有門架式、懸臂式、龍門式、C型和長懸臂式5種13。如圖3.1所示：(l)門架式：機床的支承部件由機床底座、雙立柱和橫梁組成，底座與地基通過螺栓固定連接，門架在其中做縱向運動，通過兩側(cè)立柱的支撐，在機床橫梁撓度變形很小的情況下實現(xiàn)較大的跨度。此種形式的機床有占地面積小，適合加工縱向尺寸較大工件的有點；也有不利于進料的缺點。(2)懸臂式：通?？煞譃閮煞N形式：固定懸臂式和可運行式懸臂式。機床的支承部件

36、是機床床身、橫梁和立柱三者的組合，此種結(jié)構(gòu)形式的機床優(yōu)點是動力學性能好，而且占地面積小，是目前最有利于進料的機床結(jié)構(gòu)形式。 圖3.1 數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)類別(3)龍門式：機床的支承部件由機架、龍門橫梁和雙立柱組成的封閉框型結(jié)構(gòu)，龍門橫梁組件通過滑塊在機架兩邊的導軌上實現(xiàn)縱向移動。此種形式的機床剛度較高，穩(wěn)定可靠，動力學性能優(yōu)異，加工精度高，且Y、Z向布局結(jié)構(gòu)緊湊，是一種剛度最好的機床結(jié)構(gòu)形式。適合加工各種尺寸類型的零件。(4)C型：機床工作臺直接固定在底座上，各軸之間的運動沒有相互關(guān)聯(lián)。此種結(jié)構(gòu)形式的機床優(yōu)點是動力學性能良好，產(chǎn)生的慣性力較小，機床空間體積小。缺點是結(jié)構(gòu)剛度一般，不能用于高精度工件

37、的加工。(5)長懸臂式：與懸臂式機床基本結(jié)構(gòu)相似，但與可運行懸臂式相比，由于懸臂長度過大和加工刀架質(zhì)量的影響，其動力學性能差，占地面積也很大。通過對以上不同結(jié)構(gòu)形式的對比分析可知，龍門式機床結(jié)構(gòu)形式最能滿足數(shù)控加工設備轉(zhuǎn)速高、剛度好和動力學性能好的要求，且擁有結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定可靠，加工精度高等優(yōu)點。由于船用螺旋槳廣泛應用于小到漁船、大到輪渡等不同規(guī)格大小的輪船之上，這也就決定了螺旋槳葉片的大小形狀不一，尺寸變化圍大的特點，采用一般的機床結(jié)構(gòu)形式已不能單獨滿足這種對不同大小類型螺旋槳的加工要求。再加上船用螺旋槳葉片主要由復雜空間扭曲表面組成，且加工表面質(zhì)量精度要求高。綜合考慮到以上各種機床結(jié)構(gòu)形式

38、的優(yōu)點與其缺點，只有龍門式機床結(jié)構(gòu)形式最能滿足船用螺旋槳葉片特有的加工需求。故在本課題設計采用龍門式作為螺旋槳砂帶磨床的結(jié)構(gòu)形式。3.2 螺旋槳葉片磨削的運動分析本課題中所設計的砂帶磨床是以螺旋槳扭曲葉片曲面型面作為加工對象的,通過砂帶的近似包絡掃描運動完成葉片的型面加工。砂帶磨削過程中，通過三相異步電動機帶動驅(qū)動輪高速旋轉(zhuǎn)，進一步驅(qū)動砂帶做高速運動。伺服電機傳遞的旋轉(zhuǎn)運動通過錐齒輪實現(xiàn)變向，控制磨頭偏擺機構(gòu)根據(jù)螺旋槳特定的曲面變化進行相應的改變，以保證砂帶能夠跟葉片的磨削點法線方向相切，避免不必要的干涉，提高磨削精度。磨頭偏擺機構(gòu)中的柱形接觸輪配合緊輪與其緊機構(gòu)，對砂帶附加一定的作用力，以實

39、現(xiàn)其砂帶對螺旋槳葉片的磨削加工。因而對螺旋槳葉片的砂帶磨削運動實際上可看作是采用一把圓柱狀刀具對螺旋槳葉片空間扭曲型面進行掃描加工成型的過程14。根據(jù)螺旋槳葉片的形狀特點，對葉片的砂帶磨削由以下幾個方向的磨削運動組成：砂帶沿葉片徑向的進給運動、沿軸向的進給運動以與砂帶隨螺旋槳葉片磨削點法線方向變化而做出的相應形式的回轉(zhuǎn)擺動。砂帶隨螺旋槳葉片磨削點法線方向變化的轉(zhuǎn)動,能充分保證砂帶始終保持在螺旋槳葉片空間曲面磨削點法線方向上進行磨削,可以極大的改善砂帶和螺旋槳葉片之間的磨削干涉,提高砂帶對螺旋槳葉片的磨削精度。但由于在螺旋槳葉片曲面中，各磨削點的法線均為一條條的空間直線,因而需要有三個方向的回轉(zhuǎn)

40、綜合運動才能使砂帶繞著法線轉(zhuǎn)動,可通過螺旋槳葉片的繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)運送、砂帶在水平面繞X軸的回轉(zhuǎn)擺動以與砂帶在垂直平面繞Z軸的回轉(zhuǎn)擺動來實現(xiàn)。由于螺旋槳葉片扭曲幅度一般較小,可省略砂帶在垂直平面繞Z軸的回轉(zhuǎn)擺動,只要合理控制砂帶的寬度,仍然能夠保證螺旋槳葉片型面的磨削精度加工要求。因此,綜合以上分析可知，對具有空間扭曲型面的螺旋槳葉片砂帶磨削，可通過兩個直線、兩個回轉(zhuǎn)運動的聯(lián)動來實現(xiàn)：即如下圖所示的沿X方向的橫向直線進給運動、沿Z方向的縱向進給運動，螺旋槳葉片繞自身軸線（C軸）的旋轉(zhuǎn)運動、砂帶在水平面繞X軸的回轉(zhuǎn)擺動（A軸）。在X方向上，通過伺服電機驅(qū)動滾珠絲桿做橫向運動，同時在橫梁上布置直線

41、導軌實現(xiàn)直線運動，并在滾珠絲桿的兩端均裝有行程開關(guān)，在磨頭機構(gòu)運動到最大位移處時能夠自動斷電，起到很好的保護作用，有效的控制磨頭機構(gòu)在規(guī)定的行程做橫向直線進給運動，而不會產(chǎn)生重大的安全事故。在Y方向上，同樣也是采用伺服電機驅(qū)動滾珠絲桿做縱向運動，只不過考慮到如果直接將伺服電機和滾珠絲桿一起布置在懸臂上，當伺服電機啟動時，伺服電機產(chǎn)生的顫動勢必會影響到砂帶對螺旋槳葉片表面的加工精度，通過各方面的考慮，遂只將滾珠絲桿布置在懸臂上，而將伺服電機布置在滑座上，再使用同步帶實現(xiàn)伺服電機和滾珠絲桿的運動傳遞，這樣就能很好的解決顫動的問題。在C軸方向的轉(zhuǎn)動，由于轉(zhuǎn)動的速度很低，采用伺服電機與減速器配合傳動，

42、再通過較大傳動比的直齒輪傳動實現(xiàn)。在A軸方向的回轉(zhuǎn)擺動，也是通過伺服電機驅(qū)動磨頭機構(gòu)做小幅度的回轉(zhuǎn)擺動15。最后綜合運用各個運動的特點，通過數(shù)控技術(shù)最終實現(xiàn)對螺旋槳葉片加工過程。4 螺旋槳數(shù)控砂帶磨床磨頭結(jié)構(gòu)設計4.1 磨削力的理論計算在研究砂帶磨削過程中，磨削力是一個極為重要的參數(shù)，它和砂帶的磨損，磨削表面質(zhì)量與比磨削能等有著直接關(guān)系。加上磨削力易于測量和控制，因此可以將磨削力用于診斷磨削狀態(tài)，作為適應控制的評定參數(shù)。且對磨削力的計算也便于對磨床的后續(xù)設計。一般來說，可以將磨削力分解成為法向和切向兩個方向的力，具體計算如下：已知：砂帶速度 Vs=20m/s，工件速度Vw=10r/min，砂帶

43、寬度 B=37mm，有效磨削深度 =0.01mm，比磨削能 Us=1100kg/mm×mm。根據(jù)公式計算如下：法向磨削力：Fn=(UsB)/Vs =535.3N切向磨削力：Ft=(UsB)/ =392.1N由于砂帶磨削的磨削分力的比例（即切向力和法向力之比）不同于常規(guī)的車、刨、銑等。一般的車、銑等工序的切向分力是法向風力的2-3倍；而因為砂帶磨削深度和進給量均很小，而磨粒的切削刃鈍圓半徑較大且為負前角切削的緣故，砂帶磨削的情況正好相反，經(jīng)實驗研究表明，砂帶磨削時磨削分力的比例一般為：Ft/Fn=0.33-0.75 本設計中，F(xiàn)t/Fn=392.1N/535.3N=0.733，所以滿足

44、這一規(guī)律，即說明各參數(shù)設定合適。4.2 磨削功率計算由物理學與功率的關(guān)系可知： N=FV/1000 式中N功率（kW） F作用力（N） V物體在力F作用下的運動速度（m/s）顯然對于砂帶磨削來說，上式中 F=Ft（切向磨削力） V=Vs（砂帶磨削速度）所以，砂帶磨削的功率應為： N= Ft Vs/1000 （kW） 因而，由（3-5）計算得： N= FtVs/1000=(392.1×20)/1000=7.842Kw由于電機在傳輸過程中有必要的功率損失，所以選用電機Y160M-4，其主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 額定功率：11Kw 滿載轉(zhuǎn)速：1460r/min 起動轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩：2.2N/m 最

45、大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩：2.2N/m4.3 磨頭結(jié)構(gòu)的尺寸設計4.3.1 接觸輪設計接觸輪的直徑大小對工件材料切除率和表面粗糙度有直接的影響，直徑越小，砂帶與工件材料的有效接觸面積也越小，工件單位面積上受到的壓力增大，砂帶的切削作用增強，磨粒能更好的切入材料，切除率越大，粗糙度值也越大。但是如果接觸輪直徑過小，砂帶本身受到的彎曲應力將急劇增大，同時粘接在砂帶上的磨粒也會由于繞曲過度而極易脫落，這將嚴重影響砂帶的使用壽命。其次，接觸輪直徑的大小還需要根據(jù)具體的加工要求，砂帶規(guī)格，磨頭允許占用的空間以與主軸轉(zhuǎn)速等工藝結(jié)構(gòu)尺寸進行確定，在本砂帶磨床設計中，充分考慮到船用螺旋槳葉片中空間表面曲率半徑變化不一，不能采用大直徑的接觸輪，通過實驗計算可取接觸輪的直徑為80mm。圖 4.1接觸輪表面形狀與其與工件接觸狀況由于接觸輪表面有不同的包覆材料，如橡膠、塑料、金屬和棉質(zhì)材料。包覆材料的軟硬決定了接觸輪的硬度。接觸輪越軟，接觸長度越長?？纱笾聦⒔佑|輪分為軟接觸輪和硬接觸輪，如圖4.1所示。軟接觸輪的特點是磨粒上承受的壓力較小，降低了砂帶磨削力，能較好的適應工件外形。硬接觸輪的特點是磨粒上能承受的壓力較大，增加了砂帶磨削力，雖然不能適應工件外形，但能取得更大的磨削量。針對船用螺旋槳葉片這種復雜扭曲的空間型面，工件外形變化比較復雜，且對表面質(zhì)量精度要